汽车网络技术概述全套.docx

汽车网络技术概述车辆总线是一个专门的内部通信网络，将车辆（如汽车、公共汽车、火车、工业或农业车辆、船舶或飞机）内的部件相互连接。在电子学中,总线只是一个将多个电气或电子设备连接在一起的设备。车辆控制的特殊要求，如保证信息传递、不冲突的信息、最短的传递时间、低成本、抗电磁场噪音，以及冗余路由和其他特性，都要求使用不太常见的网络协议。协议包括控制器区域网络（CAN）、本地互联网络（LIN）和其他。传统的计算机网络技术（如以太网和TCP/IP）很少使用，除非在飞机上使用ARINC664的实施方案，如航空电子全双工交换以太网。使用AFDX的飞机包括B787、A400M和A380o火车通常使用以太网共识网络（ECN）。自1996年以来在美国销售的所有汽车都被要求有一个车载诊断连接器，用于访问汽车的电子控制器。汽车网络概述车载网络技术发展的主要驱动力是电子行业的普遍进步和政府的规定,特别是在美国，为了使汽车环保而实施的规定。随着汽车排放标准的严格，如果没有车载计算设备的帮助，就不可能达到要求的控制程度。车载电子设备也对车辆性能、乘员舒适度、制造便利性和成本效益做出了巨大贡献。曾几何时，汽车收音机可能是汽车中唯一的电子设备，但现在几乎汽车的每个部件都有一些电子功能。今天车辆上的典型电子模块包括发动机控制单元（ECU）、变速器控制单元（TCU）,防抱死制动系统（ABS）和车身控制模块（BCM）。电子控制模块通常从传感器（速度、温度、压力等）获得输入，用于计算。各种执行器被用来执行模块确定的动作（打开冷却风扇、换挡等）。在车辆的正常运行过程中，各模块之间需要交换数据。例如，发动机需要告诉变速器发动机的速度是多少，而变速器需要告诉其他模块何时发生换挡。这种快速、可靠地交换数据的需要导致了作为数据交换媒介的车辆网络的发展。汽车工业很快意识到将每个模块与其他每个模块进行布线的复杂性。这样的布线设计不仅复杂，而且必须根据具体车辆所包括的模块而改变。例如，一辆没有防抱死制动模块的汽车将不得不与包括防抱死制动的汽车进行不同的布线。工业界对这个问题的答案是在汽车中建立一个中央网络。模块可以被"插入"网络，并能够与安装在网络上的任何其他模块进行通信。这种设计更容易制造，更容易维护，并提供了增加和删除选项的灵活性，而不影响整个车辆的布线结构。每个模块是车辆网络上的一个节点，控制与其功能相关的特定组件，并在必要时通过车辆网络使用标准协议与其他模块进行通信。网络并不新鲜，但它们在车辆上的应用却很新鲜。车辆的网络要求：1 .低成本2 .免受外部噪音影响3 .能够在恶劣的环境中运行4 .整体坚固性和可靠性尽管车辆网络对数据吞吐量的要求不高，但对更多车载计算的需求正在继续推动这些网络的变化，以提供模块之间更高速的通信。控制区网络包括主机到控制器传输的接收器和发射器以及计算机之间的相互联系。1.1.1 协议.物理介质和连接器有几种网络类型和协议被不同的制造商用于汽车中。许多公司正在鼓励制定一个标准的通信协议，但还没有确定下来。协议常见的车辆总线协议包括：1. A2B-（汽车音频总线）由模拟设备公司开发的音频分配协议。2. AFDX3. ARINC4294. Byteflight5. CAN-（控制器区域网络）一种廉价的低速串行总线，用于互连汽车部件6. D2B-（国内数字总线）一种高速多媒体接口7. FIexRay-一种具有安全关键特性的通用高速协议8. IDB-13949. IEBus10. I2CH.ISO9141-1/-212. J1708和J158713. J185014. J1939和ISO11783用于商业（J1939）和农业（ISO11783）车辆的CAN的改编。15. 关键词协议2000（KWP2000）-用于汽车诊断设备的协议（在串行线上或通过CAN运行）。16. LIN-（本地互联网络）一个非常低成本的车内子网络17. MOST-（面向媒体的系统传输）一个高速多媒体接口18. 多功能车辆总线-列车通信网络IEC61375的一部分。19. SMARTwireX20. SPI21. VAN-（车辆区域网络）22. UAVCAN-（非复杂应用级车用通信和网络）大多用于电动飞机、无人机、卫星和机器人。-单线-双绞线-光纤-IEEE1394- MIL-STD-1553,为用于军用航空电子设备而开发,现在也被广泛用于航天器。被米格-35采用2。- MIL-STD-1773,大致为MIL-STD-1553,采用光缆布线- 电力线通信连接器- OBD-2（16针）。此外，许多主要的汽车制造商使用他们自己专有的车辆总线标准，或在开放协议（如CAN）上叠加专有信息。- J1939（9针）。商业类车辆有I型或II型连接器，根据SAEJ1939协议支持基于CAN的通信。1.1.3协议的使用表1-1车辆信息传输协议协议/版本开始/结束年份制造商车辆类型FIexRay2008?BMWcarsFIexRay2008?VolkswagencarsFIexRay2008?DaimlerAGcarsFIexRayGeneralMotorscarsCAN1986BoschmanyMOST?Ford7BMW,Daimler7andGMcarsJ1850GMcarsJ18502008?ChryslercarsJ1850FordcarsAPCFordcarsISO-9141-I/-II2008?FordcarsVAN2000?PSAPeugeotCitroencarsVAN2008?RenaultcarsJ19392005-presentmanyheavytrucks(Class5-8)J170815871985-presentVolvoAB,mostUStruckmanufacturersheavytrucks(Class5-8)1.1.4SAE分类总线目前，绝大多数车用总线都被SAE（美国汽车工程师协会）下属的汽车网络委员会按照协议特性分为A、B、C、D四类。