汽车总线系统通信协议分析与比较

河南机电高等专科学校《汽车单片机与局域网技术》大作业专业班级：汽电112姓名：史帅峰学号：111606240成绩：指导老师：袁霞2013年4月16日汽车总线系统通信协议分析与比较摘要：本文主要针对汽车总线系统通讯协议，探讨汽车总线通讯协议的种类、发展趋势以及技术特点。在对诸多组织和汽车制造商研发的各类汽车总线进行比较和探讨的基础上，对其现状进行了分析；并综合汽车工业的特点对这两大类汽车总线协议的发展前景作了分析。关键词：汽车总线技术通讯协议车载网络引言：汽车电子技术是汽车技术和电子技术结合发展的产物。从20世纪60年代开始，随着电子技术的飞速发展，汽车的电子化已经成为公认的汽车技术发展方向。在汽车的发展过程中，为了提高汽车的性能而增加汽车电器，电器的增加导致线缆的增加，而线束的增加又使整车质量增加、布线更加复杂、可维护性变差，从而又影响了汽车经济性能的提高。因此，一种新的技术就被研发出来，那就是汽车总线技术。总线技术在汽车中的成功应用，标志着汽车电子逐步迈向网络化。一、车载网络的发展历程20世纪80年代初，各大汽车公司开始研制使用汽车内部信息交互的通信方式。博世公司与英特尔公司推出的CAN总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性，因而得到了业界的广泛认同，并在1993年正式成为国际标准和行业标准。TTCAN对CAN协议进行了扩展，提供时间触发机制以提高通讯实时性。TTCAN的研究始于2000年，现已成为CAN标准的第4部分ISO11898-4，该标准目前处于CD(委员会草案)阶段。1994年美国汽车工业协会提出了1850通信协议规范。从1998年开始，由宝马、奥迪等七家公司和IC公司共同开发能满足车身电子要求的低成本串行总线技术，该技术在2000年2月2日完成开发，它就是LIN。FlexRay联盟推进了FlexRay的标准化，使之成为新一代汽车内部网络通信协议。FlexRay车载网络标准已经成为同类产品的基准，将在未来很多年内，引导整个汽车电子产品控制结构的发展方向。FlexRay是继CAN和LIN之后的最新研发成果。二、车载网络的分类及其网络协议从20世纪80年代以来不断有新的网络产生，为了方便研究和应用，美国汽车工业协会（SAE）的车辆委员会将汽车数据传输网络划分为A、B、C三类。（1）A类网络A类网络是面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输速度通常小于10kb/s，主要用于后视镜调整、电动车窗、灯光照明等控制。A类网络大都采用通用异步收发器（UART，UniversalAsynchronousReceiver/Trsmitter）标准，使用起来既简单又经济。但随着技术水平的发展，将会逐步被其他标准所代替。A类网络目前首选的标准是LIN总线，是一种基于UART数据格式、主从结构的单线12V总线通信系统，主要用于智能传感器和执行器的串行通信。（2）B类网络B类网络是面向独立模块间数据共享的中速网络，传输速率为10-125Kb/s，主要应用于车身电子舒适性模块、仪表显示等系统。B类网络的国际标准是CAN总线，采用的是ISO11898，传输速率为100Kb/s左右。从1992年起，欧洲各大汽车公司一直采用这一标准。（3）C类网络和其它高速总线系统C类网络是面向高速、实时闭环控制的多路传输网，传输速率为125Kb/s~1Mb/s，主要用于牵引控制、发动机控制、ABS等系统。三、常用车载网络系统简介1、CANCAN是ControllerAreaNetwork的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种的现场总线，已形成国际标准。这也是目前CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。CAN典型的应用协议有：SAEJ1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA2000等。CAN协议和标准规格见下表：名称波特率规格适用区域SAEJ1939-11250k双线式、屏蔽双绞线卡车、大客车SAEJ1939-12250k双线式、屏蔽双绞线、12V供电农用机械SAEJ2284500k双线式、双绞线（非屏蔽）汽车（高速：动力、传动系统）SAEJ2411133.3k、83.3k单线式汽车（低速：车身系统）NMEA-200062.5k、125k、250k、500k、1M双线式、屏蔽双绞线供电船舶DeviceNet125k250k500k双线式、屏蔽双绞线、24V供电工业设备CANopen10k、20k、50k、125k、250k、500k、800k、1M双线式、双绞线可选（屏蔽、供电）工业设备SDS125k、250k、500k、1M双线式、屏蔽双绞线可选（供电）工业设备2、LINLIN(LocalInterconnectNetwork)是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN的目标是为现有汽车网络(例如CAN总线)提供辅助功能。因此LIN总线是一种辅助的总线网络，在不需要CAN总线的带宽和多功能的场合，比如智能传感器和制动装置之间的通讯，使用LIN总线可大大节省成本。LIN通讯是基于SCI(UART)数据格式采用单主控制器/多从设备的模式仅使用一根12V信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线，这种低成本的串行通讯模式和相应的开发环境已经由LIN协会制定成标准。LIN的标准化将为汽车制造商以及供应商在研发应用操作系统降低成本。LIN协议主要特征如下表：交流媒介1根导线数据制式64流速1~20Kbit/s帧的数据大小2~8B节点数16结构单主/多从长度40m可靠性CAN网和VAN网成本CAN网和VAN网支节点自同步3、FLEXRAYFlexRay联盟（FlexRayConsortium）推进了FlexRay的标准化，使之成为了新一代汽车内部网络通讯协议。