汽车电器与电子技术孙仁云电子课件第十三章车载网络技术

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1、第十三章 车载网络技术,第一节 概 述 第二节 控制器局域网(CAN) 第三节 局部连接网络(LIN) 第四节 车载局域网(LAN)与多媒体定向系统传输(MOST)简介,第一节 概 述,一、车载网络技术应用的必要性,图13-1 布线方法 a)常规布线 b)CAN总线布线,随着计算机、控制器、通讯和CRT显示技术的发展，尤其是微处理器技术和集成电路技术的飞速发展，使得控制技术向高、精方向发展，汽车正在走向信息化。 常规方法布线与采用CAN总线方式布线如右图：,第一节 概 述,二、车载网络技术在汽车上的应用,图13-2 车载网络的应用等级,车载网络技术发展迅速，目前车载网络主要应用于车身系统、动力

2、传动系统、安全系统和信息系统。,图13-2 典型的车载网络,1.动力与传动系统 2.安全系统 3.车身系统 4.信息(娱乐)系统,第一节 概 述,三、车载网络参考模型,图13-3 ISOOSI参考模型,第一节 概 述,表13-1 开放系统互联参考模型,第一节 概 述,四、车载网络分类和通信协议标准 按照系统的信息量、响应速度、可靠性等要求，将车载网络系统分为A类、B类、C类、D类。,第一节 概 述,表13-2 各类典型汽车总线标准、协议特性和参数,第一节 概 述,表13-2 各类典型汽车总线标准、协议特性和参数,第一节 概 述,(1)A类总线协议标准 面向传感器、执行器控制的低速网络，数据传输

3、速率通常只有l10Kbits。 (2)B类总线协议标准 面向独立ECU之间数据共享的中速网络，传输速率一般为。 (3)C类总线协议标准 面向高速、实时闭环控制的多路传输网络，最高传输速率可达1Mbits，主要用于发动机、ABS、ASR、悬架等控制。 1)安全总线主要用于安全气囊，以连接加速度传感器、碰撞传感器等，目前已有一些公司研制出相关的总线和协议，如Delphi公司的Safety Bus和BMW公司的Byte flight等。 2)X-by-Wire总线协议标准。 3)诊断系统总线标准。,第一节 概 述,(4)D类总线协议标准 D类网络称为智能数据总线(IDB)，主要面向信息、多媒体系统等

4、，采用D2B、MOST光纤传输和IDB-Wireless无线通信技术，通信速率为250Kbits400Mbits，用于实时的音频和视频通信。,控制器局域网CAN是一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。CAN协议采用通信数据块进行编码，取代了传统的站地址编码，使网络内的节点数在理论上不受限制。由于CAN总线具有较强的纠错能力、支持差分收发，因而适合高干扰环境，并具有较远的传输距离。,第二节 控制器局域网(CAN),第二节 控制器局域网(CAN),一、CAN总线的特性 1)CAN支持从几千到1Mbits的传输速率。 2)多站同时发送信息，模块可以优先获取数据

5、。 3)使用廉价的物理传输媒介。 4)错误检测校正能力强，系统可靠性高。 5)能判断暂时错误和永久错误的节点，具有故障节点自动脱离功能。 6)大部分CAN在丢失仲裁或出错时，具有信息自动重发功能。,第二节 控制器局域网(CAN),7)CAN总线符合国际标准，便于一辆车上不同生产厂家的ECU间进行数据交换。 8)组网自由，功能扩展能力强。 9)总线利用率高，数据传输距离长，可达10km。 10)ECU实时监测。 11)将传感器信号线减至最少，更多的传感器信号进行高速数据传输。,第二节 控制器局域网(CAN),表13-3 CAN协议与相关标准,二、CAN协议,CAN技术的应用普遍推广，要求通信协议

6、标准化。1991年9月Bosch公司制定并发布了CAN技术规范（Version20）。该技术规范包括A和B两部分。2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，而2.0B给出了标准的和可扩展的两种CAN报文格式。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具数字交换高速通信控制器局部网国际标准（1SO 11898-高速CAN） 以及低速标准（ISO 11519-低速CAN）。美国汽车工程师学会（SAE）等组织和团体也以CAN协议为基础颁布本组织的标准，见表13-3。,第二节 控制器局域网(CAN),图13-4 数据链路层和物理层功能框图,CAN协议包括ISO/OSI

