大众汽车总线系统.docx
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大众汽车总线系统
11数据总线系统
学习目标
知识目标
（1）了解汽车总线系统的类型、作用、组成；
（2）熟悉汽车总线系统的结构和工作原理；
（3）掌握汽车总线系统的电路分析方法；
（4）掌握典型车系总线系统故障分析方法。
能力目标
（1）熟悉维修手册的使用方法；
（2）学会使用示波器对总线系统的检测方法；
（3）学会典型车系总线系统故障检测与诊断方法。
11.1概述
随着汽车技术的不断发展，人们对汽车各方面的性能要求越来越高，不仅在追求车辆动力性和操控性能的同时还对舒适性和安全性能也提出了更高的要求。
20世纪90年代以来，随着集成电路在汽车上的广泛应用，汽车上的电子控制系统越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置（ABS）、安全气囊装置、电动门窗装置、主动悬架装置等。
各种电子控制系统的导入和应用使汽车的各项功能更加完善，控制更加精确和灵活，智能化程度也不断提升。
然而，功能的日益增加和完善使车载电子控制单元的数量以惊人的速度增加。
与此同时，各电子控制单元之间的数据交换也随之增加。
传统的数据交换形式只是通过模块间专设的导线完成点对点的通信。
数据量的增加必然导致车身线束的增加。
庞大的车身线束不仅增加了制造成本，而且还占用空间，增加了整车重量。
线束的增加还会使因线束老化而引起电气故障的可能性大大提高，降低了系统的可靠性。
解决这个问题的关键就是利用计算机网络技术，将车载控制单元通过车载网络连接起来，实现数据信息的高效传输。
如图11-1所示，采用了CAN总线、LIN总线（单线总线）、MOST总线（光学总线）以及无线蓝牙总线后车载网络控制系统可以处理大量来自控制单元的信息和执行其各种功能以及不断增加的数据交换。
在现代汽车中，采用总线的意义已远远超出节省电线的范围，它已成为车内各零部件实施信息交互的标准接口。
整车的总线网络成为整车的电器平台，也就是说只要有总线存在，就可以在这个总线平台上不断增加汽车的智能化零部件。
总线技术促进了汽车智能化的发展。
A-动力系统CAN总线B-仪表板显示CAN总线C-ACC控制系统D-诊断CAN总线E-舒适CAN总线F-LIN总线G-MOST光纤总线
图11-1车载网络控制系统拓扑图
车载网络形式多种多样，目前应用最为广泛的是控制器局域网络（ControllerAreaNetwork），即所谓的CANBUS系统。
CAN总线是德国Robertbosch公司在20世纪80年代初为汽车业开发的一种具有很高保密性，有效支持分布式控制或实时控制的串行数据通信总线。
汽车上各个控制系统对网络信息的传输延迟比较敏感，如发动机控制、变速箱控制、安全气囊控制、ASR/ABS/ESP控制、牵引力控制等对网络信息传输的实时性要求较高，需要采用高速CAN总线，其传输速率高达500Kbit/s～1Mbit/s。
LIN（LocalInterconnectNetwork，局部互联网络）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。
局部互连指的是所有控制单元被安装在一个有限的结构空间（如车顶）内，它也被祢为“局部子系统”，如图11-2所示。
LIN总线是CAN在低端应用的延伸，是价格相对便宜且速度较慢的子网。
空调控制、仪表控制、刮水器控制、照明控制、门窗控制等需要采用低速LIN总线，其传输速率为1～20Kbit/s。
低速LIN总线对信息传输的实时性要求不高，但子系统数量较多，将这些低速子系统与高速子系统分开，有利于保证高速子系统的实时性，同时还可以降低成本。
图11-2LIN局部互联网
在LIN总线系统中，LIN总线是一根单线总线，导线基本颜色（紫色）和识别颜色。
