在大众车系里.docx
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在大众车系里
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据标准SAEJ2057将汽车数据传输网划分为A、B、C三类。
为了直观地说明其网络划分，这里图3表示。
从通讯速度角度分析，随着车载多媒体和办公设备在车辆应用方面的快速发展，一种新型总线——IDB已经出现，世界各大汽车生产商对此非常关注，纷纷出台相应的研究计划。
现在已经存在能够对导航、GPS、电话、音响、电视、DVD等进行信息综合的双总线（OEM总线+IDB）样车，这些装置之间需要频繁地通讯，而且信息量巨大，原有的CAN总线或J1850总线无法满足这些装置间的通讯要求，因为传输地理信息（GI）、数字音频信息或车辆位置信息至少需要5Mbit/s的网络速度，IDB-1394可以支持100、200、400Mbit/s的通讯速度，完全可以满足高速通讯的网络需求。
CAN总线是控制策略驱动的总线，主要实现对车辆本身的控制，而IDB总线则以信息交互、共享为目的。
为实现CAN总线和IDB总线间的信息流动以及防止后者对前者产生影响，在两总线间增加网关已经成为共识。
图4为一典型的双总线结构示意图。
早在80年代，众多国际知名的汽车公司就积极致力于汽车总线技术的研究及应用，如博世的CAN、SAE的J1850、马自达的PALMNET、德国大众的ABUS、美国商用机器的AUTOCAN、ISO的VAN等。
目前，国外的汽车总线技术已经成熟，采用总线系统的车辆有BENZ、BMW、PORSCHE、ROLLSROYCE、JAGUAR、VOLVO等。
国内完全引进技术生产的奥迪A6车型已于2000年起采用总线替代原有线束，帕萨特B5、BORA、POLO、FIATPALIO和SIENA等车型也都不同程度地使用了总线技术。
此外，部分高档客车、工程机械也都开始应用总线技术。
二、汽车总线技术的特征
－设计目标
汽车总线传输必须确保以下几点：
传输信息的安全；信号的逻辑“1”明显区别于逻辑“0”；异步总线随机地传送数据；根据预先确定的优先权进行总线访问；竞争解决后获胜站点能够访问总线且继续传输信息；具有根据信息内容解决总线访问竞争的能力；总线的功能寻址和点到点寻址能力；节点在尽量小的时间内成功访问总线；最优化的传输速率（波特率）；节点的故障诊断能力；总线具有一定的可扩充性等等。
－数字信号的编码
为了保证信息传输的可靠性，对数字信号正确编码非常重要。
汽车局域网数据信号多采用脉宽调制（PWM）和不归零制（NRZ）。
PWM作为编码方案时，波特率上界为3×105kb/s，用于传输速率较低的场合。
采用NRZ进行信息传输，可以达到1Mb/s，用于传输速率较高的场合。
－网络拓扑结构
实用的汽车局域网是总线拓扑结构，如CAN、SAEJ1850、ADVANCEDPALMNET等。
其优点是：
电缆短，布线容易；总线结构简单，又是无源元件，可靠性高；易于扩充，增加新节点只需在总线的某点将其接入，如需增加长度可通过中继器加入一个附加段。
－总线访问协议
汽车总线的访问协议一般为争用协议，每个节点都能独立决定信息帧的发送。
如果同时有两个或两个以上的节点发送信息，就会出错，这就要求每个节点有能力判断冲突是否发生，发生冲突时按某个规律等待随机时间间隔后重发，以避免再发生冲突。
网络协议所使用的防冲突监听措施多为载波监听多路访问，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED、PALMNET等都采用的是：
载波监听多路访问/冲突检测+无损仲裁（CSMA/CD+NDA）。
三、汽车总线的研究重点及关键技术
汽车总线系统的研究与发展可以分为三个阶段：
第一阶段是研究汽车的基本控制系统（也称舒适总线系统），如照明、电动车窗、中央集控锁等。
第二阶段是研究汽车的主要控制系统（也称动力总线系统），如电喷ECU控制系统、ABS系统、自动变速箱等。
第三阶段是研究汽车各电子控制系统之间的综合、实时控制和信息反馈。
按照我国汽车电子技术发展规划，进入21世纪后轿车电子技术可达国外90年代水平，为了缩短同国外轿车技术水平的差距，提高自身的竞争力，单纯靠技术引进不利于发展，消化、吸收、研究和开发自己的汽车总线与网络应用系统势在比行。
目前我国的汽车总线研究和应用尚处起步阶段，而且汽车总线的应用趋势明显，现在介入该研究正是大好时机。
