1、,第四章 现代汽车科技,4.2 汽车网络化,4.2 汽车网络化,CAN总线（CAN-BUS）随着电控单元在汽车中的应用越来越多，车载电子设备间的数据通信变得越来越重要，以分布式控制系统为基础构造汽车车载电子网络系统是很有必要的。大量数据的快速交换、高可靠性及廉价性是对汽车电子网络系统的要求。在该网络系统中，各处理机独立运行，控制改善汽车某一方面的性能，同时在其它处理机需要时提供数据服务。汽车内部网络的构成主要依靠总线传输技术。,4.2 汽车网络化,CAN总线（CAN-BUS）汽车总线传输是通过某种通讯协议将汽车中各种电控单元、智能传感器、智能仪表等联接起来，从而构成的汽车内部网络。其优点有：l
2、）减少了线束的数量和线束的容积，提高了电子系统的可靠性和可维护性。2）采用通用传感器，达到数据共享的目的。3）改善了系统的灵活性，即通过系统的软件可以实现系统功能的变化。,4.2 汽车网络化,CAN总线（CAN-BUS）,4.2 汽车网络化,CAN总线（CAN-BUS）,4.2 汽车网络化,CAN总线（CAN-BUS）CAN总线是德国博世公司在20世纪80年代初开发的一种串行数据通讯协议。它的短帧数据结构、非破坏性总线仲裁技术以及灵活的通讯方式使CAN总线具有很高的可靠性和抗干扰性，满足了汽车对总线的实时性和可靠性的要求。前，国外的汽车总线技术已经十分成熟，并已在汽车上推广应用。国内引进技术生
3、产的奥迪A 6车型已于2000年起采用总线替代原有线束，帕萨特B5、宝来、波罗、菲亚特的派立奥、西耶那、哈飞赛马等车型都不同程度地使用了CAN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。2005年CAN占据整个汽车网络协议市场的63。在欧洲，基于CAN的网络也占有了大约88%的市场。目前使用CAN总线网络的汽车大多具有两条或两条以上总线，一条是动力CAN总线，主要包括发动机、ABS和自动变速器三个节点，通信速率一般为500kbps；另一条是舒适CAN总线，主要包括中央控制器和四个门模块，通信速率一般为62.55kbps或100kbps。,4.2 汽车网络化,局部连接网络（LIN
4、）汽车电子行业最大的热点之一是LIN，网络化。为了提供安全、可靠和舒适的车内系统，汽车制造商们将使用更多的嵌入式控制器。而这一发展趋势使得CAN、LIN、MOST等网络总线在汽车中的应用日趋升级。同时，车内通信系统也变得非常重要，汽车制造商试图采用本地互连网（LIN）和控制器局域网（CAN）将车内各个控制单元互连起来，从而满足市场需要。,LIN在汽车上的典型应用领域,4.2 汽车网络化,局部连接网络（LIN）LIN总线是针对低成本应用而开发的汽车串行协议。它对现有CAN网络进行了补充，支持车内的分层式网络。本协议是简单的主/从配置，主要流程在主节点上完成。为了减少成本，从节点应当尽量简单。 L
5、IN总线是主从协议，总线中的所有数据传输都由主节点发起。现在有两种完全不同的方法可以将数据传输到从节点，即主-从传输（主节点中的从任务传输数据）或从-从传输（主节点发送帧头，从某个从节点传输数据，然后由另一从节点接收该数据）。这两种方法具有不同的优势和劣势。 使用LIN协议的信息传输定时是可以预测的。该协议是时间触发型，不需要总线仲裁，同样可以计算每条信息帧在最差环境的定时。每条信息帧的传输都由主节点上执行的调度表控制。调度表在既定时间传输信息帧帧头。,4.2 汽车网络化,局部连接网络（LIN）网络实施1、单个LIN网络（多个门节点）在这类网络中，车身控制器模块(BCM)将通过单个LIN网络与
