CAN-BUS車載網(wǎng)絡基礎知識

第一章車載網(wǎng)絡基礎知識

第一節(jié)汽車車載網(wǎng)絡通信系統(tǒng)基礎

一、汽車CAN多路信息傳輸系統(tǒng)應用背景

20世紀90年代，汽車上的電控裝置越來越多，例如電子燃油噴射裝置、防抱死

制動裝置（ABS）、電控自動變速箱、安全氣囊裝置、主動懸架等。隨著集成電路和單

片機在汽車上的廣泛應用，汽車上的電子控制器的數(shù)量越來越多，線路越來越復雜。

如果仍采用常規(guī)的布線方式，即電線一端與開關相接，另一端與用電設備相通，將導

致汽車上電線數(shù)目急劇增加。目前，一跟線束包裹著幾十根電線的現(xiàn)象很普通。在一

些高級轎車上，電線的質量占到整車質量的4%左右甚至更高，汽車新技術的發(fā)展應

用與汽車線束根數(shù)及線徑急劇增加的矛盾日益突出。

汽車電控系統(tǒng)的增加雖然提高了轎車的動力性、經(jīng)濟性和舒適性。但是汽車電

腦與電腦之間進行信息傳遞時，有幾個信號就要有幾條信號傳輸線（信號傳輸線的接

地端可以采用公共回路）。例如，寶來轎車發(fā)動機電控單元J220與自動變速器電控單

元J217之間就需要有5條信號傳輸線。如果傳遞信號項目多還需要更多的信號傳輸線。

在追求汽車小型化及實用化的今天，粗大的線束不但占用了汽車上寶貴的空間資源，

而且也越來越難以將它裝到隱蔽的位置。最終的結果就是電控單元端子數(shù)增加、線路

復雜、故障率增多。汽車工作的可靠性降低。并且維修困難。

為了簡化線路，提高各電腦之間的通信速度，降低故障頻率，CAN數(shù)據(jù)總線應運

而生。各大汽車生產(chǎn)商先后都用了該技術。

一輛汽車不管有多少塊電控單元，不管信息容量有多大，每塊電控單元都只需

引出兩條線共同接在兩個接點上，這兩條導線就稱做數(shù)據(jù)總線。以前各電控單元之間

好比有許多人騎著自行車來來往往，現(xiàn)在是這些人乘做著汽車，公共汽車可以承載大

量乘客故數(shù)據(jù)總線亦稱BUS線（見圖1一1）。

圖1-1汽車信息高速公路

正如公路運輸需要交通規(guī)則來維持正常的動作一樣，數(shù)據(jù)總線也需要信號傳遞規(guī)

范。其中，一種基本的規(guī)則是分時。在這種規(guī)則下，數(shù)據(jù)總線在每一時刻只能被兩個

部件占用，再兩個部件之間傳遞信號。由于電信號傳播的速度極快，因此數(shù)據(jù)總線完

全可以滿足許多部件進行分時信號傳遞的需要。

在現(xiàn)代轎車的設計中，CAN已經(jīng)成為必須采用的裝置，奔馳，寶馬，大眾，沃

爾沃及雷諾汽車都將CAN作為電子控制器連網(wǎng)的手段。由于我國中高檔轎車主要以

歐洲車型為主，因此歐洲車型應用最廣泛的CAN技術，也將是國產(chǎn)轎車引進的技術

項目。目前汽車上的網(wǎng)絡連接方式主要采用2根CAN總線，一根是用于驅動系統(tǒng)的

高速CAN總線，速率達到500Kbit/s另一根是用于車身系統(tǒng)低速CAN總線速率是

lOOKbit/So

驅動系統(tǒng)用CAN總線主要連接對象是發(fā)動機ECU、ASR、及ABSECU、SRSECU、

組合儀表等。他們的基本特征相同，都是控制與汽車行駛直接相關的系統(tǒng)。車身系統(tǒng)

用CAN總線主要連接對象是4門以上的集控鎖、電動門窗、后視鏡和廂內照明燈等。

有些先進的轎車除了以上2根CAN總線外，還有第3根CAN總線，他主要負責衛(wèi)星

導航及智能通信系統(tǒng)。

目前，驅動系統(tǒng)用CAN總線和車身系統(tǒng)用CAN總線這2根總線彼此之間是相

互獨立的。今后工程技術人員將逐步克服技術障礙，設置“網(wǎng)關”，在各根CAN總線

彼此之間搭橋實現(xiàn)資源共享，將各個數(shù)據(jù)總線上的信號反饋到儀表板總成上的顯示屏

上。駕駛員只要看看顯示屏，就可以知道各個電控裝置是否正常工作。

數(shù)據(jù)總線技術引入汽車，對汽車電子技術的發(fā)展起到了積極的推進作用并逐漸

得到廣泛的應用。

二、車載網(wǎng)絡的發(fā)展簡史

從1980年起，汽車內開始裝用網(wǎng)絡，在1983年，豐田公司在世紀牌汽車上最早

采用了應用光纜的車門控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了多個節(jié)點的連接通信。此系統(tǒng)采用了集中控

制方法，車身ECU對各車門的門鎖、電動玻璃窗進行控制，這是早期在汽車上采用的

光纜系統(tǒng)，此后，在較長的一段時間里，其他公司并沒有跟進采用光纜系統(tǒng)。

19867989年間，在車身系統(tǒng)上裝用了利用銅線的網(wǎng)絡。1987年，作為集中型控制系

統(tǒng)，日產(chǎn)公司的車門相關系統(tǒng)、GM公司的車燈控制系統(tǒng)已經(jīng)處于批量生產(chǎn)的階段。

雖說這是的一些系統(tǒng)已經(jīng)達到了正式生產(chǎn)的階段，但是在這個時期出現(xiàn)了非常重

要的事情，對現(xiàn)在來說也是如此：德國的RobertBosch公司提出了汽車車載局域網(wǎng)

