浅析汽车总线技术.docx
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浅析汽车总线技术
浅析汽车总线技术
浅析汽车总线技术
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出处:
OneTwoFree.Sp
【论文摘要】
本文从不同角度分析了汽车总线技术的发展趋势，探讨汽车总线传输应满足的技术要求，并详细论述汽车CAN总线的优点和特点，指出汽车总线研究的重点和关键技术问题。
一、汽车总线概述
1．汽车总线技术的发展
随着车用电气设备越来越多，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力，使汽车电气系统形成一个复杂的大系统，并且都集中在驾驶室控制。
另外，随着近年来ITS的发展，以3G（GPS、GIS和GSM）为代表的新型电子通讯产品的出现，它对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求。
从布线角度分析，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。
据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达2000米，电气节点达1500个，而且，根据统计，该数字大约每十年增长1倍，从而加剧了粗大的线束与汽车有限的可用空间之间的矛盾。
无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都将不能适应汽车的发展。
下图1、图2分别为相同节点的传统点对点通讯方式和使用CAN总线的通讯方式，从图可以直观地比较线束的变化（图中节点之间的连线仅表示节点间存在的信息交换，并不代表线束的多少）。
图1传统的节点通讯方式
图2CAN总线通讯方式
电控燃油喷射系统、电控传动系统、防抱死制动系统（ABS）、防滑控制系统（ASR）、废气再循环控制、巡航系统和空调系统。
为了满足各子系统的实时性要求，有必要对汽车公共数据实行共享，如发动机转速、车轮转速、油门踏板位置等。
但每个控制单元对实时性的要求是因数据的更新速率和控制周期不同而不同的。
这就要求其数据交换网是基于优先劝竞争的模式，且本身具有较高的通信速率，CAN总线正是为满足这些要求而设计的。
美国汽车工程师协会（SAE）车辆网络委员会根据标准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、RORSCHE、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。
2．汽车总线技术的特征
2.1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。
2.2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。
2.3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。
2.4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）。
二、汽车CAN总线
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。
1．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。
2．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。
3．汽车CAN总线的节点设计
3．1CAN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。
3．2CAN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。
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。
1．汽车总线的研究重点
由于我国的车型以欧美车型为主，且欧美车型又以CAN总线为主流，目前国内使用总线技术的车型几乎全部使用CAN总线，因此汽车总线的研发应该结合国内外实际情况选用CAN总线。
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。
2．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：
a）总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等技术问题；
b）高电磁干扰环境下的可靠数据传输；
c）确定最大传输时的延时大小；
d）网络的容错技术；
e）网络的监控和故障诊断功能；
四、结论
技术的先进性是总线在汽车上应用的最大动力，也是汽车生产商竟相应用总线的主要原因，汽车总线的普及和发展是大势所趋，是提高汽车性能的一条很好途径。
参考文献
1．马安丽等，汽车网络总线技术发展分析，汽车科技，2002.3
