首页专家文章

雷洪钧--汽车总线及车载网技术概述
来源:深圳汽车电子产业专家委员会专家雷洪钧    发布时间:2019/07/08   浏览:()次


  随着汽车的发展,车上电器化设备越来越多。每增加一个电器设备,得增加两根电源线。同时每一个电器设备得引两更导线的开关。车上电器化递增的速度非常快,车上开关导线也是越来越多。电器功能的增多也     使得汽车上的电子装置数量急剧增加,但是这些设备都是共一个总电源的。电器设备越来越多的趋势下,开关导线总体数量能不能不增加,能不能共一条总线呢?于是产生汽车设备开关线共总线技术。
另一方面,电器化设备智能化程度越来越高,比彼之间,要有信息交换,自然要求导入车载网咯技术。下面是汽车总线及车载网技术概述。
  一、汽车总线
  车用总线就是车载网络中“底层的车用设备或车用仪表”互联的通信网络。大家一定会这样认识,过去打电话,得有一个总机,再有许多的分机。一个分机要与其他分机彼此通电话,是通过总机的开关来切换的。这样就可以减少分机之间连接线的数量。同理,功能的增多也使得汽车上的电子装置数量急剧增加,彼此之间,还要信息互通,于是产生了总机与分机同样的原理,用一总线与不同分


 
  据统计表明,现代汽车电气节点(电器设备)可达1500个,其导线长度可达2000米,而且该数字大约每10年就将增加1倍。传统汽车电子采用点对点的单一通信方式,相互之间少有联系,这样一来,如果还是点对点的单一通信方式,越来越多电器设备,必然会形成庞大的布线体系,加剧了粗大线束与汽车可用空间有限之间的矛盾,无论是材料成本,还是工作效率看,传统布线模式都不能适应现代汽车的发展;另一方面,各电子系统的实时性要求也是越高,同时每个控制单元对实时性的要求又各不相同,尤其是如发动机转速、车轮转速、节气门踏板位置等信息要实行共享,于是新型汽车总线技术便应运而生,如图2所示。
汽车总线是实现数字网络化的基础。比较流行汽车采用的四大总线技术,即CAN、LIN、Flexray、MOST总线。
  (一)CAN总线技术
  CAN总线是1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的通信协议,是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的电控模块(ECU)之间的数据交换而开发的一种串行通讯协议。
  CAN总线又称作汽车总线,全称为“控制器局域网(Controller Area Network)”。其中“控制器”是汽车电器设备。CAN总线是一种能有效支持”分布式控制”和”实时控制”的串行通讯网络,已经通过ISO11898及      ISO11519进行了标准化,在欧洲已是汽车网络的标准协议,代表着汽车电子控制网络的主流发展趋势。很多著名的汽车制造厂商,如Volkswagen(大众)、Benz(奔驰)、BMW(宝马)、Porsche(保时捷)、Rolls.Royce(劳斯莱斯)等公司都是采用了CAN总线,实现汽车内部控制系统的数据通信。
  CAN总线将各个单一的控制单元以某种形式(多为星形,如图3所示,连接起来,形成一个完整的系统。


 
  1.CAN总线结构及单元
  CAN总线有高低之分,有N个单元,如图4所示。说明:


 
  (a)CAN收发器(示意图中的单元)根据两总线CAN_H和CAN_L的电位差来判断总线电平;
  (b)实际中CAN_H与CAN_L由双绞线组成;
  (c)数据传递终端的电阻器,是为了避免数据传输反射回来,使数据遭到破坏,电阻阻值为120Ω;
  (d)CAN通信实际上为单元之间的数据传输。
  (1)控制器
  操作控制器如图5所示,是微处理器(CPU)的5个组成部分之一。


 
  其功能是产生各种操作控制信号。操作控制器(OC)中主要有节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。(注意:这几个部件对微处理器设计人员来说很关键,但微处理器用户却可以不必过多关心。)
  (2)电控模块(ECU):(Electronic Control Unit)电子控制单元
  从用途上讲,是汽车专用微机控制器,也叫汽车专用单片机,如图6所示。


 
  它和普通的单片机一样,由微处理器(CPU)、存储器(ROM、RAM)、输入/输出接口(I/O)、模数转换器(A/D)以及整形、驱动等大规模集成电路组成。
  (3)串行通讯协议
  串行通信是指在单根数据线上,将数据一位一位地依次传送。
  (i)发送过程中,每发送完第一个数据,再发送第二个,依此类推。
  (ⅱ)接受数据时,每次从单根数据线上一位一位地依次接受,再把它们拼成一个完整的数据。
  (ⅲ)在远距离数据通信中,一般采用串行通信方式,它具有占用通信线少、成本低等优点。
  (ⅳ)所谓协议,双方的约定通信格式。
  2.CAN总线通信系统的原理和特点
  (1)总线通信系统的结构见图7。
  节点由单片机、CAN控制器和CAN收发器组成。CAN信号分为高、低总线与CAN收发器组成链接,如图8所示。

