浅析汽车车载网络技术

浅析汽车车载网络技术
摘
要
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近年来，越来越严格的安全、环保技术法规和用户苛
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关键词:汽车 网络技术 计算机 电子技术
第一章 汽车车载网络技术基础知识
第一节 认识车载网络技术
随着汽车电子技术的不断的发展，车辆上的电控系统的数量不断地增多，而且功能也越来越复杂。

如果仍采用传统的布线方式，即每一个电脑都要与多个传感器、执行器之间通信，将导致汽车上电线数目急剧增加。

电控系统的增加虽然增加了汽车的动力性、经济型和舒适性，但随之增加的复杂的电路也降低了汽车的可靠性，增加量维修的难度。

特别是近年来，越来越严格的安全、环保技术法规和用户苛刻的个性化使用要求，使得制造商不得不依赖电子技术不断改进其产品的性能，可以说汽车技术所取得的每一项进步都离不开电子技术在汽车上的应用。

早期汽车内部的传感器、控制器和执行器之间的通讯沿用点对点的连线方式，连成复杂的网状结构。

随着汽车内部电控系统的日益复杂，以及对汽车内部控制功能单元相互之间通讯能力要求的日益增长，采用点对点连线，就需要大把的线束，这种传统构建汽车内部通讯的方式在电线布置、可靠性以及重量等方面都给汽车的设计和制造带来了很大的困扰，电子控制系统间的数据通讯变得越来越重要。

因此围绕减少车内连线，实现数据的共享和快速交换，同时提高可靠性等方面，在快速发展的计算机网络基础上，实现了以分布式控制单元为基础构造的汽车电子网络系统。

汽车网络是指借助双绞线、同轴电缆或光纤等通讯介质，将车内众多的控制模块（或节点）联结起来，使若干的传感器、执行机构和ECU 公用一个公共的数据通道，通过某种通讯协议，在网络控制器的管理下共享传输通道和数据。

汽车网络最开始出现在当时的高档豪华汽车上，也缺少相应的标准化的通讯协议的支持。

随着越来越复杂、精密的功能单元被委托给外部供应商生产，汽车制造商开始从定义各自的专门协议发展到采用整个业界范围内认可的标准化通讯协议，提供了不同供应商的产品进行系统集成的可能性，使汽车网络迅速进入主流车型，到今天车载电控系统的网络已经成为现代车辆中至关重要的部分，在我国也已形成研究和开发使用的热潮。

汽车网络减少了线束的使用，改善了系统的灵活性，通过系统的软件可以实现系统功能的变化,消除了冗余传感器，实现了数据共享，也提高了对系统故障的诊断能力。

可以说一辆车就是一个网络，汽车的智能化也是在网络基础上才能实现，网络还把汽车的行驶状态参数传送到显示屏上，司机可一目了然，大大方便了驾驶。

汽车局域网即是多台计算机共用一条传输线，按照国际上普遍接受的美国汽车工程师协会SAE提出的关于汽车网络的划分，汽车内部的网络可以分为 A 类（通讯速率<10kb/s 的低速网络，主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等系统）、B 类（通讯速率在10 kb/s～125 kb/s 之间的中速网络，主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示等系统）、C 类（通讯速率在125 kb/s～1Mb/s 之间的高速网络，用于实时控制，主要用于悬架、发动机、ABS 等系统）和 D 类（通讯速率在1Mb/s 以上，用于车内的多媒体网络）。

汽车电子设备的工作环境相当恶劣，除能耐受宽范围的环境温度（－40℃～125℃或更高）外，还要耐受较强的机械振动、冲击及化学品腐蚀，此外设计中要特别考虑的是电磁兼容问题，随着移动电话、无线寻呼、卫星通信等无
线电设备的普及应用以及汽车自身的点火系统、各种电机等产生的干扰，汽车的电磁环境日趋复杂恶劣。

这些干扰通过网络传入某控制系统，可能会引起ECU 的误判断、产生误动作（如汽车的安全气囊在行驶过程中突然受到干扰触发,就会造成很严重的事故），同时也要避免电信号产生辐射干扰。