一辆汽车中各个LIN总线系统之间的数据交换是通过CAN数据总线进行的，而且每一次之交换一个控制单元的数据。
LIN总线系统允许一个LIN主控制单元和最多16个LIN从属控制单元之间进行数据交换。
MOST总线（MediaOrientedSystemsTransport）是一种光纤数据总线系统，该数据总线系统起源于“面向媒体的系统传送合作组织”。
这是一个许多汽车制造厂、零部件供应商及软件开发商组成的协会，其目的是要开发出一个标准的高速数据传送系统。
“面向媒体的系统传送”代表一个以地址为本的信息被传送到特定接收机的数据传送网络，这一技术被用在大众奥迪汽车中来传递多媒体互动的系统数据，如图11-3所示。
图11-3奥迪多媒体互动系统
图11-4多媒体互动系统传送率要求
如图11-4所示，多媒体互动系统传送视频和音频信息需要很多Mbit/s的传送率，如传送立体声的数字式电视信号需要约为6Mbit/s的传送率，但当前使用的CAN数据总线发送数据的速度不够快（最快速度1Mbit/s），不能满足大量数据传送的要求。
然而，MOST总线允许的传送率可达21.2Mbit/s，因此光学数据传送是传播复杂的多媒体系统的适当手段。
光学MOST总线除了使用较少导线和重量较轻之外，光波传送具有极高的数据传送率，它可以在相关的部件之间以数字的形式交换数据。
与无线电波相比，光波的波长很短，而且既不产生电磁干扰波，对电磁干扰波也不敏感。
因此，光学MOST总线还具有高级别的抗干扰性能。
11.2典型数据总线结构
如图11-5所示，是典型数据总线拓扑结构图。
构与城市交通枢纽结构类似，网关是整个网络的核心，不同类型的CAN总线、FlexRay总线、以及MOST总线均通过网关进行数据交换。
在CAN总线网络内是级别稍低一级的LIN总线，承担该特定CAN总线网络内部的功能。
这几种类型的总线各有特点，网络数据传输速度与数据容量各不相同，满足了不同的子系统的独特需求。
图11-5车载网络系统结构示意图
1.舒适总线K-CAN结构与组成
1-雨刮电机CM2-大灯总成开关3-雨量传感器4-车身控制单元1（BCM1）5-转向柱调节开关6-车库门开启按钮7-内部防盗监控传感器8-内部湿度传感器9-车身控制单元2BCM210-一键启动按钮11-电子方向柱锁12-空气质量传感器/车外湿度传感器13-制冷剂压力传感器14-车库门开启发射器15-驾驶模式开关16-内部灯光模块17-防盗蜂鸣器18-驾驶员座椅记忆CM19-
乘客座椅记忆CM20-后排座椅记忆CM（左后）21-后排座椅记忆CM（右后）22-驾驶员侧车门CM23-乘客侧车门CM24-追踪系统接口25-后备箱锁CM26-驾驶员侧电动座椅CM27-乘客侧电动座椅CM28-左后侧电动座椅CM29-右后侧电动座椅CM30-电动座椅开关总成31-电动座椅开关总成32-后部座椅按摩按钮33-左后门CM34-右后门CM35-车辆追踪系统
图11-6舒适总线K-CAN结构
如图11-6所示，K-CAN网络内部有数量众多的LIN总线网络。
LIN的目标是为现有汽车网络（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总线的传输速度和多功能的场合，比如智能传感器和智能电机之间的通信，使用LIN总线，可大大节省成本。
LIN总线最大的特点是有主、从机之分，以LIN1网络为例，BCM1（模块4）是该LIN网络的主机，可以对LIN1网络内的所有从机发送指令；雨刮电机、大灯总成开关和雨量传感器作为LIN1内的从机，向BCM1发送信号，或者接受BCM1的动作指令，受BCM1的控制。
LIN网络通常位于电气网络的最底层，只能通过LIN主机接合到整个电气系统，进行信号与数据的相互交换，LIN从机一般由传感器、电磁线圈或执行电机构成，处于整个电气系统的最边缘末端。