 
  (2)总线通信特点:
  (a)通信而不分主,方式灵活,即网络上每一个节点,在任意时刻可以主动地向网络上的其他节点发送信息。
  (b)网络上的节点可分成不同的优先级。当两个节点,同时向网络上传送信息时,优先级高的节点,有优先。节点可达110个,每一帧的有效字节数为8个,每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,数据错误率极低。
  (c)CAN有高、中、低等三类,彼此之间由网关过渡,见图9所示。


 
  (d)数据传送(接收)方式,分为点对点,一点对多点、全局广播的几种。
  (e)速率4Kbps以下时,直接通信距离最远可达10km;通信速率最高可达1MB/s时,距离最长40m。
  (f)通信介质可采用双绞线,同轴电缆和光纤,一般采用廉价的双绞线即可。使用非屏蔽双绞线传输时,传输速率与传输距离的关系如表1所示。
(g)节点在错误严重的情况下,具有自动关闭总线的功能,切断它与总线的联系,以使总线上的其他操作不受影响。
  3.带CAN接口的飞思卡尔微控制器
  (a)带CAN接口的飞思卡尔微控制器,如图10所示。


 
  (b)CAN总线的收发器,如图11所示

 
  (c)全车CAN-BUS系统实验台,如图12所示。

 
  (d)CAN—BUS可以与安卓主板对接,如图13所示。

 
  (二)LIN总线技术
  LIN作为CAN的补充,业已成为国际标准。LIN是由摩托罗拉(Motorola)与奥迪(Audi)等知名企业联手推出的一种新型开放式串行通讯协议。
  LIN相对于CAN的成本节约,由于采用单线传输、硅片中硬件或软件的低实现成本和无需在从属节点中使用石英或陶瓷谐振器。这是以较低的带宽和受局限的单宿主总线访问方法为代价的。
  LIN包含一个宿主节点和一个或多个从属节点,如图所示。所有节点都包含


 
  主要典型的LIN网络的节点数可以达到12个。目前主要用于车内分布式电控系统,尤其是面向智能传感器或执行器的数字化通信场合,如应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制,以门窗控制为例,如图15所示。

  在车门上有门锁、车窗玻璃开关、车窗升降电机、操作按钮等,只需要1个LIN网络就可以把它们连为一体,通过CAN网关,LIN网络还可以和汽车其他系统进行信息交换,实现更丰富的功能。
  CAN网关功能及工作原理示意图,如图16所示


 
  (三)Flexray总线
  Flexray总线,这个专为车内联网而设计,基于智能网络汽车车内的总线技术,采用基于时间触发机制,具有高带宽、容错性能好等特点,在实时性、可靠性和灵活性方面具有一定的优势。
  Flexray是一种用于汽车的高速的、可确定性的,具备故障容错能力的总线技术,它将事件触发和时间触发两种方式相结合,具有高效的网络利用率和系统灵活性特点,是未来新一代汽车内部网络的主干网络。目前  Flexray主要应用于事关安全的线控系统和动力系统。
  FlexRay总线是由宝马、飞利浦、飞思卡尔和博世等公司共同制定的一种新型通信标准,在宝马的高端车上有应用。Flexray可以应用在无源总线和星形网络拓扑结构中,也可以应用在两者的组合拓扑结构中。这两种拓扑均支持双通道ECU,双通道架构提供冗余功能,并使可用带宽翻了一番。每个通道的最大数据传输率达到10Mbps。这种ECU集成多个系统级功能,以节约生产成本并降低复杂性。宝马公司在07款X5系列车型(如图13所示)的电子控制减震器系统中首次应用了FlexRay技术。