(LAN)的基本協(xié)議，此協(xié)議為眾所周知的控制器局域網(wǎng)(ControllerArea

Network),簡稱CAN。目前控制系統(tǒng)局域網(wǎng)應用最廣泛的標準是CAN。

接著，美國汽車工程學會(SAE)提出了J1850。

此后，日本也提出了各種各樣的網(wǎng)絡方案，并且，豐田、日產(chǎn)、三菱、本田及馬

自達公司都已經(jīng)處于批量生產(chǎn)的階段，但沒有統(tǒng)一為車身為主的控制方式。

而在其他國家，特別是歐洲的廠家則采用CAN,同時發(fā)表文章介紹采用大型CAN

網(wǎng)絡的車型。由于他們在控制系統(tǒng)上都可以采用CAN,從而充分的證明了CAN在此

領域內的先進性。

在美國，通過采用SAEJ1850普及了數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，在SAE中也通過了CAN的

標準，明確的表示將轉向CAN協(xié)議。

隨著汽車技術的發(fā)展，歐洲又以與CAN協(xié)議不同的思路提出了控制系統(tǒng)的新協(xié)

議TTP(TimeTriggeredProtocol),并在X-by-wire系統(tǒng)上開始應用。

在此對X-by-wire適當加以說明對飛機的控制系統(tǒng)來說，有一詞組為

Fey-by-wire系統(tǒng)，直譯為靠電線飛行的系統(tǒng)，實際上，它表示飛機的工作方式，或者

說是控制方式，即將飛行員的操縱操作命令轉換成電信號，利用計算機控制飛行的

工作方式.將這種操作方式引入汽車上，則出現(xiàn)了Drive-by-wire系統(tǒng),直譯為靠電線

行駛的系統(tǒng)，在汽車上類似的系統(tǒng)還有Steering-by-wire系統(tǒng)\Brake-by-wire系統(tǒng)，就

將這些系統(tǒng)稱為X-by-wire系統(tǒng)。

與這些網(wǎng)絡采用不同思路開發(fā)的有信息系統(tǒng)，在開關及顯示功能控制用的信

號系統(tǒng)的信息設備之間建立網(wǎng)絡，下一步是利用顯示數(shù)據(jù)自身用光纜進行轉達數(shù)

據(jù).

為了實現(xiàn)音響系統(tǒng)的數(shù)字化，建立了將音頻數(shù)據(jù)與信號系統(tǒng)綜合起來的AV網(wǎng)絡,

因為這種網(wǎng)絡需要將大容量的數(shù)據(jù)連續(xù)的輸出，因此，在這種網(wǎng)絡上將采用光纜。

今后,當對汽車引入智能交通系統(tǒng)（ITS）時，由于要與車外交換數(shù)據(jù)，所以，在信息

系統(tǒng)中將會采用更大容量的網(wǎng)絡，例如D2B協(xié)議\MOST及正EE1394等。

主要車載網(wǎng)絡的名稱、概要、通信、速度與組織推動單位如表1-1所示。幾種車

載網(wǎng)絡的年份、采用廠家與發(fā)表年份，如表1-2所示。幾種網(wǎng)絡的成本比例及通

訊速度如圖1-2所示。

表主要車載網(wǎng)絡基本情況

車載網(wǎng)絡的名稱概要通信速度組織/推動單位

CAN(ControllerAreaNet-車身/動力傳動系統(tǒng)控制用LAN協(xié)議，最有RobertBosch公司(開

1Mbit/s

work)可能成為世界標準的車用LAN協(xié)議發(fā))，ISO

VAN(VehicleAreaNetwork)車身系統(tǒng)控制用LAN協(xié)議，以法國為中心1Mbit/sISO

10.4Kbit/s

J1850車身系統(tǒng)控制用LAN協(xié)議，以美國為中心FordMotor公司

41.6Kbit/s

LIN(LocalInterconnectNet-

車身系統(tǒng)控制用LAN協(xié)議，液壓組件專用20Kbit/sLIN協(xié)議會

work)

IDB-C(ITSDataBuson

以CAN為基礎的控制用LAN協(xié)議250Kbit/sIDM論壇

CAN)

TTP/C(TimeTriggeredPro-重視安全、按用途分類的控制用LAN協(xié)議,2Mbit/s

TIT計算機技術公司

locolbyCAN)時分多路復用（TDMA）25Mbit/s

TTCAN(TimeTriggered重視安全、按用途分類的控制用LAN協(xié)議，

1Mbit/sRobertBosch公司CiA

CAN)時間同步的CAN

重視安全、按用途分類的控制用LAN協(xié)議，

Byteflight10Mbit/sBMW公司

通用時分多路復用（FTDMA）

BMW公司

FlexRay重視安全、按用途分類的控制用LAN協(xié)議5Mbit/s

DaimlerChrysler公司

接表1T

車載網(wǎng)絡的名稱概要通信速度組織/推動單位

DDB/()ptical(DomesticDigi-音頻系統(tǒng)通信協(xié)議，格DDB作為音頻系統(tǒng)總

5.6MbitC&C公司

talBus/Optical)線采用光通信

MOST(MediaOrientedSys-信息系統(tǒng)通信協(xié)議，以歐洲為中心，由克萊

22.5Mbit/sMOST合作組織

temTransport)斯勒與BMW公司推動

信息系統(tǒng)通信協(xié)議,有轉化成IDB1394的動

1EEEE1394lOOMbii/s1394工業(yè)協(xié)會

向

表1-2幾種車載網(wǎng)絡的開發(fā)年份、采用廠家與發(fā)表年份

年份車載網(wǎng)絡廠家備注

D2B開發(fā)Philips公司1986年2月北美車采用LAN

CAN開發(fā)Bosch公司1986年12月歐洲車采用LAN

VNP開發(fā)北美

79861987年12月日本車采用LAN

CCD開發(fā)北美

MOST開發(fā)

1988CCD開發(fā)美國車采用

VAN開發(fā)

1991CAN開發(fā)歐洲車采用

D2B

1992日本車采用

D2BOptical開發(fā)

