汽车修理05第10章车载网络系统

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1、 汽 车 电 子 控 制 技 术沈阳大学 凌永成获得帮助：汽车维修论坛 http:/ 车载网络系统 10.1 车载网络系统的总线结构10.1.1 汽车电气系统网络化技术的发展历程与其他控制现场相比，汽车内温度变化范 围大(-45 到100)，电磁干扰和其他电子噪 声强，环境恶劣，使得网络在车内的运行可靠 性显得尤为重要。这不但体现在网络结构自身的容错能力和 抗干扰能力上，而且也体现在信号的编码方式 和传输方式上。为此，汽车用网络无一例外地都采用了同步 串行传输方式，数据信号多采用PWM和NRZ编码，通常位速率高于100kb/s采用NRZ编码方式 ，位速率低于100kb/s采用PWM编码方式。众

2、多国际知名汽车公司早在20世纪80年代 就积极致力于汽车网络技术的研究及应用。早期的汽车网络只不过是两个处理器之间 的UART连接。这种串行连接使两个控制器之间能容易地 共享信息，但这样的网络却无法简单地增加节 点。北美汽车制造商和汽车工程师协会(SAE)开 发了J1850，这是一个汽车网络的专用协议。J1850很快就成了车内联网的标准，并取代了UART串行通信。通用汽车公司和克莱斯勒汽车公司使用 10.4kb/s可变脉宽协议的相似版本，在单根线 的总线上通信。福特汽车公司采用速率更高的41.6kb/s PWM型，在2条线的差分总线上通信。欧洲的汽车制造商支持控制器局域网络 (Controll

3、er Area Network，CAN)。CAN最早是德国博世公司开发的，是一种 最高数据速率可达到1Mb/s的实时控制总线。与J1850一样，CAN也是采用载波传感、 多路存取/碰撞分辨的仲裁协议。当多个节点同时发送数据时，优先级低的 节点重新再发，优先级最高的信息则继续传送 至其目的地。其他的标准还有德国大众的ABUS、ISO的 VAN、马自达的PALMNET等。汽车工程师协会(SAE)定义了三类车辆数 据连接网络： A 类 允许节点间的同一总线进行多路信号的 发送或接收，适用于低数据率汽车车身布线。B 类 这是数据在节点间传输的多主总线系统， 可取消多余的系统组件。当需要将许多功能集 成

4、在一个模块时，最适于利用B类连接方式。C类 与B类的定义相同，但面向高数据率信号 传输时，典型用途是发动机控制、ABS控制等 实时控制系统。目前，J1850实际上已作为美国的国家标准， 为福特和通用两大汽车公司所采用，而CAN在 欧洲得到了广泛的认可和支持。汽车总线技术在国外已成功地运用到一些 名牌高档汽车上，如奔驰、宝马、保时捷、劳 斯-莱斯、美洲豹等。一些公司也对汽车总线传输制定了进一步的 标准，如美国的SAEJ1708、J1787、J1792及 最新的J1939，各大公司还在不断地推出新的 总线形式及相关标准。10.1.2 CAN总线在早期，CAN总线要求与之相连的每个端 口都要有独立的

5、通信处理能力，这在汽车电气 系统一直很难办到。进入20世纪90年代，由于集成电路技术和 电子器件制造技术的迅速发展，用廉价的单片 机实现总线的接口电路，使得采用总线技术布 线的价格逐渐降低，CAN也逐渐进入了实用化 阶段。当前各种针对汽车总线的专用接口芯片不 断出现，如飞利浦半导体公司根据CAN规范已 开发出P8XC590系列微控制系统，SGM托马森公司也开发出一种以ST9单片机为基础的传 输率为41.6kb/s的总线系统等。CAN总线采用双线串行通信方式，具有优 先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN接口 挂到总线上，其典型的接口如图10.1所示。不同的电子系统各自形成总线段，各总线 段之间

