第1章车载网络系统概述教材

2020/5/291第1章车载网络系统概述本章重点：（1）了解车载网络技术的分类，并且知道每一类的1到2种代表性协议；（2）调查某一车系（一汽Audi）的车载网络技术并进行总结；（3）车载网络技术的优点；（4）目前车载网络技术应用趋势2020/5/292第1章考考你1-1.请举出用于汽车的A、B、C类网络各2个？1-2.请简单说明Audi应用车载网络技术情况？1-3.目前车载网络技术应用趋势？(查找近期分析文章)1-4.车载网络技术的优点？1-5.请查资料说明宝马E65汽车网关通讯中各种颜色的线分别代表什么车载总线？1-6：请说明宝马E60所包括的总线类型？2020/5/293本章结构1.1为什么会出现车载总线系统1.2汽车网络的分类及发展趋向1.3车载总线技术的优势点与市场前景42020/5/291.1为什么会出现车载总线系统一.系统的必要性1.电控系统的引入显然提高了车辆综合性能2.线束和元件的不断增加与有限的车内空间产生了矛盾在传统的汽车中，电气信号的连接是通过线束实现的。随着汽车中电子部件数量的增加，线束与配套接插件的数量也在成倍上升。在1955年平均一辆汽车所用线束的总长度为45米，而到了2002年，平均一辆汽车所用线束的总长度却达到了4千米。线束的增加不但占据了车内的有效空间、增加了装配和维修的难度、提高了整车成本，而且妨碍整车可靠性的提高。52020/5/29一.系统的必要性（续）3.电控单元（ECU）的增多使网络通信的发展成为必然基于数据通讯的车载网络，这为提高汽车性能和减少线束数量提供了有效的解决途径。电控单元电控单元，又称为ECU（ElectricalControlUnit）。一般是汽车内部系统控制模块的代名词。ECU的主要部分是微机，而核心件是CPU。ECU将输入信号转化为数字形式，根据存储的参考数据进行对比加工，计算出输出值，输出信号再经功率放大去控制若干个调节伺服元件，例如继电器和开关等。因此，ECU实际上是一个“电子控制单元”（ElectronicControlUnit），它是由输入电路、微机和输出电路等三部分组成。电控单元(ECU)是电控系统的核心，安装在轿车右前轮罩后板处。62020/5/294.数据传输方法的变革发动机转速燃油消耗量节气门位置变速箱干预信号换挡信息自动变速箱控制单元发动机控制单元并行数据传输方式：高速、高效，通信距离短72020/5/294.数据传输方法的变革(续)发动机转速燃油消耗量节气门位置变速箱干预信号换挡信息自动变速箱控制单元发动机控制单元串行数据总线传输方式：速度慢，接口简单、通信距离远82020/5/291.2汽车网络的分类及发展趋向第一类节点CAN总线第二类节点Lin总线第三类节点MOST网络第四类节点蓝牙节点92020/5/29迄今为止,已有多种网络标准.为方便研究和设计使用,美国汽车工程师协会(SAE:SocietyofAutomotiveEngineer)将汽车网络根据速率划分为A,B,C,D,E五类,各类网络的特点见表1.102020/5/29图1所示奥迪A4轿车车用网络系统包含了上述五类网络中的A类网络LIN、B类网络低速CAN、C类网络高速CAN、D类网络MOST及蓝牙bluetooth等技术.下面分别介绍.思考1-1.请举出用于汽车的A、B、C类网络各2个？112020/5/29对于D和E类网络标准,综合考虑功能和位传输速率等因数，现有的汽车总线可分为多媒体信息系统总线、安全总线和诊断系统总线。122020/5/29二．汽车网络标准的具体分类1.A类网络标准从目前的发展和使用情况来看，A类网的主要总线是TTP/A(TimeTriggeredProtocol/A)和LIN(LocalInterconnectNetwork)。132020/5/29(1)TTP/A协议最初由维也纳工业大学制定，为时间触发类型的网络协议，主要应用于集成了智能变换器的实时现场总线。它具有标准的UARTUART(UniversalAsynchronousReceiverTransmitter：通用异步收发器)，能自动识别加入总线的主节点与从节点，节点在某段已知的时间内触发通信但不具备内部容错功能。(2)LIN是在1999年由欧洲汽车制造商Audi、BMW、DaimlerChrysler、Volvo、Volkswagen和VCT公司以及Motorola公司组成的LIN协会，共同推出的用于汽车分布式电控系统的开放式的低成本串行通信标准，从2003年开始使用。142020/5/29LIN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。从硬件、软件以及电磁兼容性方面来看，LIN保证了网络节点的互换性，极大地提高了开发速度，同时保证了网络的可靠性。152020/5/29补充解释：SPI、UART三种串行总线协议的区别第一个区别当然是名字：SPI(SerialPeripheralInterface：串行外设接口);UART(UniversalAsynchronousReceiverTransmitter：通用异步收发器)第二，区别在电气信号线上：SPI总线由三条信号线组成：串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)。SPI总线可以实现多个SPI设备互相连接。提供SPI串行时钟的SPI设备为SPI主机或主设备(Master)，其他设备为SPI从机或从设备(Slave)。主从设备间可以实现全双工通信，当有多个从设备时，还可以增加一条从设备选择线。如果用通用IO口模拟SPI总线，必须要有一个输出口(SDO)，一个输入口(SDI)，另一个口则视实现的设备类型而定，如果要实现主从设备，则需输入输出口，若只实现主设备，则需输出口即可，若只实现从设备，则只需输入口即可。