J1850

1994SAE認可，ISO批準

VAN

1995-D2B歐洲車采用以汽車廠為主對新LAN進行研究

發(fā)表L1N

發(fā)表TTP

2000?發(fā)表了許多新的LAN

發(fā)表Byteflight

發(fā)表TTCAN

25.6M

FlexRay

信息系統(tǒng)局域網(wǎng)

2M光纜總線

TTP

1M時間觸發(fā)X-by-wire

CAN

125K雙線總線控制器局域網(wǎng)

L1N

單線總線

20K開關/操縱系統(tǒng)局域網(wǎng)

24.510

成本比例

圖1-2幾種網(wǎng)絡的成本比例及通信速度

三、典型車載網(wǎng)絡結構與組成

隨這汽車技術的發(fā)展，在汽車上采用的計算機微處理芯片數(shù)量越來越多，多個

處理器之間相互連接,協(xié)調工作并共享信息構成了汽車車載電腦網(wǎng)絡系統(tǒng)（圖1-3

和l-4）o通常的車載網(wǎng)絡結構采用多條不同速率的總線分別連接不同類型的節(jié)點,

并使用網(wǎng)關服務器來實現(xiàn)整車的信息共享和網(wǎng)絡管理，如圖1-5所示.

圖1-3典型的車載網(wǎng)絡結構

1-ABS模塊2一動力系統(tǒng)控制模塊（PCM）3—電子自動溫度控制

（EATC）4一集成控制板（ICP）5一虛像組合儀表6-照明控制模塊

（LCM）7一駕駛員座椅模塊（DSM）8一駕駛員車門模塊（DDM）

9一移動電話模塊10—汽車動態(tài)模塊

圖1-4車載網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

EFI-電子燃油噴射系統(tǒng)/\BS一防抱死制動系統(tǒng)4WS-四輪

轉向系統(tǒng)4WD-四輪驅動系統(tǒng)ASUA彳j?源懸架系統(tǒng)

娛樂及媒體系統(tǒng)車身系統(tǒng)動力系統(tǒng)

圖L5車載網(wǎng)絡結構

車身系統(tǒng)的控制單元多為低速電動機和開關量器件，對實時性要求低而數(shù)量

眾多。使用低速的總線連接這些電控單元與汽車的驅動單元.將這部分電控單元與

汽車的驅動系統(tǒng)分開，有利用保證驅動系統(tǒng)通信的實時性。此外，采用低速總線還可

以增加傳輸距離，提高抗干擾能力以及降低硬件成本。

動力與傳動系統(tǒng)的受控對象直接關系汽車的行駛狀態(tài),對通信實時性有較高

的要求。因此使用高速的總線連接動力與傳動系統(tǒng)。傳感器組成的各種狀態(tài)信息

可以廣播的形勢在高速總線上發(fā)布，各節(jié)點可以同一時刻根據(jù)自己的需要獲取信

息。這種方式最大限度地提高了通信的實時性。

故障診斷系統(tǒng)是將車用診斷系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡上加以實現(xiàn)。信息與車載媒體系

統(tǒng)對于通信速率的要求更高，一般在2Mbit\s以上。采用新型的多媒體總線連接車

載媒體.這種新型的多媒體總線往往是基于光纖通信的，從而可以充足保證帶寬。網(wǎng)

關是電動汽車內部的通信的核心，通過它可以實現(xiàn)各條總線上信息的共享以及實

現(xiàn)汽車內部網(wǎng)絡管理和故障診斷功能。

四、常用基本術語

如果你是個初學者,許許多多的計算機專用術語，如數(shù)據(jù)總線'網(wǎng)絡'通信協(xié)議'網(wǎng)

關以及各種縮略語很容易令你望而生畏.但無論如何，正是因為有了多路傳輸技術,

當今的汽車才能實現(xiàn)電子化控制.運用多路傳輸技術，可以使汽車省去許多連接和

插接器，可以減輕重量、節(jié)省空間、改善可靠性。

你應當懂得多路傳輸技術的原理，否則一旦你的OBD-H故障掃描儀在檢測車

輛時不工作，你就會不知所措，或者即使你的故障掃描儀在工作，你卻找不到本

應該找到的故障。你同樣應知道OBD-II系統(tǒng)正在向被稱為CAN（控制器局域

網(wǎng)）的系統(tǒng)過渡。這就意味著你需要一臺新的故障掃描儀，或把原有的做較大程

度的升級。如果你打算買一臺故障診斷儀掃描儀的話，不但要知道他現(xiàn)在能做什

么，還必須要想到以后能不能診斷CAN系統(tǒng)以及是否具有重新編程的功能等等。

1、局域網(wǎng)

局域網(wǎng)絡是一個有限區(qū)域內連接的計算機網(wǎng)絡，簡稱局域網(wǎng)。一般這個區(qū)域

具有特定的職能，通過這個網(wǎng)絡實現(xiàn)這個系統(tǒng)內的資源共享和信息通信。連接到

網(wǎng)絡上的節(jié)點可以使計算機、基于這微處理器的應用系統(tǒng)或智能裝置。局域網(wǎng)一

般的數(shù)據(jù)傳輸速度在IO?~i（）5Kim范圍內，傳輸距離100到250米，誤碼率低。

汽車上的網(wǎng)絡是局域網(wǎng)與現(xiàn)場總線之間的一種結構。數(shù)據(jù)傳輸速度一般在10-103

Kit\s范圍，傳輸距離在幾十米范圍。

2、現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是在工業(yè)過程控制和生產(chǎn)自動化領域發(fā)展的一種網(wǎng)絡體系，是在過程

現(xiàn)場安裝在控制室先進自動化裝置中的一種串行數(shù)字通信鏈路。該系統(tǒng)適用于過

程自動化和制造自動化最底層次的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場監(jiān)測儀表互聯(lián)的通信網(wǎng)絡，是

現(xiàn)場通信網(wǎng)絡與控制系統(tǒng)的集成。

3、CAN

CAN,全稱為"ControllerAreaNetwork,即控制器局域網(wǎng)，是國際上應

用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初，CAN被設計作為汽車環(huán)境中的微機控制器通信，

