第1章 車載網絡系統(tǒng)概述

第1章車載網絡系統(tǒng)概述本章重點：（1）了解車載網絡技術的分類，并且知道每一類的1到2種代表性協議；（2）調查某一車系（一汽Audi）的車載網絡技術并進行總結；（3）車載網絡技術的優(yōu)點；（4）目前車載網絡技術應用趨勢2023/2/11第1章考考你1-1.請舉出用于汽車的A、B、C類網絡各2個？1-2.請簡單說明Audi應用車載網絡技術情況？1-3.目前車載網絡技術應用趨勢？(查找近期分析文章)1-4.車載網絡技術的優(yōu)點？1-5.請查資料說明寶馬E65汽車網關通訊中各種顏色的線分別代表什么車載總線？1-6：請說明寶馬E60所包括的總線類型？2023/2/12本章結構1.1為什么會出現車載總線系統(tǒng)1.2汽車網絡的分類及發(fā)展趨向

1.3車載總線技術的優(yōu)勢點

與市場前景2023/2/131.1為什么會出現車載總線系統(tǒng)一.系統(tǒng)的必要性1.電控系統(tǒng)的引入顯然提高了車輛綜合性能2.線束和元件的不斷增加與有限的車內空間產生了矛盾在傳統(tǒng)的汽車中，電氣信號的連接是通過線束實現的。隨著汽車中電子部件數量的增加，線束與配套接插件的數量也在成倍上升。在1955年平均一輛汽車所用線束的總長度為45米，而到了2002年，平均一輛汽車所用線束的總長度卻達到了4千米。線束的增加不但占據了車內的有效空間、增加了裝配和維修的難度、提高了整車成本，而且妨礙整車可靠性的提高。2023/2/14一.系統(tǒng)的必要性（續(xù)）3.電控單元（ECU）的增多使網絡通信的發(fā)展成為必然基于數據通訊的車載網絡，這為提高汽車性能和減少線束數量提供了有效的解決途徑。

電控單元電控單元，又稱為ECU（ElectricalControlUnit）。一般是汽車內部系統(tǒng)控制模塊的代名詞。ECU的主要部分是微機，而核心件是CPU。ECU將輸入信號轉化為數字形式，根據存儲的參考數據進行對比加工，計算出輸出值，輸出信號再經功率放大去控制若干個調節(jié)伺服元件，例如繼電器和開關等。因此，ECU實際上是一個“電子控制單元”（ElectronicControlUnit），它是由輸入電路、微機和輸出電路等三部分組成。電控單元(ECU)是電控系統(tǒng)的核心，安裝在轎車右前輪罩后板處。2023/2/154.數據傳輸方法的變革

發(fā)動機轉速燃油消耗量節(jié)氣門位置變速箱干預信號換擋信息自動變速箱控制單元發(fā)動機控制單元并行數據傳輸方式：高速、高效，通信距離短2023/2/164.數據傳輸方法的變革(續(xù))

發(fā)動機轉速燃油消耗量節(jié)氣門位置變速箱干預信號換擋信息自動變速箱控制單元發(fā)動機控制單元串行數據總線傳輸方式：速度慢，接口簡單、通信距離遠2023/2/171.2汽車網絡的分類及發(fā)展趨向第一類節(jié)點CAN總線第二類節(jié)點Lin總線第三類節(jié)點MOST網絡第四類節(jié)點藍牙節(jié)點2023/2/18迄今為止,已有多種網絡標準.為方便研究和設計使用,美國汽車工程師協會(SAE:SocietyofAutomotiveEngineer)將汽車網絡根據速率劃分為A,B,C,D,E五類,各類網絡的特點見表1.2023/2/19圖1所示奧迪A4轎車車用網絡系統(tǒng)包含了上述五類網絡中的A類網絡LIN、B類網絡低速CAN、C類網絡高速CAN、D類網絡MOST及藍牙bluetooth等技術.下面分別介紹.思考1-1.請舉出用于汽車的A、B、C類網絡各2個？2023/2/110對于D和E類網絡標準,綜合考慮功能和位傳輸速率等因數，現有的汽車總線可分為多媒體信息系統(tǒng)總線、安全總線和診斷系統(tǒng)總線。2023/2/111二．