UART总线是异步串口，因此一般比同步串口SPI的结构要复杂很多，一般由波特率产生器(产生的波特率等于传输波特率的16倍)、UART接收器、UART发送器组成，硬件上由两根线，一根用于发送，一根用于接收。显然，如果用通用IO口模拟UART总线，则需一个输入口，一个输出口。第三，从第二点明显可以看出，SPI和UART可以实现全双工；SPI接口和上面UART相比，多了一条同步时钟线，上面UART的缺点也就是它的优点了，对通信双方的时序要求不严格不同设备之间可以很容易结合，而且通信速度非常快。162020/5/29由于LIN价格低廉，因此它可将MCU嵌入到车身零部件中，使其成为具备网络功能智能零部件（SmartParts）从而进一步减少线束、降低成本。LIN网络已经广泛地被世界上的大多数汽车公司以及零配件厂商所接受，有望成为事实上的A类网络标准。172020/5/292.B类网络标准（VAN和CAN）从目前B类网络的使用情况来看主要有两种：低速CAN和VAN。(1)VAN标准是ISO于1994年6月推出的。它基于ISO11519-3，主要为法国汽车公司所用。但目前就动力与传动系统而言，甚至在法国也集中在CAN总线上。182020/5/29CAN(2)CAN是德国Bosch公司从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问题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1Mbps。1991年首次在奔驰S系列汽车中实现。同年，Bosch公司正式颁布了CAN技术规范，版本2.0。1993年11月，ISO正式颁布了国际标准ISO11898，为CAN的标准化、规范化铺平了道路。此后，越来越多的北美和日本汽车公司也开始采用CAN网络。1994年，美国汽车工程师协会卡车和巴士控制与通信子协会选择CAN作为SAEj1939标准的基础。低速CAN具有许多容错功能，一般用在车身电子控制中；而高速CAN则大多用在汽车底盘和发动机的电子控制中。192020/5/29CAN总线凭借其突出的可靠性、实时性和灵活性已从众多总线中突显出来，成为世界接受的B类总线的主流协议。202020/5/293.C类网络标准C类标准主要用于与汽车安全相关及实时性要求比较高的地方，如动力系统，所以其传输速率比较高，通常在125kbps-1Mbps之间，必须支持实时的周期性参数传输。目前，C类网络中的主要协议包括高速CAN(ISO11898-2)、正在发展中的TTP/C和FlexRay等协议。212020/5/29(1)TTP/C协议(1)TTP/C协议由维也纳工业大学研究，基于TDMA的访问方式。TTP/C是一个应用于分布式实时控制系统的完整的通信协议。它能够支持多种容错策略，提供容错的时间同步以及广泛的错误检测机制，同时还提供节点的恢复和再整合功能。其采用光纤传输的工程化样品速度将达到25Mbps。TTP/C支持时间和事件触发的数据传输。TTP管理组织TTAGroup成员包括奥迪、SA、Renault、NEC、TTChip、Delphi等。222020/5/29(2)FlexRayFlexRay是BMW、DaimlerChrysler、Motorola和Philips等公司制定的功能强大的通信网络协议。它是基于FTDMA的确定性访问方式，具有容错功能及确定的通信消息传输时间，同时支持事件触发与时间触发通信。具备高速率通信能力。FlexRay采用冗余备份的办法，对高速设备可以采用点对点方式与FlexRay总线控制器连接，构成星型结构，对低速网络可以采用类似CAN总线的方式连接。232020/5/29(3)高速CAN欧洲的汽车制造商基本上采用高速CAN总线标准ISO11898。总线传输速率通常在125kbps-1Mbps之间。据StrategyAnalytics公司统计，2001年用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个。然而，作为一种事件驱动型总线，CAN无法为下一代线控系统提供所需的容错功能或带宽，因为X-by-Wire系统实时性和可靠性要求都很高，必须采用时间触发的通信协议，如TTP/C或FlexRay等。242020/5/29CAN协议仍为C类网络协议的主流，但随着汽车中引进X-by-Wire系统，TTP/C和FlexRay将显示出优势。它们之间的竞争还要持续一段时间，在未来的线控系统中，到底哪一种标准更具有生命力尚难定论。252020/5/294.诊断系统总线标准故障诊断是现代汽车必不可少的一项功能、使用诊断系统的目的主要是为满足OBD-II(OnBoardDiagnose)、OBD-III或E-OBD(European-OnBoardDiagnose)标准。OBD-II第二代随车电脑诊断系统，由美国汽车工程学会1994年提出。1994年以来，美、日、欧一些主要汽车生产厂为了维修方便逐渐使用OBD-II随车诊断系统。这一系统集故障自诊断系统软硬件结构、故障代码、通信方式系统、自检测试模式为一体，具有监视发动机微机和排放系统部件的能力。262020/5/292004年，美国GM、Ford、DC三大汽车公司对乘用车采用基于CAN的J2480诊断系统通信标准。在欧洲，从2000年开始，欧洲汽车厂商就已经能够开始使用一种基于CAN总线的诊断系统通信标准ISO15765。目前，除了CAN网络，LIN协议也已经成为汽车诊断的总线标准。272020/5/29协议标准用户备注ISO9141欧洲满足OBD-IIIISO14230欧洲又称KeywordProtocol2000；满足OBD-IIJ1850GM、Ford、DC满足OBD-IIJ2480GM、Ford、DC基于CAN；满足OBD-IIIIISO15765欧洲基于CAN；满足E-OBD诊断系统协议标准的使用情况282020/5/295.多媒体信息系统总线标准汽车信息娱乐和远程信息设备，特别是汽车导航系统，需要功能强大的操作系统和连接能力。目前主要应用的几种总线