在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡。比如：發(fā)動

機管理系統(tǒng)、變速器控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝

置。

一個由CAN總線構成的單一網(wǎng)絡中，理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點。實際應用中，

節(jié)點數(shù)目受網(wǎng)絡硬件的電氣特性所限制。例如，當使用PhilipsP82C250作為CAN

收發(fā)器時，同一網(wǎng)絡中允許掛接110個節(jié)點。CAN可提供高達IMbit's的數(shù)據(jù)傳

輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強了CAN

的抗電子干擾能力。

4、數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)總線是模塊間運行數(shù)據(jù)的通道，即所謂的信息高速公路。數(shù)據(jù)總線可以

實現(xiàn)在一條數(shù)據(jù)線上傳遞的信號被多個系統(tǒng)控制單元共享，從而最大限度地提高

系統(tǒng)整體效率，充分體現(xiàn)利用有限的資源。例如，常見的電腦鍵盤有104位鍵，

可以發(fā)出百多個不同的指令，但鍵盤與主機之間的數(shù)據(jù)連接線卻只有7根，鍵盤

正是依靠這7根數(shù)據(jù)連接線上不同的電平組合（編碼信號）來傳遞信號的。如果

把這種方式應用在汽車電氣系統(tǒng)上，就可以大大簡化目前的汽車電路，可以通過

不同的編碼信號來表示不同的開關動作信號，解碼后，根據(jù)指令接通或斷開對應

的用電設備（前照燈、刮水器、電動座椅）。這樣，就能將過去一線一用的專線制

改為一線多用制，大大的減少了汽車上電線的數(shù)量，縮小線束的直徑。當然，數(shù)

據(jù)總線還將使計算機技術融入整個汽車系統(tǒng)之中，加速汽車智能化發(fā)展。

如果系統(tǒng)可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，則這樣的數(shù)據(jù)總線稱之為雙向數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)總

線實際是一條導線，或許是兩條導線。兩線式的其中一條導線不是用作額外的通道。

他的作用有點像公路的路肩，上面立有交通標志和信號燈。一旦數(shù)據(jù)通道出現(xiàn)了故障,

這“路肩”在有些數(shù)據(jù)總線中被用來承載“交通”，或者令數(shù)據(jù)換向通過一條或兩條

數(shù)據(jù)總線中未發(fā)出故障的部分。為了抗電子干擾，雙線制數(shù)據(jù)總線的兩條線是攪在一

起的。

各汽車制造商一直在設計各自的數(shù)據(jù)總線，如果不兼容，就稱為專用數(shù)據(jù)總

線。如果是按照某種國際標準設計的，就是非專用的。為使不同廠家生產(chǎn)的零部

件能在同一輛汽車上協(xié)調工作，必須制定標準。按照ISO有關標準，CAN的拓撲

結構位總線式，因此也稱為CAN總線（CAN-BUS）。

5、多路傳輸

多路傳輸是指在同一通道或線路上同時傳輸多條信息（圖1-6）。事實上數(shù)據(jù)

信息是依次傳輸?shù)?，但速度非常之快，似乎就是同時傳輸?shù)?。對一個人來說，十

分之一秒算是非?？斓?，但對一臺運算速度即使相對慢的計算機來說，十分之一

秒?yún)s是很長的時間。如果十分之一秒分成若干段，許多單個的數(shù)據(jù)都能被傳輸一

—每一段傳輸一段，這就叫做分時多路傳輸。

開關

a）通常方式

,_________________________,一||負載

I調制「?-一二」調已【

1III1J一解_P^GNDI

線束（〃個負載只需三根總線：|fGNDl

GND2電源線、信號線、零線）------------

b）多路傳輸系統(tǒng)（串行分時通信）

圖L6常規(guī)線路和多路傳輸線路的簡單對比

從圖1-6中可以看出，常規(guī)線路要比多路傳輸線路簡單的多，然而多路傳輸系統(tǒng)ECU

之間所用導線比常規(guī)線路系統(tǒng)所用導線少得很。ECU可以觸發(fā)儀表板上的警告燈或故

障燈等等，由于多路傳輸可以通過一根線（數(shù)據(jù)總線）執(zhí)行多個指令，因此可以增加

許多功能裝置。

正如可把無線電廣播和移動電話的電波分為不同頻率，我們可以同時傳輸不同的

數(shù)據(jù)流。隨著現(xiàn)在和未來的汽車裝備無線多路傳輸設置的增加，基于頻率、副值或其

他方法的同時數(shù)據(jù)傳輸也成為可能。汽車上用的是單線或雙線分時多路傳輸系統(tǒng)。

6、模塊、節(jié)點。

模塊就是一種電子裝制。簡單一點的如溫度和壓力傳感器，復雜的如計算機

（微處理器）。傳感器是一種模塊裝置，根據(jù)溫度和壓力的不同產(chǎn)生不同的電壓信

號。這些電壓信號在計算機（一種數(shù)字裝置）的輸入接口被轉變?yōu)閿?shù)字信號。在

計算機多路傳輸系統(tǒng)中一些簡單的模塊被稱為節(jié)點。

7、網(wǎng)絡

為了實現(xiàn)信息共享而把多條數(shù)據(jù)總線連接在一起，或者把數(shù)據(jù)總線和模塊當

作一個系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡。從物理意義上講，汽車上許多模塊和數(shù)據(jù)總線距離很近，

因此被稱為LAN（局域網(wǎng)）

8、網(wǎng)關

因為汽車上用這么多總線和網(wǎng)絡,所以必須用一種有特殊功能的計算機達到

信息共享和不產(chǎn)生協(xié)議間的沖突，實現(xiàn)無差錯數(shù)據(jù)傳輸，這種計算機就叫網(wǎng)關。

9、幀

為了可靠的傳輸數(shù)據(jù)，通常將原始數(shù)據(jù)分割成一定長度的數(shù)據(jù)單元，這就是數(shù)

