第三章 车载网络技术基础

汽车故障诊断与检测技术金肯学院汽车工程系吕黎明第一节计算机网络技术第二节车载网络系统第三章车载网络技术基础学习要求熟悉计算机网络的组成，了解计算机网络的分类。熟悉计算机网络协议、网络体系结构和网络常用传输介质。了解车载网络技术的发展，掌握车载网络的组成，熟悉车载网络的分类。第一节计算机网络技术1.计算机网络组成2.计算机网络分类3.网络协议与体系结构4.常用传输介质计算机网络技术是通信技术与计算机技术相结合的产物。计算机网络是按照网络协议，将某一空间内分散的、独立的计算机相互连接的集合。这一空间可以是很大，也可以很小。大的计算机网络空间，可以从地球表面到周围的人造卫星，如全球互联网；小的计算机网络空间可以容纳在一个汽车内，如车载网络。我们平时所接触的办公网络、校园网络，都属于计算机网络。计算机网络连接介质可以是电缆、双绞线、光纤、微波、载波或通信卫星。计算机网络具有共享硬件、软件和数据资源的功能。一、计算机网络的组成1、计算机网络的组成计算机网络由网络硬件和网络软件组成。网络硬件由网络节点和连接节点的传输介质组成。网络软件由节点软件和网络软件组成。（1）网络节点网络节点简称节点，也是网络中的单元。计算机网络中的所有节点都具有计算机最基本功能。节点可以分为终端节点、服务节点和混合节点（车载网络的电控单元）。（2）网络传输介质网络上数据的传输需要有“传输媒体”或“传输介质”传输，常用的网络传输介质可分为两类：一类是有线的；一类是无线的。（3）节点软件不同的节点，需要安装不同的节点软件支持才能运行。（4）协议软件不同的网络，需要不同的协议软件支持才能运行。所谓协议软件就是支持网络“交通规则”的软件。网络内的节点软件和协议软件之间具有“兼容性”，或者说是“相通”的，数据才能产生、发送、传输和接收。例如在车载网络中，发电机电控单元要将它所采集的发电机转速信号传送到自动变速器电控单元，它就要将发电机转速信号数字化，并按网络协议格式化，然后向网络申请发送，在给定的发送时机将信号发送到网上，经过服务节点（或不经过服务节点）传送到自动变速器电控单元，自动变速器电控单元要验收确定是发电机转速信号后才能接收。这个过程都要依靠协议软件的运行才能完成。二、计算机网络的分类计算机网络可以按不同角度进行分类，如可以按网络所覆盖的地理范围分类、按网络的拓扑结构分类、按网络中计算机所处的地位分类等。1、按网络所覆盖的地理范围分类由于网络覆盖范围和计算机之间互联距离不同，所采用的网络结构和传输技术也不同，因而形成不同的计算机网络。一般可以分为三种类型。局域网（LocateAreaNetwork，LAN）：局域网组网方便、灵活，传输速率较高。广域网(WideAreaNetwork，WAN)：也称远程网，因特网就是典型的广域网。城域网(MetropolitanAreaNetwork，MAN)：网络作用范围介于局域网和广域网之间，城域网的设计目标常常要满足一个城市范围内大量的企业、公司、机关、学校、住宅区等多个局域网互联的需求。2、按网络的拓扑结构分类拓扑结构就是网络节点在物理分布和互联关系上的几何构型。按计算机网络的拓扑结构可将网络分为：总线型网、星型网、环型网、树型网。如图3-1所示。（1）总线型如图3-1（a）所示。总线结构中，各节点通过一个或多个通信线路与公共总线连接。总线型结构简单、扩展容易。网络中任何节点的故障都不会造成全网的故障，可靠性较高。（2）星型如图3-1（b）所示。星型的中心节点是主节点，它接收各分散节点的信息再转发给相应节点，具有中继交换和数据处理功能。星型网的结构简单，建网容易，但可靠性差，中心节点是网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪。从以上网络拓扑结构可知，总线型网络是网络的一种拓扑结构，具有结构简单、扩展容易，可靠性高等许多优点，是工业计算机控制网络和汽车车载网络的常用网络，因此，在工业和汽车行业里，习惯将总线型计算机网络简称为“总线”，例如“汽车总线技术”、“工业现场总线技术”等。