2.动力总线、FlexRay总线、网关的结构与组成
36-座椅乘员探测系统PODS37-换挡杆CM38-发动机控制单元ECM39-电子手刹40-转向角度传感器41-安全气囊CM42-变速箱CM43-仪表板仪表盘44-多功能方向盘按钮45-仪表板驾驶信息显示46-转向柱CM47-空气质量传感器48-胎压监控系统49-倒车影像50-HVAC51-后部HVAC52-风门电机1-16（HVAC）53-驻车加热54-风门电机1-5（HVAC）55-鼓风机控制10A
56-鼓风机控制30A57-风门电机1-7（HVAC）58-自适应巡航（主CM）59-自适应巡航（从CM）
60-自适应空气悬架CM61-电子稳定系统（ESP）62-SARA63-发电机64-电池监控系统
图11-7网关、D-CAN、A-CAN、G-CAN以及FlexRay总线结构示意图
如图11-7所示，FlexRay总线是一种由全球范围内几家主流汽车制造商组成的联盟所缔结的新一代网络传输协议，主要用来满足现代车辆对于网络更快传输速度以及更大传输容量的要求，在下面的FlexRay总线一章中，会详细介绍。
3.信息娱乐MOST总线结构与组成
65-信息娱乐系统主单元66-CD/DVD换碟机67-仪表显示单元DIP68-TV调谐69-收音机70-后座娱乐系统（RSE）71-音响功率放大器72-中央显示屏73-控制面板（信息娱乐系统）74-话筒75-扬声器76-显示屏（RSE）77-控制面板（RSE）
图11-8MOST总线结构示意图
如图11-8所示，MOST总线同样也是由全球范围内几家主流汽车制造商组成的联盟MOST组织（MediaOrientedSystemsTransport（MOST）Cooperation）所缔结的新一代网络传输协议，从字面意义上就可以看出，MOST总线是面向媒体内容传输的网络总线，主要用来传输车载娱乐系统的音频、视频与导航数据信息。
从图四可以看出，MOST总线有着独特的环形结构。
MOST网络的传播介质也与其他几种类型的网络不同，不是CAN总线标志性的双绞线，而是采用光纤电缆进行数据的交换。
有关MOST总线的详细内容，在后面的章节中也会做详细介绍。
4.网关Gateway
如图11-9、图11-10所示，网关也经常被叫做网络接口（interface），是各种总线网络之间进行数据交换的“中转枢纽”，因为每个总线网络之的数据传输协议各不相同，好比是火车只能在铁轨上奔跑，而不能在公路上或者是山区的小路上运行一样。
以倒车辅助系统工作原理为例：
车主在挂倒档的同时，换挡杆CM（37）通过G-CAN将R档信号发送至TCM（42），位于A-CAN上的TCM无法直接把R档信号传输给倒车影像CM（49），需要先将R档信号发送至网关，经过网关的数据协议转换，才能发送至D-CAN上。
位于D-CAN上的倒车影像这个时候才能够收到换挡杆CM发出的R档信号，开始工作。
倒车影像系统采集到的图像内容也不能之间发送至位于MOST网络上的中央显示屏，同样也必须经过网关的协议转换，才能发生至MOST网络上。
这个时候，中央显示屏才能够显示倒车影像。
网关除了担负各网络之间的数据传输之外，还有其他职能，在后面的章节中还会做更详细的介绍。
1-网关2-舒适总线（K-CAN）3-诊断总线（Diag-CAN）4-显示总线（D-CAN）5-MOST总线6-LIN总线7-车载电流监控系统8-发电机9-FlexRay10-动力总线（A-CAN）
图11-9网关结构
1-32针脚电气插头2-2针脚MOST插头
图11-10网关控制单元
如图11-11所示，网关同时还担任着MOST网络的主机的职责，负责MOST网络的唤醒/休眠以及诊断工作。
1-信息娱乐系统总单元2-DVD换碟机3-仪表板显示单元DIP4-TV调谐5-收音机单元6-后座娱乐系统RSE7-音频功率放大器8-MOST环形结构与网关接口