據(jù)傳輸單元，稱之為幀。一幀內應包括同步信號（例如幀的開始與終止）、錯誤控

制（各類檢錯碼或糾錯碼，大多采用檢錯重發(fā)的控制方式）、流量控制（協(xié)調發(fā)送

方與協(xié)調方的速率），控制信息、數(shù)據(jù)信息、尋址（在通道共享的情況下，保證每

一幀都能正確地到達目的站，收方也能知道信息來自何站）等。

五、局域網(wǎng)

局域網(wǎng)是一種在小區(qū)域內提供各類數(shù)據(jù)設備互連的通信網(wǎng)絡，這里的數(shù)據(jù)通信設

備可以使計算機、終端、外部連接、傳感器、電話、電視收發(fā)器等。局域網(wǎng)的典型特

征是：高數(shù)據(jù)傳輸率（0.1Mbit~100Mbit/s）；短距離傳輸（0.1km~25km）；低傳輸誤碼

率（W8

通常，將局域網(wǎng)劃分為三類，即一般局域網(wǎng)（LAN）、高速局域網(wǎng)（HSLN）

和計算機化分組交換器（CBX）,這三類局域網(wǎng)在系統(tǒng)結構和設計方案上差距很

大，三類局域網(wǎng)主要是為了滿足不同要求而獨立研制的。一般局域網(wǎng)和高速局域

網(wǎng)的通信協(xié)議是分別定義的。三類局域網(wǎng)的主要特性見表1-3。

表1-3局域網(wǎng)分類和主要特性

特性一般局域網(wǎng)高速局域網(wǎng)計算機化分組交換機

傳輸媒體雙線線、同軸電纜、光纖CATV同軸電纜雙線線

拓撲結構總線匍、環(huán)總線星線

傳輸速率/Mbit/s■20509.6-64

最大距離/km2511

支持設備數(shù)100-100010100-1000

連接費用中等高低

一般局域網(wǎng)是指普通意義上的局域網(wǎng)。通常，LAN可以支持小型機、大型機、終

端和其他外圍設備的互聯(lián)。在許多情況下，這類網(wǎng)絡既可以傳送數(shù)據(jù)，也可以傳送聲

音、圖像，應用在辦公室自動化方面的局域網(wǎng)也屬于這一類。

最常見的LAN的類型是采用同軸電纜總線/樹型網(wǎng)，當然也可以選擇采用雙絞線、

同軸電纜、甚至光線的環(huán)型網(wǎng)。LAN的傳輸速率為lMbit/s~20Mbit/s,足以滿足大部分

的應用要求，并且允許相當多的設備共享網(wǎng)絡。

LAN中有一種聯(lián)結微型機和低價的廉價的網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡通常采用雙絞線，數(shù)據(jù)

速率為IMbit/s或更低一些。LAN的標準有美國電子和電子工程師協(xié)會（IEEE）于1980

年2月成立的專門研究局域網(wǎng)技術并制定相應的標準的一個委員會（IEEE802）制定，

其標準稱為IEEE802標準。汽車局域網(wǎng)屬于LAN。

局域網(wǎng)主要取決于三個因素：傳輸媒體、拓撲結構和媒體訪問控制協(xié)議

（MAC）,其中傳輸媒體和拓撲結構是主要的技術選擇，它們在很大程度上決定

了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型、通信速度、效率以及網(wǎng)絡提供的應用種類。

1、局域網(wǎng)的傳輸媒體

傳輸媒體分為有線和無線兩種類型，目前車上使用的大多數(shù)都是有線網(wǎng)絡，通常

用于局域網(wǎng)的傳輸線媒體分為：雙絞線、同軸電纜和光纖。表1-4列出這三種傳輸媒

體的特性。

表14雙線線、同軸電纜和光纖的主要特性

媒體信號類型最大數(shù)據(jù)傳輸速度/Mbit/s最大傳輸距離/km網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)

雙絞線數(shù)字1~20.1兒十

同軸電纜（50力數(shù)字10幾百

同軸電纜（75n）數(shù)字501幾十

同軸電纜（750）FOM模擬2010幾千

同軸電纜（75。）單信道模擬501幾十

光纖模擬1001幾卜

雙絞線是局域網(wǎng)中最普遍的傳輸媒體，一般用于低速傳輸，最大數(shù)據(jù)傳輸率可達

幾Mbit/s；雙絞線成本較低，傳輸距離較近，非常合適汽車網(wǎng)絡的情況，也是汽車網(wǎng)

絡使用最多的傳輸媒體。

同軸電纜可以滿足較高性能的要求，與雙絞線相比，它可以提供較高的吞吐量，

連接較多的設備，跨越更大的距離。

光纖在電磁兼容性等方面有獨特的優(yōu)點，而且數(shù)據(jù)傳輸速度較高，傳輸距離遠，

在汽車網(wǎng)絡上，尤其在一些要求傳輸速度高的車上網(wǎng)絡(如車上信息與多媒體網(wǎng)絡)

上有很好的應用前景。但受到成本和技術的限制，現(xiàn)在使用的并不多。

2、局域網(wǎng)的拓撲結構

局域網(wǎng)常用的拓撲結構有三種：星型、環(huán)形、總線型。每種拓撲結構都已有典型

的網(wǎng)絡產(chǎn)品。

(1)星型網(wǎng)拓撲結構

局域網(wǎng)即以一臺稱之為中心處理機為主組成的網(wǎng)絡，各種類型的入網(wǎng)機構與該中

心處理機又物理鏈路直接相連，因此，所有的網(wǎng)上傳輸信息均需要通過該機轉發(fā)，其

結構如圖1-7所示。

圖1-7星型網(wǎng)拓撲結構

星型網(wǎng)由于其物理結構，使其具有以下特點：構造較容易，適用于同種機型相連;

