《汽車車載網絡技術》第一章概述《汽車車載網絡技術》第一章編寫組《汽車車載網絡技術》第一章編寫組2023年11月第一章概述第一節(jié)車載網絡技術的應用背景第二節(jié)車載網絡的發(fā)展歷程第三節(jié)車載網絡系統(tǒng)的功能和特點第四節(jié)網絡技術在汽車上的應用第五節(jié)車載網絡的發(fā)展趨勢本章小結復習思考題2314567第一節(jié)

車載網絡技術

應用背景第一節(jié)

車載網絡技術的應用背景

為簡化線路,提高信息傳輸的速度和可靠性,降低故障頻率,車載網絡技術應運而生,如控制器局域網(CAN)、局部連接網絡(LIN)、局域網(LAN)和FlexRay等。

一輛汽車采用諸多電控單元,每個電控單元只需引出兩條線共同接在兩個節(jié)點上,這兩條導線即數據總線,也稱網線。

采用車載網絡，可減小線束尺寸和質量,降低成本,減少插接器數量,大大簡化汽車線束;可進行設備間通信,通過信息共享,減少傳感器信號的重復數量;通過系統(tǒng)軟件可實現(xiàn)控制系統(tǒng)功能變化和系統(tǒng)升級。a)常規(guī)布線b)CAN總線布線第一節(jié)

車載網絡技術的應用背景2134567第二節(jié)車載網絡的發(fā)展歷程第二節(jié)車載網絡的發(fā)展歷程自1980年起，汽車開始裝用車載網絡。1983年，博世公司開發(fā)了汽車總線系統(tǒng)，即CAN。1986—1989年，汽車車身電氣系統(tǒng)裝用了以銅導線作為網線連接的

車載網絡系統(tǒng)1992年，奔馳汽車公司為世界首個CAN總線技術公司，將CAN總線

裝配在客車上。1993年，ISO公布了CAN協(xié)議的國際標準ISO11898以及ISO11519。2000年，歐洲以與CAN協(xié)議不同的思路，提出了控制系統(tǒng)的新協(xié)議——基于時間觸發(fā)的協(xié)議(TTP)，并于X-by-Wire系統(tǒng)開始應用。第二節(jié)車載網絡的發(fā)展歷程車載網絡名稱概要通信速度組織/推動單位CAN（Cantroller

AreaNetwork）車身/動力與傳動系統(tǒng)用LAN協(xié)議，最有可能成為世界標準的車用LAN協(xié)議1Mbit/sRobertBosch公司（開發(fā)），ISOVAN(Vehicle

AreaNetwork)車身系統(tǒng)控制用LAN協(xié)議，以法國為中心1Mbit/sISOJ1850車身系統(tǒng)控制用LAN協(xié)議，以美國為中心10.4Kbit/s

41.6Kbit/s福特公司LIN(LocalInterconnect

Network)車身系統(tǒng)控制用LAN協(xié)議，液壓組件專用20Kbit/sLIN協(xié)會第二節(jié)車載網絡的發(fā)展歷程IDB?C(ITSDataBus

OnCAN)以CAN為基礎的控制用LAN協(xié)議250Kbit/sIDM論壇TTP/C(TimeTriggered

ProtocolbyCAN)重視安全、按用途分類的控制用LAN協(xié)議，時分多路復用（TDMA）2Mbit/s

25Mbit/sTIT計算機技術公司TTCAN(TimeTriggered

CAN)重視安全、按用途分類的控制用LAN協(xié)議，時間同步的CAN1Mbit/sRobertBosch公司，CiABytelight重視安全、按用途分類的控制用LAN協(xié)議，通用時分多路復用（FTDMA）10Mbit/sBMW公司2134567第三節(jié)車載網絡系統(tǒng)功能和特點一、車載網絡系統(tǒng)的功能多路傳輸功能為了減少車輛電氣線束數量,多路傳輸通信系統(tǒng)可使部分數字信號通過共用傳輸線路進行傳輸。

系統(tǒng)工作時,由開關發(fā)送的輸入信號通過CPU轉換成數字信號,并以串行信號方式，由傳感器傳給接收裝置,再被轉換為開關信號,對有關元件進行控制。“喚醒”和“休眠”功能用于減少關閉點火開關時蓄電池的額外能量消耗。

系統(tǒng)處于“休眠”狀態(tài)時,多路傳輸通信系統(tǒng)將停止信號傳輸和CPU控制等功能,以節(jié)約蓄電池電能;當系統(tǒng)人為操作時,處于“休眠”狀態(tài)的有關控制裝置立即工作,同時將“喚醒”信號通過傳輸線路發(fā)送給其他控制裝置。一、車載網絡系統(tǒng)的功能失效保護功能包括硬件失效保護和軟件失效保護。

當系統(tǒng)CPU發(fā)生故障時,硬件失效保護使其以固定的信號進行輸出,確保車輛能繼續(xù)行駛;當系統(tǒng)某控制裝置發(fā)生故障時,軟件失效保護將不受來自有故障的控制裝置的信號影響,保證系統(tǒng)能繼續(xù)工作。故障自診斷功能包括多路傳輸通信系統(tǒng)自診斷模式和各系統(tǒng)輸入線路的故障自診斷模式,既能對自身的故障進行自診斷,又能對其他系統(tǒng)進行故障診斷。

二、車載網絡系統(tǒng)的特點

由于用一根總線替代了多根導線,減少了導線數量和線束體積,簡化了整車線束,

線路成本和質量下降。由于減少了線路和節(jié)點,信號傳輸可靠性提高,整車電氣線路工作可靠性提高。改善了系統(tǒng)靈活性,通過系統(tǒng)軟件即可實現(xiàn)控制系統(tǒng)功能變化和系統(tǒng)升級。網絡結構將各控制系統(tǒng)緊密連接,實現(xiàn)數據共享,各控制系統(tǒng)協(xié)調性提高?？蔀樵\斷提供通用接口,利用多功能測試儀對數據進行測試與診斷,便于電子系統(tǒng)