6、通过网关进行连接，最终形成汽车的网 络，其典型的接口如图10.2所示。10.1.3 汽车动力与传动系统的总线结构 汽车的动力和传动系统主要包括EFI控制 器、ABS/ASR控制器、SAB控制器、ATM控制 器、组合仪表板等，所控制的对象是与汽车行获得帮助：汽车维修论坛 http:/ 将这些控制器连接到CAN总线上，采用C类高 速的CAN总线，传输的速率达到500kb/s，易 于连续和高速地传输数据，实现高速的实时控 制。其结构如图10.3所示。 10.1.4 汽车车身系统的总线结构 早期的汽车车身电子控制系统采用低速的 B类总线，主要用于包括蓄电池、仪表盘的控 制，通常用基于J1850标准的总

7、线连接。CAN总线也可用于车身系统的连接，但 采用的是一种容错式总线，即总线内置容错功能，当两条总线中有一条出现短接至搭铁或开 路时，网络可以切换至一线方式继续工作。规范要求从两线切换至一线期间不能丢失 数据位，为此其物理层芯片比动力与传动系统 更复杂，运行在较低的速率下，通常采用的传 输速率为125 kb/s。此类总线目前已逐渐为LIN总线所取代， 只是作为各LIN次级总线的连接总线使用。为了降低汽车总线接口的成本，汽车制造商 又开发出了局部互联网络(Local Interconnect Network)，即LIN。LIN的传输速率较CAN总线慢，是一种成本较低的串行通信总线，设计用于汽车车

8、身的 分布式电子单元之间的连接。车身电子系统大量采用电子技术，其目的 是提高驾驶时的舒适程度并能为驾驶员提供车 况信息。这些系统包括仪表板管理、空调系统、座 椅位置调节、自动天窗、车门控制装置等。这些应用系统通常是以低数据率进行数据 传输的，但要求有大电流驱动模块来驱动相关 的电动机和执行机构。这也涉及采用有效的封装形式，使电子设 备利于散热。根据车内设备分布情况组成一个个独立的LIN 分总线，作为CAN的次级总线用于汽车中，然 后通过与CAN总线的接口接入汽车网络。其接口成本较CAN低，能够作为汽车现有 的总线传输协议的补充。这种开放式标准属于A类通信标准。其特 点包括： (1) 基于改进的

9、ISO 9141的低成本单线结构； (2) 传输速率为20kb/s，属于A类总线标准；(3) 一主/多从的体系结构，无须仲裁机构；(4) 增加接点时无须对现有接点的软硬件做出较 多的改动。为此，在原有容错式总线的基础上，用LIN 总线标准给出一种汽车车身系统的总线网络结 构，如图10.4所示。其特点是先通过LIN总线将各控制单元和设 备连接起来，再连接至CAN-B总线上，进一步 降低了系统的接口成本。 10.1.5 汽车通信和多媒体总线结构 针对多媒体数字化技术的日益普及，世界 范围内的汽车制造商已就光纤数据总线技术在 汽车上的应用进行了长期的研究，以满足汽车 对多媒体数字化技术应用方面的需求

10、。为此，各大欧洲著名汽车制造商制定了称为MOST(Media Oriented Systems Transport)的 数字数据总线标准，采用塑料光纤实现24Mb/s 的传输速率；而美日方面的1394TA则致力于开发一种称 为1394b的汽车多媒体总线标准。德州仪器公司(TI)率先推出了业界第一套车 用1394b总线解决方案。1394b以IEEE 1394-1995和1394a为基础， 目的是在新型应用中普及多媒体标准规格，用 来支持车内多媒体娱乐的应用，如后座娱乐和 其他完整的音视频解决方案。通过一个外部接入的1394客户便利端口，乘客可将其最新的便携式电子终端直接插到汽 车上，从而享受到娱

11、乐或其他服务；将有助于沟通汽车和消费类电子产品之间 的隔阂。1394b与IEEE 1394-1995相比，在带宽、 传输速度、距离、成本和效率等都有了大幅度 提高。1394b的主要内容如下： (1) 传输速率为800Mb/s到1.6Gb/s。使用塑料 光纤时，其底层速率可能提高到32 Gb/s。 (2) 采用CAT-5UTP5(五类非屏蔽双绞线)布线 时，可在传输速率保证在100Mb/s的前提下，将传输距离延长到100m以上。使用玻璃光纤时 ，可在3.2Gb/s的前提下延长至50m。 (3) 支持1394b的IC门电路数量也提高到原标准 的2倍，即20 000到25 000个。 (4) 139