因此汽车网络工作的可靠性较一般计算机网络要高的多，它是提高汽车可靠性和安全性的重要保证。

图1 典型的网络结构
1—ABS模块；2—动力系统控制模块（PCM）；3—电子自动温度控制（EATC）；4—集成控制板（ICP）；5—虚像组合仪表；6—照明控制模块（LCM）；7—驾驶员座椅模块（DSM）；8—驾驶员车门模块
（DDM）；9—移动电话模块；10—汽车动态模块
第二节车载网络系统组成介绍
1 微处理器（MCU或CPU）
从1975年摩托罗拉公司为GM生产第一个微处理器68009应用在1978年Cadillac
汽车上计程）开始到目前，汽车上的微处理器类型已经逐渐由8位、16位发展到32位，CPU的结构也由RISC逐渐取代CISC，最近推出了16/32位RISC微控制器的M.Core TM 平台。

最近各汽车公司推出的新车型，多数都采用了可编程（FLASH）的32位芯片。

IBM 和INTEL宣布合作开发的车载计算机平台将采用奔腾MMX处理器，控制功能由简单的计程向复杂的高端应用领域拓展。

2 汽车网络互连标准
为了解决信息共享、减少布线问题以及满足政府排放法规要求，汽车制造商和相关组织开发了汽车网络，目前主要的汽车网络互连规范有德国BOSCH最早开发推出的欧洲规范CAN和美国汽车工程师协会（SAE）开发的美国规范J1850.其他的总线类型（如；V AN、LIN、TTP等）在汽车内部网络也有使用，不过CAN和LIN基本上已经成为事实上的标准。

IDB（ITS data bus）为汽车网络拓展提供了标准。

下面简单介绍CAN、J1850和IDB标准，在下一章将详细介绍CAN、LIN、LAN、MOST和蓝牙系统。

2．1 CAN标准
控制器局域网CAN（Controller Area Network）是由德国BOSCH公司于1986年提出并推广应用的，按照ISO的有关部门规定，CAN拓扑结构为总线式，所以也称CAN 总线。

最初为CAN总线1.0版，1990年推出CAN总线1.2修订版，1991年推出CAN 总线2.0版。

目前,CAN总线不但已经成为汽车总线的主要互连规范,而且被公认为最有前途的几种工业现场总线之一，已由ISO TC22技术委员会批准为国际标准，是唯一被批准为国际标准的现场总线。

1993年国际CAN用户及制造商组织（简称CIA）在欧洲成立，主要作用是解决CAN总线实际应用中的问题，提供CAN产品及其开发工具，推广CAN总西南的应用。

CAN总线的典型结构如图2所示。

图2 CAN总线的典型结构
CAN采用多主工作方式，节点之间不分主从，节点之间有优先级之分。

通信方式
灵活，可实现点对点、一点对多点及广播式传输数据，无须调度。

CAN采用非破坏性总线仲裁技术，优先级发送，可大大节省总线冲突仲裁时间，在重负荷下表现出良好的性能。

CAN采用短帧结构传输，每帧有效字节为8个，传输时间短，受干扰的概率低，并且每帧信息都有CRC校验和其他校验措施，数据出错率极低。

当节点发生严重错误时，具有自动关闭功能，但总线上的其他节点不受影响。

CAN2.0 B规范CAN总线最大通讯速率可以达到1Mbps。

目前，汽车上主要有2条CAN总线，即低速（L）与高速（H）CAN总线，L线路工作在125kbps以内，主要控制车身及舒适系统（中央门锁、车窗、天窗、收音机、座椅、安全气囊和综合显示仪表等）；H线路工作在125kbps以上，主要控制动力系统（发动机、自动变速器、制动系统以及防侧滑系统等），随着汽车技术的发展，总线的数量会越来越多，功能越来越强大。