的維護和故障檢修。2134567第四節(jié)網絡技術在汽車上的應用第四節(jié)網絡技術在汽車上的應用第四節(jié)網絡技術在汽車上的應用動力與傳動系統(tǒng)利用網絡將發(fā)動機艙內的電控單元連接起來,實現(xiàn)車輛行駛、停車及轉彎等功能,采用高速網絡。電控單元的固定位置比較集中,節(jié)點數量也有限制。

動力CAN總線連接3個電控單元，即發(fā)動機電控單元、ABS電控單元及自動變速器電控單元(還可連接SRS、四輪驅動與組合儀表等電控單元)。系統(tǒng)數據傳遞應盡可能快,以便及時利用數據,所以需要一個高性能的發(fā)送器。高性能發(fā)送器會加快點火系統(tǒng)間的數據傳遞,使接收到的數據立即應用于下一個點火脈沖。第四節(jié)網絡技術在汽車上的應用安全系統(tǒng)

SRS根據傳感器信息進行工作,使用節(jié)點數較多。要求系統(tǒng)成本低、通信速度快,通信可靠性高。車身系統(tǒng)車上各處都配置有車身系統(tǒng)的部件,線束變長,易受到干擾。應盡量減慢通信速度,以提高抗干擾能力。在車身系統(tǒng)中,與性能(通信速度)相比,更注重于成本,目前常采用直連總線及輔助總線。第四節(jié)網絡技術在汽車上的應用信息(娛樂)系統(tǒng)為實現(xiàn)即插即用,將各種網絡與總線相連,根據汽車平臺選擇并建立所需要的網絡,典型的車載網絡：2134567第五節(jié)車載網絡的

發(fā)展趨勢第五節(jié)車載網絡的發(fā)展趨勢DDBOptical光纖

為光纖通信系統(tǒng),可將娛樂及信息產品與中央控制系統(tǒng)整合，不會相互抵觸。DDB光纖網絡采用光纖以光波傳輸數據，并按次序在光纖網絡中傳輸，主要用于收音機、衛(wèi)星導航、CD、音控放大器、移動電話和道路交通導航系統(tǒng)等。采用DDB光纖網絡可減少傳輸信號失真，線路無損耗。車輛其他用電設備產生高頻干擾電流以及靜電等對DDB光纖傳輸網絡不構成干擾。目前,DDBOptical應用在車身網絡上，特別是數字影音和導航系統(tǒng)，其特點在于激活時，即自我組態(tài)，且新、舊的DDBOptical裝置都相融于車身網絡。第五節(jié)車載網絡的發(fā)展趨勢COMMAND網絡COMMAND網絡為獨立網絡,用于連接交通狀況記錄模塊與電視頻道譯碼模塊,資料由中央通信控制單元播放電視，并結合衛(wèi)星導航和地圖系統(tǒng),指示駕駛人如何避開交通擁塞道路。CellPortLabs移動電話網絡移動電話與DDB光纖永久連接，當移動電話使用TMC/GSM與交通信息中心連接時,移動電話通過移動電話網絡與交通狀況記錄模塊傳遞信息,進行導航指示,與汽車使用共通的接口,行車時也可同時打電話。第五節(jié)車載網絡的發(fā)展趨勢TOKENBUS通過網絡到實體層尋找資料。對加裝與實時的配備,局域網絡無需太多軟件支持便能提供實體層、數據鏈路層和開放式相互連接系統(tǒng)的傳輸功能,如流量控制和硬件封包等。OSEK開放式標準化系統(tǒng)開放式標準化系統(tǒng)兼容于車內的電子產品接口,將實時的操作系統(tǒng)、軟件接口及管理網絡與通信功能都規(guī)范化,在戴姆勒-克萊斯勒與IBM的協(xié)議下,該系統(tǒng)已成為車上的基本操作系統(tǒng)。第五節(jié)車載網絡的發(fā)展趨勢智能網聯(lián)汽車與智能化交通系統(tǒng)《汽車車載網絡技術》第二章車載網絡基礎知識《汽車車載網絡技術》第二章編寫組《汽車車載網絡技術》第二章編寫組2023年11月第二章車載網絡基礎知識第一節(jié)現(xiàn)場總線第二節(jié)車載網絡的構成與組織第三節(jié)常用基本術語第四節(jié)汽車網絡參考模型第五節(jié)車載網絡分類和通信協(xié)議標準第六節(jié)汽車對通信網絡的要求本章小結復習思考題2314567第一節(jié)

現(xiàn)場總線一、功用總線，即傳輸信息的公共通道；現(xiàn)場總線(FieldBus)是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線?，F(xiàn)場總線技術是一種全數字化、全分散式、可互操作和開放式互聯(lián)網絡的新一代控制技術,是計算機技術、通信技術和控制技術的綜合與集成。一、功用常規(guī)方法布線與采用CAN總線方式布線a)常規(guī)布線b)CAN總線布線