7、参考模型中的数据链路层和物理层，如图13-4所示。 物理层分为物理层信号（PLS）、物理媒体连接（PMA）和媒体从属接口（MDI），数据链路层分为逻辑链路控制（LLC）和媒体访问控制（MAC）。,第二节 控制器局域网(CAN),1.逻辑链路控制(LLC) (1)功能 LLC功能包括帧接收滤波、超载通告和恢复管理。 1)接收滤波：在LLC层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先前的帧跃变无关。 2)超载通告：若接收器内部条件要求延迟下一个LLC数据帧或LLC远程帧，则通过LLC子层开始发送超载帧。 3)恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，LLC子层具有自动重发功能。,(一)数据链路

8、层,第二节 控制器局域网(CAN),标识符：标识符长度为11位，其最高7位(ID-10ID-4)不应全为“1”。 DLC场：DLC指出数据场字节个数。DLC由4位构成，数据场长度可为0，数据帧允许数据字节数目范围为08，表13-4中规定数值以外的其他数值不能使用。 数据场：数据场由数据帧内被发送数据组成，包括08B，每个字节包括8位。,(2)LLC帧结构 LLC是等同LLC实体(LPDU)之间进行交换的数据单元。 1)LLC数据帧：由三个位场，即标识符场、数据字长度码(DLC)场和LLC数据场组成，如图13-5所示。,2)LLC远程帧：由标识符场和DLC场组成，如图13-6所示。,第二节 控制

9、器局域网(CAN),表13-4 由DLC表示的数据字节数目编码,图13-5 LLC数据帧结构,图13-6 LLC 远程帧,第二节 控制器局域网(CAN),2.媒体访问控制(MAC) (1)功能模型 如图13-7所示，模型中将MAC层划分为完全独立工作的发送部分和接收部分。,图13-7 媒体访问控制功能,第二节 控制器局域网(CAN),发送数据封装：接收LLC帧及接口控制信息，循环冗余检验(CRC)通过向LLC帧附加帧起始(SOF)和远程发送请求(RTR)、保留位、CRC、应答(ACK)和帧结束(EOF)。,1)发送部分功能。,发送媒体访问管理：确认总线空闲后，开始发送过程(通过帧间空闲应答)；

10、MAC帧串行化；插入填充位(位填充)；在丢失仲裁情况下，退出仲裁并转入接收方式；错误检测(监控、格式检验)；应答校验；确认超载条件；构造超载帧并开始发送；构造出错帧并开始发送；输出串行位流至物理层准备发送。,第二节 控制器局域网(CAN),接收媒体访问管理：由物理层接收串行位流；解除串行结构并重新构建帧结构；检测填充位(解除位填充)；错误检测(CRC、格式校验、填充规则校验)；发送应答；构造错误帧并开始发送；确认超载条件；重激活超载帧结构并开始发送。 接收数据卸装：由接收帧中去除MAC信息；输出LLC帧和接口控制信息至LLC子层。,2)接收部分功能。,第二节 控制器局域网(CAN),(2)MA

11、C帧结构 CAN数据在节点间发送和接收以四种不同类型的帧出现和控制，其中数据帧将数据由发送器传至接收器；远程帧由节点发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧可由任何节点发出，以检验总线错误；而超载帧用于提供先前和后续数据帧或远程帧之间的附加延时。,图13-8 MAC数据帧,第二节 控制器局域网(CAN),帧起始(SOF)：标志数据帧和远程帧的起始，由单个“显性”位构成。只有当总线空状态时，才允许节点开始发送，所有节点必须同步于首先开始发送节点帧起始引起的上升沿。 仲裁场：表明数据优先顺序的区域，由来自LLC层的标识符和RTR位构成。在MAC数据帧中，RTR位数值为“0”。 控制场：表明预