汽車網絡標準的具體分類

1.A類網絡標準

從目前的發(fā)展和使用情況來看，A類網的主要總線是TTP/A(Time

Triggered

Protocol/A)和LIN(Local

Interconnect

Network)。2023/2/112(1)TTP/A協議最初由維也納工業(yè)大學制定，為時間觸發(fā)類型的網絡協議，主要應用于集成了智能變換器的實時現場總線。它具有標準的UARTUART(UniversalAsynchronousReceiverTransmitter：通用異步收發(fā)器)，能自動識別加入總線的主節(jié)點與從節(jié)點，節(jié)點在某段已知的時間內觸發(fā)通信但不具備內部容錯功能。

(2)LIN是在1999年由歐洲汽車制造商Audi、BMW、DaimlerChrysler、Volvo、Volkswagen和VCT

公司以及Motorola公司組成的LIN協會，共同推出的用于汽車分布式電控系統(tǒng)的開放式的低成本串行通信標準，從2003年開始使用。

2023/2/113LIN是一種基于UART的數據格式、主從結構的單線12V的總線通信系統(tǒng)，主要用于智能傳感器和執(zhí)行器的串行通信。從硬件、軟件以及電磁兼容性方面來看，LIN保證了網絡節(jié)點的互換性，極大地提高了開發(fā)速度，同時保證了網絡的可靠性。2023/2/114補充解釋：SPI、UART三種串行總線協議的區(qū)別

第一個區(qū)別當然是名字：

SPI(SerialPeripheralInterface：串行外設接口);UART(UniversalAsynchronousReceiverTransmitter：通用異步收發(fā)器)第二，區(qū)別在電氣信號線上：

SPI總線由三條信號線組成：串行時鐘(SCLK)、串行數據輸出(SDO)、串行數據輸入(SDI)。SPI總線可以實現多個SPI設備互相連接。提供SPI串行時鐘的SPI設備為SPI主機或主設備(Master)，其他設備為SPI從機或從設備(Slave)。主從設備間可以實現全雙工通信，當有多個從設備時，還可以增加一條從設備選擇線。

如果用通用IO口模擬SPI總線，必須要有一個輸出口(SDO)，一個輸入口(SDI)，另一個口則視實現的設備類型而定，如果要實現主從設備，則需輸入輸出口，若只實現主設備，則需輸出口即可，若只實現從設備，則只需輸入口即可。UART總線是異步串口，因此一般比同步串口SPI的結構要復雜很多，一般由波特率產生器(產生的波特率等于傳輸波特率的16倍)、UART接收器、UART發(fā)送器組成，硬件上由兩根線，一根用于發(fā)送，一根用于接收。

顯然，如果用通用IO口模擬UART總線，則需一個輸入口，一個輸出口。第三，從第二點明顯可以看出，SPI和UART可以實現全雙工；SPI接口和上面UART相比，多了一條同步時鐘線，上面UART的缺點也就是它的優(yōu)點了，對通信雙方的時序要求不嚴格不同設備之間可以很容易結合，而且通信速度非?？臁?023/2/115由于LIN價格低廉，因此它可將MCU嵌入到車身零部件中，使其成為具備網絡功能智能零部件（SmartParts）從而進一步減少線束、降低成本。LIN網絡已經廣泛地被世界上的大多數汽車公司以及零配件廠商所接受，有望成為事實上的A類網絡標準。2023/2/1162.B類網絡標準

