2_第二章车载网络基础知识

第二章车载网络基础知识第一节现场总线第二节车载网络结构与组成第三节常用基本术语第四节汽车网络参考模型第五节车载网络分类和通信协议标准第六节汽车对通信网络的要求第一节现场总线一、功用二、特点三、现场总线的几种常见类型一、功用总线即传输信息的公共通道，现场总线(FieldBus)是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线技术是一种全数字化、全分散式、可互操作和开放式互联网络的新一代控制技术，是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成。二、特点1.总线式结构2.彻底的分散控制3.开放性、互操作性和互换性4.多种传输介质和拓扑结构5.可靠性高6.综合功能1.总线式结构图2-1现场总线结构2.彻底的分散控制图2-2现场总线的分散控制3.开放性、互操作性和互换性现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络。不同厂家的产品可以方便地接入同一网络，在同一控制系统中进行互操作；不同厂家性能类似的设备可实现相互代替，简化了系统集成。4.多种传输介质和拓扑结构由于采用数字通信方式，因此可用多种介质进行通信。根据控制系统中节点的空间分布情况，可应用多种网络拓扑结构。5.可靠性高数字信号传输抗干扰能力强，精度高，成本低。6.综合功能现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，实现了一表多用，不仅方便了用户，而且降低了成本。三、现场总线的几种常见类型1.基金会现场总线(FF)2.过程现场总线(Profibus)3.局部操作网络(LonWorks)4.控制器局域网(CAN)5.设备网(DeviceNet)6.控制网(ControlNet)三、现场总线的几种常见类型表2-2常见现场总线性能比较类型特性FFProfibusLonWorksCANDeviceNetControlNet开发公司FisherRosemountSiemensEchelonBoschRockwellAutomationRockwellAutomationOSI网络层次1，2，7，（8）1，2，71～71，2，71，2，71，2，7通信介质双绞线、同轴电缆和光纤双绞线和光纤双绞线、同轴电缆、光纤、无线和电源线双绞线双绞线、同轴电缆和光纤双绞线、同轴电缆和光纤介质访问方式令牌令牌可预测P⁃坚持CSMA（PredicitveP⁃PersistentCSMA）带非破坏性逐位仲裁的载波侦听多路访问（CSMA/NBA）带非破坏性逐位仲裁的载波侦听多路访问（CSMA/NBA）隐性令牌1.基金会现场总线(FF)FF的体系结构参照ISO／OSI参考模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层。另外增加了用户层。基金会现场总线分低速H1总线和高速H2总线两种。表2-2常见现场总线性能比较最大通信速率/（Kbit/s）31．25（H1）100000（H2）12000150010005005000最大节点数321271106499优先级有有有有有有本质安全性是是是是是是开发工具有有有有有无2.过程现场总线(PROFIBUS)Profibus有3种类型，即分散化的外围设备Profibus-DP、现场总线报文规范Profibus-FMS、过程自动化Profibus-PA。3.局部操作网络(LONWORKS)采用ISO／OSI参考模型的全部7层协议和面向对象的设计方法，通过网络变量将网络通信设计简化为参数设置，其最大传输速率为1.5Mbit／s，传输距离为2700m，传输介质为双绞线、光纤、同轴电缆、射频、红外线和电源线等，可支持总线供电和本质安全。4.控制器局域网(CAN)CAN用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。CAN结构模型取ISO／OSI参考模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层。