A类总线面向传感器或执行器管理的低速网络，它的位传输速率通常小于20KbSoA类总线以LIN（LocalInterconnectNetwork本地互联网）规范最有前途。其由摩托罗拉（Motorola）与奥迪（Audi）等知名企业联手推出的一种新型低成本的开放式串行通讯协议，主要用于车内分布式电控系统，尤其是面向智能传感器或执行器的数字化通讯场合。B类总线面向独立控制模块间信息共享的中速网络，位速一般在10125Kb/S之间。B类总线以CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网络）最为著名。CAN网络最初是BOSCH公司为欧洲汽车市场所开发的,只用于汽车内部测量和执行部件间的数据通讯,逐渐的发展完善技术和功能,1993年ISO正式颁布了道路交通运输工具一数字信息交换一高速通讯控制器局域网（CAN）国际标准（ISOII898-1）,近几年低速容错CAN的标准ISO11519-2也开始在欧洲的一些车型中得到广泛的应用。B类总线主要应用于车身电子的舒适型模块和显示仪表等设备中。C类总线面向闭环实时控制的多路传输高速网络，位速率多在125KbSIMb/S之间。C类总线主要用于车上动力系统中对通讯的实时性要求比较高的场合,主要服务于动力传递系统。在欧洲L汽车厂商大多使用"高速CAN"作为C类总线，它实际上就是ISO11898-1中位速率高于125KbS的那部分标准。美国则在卡车极其拖车、课程、建筑机械和农业动力设备中大量使用专门的通讯协议SAEJ19390D类总线面向多媒体设备、高速数据流传输的高性能网络,位速率一般在2Mb/S以上，主要用于CD等播放机和液晶显示设备。D类总线近期才被采纳入SAE对总线的分类范畴之中。其带宽范畴相当大，用到的传输介质也有好几种。其又被分为低速（IDB-C为代表）、高速（IDB-M为代表）和无线（Bluetooth蓝牙为代表）三大范畴，这里不再详细介绍。CAN总线工作原理1.2.1 控制器局域网控制器局域网(ControllerAreaNetwork,简称CAN或者CANbus)是一种功能丰富的车用总线标准。被设计用于在不需要主机(HOSt)的情况下,允许网络上的单片机和仪器相互通信。它基于消息传递协议，设计之初在车辆上采用复用通信线缆，以降低铜线使用量，后来也被其他行业所使用。CAN创建在基于信息导向传输协定的广播机制(BroadcastCommunicationMechanism)±o其根据信息的内容，利用信息标志符(MessageIdentifier,每个标志符在整个网络中独一无二)来定义内容和消息的优先顺序进行传递，而并非指派特定站点地址(StationAddress)的方式。因此，CAN拥有了良好的弹性调整能力，可以在现有网络中增加节点而不用在软、硬件上做出调整。除此之外，消息的传递不基于特殊种类的节点，增加了升级网络的便利性。1.2.2 历史罗伯特博世公司于1983年开发了控制器局域网(CANbus)o该协议于1986年美国密歇根州底特律市举行的国际汽车工程师学会(SAE)会议上正式发表。第一个CAN控制芯片，由英特尔和飞利浦生产，并且于1987年发布。世界上第一台装载了基于CAN的多重线系统的汽车是1991年推出的梅赛德斯-奔驰W140o博世公司发表了关于CAN规范的几个版本,最新的CAN2.0于1991年发布。该规范被分为两部分；A部分适用于使用11位标识符的标准格式，B部分适用于使用29位标志符的拓展格式。使用11位标识符的CAN设备一般被称作CAN2.0A,而使用29位识别码的CAN设备通常称为CAN2.0B。博世公司免费提供标准、规范和白皮书。1993年，国际标准化组织(ISO)公布了CAN标准ISolI898。后来CAN标准被重新编译分成两个部分ISO11898-1涵盖了数据链路层；ISO11898-2涵盖了高速CAN总线的物理层；ISO11898-3于晚些时候公布并且涵盖了低速CAN总线的物理层和CAN总线容错规范。物理层标准ISoll898-2和ISoll898-3并不包含在博世CAN2.0规范中，它们可以单独从ISO购买。之后，博世公司仍然积极地拓展CAN标准。2012年，博世公布CANFD1.0或称作可变数据速率的CANo这个规范使用不同的架构，允许在仲裁之后，切换至更快的比特率，传输不同的数据的长度。CANFD兼容现有的CAN2.0网络，所以新的CANFD设备能够与现有CAN设备共存于同一控制网络。CAN总线是五个使用在车载诊断(OBD)-II标准的协议的其中一个。1996年以后，所有在美国销售的汽车及轻型卡车被强制要求符合OBD-II标准。在欧盟，自2001年后销售的汽油载具及2004年后销售的柴油载具都强制规定需要符合EOBD标准。CAN总线通常应用于如下领域1. 乘用车、卡车、公共汽车（汽油车及电动车）2. 航空、航海电子仪器3. 工业自动化及机械控制4. 电梯、扶梯5. 建筑自动化6. 医疗仪器及设备7. 汽车现代的汽车可能为其子系统配备多达70个电子控制器（ECU）。最常见的控制器为发动机控制器。除此以外，变速器、安全气囊、防锁死刹车系统/ABS、定速巡航、动力方向盘、音响系统、动力车窗、车