汽车网线与CAN总线的标准

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1、汽车网线与 CAN 总线的标准汽车网络与总线标准 汽车作为一种交通工具，目前承担起了越来越多的功能。现代科技已经将网际网络、 无线连接、 个人通讯电子装置、 娱乐设备等整合到汽车内部， 与动力系统相结合， 为乘客提 供了前所未有的便利。 而这一切都有赖于汽车网络技术， 它是汽车电子发展的重要方向之一。过去，汽车通常采用点对点的通信方式，将电子控制单元及负载设备连接起来。随着 电子设备的不断增加， 势必造成导线数量的不断增多， 从而使得在有限的汽车空间内布线越 来越困难，限制了功能的扩展。同时导线质量每增加50 kg ，油耗会增加 0.2 L/100 km 。此外，电控单元并不是仅仅与负载设备简

2、单地连接， 更多的是与外围设备及其他电控单元进行 信息交流， 并经过复杂的控制运算， 发出控制指令， 这些是不能通过简单地连接所能完成的。 而单从线束本身来说，它也是汽车电子系统中成本较高，连接复杂的部件。随着汽车电子控制单元以及汽车电子装置的不断增多，采用串行总线实现多路传输， 组成汽车电子网络， 是一种既可靠又经济的做法。 同时现代汽车基于安全性和可靠性的要求， 正越来越多地考虑使用电控系统代替原有的机械和液压系统。1汽车电子网络结构在汽车内部采用基于总线的网络结构，可以达到信息共享、减少布线、降低成本以及 提高总体可靠性的目的。 通常的汽车网络结构采用多条不同速率的总线分别连接不同类型的

3、 节点，并使用网关服务器来实现整车的信息共享和网络管理。车身系统的控制单元多为低速马达和开关量器件，对实时性要求低而数量众多。使用 低速的总线连接这些电控单元。 将这部分电控单元与汽车的驱动系统分开， 有利于保证驱动 系统通信的实时性。 此外， 采用低速总线还可增加传输距离、 提高抗干扰能力以及降低硬件 成本。动力与传动系统的受控对象直接关系汽车的行驶状态，对通讯实时性有较高的要求。 因此使用高速的总线连接动力与传动系统。 传感器组的各种状态信息可以广播的形式在高速 总线上发布， 各节点可以在同一时刻根据自己的需要获取信息。 这种方式最大限度地提高了 通信的实时性。 故障诊断系统是将车用诊断系

4、统在通信网络上加以实现。 信息与车载媒体系 统对于通讯速率的要求更高，一般在 2 Mb/s 以上。采用新型的多媒体总线连接车载媒体。 这些新型的多媒体总线往往是基于光纤通信的，从而可以充足保证带宽。网关是电动汽车内部通信的核心，通过它可以实现各条总线上信息的共享以及实现汽 车内部的网络管理和故障诊断功能。随着新技术的不断发展，在未来的汽车网络中，还将会有专门用于气囊的安全总线系 统，以及 X-by-Wire 系统。2汽车总线标准、协议国际上众多知名汽车公司早在 20 世纪 80 年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应 用，迄今为止， 已有多种网络标准。 目前存在的多种汽车网络标准， 其侧重的功

5、能有所不同。 为方便研究和设计应用， SAE 车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为A、 B 、C 三类。A 类是面向传感器 / 执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常小于1O kb/s ，主要用于后视镜调整，电动窗、灯光照明等控制； B 类是面向独立模块间数据共享的中速网络， 位速率在 10-125 kb/s ，主要应用于车身电子舒适性模块、仪表显示等系统； C 类是面向高 速、实时闭环控制的多路传输网，位速率在125 kb/s-1 Mb/s 之间，主要用于牵引控制、先进发动机控制、 ABS 等系统。在今天的汽车中，作为一种典型应用，车体和舒适性控制模块都连接到 CAN 总线上， 并借助于

6、LIN 总线进行外围设备控制。而汽车高速控制系统，通常会使用高速 CAN 总线连 接在一起。 远程信息处理和多媒体连接需要高速互连， 视频传输又需要同步数据流格式， 这 些都可由 D2B(Domestic Digital Bus) 或 MOST(Media Oriented Systems Transport) 协议来 实现。无线通信则通过 Blue tooth 技术加以实现。 而在未来的 5-10 年里， TTP(Time Trigger Protocol) 和 Flex Ray 将使汽车发展成百分之百的电控系统，完全不需要后备机械系统的支 持。但是，至今仍没有一个通信网络可以完全满足未来汽

7、车的所有成本和性能要求。因此， 汽车制造商和 OEM(Original Equipment Manufacture) 商仍将继续采用多种协议 (包括 LIN 、 CAN 和 MOST 等 ),以实现未来汽车上的联网。1) A 类总线标准、协议A 类的网络通信大部分采用 UART(Universal Asynchronous Reveiver/Transmitter) 标 准。UART使用起来既简单又经济，但随着技术的发展，预计在今后几年中将会逐步在汽车通信系统中被停止使用。而 GM 公司所使用的 E&C(Entertainment and Comfor) 、 Chrysler 公司所使用 CC

8、D(Chrysler Collision Detection) 和 Ford 公司使用的 ACP(Audio Control Protocol) ，现在已逐步停止使用。 Toyota 公司制定的一种通信协议 BEAN(Body Electronics Area Network) 目前仍在其多种车型 (Clesior 、Aristo 、 Prius 和 Celica) 中加以应用。A 类目前首选的标准是 LIN。 LIN 是用于汽车分布式电控系统的一种新型低成本串行通 信系统，它是一种基于 UART 的数据格式、主从结构的单线 12V 的总线通信系统，主要用 于智能传感器和执行器的串行通信，而这

