汽車網(wǎng)線與CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)
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過(guò)去，汽車通常采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，將電子控制單元及負(fù)載設(shè)備連接起來(lái)。隨著電子設(shè)備的不斷增加，勢(shì)必造成導(dǎo)線數(shù)量的不斷增多，從而使得在有限的汽車空間內(nèi)布線越來(lái)越困難，限制了功能的擴(kuò)展。同時(shí)導(dǎo)線質(zhì)量每增加50 kg，油耗會(huì)增加0.2 L/100 km。此外，電控單元并不是僅僅與負(fù)載設(shè)備簡(jiǎn)單地連接，更多的是與外圍設(shè)備及其他電控單元進(jìn)行信息交流，并經(jīng)過(guò)復(fù)雜的控制運(yùn)算，發(fā)出控制指令，這些是不能通過(guò)簡(jiǎn)單地連接所能完成的。而單從線束本身來(lái)說(shuō)，它也是汽車電子系統(tǒng)中成本較高，連接復(fù)雜的部件。
隨著汽車電子控制單元以及汽車電子裝置的不斷增多，采用串行總線實(shí)現(xiàn)多路傳輸，組成汽車電子網(wǎng)絡(luò)，是一種既可靠又經(jīng)濟(jì)的做法。同時(shí)現(xiàn)代汽車基于安全性和可靠性的要求，正越來(lái)越多地考慮使用電控系統(tǒng)代替原有的機(jī)械和液壓系統(tǒng)。
1．汽車電子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
在汽車內(nèi)部采用基于總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到信息共享、減少布線、降低成本以及提高總體可靠性的目的。通常的汽車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用多條不同速率的總線分別連接不同類型的節(jié)點(diǎn)，并使用網(wǎng)關(guān)服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)整車的信息共享和網(wǎng)絡(luò)管理，車身系統(tǒng)的控制單元多為低速馬達(dá)和開(kāi)關(guān)量器件，對(duì)實(shí)時(shí)性要求低而數(shù)量眾多。使用低速的總線連接這些電控單元。將這部分電控單元與汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分開(kāi)，有利于保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性。此外，采用低速總線還可增加傳輸距離、提高抗干擾能力以及降低硬件成本。
動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)的受控對(duì)象直接關(guān)系汽車的行駛狀態(tài)，對(duì)通訊實(shí)時(shí)性有較高的要求。因此使用高速的總線連接動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)。傳感器組的各種狀態(tài)信息可以廣播的形式在高速總線上發(fā)布，各節(jié)點(diǎn)可以在同一時(shí)刻根據(jù)自己的需要獲取信息。這種方式最大限度地提高了通信的實(shí)時(shí)性。
故障診斷系統(tǒng)是將車用診斷系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡(luò)上加以實(shí)現(xiàn)。
信息與車載媒體系統(tǒng)對(duì)于通訊速率的要求更高，一般在2 Mb/s以上。采用新型的多媒體總線連接車載媒體。這些新型的多媒體總線往往是基于光纖通信的，從而可以充足保證帶寬。
網(wǎng)關(guān)是電動(dòng)汽車內(nèi)部通信的核心，通過(guò)它可以實(shí)現(xiàn)各條總線上信息的共享以及實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)管理和故障診斷功能。
隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，在未來(lái)的汽車網(wǎng)絡(luò)中，還將會(huì)有專門用于氣囊的安全總線系統(tǒng)，以及X-by-Wire系統(tǒng)。
2．汽車總線標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議織夢(mèng)好，好織夢(mèng)
國(guó)際上眾多知名汽車公司早在20世紀(jì)80年代就積極致力于汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究及應(yīng)用，迄今為止，已有多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。目前存在的多種汽車網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其側(cè)重的功能有所不同。為方便研究和設(shè)計(jì)應(yīng)用，SAE車輛網(wǎng)絡(luò)委員會(huì)將汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)劃分為A、B、C三類。
A類是面向傳感器/執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸位速率通常小于1O kb/s，主要用于后視鏡調(diào)整，電動(dòng)窗、燈光照明等控制；B類是面向獨(dú)立模塊間數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡(luò)，位速率在10-125 kb/s，主要應(yīng)用于車身電子舒適性模塊、儀表顯示等系統(tǒng)；C類是面向高速、實(shí)時(shí)閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)，位速率在125 kb/s-1 Mb/s之間，主要用于牽引控制、先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制、ABS等系統(tǒng)。
在今天的汽車中，作為一種典型應(yīng)用，車體和舒適性控制模塊都連接到CAN總線上，并借助于LIN總線進(jìn)行外圍設(shè)備控制。而汽車高速控制系統(tǒng)，通常會(huì)使用高速CAN總線連接在一起。遠(yuǎn)程信息處理和多媒體連接需要高速互連，視頻傳輸又需要同步數(shù)據(jù)流格式，這些都可由D2B(Domestic Digital Bus)或MOST(Media Oriented Systems Transport) 協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。無(wú)線通信則通過(guò)Blue tooth技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。而在未來(lái)的5-10年里，TTP(Time Trigger Protocol)和Flex Ray將使汽車發(fā)展成百分之百的電控系統(tǒng)，完全不需要后備機(jī)械系統(tǒng)的支持。