有时将“总线”等同“网络”，例如“汽车总线技术”和“汽车网络技术”的意义基本是相同的。在汽车行业里，一般习惯将单纯的总线型网络称为“总线”，将多个不同的“总线”联网系统称为“网络”。三、计算机网络协议与网络体系结构1.网络协议定义：计算机网络的节点之间需要不断地交换数据信息和控制信息，要做到有条不紊地交换数据，每个节点都必须遵循一些事先约定好的规则。这些规则明确地规定了所交换数据的格式和时序。这些为网络数据交换而制定的规则、约定和标准称为网络协议。组成：语法、语义、时序网络协议从语法和语义上定义了数据信息交换的规则和过程，从时序上定义了通信双方通信速度的匹配。总之，网络协议是通信双方共同遵守的通信语义、语法和时序的集合。2、网络体系结构在现实生活中人们处理一些复杂问题时，通常采用层次化的解决方法。例如文字通信，它是为社会成员之间传递信息服务的。社会是一个很大的网络，每一位社会成员都是网络中的节点，都可以与他人通过邮局通信。图3-2邮政服务的层次模型图我们将计算机网络的这种层次结构模型和各层协议的集合称为计算机网络体系结构。不同系统中的相同层实体叫对等实体，对等实体间通信须遵守同层协议。计算机网络有不同的层次结构模型，国际标准化组织（ISO）为网络通信定义了一个参考模型，称为开放式系统互连参考模型（OSI），简称OSI模型。如图3-3所示，OSI的体系结构定义了一个7层模型，从下到上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。图3-3OSI的体系结构模型第1层：物理层物理层确定传输电子邮件（其他数据也相同）二进制脉冲信号的传输方式、脉冲信号的电压参数；确定物理连接（接口）的结构方式；在物理层中，数据传输的单位是比特(bit)。OSI模型是一个参考模型，供组建网络时参考，除此之外，还有其他模型。我们在因特网（Internet）上发电子邮件用的是传输控制协议/网际协议，简称TCP/IP模型。OSI模型与TCP/IP模型有许多相同的地方。在车载网络中，由于要传输的信息大多是传感器、执行器和开关信息，数据较短，同时由于网络多采用总线型，所以车载网络的体系结构相对简单一些，主要包括两大部分，一是通信部分，二是网络管理部分，采用的体系结构对应OSI模型中的应用层、数据链层和物理层。这种体系结构简单、层次较少的网络结构，数据传输快，适合发动机和底盘等系统的实时过程控制。四、计算机网络常用传输介质网络上数据的传输需要有“传输媒体”，即传输介质。常用的网络传输介质可分为两类：一类是有线的；一类是无线的。有线传输介质主要有同轴电缆、双胶线和光纤；无线传输介质主要有无线电波和红外线。1.同轴电缆同轴电缆曾经是局域网中使用最普遍的一种线缆，它的典型特点是传输距离长、抗干扰性强。同轴电缆主要用于总线型网络中。闭路电视的传输电缆就是同轴电缆。同轴电缆如图3-5所示，同轴电缆的中心是铜线。由于同轴电缆一般用来传输高频电信号，因此，铜线和屏蔽铜丝网之间要有一定的间距，其中充填的绝缘层对高频电磁场的损耗要求很低。屏蔽铜丝网起屏蔽作用，减小电磁波外泄。最外层是保护绝缘层。图3-5同轴电缆2、双胶线双胶线由相互绞合在一起的线对组成，如图所示。为制作网线时便于区分，每条线都标有不同的颜色。双胶线是目前组建局域网时最常用的一种线缆。图3-6（a）所示的网线是由四对双胶线组成；图3-6（b）为普通双绞线；图3-6（c）为带屏蔽铜丝网的双绞线。车载网络总线常用普通双胶线或带屏蔽铜丝网的双绞线。图3-6双胶线（a）四对双绞线的网线（b）普通双绞线（c）带屏蔽铜丝网的双绞线3、光纤光纤是光导纤维的简称，光纤是一种细小、柔韧并能传输信号的传输介质，相对于其他传输介质来说，光纤具有传输距离长、传输速率高、安全性好等特点。主要适用于长距离、大容量、高速度的场合，如大型网络的主干线和大容量的信息传输等。