二、特點

總線式結構一對傳輸線(總線)掛接多臺現(xiàn)場儀器,雙向傳輸多個信號。結構接線簡單,工程周期短,安裝費用低,維護容易。若增加現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀器,只需并行掛接于電纜,無須架設新電纜。二、特點徹底的分散控制現(xiàn)場總線將控制功能下放到作為網絡節(jié)點的現(xiàn)場智能儀表和設備中,做到徹底的分散控制,提高了系統(tǒng)的靈活性、自治性和安全可靠性,減輕了分布式控制中電控單元的計算負擔。開放性、互操作性和互換性現(xiàn)場總線采用統(tǒng)一的協(xié)議標準,是開放式的互聯(lián)網絡。不同廠家的產品可方便地接入同一網絡,在同一控制系統(tǒng)中進行互操作;不同廠家性能類似的設備可實現(xiàn)相互代替,簡化了系統(tǒng)集成。多種傳輸介質和拓撲結構由于采用數字通信方式,因此可用多種介質進行通信。根據控制系統(tǒng)中節(jié)點的空間分布情況,可應用多種網絡拓撲結構?？煽啃愿邤底中盘杺鬏斂垢蓴_能力強,精度高,成本低。綜合功能現(xiàn)場儀表既有檢測、變換和補償功能,又有控制和運算功能,實現(xiàn)了一表多用,不僅方便了用戶,而且降低了成本。二、特點三、現(xiàn)場總線的幾種常見類型1.FFFF的體系結構參照ISO/OSI參考模型的第1、2、7層協(xié)議，即物理層、數據鏈路層和應用層，另外增加了用戶層。FF分為低速H1總線和高速H2總線兩種。2.ProfibusProfibus有3種類型，即分散化的外圍設備(Profibus-DP)、現(xiàn)場總線報文規(guī)范(Profibus-FMS)和過程自動化(Profibus-PA)。3.LonWorks采用的LonTalk協(xié)議被封裝在Neuron芯片中，內含3個8位微處理器，分別用于負責媒體訪問控制、網絡處理和應用處理。通常將局部操作網絡及其技術統(tǒng)稱為LonWorks技術。三、現(xiàn)場總線的幾種常見類型4.CANCAN用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數據通信。CAN結構模型取ISO/OSI參考模型的第1、2、7層協(xié)議，即物理層、數據鏈路層和應用層。5.DeviceNetDeviceNet是一種開放式的通信網絡，將工業(yè)設備(如光電開關、操作員終端、電動機起動器、變頻器和條形碼讀入器等)連接到網絡。6.ControlNetControlNet是一種高速、高確定性和可重復性的網絡，特別適用于對時間有苛刻要求的復雜場合的信息傳輸。2134567第二節(jié)車載網絡結構與組成第二節(jié)車載網絡的結構與組成典型汽車車載網絡系統(tǒng)第二節(jié)車載網絡的結構與組成車載網絡系統(tǒng)的布置第二節(jié)車載網絡的結構與組成車載網絡數據傳輸2134567第三節(jié)常用基本術語第三節(jié)常用基本術語1.數據總線為電控單元之間傳遞數據的通道?？蓪崿F(xiàn)一條數據線上傳遞的信息能被多個系統(tǒng)(電控單元)共享,最大限度地提高系統(tǒng)整體效率,充分利用有限資源。2.網絡為實現(xiàn)信息共享而將多條數據總線連在一起,或將數據總線和模塊連接為一個系統(tǒng)。3.網絡拓撲結構拓撲是研究與大小、形狀無關的線和面的特性的方法。將計算機等網絡單元抽象為點,網絡中的通信媒體(如電纜)抽象為線,從而抽象出網絡的拓撲結構。第三節(jié)常用基本術語4.網絡互聯(lián)處于同一地域或不同地域的同類型或不同類型網絡之間，通過中間設備的互聯(lián),以實現(xiàn)網絡資源共享。

(1)中繼器又稱轉發(fā)器,在兩個節(jié)點的物理層上按位傳遞信息,完成信號的復制、調整和放大,以此延長網絡的長度。

(2)網橋又稱橋接器,在數據鏈路層上對幀進行存儲轉發(fā)。(3)路由器在網絡層上實現(xiàn)多個網絡互聯(lián),對分組信息進行存儲轉發(fā)。(4)網關車輛可采用多條不同的通信協(xié)議或不同傳輸速度的數據總線,模塊之間不能完全實現(xiàn)信息共享,在兩條總線之間進行數據轉換時,需要采用網關完成。第三節(jié)常用基本術語第三節(jié)常用基本術語5.數據傳輸(1)串行傳輸與并行傳輸串行傳輸的數據是一位一位地在設備間進行傳輸,在發(fā)送端需將并行數據位流變成串行數據位流,再發(fā)送到傳輸信道上,在接收端將從傳輸信道接收到的數據位流變換成并行數據位流。

(2)同步傳輸與異步傳輸同步傳輸方式各字符沒有起始位和結束位,采用按位同步的原則。位同步,即接收端接收的每一位數據信息都要和發(fā)送端準確地保持同步

(3)多路傳輸在同一條通信線路上,實現(xiàn)同時傳送多路信號。多路傳輸系統(tǒng)(SmartWiringSystem,SWS)又稱為聰明線路系統(tǒng)或多路通信系統(tǒng)。第三節(jié)常用基本術語6.鏈路(數據傳輸介質)

(1)雙絞線傳輸模擬信號和數字信號,通信距離可達幾到十幾千米,當通信距離長時,要加放大器或中繼器。

(2)同軸電纜由內導體銅芯線、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層及塑料保護層構成,銅芯線與網狀導體同軸。(3)光纖沒有網狀屏蔽層,中心是光傳播的玻璃芯。多條光纖組成一束構成光纖電纜。第三節(jié)常用基本術語7.報文及幀幀有兩種不同的幀格式:具有11位識別符的幀稱為標準幀,具有29位識別符的幀稱為擴展幀。幀按照攜帶信息類型分為:(1)數據幀攜帶數據,將數據從發(fā)送器傳輸到接收器。(2)遠程幀由總線單元發(fā)送,用于請求發(fā)送具有相同識別符的數據幀。