大众公司（VW）近年来已经由A—BUS（最高速率为500kbps）转向CAN总线。

亚洲汽车厂商的汽车网络尽管没有自己开发的规范，但多数厂商的汽车网络规范选择了CAN，在中国CAN也占多数。

2．2 J1850标准
J1850是美国汽车的车内联网标准，包含了两个不兼容的规程。

通用汽车公司（GM）和克莱斯勒汽车公司（Chryler）采用10.4kbps可变规程的类似版本，在单根线的总线上通信；福特汽车公司（FORD）采用46.1kbps的PWM行，在双线的差分总线上通信。

J1850也是采用载波传感、多路存取/碰撞分辨的仲裁规程。

当多个节点同时发送数据时，优先级低的节点重新发送，优先级高的节点信息则连续传送至其目的地。

J1850的速率远低于CAN，目前部分北美的发动机和变速器系统使用了速率更高的CAN进行通讯，但美国大量的检测工具都是按照美国加州空气资源委员会和环境保护局（EPA）规定基于J1850的，这就需要有一个网关将J1850的检测工具接入CAN。

因此，SAE正在调研将测试工具改为CAN的可能性。

2．3 IDB（ITS Data Bu s）标准
智能交通系统ITS（Intelligent Transportation System）使汽车运行更加安全、便利，汽车上的电子装备越来越多，包括传输、计算、导航、定位、娱乐和办公设备等。

但由于汽车网络的不同，设备制造商不得不制造不同网络标准的产品，以适应不同网络标准的汽车。

ITS Data Bus结构示意图如图3所示。

车载系统总线ITS Data Bus
图3 ITS Data Bus结构示意图
目前，SAE的IDB委员会已拟定部分IDB的大纲协定，其中对传输速率在1.6 Mbps和10 Mbps时，IDB能否传输视频、声音等冗长信息问题仍处于讨论中。

3 传输介质
汽车网络可用的传输介质主要有同轴电缆、双绞线、光纤电缆和无线电。

光纤电缆以其抗电磁干扰、信号传输速度快和音频响应好的优点，将逐渐取代传统的同轴电缆和双绞线。

特别值得一提的是短程无线通讯标准——蓝牙（Bluetooth）技术在汽车应用中的实现，使汽车网络更加丰富多彩。

2000年12月,日本矢岐总业公司展示了使用蓝牙技术控制汽车内部的样车.该样车配备蓝牙接口的网关设备连接到汽车内部网络CAN上,通过汽车外部的笔记本电脑实施开关车门车窗等,还将通过蓝牙手机实现这些功能。

汽车系统集成商Kvaser公司，将在汽车应用的互联协议研发项目中采用CAN和蓝牙产品。

该公司预计到2006年底，车内CAN/Bluetooth系统应用于全球50%的汽车中。

4 开发语言及操作系统
在使用8位和16位处理器时，开发人员主要使用汇编语言。

随着开发周期的缩短要求及复杂性的提高，高级语言被逐步使用，使用高级语言编写可重复使用模块的工作比较容易。

开发语言使用的趋势朝着C语言发展，但在关键的定时情况还要使用汇编语言。

在操作系统方面，欧洲汽车制造商规定OSEK标准为汽车控制器开发公共平台的应用编程接口，OSEK是德缩写，意思是“汽车电子开放系统和通信接口”。

该接口包括实时操作系统（OS）、通信系统（COM）、网络管理系统（NM）和功能库。

OSEK是与元器件产品融为一体的，元器件必须有兼容性。

摩托罗拉公司提供了较全面的OSEK器件产品，还为Window NT提供了OSEK OS及OSEK编程器，可以使应用程序开发独立于目标软件，大大缩短开发周期。

此外，多家公司如：Wind River Systems、Accelerated technology以及Integrated Systems等也推出了OSEK兼容操作系统。

目前，汽车在推出之前，制造商已经可以对汽车的所有功能进行仿真，不久，将可以对汽车的运行情况进行仿真。

QNX Software公司的实时操作系统（RTOS）可针对车内的路况引导系统，对实时全球定位系统（GPS）信息与交通图西安市和音频命令进行协调。

2002年4月份在中国上市的雪铁龙C5装备了雪铁龙与微软共同开发的车载电脑系统——Xsara Windows CE，可以实现语音分析识别、自动照明系统、电子泊车辅助装置以及
多功能信息系统等多种新的强大功能。