通信功能簡單，它可以根據(jù)需要由中心處理機分時或按優(yōu)先權排隊處理；中心處理機

負載過重，擴充困難；每臺入網(wǎng)計算機均須與中心處理機有線路直接互聯(lián)，因此線路

利用率不高，信到容量浪費較大。

(2)總線型網(wǎng)拓撲結構

總線型網(wǎng)是從計算機的總線訪問控制發(fā)展而來的，他將所有的入網(wǎng)計算機通過分

接頭接入一條載波傳輸線上，網(wǎng)絡拓撲結構就是一條傳輸線，如圖1-8所示。

|主，機]|主，機|

乙方=[^1=1分;頭1=|分/頭

j主in.||高|

圖1-8總線網(wǎng)絡拓撲結構

由于所有的入網(wǎng)計算機共用一條傳輸信道，因此總線型網(wǎng)的一個特殊問題就是信

道的訪問控制權的分配，并由此產(chǎn)生一系列處理機制。

總線型網(wǎng)的特點是：由于多臺計算機共用一條傳輸線，所以信道利用率較高；同一時

刻只能有兩處網(wǎng)絡結點在相互通信；網(wǎng)絡延伸距離有限；網(wǎng)絡容納節(jié)點數(shù)受信道訪問

機制影響，因而是有限的。由于總線型網(wǎng)的上述特點，因此它適于傳輸距離較短、地

域有限的組網(wǎng)環(huán)境，目前，局域網(wǎng)多采用此種方式。

(3)環(huán)形網(wǎng)拓撲結構

環(huán)形網(wǎng)通過一個轉發(fā)器將每臺計算機接入網(wǎng)絡，

每個轉發(fā)器與相鄰的兩臺轉發(fā)器用物理鏈路相連，

所有轉發(fā)器組成一個拓撲為環(huán)的網(wǎng)絡系統(tǒng)，如圖1-9

所示。

環(huán)型網(wǎng)由于其點-點通信的唯一性，因此，不宜

在廣域范圍內組建計算機網(wǎng)絡。他也是一種較為實

用的局域網(wǎng)拓撲結構，尤其是在實時性要求較高的

環(huán)境中更是如此。

環(huán)型網(wǎng)的主要特點是：由于一次通信信息在網(wǎng)中傳

圖1-9環(huán)形網(wǎng)絡拓撲結構輸最大時間是固定的，此實時性較高，每個網(wǎng)上結點

H（Host）一主機只與其他兩個節(jié)點有物理鏈路直接互聯(lián)，因此傳輸

NIU（NetworkInterfaceUnit）一網(wǎng)絡接口部件控制機制較為簡單；一個結點出故障可能會終止全

網(wǎng)運行，因此可靠性較差；網(wǎng)絡擴充需對全網(wǎng)進行拓撲和對訪問控制機制進行調整,

因此較為復雜。

3、媒體訪問控制協(xié)議（MAC）

局域網(wǎng)的目的是使某一區(qū)域內大量的數(shù)據(jù)處理、通信設備相互連接，局域網(wǎng)的拓

撲結構并未采用物理上完全連接方式，而是通過共享傳輸媒體（環(huán)型、總線/樹型）或

轉換開關（星型）實現(xiàn)的。對于共享傳輸媒體的方案，需要一套分布邏輯以控制各連

網(wǎng)設備對傳輸媒體的訪問，這就是媒體訪問控制（MAC-MediumAccessControl）o

當傳輸媒體和拓撲結構選定后，局域網(wǎng)的性能就主要取決于MAC,因此,MAC是局域

網(wǎng)研究的一個重要課題。

六、汽車對通信網(wǎng)絡的要求

現(xiàn)代汽車質型的控制單元有電控燃油控制噴射系統(tǒng)、電控傳動系統(tǒng)、防抱死制動

系統(tǒng)（ABS）、防滑控制系統(tǒng)（ASR）、廢氣再循環(huán)控制、巡航控制系統(tǒng)和空調系統(tǒng)，

如圖1-10所示。

圖1-10汽車通信網(wǎng)絡總線方式拓撲

1、汽車多個ECU之間的典型網(wǎng)絡布局。

汽車多個ECU之間的網(wǎng)絡布局常見的有分級式和分開式兩種。

（1）采用J1939標準的分級式。該結構將整個網(wǎng)絡分成不同的功能層級

（圖1-11）,并用特制的微機對不同層級進行處理和控制。這種網(wǎng)絡布局具有超過

30個ECU的容量。

圖1-11分級式網(wǎng)絡布局

(2)采用J1587/J1708標準的分開式。在這種網(wǎng)絡布局(圖1-12)中，各個網(wǎng)絡

都有自己的操縱系統(tǒng)，相互之間用橋接器來處理多個ECU之間的通信。

圖1-12分開式網(wǎng)絡布局

2、數(shù)據(jù)通信

連接到車載網(wǎng)絡的各個ECU按需要從總線上接受最新的信息進行操作驅動器。

例如，匹配發(fā)動機轉速傳感器ECU,將發(fā)動機轉速數(shù)據(jù)連續(xù)饋送至總線；另一方面，

其他幾個需要發(fā)動機轉速數(shù)據(jù)的ECU,只需從總線上接受發(fā)動機轉速數(shù)據(jù)。對于接受

ECU,他接受的最新數(shù)據(jù)為現(xiàn)行數(shù)據(jù)。在實際實施中，每當ECU接收數(shù)據(jù)，就將這些

數(shù)據(jù)存儲在RAM區(qū)，并將這些數(shù)據(jù)按各自的類型賦值，因此，RAM總有一個更新的

數(shù)據(jù)復制并存儲在其中，在通過對這些數(shù)據(jù)的應用，使ECU獲取最新的數(shù)據(jù)。

汽車內ECU之間于辦公用微機之間的數(shù)據(jù)傳輸特征不盡相同，主要差別在于傳輸

頻率。汽車內ECU之間的數(shù)據(jù)傳輸頻率是變化的。在一個完善的汽車電子控制系統(tǒng)中，

許多動態(tài)信息必須與車速同步。為了滿足各子系統(tǒng)的實時性要求，有必要對汽車公共

數(shù)據(jù)實行共享，如發(fā)動機轉速、車輪轉速、加速踏板位置等。但是每個控制單元對實

時性的要求是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期不同而不同的，例如，一個8缸柴油機運

行在2400r/min,則電控單元控制兩次噴射的時間間隔為6.25ms。其中，噴射時間為

30度的曲軸轉角，在剩余的4ms內需要完成轉速測量、油量測量、A/D轉換、工況計

算、執(zhí)行器的控制等一系列過程。這就意味著數(shù)據(jù)發(fā)送與接收必須在1ms內完成，才

