车载网络系统原理与检修

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6-11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。 如图6-12所示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。
双绞线、同轴电缆和光纤的主要特性见表6-2。
(3)网络 在汽车行业里,习惯将几条总线连接在一起的车载局域网称为车载 网络。为了满足汽车上不同的电控单元对总线系统性能要求的不同,同时考 虑经济成本,一辆汽车上往往采用不同的总线组成车载网络。车载网络如图 6-13所示。 (4)网络协议 车载网络协议包括各总线独立通信协议和各总线相互通信协 议。 (5)网关 由于车载网络是由不同的总线组成,因此,就需要一个连接不同总线 的特殊网络节点,这个节点称为网关(Gateway)。
现代汽车主要车载网络的基本情况见表6-1。
2.车载网络的组成 车载网络采取基于串行数据通信的体系结构。车载网络主要由电控单元、数据 总线、网络、网络协议、网关等组成。 (1)电控单元 汽车电子控制单元简称电控单元、汽车电控单元或集成电路控制 单元、多路控制装置等。汽车制造公司不同叫法也不同。它是由集成电路组成 用于实现对数据的分析、处理、发送等一系列功能的控制装置。目前在汽车上 广泛应用,并且集成度越来越高。汽车电控单元如图6-7所示。 现代汽车除了有发动机电控单元,还有自动变速器电控单元、ABS电控单元、空 调电控单元等许多电控单元,高档轿车有几十个电控单元,因此,必须用网络把它 们连接起来,才能资源共享。 电控单元主要由硬件和软件两大部分组成。 硬件部分主要包括系统电路、电源电路、输入采集接口电路、输出驱动电路等。 电控单元组成如图6-8所示。
图6-9 双绞线 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
2)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6-10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。 常用的同轴电缆有两类:50Ω和75Ω的同轴电缆。
图6-3 传统数据传输形式车门控制单元
图6-4 网络数据传输形式
一车门控制单元如果采用网络数据传输形式完成其全部控制功能需要17根线 和2个插头。采用网络数据传输形式的传输线如图6-5所示,车门控制单元如图 6-6所示。
图6-5 网络数据传输线
图6-6 网络数据传输形式车门控制单元
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。
图6-17 数据传输系统 a)多线数据传输系统 b)双线(总线)数据传输系统
数据总线与其他部件组合在一起就成为数据传输系统,CAN数据传输系统的 优点是: ① 将传感器信号线减至最少,使更多的传感器信号进行高速数据传递。 ② 电控单元和电控单元插脚最小化应用,节省电控单元的有限空间。 ③ 如果系统需要增加新的功能,仅需软件升级即可。 ④ 各电控单元的监测对所连接的CAN总线进行实时监测,如出现故障该电控 单元会存储故障码。 ⑤ CAN数据总线符合国际标准,以便于一辆车上不同厂家的电控单元间进行 数据交换。
3.车载网络的分类 目前,绝大多数车用总线被美国汽车工程师协会(SAE)下属的汽车网络委员会按 照协议特性分为A、B、C、D、E等类。也有其他的分类方法。 A类:面向执行器、传感器的低速网络。 B类:面向模块间数据共享的中速网络。 C类:面向多路、实时闭环的高速网络。 D类:面向信息、多媒体系统的网络。 E类:面向乘员的安全系统。 英文缩写为CAN(Controller Area Network),其目的是使汽车控制系统的数据传输 实现高速化,并使汽车控制系统简单化。 (1)A类总线和协议 A类总线是面向传感器和执行器控制的低速网络,数据传输 位速率通常小于10kbit/s,主要用于后视镜调整及电动窗、灯光照明等控制。也 可以用于面向智能传感器或执行器的数字化通信场合。 现有A类网络协议及其应用情况见表6-3。
第6章
6.1 车载网络概述
车载网络系统原理与检修
1.数据传输类型 目前,在汽车上应用的数据传输形式有两种:一种是传统数据传输形式,另一种是 网络信息传输形式。
图6-1 传统数据传输形式
图6-2 传统数据传输线