5.设备网(DEVICENET)DeviceNet是一种开放式的通信网络，将工业设备如光电开关、操作员终端、电动机起动器、变频器和条形码读入器等连接到网络。6.控制网(CONTROLNET)ControlNet是一种高速、高确定性和可重复性的网络，特别适用于对时间有苛刻要求的复杂场合的信息传输。其总线上传输的信息一类是对时间有苛刻要求的控制信息和I／Ｏ数据，拥有最高的优先权，以保证不受其他信息的干扰，并具有确定性和可重复性；另一类是无时间苛求的信息，如上/下载程序，设备组态，诊断信息等。第二节车载网络结构与组成图2-8车载网络系统的主要附属装置第三节常用基本术语1.数据总线2.网络3.网络拓扑结构4.网络互联5.数据传输6.链路(数据传输介质)7.报文及帧8.通信协议9.传输仲裁10.架构11.模块／节点12.集线器13.分总线14.主总线15.终端电路图2-3车载网络系统1.数据总线数据总线是电控单元之间传递数据的通道。数据总线可以实现在一条数据线上传递的信息能被多个系统(电控单元)共享的目的，从而最大限度地提高系统整体效率，充分利用有限的资源。图2-4车载网络系统布置2.网络为了实现信息共享而将多条数据总线连在一起，或将数据总线和模块连接为一个系统称为网络。计算机网络是在协议控制下，由一台或多台计算机、若干台终端设备、数据传输设备，以及便于终端和计算机之间或若干台计算机之间数据流动的通信控制处理机等所组成的系统集合。图2-5车载网络数据传输3.网络拓扑结构(1)总线型拓扑结构将各个节点和一根总线相连，网络结构简单、灵活，可扩充性好，可靠性高，资源共享能力强。(2)环形拓扑结构网络中各节点通过一条首尾相连的通信链路连接而成一个闭合环形结构网，数据在环上单向流动。(3)星形拓扑结构每个节点均以一条单独信道与中心节点相连，中心节点是通信控制中心。图2-7动力系统接口电控单元(网关)4.网络互联(1)中继器中继器又称为转发器，在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大，以此延长网络的长度。(2)网桥网桥又称为桥接器，它在数据链路层上对帧进行存储转发。(3)路由器路由器在网络层上实现多个网络互联，对分组信息进行存储转发。(4)网关由于汽车上有很多总线和网络，必须用一种有特殊功能的电控单元达到信息共享和不产生协议间冲突的功能，实现无差错数据传输，这种电控单元称为网关。5.数据传输(1)串行传输与并行传输(2)同步传输与异步传输(3)多路传输(1)串行传输与并行传输串行传输的数据是一位一位在设备间进行传输，在发送站需将并行数据位流变成串行数据位流，然后发送到传输信道上；在接收站要将从传输信道接收到的数据位流变换成并行数据位流。并行传输时，多个位在设备间同时传输。(2)同步传输与异步传输同步传输方式各字符没有起始位和结束位，采用按位同步的原则。位同步即接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保持同步。异步传输方式是在位同步基础上的同步，要求发送端与接收端必须保持一个群内的同步。(3)多路传输1)时分多路复用(TDM)是在传输时将时间分成小的时间段，每一时间段由复用的一路信号占用，各路信号在微观上串行传送，宏观上并行传送。2)频分多路复用(FDM)是将多路信号分别调制到互不交叠的频段进行传输，各路信号在微观上并行传送。3)波分多路复用(WDM)是在光波频率范围内，将不同波长的光波按一定间隔排列在一根光纤中传送。(1)双绞线双绞线能传输模拟信号和数字信号，通信距离可达十几千米。(2)同轴电缆同轴电缆由内导体铜芯线、绝缘层、因此称为同轴电缆。(3)光纤光纤没有网状屏蔽层，中心是光传播的玻璃芯。6.链路(数据传输介质)表2-3数据传输介质的特点媒体信号类型最大数据传输速度/（Mbit/s）最大传输距离/km联网设备数双绞线数字1～20．04几十同轴电缆（50Ω）数字10—几百同轴电缆（75Ω）数字501几十同轴电缆（75Ω）模拟2010几千同轴电缆（75Ω）单信道模拟501几十光纤模拟1001几十若要在CAN局域网内有效、快速地传输信息，需将信息转化成适合CAN总线传输的格式。