智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論 課件 單元6 車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

第六章車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論1.熟知車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的類型與特點(diǎn)。2.掌握車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分類、特點(diǎn)、應(yīng)用。3.掌握汽車的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從LIN、CAN總線到Flexray、以太網(wǎng)區(qū)別與聯(lián)系學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)內(nèi)容

汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述

車載網(wǎng)絡(luò)的類型一、汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由車載網(wǎng)絡(luò)、車載自組織網(wǎng)絡(luò)以及車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成，如圖6-1所示。其中以車內(nèi)總線通信為基礎(chǔ)的是車載網(wǎng)絡(luò)；以短距離無線通信為基礎(chǔ)的是車載自組織網(wǎng)絡(luò)；以遠(yuǎn)距離無線通信為基礎(chǔ)的是車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。圖6-1汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成

（一）汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)類型（1）以車內(nèi)總線通信為基礎(chǔ)的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)見圖6-2所示。

圖6-2車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖6-2車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)1）A類低速網(wǎng)絡(luò)。傳輸速率一般小于（千比特每秒)，主流協(xié)議是LIN（局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)），主要用于電動(dòng)門窗、電動(dòng)座椅、照明系統(tǒng)等。2）B類中速網(wǎng)絡(luò)。傳輸速率在之間，對(duì)實(shí)時(shí)性要求不太高，主要面向獨(dú)立模塊之間數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡(luò)；主流協(xié)議是低速CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)），主要用于故障診斷、空調(diào)、儀表顯示。3）C類高速網(wǎng)絡(luò)。傳輸速率在之間，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，主要面向高速、實(shí)時(shí)閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)；主流協(xié)議是高速CAN、FlexRay（服樂克思睿）等，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制、ABS、ASR、ESP、懸架控制等。4）D類多媒體網(wǎng)絡(luò)。傳輸速率在之間，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要有MOST、以太網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigBee技術(shù)等，主要用于要求傳輸效率較高的多媒體系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等。5）E類安全網(wǎng)絡(luò)。傳輸速率為，主要面向汽車安全系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。

（2）車載自組織網(wǎng)絡(luò)是基于短距離無線通信技術(shù)自主構(gòu)建的V2V、V2I、V2P之間的無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)V2V、V2I、V2P之間的信息傳輸，使車輛具有行駛環(huán)境感知、危險(xiǎn)辨識(shí)、智能控制等功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)V2V、V2I之間的協(xié)同控制，見圖6-3所示。圖6-3車載自組織網(wǎng)絡(luò)

（3）車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是基于遠(yuǎn)距離通信技術(shù)構(gòu)建的車輛與互聯(lián)網(wǎng)之間連接的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車輛信息與各種服務(wù)信息在車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上的傳輸，使智能網(wǎng)聯(lián)汽車用戶能夠開展商務(wù)辦公、信息娛樂服務(wù)等，見圖6-4所示。圖6-4車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)

（二）汽車網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)（1）復(fù)雜化。智能網(wǎng)聯(lián)汽車電控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它包含多達(dá)數(shù)百個(gè)ECU通信節(jié)點(diǎn)，ECU被劃分到十幾個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)之中，由ECU產(chǎn)生的需要進(jìn)行通信的信號(hào)個(gè)數(shù)多達(dá)數(shù)千個(gè)。（2）異構(gòu)化。為滿足各個(gè)功能子系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性的不同需求，CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都將在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上得到應(yīng)用，因此，不同網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中所采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間存在很大程度的異構(gòu)性。（3）網(wǎng)關(guān)互連的層次化架構(gòu)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車電控系統(tǒng)和先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)具有層次化特點(diǎn)，它同時(shí)包括同一網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)內(nèi)不同ECU之間的通信和兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)所包含的ECU之間的跨網(wǎng)關(guān)通信等多種情況。如防碰撞系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)依賴于安全子系統(tǒng)、底盤控制子系統(tǒng)、車身子系統(tǒng)以及V2V、V2I、V2P之間的交互和協(xié)同控制。（4）通信節(jié)點(diǎn)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是變化的。智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要實(shí)現(xiàn)V2V、V2I、V2P之間的通信，它的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中包含的通信節(jié)點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是變化的。