(3)過載幀用于在先行和后續(xù)的數據幀(或遠程幀)之間提供附加延時。(4)錯誤幀任何單元檢測到總線錯誤,就發(fā)出錯誤幀。第三節(jié)常用基本術語8.通信協(xié)議要實現(xiàn)汽車各電控單元之間的通信,必須制訂規(guī)則保證通信雙方能相互配合,其通信方法、通信時間和通信內容是通信雙方同樣能遵守、可接受的一組規(guī)定和規(guī)則,即通信協(xié)議——通信實體雙方控制信息交換規(guī)則的集合。9.傳輸仲裁傳輸仲裁是為了避免數據傳輸沖突,保證信息按其重要程度發(fā)送。10.架構網絡有特定的通信協(xié)議稱為架構,架構在其輸入端和輸出端規(guī)定能進和能出的信息。第三節(jié)常用基本術語11.模塊/節(jié)點模塊即一種電子裝置,如溫度傳感器、壓力傳感器或計算機(微處理器)等。在多路傳輸系統(tǒng)中一些簡單的模塊被稱為節(jié)點。12.集線器集線器(HUB)相當于一個有多個端口的中繼器,隨機選出某一端口,并獨占全部帶寬,與集線器的上連設備(如交換機、路由器或服務器)進行通信。13.分總線指從主總線分出至電控單元或傳感器的線束。第三節(jié)常用基本術語14.主總線指總線(通信線路)中兩個終端電路間的線束,是CAN通信系統(tǒng)的主總線。15.數據傳遞終端為電阻器，可防止信號在傳輸線終端被反射，并以回波的形式返回，影響數據的正確傳送。16.終端電路將CAN通信電流轉換成總線電壓而設置的電路，由電阻器和電容器組成。在一條總線上需要兩個終端電路。CANJ/C是為CAN通信設計的插接器，用來存儲終端電路。2134567第四節(jié)

汽車網絡參考模型第四節(jié)

汽車網絡參考模型

為實現(xiàn)不同制造商的計算機相互通信，國際標準化組織(ISO)制定了“開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(ISO/OSI)”。1983年正式成為國際標準，即ISO7498。我國相應的標準為GB/T9387.1—1998。ISO/OSI參考模型分為7層，即物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。ISO/OSI參考模型第四節(jié)

汽車網絡參考模型ISO/OSI參考模型各層定義的主要項目軟

件

控

制7層應用層提供各種實際可應用的服務6層表示層對數據的表現(xiàn)形式進行變換，如文字調整、數據壓縮與加密5層會話層為實現(xiàn)會話通信，按正確順序控制數據的發(fā)送與接收4層傳輸層保證按順序控制數據及更正錯誤等通信品質，如糾正錯誤、重新發(fā)送控制3層網絡層選擇數據的傳輸途徑和中轉，如ECU之間的數據交換及地址管理硬

件

控

制2層數據鏈路層將從物理層獲得的信號（字符集）匯總成具有某種意義的數據，提供控制順序，以便對控制傳輸錯誤等數據加以傳輸，如訪問時的方法及數據形式，連接控制方式、同步方式、錯誤檢測方式，響應方式、通信方式，幀的構成、組幀方式1層物理層規(guī)定通信時所使用的電纜、插座等，媒體、信號的標準等，以實現(xiàn)設備之間信號的交換，如信號電平、發(fā)送與接收、電纜及插座等形式2134567第五節(jié)車載網絡分類和通信協(xié)議標準一、車載網絡分類分類：汽車網絡標準形式多樣,側重功能有所不同。為方便研究和設計應用,SAE車輛網絡委員會按照系統(tǒng)的信息量、響應速度和可靠性等要求,將車載網絡系統(tǒng)分為A類、B類、C類和D類。使用：A類網絡不單獨使用,而是與B類網絡系統(tǒng)結合使用。滿足C類網絡要求的汽車控制器局域網只有CAN協(xié)議。每類網絡功能均向下涵蓋,即B類網絡支持A類網絡的功能,C類網絡能同時實現(xiàn)B類網絡和A類網絡的功能。一、車載網絡分類類別A類B類C類D類CAN安全X?by?Wire診斷多媒體名稱LINISO11519?2ISO11898

SAEJ1939SafetybusFlexRayISO15765DDB(MOST)所屬機構MotorolaISO/SAEISO/TMC?ATADelphiBMW﹠DCISOPhilips用途智能傳感器控制、診斷控制、診斷SRS線控制診斷數據流控制介質單根線雙絞線雙絞線雙線雙線雙絞線光纖位編碼NRZNRZ?5NRZ?5RTZNRZNRZBiphase二、通信協(xié)議標準1.通信協(xié)議

(1)通信接口與實體兩個系統(tǒng)的設備或部件之間連接服務的數據流穿越的界面稱為接口,汽車電控單元之間的通信接口由設備(部件)和有關規(guī)定說明組成,包括四方面:1)物理方面:指插接器的結構形式。2)電氣方面:指接口的電路信號電壓及變化特征。3)邏輯方面:指如何將數據位或字符變成字段,說明傳輸控制字符的功能和使用。4)過程方面:指規(guī)定通信過程控制字符的順序、各種字段法定內容,以及控制數據流穿越接口的命令和應答。二、通信協(xié)議標準(2)協(xié)議的含義兩個實體若要成功地通信,則必須“說同樣的語言”。在通信內容、通信方式以及通信時間等方面,兩個實體要遵守相互可以接受的一組約定和規(guī)則,這些約定和規(guī)則的集合稱為協(xié)議。(3)協(xié)議的三要素

語法；語義；定時規(guī)則(4)協(xié)議內容(5)協(xié)議功能(6)協(xié)議類別(7)常用通信協(xié)議二、通信協(xié)議標準2.車載網絡協(xié)議標準

(1)A類總線協(xié)議標準面向傳感器和執(zhí)行器控制的低速網絡,數據傳輸速率通常只有1-10kbit/s。網絡協(xié)議種類主要有LIN、UART和CCP等。

(2)B類總線協(xié)議標準面向獨立電控單元之間數據共享的中速網絡,傳輸速率一般為10-100kbit/s。主要用于車輛電子信息中心、故障診斷、SRS和組合儀表等,以減少冗余的傳感器和其他電子部件。

