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1、课题二 汽车车载网络技术分析,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与原理任务二 掌握汽车车载网络系统结构与原理,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与原理,一、任务工作页先由学生熟悉如下工作页，了解本任务内容。在学习该任务所涉及的知识后，在老师的指导下完成本任务，同时完成工作页内容的填写 二、任务所涉及的知识(一)多路传输系统(SWS)的技术特征1)模块已成为以中央处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体(双绞线、同轴电缆或光纤)以总线拓扑相连，多路传输系统总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取。2)具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护
2、成本低等优点，如图2-1一1所示。,下一页,返回,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与原理,3)数据总线的传输速率通常用比特率表示，比特率是每秒千位(bit/e)或每秒兆位(Mbit/s )。数据传输速率受幅宽影响，32位的数据传输量要比8位快4倍4)互操作性。在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络5)开放式互联结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互联设备与控制级网络或管理信息级网络相连。(二)多路传输系统的组成多路传输系统主要由模块、数据总线、网络、架构、通信协议、网关等组成(图2一1一2)。,上一页,下一页,返回,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与
3、原理,1.模块模块是一种电子装置。简单一点的如温度和压力传感器，复杂的如计算机(中央处理器)。传感器是一个模块装置，根据温度和压力的不同产生不同的电压信号这些电压信号在计算机(一种数字装置)的输入接口被转变成数字信号。2.数据总线数据总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络，是模块间运行数据的通道，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通信，如果模块可以发送和接收数据，则这样的数据总线就称为双向数据总线。,上一页,下一页,返回,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与原理,3.网络网络是为了实现信息共享而把多条数据总线连在一起，或者把数据总线和模块当作一个系统
4、。4.架构架构是信息高速公路的配置，其输入和输出端规定了了1么信息能进和什么信息能出，如图2-1-9所示。架构通常包括一或两条线路，采用双线时数据的传输是基于两条线的电压差。当其中的一条线传输数据时，它对地有一个参考电压。架构要有特定的通信协议。,上一页,下一页,返回,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与原理,衡量数据总线及网络架构优劣的其他重要特征包括: 1)能一起工作的模块数量。 2)可扩展性 3)互交信息的种类 4)数据传输速度。 5)可靠性或容错性抗故障性及数据交换的稳定与准确性。 6)经济性,上一页,下一页,返回,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与原理,5.通信协议通信协议规定信号在数
5、据总线上的通信规则。网络上节点要实现成功通信，必须接受相互识别、相互接受的约定和规则，建立通用的标准用于各ECU之间通信。通信协议的分类如下。1)直接型:点对点的链路直接通信，无须经中间信息处理的协议2)间接型:通过转接式通信网络或两个以上的网络进行信息交换的通信协议3)结构优化型协议:按需要分成不同的层次，较低级别的功能在较低层次实现，同时它们又向较高层次的实体提供服务。它是各层次协议的复合,上一页,下一页,返回,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与原理,6.网关通常一辆车上配置了多种总线和网络，所以必须用一种方法使它们达到共享和不产生协议间的冲突。例如，车门打开时发动机控制模块也需要被唤醒为
6、了使不同协议及速度的数据总线间实现无差错数据传输，必须要使用一种特殊功能的计算机，这种计算机就叫做网关。,上一页,下一页,返回,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与原理,(1)网关的作用1)它可以把局域网上的数据转变成可以识别的OBDII诊断数据语言，方便诊断2)它可以实现低速网络和高速网络的信息共享3)与计算机中的网关作用是一样的，负责接收和发送信息4)激活和监控局域网络工作状态5)实现车辆数据的同步性6)对信息标识符作翻泽。,上一页,下一页,返回,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与原理,(2)网关的布置如果两个CAN网络执行器是两片独立的芯片(图2-1-11 )，中央控制器(单片微型计算机)
7、作为网关，那么，CAN芯片就像灵巧的随机存储器被网关读写。一旦接收到信息，网关就执行接收CAN芯片的外部读操作，接着执行转换信息的逻辑指令，然后执行外部写操作，对第二个网络的CAN芯片作传输编程。(3)常见的几种网关1) Bosch公司CAN1. 2与CAN2. 0之间的网关标准的CAN1. 2版本支持标准的11位信息标识符，而CAN2. 0版本增加了信息标识符，也就是说，CAN2. 0既支持标准的11位，也支持扩展后的29位信息标识。,上一页,下一页,返回,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与原理,2) SAE-J1939与J1980网络协议之间的网关SAE汽车选用CAN2. 0协议作为“C级