(1)传统数据传输形式 传统数据传输形式就是每项信息均通过各自独立的数 据线进行交换,有多少项信息要传递,就需要多少条数据线。 如图6-1所示为传统数据传输形式。一车门控制单元如果采用传统数据传输形 式完成其全部控制功能需要45根线和9个插头。采用-3所示。 (2)网络数据传输形式 新型汽车的控制系统中采用了一种新型的数据传输网 络即总线结构,在总线结构中,各节点通过一个或多个通信线路与公共总线连接。 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”。 网络数据传输形式如图6-4所示。
现有B类网络协议及其应用情况见表6-4。
随着汽车网络技术的发展,目前及未来的B类网络主流协议将是CAN (ISO 11898-3)。 (3)C类总线和协议 C类是面向高速、实时闭环控制的多路传输网,位速率在 0.125~1Mbit/s,支持实时的周期性的参数传输。主要用于发动机、自动变速 器、ABS等电控单元。目前,随着汽车网络技术的发展,未来将会使用到具有 高速实时传输特性的一些总线标准和协议。常用的C类总线如下。 1)高速CAN总线和协议。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。高速通信的CAN总线和协议制定在国际标准协议ISO 11898中。 2)安全总线和协议。安全总线主要是用于安全气囊系统,连接加速度计、安 全传感器等装置,为被动安全提供保障。 3)X-by-Wire总线和协议。X-by-Wire代表汽车线控技术。X-by-Wire中的“X” 代表汽车中由机械或液压控制的各个功能部件,如制动、转向、悬架、节气 门、离合器、门锁等。
A类常用的总线是LIN总线, LIN总线是用于汽车分布式电控系统的一种新型低成 本串行通信系统,它是一种基于串行异步通信(UART)的数据格式、主从结构的单 线12 V的总线通信系统。 车身控制A类网络总线结构如图6-14所示。
(2)B类总线和协议 B类是面向独立模块间数据共享的中速网络,位速率在 10~125kbit/s,主要应用于车身电子舒适性模块、仪表显示等系统。 B类常用的总线是CAN总线。CAN总线是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1Mbit/s。 B类总线采用的协议是国际标准协议ISO 11898,传输速率在100kbit/s左右。欧洲 的各大汽车公司从1992年起,一直采用ISO 11898,所使用的传输速率范围从 47.6~500kbit/s不等。CAN总线的另一个国际标准协议是ISO 11519,由于容错性较 好,近年来在欧洲的各种车型中也开始得到广泛的使用。
(2)数据总线 从一个节点到相邻节点的一段物理线路,而中间没有任何其他的 交换节点我们称为链路,链路即为网络信息传输的媒体,分为有线和无线两种类 型。目前汽车上使用的大多数链路都是有线网络。通常用于局域网的传输媒体 有:双绞线、同轴电缆和光纤。 数据总线(BUS)是电控单元间运行数据传递的通道,简称总线,即所谓的信息高速 公路。如果一个控制单元可以通过总线发送数据,又可以从总线接收数据,则这 样的数据总线就称之为双向数据总线。汽车上的数据总线的传输介质常用单线、 双绞线或光纤。 1)双绞线。双绞线由相互绞合在一起的线对组成,如图6-9所示。为制作网线时 便于区分,每条线都标有不同的颜色。双绞线是目前组建局域网时最常用的一 种线缆。如图6-9a所示的网线是由四对双绞线组成;如图6-9b所示为普通双绞线; 如图6-9c所示为带屏蔽铜丝网的双绞线。车载网络总线常用普通双绞线或带屏 蔽铜丝网的双绞线。
5)E类总线和协议 E类网络主要面向乘员的安全系统,应用于车辆被动安全性 领域。E类网络使用情况见表6-7。
E类网络协议的比较见表6-8。
6.2 CAN数据传输系统
6.2.1 CAN数据传输系统概述
传统数据传输系统有多少条信息就 需要多少根数据线,如图6-17a所示。 CAN数据传输系统将传统的多线传 输系统改变为双线(总线)传输系统, 如图6-17b所示。这样一辆汽车不论 有多少控制模块,也不管其信息容量 有多大,每个控制模块都只需引出两 条线接在两个节点上,这两条导线称 为数据总线。数据总线好比一条信 息高速公路,信息通过在高速公路上 行驶的BUS来传递,CAN数据传输就 是Controller Area Network(控制单元 区域网络)的缩写,意思是控制单元 通过网络交换数据,所以CAN数据传 输系统又称为CAN-BUS。数据传输 系统如图6-17所示。
为了给X-by-Wire总线提供安全的通信,就需要一个高速、容错和时间触发的网络 协议。目前,这一类网络协议主要有TTP协议、Byte-Flight协议和Flex-Ray协议。 C类网络协议及应用情况见表6-5。