(3)C類總線協(xié)議標準面向高速、實時閉環(huán)控制的多路傳輸,最高傳輸速率可達1Mbit/s,主要用于發(fā)動機、ABS/ASR、懸架等控制。

(4)D類總線協(xié)議標準

D類網絡稱為智能數據總線(IDB),主要面向信息和多媒體系統(tǒng)等。傳輸速率為250-400Mbit/s。二、通信協(xié)議標準A類總線協(xié)議標準

特征名稱UARTE&CCCDJ1708BEANACPSINEBUSLIN所屬機構通用汽車通用汽車克萊斯勒SAE豐田福特德特摩托羅拉用途通用、診斷通用通用、診斷控制、診斷車身控制、

診斷音頻、控制音頻智能傳感器使用年限至2005年至2002年至2002年至2002年1995年起至2002年2000年起2003年起傳輸媒體單線單線單線雙絞線單線雙絞線單線單線位編碼NRPWNRNRNRNRNR媒體訪問主從競爭主從主從競爭主從主從主從二、通信協(xié)議標準B類總線協(xié)議標準

特征名稱CMLAN(SW)ISO11898—1

ISO11519—2

ISO11992，J2284J1850，ISO11519—4位編碼NRZ?5NRZ?5VPPWVPW媒體訪問競爭競爭競爭競爭競爭檢錯方法CRCCRCCRCCRCCRC頭長度/B1111或2932328數據長度/B0～80～80～80～80～10位速率/(Kbit/s)33．3310～12510．441．610．4總線最長/m3040（典型）353535最多節(jié)點/個1632323232二、通信協(xié)議標準C類總線協(xié)議標準

特性名稱ISO11898—1J2284，GMLAN(高速部分)J1939所屬機構ISOSAE,通用汽車SAE用途控制、診斷控制、診斷控制、診斷使用年限1992年起2002年起1994年起傳輸媒體雙絞線雙絞線雙絞線位編碼NRZ?5NRZ?5NRZ?5媒體訪問競爭競爭競爭二、通信協(xié)議標準D類總線協(xié)議標準

特性名稱IDB?CIDB?MMOSTD2BMMLUSBIEEE1394使用年限2002年起—2002年起1999年起2004年起1998年起2000年起傳輸媒體雙絞線光纖光纖雙絞線光纖光纖屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線位編碼NRZ—雙相PWM雙相NRZNRZNRZ媒體訪問令牌槽—主從主從主從主從競爭競爭檢錯方式CRC—CRC奇偶校驗CRCCRCCRCCRC頭長度/B11————1——2134567第六節(jié)汽車對通信網絡的要求第六節(jié)汽車對通信網絡的要求連接到車載網絡的各個電控單元，按需要從總線上接收最新信息,以驅動執(zhí)行器,如匹配發(fā)動機轉速傳感器的電控單元,將發(fā)動機轉速數據連續(xù)饋送至總線。汽車電控單元之間的數據傳輸頻率是變化的。在一個完善的汽車電子控制系統(tǒng)中,許多動態(tài)信息必須與車速同步。數據交換網基于優(yōu)先權競爭,且本身具有極高的通信速率。不同參數應具有不同的通信優(yōu)先權?！镀囓囕d網絡技術》第三章控制器局域網《汽車車載網絡技術》第三章編寫組《汽車車載網絡技術》第三章編寫組2023年11月第三章控制器局域網第一節(jié)概述第二節(jié)CAN協(xié)議第三節(jié)CAN的基本組成和數據傳輸原理第四節(jié)CAN主要部件的結構原理第五節(jié)CAN設計基礎本章小結復習思考題2314567第一節(jié)

概述

一、CAN總線的特性

控制器局域網（CAN）是一種串行數據通信協(xié)議，是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。CAN協(xié)議采用通信數據塊進行編碼，取代了傳統(tǒng)的站地址編碼，使網絡內的節(jié)點數在理論上不受限制。由于CAN總線具有較強的糾錯能力、支持差分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境，并具有較遠的傳輸距離。

一、CAN總線的特性(1)CAN總線符合國際標準便于一輛車上不同生產廠家的電控單元

間進行數據交換。(2)多主方式

CAN為多主方式工作,網絡上任一節(jié)點均可在任一時

刻主動地向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從。(3)標志符報文報文是網絡中交換與傳輸的數據單元，即節(jié)點一次

性要發(fā)送的數據塊。(4)總線仲裁技術當CAN多個節(jié)點在同一時刻向總線發(fā)送報文產生

沖突時,優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送,而最高優(yōu)先級的節(jié)點不

受影響繼續(xù)傳輸數據,大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。

一、CAN總線的特性(5)數據傳輸方式

CAN節(jié)點只需通過對報文的標志符濾波，即

可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等方式傳送接收數據。(6)節(jié)點數

CAN總線可同時連接多個節(jié)點,且節(jié)點數沒有限制,

但受總線時間延遲及電氣負載限制。(7)幀結構

CAN

2.0B版本協(xié)議中有兩種幀格式,標志符域的長度

不同,含11位標志符的幀為標準幀,含29位標志符的幀為擴展幀。(8)校驗及檢錯

CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施,

錯誤檢測校正能力強,系統(tǒng)可靠性高。

一、CAN總線的特性(9)通信介質

為雙絞線、同軸電纜或光纖,選擇靈活。(10)傳輸線顏色基本顏色為橙色;CAN-L為棕色;CAN-H、驅動系統(tǒng)

傳輸線為黑色,舒適系統(tǒng)傳輸線為綠色,信息系統(tǒng)傳輸線為紫色。(11)故障封閉

CAN能判斷暫時錯誤(如外部噪聲等)和永久錯誤(如模塊

內部故障、驅動器故障和斷線等)的節(jié)點,具有故障節(jié)點自動脫離功能。(12)電控單元實時監(jiān)測對連接的CAN總線進行實時監(jiān)測,出現(xiàn)故障時,