图11-11网关担任MOST网络的主机
11.3LIN总线
11.3.1LIN总线结构
1-A/C控制器（LIN主机）2-前挡风玻璃加热3-PTC加热（LIN从机）4-PTC加热（LIN从机）5-太阳能天窗马达（LIN从机）6-前部车身控制单元（LIN从机）7-鼓风机（LIN从机）
图11-12典型LIN总线结构
LIN全称LocalInterconnectNetwork，表示局域内部网络，也常常被叫做内部子系统，见图22-12。
从控制单元的在实车上的布置来看，也常常集中在车辆的某一部分（比如：
车顶）。
不同的LIN系统之间的数据交换，还是得依靠连接到CAN网络上的某一控制单元来完成。
作为单线制的通信载体，LIN线束有其独特的线束颜色，主色为紫色，辅色不确定。
线束直径0.35mm2，无屏蔽线包裹。
一个完整的LIN控制系统内，一台主控制单元最多可以管理16台附属控制单元。
1.LIN主控制单元
1-网关2-LIN主控制单元3-LIN附属控制单元14-LIN附属控制单元25-诊断接口OBD-II6-诊断CAN
图11-13LIN主机控制单元在LIN网络上的位置
如图11-13所示，LIN系统中，只有LIN主控制单元连接到CAN总线上，以实现数据交换。
它的功能包括：
1）监控数据传输以及数据传输的速率。
LIN主控制单元可以向附属控制单元发出指令。
2）LIN控制单元内置程序可以区别出什么信息以及何时将该信息向下扩散至所主管的LIN网络。
3）执行其所在LIN网络内其他控制单元与CAN网络的信息转译功能。
4）执行其所在LIN网络内其他附属控制单元的诊断功能。
2.LIN附属控制单元
1-传感器2-LIN从机3-LIN主机4-执行器
图11-14LIN从机
如图11-14所示，无论是单个的控制单元，比如鼓风机，还是传感器、执行器，比如倾斜传感器或防盗蜂鸣器，都可以作为LIN从机，被整合进某一个LIN数据系统。
传感器元件处理测量到的数值，形成数据后，以数字信号的形式发送至LIN网络。
但对于主控制单元而言，只需要一个插头针脚，就可以控制多个传感器或是执行器。
在LIN网络内，传感器或是执行器只能接受LIN主控制单元发出的指令，而不能对LIN主控制单元下达指令。
11.3.2LIN总线工作原理
1.数据传输
图11-15LIN主机、从机之间的数据传输
1）最大传输速率20Kb/s
LIN控制单元将数据传输速率限制在在1-20Kb/s之间，相当于舒适CAN网络传输速率的五分之一，见图11-15。
2）信号波形
1-波峰或者高电平2-波谷或者叫低电平
图11-16LIN总线信号波形图
如图11-16所示，波峰表示在LIN数据网络无信息传输或者是高电平信号时，LIN网络上的电压相当于电瓶电压。
波谷表示LIN网络上有低电平信号，由控制单元内的转换器控制LIN数据总线接地。
不同的控制单元由于转换器的设计不同，高电平的具体电压数值也不同。
3）信号电压阈值
1-电瓶电压2-80%3-20%4-电瓶负极电压5-高电平极大值6-低电平极小值
图11-17信号电压阈值示意图
1-电瓶电压2-60%3-40%4-电瓶负极电压5-高电平极大值6-低电平极小值
图11-18信号电压接受范围
如图11-17、图11-18所示，高电平与低电瓶都有一定的阈值，这样可以保证数据传输的稳定性。
考虑到有外界干扰，为了获得有效信号，接收端认可的电压范围要略宽一些。
2.主机指令信号
借助指令信号里的识别段，LIN主机要求相应的LIN从机处理其发出的信号里面包含的任务。
反应信号由LIN主机发出。
1-同步间隔区段Synchbreak2-同步定界Synchdelimeter3-同步区段Synchfield
4-识别区段Identifierfield
图11-19主机指令信号组成
指令由LIN主机往复循环得发出。