二、

車載網(wǎng)絡(luò)車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太網(wǎng)等組成，見圖6-5所示。圖6-5車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成

（一）CAN總線網(wǎng)絡(luò)（1）CAN總線定義CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork）的簡(jiǎn)稱，是德國(guó)博世公司在1985年時(shí)為了解決汽車上眾多測(cè)試儀器與控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸，而開發(fā)的一種支持分布式控制的串行數(shù)據(jù)通信總線，見圖6-6所示。目前，CAN總線已經(jīng)是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)總線之一，它的數(shù)據(jù)信息傳輸速率最大為1Mbit/s，屬于中速網(wǎng)絡(luò)，通信距離（無須中繼）最遠(yuǎn)可達(dá)10km。圖6-6車載CAN總線

（2）CAN總線特點(diǎn)CAN總線采用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，媒體訪問方式為位仲裁，是一種多主總線，見圖6-7所示。圖6-7車載CAN總線的結(jié)構(gòu)

CAN總線具有如下特點(diǎn)：1）多主控制：在總線空閑時(shí)，所有單元都可開始發(fā)送消息；最先訪問總線的單元可獲得發(fā)送權(quán)；多個(gè)單元同時(shí)開始發(fā)送時(shí)，發(fā)送高優(yōu)先級(jí)ID(標(biāo)識(shí)符)消息的單元可獲得發(fā)送權(quán)。2）消息的發(fā)送：在CAN協(xié)議中，所有的消息都以固定的格式發(fā)送；總線空閑時(shí)，所有與總線相連的單元都可以開始發(fā)送新消息；兩個(gè)以上的單元同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí)，對(duì)各消息ID的每個(gè)位進(jìn)行逐個(gè)仲裁比較；仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級(jí)最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元?jiǎng)t立刻停止發(fā)送而進(jìn)行接收工作。3）系統(tǒng)的柔軟性：與總線相連的單元沒有類似于“地址”的信息；因此在總線上增加單元時(shí)，連接在總線上的其他單元的軟硬件及應(yīng)用層都不需要改變。4）高速度和遠(yuǎn)距離：當(dāng)通信距離小于40m時(shí)，CAN總線的傳輸速率可以達(dá)到1Mbit/s；通信速度與其通信距離成反比，當(dāng)其通信距離達(dá)到10km時(shí)，其傳輸速率仍可以達(dá)到約5kbit/s。5）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求：可通過發(fā)送“遙控幀”請(qǐng)求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。6）錯(cuò)誤檢測(cè)功能、錯(cuò)誤通知功能、錯(cuò)誤恢復(fù)功能。7）故障封閉：CAN總線可以判斷出錯(cuò)誤的類型是總線上暫時(shí)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（如外部噪聲等）還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（如單元內(nèi)部故障、驅(qū)動(dòng)器故障、斷線等）；當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，可將引起此故障的單元從總線上隔離出去。8）連接：CAN總線可以同時(shí)連接多個(gè)單元，可連接的單元總數(shù)理論上是沒有限制的；但實(shí)際上可連接的單元數(shù)受總線上的時(shí)間延遲及電氣負(fù)載的限制；降低傳輸速率，可連接的單元數(shù)增加；提高傳輸速率，則可連接的單元數(shù)減少。

（3）CAN總線應(yīng)用

根據(jù)CAN總線的傳輸速度不同，應(yīng)用范圍就不同，可分為高速CAN和低速CAN。高速CAN是動(dòng)力型，速度為500kbps，控制ECU、ABS等；低速CAN是舒適型，速度為125Kbps，主要控制儀表、防盜等，見圖6-8所示。圖6-8CAN總線的應(yīng)用