12、约位数和数据字节数的区域，由6位构成，包括两位用于DLC扩展的保留位。接收器接收“0”和“1”位作为所有组合中的保留位。在定义保留位功能前，发送器只送“0”位。 数据场：MAC数据场与LLC数据场格式相同。,1)数据帧。,第二节 控制器局域网(CAN),CRC场：表示循环冗余码区域，包括CRC序列，后随CRC界定符。CRC循环冗余检验是将发送的数据看成高次多项式，用预先选定的生成多项式对其进行模2除运算后，将余数附加在数据位之后发送。接收方对送来数据列用同一生成多项式进行模2除运算，没有余数就证明接收的数据正确。 ACK场：ACK场为两位，ACK隙和ACK界定符。发送节点的ACK场中，送出两个

13、“隐性”位。在ACK隙内，所有接收匹配CRC序列的节点，以“显性”位改用发送器的“隐性”位送出一个应答。ACK界定符为ACK场的第二位，其必须是“隐性”位，因此，ACK隙被两个“隐性”位(ACK界定符和CRC界定符)所包围。 帧结束：MAC的每个数据帧和远程帧均由7个“隐性”位构成的标志序列界定。,第二节 控制器局域网(CAN),2)MAC远程帧。激活为数据接收器的节点，可通过发送一个远程帧，启动源节点发送各自的数据。一个远程帧由6个不同位场构成，即帧起始（SOF）、仲裁场、控制场（两位保留位+DLC场）、CRC场、ACK场和帧结束（EOF），如图13-18所示。仲裁场由来自LLC层的标识符场

14、和RTR位构成。在MAC数据帧中，RTR位数值为“1”。帧起始（SOF）、控制场、CRC场、ACK场和帧结束（EOF）等位场均与MAC数据帧的相应位场相同。,图13-9 MAC远程帧,3)出错帧。由两个不同场构成，第一个由来自不同节点的错误标志叠加给出，第二个为错误界定符。 错误标志：有活动错误和认可错误标志，前者由6位连续的“显性”位组成，后者由6位连续的“隐性”位组成，认可错误标志部分或所有位由来自其他节点的“显性”位改写。 错误界定符：由8位“隐性”位构成。发送错误标志后，每个节点送出“隐性”位，并监控总线，直至其检测到“隐性”位。然后开始发送剩余的7个“隐性”位。,4)超载帧. 帧存在

15、两类具有相同格式的超载帧，即LLC要求的超载帧和重激活超载帧，前者为LLC层所要求，表明内部超载状态；后者由MAC层的一些出错条件而启动发送。 超载帧包括超载标志和超载界定符，超载标志的完整形式相应于活动错误标志。超载界定符与错误界定符具有相同形式，超载标志由6个“显性”位构成，超载界定符由8位“隐性”位构成。,第二节 控制器局域网(CAN),图13-10 帧间空间 a)非“错误-认可”或已收到先前帧节点的帧间空间 b)先前帧已发送“错误-认可”节点的帧间空间,5) 帧间空间 数据帧和远程帧同前述的任何帧（数据帧、远程帧、出错帧、超载帧）均称为帧间空间的位场隔开。相反，超载帧和错误帧前面不存在

16、帧间空间，并且多个超载帧也不用帧间空间分隔。帧间空间包括间歇场和总线空闲场，并对先前帧已发送“错误认可”的节点还有暂停发送场，如图13-10所示。,第二节 控制器局域网(CAN),间歇场：由3个“隐性”位构成。间歇期间不允许节点开始发送数据帧或远程帧，仅起标注超载条件的作用。 总线空闲场：可以是任意长度，总线空闲时任何节点均可访问总线以便发送。其他帧发送期间，等待发送的帧在紧随间歇场后的第一位启动。若在总线空闲期间检测到总线上“显性”位将被理解为帧起始。 暂停发送场：“错误认可”节点完成发送后，其在紧随间歇后，被允许发送下一帧前，送出8位“隐性”位。其间，若有发送启动(由其他节点引起)，则节点变为该帧的接收器。,第二节 控制器局域网(CAN),图13-11 位发送次序,(3)MAC帧编码和发送接收 帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列帧段均以位填充方法进行编码。,第二节 控制器局域网(CAN),(4)媒体访问和仲裁 当检测到间歇场未被“显性”位中断后，认为总线被所有节点释放。,除仅当总线释放时，可以启动发送这