 
  采用基于飞思卡尔的微控制器和恩智浦的收发器。实现了更好的乘坐舒适性以及驾驶时的安全性和高速响应性。可以监视有关车辆速度、纵向和横向加速度、方向盘角度、车身和轮胎加速度及行驶高度的数据,还将施加给轮胎的负荷变动以及底盘的振动均减至最小。
  FlexRay总线的应用随着线控动力总成推广,会越来越多。有待一段时间推进,有一个过程。CAN技术已经被行业认可,估计FlexRay用于线控总成,通过网关与CAN总线对接。
  (四)MOST总线
  MOST是“多媒体传输系统”是意思,是一种专门服务于车内多媒体应用的、面向媒体的系统传输总线,以满足高端汽车娱乐装置的需求。可以用在车载摄像头等行车系统中,能实现实时传输声音、视频。自从宝马7系列汽车首次采用MOST技术以来,近几年该技术的普及速度突飞猛进。
  1.MOST总线特点
  (a)保证低成本的条件下,可以达到24.8 Mbit/s的数据传输速度,不仅可以减轻连接各部件的线束大小、降低噪声,还可以减轻系统开发技术人员的负担。
  (b)无论是否有主控计算机都可以工作,支持声音和压缩图像的实时处理。
  (c)支持数据的同步和异步传输,发送/接收器嵌有虚拟网络管理系统。
  (d)提供MOST设备标准,方便、简洁地应用系统界面,支持多种网络连接方式,最终在用户处实现各种设备的集中控制。
  (e)光纤网络不会受到电磁辐射干扰与搭铁环的影响。
  2.MOST总线采用环形网络结构
  各控制单元之间通过一个环形数据总线,如图14所示连接,该总线只向一个方向传输数据,这意味着一个控制单元总是拥有2根光纤,一根用于发射机,另一根用于接收机。


 
  3.MOST总线构成
  MOST总线构成如图15所示。
  (a)光导纤维插头:光纤使用专门的光学插头与控制单元连接。插头上的一个信号方向箭头表明(至接收机的)输入端,插头外壳形成与控制单元的连接。光信号通过由光导纤维导线和光导插头进入控制单元或传往下一个总线用户。
  (b)控制单元电源模块:由电气插头送入的电再由内部供电装置分送到各个部件,这样就可单独关闭控制单元内某一部件,从而降低了静态电流。
  (c)收发单元一光导发射器(FOT):该装置由一个光电二极管和一个发光二极管构成,到达的光信号由光电二极管转换成电压信号后传至MOST收发机。
  (d)MOST收发器:MOST收发器由发射机和接收机两个部件组成。
  (c)控制单元(ECU):控制单元(ECU)的内部有一个微处理器,用于操纵控制单元的所有基本功能。
  (d)专用部件:这些部件用于控制某些专用功能,如CD播放机和收音机调谐器。


 
  1. MOST总线光纤拉线图
  MOST总线采用环形 结构,在环形总线内只能朝着一个方向传输数据。每套MOST传控网络允许最多达64个节点的(装置)连接。MOST在制订上完全合乎ISO/OSI的7层数据通讯协议参考模型,而在网线连接上MOST采用环状拓扑,不过在更具严苛要求的传控应用上,MOST也允许改采星状(亦称放射状)或双环状的连接组态,如图16所示。

 
  1. MOST总线利用光脉冲传输数据。
  2. MOST的传输技术近似于公众交换式电话网络(Public Switched Telephone Network;PSTN),有着数据信道(Data Channel)与控制信道(Control Channel)的设计定义,控制信道即用来设定如何使用与收发数据信道。
  (c)一旦设定完成,资料就会持续地从发送处流向接收处,过程中不用再有进一步的封包处理程序,将运作机制如此设计,最适合用于实时性音讯、视讯串流传输。
5.分析与总结
(  a)CAN作为一种可靠的汽车总线已经得到普遍应用,是目前汽车内部的主干网络。CAN主要用于车上控制数据传输,是现役车载网络应用最为广泛的标准。最大传输速度为 1 Mb/s,起于20世纪90年代的控制器局域网(CAN)革命,对于整个汽车电子行业发展的推动是巨大的。
  (b)LIN 是一种低成本通用串行总线,在汽车领域主要用于车门、天窗、座椅控制等,最大传输速度为 20 kb/s。
  (c)FlexRay 是继 CAN 和 LIN 之后的新一代汽车控制总线技术,同样属于共享式总线技术,带宽可达 10Mbps。FlexRay 的主要优势在于相比CAN 总线具有较高的带宽,可以满足汽车关键应用的要求,但是同样作为共享式总线技术,其成本却很高,主要适用于中高端车中的线控系统(如悬架控制、变速箱控制、制动器控制、转向控制等)。
  (d)MOST主要支持的多媒体流数据传输,MOST150标准的最大带宽为150 Mb/s的,在车载多媒体数据传输应用较多,MOST150支持基于IP的应用程序,由于单一供应商的问题,基础开发成本较高。
一句话,汽车总线从双绞线到同轴、再到光纤,说明汽车网络是综合网络体系了。

  • 车载以太网技术
  汽车智能化、网联化,自动驾驶大浪已经来临,推进了车载网络容量需求的爆发式高涨,尤其是,DAS技术的不断革新、高品质车载娱乐影音的推进以及OTA远程升级、V2X、大数据、云计算等一系列技术的发展,已经超出了CAN或FlexRay等传统车载网络的历史使命,以太网如图17所示与汽车深度拥抱成为历史的必然。

