汽车网络技术研究

一．引言 随着电子集成技术的发展，汽车电子已使汽车总成成为机械、电子和信息一体化装置。由于电子和信息部分所起的作用越来越重要,以至于有人认为汽车正在由一个拥有大量电子技术与装置的机械系统转变为由一定机械装置支撑的电子系统。据资料 介绍，现在高级轿车上装备的传感器、执行器和电灯加起来一共有200多个，其中仅电机就有100个左右。况且汽车发展的趋势之一就是可以提供任何在办公室或家庭中的网络信息服务；在智能交通体系中汽车应当具有接收和提供相关信息的功能（如接收/发送定位信号、地理信息服务、管理信息服务等）,发送本车状态信息、安全服务请求等，这一部分还与车上多媒体系统共用一个网络,即车上多媒体与信息网。车上电子装置的增加使连接的电子线路迅速膨胀,线束越来越复杂，电子设备间的工作协调也越来越困难，为了摆脱这种困境,基于串行信息传输的网络结构成为一种必然的选择，所以网络化已经成为汽车电子技术中最活跃的领域。 早在 80 年代，众多国际知名汽车公司就积极致力于汽车网络技术的研究及应用。迄今为止，已有多种网络标准，如博世的 CAN、SAE 的 J1850、马自达的 PALNNET、德国大众的ABUS、美国商用机器的 AUTOCAN、ISO 的 VAN 等。随着研究的深入，越来越多的公司倾向于CAN，欧洲大部分汽车制造商（如奥迪、宝马、雷诺、大众、沃尔沃等）都已经使用了 CAN总线。另外，日本、韩国的汽车制造商也在积极地研究CAN 技术。但是，由于CAN在低速时传输的成本比较高，而它在高速传输中又受到自身的限制（≤1M b/s），国外一些知名公司又开发了LIN（Local Interconnect Network）和MOST（Media Oriented Systems Transport）两项新技术，来弥补CAN的缺陷。本文将分别对它们做一些介绍，并提出一种基于LIN、CAN、MOST的网络结构。 （一）汽车通信的分类 汽车工程师协会（SAE）定义了3类车辆数据连接网络： A类 允许节点间的同一总线进行多路信号的发送或接收，适用于低数据率汽车车体布线。A类网是面向传感器/执行器的低速网，数据传输速率通常为1～10 kb/s，主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等车身控制。该类网络有多种通信协议，却没有一种协议能成为各大汽车公司共同遵循的标准。为了定义并实施一种用于A类车用通信网的开放总线协议标准，由Audi Motorola BMW,VCT等公司成立了协会，在潜心研究A类网己有协议的基础上提出了LIN协议标准。 B类 这是数据在节点间传输的多主总线系统，可取消多余的系统组件。当需要将许多功能集成在一个模块时，最适于利用B类连接方式。B类网面向车辆电子信息中心、安全气囊、故障诊断，仪表显示等系统。B类采用的标准是低速CAN总线,即ＩSＯ11591,传输速率在100kb/s左右。 C类 与B类的定义相同，但面向高数据率信号传输，典型用途是发动机控制、悬架控制、ABS等实时控制系统。在Ｃ类标准中,欧洲的汽车制造商基本上采用的都是高速通信的ＣＡＮ总线标准ISO11898，其传输速度通常在125kb/s～1Mb/s之间。 但是，随着多媒体技术在汽车上的应用，例如CD机、环绕音响，高质视频等，它们就需要高速网络运行协议。CAN由于速度限制（不能超过1Mb/s），所以不能满足多媒体技术的要求。现在又开发出一种高速网络，以光纤为总线，被称之为MOST（Media Orientted Systems Transport）技术，它的传输速度可以达到25Mb/s，能够很好的满足汽车多媒体的要求。 二．三种总线介绍 （一）LIN LIN（Local Interconnect Network）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。开发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 技术规范中，除定义了基本协议和物理层外，还定义了开发工具和应用软件接口。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 的主要特性 ： · 低成本基于通用 UART 接口 几乎所有微控制器都具备 LIN 必需的硬件 · 极少的信号线即可实现国际标准 ISO9141 规定 · 传输速率最高可达 20Kbit/s · 单主控器/多从设备模式 无需仲裁机制 · 从节点不需晶振或陶瓷震荡器就能实现自同步节省了从设备的硬件成本 · 保证信号传输的延迟时间 · 不需要改变 LIN 从节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点 · 通常一个 LIN 网络上节点数目小于 12 个 共有 64 个标志符 LIN的通讯规则： 一个LIN网络由一个主节点、一个或多个从节点组成。