該電控單元存儲相應的故障碼。(13)組網自由,功能擴展能力強若系統(tǒng)需增加新功能,僅需軟件升級即可。(14)傳輸速率與距離總線利用率高,數據傳輸距離長,可達10km;數據傳

輸速率高,可達1Mbit/s。二、CAN總線的位數值表示CAN用“顯性”(Dominant)和“隱性”(Recessive)兩個互補的邏輯值表示0和1。

當總線上出現(xiàn)同時發(fā)送顯性和隱性位時，總線數值為顯性(即0與1的結果為0)。VCAN-H和VCAN-L為CAN收發(fā)器與總線之間的兩接口端子電壓，信號以兩線

之間的差分電壓形式出現(xiàn)。2134567第二節(jié)CAN協(xié)議

一、概述CAN技術的應用推廣，要求通信協(xié)議標準化。1991年9月，博世公司制定并發(fā)布了CAN技術規(guī)范(Version2.0)，包括A和B兩部分。CAN2.0A給出了曾在CAN技術規(guī)范版本1.2中定義的CAN報文格

式，而CAN2.0B給出了標準的和可擴展的兩種CAN報文格式。1993年11月，ISO正式頒布了道路交通運輸工具—數字交換—高速

通信控制器局域網國際標準(ISO11898—高速CAN)以及低速標準(ISO11519—低速CAN)。一、概述名稱傳輸速率/（Kbit／s）規(guī)格使用范圍SAEJ1939?11250雙線制，屏蔽式雙絞線載貨汽車，大型客車SAEJ1939?12250雙線制，屏蔽式雙絞線，供給電壓12V農機SAEJ2284500雙線制，雙絞線（無屏蔽）汽車（高速：動力與傳動系統(tǒng)）SAEJ241133.3，83.3單線制汽車（低速：車身系統(tǒng)）

二、CAN的分層結構二、CAN的分層結構1.數據鏈路層(1)LLC功能。具有接收濾波、超載通知和恢復管理等功能。LLC幀結構。LLC是等同LLC實體(LPDU)之間進行交換的數據單元。(2)媒體訪問控制功能模型。MAC層分完全獨立工作的發(fā)送部分和接收部分。MAC幀結構。CAN數據在節(jié)點間發(fā)送和接收以4種不同類型的幀出現(xiàn)和控制。MAC幀編碼和發(fā)送/接收。媒體訪問和仲裁。錯誤檢測。二、CAN的分層結構2.物理層物理層結構位時間位時間即一位的持續(xù)時間。同步物理層結構三、不同版本通信協(xié)議與互聯(lián)1.B類通信協(xié)議與C類通信協(xié)議互聯(lián)2.通用工作負荷特性3.低速車身控制系統(tǒng)實施高速的CAN協(xié)議低速車身控制系統(tǒng)的含義SLIOCANSLIO的物理尋址方法SLIOCAN的信息發(fā)送方式SLIOCAN總線與CAN總線對比SLIOCAN車身控制系統(tǒng)的布局SLIOCAN網絡發(fā)生故障時的“對抗措施”SLIOCAN車身控制系統(tǒng)的“即插即用”特性三、不同版本通信協(xié)議與互聯(lián)4.大型汽車中應用最廣泛的應用層協(xié)議SAEJ1939以CAN2.0B協(xié)議為基礎，物理層標準與ISO11898規(guī)范兼容，并采用符合該規(guī)范的CAN控制器和收發(fā)器。通信速率最高可達250kbit/s。采用協(xié)議數據單元(PDU)傳送信息，每個PDU相當于CAN協(xié)議中的一幀。由于每個CAN幀最多可傳輸8個字節(jié)數據，因此PDU的傳輸具有很高的實時性。利用CAN2.0B擴展幀格式的29位標志符定義每個PDU的含義以及PDU的優(yōu)先級。

J1939協(xié)議主要作為汽車中應用的通信協(xié)議，對汽車中應用到的各類參數都進行了規(guī)定，參數的規(guī)定符合ISO11992標準。2134567第三節(jié)

CAN的基本組

成和數據傳輸原理一、CAN的基本組成電控單元接收來自傳感器的信號,將其處理后控制執(zhí)行元件工作,同時根據需要將傳感器信息通過CAN總線發(fā)送給其他電控單元。CAN控制器

由可編程芯片上的邏輯電路組成,實現(xiàn)通信模型中物理層和數據鏈路層的功能,并對外提供與電控單元的物理接口。CAN收發(fā)器提供了CAN控制器與物理總線之間的接口,是發(fā)送/接收放大器。數據傳遞終端為電阻器,可避免數據傳輸終了反射回來,產生反射波破壞數據。CAN總線一、CAN的基本組成一、CAN的基本組成

80C51—單片機SJA1000—CAN控制器PCA2C250—CAN收發(fā)器一、CAN的基本組成CAN網絡框架1.控制單元微處理器CAN控制器CAN收發(fā)器TXRX傳感器執(zhí)行器控制單元電路板1—輸出模塊；2—輸入模塊；3—存儲器模塊；4—微處理器；5—線圈；6—電容器；7—二極管；8—特殊模塊（特定應用）一、CAN的基本組成2.CAN控制器

接收控制單元CPU傳來的數據，進行處理后送往CAN收發(fā)器；接收由CAN收發(fā)器傳來的數據，進行處理后傳至CPU。一、CAN的基本組成3.CAN收發(fā)器