12、4b共分为beta和bilingua1 两种模式。bilingua1模式具有与支持1394a及1394-1995 设备的下行兼容的特点。 (5) 用户可自由增减设备，不必关机，也不会影 响整个总线的通信，即支持热插拔技术。车用的IDB-1394技术可在10m塑料光纤(POF) 或非屏蔽双绞五类线(UTP5)上以100Mb/s的速 率支持1394b协议。IDB-1394规范定义了汽车级物理层，包括 电缆和连接器，供电方式及所有1394设备能与 嵌入式汽车IDB-1394设备互操作所必须的高层 协议；是IEEE 1394-1395、1394a-2000和1394b 标准的补充，连接CD或DVD播放

13、机、游戏机 和计算机等，能适应这些设备的高速率要求。IDB-1394其结构如图10.5所示。10.1.6 车载网络系统的优点 将网络技术应用于现代汽车内部各电子系 统间的连接和通信，在汽车内部形成通信网络 是近年来汽车界的研发趋势。而针对汽车用各种总线标准的制定也取得 了较大的进展，它有利于各种新型电气产品在 汽车上的应用，大大提高汽车的性能，提高车 用设备的标准化程度，缩短新车型的研发周期 。网络化汽车的优点是： 采用网络式结构，只需一根通信电缆连接， 减少了线束连接，减轻车体质量； 无须配电柜，部件数量减少，可靠性能提高； 可实现实时诊断、测试和报警，实现集中显 示、历史查询和自诊断等功能

14、，使汽车具有准 黑匣子功能；电气信号传递性质发生了变化，由功率型转 变为“逻辑”型；系统的扩展性强等。10.2 CAN与车载网络系统据有关统计资料介绍，传统的汽车线束长约 1610m，导线连接点近300个，线束总质量约 为35kg，成本超过1000美元；且走线复杂，占用较大的车内空间，制约 了汽车向电子化、智能化方向的发展。改用CAN后，连线可缩短200m到1000m， 质量减轻9 kg到17 kg，布线简化，可靠性和实 时性显著提高。因此，近年来投放市场的CAN控制器中， 80以上都用来组建车内网络系统。10.2.1 应用现状早在1992年，Mercedes-Benz公司就将 CAN用于客车

15、的发动机管理系统，并用于传递 驾驶信息。随着Volvo、Saab、Audi、Volkswagen、 Fiat 、BMW和Renault等汽车制造商纷纷效仿 ，CAN逐步被欧洲接纳为汽车行业标准，并延 伸到工业控制、航空航天、医疗器械、娱乐设 备、楼宇自动化等领域。目前，欧洲绝大多数新款客车的动力传动 系统和车身电子系统部分别参照ISO 11898和 ISO 1l519-2来进行设计。基于CAN的故障诊断系统也在大力推进， 其协议草案ISO/DIS l5765有望很快转为正式 标准，届时CAN的车用规模将更加可观。在欧洲制造商的带动下，CAN也逐渐得到 其他地区的认同。如过去在美国，车载网络标准

16、在Daimler- Chrysler、Ford和GM三大汽车公司中各成体系 ，协议标准主要是汽车工程师协会(SAE)的 J1850和J1922。但这些标准对网络各层协议的规定及工作 性能与CAN相差甚远，很难被欧洲接受。因此，美国三大汽车公司已全部转向CAN，SAE也新颁布了J1939、J2411、J2284和 J2480等一系列基于CAN的车用通信协议标准 。亚洲地区因受美国的影响，日本的NEC、 三菱和东芝等公司，已迅速发展成为CAN芯片 的主要供应商，Toyota等汽车制造商甚至已开 始用CAN替换原有的总线系统。Motorola、A1pine和住友等美国与日本的 大企业还强强联手，开发出用于车内信息娱乐 设备网的通信协议IDB-C(Intelligent transportation systems Data Bus-CAN)，并 由SAE形成标准J2366，使CAN