汽车车载网络技术-第二章-车载网络基础知识

《汽车车载网络技术》第二章车载网络基础知识《汽车车载网络技术》第二章编写组《汽车车载网络技术》第二章编写组2019年11月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的构成与组织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本章小结复习思考题2314567第一节现场总线一、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一对传输线(总线)挂接多台现场仪器,双向传输多个信号,如图2-1所示。该结构接线简单,工程周期短,安装费用低,维护容易。若增加现场设备或现场仪器,只需并行挂接到电缆上,无须架设新的电缆。图2-1现场总线的结构二、特点2.彻底的分散控制现场总线的分散控制如图2-2所示。现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中,做到彻底的分散控制,提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性,减轻了分布式控制中电控单元的计算负担。图2-2现场总线的分散控制二、特点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.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。FF分为低速H1总线和高速H2总线两种。2.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)和过程自动化(Profibus-PA)。3.LonWorks采用的LonTalk协议被封装在Neuron芯片中,内含3个8位微处理器,分别用于负责媒体访问控制、网络处理和应用处理。通常将局部操作网络及其技术统称为LonWorks技术。三、现场总线的几种常见类型4.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.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.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。2134567第二节车载网络的结构与组成第二节车载网络的结构与组成典型汽车车载网络系统如图2-3所示,网络布置如图2-4所示。图2-3典型汽车车载网络系统图2-4车载网络系统的布置第二节车载网络的结构与组成网络数据传输如图2-5所示。图2-5车载网络数据传输2134567第三节常用基本术语第三节常用基本术语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。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。3.网络拓扑结构拓扑是研究与大小、形状无关的线和面的特性的方法。将计算机等网络单元抽象为点,网络中的通信媒体(如电缆)抽象为线,从而抽象出网络的拓扑结构。第三节常用基本术语4.网络互联网络互联是指处于同一地域或不同地域的同类型或不同类型网络之间通过中间设备的互联,以实现网络资源共享。(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)网关一辆汽车可能采用多条不同的通信协议或不同传输速度的数据总线,模块之间不能完全实现信息共享,在两条总线之间进行数据转换时,需要采用网关来完成。第三节常用基本术语5.数据传输(1)串行传输与并行传输串行传输的数据是一位一位地在设备间进行传输,在发送端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,在接收端要将从传输信道接收到的数据位流变换成并行数据位流(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(3)多路传输在同一条通信线路上,实现同时传送多路信号。多路传输系统(SmartWiringSystem,SWS)又称为聪明线路系统或多路通信系统。第三节常用基本术语6.链路(数据传输介质)(1)双绞线双绞线能传输模拟信号和数字信号,通信距离可达几到十几千米,当通信距离长时,要加放大器或中继器。(2)同轴电缆同轴电缆由内导体铜芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层及塑料保护层构成,铜芯线与网状导体同轴。(3)光纤光纤没有网状屏蔽层,中心是光传播的玻璃芯。多条光纤组成一束构成光纤电缆。第三节常用基本术语7.报文及帧帧有两种不同的帧格式:具有11位识别符的帧称为标准帧,具有29位识别符的帧称为扩展帧。帧按照携带的信息类型可分为以下4种帧格式:(1)数据帧数据帧携带数据,将数据从发送器传输到接收器。(2)远程帧远程帧由总线单元发送,用于请求发送具有相同识别符的数据帧。(3)过载帧过载帧用于在先行和后续的数据帧(或远程帧)之间提供一附加的延时。(4)错误帧任何单元检测到总线错误,就发出错误帧。第三节常用基本术语8.通信协议要实现汽车内各电控单元之间的通信,必须制订规则保证通信双方能相互配合,其通信方法、通信时间和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。9.传输仲裁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网络有特定的通信协议称为架构,架构在其输入端和输出端规定能进和能出的信息。第三节常用基本术语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。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。第三节常用基本术语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.数据传递终端数据传递终端是一个电阻器,可防止信号在传输线终端被反射,并以回波的形式返回,影响数据的正确传送。16.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,用来存储终端电路。2134567第四节汽车网络参考模型第四节汽车网络参考模型为实现不同制造商的计算机相互通信,国际标准化组织(ISO)制定了“开放系统互联参考模型(ISO/OSI)”。1983年正式成为国际标准,即ISO7498。我国相应的标准为GB/T9387.1—1998。ISO/OSI参考模型分为7层,即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层,如图2-22所示图2-22ISO/OSI参考模型2134567第五节车载网络分类和通信协议标准一、车载网络分类目前汽车网络标准形式多样,其侧重的功能也有所不同,为方便研究和设计应用,SAE车辆网络委员会按照系统的信息量、响应速度和可靠性等要求,将车载网络系统分为A类、B类、C类和D类。通常,A类网络系统不单独使用,而是与B类网络系统结合使用。满足C类网络要求的汽车控制器局域网只有CAN协议。每类网络功能均向下涵盖,即B类网络支持A类网络的功能,C类网络能同时实现B类网络和A类网络的功能。二、通信协议标准1.通信协议(1)通信接口与实体两个系统的设备或部件之间连接服务的数据流穿越的界面称为接口,汽车电控单元之间的通信接口由设备(部件)和有关规定说明组成,通常包括以下四个方面: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。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。二、通信协议标准(2)协议的含义两个实体若要成功地通信,则必须“说同样的语言”。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。2)语义。3)定时规则。(4)协议内容(5)协议功能(6)协议类别(7)常用通信协议二、通信协议标准2.车载网络协议标准(1)A类总线协议标准面向传感器和执行器控制的低速网络,数据传输速率通常只有1~10kbit/s。网络协议种类主要有LIN、UART(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter)和CCP等(2)B类总线协议标准面向独立电控单元之间数据共享的中速网络,传输速率一般为10~100kbit/s。主要应用于车辆电子信息中心、故障诊断、SRS和组合仪表等,以减少冗余的传感器和其他电子部件(3)C类总线协议标准面向高速、实时闭环控制的多路传输,最高传输速率可达1Mbit/s,主要用于发动机、ABS/ASR、悬架等控制。(4)D类总线协议标准D类网络称为智能数据总线(IDB),主要面向信息和多媒体系统等。D类网络协议的速率为250kbit/s~400Mbit/s。2134567第六节汽车对通信网络的要求第六节汽车对通信网络的要求连接到车载网络的各个电控单元按需要从总线上接收最新的信息,以驱动执行器,如匹配发动机转速传感器的电控单元,将发动机转速数据连续馈送至总线。汽车电控单元之间的数据传输频率是变化的。在一个完善的汽车电子控制系统中,许多动态信息必须与车速同步。数据交换网基于优先权竞争,且本身具有极高的通信速率。不同参数应具有不同的通信优先权2134567本章小结&复习思考题谢谢。《汽车车载网络技术》第二章编写组