所有节点都有一个从通讯任务，该通讯任务分为发送任务和接收任务。主节点还有一个主发送任务。 一个LIN网络上的通讯总是由主发送任务所发起的。主控制器发送一个起始报文，该起始报文由同步间隔、同步字节、消息标志符所组成。相应的，在接受并且滤除消息标志符后，一个从任务被激活并且开始本消息的应答传输。该应答由2/4/8个数据字节和一个校验码所组成。起始报文和应答部分构成一个完整的报文帧。 典型的LIN总线应用是汽车中的联合装配单元，如:门、方向盘、座椅、空调、照明灯、湿度传感器、交流发电机等。对于这些成本比较敏感的单元，LIN可以使那些机械元件，如智能传感器、制动器或光敏器件得到较广泛的使用。这些元件可以很容易的连接到汽车网络中，并得到十分方便的维护和服务。其应用如图（1）所示。 （二）CAN CAN（Controller Area Network）总线是一种串行多主站控制器局域网总线。它具有很高的网络安全性、通讯可靠性和实时性,简单实用,网络成本低。特别适用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。通讯媒体可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维,数据传输速率可达 1Mbits/s。 CAN总线协议支持两种格式的数据帧: 标准版（CAN2.0A）和扩展版（CAN2.0B）. 这两种格式的数据帧都由7个段码组成. 标准版CAN（2.0A）的ID码为 11位,可以识别2048个不同的信息。扩展版CAN（2.0B）的ID码为29 位,可以识别 5.12×108个不同信息. CAN 总线标准版（CAN 2.0A）数据帧格式如图 2所示. CAN 总线协议的总线仲裁是按位进行的,需要比较不同节点在同一位数据传输时间内总线请求优先级的高低. 因此, 最高数据传输速度随总线长度的增加而降低. 另外，CAN的安全可靠性高。它具有位监测、位填充、CRC循环冗余码校验、应答和格式检查5种检错机制。一旦发现错误会及时通报全局，有关节点则自动重发遭到破坏的消息。其故障界定功能通过统计出错次数，可以分析出短暂干扰和永久故障，判定为永久故障的节点会自动关闭。所以，CAN不仅消息出错率极低，还能从容应对恶劣的工作环境。 由于原来用低速CAN控制的领域将逐步被LIN代替，所以CAN以后主要应用在对速度要求较高的部分，例如汽车的驱动系统，就要采用高速CAN,信息传输速度达500kb／s,其主要连接对象是:发动机,自动变速器,ABS/ASR,安全囊,主动悬架,巡航系统,电动转向系统,故障诊断系统，及组合仪表信号的采集系统等。驱动系统CAN的控制对象都是与汽车行驶控制直接相关的系统,对信号的传输要求有很强的实时性,它们之间存在着较多的信息交流,而且很多都是连续和高速的。 （三）MOST 随着人们对汽车电子系统性能要求的提高，重要信号传输的速度和可靠性就显得尤为重要，尤其是在通信和信息娱乐领域。除了收音机、CD机、车载电话、巡航系统、多频电视、视频游戏、DVD等需要的数据传输外，还有汽车和互联网连接、文字声音转换，及电子邮件。这些功能对可靠性以及带宽要求都很高，即使高速CAN也无法满足这方面要求。不过新发展起来的MOST却可以很好的解决这个问题，它是以光纤总线为传输媒体的高速网络，其传输速度可达25Mb/s，并且在减重和抗干扰方面又独特的优势。MOST网络的技术结构是一环状结构，光信号通过POF从一个节点传送到另一个节点，接受设备收到信号以后，将其转换成电信号，再由MOST处理器进行处理。由处理器产生的信号被送到LED，又转换成光信号。汽车上的MOST网络如图（3）所示。 三．系统网络结构 （一）网络层次结构 汽车上的许多子系统都需要和外界交换信息,才能正常工作,例如发动机管理系统和变速箱控制器在换档时,必须密切配合。传统独立的子系统已经不能满足它们之间这种信息交换，所以就将LAN的概念引入汽车，以提高不同电子系统的通信能力。在将LAN应用到汽车电子系统时，必须有一个优化的协议能将每个子系统连接起来，而每个子系统又可以在能满足它们各自不同速度要求的协议下运行。由于不同组的电子系统需要不同的总线速度，为了满足这样的要求，在汽车上就要采用不同的总线，总线之间用网关相连。车内的网络层次结构如图（4）所示。 每个次级网络包含必要的电子设备，这些电子设备之间通过局域总线实现通信。对多个次级网络之间的通信来说，就要用到网关。因为这些次级网络对运行速度要求的不同，各个次级网络可以采用