光纤的结构如图3-7所示，光纤的光学纤芯是很细的单根圆形光学材料，光学材料分光学玻璃和光学塑料等，车载网络的光纤纤芯是用塑料光纤芯（POF）。纤心外是反射涂层，光线在纤芯和反射涂层的接触界面形成全反射。反射涂层外是黑色包层，起保护反射涂层和光隔离的作用。黑色包层外是彩色包层，起保护和标记作用。图3-7光纤的结构图3-8是光纤传导信号的示意图，使用光纤传输信号的车载总线，其电控单元具有光纤接口，即电光转换发射器和光电转换接收器。发送数据的电控单元产生数据信号，由收发器经内部电路传到电光转换发射器。电光转换发射器将二进制脉冲电信号转换为二进制脉冲光信号。光信号的光线以合适的角度射入光纤，在光纤内形成全反射向前传导。接受电控单元的光电转换接收器将二进制脉冲光信号转换为二进制脉冲电信号，由内部电路传到接受电控单元的收发器，接受电控单元就收到传导来的数据信号了。双绞线、同轴电缆和光纤的主要特性见表3-1。图3-8光纤传导信号的示意图表3-1双绞线、同轴电缆和光纤的主要特性传输介质信号类型最大数据传输速度最大传输距离网络节点数抗干扰双绞线数字1～10Mbit/s0.1km几十低同轴电缆(50Ω)数字30～50Mbit/skm几百中等同轴电缆(75Ω)模拟150～180Mbit/s1km几千较高光纤数字5Gbit/s1km几百极高4、无线传输介质除了上述三种传输媒体之外，还可以通过无线的方式进行通信。无线传输主要有无线电波和红外线等。其中红外线传输数据信号的基本速率为1Mb/s,仅适用于近距离的无线传输，而且有很强的方向性；而无线电波的覆盖范围较广，应用较广泛，是常用的无线传输媒体。我国一般使用2.4～2.4835MHz频段的无线电波进行局域网的无线通信。第二节车载网络系统车载网络系统具有以下的优点：1.减轻整车重量：减少线束，并使线束变细，节省空间。单个线束所承担的功能增加。2.节约成本：线束减少，传感器共享，可以实现控制器和执行器的就近连接原则，减少装配时间。3.质量可靠：插头减少，故障率减少，质量更可靠。4.增大开发余地：各控制器可以把整车功能相对随意地分担，新的功能和新技术可以通过软件进行更新。一、车载网络技术的发展随着汽车技术的发展，各种新的、不同的车载网络协议不断产生，以满足汽车市场的需求。如对未来汽车将引入智能交通系统(ITS)，汽车在停放、行驶中要与车外的停车场、道路进行数据交换，停车场的无线网络服务点将对汽车进行安全监控，道路上的无线网络服务点将汽车的行驶速度进行监控，可以智能强制限速，保证行驶安全。所以，未来的车载网络的信息传输需要更大容量的网络。主要车载网络的名称、概要、通信速度、开发公司见表3-2。表3-2主要车载网络的基本情况车载网络名称概要通信速度开发公司或组织CAN(ControllerAreaNetwork)车身／动力传动系统控制用局域网协仪，最有可能成为世界标准的车用局域网协议1Mbit／sRobertBosch公司，ISOVAN(VehicleAreaNetwork)车身系统控制用LAN协议，以法国为中心1Mbit/sISOJ1850车身系统控制用LAN协议，以美国为中心10.4～41.6kbit/sFordMotor公司LIN(LocalInterconnectNetwork)车身系统控制用局域网协议，液压组件专用20kbit/sLIN协议会IDB-C(ITSDataBusonCAN)以CAN为基础的控制用局域网协义250kbit/sIDM论坛TTP/C(TimeTriggeredProtocolbyCAN)重视安全、按用途分类的控制用局域网协议，时分多路复用(TDMA)2Mbit/s～25Mbit/sTTT计算机技术公司ITCAN(TimeTriggeredCAN)重视安全、按用途分类的控制用局域网协议，时间同步的CAN1MbitsRobertBosch公司，CANByteflight重视安全、按用途分类的控制用局