6、其他所有节点相连。这类网络具有非常直接的结构体系，LIN连接有效地取代了CAN解决方案。这是一个能降低成本的解决方案，因为它不需要任何CAN节点。BCM是LIN网络的主节点，所有LIN节点都可以接入LIN网络上传输的所有信息。采用该种解决方案，网络上通常拥有5个LIN节点。减少节点数量和定义初始信息传输方法使网络更直接有效。这类网络信息流最短，从而引起的EMC问题最少。同时，流量密度的降低，还有助于减少辐射。由于所有节点都通过单线连接，接头数量减到最少，这样增加了可靠性。,4.2 汽车网络化,局部连接网络（LIN）,4.2 汽车网络化,局部连接网络（LIN）2、两个LIN网络（左边和右边）双L
7、IN网络是为了克服单个LIN网络的缺点而产生的。BCM控制两个完全独立的LIN网络，使得制定调度表变得相对简单，网络灵活性也增强，即使出现撞车事件，大部分网络仍能保持完整状态。同时采用两个完全独立的LIN网络，有利于各个网络准时进行通信。但是，这个方法仍然有几个缺点。首先，各个节点智能没有降低，仍然需要高性能的MCU。其次，尽管信息定义变得更简单，但两个网络之间的信息交换变得困难，有时比较慢。在这种配置中，虽然键盘作为LIN节点配置在网络右侧，但键盘的大量功能却需要左手方网络控制，这会导致响应时间延迟的问题。,4.2 汽车网络化,局部连接网络（LIN）具备LIN分层结构的CAN仅仅依靠LIN不
8、能克服所有的局限。LIN是作为CAN的补充，而不是彻底替换CAN。右图是CAN/LIN混合网络的解决方案。通常BCM和4个车门通过一个CAN网络连接。这是目前大量生产商采用的典型方案。这时，每个车门内的高性能控制器(MCU)。,4.2 汽车网络化,局部连接网络（LIN）随着汽车的一些智能控制功能转移到最小的节点中，对满足这样要求的小而可靠的微处理器的需求越来越多。LIN网络方案使大量节点之间的互连变得简单、经济高效，因此是理想的解决方案。通过在车内引入规格更小的单独模块，汽车生产商能够迅速修改其标准产品平台，去迎合客户的需求。,4.2 汽车网络化,基于时间触发的车上网络协议标准（flex ra
9、y）Flex ray，这是这是一种新的特别适合下一代汽车应用的网络通信系统，它采用FTD-MA的确定性访问方式，具有容错功能和确定的消息传输时间，能够满足汽车控制系统的高速率通信要求。BMW、Daimler-Chrysler、Motorola和Philips联合代发和建立了这个flex ray标准，GM公司也加入了flex ray联盟，成为其核心成员，共同致力于开发汽车分布控制系统中高速总线系统的标准。该标准不仅提高了一致性、可靠性、竞争性和效率，而且还简化了开发和使用，并降低了成本。,4.2 汽车网络化,线控技术线控又称CBW（Control By Wire）。所谓“线控”是指利用电子信息的
10、传送和电气装置的动作取代传统的机械、液压、气动装置的连接和动作，如换挡杆、油门拉线、转向机传动机构、制动油路系统等。汽车的各种操纵系统正向电子化、自动化方向发展，在未来的5-10年里，传统的汽车机械操纵系统将变成通过高速容错通信总线与高性能C P U相连的电气系统。如汽车将采用电气马达和电控信号来实现线控驾驶(steer by wire)、线控制动(brake by wire)、线控油门(throttle by wire)和线控悬架(suspension by wire)等，采用这些线控系统将完全取代现有系统中的液压和机械控制。,4.2 汽车网络化,线控技术,4.2 汽车网络化,线控技术在新一
11、代雅阁V6轿车上采用的DBW就是新技术之一。DBW是线控油门的英文缩写，也可称之为电控油门，即发动机的油门是通过电子控制的。传统的油门控制方式是驾驶员通过踩油门踏板，由油门拉索直接控制发动机油门的开合程度，从而决定加速或减速，驾驶员的动作与油门动作之间是通过拉索的机械作用联系的。而DBW将这种机械联系改为电子联系。驾驶员仍然通过踩油门踏板控制拉索。但拉索并不是直接连接到油门，而是连着一个油门踏板位置传感器，传感器将拉索的位置变化转化为电信号传送至汽车的大脑ECU(电子控制器)，ECU将收集到的相关传感器信号经过处理后发送命令至油门作动器控制模块，油门作动器控制模块再发送信号给油门作动器，从而控