2．刘录秀译，国外车用CAN——数据总线，重庆重汽科技，2001.4
3．刘新亮等，汽车电器网络设计研究，汽车电器，Vol.5，1998。
4．邬宽明，CAN总线原理和应用系统设计，北京航空航天大学出版社，20
汽车总线技术走向成熟
时间：
2005年5月8日16:
48
随着电子技术在汽车中的拓展，特别是在20世纪80年代以后，MCU/MPU在汽车中得到了广泛应用，出现了基于数据通讯的车载网络，这为提高汽车性能和减少线束数量提供了有效的解决途径。
在各种数据通信方式中最常见的是UART，因此最早的车载网络是在UART的基础上建立的。
UART在汽车中的成功应用，标志着汽车电子开始走向成熟，并逐步迈向网络化。
TTCAN改善CAN实时性
由于汽车对电子部件在可靠性、工作温度、成本等方面的特殊要求，通用MCU/MPU集成的UART逐渐不能适应汽车发展的新要求。
于是在20世纪80年代初，各大汽车公司开始研制适用汽车内部信息交互的专用通信方式。
博世公司推出的CAN（控制区域网络）总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性，因而得到了业界的广泛认同，并在1993年正式成为国际标准和行业标准。
以CAN为代表的总线技术在汽车的应用不但减少了车身线束，也提高了汽车的可靠性。
据Strategy Analytics公司统计，2001年用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个。
为了调查汽车总线在中国的实际应用情况，笔者曾在2003年12月到北京车市现场统计了当时售价在8万元～20万元之间的轿车采用总线技术的情况（表1）。
尽管统计不完全，但表1所列出的车型已超过了2002年到2003年两年新下线、价格在8万元～20万元之间车型的40%以上。
从表1可看出，汽车总线在中国生产的普及型轿车中所占的比重如此之大，说明总线技术在轿车中已经很成熟，而不再是高档轿车的独享技术。
而赛弗CC6450BY采用了CAN总线，进一步说明汽车总线技术已开始融入中国自有品牌的轿车当中。
同时表1还说明CAN总线已成为普及型轿车的主流总线技术。
当然，CAN总线技术也在不断发展。
传统的CAN是基于事件触发的，信息传输时间的不确定性和优先级反转是它固有的缺点。
为了满足汽车控制对实时性和传输消息密度不断增长的需要，改善CAN总线的实时性能非常必要。
于是，传统CAN与时间触发机制相结合产生了TTCAN（Time-Triggered CAN），ISO11898-4已包含了TTCAN。
TTCAN总线和传统CAN总线系统的区别是：
总线上不同的信息定义了不同的时间槽（Timer Slot）。
在同一时间槽内，总线上只能有一条信息传输，这样避免了总线仲裁，也保证了信息的实时性。
TTCAN系统需要全局时间同步，但采用传统CAN控制器很难实现TTCAN，因此新推出的CAN控制器如Microchip的MCP2515就增加了与TTCAN相关的硬件资源，它们在软件配合下就能实现TTCAN。
LIN适应低成本需求
电子与信息技术在汽车中的持续渗透，车用电器的电子化使CAN及UART都不能满足汽车制造业对成本的苛刻要求。
从1998年开始，由宝马、奥迪、戴姆勒-克莱斯勒、摩托罗拉和VCT等7家汽车和IC公司共同开发能满足车身电子要求的低成本串行总线技术，该技术在2000年2月完成开发，它就是LIN（Local Interconnect Net-work）。
实际上，LIN是基于UART的，它采用了主从单线方式传输，最高波特率为20Kb/s。
LIN的最大优势是低成本，它对总线上各节点的时基要求很低。
LIN虽然基于UART，它与UART的最大区别在于对各节点波特率误差的容忍度：
UART要求进行数据传输两个节点波特率的误差不大于±4%；LIN总线只要求进行数据传输两个节点波特率的误差不大于±15%。
±15%的波特率误差容忍度决定了节点上的MCU可以不用精度高、价格也相对较高的石英晶体，而采用稳定度稍差但价格十分低廉的RC电路来提供时钟。
IN价格低廉，因此它可将MCU嵌入到车身零部件中，使其成为具备网络功能的智能零部件，从而进一步减少车身线束，降低成本。
车载媒体总线技术实现信息共享
如今与现代人们生活密切相关的IT技术也不断地与汽车融合。
世界著名的汽车制造商BWM的一位高层人士曾说过：
将来汽车的平台，就是IT的平台。
作为将来的IT平台，汽车必须实现车内IT装置之间的信息共享。
以BWM为首的欧洲汽车制造商制定了车内媒体之间的互连标准MOST，以实现车内CD、GPS（全球定位系统）和TV等媒体装置之间的信息共享。
到2003年底，BWM和VW已有21个车型采用了MOST。
与欧洲汽车制造商MOST阵营相对应的是IDB-1394（见表2）。
尽管IDB-1394标准的细节正在制定之中，但由于它能够兼容IEEE1394，因而吸引了大量汽车厂商，尤其是日本汽车厂商。
预计日本车到2005年、欧洲车到2006年将陆续采用该标准。
在IDB-1394标准下，车内预留了连接汽车总线与IEEE1394规格的家电产品的CCP（Consumer Convenience Port）接口。