－汽车总线的研究重点
CAN符合ISO/OSI的参考模型，但只规定了物理层和数据链路层的协议，其应用层的协议需要用户自己定义。
支持CAN低层协议的芯片有许多，既有在片的MCU，也有片外的CAN控制器。
用户自己开发的应用层协议也有很多，如AB公司定义的DEVICENET协议就是CAN协议基础上的应用层协议，Honeywell公司推出的SDS总线也是在CAN的基础上定义了自己的应用层。
可见，汽车CAN总线的研究重点是：
针对具体的车型开发ECU的硬件和应用层的软件，并构成车内网络。
－关键技术
利用CAN总线构建一个车内网络，需要解决的关键技术问题有：
1）总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等技术问题；
2）高电磁干扰环境下的可靠数据传输；
3）确定最大传输时的延时大小；
4）网络的容错技术；
5）网络的监控和故障诊断功能；
四、各类汽车总线的特点比较
随着汽车功能的不断增加、可靠性要求的不断提高以及价格的不断下降，越来越多的电子控制单元（ECU）将被引入到汽车中。
目前，在高端汽车中一般会有50个以上的ECU。
为了使这些ECU能够在一个共同的环境下协调工作，也为了进一步降低成本，人们设计了针对汽车通信网络的总线协议。
一般来说，汽车通信网络可以划分为四个不同的领域，每个领域都有其独特的要求。
现有的主流汽车总线协议都无法适应所有的要求：
信息娱乐系统：
此领域的通信要求高速率和高带宽，有时会是无线传输，目前主流应用协议有MOST，正在推出的还有IDB-1394等；
高安全的线控系统（X-By-Wire）：
由于此领域涉及安全性很高的刹车和导向系统，所以它的通信要求高容错性、高可靠性和高实时性。
可以考虑的协议有TTCAN、FlexRay、TTP等；
车身控制系统：
在这个领域CAN协议已经有了二十多年的应用积累，其中包括传统的车身控制和传动装置控制；
低端控制系统：
此系统包括那些仅需要简单串行通信的ECU，比如控制后视镜和车门的智能传感器以及激励器等，这应该是LIN总线最适合的应用领域。
其中，控制器局域网（CAN）是最有名的、也是最早成为国际标准的汽车总线协议。
CAN协议是串行协议，能够有效地支持具有高安全等级的分布实时系统。
CAN是一个多主机系统，所以它设计了高效率的仲裁机制来解决传输冲突问题，具有高优先级的系统总能优先得到总线的使用权。
CAN还同时使用了其它一些防错手段，能够判断出错的节点并及时关闭之，这样就在很大程度上保证了总线的可靠性。
CAN的传输速率和总线长度相关，最高可以到1Mbps，一般车内使用的速率是500Kbps到200Kbps。
CAN多年来作为车身控制的主干网已经形成了从IC设计到软件开发和测试验证的完整产业链，而且它还将在新的汽车主干网行业标准确立之前一直充当这一角色。
在车内，还有许多ECU的控制并不需要CAN这样高速率和高安全的通信，本地互联网络（LIN）就是为适应这类应用而设计的低成本解决方案。
LIN是一个公开的协议，它基于SCI（UART）串行通信的格式，结合了汽车应用的特点。
LIN是单一主机系统，不但降低了硬件成本，而且在软件和系统设计上也能更容易地兼容其它网络协议，比如CAN。
LIN的传输速率最高可到20Kbps，主要是受到EMI和时钟同步的限制。
由于LIN器件易得——几乎所有的IC都带有SCI（UART）接口，LIN很快就在车内低端控制器领域取得领先地位。
典型的LIN应用有车门、后视镜、导向轮、马达、照明以及其它智能传感器。
LIN不但定义了物理层和数据层，还定义了相关的应用软件层。
这些都为LIN方案提供商解决了设备兼容的问题，很有利于汽车工业的规模生产。
相信LIN协议会是汽车低端控制网络的未来标准。
车内除了嵌入式控制系统以外，还有诸如媒体播放器、导航系统、无线通信系统以及其他多种信息娱乐设备，这些设备之间的互连需要更高速的通信协议。
媒体导向系统传输协议（MOST）是目前车载信息娱乐系统普遍接受的高速通信协议。
MOST基于ISO/OSI七层网络模型设计，物理层由光纤通信组件构成，具有很好的抗干扰性，设计传输速率可达150Mbps（目前产品可达25Mbps）。
除了控制数据外，MOST数据可分为同步传输数据和异步传输数据，具有很大的灵活性——同步数据可直接用于音视频设备，异步数据可用于传输其它数据块，如导航地图数据等，甚至也可用于支持TCP/IP数据包的传输。