（VAN和CAN）從目前B類網絡的使用情況來看主要有兩種：低速CAN和VAN。

(1)VAN標準是ISO于1994年6月推出的。它基于ISO11519-3，主要為法國汽車公司所用。但目前就動力與傳動系統(tǒng)而言，甚至在法國也集中在CAN總線上。2023/2/117CAN(2)CAN是德國Bosch公司從20世紀80年代初，為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換問題而開發(fā)的一種串行數據通信協議。它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1Mbps。1991年首次在奔馳S系列汽車中實現。同年，Bosch公司正式頒布了CAN技術規(guī)范，版本2.0。1993年11月，ISO正式頒布了國際標準ISO11898，為CAN的標準化、規(guī)范化鋪平了道路。此后，越來越多的北美和日本汽車公司也開始采用CAN網絡。1994年，美國汽車工程師協會卡車和巴士控制與通信子協會選擇CAN作為SAE

j1939標準的基礎。低速CAN具有許多容錯功能，一般用在車身電子控制中；而高速CAN則大多用在汽車底盤和發(fā)動機的電子控制中。

2023/2/118CAN總線憑借其突出的可靠性、實時性和靈活性已從眾多總線中突顯出來，成為世界接受的B類總線的主流協議。2023/2/1193.C類網絡標準

C類標準主要用于與汽車安全相關及實時性要求比較高的地方，如動力系統(tǒng)，

所以其傳輸速率比較高，通常在125kbps

-

1Mbps之間，必須支持實時的周期性參數傳輸。目前，C類網絡中的主要協議包括高速CAN(ISO11898-2)、正在發(fā)展中的TTP/C和FlexRay等協議。2023/2/120(1)TTP/C協議(1)TTP/C協議由維也納工業(yè)大學研究，基于TDMA的訪問方式。TTP/C是一個應用于分布式實時控制系統(tǒng)的完整的通信協議。

它能夠支持多種容錯策略，

提供容錯的時間同步以及廣泛的錯誤檢測機制，同時還提供節(jié)點的恢復和再整合功能。其采用光纖傳輸的工程化樣品速度將達到25Mbps。TTP

/C

支持時間和事件觸發(fā)的數據傳輸。TTP管理組織TTAGroup成員包括奧迪、SA、Renault、NEC、TTChip、Delphi等。

2023/2/121(2)FlexRayFlexRay是BMW、Daimler

Chrysler、Motorola和Philips等公司制定的功能強大的通信網絡協議。它是基于FTDMA的確定性訪問方式，具有容錯功能及確定的通信消息傳輸時間，同時支持事件觸發(fā)與時間觸發(fā)通信。具備高速率通信能力。FlexRay采用冗余備份的辦法，對高速設備可以采用點對點方式與FlexRay總線控制器連接，構成星型結構，對低速網絡可以采用類似CAN總線的方式連接。

2023/2/122(3)高速CAN歐洲的汽車制造商基本上采用高速CAN總線標準ISO11898?？偩€傳輸速率通常在125kbps-1Mbps

之間。據Strategy

Analytics公司統(tǒng)計，2001年用在汽車上的CAN節(jié)點數目超過1億個。然而，作為一種事件驅動型總線，CAN無法為下一代線控系統(tǒng)提供所需的容錯功能或帶寬，因為X-by-Wire系統(tǒng)實時性和可靠性要求都很高，必須采用時間觸發(fā)的通信協議，如TTP/C或FlexRay等。2023/2/123CAN協議仍為C類網絡協議的主流，但隨著汽車中引進X-by-Wire系統(tǒng)，TTP/C

和FlexRay將顯示出優(yōu)勢。它們之間的競爭還要持續(xù)一段時間，在未來的線控系統(tǒng)中，到底哪一種標準更具有生命力尚難定論。2023/2/1244.診斷系統(tǒng)總線標準

故障診斷是現代汽車必不可少的一項功能、使用診斷系統(tǒng)的目的主要是為滿足OBD-II(On

Board

Diagnose)、OBD-III或E-OBD(European-On

Board

Diagnose)標準。OBD-II第二代隨車電腦診斷系統(tǒng)，由美國汽車工程學會1994年提出。1994年以來，美、日、歐一些主要汽車生產廠為了維修方便逐漸使用OBD-II隨車診斷系統(tǒng)。這一系統(tǒng)集故障自診斷系統(tǒng)軟硬件結構、故障代碼、通信方式系統(tǒng)、自檢測試模式為一體，