信息即报文(Messages)，适合CAN总线传输的格式称为报文格式。总线的信息以不同的固定报文格式发送，但长度受限。当总线空闲时，任何连接的单元都可以开始发送新报文。报文传输由数据帧、远程帧、错误帧和过载帧表示和控制。7.报文及帧8.通信协议要实现汽车内各电控单元之间的通信，必须制定规则保证通信双方能相互配合，其通信方法、通信时间、通信内容是通信双方同样能遵守、可接受的一组规定和规则，即通信协议——通信实体双方控制信息交换规则的集合。数据总线的通信协议采用优先权的处理机制。9.传输仲裁当出现数个使用者同时申请利用总线发送信息时，会发生数据传输冲突，好比同时有两个或多个人想过独木桥一样。传输仲裁是为了避免数据传输冲突，保证信息按其重要程度发送。10.架构网络特定的通信协议称为架构，架构在其输入和输出端规定能进和能出的信息。架构通常包括1或2条线路。采用双线时数据的传输基于两条线的电位差；采用1条线传输数据时，对搭铁有个参考电压。11.模块／节点模块即一种电子装置，如温度传感器、压力传感器或计算机(微处理器)等。在多路传输系统中一些简单的模块被称为节点。12.集线器集线器(Hub)相当于一个有多个端口的中继器，随机选出某一端口，并独占全部带宽，与集线器的上连设备(如交换机、路由器或服务器)进行通信。集线器分为无源集线器、有源集线器、智能集线器和交换式集线器。无源集线器只将传输介质连接在一起，从一个端口接收数据，然后向所有端口广播。13.分总线分总线是指从主总线分出至电控单元或传感器的线束。14.主总线主总线是指总线(通信线路)中两个终端电路间的线束，是CAN通信系统的主总线。15.终端电路终端电路是将CAN通信电流转换成总线电压而设置的电路，由电阻器和电容器组成。在一条总线上需要两个终端电路。CANJ／C是为CAN通信设计的插接器，用于存储终端电路。第四节汽车网络参考模型图2-11ISO／OSI参考模型表2-4开放系统互联参考模型ISO/OSI参考模型各层定义的主要项目软件控制7层应用层提供各种实际可应用的服务6层表示层对数据的表现形式进行变换，如文字调整、数据压缩与加密5层会话层为实现会话通信，按正确顺序控制数据的发送与接收4层传输层保证按顺序控制数据及更正错误等通信品质，如纠正错误、重新发送控制3层网络层选择数据的传输途径和中转，如电控单元之间的数据交换及地址管理第五节车载网络分类和通信协议标准一、车载网络分类二、通信协议标准表2-4开放系统互联参考模型硬件控制2层数据链路层将从物理层获得的信号（字符集）汇总成具有某种意义的数据，提供控制顺序，以便对控制传输错误等数据加以传输，如访问时的方法及数据形式，通信方式、连接控制方式、同步方式、错误检测方式，响应方式、通信方式，帧的构成、组帧方式1层物理层规定通信时所使用的电缆、插座等，媒体、信号的标准等，以实现设备之间的信号交换，如信号电平、发送与接收、电缆及插座等形式一、车载网络分类二、通信协议标准1.通信协议2.车载网络协议标准1.通信协议(1)通信接口与实体(2)协议的含义(3)协议的三要素(4)协议内容(5)协议功能(6)协议类别(7)常用通信协议(1)通信接口与实体1)物理方面：指插接器的结构形式。2)电气方面：指接口的电路信号电压及变化特征。3)逻辑方面：指如何将数据位或字符变成字段，说明传输控制字符的功能和使用。通信接口逻辑说明是一种控制和实现穿越接口交换数据流的语言。4)过程方面：指规定通信过程控制字符的顺序、各种字段法定内容，以及控制数据流穿越接口的命令和应答。如果将逻辑说明看成确定数据流穿越接口的语法，则过程说明即可作为语言。(2)协议的含义两个实体若要成功地通信，则必须“说样同的语言”。在通信内容、通信方式以及通信时间等方面，两个实体要遵守相互可以接受的一组约定和规则，这些约定和规则的集合称为协议。(3)协议的三要素1)语法。确定通信双方之间“如何讲”，即由逻辑说明构成，要对信息或报文中各字段格式化，说明报头(或标题)字段、命令和应答的结构。2)语义