如图11-19所示可以划分为4段：
同步间隔区段、同步定界、同步区段、识别区段4个区段。
1）同步间隔区段
同步间隔区段是一段至少有13个字节长度的低电平区段。
独一无二的13字节长度对于所有的LIN从机来说，就预示着来自LIN主机的信息紧随其后。
而其他信息的低电平区段长度至多9个字节。
2）同步定界
同步定界是一个至少1个字节长度的高电平（电瓶电压）。
3）同步区段
同步区段有一定的字节顺序。
同步区段可以实现所有的LIN从机的系统时钟与LIN主机的系统时间同步。
所有控制单元时钟同步对于进行准确的信息交换相当关键。
如果不同步，那么接收讯息的模块就会将字节值插入到不正确的位置。
数据传输就会发生错误。
4）识别区段
识别区段也有8个字节的长度。
起始的6个字节包含身份信息以及反应数据区段的数量。
反应数据区段的数量在0-8个。
末尾两个字节包含了前6个字节传输错误的检验码。
如果识别区段传输错误的话，检验码可以用来阻止不正确信息的发出。
3.从机反应信号
1-空调操作显示单元2-前挡加热3-鼓风机实际转速信号4-速度-150rpm5-LIN主机对鼓风机转速的询问
图11-20LIN主机对从机的问询
如图11-20所示，LIN从机对主机的询问作出回应时，将会发出带有识别区段的信息。
在LIN主机再次发出指令数据中，包含识别区段与应答信息。
相应的LIN从机处理这些信息后，执行相应的功能。
图11-21应答区段
如图11-21所示，应答区段一般包括1至8个数据块。
每个数据块由10个字位组成，包函一个低电平起始位，一个数字字节和一个高电平终止位。
起始与终止位用来进行后同步以避免传输错误的产生。
4.信息的排列
1-高电平2-主机信息3-从机信息（低电平水平不同）4-无应答的空指令5-低电平
图11-22信息的排列
如图11-22所示，LIN主机发出主机讯息时，按照内部预设的程序，循环往复的发出指令与应答信号。
一般地，主机需要的讯息会被要求发送几次。
影响主机的状态会改变信息发送的次序。
为降低LIN主机的元件选项，主机发出的指令是针对一台功能全部配置的车辆的，如果某些功能在该车上没有选配，那么在波形图上显示的指令将不带有应答信息。
这对整个系统的运行并无影响。
5.LIN总线应用--防盗系统
1-中控门锁2-车辆电气系统3-系统外操作4-笔记本5-车库门自动开启控制单元6-来自笔记本的数据不被接受7-中控门锁控制单元
图11-23LIN总线应用--防盗系统
如图11-23所示，只有主机发出的带有正确识别区段的指令才会被LIN总线系统接收。
LIN主机特有的监控LIN网络内信息传输的功能将拒绝来自LIN线束以外的操纵信号。
LIN从机只有执行而无发出指令的功能。
比如说，LIN网络无法打开位于CAN网络上的中控门锁。
这种指令不能逆向发送的方式使得LIN从机可以在车辆的外部可以放心使用（如位于车辆前保险杠的车库门自控开启控制单元。
11.3.3诊断
LIN网络的诊断功能由LIN主机发出指令，LIN从机可以执行自诊断功能，诊断数据由LIN从机发送到LIN主机上。
表11-4LIN网络的故障诊断
故障位置
故障描述
发生故障的可能原因
LIN从机-比如说鼓风机
无信号/无法通讯
在LIN主机预设的时间内，没有收到LIN从机的信息；线束开路或短路；LIN从机供电故障；错误的LIN主机或从机功能配置；LIN从机内部故障
LIN从机-比如说鼓风机
不可靠信号
校验码错误，传输信息不完整；电磁干扰；LIN电线阻值或电容发生变化（例如线束插头处潮湿、较脏）；软件版本的问题
11.4CAN总线
CAN总线是控制模块之间进行信息传输的一种方式，它将形式各异的控制模块整合起来，形成一个系统。
最简单的动力总线包括以下组件：
1）发动机控制模块ECM
2）自动变速箱控制模块TCM
3）防抱死制动系统ABSCM