具有監(jiān)視發(fā)動機微機和排放系統(tǒng)部件的能

力。2023/2/1252004年，美國GM、Ford、DC三大汽車公司對乘用車采用基于CAN的J2480診斷系統(tǒng)通信標準。在歐洲，

從2000年開始，歐洲汽車廠商就已經能夠開始使用一種基于CAN總線的診斷系統(tǒng)通信標準ISO15765。目前，除了CAN網絡，LIN協議也已經成為汽車診斷的總線標準。

2023/2/126協議標準用戶備注ISO9141歐洲滿足OBD-IIIISO14230歐洲又稱Keyword

Protocol

2000；滿足OBD-IIJ1850GM、Ford、DC滿足OBD-IIJ2480GM、Ford、DC基于CAN；滿足OBD-IIIIISO15765歐洲基于CAN；滿足E-OBD診斷系統(tǒng)協議標準的使用情況

2023/2/1275.多媒體信息系統(tǒng)總線標準汽車信息娛樂和遠程信息設備，特別是汽車導航系統(tǒng)，需要功能強大的操作系統(tǒng)和連接能力。目前主要應用的幾種總線協議如下表所列。2023/2/128多媒體信息系統(tǒng)總線使用情況

2023/2/129(1)MOST網絡MOST網絡是由德國Oasis

Silicon

System公司開發(fā)的。MOST技術針對塑料光纖媒體而優(yōu)化，采用環(huán)行拓撲機構，在器件層提供高度可靠性和可擴展性。它可以傳送同步數據(音頻信號、視頻信號等流動型數據)、非同步數據(訪問網絡及訪問數據庫等的數據包)和控制數據(控制報文及控制整個網絡的數據)。MOST得到包括BMW、Daimler

Chrysler、Harman/Becker和Oasis公司的支持，已應用在多款車型上，如BMW7系列、Audi

A-8、Mercedes

E系列等。2023/2/130(2)Bluetooth隨著藍牙技術的發(fā)展，短距點對點通訊的藍牙技術在汽車中尋求到了發(fā)展空間，其相對低廉的成本和簡便的使用方法得到汽車業(yè)界的認同。藍牙無線技術是一種用于移動設備和WAN/LAN接入點的低成本、低功耗的短距離射頻技術。藍牙標準描述了手機、計算機和PDA如何方便地實現彼此之間的互連，以及與家庭和商業(yè)電話和計算機設備的互連。藍牙特殊興趣組的成員包括AMIC、BMW、Daimler

Chrysler、Ford、GM、Toyota和Volkswagen。2023/2/131(2)Bluetooth（續(xù)）

移動電話與車內媒體之間的信息交互成為藍牙技術進入汽車的突破點，Johnson

Controls公司的免提手機系統(tǒng)“Blue

Connect”，允許司機在雙手扶住方向盤的情況下，通過支持藍牙功能的手機保持聯系。Daimler-Chrysler推出Uconnect藍牙免提電話系統(tǒng)中，藍牙成為移動電話與車內媒體之間進行信息交互的手段，駕駛員通過安裝在擋風玻璃上的麥克風和車內音響系統(tǒng)的揚聲器與他人通話，將駕駛員的雙手從橾作移動電話中解脫出來，從而保證了行車安全。

2023/2/132(3)ZigBee無線網絡ZigBee無線網絡在汽車上應用的解決方案是針對藍牙技術受車內電磁噪聲影響的問題而提出。ZigBee可以工作在低于1GHz與2.45GHz的頻帶范圍，傳輸速率為250kbps，主要應用范圍包括工業(yè)控制、家庭自動化、消費類應用以及潛在的汽車應用。目前，ZigBee聯盟發(fā)布了首批成功完成互操作性測試的四款平臺。這些平臺將用來測試未來數月內推出的ZigBee產品，為ZigBee在各領域的實際應用鋪平道路。查證Zigbee應用情況2023/2/1336.