MOST还定义了应用层，包括MOST设备、功能块、功能函数以及参数格式等等，这些协议可以确保各个厂家生产的设备具有MOST互联性，也有利于车内信息娱乐设备的及时更新换代。
IDB-1394是从IEEE1394标准演化而来的另一种支持车内信息娱乐系统的高速通信协议。
IDB-1394可以达到400Mbps或更高的传输速率，而且IEEE1394也是一种很成熟的通信协议，已经有很多设备支持。
这些都是IDB-1394的优势，然而由于MOST受到更多厂商的支持，包括一些软件开发商的支持，可以预计MOST将会在汽车工业中进一步扩张势力。
汽车线控系统，按照汽车工程师社团（SAE）的定义，需要一个安全等级为C的通信网络架构。
如果要实现一个完全的线控汽车，没有传统的机械或液压系统作备份，不但要对传统的机械和液压单元作创新性的ECU替代，而且传统的CAN总线系统也不再适用。
CAN的本质是一种事件驱动的协议，在高安全性的系统中，CAN缺乏必要的决定性、同步性和容错性。
因此人们开始为线控汽车设计满足安全性要求的新一代汽车主干通信网络。
TTCAN、FlexRay和TTP就是其中的主要代表，它们无一例外地都采用了时间驱动的机制。
在时间驱动的系统里，信息的发送由预先设立好的时间表确定，所有的节点都知道什莫时间该发送，什莫时间该收取；信息收发的不确定性仅仅是时间同步的误差，而这个误差通常可以控制在非常小的范围内。
这一特点使时间驱动的通信网络成为线控汽车通信网络的必然选择。
TTCAN由CAN发展而来，数据格式和CAN兼容。
它定义了一个时间周期，在此周期内又有多个时间间隔，有些时间间隔专用于特定的网络节点（无需仲裁），其余间隔类似普通的CAN协议。
其特点是保留了和传统CAN网络的兼容，同时又具有时间驱动的优点。
然而，TTCAN不能提供比CAN更高的传输速率，在容错性方面也没有明确的设计说明。
FlexRay协议将其时间周期分为静态段和动态段两个部分。
静态段采用TDMA方式传输时间驱动类型的数据，动态段采用Mini-Slot方式传输事件驱动类型的数据。
在安全性方面，FlexRay采用冗余通道的方式确保数据正确传输，而其它的容错机制并没有直接在协议中明确说明，而交由应用提供者自己设计。
这种方法有很大的设计灵活性，然而会由此产生安全隐患以及兼容性问题。
TTP协议对所有的节点采用TDMA的网络通道分配方式，即所有节点在一个周期内都会传输数据至少一次。
整个系统采用统一的时间标准，所有的节点都存有预先定义的时间表，一旦传输数据和时间表发生冲突则认为节点错误。
只要一个节点有一次错误，那末该节点将退出通信网络，确保网络不受错误节点的干扰。
TTP将网络成员检查服务也定义在协议中，确保网络中没有可疑的节点。
这些虽然限制了该协议的灵活性，但确保了它的高安全性。
可以看到TTCAN由于受到带宽等的限制，将不会在下一代线控汽车主干网中占有主导地位。
FlexRay和TTP都可以使用虚拟CAN通道技术来兼容现有的CAN网络和器件，而两者在安全性和灵活性方面各有优缺点。
因为汽车工业的规模化和线控器件的兼容性，双标准并存的状况一定会影响下一代线控汽车的发展。
虽然有研究表明TTP节点会具有更低的制造和实现成本，而且TTP也已经在汽车和航空业中得到应用，但是推广FlexRay的企业巨头的影响力决不容忽视。
或许下一代汽车通信主干网的决定因素不是技术而是政治。
五、CAN总线设计详解
CAN总线是德国BOSCH公司在20世纪80年代初，为了解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议。
它的短帧数据结构、非破坏性总线性仲裁技术以及灵活的通讯方式适应了汽车的实时性和可靠性要求。
汽车CAN总线的技术背景来源于工业现场总线和计算机局域网这样非常成熟的技术，因此具有很高的可靠性，抗干扰性。
CAN总线的特点
CAN作为一种多主总线，支持分布式实时控制的通讯网络。
其通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。
在汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中，总线的位速率最大可达1Mbit/s。
CAN总线属于总线式串行通讯网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通讯总线相比，CAN总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
其特点可以概括如下：