最简单的舒适系统包括以下组件：
1）中央控制模块
2）门控制模块
11.4.1CAN数据总线组成
图11-24CAN总线组成
如图11-24所示，CAN数据总线包含一个控制器，一个收发器，两个终端电阻以及两根数据导线。
除了数据导线外，其他组件均位于控制模块内部。
1.CAN控制器
CAN控制器将控制模块内部的数据信息进行处理，将处理过得信息传递到CAN收发器。
同样，也承担着将从CAN收发器接收到的信息进行处理后，传递到控制模块内部的任务。
2.CAN收发器
CAN收发器，顾名思义，由接收器与发射器组成。
它将CAN控制器提供的的数据信息转变成电信号，并发送至CAN数据总线中去。
同样，也承担着将从数据总线上接收到的信息传递至CAN控制器的任务。
3.终端电阻
终端电阻是一个固定阻值的电阻元件，可以阻止信息在总线终端被反射会数据总线上，形成“回音”，破坏数据的传输。
数据导线是数据传输的载体，并且可以双向传输。
根据工作电压的不同，分为CAN高线（CANHigh）与CAN低线（CANLow）。
在数据总线上传输的信息并没有指定的接受者。
信息一旦发送至数据总线上，总线上所有的控制模块都将能够收到该信息，并且会对该信息进行评估是否有用。
11.4.2CAN总线工作原理
1.数据传输过程
数据在CAN总线上的传输包括发送、接收、检查、接受等过程。
图11-25CAN总线上数据传输过程
如图11-25所示，控制模块2发送数据信息至数据总线上，其他3个控制模块均会收到该信息，控制模块1与控制模块4对该数据信息检查后发现该数据是重要的，于是接受该信息，控制模块3对该信息检查后发现该信息对于它来说是无用的，于是忽略该信息。
2.数据内容
CAN数据总线几乎一刻不停地，按照固定的通讯协议（DataProtocol），在控制模块之间进行数据的传输。
车载CAN总线数据协议指的是，在不同的车载控制模块之间，事先约定好使用同一种程序语言进行数据交换与传输活动。
通俗的讲，即控制模块之间全部使用“普通话”进行日常对话。
主要用来保证与限定车载控制模块之间“对话方式”、“对话内容”、“对话时间”，能够按照固定的程序模式进行，让不同的控制模块之间在同一种语言环境下，能够“听得懂”对方的语言。
如图11-26所示，按照数据协议的要求，CAN总线上传输的数据最小单位为一个数据区域（datafield），由起始域、状态域、检查域、数据域、安全域、确认域、终止域共7部分组成。
由于前后顺序固定不变，也可以称做为一个协议单位。
图11-26数据区域组成
1）起始域
标记着数据区域起始端，仅有一个字节的长度，由控制模块发射器向CANHigh线上发送一个5V左右高电平字节，和向CANLow线发送一个OV左右低电平字节组成。
2）状态域
决定了该数据区段的传输优先权的高低。
在CAN总线上，不同的控制模块，其发送数据信息的优先顺序也不同。
如果两个控制模块同时发送数据信息，那么优先权高的控制模块可以优先发送数据至CAN总线。
比如说，如果发动机控制模块发送水温信号的同时，ABS控制模块发送车轮转速信号，由于车轮转速信号需要更快速的传播出去，那么将会被优先发送。
3）检查域
包含数据域所发送数据的信息数量或者说是信息条数。
如果把数据域比作是一个集装箱，那么检查域就相当于是一个“装货清单”。
CAN总线上的所有控制模块接收到该信息后，仔细阅读“装货清单”，以确定数据域所承载的信息总量。
4）数据域
包含了多条数据信息
5）安全域
用来检查传输过程发生的错误。
6）确认域
接收器向信息发射器发出的“货物已收”信息。
如果接受过程中发生了错误，那么接收器就会立即向信息发射器反馈该情况。
发射器将再次发生该数据区段。
7）终止域
标志着数据区段的终端。
3.数据区段
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