安全總線和標準

(E類總線)安全總線主要用于安全氣囊系統(tǒng)，以連接速度計、安全傳感器等裝置，為被動安全提供保障。目前已有一些公司研制了相關的總線和協議，包括Delphi公司的SafetyBus和BMW公司的Byteflight。2023/2/134Byteflight協議特點Byteflight協議是由BMW、Motorola、Elmos、Infineon等公司共同開發(fā)的，試圖用于安全保障系統(tǒng)。此協議基于靈活的時分多路TDMA協議、以10Mbps的速率傳送數據，光纖可長達43m。其結構能夠保證以一段固定的等待時間專門用于來自安全元件的高優(yōu)先級信息，而允許低優(yōu)先級信息使用其余的時段。這種決定性的措施對安全是至關重要的。2023/2/135Byteflight協議應用Byteflight不僅可用于安全氣囊系統(tǒng)的網絡通信，還可用于X-by-Wire系統(tǒng)的通信和控制。BMW公司在其2001年9月推出的BMW

7系列車型中，采用了一套名為ISIS的安全氣囊控制系統(tǒng)，它是由14

個傳感器構成的網絡，利用Byteflight來連接和收集前座保護氣囊、后座保護氣囊以及膝部保護氣囊等安全裝置的信號。在緊急情況下，中央電腦能夠更快、更準確地決定不同位置的安全氣囊的施放范圍與時機，發(fā)揮最佳的保護效果。

思考：BMW7中的ISIS安全氣囊詳細介紹？（一位同學負責，10分鐘ppt）2023/2/136車載各類總線應用趨勢圖事實上的標準A類LINB類CANC類高速CAN，FlexRayD類：多媒體總線MOST（主）Bluetooth（輔）診斷總線OBDIIE類：安全總線Byteflight2023/2/137三．

汽車網絡的發(fā)展趨向

X-by-Wire，即線控操作，是未來汽車的發(fā)展方向。該技術來源于飛機制造，基本思想就是用電子控制系統(tǒng)代替機械控制系統(tǒng)，減輕重量，提高可靠性，如Steer-by-Wire，Brake-by-Wire等。由于整個設計思想涉及動力、制動、方向控制等關鍵功能，對汽車網絡也就提出了不同要求。在未來的5

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10年里，X-by-Wire技術將使傳統(tǒng)的汽車機械系統(tǒng)變成通過高速容錯通信總線與高性能CPU

相連的電氣系統(tǒng)。在一輛裝備了綜合駕駛輔助系統(tǒng)的汽車上，目前存在幾種相互競爭的幾種網絡技術，包括前文提到的TTP、Byteflight和FlexRay以及TTCAN(時間觸發(fā)的CAN)。

1-3.目前車載網絡技術應用趨勢？2023/2/138至于哪一種總線網絡會成為今后的標準，目前還尚難定論，但長遠來看，車載網絡還遠沒有達到成熟階段。信息與電子技術發(fā)展很快，車輛上的應用又有比較大的滯后，所以車上信息與電子技術的應用還有很大的發(fā)展空間。它們將對車上通信與控制網絡提出一些新的需求，同時為新的車上網絡技術提供技術支持。2023/2/1391.3車載總線技術的優(yōu)勢點

與市場前景一.汽車網絡化的優(yōu)點:（1）基于總線技術或者無線技術，車輛電子綜合控制可以在真正意義上實現車輛信息數據融合，將汽車電控系統(tǒng)的性能提升到新的層次；（2）減少了車內線束的復雜程度，使得電控系統(tǒng)布置更加靈活。（3）為實現智能汽車和智能交通奠定了基礎。智能交通系統(tǒng)通過采用先進的電子技術、信息技術、通信技術等高新技術，對傳統(tǒng)的交通運輸系統(tǒng)及管理體制進行改造，從而形成一種信息化、智能化、社會化的新型現代交通系統(tǒng)。通過網絡技術，車輛所有的電子設備都可以互相控制和訪問，實現車輛與車輛、車輛與公共信息服務中心之間的數據和信息交換，為交通的網絡化管理提供接口。1-4.車載網絡技術的優(yōu)點？2023/2/140可以看出，在未來幾十年里汽車的網絡化是發(fā)展的主題。無論采用總線技術還是采用無線通信技術，還是將總線技術同無線技術相結合，各大汽車生產商和零配件公司都在針對自己的技術水平、技術發(fā)展預測、經濟水平等綜合因素選擇適合自己的方式進行汽車網絡化。2023/2/141二.主要車用總線通信協議