（二）LIN總線網(wǎng)絡(luò)（1）LIN總線定義LIN是局部連接網(wǎng)絡(luò)（LocalInterconnectNetwork）的簡(jiǎn)稱，也被稱為局域網(wǎng)子系統(tǒng)，是專門為汽車開發(fā)的一種低成本串行通信網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制，見圖6-9所示。LIN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率為20kbit/s，屬于低速網(wǎng)絡(luò)，媒體訪問方式為單主多從，是一種輔助總線，輔助CAN總線工作；使用LIN總線可大大降低成本。圖6-9車載LIN總線

（2）LIN總線特點(diǎn)1）LIN總線的通信是基于SCI數(shù)據(jù)格式，媒體訪問采用單主節(jié)點(diǎn)、多從節(jié)點(diǎn)的方式，數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)由主節(jié)點(diǎn)決定，靈活性好；2）一條LIN總線最多可以連接16個(gè)節(jié)點(diǎn)，共有64個(gè)標(biāo)識(shí)符；3）LIN總線采用低成本的單線連接，傳輸速率最高可達(dá)20kbit/s；4）不需要進(jìn)行仲裁，同時(shí)在從節(jié)點(diǎn)中無須石英或陶瓷振蕩器，只采用片內(nèi)振蕩器就可以實(shí)現(xiàn)自同步，從而降低硬件成本；5）幾乎所有的MCU（微控制單元）均具備LIN所需硬件，且實(shí)現(xiàn)費(fèi)用較低；6）網(wǎng)絡(luò)通信具有可預(yù)期性，信號(hào)傳播時(shí)間可預(yù)先計(jì)算；7）通過主機(jī)節(jié)點(diǎn)可將LIN與上層網(wǎng)絡(luò)（CAN）相連接，實(shí)現(xiàn)LIN的子總線輔助通信功能，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)效率和可靠性；8）LIN總線通信距離最大不超過40m。

（3）LIN總線應(yīng)用LIN網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于車窗、門鎖、開關(guān)面板、后視鏡等，見圖6-10所示。圖6-10LIN總線的應(yīng)用

（三）FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)（1）FlexRay總線定義FlexRay是一種用于汽車的高速可確定性的、具備故障容錯(cuò)的總線系統(tǒng)。目前汽車中的控制器件、傳感器和執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)交換主要是通過CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的。然而新的線控技術(shù)（X-by-wire）系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的出現(xiàn)，導(dǎo)致車輛系統(tǒng)對(duì)信息傳送速度尤其是故障容錯(cuò)與時(shí)間確定性的需求不斷增加；FlexRay通過在確定的時(shí)間槽中傳送信息，以及在兩個(gè)通道上的故障容錯(cuò)和冗余信息的傳送，可以滿足這些新增加的要求。

（2）FlexRay總線特點(diǎn)1）數(shù)據(jù)傳輸速率高。最大傳輸速率可達(dá)到10Mbit/s，雙通道總數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到20Mbit/s，因此，應(yīng)用在車載網(wǎng)絡(luò)上，F(xiàn)lexRay的網(wǎng)絡(luò)帶寬可以是CAN網(wǎng)絡(luò)的20倍；2）可靠性好。具有冗余數(shù)據(jù)傳輸能力的總線系統(tǒng)使用兩個(gè)相互獨(dú)立的信道，每個(gè)信道都由一組雙線導(dǎo)線組成；一個(gè)信道失靈時(shí)，該信道應(yīng)傳輸?shù)男畔⒖稍诹硪粭l沒有發(fā)生故障的信道上傳輸；此外，總線監(jiān)護(hù)器的存在進(jìn)一步提高了通信的可靠性；3）確定性。確定性數(shù)據(jù)傳輸用于確保時(shí)間觸發(fā)區(qū)域內(nèi)的每條信息都能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸；4）靈活性。靈活性是FlexRay總線的突出特點(diǎn)，體現(xiàn)在以下方面：支持多種方式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接、串級(jí)連接、主動(dòng)星形連接、混合型連接等；信息長(zhǎng)度可配置，可根據(jù)實(shí)際控制應(yīng)用需求，為其設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)載荷長(zhǎng)度；雙通道拓?fù)浼瓤捎糜谠黾訋挘部捎糜趥鬏斎哂嗟男畔?；周期?nèi)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息傳輸部分的時(shí)間都可隨具體應(yīng)用而改變。