但是，至今仍沒(méi)有一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)可以完全滿足未來(lái)汽車的所有成本和性能要求。因此，汽車制造商和OEM(Original Equipment Manufacture)商仍將繼續(xù)采用多種協(xié)議(包括LIN、CAN和MOST等),以實(shí)現(xiàn)未來(lái)汽車上的聯(lián)網(wǎng)。
（1）A類總線標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議
A類的網(wǎng)絡(luò)通信大部分采用UART(Universal Asynchronous Reveiver/Transmitter)標(biāo)準(zhǔn)。UART使用起來(lái)既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)，但隨著技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)在今后幾年中將會(huì)逐步在汽車通信系統(tǒng)中被停止使用。而GM公司所使用的E&C(Entertainment and Comfor)、Chrysler公司所使用CCD(Chrysler Collision Detection)和Ford公司使用的ACP(Audio Control Protocol)，現(xiàn)在已逐步停止使用。Toyota公司制定的一種通信協(xié)議BEAN(Body Electronics Area Network)目前仍在其多種車型(Clesior、Aristo、Prius和Celica)中加以應(yīng)用。
A類目前首選的標(biāo)準(zhǔn)是LIN。LIN是用于汽車分布式電控系統(tǒng)的一種新型低成本串行通信系統(tǒng)，它是一種基于UART的數(shù)據(jù)格式、主從結(jié)構(gòu)的單線12V的總線通信系統(tǒng)，主要用于智能傳感器和執(zhí)行器的串行通信，而這正是CAN總線的帶寬和功能所不要求的部分。由于目前尚未建立低端多路通信的汽車標(biāo)準(zhǔn)，因此LIN正試圖發(fā)展成為低成本的串行通信的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。copyright dedecms
LIN的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)化了現(xiàn)有的基于多路解決方案的低端SCI，同時(shí)將降低汽車電子裝置的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)費(fèi)用。LIN采用低成本的單線連接，傳輸速度最高可達(dá)20kb/s，對(duì)于低端的大多數(shù)應(yīng)用對(duì)象來(lái)說(shuō)，這個(gè)速度是可以接受的。它的媒體訪問(wèn)采用單主/多從的機(jī)制，不需要進(jìn)行仲裁，在從節(jié)點(diǎn)中不需要晶體振蕩器而能進(jìn)行自同步，這極大地減少了硬件平臺(tái)的成本。
在表1中，給出了LIN總線以及下列其他各類典型汽車總線標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議特性和參數(shù)。
類別：A類B類C類診斷 多媒體 X-by-Wire 安全
名稱：LIN ISO11519-2 ISO11898（SAE J1939）ISO15765 D2B（MOST）Flexray Safety bus
所屬機(jī)構(gòu)：Motorola ISO/SAE ISO/TMC-ATA ISO PHILIPS BMW&DC Delphi
用途：智能傳感器 控制、診斷 控制、診斷 診斷 數(shù)據(jù)流控制 電傳控制 氣囊
介質(zhì)：?jiǎn)胃€ 雙絞線 雙絞線 雙絞線 光纖 雙線 雙線
位編碼：NRZ NRZ-5 NRZ-5 NRZ Biphase NRZ RTZ織夢(mèng)好，好織夢(mèng)
媒體訪問(wèn)：主/從 競(jìng)爭(zhēng) 競(jìng)爭(zhēng) TESTER/SLAVE TOKEN RING FTDMA 主/從
錯(cuò)誤檢：8位CS CRC CRC CRC CRC CRC CRC
數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：8字節(jié) 0~8字節(jié) 8字節(jié) 0~8字節(jié) 12字節(jié) 24~39字節(jié)
位速率20kb/s 10~1250kb/s 1Mb/s（250kb/s）250kb/s 12Mb/s（25Mb/s）5Mb/s 500kb/s
總線最大長(zhǎng)度40m 40m（典型） 40m 40m 無(wú)限制 無(wú)限制 未定
最大節(jié)點(diǎn)數(shù)：16 32 30（STP）10（UTP）32 24 64 64
成本：低 中 中 中 高 中 中
（2）B類總線標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議
B類中的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是CAN總線。CAN總線是德國(guó)BOSCH公司從20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1Mb/s。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，最多可標(biāo)識(shí)2048(2.OA)個(gè)或5億(2.OB)多個(gè)數(shù)據(jù)塊。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上受限制。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。
B類標(biāo)準(zhǔn)采用的是ISO11898，傳輸速率在lOOkb/s左右。對(duì)于歐洲的各大汽車公司從1992年起，一直采用ISO11898，所使用的傳輸速率范圍從47.6-500kb/s不等。近年來(lái)，基于ISO11519的容錯(cuò)CAN總線標(biāo)準(zhǔn)在歐洲的各種車型中也開(kāi)始得到廣泛的使用，ISO11519-2的容錯(cuò)低速2線CAN總線接口標(biāo)準(zhǔn)在轎車中正在得到普遍的應(yīng)用，它的物理層比ISO11898要慢一些，同時(shí)成本也高一些，但是它的故障檢測(cè)能力卻非常突出。與此同時(shí)，以往廣泛適用于美國(guó)車型的J1850正逐步被基于CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議所取代。
評(píng)論