9、正是 CAN 总线的带宽和功能所不要求的部分。由 于目前尚未建立低端多路通信的汽车标准，因此 LIN 正试图发展成为低成本的串行通信的 行业标准。LIN的标准简化了现有的基于多路解决方案的低端 SCI，同时将降低汽车电子装置的开 发、生产和服务费用。 LIN 采用低成本的单线连接， 传输速度最高可达 20kb/s ，对于低端的 大多数应用对象来说，这个速度是可以接受的。它的媒体访问采用单主/多从的机制，不需要进行仲裁， 在从节点中不需要晶体振荡器而能进行自同步， 这极大地减少了硬件平台的成 本。(2)B 类总线标准、协议 B 类中的国际标准是 CAN 总线。 CAN 总线是德国 BOSCH 公

10、司从 20 世纪 80 年代初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， 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 1Mb/s 。 CAN 总线通信接口中集成了 CAN 协议的物理层和数据链路层功 能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别 等项工作。 CAN 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块 进行编码，最多可标识 2048(2.OA)个或5亿(2.0B)多个数据块。采用这种方法的优点可使 网络内的节点个数在理论上受限制。数据段长度最多为 8个字节

11、，不会占用总线时间过长， 从而保证了通信的实时性。 CAN 协议采用 CRC 检验并可提供相应的错误处理功能， 保证了 数据通信的可靠性。B 类标准采用的是 ISO11898 ，传输速率在 lOOkb/s 左右。对于欧洲的各大汽车公司 从 1992 年起， 一直采用 ISO11898 ，所使用的传输速率范围从 47.6-500kb/s 不等。 近年来， 基于 ISO11519 的容错 CAN 总线标准在欧洲的各种车型中也开始得到广泛的使用，ISO11519-2 的容错低速 2 线 CAN 总线接口标准在轿车中正在得到普遍的应用，它的物理 层比 ISO11898 要慢一些， 同时成本也高一些，

12、但是它的故障检测能力却非常突出。 与此同 时，以往广泛适用于美国车型的 J1850 正逐步被基于 CAN 总线的标准和协议所取代。3）高速总线系统标准、协议由于高速总线系统主要用于与汽车安全相关，以及实时性要求比较高的地方，如动力 系统等，所以其传输速率比较高。根据传统的 SAE 的分类，该部分属于 C 类总线标准，通 常在 125kb/s-1Mb/s 之间，必须支持实时的周期性的参数传输。目前，随着汽车网络技术 的发展， 未来将会使用到具有高速实时传输特性的一些总线标准和协议， 包括采用时间触发 通讯的 X by Wire 系统总线标准和用于安全气囊控制和通讯的总线标准、协议。 C类总线标准

13、、协议。在 C类标准中，欧洲的汽车制造商基本上采用的都是高速通 信的 CAN 总线标准 IS011898 。而 J1939 供货车及其拖车、大客车、建筑设备似及农业设 备使用，是用来支持分布在车辆各个不同位置的电控单元之间实现实时闭环控制功能的高速 通信标准，其数据传输速率为 250kb/s 。在美国， GM 公司已开始在所有的车型上使用其专 属的所谓 GMLAN 总线标准，它是一种基于 CAN 的传输速率在 500kb/s 的通信标准。ISO11898 针对汽车 （轿车 ）电子控制单元 （ECU） 之间，通信传输速率大于 125kb/s ，最 高 1Mb/s 时，使用控制器局域网络构建数字信

14、息交换的相关特性进行了详细的规定。J1939 使用了控制器局域网协议， 任何 ECU 在总线空闲时都可以发送信息， 它利用协 议中定义的扩展帧 29位标识符实现一个完整的网络定义。 29 位标识符中的前 3位被用来在 仲裁过程中决定消息的优先级。 对每类消息而言， 优先级是可编程的。 这样原始设备制造商 在需要时可以对网络进行调整。 J1939 通过将所有 11 位标识符消息定义为专用，允许使用 11 位标识符的 CAN 标准帧的设备在同一个网络中使用。这样， 11 位标识符的定义并不是 直接属于 J1939 的一个组成部分，但是也被包含进来。这是为了保证其使用者可以在同一 网络中并存而不出现

15、冲突。 安全总线和标准。安全总线主要是用于安全气囊系统，以连接加速度计、安全传感 器等装置，为被动安全提供保障。 目前已有一些公司研制出了相关的总线和协议， 包括 Delphi 公司的 Safety Bus 和 BMW 公司的 Byteflight 等。Byteflight 主要以 BMW 公司为中心制订。 数据传输速率为 10 Mb/s ，光纤可长达 43m 。Byteflight 不仅可以用于安全气囊系统的网络通信，还可用于X by Wire 系统的通信和控制。 BMW 公司在 2001 年 9 月推出的新款 BMW 7 系列车型中，采用了一套名为 ISIS（Intelligent Saf

16、etyIntegrated System） 的安全气囊控制系统，它是由 14 个传感器构成的网络，利用 Byteflight 来连接和收集前座保护气囊、 后座保护气囊以及膝部保护气囊等安全装置的信号。 在紧急情况下。 中央电脑能够更快更准确地决定不同位置的安全气囊的施放范围与时机， 发 挥最佳的保护效果。 X by Wire总线标准、协议。X by Wire最初是用在飞机控制系统中，称为电传控制， 现在已经在飞机控制中得到广泛应用。 由于目前对汽车容错能力和通信系统的高可靠性的需 求日益增长， X by Wire 开始应用于汽车电子控制领域。在未来的 5-10 年里， X by Wire 技 术将使传统的汽车机械系统 （如刹车和驾驶系统 ）变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统。 在一辆装备了综合驾驶辅助系统的汽车上，诸如 Steer by Wire 、 Brake byWire 和电子阀门控制