FlexRay关注的是当今汽车行业的一些核心需求，包括更快的数据速率，更灵活的数据通信，更全面的拓扑选择和容错运算。FlexRay能够提供很多CAN网络所不具有的可靠性特点。尤其是FlexRay具备的冗余通信能力可实现通过硬件完全复制网络配置，并进行进度监测。FlexRay同时提供灵活的配置，可支持各种拓扑，如总线、星型和混合拓扑。可以通过结合两种或两种以上的该类型拓扑来配置分布式系统。经过数年的改进，FlexRay网络标准已经成熟，BMW已经在X5中有5个ECU（电控减震、主控悬吊系统等）应用了FlexRay，在下一代产品中将有16个ECU予以应用。4、MOSTMOST(MediaOrientedSystemTransport)面向媒体的系统传输总线是汽车业合作的成果，而不是正式的标准。MOST传输协议由分割成帧的数据块组成，每一帧包含流数据、分组数据和控制数据。MOST的定义是非常普通的，允许采用多种拓扑结构，包括星形和环形，大多数汽车装置都采用环形布局。一个MOST网络中最多可以有64个节点。一旦汽车接通电源，网络中的所有MOST节点就全部激活，这对低功耗、停电模式设计是一大重点，包括系统处在该种状态下的功耗量以及如何进入状态。MOST节点在通电时的默认状态是直通（Pass-throught），即进入的数据从接收器直接传送至发射器，以保持环路的畅通。5、IEEE1394IEEE1394接口是由APPLE和TI公司开始的高速串行接口标准，Apple称之为FireWire(火线)，Sony称之为i.Link，TexasInstruments称之为Lynx。同USB一样，IEEE1394也支持外设热插拔，可为外设提供电源，省去了外设自带的电源，能连接多个不同设备，支持同步和异步数据传输。两点间传输距离为100米。常用车载网络的基本情况见下表：车载网络名称概要通信速率CAN(ControllerAreaNetwork)车身/动力传动系统用LAN协议，可能成为世界标准1MbpsVAN(VehicleAreaNetwork)车身控制系统用LAN协议，以法国为中心1MbpsJ1850车身系统控制用LAN协议，以美国为中心41.6KbpsLIN(LocalInterconnectNewwork)车身系统控制用LAN协议，低端系统专业20KbpsTTCAN(TimeTriggeredCAN)按用途分类的控制系统用LAN协议，时间同步的CAN25MbpsFlexRay按用途分类的控制用CAN协议5MbpsMOST(MediaOrientedSystemTransport)信息系统通信协议，以欧洲为中心22.5MbpsIEEE1394信息系统专用协议100Mbps四、车载网络的应用车载网络按照应用加以划分，大致可以分为4个系统：车身系统、动力传动系统、安全系统、信息系统。在动力传动系统内，动力传动系统模块的位置比较集中，可固定在一处，利用网络将发动机舱内设置的模块连接起来。在将汽车的主要因素—跑、停止与拐弯这些功能用网络连接起来时，就需要高速网络。动力CAN数据总线一般连接3块电脑，它们是发动机、ABS/EDL及自动变速器电脑（动力CAN数据总线实际可以连接安全气囊、四轮驱动与组合仪表等电脑）。总线可以同时传递10组数据，发动机电脑5组、ABS/EDL电脑3组和自动变速器电脑2组。数据总线以500Kbit/s速率传递数据，每一数据组传递大约需要0.25ms，每一电控单元7~20ms发送一次数据。优先权顺序为ABS/EDL电控单元→发动机电控单元→自动变速器电控单元。舒适CAN数据总线连接一般连接七个控制单元，包括中央控制单元、车前车后各一个受控单元及四个车门的控制单元。舒适CAN数据传递有七大功能：中控门锁、电动窗、照明开关、空调、组合仪表、后视境加热及自诊断功能。控制单元的各条传输线以星状形式汇聚一点。这样做的好处是：如果一个控制单元发生故障，其他控制单元诊断，诊断方式如下：a.拆下蓄电池电压线。b.启动点火开关，使各存电设备充分放电。c.用万用表的表笔，分别接在Can-Low与Can-high上。d.将一带终端电阻的电控单元插头拔下，观察万用表阻值变化，阻值有变化，此总线终端电阻正常，否则损坏。e.依次对比分析，观察有终端电阻的控制单元。五、协议比较及特征分析作为CAN协议的一种延伸，TTCAN(TimeTriggeredCAN)协议执行的是一个混合的，时间触发的，按照TDMA方式的同时适用于事件触发的通信。TTCAN提出是希望满足汽车线控系统的新概念，但是目前仍缺乏支持厂商和应用计划。Byteflight的协议结构能保证以一段固定的等待时间专门用于来自安全元件的高优先级信息，而允许低优先级信息使用其余的时段。这种决定性的措施对安全是至关重要的。该协议和塑料光纤相结合，已经在宝马新型车上应用于安全气囊的控制。FlexRay支持先进的汽车高速控制应用的未来要求，通信协议由TDMA和事件两部分构成。TDMA在启动时根据所有后续参与的节点定义，是唯一的传输通道标识符。事件部分的节点采用Bytefligh协议。可以说FlexRay是从Byteflight之上发展起来的。FlexRay即保证了系统对于安全性的要求，设计了很高的通信带宽水平和容错能力，又尽量保持灵活性，降低节点成本。系统高度可扩展，从单通道总线到双通道多星型拓扑结构。甚至允许在一个系统中同时有单通道和双通道的节点。不同于FlexRay，原先应用于航空产品的TTP(Time-triggeredprotocol)协议安全性设计非常严格，基于严格的TDMA时序安排，具有非常可靠和容错的特性。系统中包含的每一个节点都和其他节点由两个重复的通道连接。这些节点可以被复制，并分组成为容错单元(FTUs)来弥补通信错误。由于重复信息同时在两个不同的通道上发送，所以传输信息的时间和量值都被复制。该协议