1）CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。
利用这一点可方便地构成多机备份系统。
2）CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134us内得到传输。
3）CAN采用非破坏性总线性仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。
尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况（以太网则可能）。
4）CAN只需通过帧滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接受数据，无需专门的“调度”。
5）CAN采用NRZ编码，直接通信距离最远可达10km（速率5kbps）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。
6）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；标示符可达2032种（CAN2.0A）,而扩展标准（CAN2.0B）的标示符几乎不受限制。
7）采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。
8）CAN的每帧信息都有CRC效验及其他检错措施，保证数据出错率极低。
9）CAN的通信介质可为双铰线、同轴电缆或光纤，选择灵活。
10）CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。
CAN总线技术的优点
国内汽车品牌中已经有几款车型应用了总线技术，这些技术完全来自国外。
目前应用总线的国产车中大多采用两套独立的CAN总线：
一套是动力CAN数据传输系统，另一套是舒适CAN数据传输系统。
使用CAN总线后，对其优点进行了总结，得出以下结论：
1）如果数据扩展以增加新的信息，只需升级软件即可。
2）控制单元对所传输的信息进行实时检测，检测到故障后存储故障码。
3）使用小型控制单元及小型控制单元插孔可节省空间。
4）使传感器信号线减至最少，控制单元可做到高速数据传输。
5）CAN总线符合国际标准，因此可应用不同型号控制单元间的数据传输。
汽车CAN总线的节点设计
1CAN节点ECU的设计（硬件）
汽车节点ECU的开发可以选择带有在片CAN的微控制器，也可以选择其它微控制器和相应的片外CAN控制器、收发器。
本文以后者为例说明ECU的开发。
带有CAN接口的ECU设计是总线开发的核心与关键，其中ECU的CAN总线模块有几个功能单元构成——CAN控制器和CAN收发器。
CAN控制器执行完整的CAN协议，完成通讯功能，包括信息缓冲和接收滤波。
CAN控制器与物理总线之间需要一个接口——CAN收发器，它实现CAN控制器与总线之间逻辑电平信号的转换。
CAN控制器和收发器完成CAN物理层和逻辑电路层的所有功能。
应用层的功能则由软件来实现。
各节点的ECU主要由MCU、DSP、CAN控制器SJA1000、CAN收发器PCA2C250和其它外围器件构成。
图5给出一个由51单片机开发CAN节点的原理图（图中省略了SJA1000与PCA2C250之间的光耦等细节），完全可以说明带CAN接口ECU设计的原理。
2CAN网络通讯的实现（软件）
CAN设计的三层结构模型为：
物理层、数据链路层和应用层。
物理层和数据链路层的功能由CAN接口器件完成，包括硬件电路和通讯协议两部分。
CAN通讯协议规定了四种不同用处的网络通讯帧，即数据帧、远程帧、错误指示帧和超载帧。
CAN通讯协议的实现，包括各种通讯帧的组织和发送，均是由集成在SJA1000通讯控制器中的电路实现的，因此系统的开发主要在应用层的设计上。
应用层软件的核心部分是CPU与SJA1000通讯控制器之间的数据接收和发送程序，即CPU把待发的数据发给SJA1000通讯控制器，再由SJA1000通讯控制器发到总线上；当SJA1000通讯控制器从总线接受到数据后，CPU再把数据取走。
对于单片机而言，操作SJA1000就象访问外部RAM一样简单。
首先，应对SJA1000中的有关控制寄存器写入控制字，进行初始化。
之后，CPU即可通过SJA1000接收/发送缓冲区向物理总线接收和发送数据。
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