8、”串行控制和通信网络的推荐实施标准，又称为SAEJ1939规范。CAN2. 0的数据可达1 Mbit/s。也就是说，CAN2. 0执行相当于SAE- C级的高速数据速率。3) SAE- J1850B级通信速率的小客车，发动机、自动变速器、ABS等系统的数据速率偏低，为了提高通信速率以改善车辆的控制性能，又不让车辆成本增加太多，就将原实施J1850的车辆增加一个网关(图2-1-14)，并将网关前方的总线修改为CAN总线。,上一页,下一页,返回,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与原理,(三)多路传输原理汽车车载网络多路传输技术可以实现在同一个信道上同时传输多路信号，为了在接收端能够将不同路的信号区
9、分开来而互不干扰，必须使不同路的信号具有不同的特征。最常用的多路传输方式是频分多址复用(FDMA )、时分多址复用(TDMA)等。 1.频分多址复用技术频分复用就是在发送端利用不同频率的载波将多路信号的频谱调制到不同的频段，以实现多路复用。频分复用的多路信号在频率上不会重叠，合并在一起通过一条信道传输，到达接收端后可以通过中心频率不同的带通滤波器彼此分离开来，如图2-1-15所示。,上一页,下一页,返回,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与原理,2.时分多址复用技术时分复用是建立在抽样定理基础上的。时分复用就是利用各路信号的抽样值在时间上占据不同的时隙，来达到在同一信道中传输多路信号而互不干扰的
10、一种方法，如图2-1一16所示。3.载波监听多路访问/冲突检测技术载波监听多路访问/冲突检测技术(CSMA/CD)是一种争用型的介质访问控制协议。它的工作原理是:发送数据前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据，在发送数据时，边发送边继续监听，若监听到冲突，则立即停止发送数据，等待一段随机时间，再重新尝试CSMA/CD控制规程的核心问题:解决在公共通道上以广播方式传送数据中可能出现的问题(主要是数据碰撞问题)，控制过程包含四个处理内容，即侦听、发送、检测、冲突处理(见图2-1一17和图2-1一18)。,上一页,下一页,返回,任务一 掌握汽车多路传输系统结构与原理,(四)多路传输系统的通信协议
11、标准通信协议要解决系统优先权问题、灵活性问题、可扩展性问题、诊断接口问题、独立性问题、数据共享问题等，十几年来，已发展了几代通信协议，较早的有SAE推出的用于重型车的基于串行总线的标准，如SAE J1708 , SAE J1587 ,SAE J1922，串行协议传输速率低、代码定义麻烦，除在诊断系统有一些应用外，基本被取代。迄今为止，汽车应用的多种网络标准，较典型的有LIN , CAN ,J1850 , MOST , TTCAN , TTP , Flex Ray , J2284等。,上一页,返回,任务二掌握汽车车载网络系统 结构与原理,一、任务工作页先由学生熟悉如下工作页，了解本任务内容。在学
12、习该任务所涉及的知识后，在老师的指导下完成本任务，同时完成工作页内容的填写。 二、任务所涉及的知识(一)CAN总线多路传输系统1. CAN总线简介CAN总线是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线，是一种双线串行数据通信总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1 Mbit/s,下一页,返回,任务二掌握汽车车载网络系统 结构与原理,2. CAN总线技术在汽车中的应用优势(1)信息共享采用CAN总线技术可以实现各ECU之间的信息共享，减少不必要的线束和传感器。例如，具有CAN总线接口的电喷发动机，其他电
13、器可共享其提供的转速、水温、机油压力、机油温度、油量瞬时流速等，这样一方面可省去额外的水温、油压、油温传感器，另一方面可以将这些数据显示在仪表上，便于驾驶员检查发动机运行工况，从而便于发动机的保养维护。,上一页,下一页,返回,任务二掌握汽车车载网络系统 结构与原理,(2)减少线束新型电子通信产品的出现对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达2 000 m，电气节点达1 500个，而且该数字大约每10年增长1倍这种传统布线方法不能适应汽车的发
14、展。CAN总线可有效减少线束，节省空间。(3)关联控制在一定事故下，需要对各ECU进行关联控制，而这是传统汽车控制方法难以完成的。CAN总线技术可以实现多ECU的实时关联控制。,上一页,下一页,返回,任务二掌握汽车车载网络系统 结构与原理,3. CAN数据总线传输系统的组成CAN数据总线由一个控制器、一个收发器、两个数据传输终端以及两条数据传输线组成。除了数据传输线外，其他元件都置于控制单元内部，控制单元功能不变(图2-2-3 )。4. CAN总线多路传输系统通信协议通信协议是车载网络上各电控单元相互通信的充要条件，它是各电控单元必须遵守的共同规则，可以保证各电控单元能够正常使用网络进行通信,
15、上一页,下一页,返回,任务二掌握汽车车载网络系统 结构与原理,(1)通信协议的三要素1)语法规定通信双方“如何讲”，即确定数据格式、数据码型、信号电平等2)语义规定通信双方“讲了什么”，即确定协议元素的类型，如规定通信双方要发出了什么控制信息、执行了什么动作和返回了什么应答等。3)定时规则规定事件执行的顺序，即确定链路通信过程中通信状态的变化，如规定正确的应答关系、速度匹配等。,上一页,下一页,返回,任务二掌握汽车车载网络系统 结构与原理,(2)汽车网络通信协议标准(ISO 11898)ISO 11898规定的CAN网络结构如图2-2-9所示。该协议是包括ISO规定的OSI(开放系统互联)基本
16、参考模型中的应用层、数据链路层及物理层的协议ISO/OSI模型与ISO 11898规定的CAN总线协议对比如图2-2-10所示。协议框架示意图如图2-2-11所示。,上一页,下一页,返回,任务二掌握汽车车载网络系统 结构与原理,5. CAN总线的数据传输过程CAN数据总线的数据传输原理在很大程度上类似于电话会议的方式。一个用户(控制单元)向网络中“说出”数据，而其他用户“收听”到这些数据一些控制单元认为这些数据对它有用，它就接收并且应用这些数据，而其他控制单元也许不会理会这些数据。故数据总线里的数据并没有指定的接收者，而是被所有的控制单元接收及计算。每条数据的传递包括以下5个过程。(1)提供数据控制单元向CAN控制器提供数据用于传输。,上一页,下一页,返回,任务二掌握汽车车载网络系统 结构与原理,(2)发出数据CAN收发器从CAN控制器处接收数据，将其转化为电信号发出。这些数据以数据列的形式进行传输，数据列是由一长串二进制(高电平与低电平)数字组成的(如0110100100111011)(3)接收数据所有与CAN数据总线一起构成网络的控制单元成为接收器。(4)检验数据控制单元对接收到的数据进行检测，看是否是其功能所需。(5)认可数据如果所接收的数据是重要的，它将被认可及处理，反之将被忽略,