比較與應用前景2023/2/142由于各方面的原因,汽車行業(yè)要建立一個統(tǒng)一的汽車網絡協議體系,還有不少困難.不過,目前對汽車網絡的應用已逐漸形成這樣的看法:在低速網絡中使用LIN;在中速網絡中采用低速CAN;在高速網絡中,對現行汽車的實時分布控制方式,高速CAN將成為事實上的標準,但在采用X-by-wire技術的下一代汽車中,TTP/C與FlexRay的競爭暫未完結;面向多媒體導航系統(tǒng)的MOST協議看來勢頭正猛,它在減重和抗干擾方面有獨特的優(yōu)點,但它是一個封閉性的平臺,它的對手IDB1394的是一個開放標準,可最大限度利用民用設備市場,因此具有很大潛力;在面向乘員的安全系統(tǒng)的網絡中,Byteflight顯示了其獨特的優(yōu)勢.2023/2/143車上總線技術的速度/價格分布圖bit/sdollarblueteethJ1850在圖中,J1850將要被淘汰,Byteflight也沒有得到廣泛認同.圖中的顯著特點就是:除藍牙技術以外(無線通訊范疇),它們在位速率和成本上所占據的范圍幾乎不存在重疊區(qū)域.并且成本與位速率呈現遞增關系.這反映出網絡在汽車領域已被不同的車用總線所”瓜分”,而且這些總線在各自領域呈現出獨霸一方的局面.2023/2/144上圖中還有一個特點:CAN-BCAN-C和TTCAN這三類都是由can規(guī)范所衍生出來的總線標準.從成本上看,這三類總線比較有市場競爭力.因此,在汽車行業(yè)也格外受到青睞,它被認為是車載網絡領域最優(yōu)發(fā)展前途的總線規(guī)范之一.在這一規(guī)范方面,第2章和第3章會進行詳細的介紹，第4章將會介紹其應用.并且在實驗方面，我們的目的就是實現CAN節(jié)點之間的相互通信。2023/2/145三.我國車載網絡技術發(fā)展策略

在汽車上應用網絡技術,一是減少線束,二是提高傳輸速度,從而達到提高汽車綜合性能的目的.在計算機網絡和現場總線技術的基礎上,開發(fā)各種應用于汽車環(huán)境的網絡技術和設備,組建汽車內部的通信網絡,是現代汽車發(fā)展的重要趨勢.考慮到汽車上網絡應用的層次和目的變化大,以及汽車對成本價格的敏感,因此汽車上將是多種層次網絡的互連網結構.隨著世界上各大汽車公司的網絡控制技術平臺的建立,網絡技術在汽車中的應用會迅速普及.我國應抓住這個機會,在汽車網絡標準建立、技術應用方面加強開發(fā)研究,盡快形成自己獨立的知識產權,在汽車網絡知識領域中占據一席之地.2023/2/146目前實用的車載網絡系統(tǒng)2023/2/147四.網關種類介紹總線型：是一種比較簡單的網關，它采用一條稱為公共總線的傳輸介質，將各節(jié)點直接與總線連接，信息沿總線介質逐個節(jié)點廣播傳送。星型：由中心節(jié)點和其它從節(jié)點組成，中心節(jié)點可直接與從節(jié)點通信，而從節(jié)點間必須通過中心節(jié)點才能通信。環(huán)型：信號按節(jié)點編號順序以“接力”方式傳輸。2023/2/148寶馬系列轎車的總線系統(tǒng)寶馬系列轎車第5代主要車型代號：3系列E90（2005至今）；5系列E60（2002至今）；7系列E65（2002至今）。5和7系的E60、E65的最為典型。下面分別介紹。2023/2/149E60和E65總線系統(tǒng)參數系統(tǒng)參數K-CANPT-CANMOST總線ByteflightD