能達到發(fā)動機電控的實時性要求。

這就要求其數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先權競爭的模式，且本身具有極高的通信速率，

CAN現(xiàn)場總線正是為滿足這些要求而設計的。不同參數(shù)應具有不同的通信優(yōu)先權，表

1-5列出了幾個典型參數(shù)允許響應時間。

表1-5典型參數(shù)允許響應時間

典型參數(shù)允許響應時間典型參數(shù)允許響應時間

發(fā)動機噴油量10ms進氣溫度20s

發(fā)動機轉速300ms冷卻液溫度Imin

車輪轉速ls~100s燃油溫度^lOmin

七、車用局域網(wǎng)系統(tǒng)的應用與形式

車用局域網(wǎng)的應用例子非常多，以至無法簡單的加以說明。按照應用加以劃分,

車用網(wǎng)絡大致可以分為4個系統(tǒng)：車身系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、信息系

統(tǒng)，如圖1-13所示。

視頻音箱CDDVD

電動制動動力轉向???

10000

發(fā)動機變速器ABS…

1000

低速傳感器ECU高速傳感器…

250

車門車頂儀表板車身系統(tǒng)

125

CANB/IJN

20

電動座椅動力玻璃窗反視鏡…

圖1-13車用網(wǎng)絡的拓撲

1、動力傳動系統(tǒng)

在動力傳動系統(tǒng)內，利用網(wǎng)絡將發(fā)動機艙內設置的模塊連接起來，再將汽車的主

要因素一一跑、停止與拐彎這些功能用網(wǎng)絡連接起來時，就需要高速網(wǎng)絡。動力傳動

系統(tǒng)模塊的位置比較集中固定在一處。從歐洲汽車廠家的示例來看，節(jié)點的數(shù)量也是

有限制的。

動力CAN數(shù)據(jù)總線連接3塊電腦，他們是發(fā)動機，ABS/EDL即自動變速箱電腦

（動力CAN數(shù)據(jù)總線實際可以連接安全氣囊、四輪驅動與組合儀表等電腦）?？偩€可

以同時傳遞10組數(shù)據(jù)，發(fā)動機電腦5組、ABS/EDL電腦3組和自動變速箱電腦2組。

數(shù)據(jù)總線以500Kbit/s速率傳遞數(shù)據(jù)，每一數(shù)據(jù)組傳遞大約需要0.25ms,每一塊電控

單元7~20ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)。優(yōu)先權順序為ABS/EDL電控單元一一發(fā)動機控制單元一

一發(fā)動機電控單元一一自動變速器電控單元。

在動力傳動系統(tǒng)之中，數(shù)據(jù)傳遞應盡可能快速，以便及時利用數(shù)據(jù)，所以需要一個高

性能的發(fā)送器，高速發(fā)送器會加快點火系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞，這樣使節(jié)收到的數(shù)據(jù)立即

應用到下一個點火脈沖中去，CAN數(shù)據(jù)總線連接點通常置于控制單元外部的線束中，

在特殊情況下，連接點也可能設在發(fā)動機電控單元內部。

2、車身系統(tǒng)

與動力傳遞系統(tǒng)相比，汽車上的各處都配置有車身系統(tǒng)的部件。因此，線束變長,

容易受到干擾的影響。作為干擾的措施是盡量降低通信速度。節(jié)點的數(shù)量增加，所以

通信速度沒有什么問題。在車身系統(tǒng)中，因為擔負著人機接口作用的模塊、節(jié)點的數(shù)

量增加，所以，與性能（通信速度）相比，更傾向于注重成本，對此，人們正在摸索

更廉價的解決方法，目前常常采用直連總線及輔助總線。

舒適CAN數(shù)據(jù)總線連接五塊控制單元，包括中央控制單元及四個車門的控制單元。

舒適CAN數(shù)據(jù)傳遞有五個功能；中央門鎖、電動窗、照明開關、后視鏡加熱及自診

斷功能控制單元的各條傳輸線以星狀形式的匯集一點，這樣做的好處是，如果一個

控制單元發(fā)生故障，其他控制單元仍可發(fā)送各自的數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)使經(jīng)過車門的導線數(shù)量減小，線路變得簡單。如果線路中某處出現(xiàn)對地短路，

對正極短路或線路間斷路，CAN系統(tǒng)會立即轉為應急模式運行或專為單線模式運行。

只四個車門控制單元都是由中央控制單元控制，需較少的自診斷線。

數(shù)據(jù)總線以62。5Kbit/s速率傳遞數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)傳遞大約需要1ms單元20ms,每

個電控發(fā)送一次數(shù)據(jù)。優(yōu)先權順序為：中央控制單元一一駕駛員側車門控制單元一

前排乘客側車門控制單元一一左后車門控制單元一一右后車門單元。由于舒適系統(tǒng)中

的數(shù)據(jù)可以用較低的速率傳遞，所以發(fā)送器性能比動力傳動系統(tǒng)發(fā)送器的性能低。

3、安全系統(tǒng)

這里根據(jù)多個傳感器的信息使安全氣囊啟動的系統(tǒng)，因此使用的節(jié)點數(shù)將急劇地

增加。對此系統(tǒng)的要求是：車本低、通信速度快、通信可靠性高。

4、信息（娛樂、ITS）系統(tǒng)

對信息系統(tǒng)通信總線的要求是：容量大、通信速度非常高。因此，相關人士正在

討論；通信媒體應該采用光纖還是應該采用銅線。

除上述所介紹的系統(tǒng)之外，還有面向21世紀的控制系統(tǒng)、高速車身系統(tǒng)及主干網(wǎng)絡等。

這就意味著將會有不同的網(wǎng)絡并存，因此就要求網(wǎng)絡之間可以互相連接、也可以斷開。

為了實現(xiàn)即插即用，都將各個局域網(wǎng)與總線相連，根據(jù)汽車的平臺選擇并建立所需要

的網(wǎng)絡，典型的車用網(wǎng)絡如圖1-14所示。

動力傳動系統(tǒng)安全系統(tǒng)車身系統(tǒng)車身與信息系統(tǒng)