為發(fā)送器和接收器的組合，安裝在控制器內部，將CAN控制器提供的數據轉化成電信號并通過數據總線發(fā)送出去，同時接收CAN總線數據，并將數據傳到CAN控制器。與TX線耦合的收發(fā)器一、CAN的基本組成三個收發(fā)器耦合于一根總線一、CAN的基本組成工作過程若某一開關已接合，則電阻上有電流流過，總線導線電壓為0V。若所有開關均未接合，則沒有電流流過，電阻上沒有電壓降，總線導線電壓為5V。收發(fā)器A收發(fā)器B收發(fā)器C總線導線1111（5V）1100（0V）1010（0V）1000（0V）0110（0V）0100（0V）0010（0V）0000（0V）一、CAN的基本組成4.數據傳遞終端

為電阻器，避免數據傳輸終了反射回來，產生反射波而破壞數據。一、CAN的基本組成驅動CANHighor/bk（橙/黑）Lowor/br（橙/棕）舒適CANHighor/gn（橙/綠）Lowor/br（橙/棕）信息娛樂CANHighor/vio（橙/紫）Lowor/br（橙/棕）5.CAN總線

雙向，對數據進行傳輸，兩條線分別被稱為CAN-H和低位CAN-L數據線。二、數據傳輸原理信息格式轉換與請求發(fā)送信息發(fā)送開始(總線空閑判斷)發(fā)送信息接收過程位仲裁1.信息格式轉換與請求發(fā)送信息二、數據傳輸原理2.發(fā)送開始(總線空閑判斷)二、數據傳輸原理3.發(fā)送信息

（1）信號傳送

CAN收發(fā)器收到來自CAN控制器的信號后，控制三極管導通或截止，CAN收發(fā)器類似開關，根據CAN控制器送來的數據不斷在導通和截止之間變化，使總線上的電平不斷跟隨變化。二、數據傳輸原理3.發(fā)送信息

（2）數據傳遞

連接在總線上所有節(jié)點都沒有往外發(fā)送數據時，所有節(jié)點的發(fā)射器都處于截止狀態(tài)，兩條數據總線都處于無源狀態(tài)。其電壓預先設定值稱為隱性電平，對于高速CAN約為2.5V。

當有節(jié)點往外發(fā)送數據時，總線處于顯性狀態(tài)，CAN-H線電壓升高預定值（至少為1V），CAN-L線電壓降低同樣值(至少為1V)，CAN-H線處于有源狀態(tài)，其電壓不低于3.5V(2.5V+lV=3.5V)，CAN-L線電壓最多可降至1.5V(2.5V-1V=1.5V)。二、數據傳輸原理3.發(fā)送信息二、數據傳輸原理4.接收過程

接收器為安裝在接收一側的差動信號放大器，用于處理來自CAN-H線和CAN-L線的電平信號，并將轉換后的信號傳至控制單元的CAN接收區(qū)，該信號為差動信號放大器輸出電壓，即CAN-H線電壓與CAN-L線電壓之差，用于消除靜電平（動力CAN為2.5V）或其他任何重疊電壓（如干擾）。

差動信號放大器前信號差動信號放大器輸出端信號二、數據傳輸原理4.接收過程

差動信號放大器前帶干擾信號差動信號放大器輸出消除干擾信號二、數據傳輸原理4.接收過程二、數據傳輸原理4.接收過程二、數據傳輸原理1)第一步：檢查信息是否正確(監(jiān)控層)監(jiān)控層工作原理

確認位(應答場)二、數據傳輸原理第二步：檢查信息是否可用(接收層)接收層工作原理二、數據傳輸原理5.位仲裁

(1)位仲裁的特點

對數據進行實時處理時，必須快速傳送數據，因此要求數據的物理傳輸通路有較高的速度。

(2)位仲裁實施過程

二、數據傳輸原理ECU發(fā)送的每個信息都要分配優(yōu)先權，且不同的信息量具有不同的優(yōu)先權，優(yōu)先權高的信息優(yōu)先發(fā)送。所有的ECU都通過各自的RX線跟蹤總線變化，并獲知總線狀態(tài)。請求發(fā)送信息的ECU，每個發(fā)射器將對TX線和RX線的狀態(tài)一位一位的進行比較，比較結果可不一致。5.位仲裁

(2)位仲裁實施過程

若某個控制單元向外發(fā)送“l(fā)”(TX線為1)，但通過RX線在總線接到“0”，則該ECU退出對總線的發(fā)送信息控制，轉為接收信息。二、數據傳輸原理6.知識拓展

（１）典型車型ＣＡＮ總線類型二、數據傳輸原理6.知識拓展

（2）網關二、數據傳輸原理三、高速和低速CAN總線1.高速CAN總線高速CAN總線的差分電壓信號

CAN-H傳送信號與CAN-L傳送信號的相位相反。高速CAN總線上節(jié)點的收發(fā)器接收器為單一的差分放大器，電路簡單，若出現(xiàn)

故障，即時中斷通信，沒有容錯功能和診斷電路。高速CAN總線的休眠與喚醒高速CAN數據總線系統(tǒng)物理層將網絡活動信息告知RX線，RX線喚醒CAN控制器中的協(xié)議控制器。2.低速CAN總線低速CAN總線的信號低速CAN總線的信號為增強抗干擾和減少電流消耗,

低速CAN總線的CAN-H和CAN-L不通過電阻相連,彼此獨立作為電壓源工作。低速CAN總線上節(jié)點的收發(fā)器低速CAN總線上節(jié)點的收發(fā)器由差分信號放

大器、CAN-H信號放大器(同相放大器)、CAN-L信號放大器(反相放大器)和故

障邏輯電路組成。低速CAN總線的休眠與喚醒通過低速CAN總線,系統(tǒng)物理層可對CAN總線

系統(tǒng)的休眠與喚醒進行管理。三、高速和低速CAN總線CAN-high線CAN-low線三、高速和低速CAN總線2134567第四節(jié)