（3）FlexRay總線應(yīng)用1）替代CAN總線。數(shù)據(jù)傳輸速率要求超過CAN的應(yīng)用，F(xiàn)lexRay替代多條CAN總線；2）用做“數(shù)據(jù)主干網(wǎng)”。數(shù)據(jù)傳輸速率高，且支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，非常適合于車輛主干網(wǎng)絡(luò)，連接多個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)；3）用于分布式測(cè)控系統(tǒng)。分布式測(cè)控系統(tǒng)用戶要求確切知道消息到達(dá)時(shí)間，且消息周期偏差非常小，如動(dòng)力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)的一體化控制中；4）用于高安全性要求的系統(tǒng)。FlexRay本身不能確保系統(tǒng)安全，但它具備大量功能以支持面向安全的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，F(xiàn)lexRay總線的應(yīng)用見圖6-11所示。圖6-11FlexRay總線的應(yīng)用

（四）MOST總線網(wǎng)絡(luò)（1）MOST總線定義

MOST（多媒體定向系統(tǒng)傳輸）總線是使用光纖或雙絞線作為傳輸介質(zhì)的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，可以同時(shí)傳輸音/視頻流數(shù)據(jù)、異步數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，支持高達(dá)150Mbit/s的傳輸速率。MOST25是第1代總線標(biāo)準(zhǔn)，最高可支持24.6Mbit/s的傳輸速率，以塑料光纖作為傳輸介質(zhì)；第2代標(biāo)準(zhǔn)MOST50的傳輸速率是MOST25的2倍，采用塑料光纖、非屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)；第3代標(biāo)準(zhǔn)MOST150，不僅最高可支持147.5Mbit/s的傳輸速率，還解決了與以太網(wǎng)的連接等問題，MOST150將成為MOST總線技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

（2）MOST總線特點(diǎn)1）保證低成本條件下，最高可以達(dá)到147.5Mbit/s的速率；2）無論是否有主控計(jì)算機(jī)都可以工作；3）支持聲音和壓縮圖像的實(shí)時(shí)處理；4）支持?jǐn)?shù)據(jù)的同步和異步傳輸；5）發(fā)送/接收器嵌有虛擬網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)；6）支持多種網(wǎng)絡(luò)連接方式，提供MOST設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)；7）通過采用MOST，可以減輕線束的質(zhì)量；8）光纖網(wǎng)絡(luò)不會(huì)受到電磁輻射干擾與搭鐵環(huán)的影響。

（3）MOST總線應(yīng)用主要用于車載電視、車載電話、車載CD、車載互聯(lián)網(wǎng)、DVD導(dǎo)航等系統(tǒng)的控制；用在車載攝像頭等行車系統(tǒng)，見圖6-12所示。圖6-12MOST總線應(yīng)用

四種常用總線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與成本的比較見圖6-13所示。圖6-13四種常用總線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與成本的比較

（五）以太網(wǎng)

（1）以太網(wǎng)總線定義以太網(wǎng)（Ethernet）是由美國(guó)施樂（Xerox）公司創(chuàng)建，并由施樂、英特爾（Intel）和數(shù)字裝備（DEC）公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)包括標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（10Mbit/s）、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）、千兆以太網(wǎng)（1000Mbit/s）和萬兆以太網(wǎng)（10Gbit/s），見圖6-14所示。圖6-14以太網(wǎng)的組成

（2）以太網(wǎng)總線特點(diǎn)1）數(shù)據(jù)傳輸速率高。最大傳輸速率能達(dá)到10Gbit/s，并且還在提高，比任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線都快；2）應(yīng)用廣泛。以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式網(wǎng)絡(luò)，不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián)；3）容易與信息網(wǎng)絡(luò)集成，有利于資源共享。由于具有相同的通信協(xié)議，以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)與Internet的無縫連接，方便車輛網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的通信；4）支持多種物理介質(zhì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。