此外，IBM公司将在该公司开发的汽车软件里面加入移动客户服务器结构和嵌入Java系统。

当今的汽车技术正在高速发展，汽车制造商、汽车配件制造商、汽车芯片以及软件商的技术发展都在推动着汽车技术的快步前进。

汽车系统电子化、模块化、信息化和网络化的发展趋势，将使汽车的安全性和各项功能得到进一步的提高，生产成本将回进一步下降。

图3
第二章常见车载网络通信系统
第一节 CAN数据总线系统
1.CAN协议的概述
2．CAN协议的特点
CAN协议具有如下 8个特点。

①多主通信。

在总线空着的时候，所有的节点都可以发出报文。

②报文的发出。

在CAN协议中，规定了所有的报文应以规定的格式发出，在总线空着的时候，与总线相连的所有节点都可以发出新的报文。

在两个以上的节点同时开始发出报文的场合下，利用标志符(以下简称ID)可以决定优先顺序，以比特为单位对各报文的ID进行仲裁，仲裁获胜(被判断为最有优制顷序)的节点继续进行发信；仲裁失败的节点立即停止发信并转为收信状态。

③系统的灵活性。

与总线相连的节点没有节点地址的信息，因此，在向总线追加节点的时候，就没有必要更改与总线相连的其他节点的软件、硬件及应用层。

④通信速度。

可以根据网络的规模设定通信速度。

在一个网络内部，对所有的节点来说，必须设定相同的通信速度。

通信速度不同的节点连到一起时，节点就会出错，阻碍通信。

在不同的网络上，可以采用不同的通信速度。

⑤可要求远程数据。

，在发送远程帧时，可对其他节点提出发数据的要求，首先访问总线的节点可以获得发信权；同时有多个节点开始发信的场合下，所发报文具有最高优先顺序ID的节点可以获得发信权。

⑥错误检测功能、错误通知功能、错误还原功能。

所有的节点都可以检测出错误(错
误检测功能)，检测出错误的节点立即向其他节点发送出错的通知(错误通知功能)。

传送报文的节点检测出错误时，则强制使其发信结束，发信被强制结束的节点会反复再传送，直至其报文可以正常传送为止(错误还原功能)。

⑦故障的界定。

CAN数据总线上出现的故障可以分为总线上的数据临时产生的错误(来自外部的干扰等)和总线上的数据连续产生的错误(节点内部的故障、驱动方面的故障及断线等引起的)岍类。

CAN数据总线系统具备判别错误种类的功能，利用这项功能，在总线上的数据连续产牛错误的场合下，CAN会将产生错洪的节点从总线上切除。

⑧连接。

CAN总线是同时可以连接许多单元的网络。

从理论上讲，可以连接的节点数是无限的；但实际可以连接的单元数将受总线延迟时间与电负荷的限制。

当降低通信速度时，可以连接较多的单元；当提高通信速度时，可以连接的单元数量将减少。

3．CAN数据总线系统的物理层
物理层是通信网络的底层，它统一传输介质的特征(导线、光纤或无线载体)，有时包括连接装置，并确定电压、电平信号、介质的电子特性(双绞型互补数据对)。

CAN数据总线系统物理层表现为两种，高速CAN数据总线系统物理层(适用速率为250kbit／s～1Mbit／s)和低速CAN数据总线系统容错物理层(适用速率不超过125kbit／s)。

前者是自CAN数据总线系统协议诞生之日起就存在的，后者则起步较晚，主要是为了cAN数据总线系统物理层的容错。

4．低速车身控制系统实施高速的CAN协议
低速(小于125kbit／s)车身控制系统主要指汽车灯光、刮水器、电动窗、后视镜、中央门锁、加热一通风一空调以及其他低速数据的通信系统。