CAN主要部件

的結構原理一、CAN控制器1.CAN獨立控制器SJA1000SJA1000的特點SJA1000的結構SJA1000的工作模式2.CAN集成電控單元P8xC591硬件構成及其功能存儲系統(tǒng)二、CAN收發(fā)器1.CAN收發(fā)器PCA82C250PCA82C250的主要特點PCA82C250的結構PCA82C250的工作原理2.CAN收發(fā)器TJA1040(1)正常模式(2)待機模式(3)分解網絡(4)喚醒(5)過熱檢測(6)TXD顯性超時功能(7)自動防故障功能3.PCA82C250/251與TJA1040、TJA1050的比較和升級PCA82C250/251與TJA1040、TJA1050的比較PCA82C250/251、TJA1050和TJA1040插接器的端子布置二、CAN收發(fā)器4.工作模式正常(高速)模式待機模式斜率控制模式靜音模式5.互操作性TJA1040和PCA82C250/C251、TJA1050混合使用TJA1040和TJA1041節(jié)點混合使用6.硬件問題2134567第五節(jié)

CAN設計基礎一、系統(tǒng)總體結構原理系統(tǒng)主要包括操作站和現(xiàn)場數據采集控制系統(tǒng)兩部分。操作站為一臺PC機，處理需要復雜計算的信息，再送回CAN總線，對整個網絡進行管理。現(xiàn)場數據采集控制系統(tǒng)分為模／數轉換單元、數/模轉換單元和通信轉換接口電路等節(jié)點單元，采集各個現(xiàn)場設備的實時信息，發(fā)送控制命令去控制現(xiàn)場設備。一、系統(tǒng)總體結構原理二、CAN硬件電路設計

將系統(tǒng)功能盡可能分散到各個節(jié)點，各節(jié)點以微處理器為核心，完成各種數據采集與控制功能。為了把各個節(jié)點的不同種類、不同格式的信息能在基于CAN協(xié)議的標準下進行通信，每個節(jié)點都設有與CAN總線接口的電路。

圖為模/數轉換節(jié)點單元的數據采集、通信轉換接口電路。

CAN總線數據采集、通信轉換接口電路二、CAN硬件電路設計三、CAN軟件設計

根據分布式數據采集與控制系統(tǒng)的特點，系統(tǒng)各個節(jié)點之間和節(jié)點到操作站的距離較遠，現(xiàn)場環(huán)境干擾大。

整個系統(tǒng)應有實時數據采集、實時控制、實時故障報警、現(xiàn)場情況顯示、數據存儲、歷史數據查詢、打印報表等功能。

最底層的現(xiàn)場節(jié)點單元的軟件設計：上電初始化、實時數據采集、數據實時處理、現(xiàn)場信息實時顯示、故障實時報警和現(xiàn)場設備實時監(jiān)控與其他設備進行通信等。三、CAN軟件設計智能節(jié)點控制流程圖

操作站軟件流程圖《汽車車載網絡技術》第四章局部連接網絡《汽車車載網絡技術》第四章編寫組《汽車車載網絡技術》第四章編寫組2023年11月第四章局部連接網絡第一節(jié)概述第二節(jié)LIN總線的組成和工作原理本章小結復習思考題2314567第一節(jié)

概述一、LIN的含義

局部連接網絡（LocalInterconnectNetwork，LIN），用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN為現(xiàn)有汽車網絡(如CAN總線)提供輔助功能，LIN總線是一種輔助的串行通信總線網絡。在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場合(如智能傳感器和制動裝置之間的通信)，使用LIN總線可降低成本。奧迪A6轎車LIN總線位置圖一、LIN的含義

二、LIN標準1、LIN標準

(1)LIN協(xié)議規(guī)范

介紹了LIN的物理層和數據鏈路層。

(2)LIN配置語言描述介紹了LIN配置文件的格式。

(3)LINAPI(應用程序接口)介紹了網絡和應用程序之間的接口。

二、LIN標準OSI參考模型三、LIN的特點采用單主機、多從機模式,無須傳輸仲裁機制。基于UART/SCI接口的廉價硬件實現(xiàn)。從機電控單元不需要振蕩器就能實現(xiàn)自同步功能,節(jié)省了從機電控

單元的硬件成本。保證延時和信號傳輸的正確性?；贗SO9141標準的低成本單總線結構。采用12V單線作為通信介質,信號編碼方式為NRZ,電平分為隱性電

平“1”和顯性電平“0”，兩種通信速率最大可達20kbit/s,受網絡信息

傳輸超時的限制，最小速率為1kbit/s，最大傳輸距離不超過40m。三、LIN的特點三、LIN的特點可選的報文幀長度為2B、4B和8B。無須改變LIN從機電控單元的硬件或軟件，便可在網絡中增加新的節(jié)點。帶時間同步的多點廣播式發(fā)送/接收方式，從機電控單元不需要石英或陶瓷

諧振器。具有數據累加和校驗和(Data-CheckSum)及錯誤檢測功能。具有監(jiān)控總線、數據校驗和、標志符雙重奇偶校驗等錯誤檢測功能,保證數

據傳輸的可靠性。廉價的單片元器件。LIN總線是單線式，底色是紫色，有標識色。該線的橫截面面積為0.35mm2,

無須屏蔽。該系統(tǒng)允許一個LIN主機電控單元最多與16個LIN從機電控單

元進行數據交換。四、LIN與CAN的比較在車載網絡中，LIN處于低端，與CAN以及其他B類或C類網絡比較，其傳輸速度慢，結構簡單，價格低廉，并與這些網絡為互補關系。由于汽車產品對價格和復雜性非常敏感，在車載網絡低端使用LIN會顯現(xiàn)其必要性和優(yōu)越性。

網絡

指標LINCAN媒體訪問控制方式單主方式多主方式典型總線傳輸速率/（Kbit/s）2．4~19．662．45~500信息標識符/bit611/29網絡典型節(jié)點數/個2~104~20位/字節(jié)編碼方式NRZ8N1(UART)NRZw/位填充每幀信息數據量/B2,4,80~8