数码摄像机等通用的媒体装置就可通过IEEE1394连接器与CCP相连，实现通过车载显示器来观看数码摄像机所拍摄的图像。
随着蓝牙技术的发展，其相对低廉的成本和简便的使用方法得到汽车业界的认同。
移动电话与车内媒体之间的信息交互成为蓝牙技术进入汽车的突破点。
在戴姆勒-克莱斯勒推出的Uconnect蓝牙免提电话系统中，蓝牙成为移动电话与车内媒体之间进行信息交互的手段，驾驶员通过安装在挡风玻璃上的麦克风和车内音响系统的扬声器与他人通话，将驾驶员的双手从操作移动电话中解脱出来，从而保证了行车安全。
专家视点 发展车身电子及车载媒体网络是务实之策
为汽车服务的汽车电子除了动力、制动、车身外，还包括车载多媒体。
究竟哪里才是中国汽车电子OEM真正的切入点呢？
在汽车电子中，动力和制动部分的电子控制是非常复杂的系统工程，是汽车中的核心技术。
发展这些技术需长期积累，并且目前已被全球顶级汽车制造商和汽车部件供应商所垄断。
因此，中国的汽车电子OEM应该根据自身的特点，在汽车市场中寻求突破点。
除了动力和制动部分外，车身和车载多媒体仍然在汽车电子中占有很大的比重。
从市场角度来看，它处于发展阶段；从技术角度上分析，与安全和环保等涉及汽车核心技术的关系不大，但它涉及面很广，不可能被少数集团垄断。
根据中国汽车电子的现状，作为企业发展车身电子及车载多媒体，是一项务实的决策。
汽车电子涉及的是一些相对简单的控制，如汽车电动座椅、电动门窗等，但它的核心是汽车总线技术。
最近一汽与北京一家公司开发的基于LIN的车身控制系统已开始进入试验阶段。
将零部件与总线融为一体，使系统成本最低，这将给中国汽车电子和汽车零部件企业带来机遇和挑战。
汽车逐渐进入百姓之家，车载多媒体的不断发展，也将为中国的汽车电子、IT和家电制造商带来机遇。
在汽车中，将己成功应用的家电网络技术移植到汽车媒体，并且实现家庭、汽车和办公媒体三位一体，这在技术上可行，而且与车载媒体的发展目标一致。
汽车用总线技术
目前令人关注的一个动向是在汽车中使用“便携式”技术。
一个显而易见的原因是汽车用微控制器的数量在不断增加。
总线上带有这么多的器件，其消耗的功率就应尽可能地低。
因此，需用低功率（便携式）技术。
遗憾的是，便携领域与汽车领域在产品时限与设计周期上有极大的差异。
一般说来，便携式产品的时限为６～９个月，设计周期为９～１２个月。
而汽车的产品时限有几年的时间，设计周期大体上与此相同。
长设计周期导致一种总线要使用多年。
在北美汽车行业，汽车内有两类网络。
第一类是动力与传动系统网络，用来连接各个动力与传动部件，有时也包括防抱死制动系统（ABS）。
因此，通常采用高速控制器局域网（CAN）总线。
动力与传动系统的电子装置在很大程度上受IC供应商的控制，系统的差别不大。
然而，在车身系统电子装置中，那又是另外一种光景。
这是汽车制造商充分展示自我的舞台。
例如，考察一下Mercedes或ＢＭＷ，你会发现五花八门的车内气象控制装置、电话接口以及仪表总汇。
对汽车制造商来说，这是树立品牌的一项举措。
因此和动力与传动系统不同，汽车制造商对车体总线和电子装置拥有很大的控制权。
CAN最初是一种欧洲标准，此后也在美国得到普及（图1）。
其潜在的运行速率可达1Mbits/s，通常以半速率工作，以求控制射频的辐射量。
在某些场合，运行的速率甚至更低，如125Kbits/s。
第二类是车身系统电子装置。
它包括蓄电池与仪表盘电子装置一类部件。
这些装置通常是用基于J1850标准的网络连接的。
J1850总线的问世约有15年的时间。
CAN可也用于车身系统，但这是一种容错式总线。
根据定义，CAN是一种两线式总线。
总线内置容错功能，要是两条线中有一条短接至地或开路，网络切换至一线方式，继续工作。
规范要求，从２线过渡至１线期间不能丢失数据位。
为此，车身系统的物理层芯片比动力与传动设备更复杂，即便它运行在较低的速率。
但是在故障状态下，时序变得不可预测。
采用CAN，要是传输路径不通畅，最初的发送方会反复地发送消息。
由于发送方未能接收到来自接收方的应答信号，所以它知道线路发生了故障。
这就导致不可预测的时序，当然仅在故障状态下。
一个断裂的节点独占总线而不断发送消息被称为“串扰傻瓜”。
即使汽车的某些部件具有“故障－安全”功能，其它部件未必具有这种功能。
例如，安全气囊不停地进行诊断。
如果检测到故障，告警灯被接通，通知用户对它进行修理。
在此状态下安全气囊不能工作，但它不会中止汽车的运行。
对ＡＢＳ亦是如此，如果检测到故障，ＡＢＳ不能工作，但它不会中止制动器的正常工作。
-- 作者：
寒木春华
-- 发布时间：
2005-4-1512:
08:
07
--
当然，也有某些部件不具备故障－安全功能，例如方向盘。
这是真正需要容错功能的部件实例。
Motorola公司正和Mercedes与ＢＭＷ一起制订新的协议来处理这类问题。
这可能是一种时间触发系统，即便在故障状态仍保持在可预测状态。
例如，为了防止出现串扰傻瓜问题，使用单独的总线保护芯片。
芯片仅在所分配的时隙内为节点打开窗口,将消息放置在总线上。
目前已经完成该协议的初始设计。
它称为字节飞行技术，是一种安全系统用的光学网络。
协议处理安全气囊一类基本模块间的连接。
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