低优先级和低通信量的低速车身控制系统，若采用高速数据总线结构是不合理的，生产成本和维修费用也令人难以接受。

近年来，各种有专利权的协议已经用于车身控制系统。

这些协议是不通用的，而且有一定的局限性。

ISO提出了CAN作为汽车高速数据总线的标准，目前CAN芯片的制造厂商有英特尔、摩托罗拉、NEC、飞利浦、西门子和国家半导体等公司，在市场上很容易购到。

cAN技术不仅在汽车上，在飞机、轮船以及工业控制中都得到了广泛的应用。

CAN虽然是国际标准化组织推荐的汽车高速网络标准，但是也可将其用于低速的车身控制系统。

从工程的观点出发，如果选用同类的CAN协议，则很容易从高速到低速网络或从低速到高速网络桥接数据。

然而，当CAN系统被配置于低速应用，若CAN的芯片仍然与高速应用的芯片相同，这是不经济的。

由沃威克大学先进技术中心与飞利浦公司开发的串行链路输入／输出控制器区域网(sLIo CAN)发展和改进了CAN技术，能以低成本的造价满足低速车身控制系统的应用。

SLIO CAN技术应用于汽车车身控制系统，一般可在40kbit／s位速率下操作，需要增速时也可扩展至125kbit／s。

除了每隔3 800位时间标定恒定传输的消息外，所有的CAN传输都属于事件驱动(状态变化)。

总线负载是相当低的，通过使用cAN总线分析器，
在改进的系统中记录下的最大总线负载才6．4％，其中包括转向信号灯接通、重复压按座椅位置开关和大灯远光开关。

sLIo的标定帧总数是总线负载的1．8％。

s L10 cAN 系统巾的这种“附JJll开销”与智能的cAN网络相比差别很大。

SLIO CAN基本午身控制系统的和局如图2．6所示，其中，中央控制器P8XC592是l{l利浦公司的产品，最主要的性能特点是具有多机通信和网络接口功能，即有控制器区域网cAN总线接口。

，除了电动座椅和和翼子板上的后视镜需作A/D轮换外，大多数车身电器只需做数字通断，另外，由于SLIO备有内部A/D转换器，将用数字记录电位差几的读数，故操作速度会加快一些。

第二节 LIN系统
LIN协会创建于1998年末，最初的发起人为为宝马、Volvo、奥迪、VW、戴姆勒-
克莱斯勒、摩托罗拉和 VCT等，五家汽车制造商，一家半导体厂商以及一家软件工具制造商。

该协会将主要目的集中在定义一套开放的标准，该标准主要针对车辆中低成本的内部互联网络（LIN, local interconnect networks），这些地方无论是带宽还是复杂性都不必要用到CAN网络。

LIN标准包括了传输协议的定义、传输媒质、开发工具间的接口、以及和软件应用程序间的接口。

LIN提升了系统结构的灵活性，并且无论从硬件还是软件角度而言，都为网络中的节点提供了相互操作性，并可预见获得更好的EMC（电磁兼容）特性。

LIN补充了当前的车辆内部多重网络，并且为实现车内网络的分级提供了条件，这可以有助于车辆获得更好的性能并降低成本。

LIN协议致力于满足分布式系统中快速增长的对软件的复杂性、可实现性、可维护性所提出的要求，它将通过提供一系列高度自动化的工具链来满足这一要求。

LIN（Local Interconnect Network） Bus是一种串行通讯总线，它有效地支持汽车应用中分布式机械电子节点的控制。

它的使用范围是带单主机节点和一组从机节点的多点总线，其系统结构如图 1-1所示。

图 5 LIN Bus系统结构
LIN Bus系统主要特性有：
■单主机多从机组织（即没有总线仲裁），配置灵活；
■基于普通UART/SCI 接口的低成本硬件实现低成本软件协议；
■带时间同步的多点广播接收，从机节点无需石英或陶瓷谐振器，可以实现自同步；
■保证信号传输的延迟时间。