 
  最近IEEE发布车载以太网标准,作为汽车内部连接的主干网络,车载以太网将是推动实现车联网的重要技术之一。车载以太网不仅具备了适应ADAS、影音娱乐、汽车网联化等所需要的带宽,而且还具备了支持未来更高性能的潜力(如自动驾驶时代所需要的更大数据传输)。它将成为实现多层面高速通信的基石。
  1.车载以太网介绍
  以太网(Ethernet)指的是由 Xerox公司创建并由Xerox、Intel和 DEC公司联合开发的基带局域网规范,通用的以太网标准于1980年9月30日出台,是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。
以太网络使用CSMA/CD( 载波监听多路访问及 冲突检测)技术,并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802.3系列标准相类似。包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太网。它们都符合IEEE 802.3。
  车载以太网基于目前已经非常成熟的以太网技术,可以很好地满足汽车电子的新需求并为其提供可靠、成熟、低价和标准化的解决方案,未来在车内具有广阔的发展空间。
  2.车载以太网相关优势
  (a)低成本下的高带宽。新的汽车功能,如自动泊车系统、车道偏离检测系统、盲点检测和高级信息娱乐系统等引发了对新的数据总线需求。对于上述需求以太网似乎能提供一揽子的解决方案,以博通公司采用的突破性 BroadR-Reach 技术为例,其可用单对的非屏蔽双绞线进行信号传输,并能够提供 100Mbit/s 及更高的宽带性能,并使电缆重量减轻30%、降低连接成本可达80%。
  (b)支持不同应用的多种协议。传统车载网络支持的通信协议较为单一,而车载以太网可以同时支持AVB、TCP/IP、DOIP、SONIP等多种协议或应用形式。而Ethernet AVB 是对传统以太网功能的扩展,通过增加精确时钟同步、带宽预留等协议增强传统以太网音视频传输的实时性,是极具发展潜力的网络音视频实时传输技术。SOME/IP(Scalable Service-Oriented MiddlewarE on IP)则规定了车载摄像头应用的视频通信接口要求,可应用于车载摄像头领域,并通过API实现驾驶辅助摄像头的模式控制。
  (c)以太网是一种可持续更新、发展的技术。在经历了标准以太网(10Mbps)、快速以太网(100Mbps)和千兆以太网(Gigabit Ethernet)推进和发展后,以太网还在继续着不断的自我迭代升级。当然在支持带宽持续增长的同时,它依然保持对原有系统的兼容性。所以说:一旦以太网技术推广至汽车行业,它带来的不仅仅是一种成熟的通信技术,更是一种对未来的适应能力。
  3.以太网网络标准
  IEEE802.3规定了包括 物理层的连线、电信号和 介质访问层协议的内容。以太网是当前应用最普遍的 局域网技术,它很大程度上取代了其他局域网标准,如令牌环、FDDI和ARCNET。历经100M以太网在20世纪末的飞速发展后,千兆以太网甚至10G以太网正在国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围。常见的 802.3应用为:
  (a)10M:10base-T铜线UTP模式)。10Base-5 使用直径为0.4英寸、阻抗为50Ω粗 同轴电缆,也称粗缆以太网,最大 网段长度为500m。基带传输方法, 拓扑结构为总线型。
10Base-5组网主要硬件设备有:粗同轴电缆、带有AUI插口的以太网卡、 中继器、收发器、收发器电缆、终结器等,如图18所示。


 

  (b)100M: 100base-TX(铜线UTP模式);
  (c)100base-FX( 光纤线);
  (d)1000M: 1000base-T(铜线UTP模式)。
  4.车载应用实例
  基于车载以太网技术的全景泊车如图19 所示,表明车载以太网已经导入无线通信功能。


 
  6.车载以太网发展趋势
  (a)子系统性的应用,如图20所示


 
  (b)架构级别的应用,如图21所示。

 
  (c)局域网级别的应用,如图20所示。

 
  智能网联汽车的发展,呼唤车载以太网技术的支持,有车载以太网的支撑,智能网联汽车的发展也是必然的。

  (声明:任何媒体如需转载本文请与深圳市汽车电子行业协会沟通联系,本文是经由深圳市汽车电子产业专家委员会专家-雷洪钧本人授权于此发布,转载或内容合作请点击转载说明,违规转载法律必究。)

  汽车电子网为您提供最汽车电子产品信息,及最具权威行业资讯和最的行业动态,汽车电子行业最前沿的技术资讯,为全球汽车电子行业人士搭建交流平台。










友情链接