圖車用網(wǎng)絡的平臺

第二節(jié)汽車微機網(wǎng)絡通信協(xié)議

一、通信協(xié)議

1、通信協(xié)議的含義

兩個實體要想成功地通信，他們必須“說同樣的語言”，并按既定控制法則來保證相

互配合。具體地說，在通信內容、怎樣通信以及何時通信等方面，兩個實體要遵從相

互可以接受的一組約定和規(guī)則。這些約定和規(guī)則的集合稱之為協(xié)議。因此，協(xié)議可定

義為兩實體間控制信息交換的規(guī)則制集合。

2、通信協(xié)議的內容

（1）在一個簡單的通信協(xié)議中，模塊不分主從，根據(jù)規(guī)定的優(yōu)先規(guī)則，模

塊間相互傳遞信息，并且都知道該接受什么信息。

（2）一個模塊是主模塊，其他則為從屬模塊，根據(jù)優(yōu)先規(guī)則，他決定哪個

從屬模塊發(fā)信息以及何時發(fā)送信息。

（3）所有的模塊都像旋轉的木馬上的騎馬人，一個上面有“免費卷”掛環(huán)

的轉圈繞著他們旋轉。當一個模塊有了有用的信息，他便抓住掛環(huán)掛上這條信

息，任何一個需要這條信息的模塊都可以從掛環(huán)上取下這條信息。

（4）通信協(xié)議中有個仲裁系統(tǒng),通常這個系統(tǒng)按照每條信息的數(shù)字拼法為

各種數(shù)據(jù)傳輸設定優(yōu)先規(guī)制。例如，以1結尾的數(shù)字信息要比以0結尾的優(yōu)先

權。

3、接口與實體

接口是為兩個系統(tǒng)設備或部件之間連接服務的數(shù)據(jù)流穿越的界面。計算機通信接

口由設備（或部件）和說明組成，一般包括四個方面內容：物理、電氣、邏輯和過程。

在物理方面，要指出插接器有多少個插腳。在電氣方面，要確定接口電路信號的電壓、

寬度、及他們的時間關系。在邏輯方面，包括說明為了傳送如何把數(shù)據(jù)位或字符換成

字段，以及說明傳輸控制字符的功能使用等。換句話說，計算機通信接口的邏輯說明，

提供了用手控制和實現(xiàn)穿越接口交換數(shù)據(jù)流的一種語言。在過程方面，它說明通信控

制字符的法定順序、各種字段的法定內容以及控制數(shù)據(jù)流穿越接口的命令和應答。如

果把邏輯說明看成為確定數(shù)據(jù)穿越接口的語法，那么過程說明就可作為語義。

在計算機網(wǎng)絡內，不同系統(tǒng)中實體需要通信。一般來說，實體是能夠發(fā)送或接受信息

的東西，而系統(tǒng)包括一個或多個實體的物理物體。實體的例子如用戶應用程序、文件

傳送程序包、進程、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、電子郵件設施及終端等。系統(tǒng)的例子是計算機、

終端設備和遙感裝置等。

（1）協(xié)議要素及其功能

（1）、協(xié)議的三要素

1、語法確定通信雙方之間“如何講”，既由邏輯說明構成，要對信息或報文中各

字段格式化，說明報頭（或標題）字段、命令和應答的結構。

2、語義確定通信雙方之間“講什么”，既由過程說明構成，要對發(fā)布請求、執(zhí)行

動作以及返回應答予以解釋，并確定用于協(xié)調和差錯處理的控制信息。

3定時規(guī)則指出事件的順序以及速度匹配、排序。

（2）協(xié)議的功能

協(xié)議的功能是控制并指導兩個對話實體的對話過程，發(fā)現(xiàn)對話過程

中出現(xiàn)的差錯并確定處理策略。具體說來，每個協(xié)議都是具有針對性

地，用于特定的目的，所以各協(xié)議的功能是不一樣的，但是有一些公

共的功能是大多數(shù)協(xié)議都是具有的。這些功能包括四個方面。

1、差錯監(jiān)測和糾正，面向通信傳輸?shù)膮f(xié)議常使用“應答一一重發(fā)”，循環(huán)

冗（rong）余檢驗CRC、軟件檢查和等機制進行差錯的監(jiān)測和糾正工作；而面向

應用的協(xié)議常采用重新同步、恢復以及托付等更為高級的方法進行差錯的監(jiān)測和糾

正工作。一般說來，協(xié)議中對異常情況的處理說明要占很大的比重。

2、分塊和重裝。用協(xié)議控制進行傳送的數(shù)據(jù)長度是有一定限制的，參加

交換的數(shù)據(jù)都要求有一定的格式。為了滿足這個要求，就需要將實際應用中的數(shù)據(jù)

進行加工處理，使之符合協(xié)議交換時的格式要求，只有這樣才能應用協(xié)議進行數(shù)據(jù)

交換。分塊與重裝就是這種加工處理操作，分塊操作將大的數(shù)據(jù)化分成若干小塊，

如將報文劃分成幾個報文分組；重裝操作則是將劃分的小塊數(shù)據(jù)重新組合復原，例

如將報文分組還原成報文。

3、排序。對發(fā)送出的數(shù)據(jù)進行編號以標識它們的順序，通過排序，可達

到按序傳遞、信息流控制和差錯控制等目的。

4、流量控制。通過限制發(fā)送的數(shù)據(jù)量或速率，以防止在信道中出現(xiàn)堵塞

現(xiàn)象。

5、協(xié)議的類型

協(xié)議可根據(jù)其不同特性進行分類，可分為：

直接型/間接型

單體型/結構化型

對稱型/不對稱型

標準型/非標準型等。

(1)直接型/間接型

兩個實體間的通信，可以是直接的或間接。例如，兩個系統(tǒng)若共享一個“點一點”鏈

路，那么這些系統(tǒng)中