可选的报文帧长度：2、4 和8 字节；
■数据校验和的安全性和错误检测，自动检测网络中的故障节点；
■使用最小成本的半导体组件（小型贴片，单芯片系统）。

■速度高达20kbit/s；
LIN网络由一个主节点以及一个或多个从节点组成，媒体访问由主节点控制--从节点中不必有仲裁或冲突管理。

可以保证最差状态下的信号传输延迟时间。

LIN相对于CAN的成本节省主要是由于采用单线传输、硅片中硬件或软件的低实现成本和无需在从节点中使用石英或陶瓷谐振器。

LIN物理层
总线驱动/接收器的定义遵循ISO 9141单线标准，并带有一些增强性能。

总线为单线传输，"与"总线通过终端电阻由电池正极节点(VBAT)提供。

总线收发器采用增强型的ISO 9141实现标准。

总线可以取两个互补的逻辑值：主控值其电压接近于接地端，代表逻辑值"0"，退让值其电压与电池电压接近，代表逻辑值"1"。

总线采用上拉电阻作为终端，主节点的上拉电阻为1kOhm，从节点的上拉电阻为30kOhm。

电阻需串联一个二极管以防止由于本地电源泄漏对总线产生的干扰。

从节点的终端电容通常值为 CSlave= 220pF，主节点的电容要更高以使整个总线的电容小于从节点的值。

由于采用单线媒质传输，最大的传输波特率被限定在20kbit/s以内。

该值为从满足信号同步而不产生冲突的最高值，到为满足电磁兼容性要求而要达到的传输最低值之间的实验中间值。

最小的传输波特率为1kbit/s--这有助于避免在实际中产生超时冲突。

LIN协议
通过LIN总线传输的实体为帧。

一个报文帧由帧头以及回应（数据）部分组成。

在一个激活的LIN 网络中，通讯通常由主节点启动，主节点任务发送包含有同步间隙的报文头，同步字节以及报文标志符(ID)。

一个从节点的任务通过接收并过滤标志符被激活，并启动回应报文的传送。

回应中包含了1到8个字节的数据以及一个字节的校验码。

传输一帧所花费的总的时间是发送每个字节所用的时间，加上从节点的回应间隙，再加上传输每个字节的间隙时间(inter-byte space)。

字节间隙是指发送完前一个字节的停止位后到发送下一个字节的启动位之间的时间。

LIN协议的核心特性是使用进度表(schedule table)。

进度表有助于保证总线不出现过载的情况，他们同样是保证信号定期传输的核心组件。

在一组LIN节点中只有主节点任务才可以启动通讯保证了行为的确定性。

主节点有责任保证与操作模式相关的所有帧都必须分配了足够长的传输时间。

LIN信息是以报文的形式传送的。

报文传输是由报文帧的格式形成和控制的。

报文帧由主机任务向从机任务传送同步和标识符信息，并将一个从机任务的信息传送到所有其它从机任务。

主机任务位于主机节点内部，它负责报文的进度表、发送报文头（HEADER）。

从机任务位于所有的（即主机和从机）节点中，其中一个（主机节点或从机节点）发送报文的响应（RESPONSE）。

帧内部间隔（inter-frame space）是从上一帧发送完毕后到下一帧启动发送间的
时间间隔。

帧由帧间间隔以及接下来的4到11个字节域组成。

一个报文帧如图 1-2所示，是由一个主机节点发送的报文头和一个主机或从机节点发送的响应组成。

报文帧的报文头包括一个同步间隔场（SYNCH BREAK FIELD）、一个同步场（SYNCH FIELD）和一个标识符场。

报文帧的响应（RESPONSE）则由3 个到9 个字节场组成：2、4 或8 字节的数据场（DATA FIELD）和一个校验和场（CHECKSUM FIELD）。

字节场由字节间空间分隔，报文帧的报文头和响应是由一个帧内响应空间分隔。

最小的字节间空间和帧内响应空间是0，这些空间的最大长度由报文帧的最大长度TFRAME_MAX。

图 6 LIN 报文帧
LIN信息传输过程
LIN从机向主机传输数据示如图1-3所示，整个过程在主机的协调下进行。

图7 从机向主机传输数据
LIN主机向两个或两个以上的从机发送数据如图1-4所示，整个过程在主机的协调下进行。