12、制油门的开合程度。也就是说驾驶员的动作与油门的动作之间是通过电子元件的电信号联系的。虽然从构造上来看，DBW比传统油门控制方式复杂，但油门的控制却比传统方式精确，发动机能够根据汽车的各种行驶信息，精确调节进入气缸的燃油空气混合气，改善发动机的燃烧状况，从而大大提高了汽车的动力性和经济性。,4.2 汽车网络化,线控技术使用线控技术有以下优点，比如使用线控制动无需制动液，保护生态，减少维护；质量轻；性能高(制动响应快)；制动磨损最小(向轮胎施力更均匀)；安装测试更简单快捷(模块结构)；更稳固的电子接口；隔板间无机械联系；简单布置就能增加电子控制功能；踏板特性一致；比液压系统的元件更少等。,4.2
13、汽车网络化,光纤信息传输网络 光纤是一种将讯息从一端传送到另一端的媒介，是一条玻璃或塑胶纤维，作为让讯息通过的传输媒介。1、光纤的特性 由于光纤是一种传输媒介，它可以像一般铜缆线，传送电话通话或电脑数据等资料，所不同的是，光纤传送的是光讯号而非电讯号。因此，光纤具有很多独特的优点。1）频带宽度较大和多路、尺寸小、质量轻、能耗少。2）通过效率大、信号功率损失小、与频率的关系减弱。3）超高绝缘、不存在短路和接地问题。4) 耐腐蚀、灵敏度高。5) 能够双工传输信息、抗干扰性高（特别是对汽车车上电路的脉冲干扰）。6) 光纤允许有较高的数据传输速率和较高的信噪比带宽积，可使用于发动机实时控制、车辆状态检
14、测和通一断负载的开关控制等要求。,4.2 汽车网络化,光纤信息传输网络 光纤总线可分无源和有源两类。无源光纤总线是由光纤和光纤耦合器构成的；有源光纤总线除了光纤的耦合器以外，还增加了光中继器或光放大器以增强光信号，这种情况在有些光路损耗较大的应用场合是必要的。汽车使用的主要是无源光纤，它不能放大或产生能量。高速数据通信网络用于汽车电子控制系统，除了采用前述的金属线芯制成的双绞线等通信媒体外，光纤传输系统应用于汽车上也日趋成熟。汽车无源 (不能放大或产生能量的传输系统)光学星形网络主要由以下四部分组成:无源光学星形，光发送器 (光二极管LED)，在节点上的光接收器，节点与星形之间的发送和接收光纤
15、。汽车无源光学星形网络有双端星形、单端星形、 混合线元星形 、双锥形星形、熔丝对星形五种。,4.2 汽车网络化,光纤信息传输网络,双端星形(图a)设置有纤维缠结，将输入和输出光纤有序地连通至各个节点。图中的有效尺寸主要是指纤维缠结构成的光纤张紧区。该张紧区和有效的封装尺寸可以通过收紧路由光纤使其减小，但路由光纤的弯曲半径不能小于25mm，否则会增加光源损耗和星形接入损耗。单端星形 (图b)与双端星形相比较，输入和输出纤维与各个节点的路由简单得多。,4.2 汽车网络化,光纤信息传输网络,C）混合线元星形,混合线元星形是通过齐平式连接的纤维来向混合线元的输入和输出面散布光信号 (图c)。从任一根发
16、送光纤传送出的光被耪合到混合线元的输入侧，当光通过混合线元传播时，光源被同时均匀地散布到输出端，所有的接收光纤再在输出端耦合。,4.2 汽车网络化,光纤信息传输网络,d）双锥形星形,双锥形星形指由数根光纤重新组成交叉式的热或化学熔结，构成混合的短锥形区(图d)。光从任一根输入光纤射人短锥形区，传播到短锥形区的输出端，同时均匀地散布到输出光纤束的各根纤维上。,4.2 汽车网络化,光纤信息传输网络,e）熔丝对星形,熔丝对星形基本上是一种格栅串联的许多22耦合接头每个耦合接头由光纤柬采用热、化学或声波焊接成对，再形成一个混合区 (图e)。通过这些格栅串联的耦合接头，光从其中的一根光纤输入，然后散布至
17、全部的输出光纤。,4.2 汽车网络化,光纤信息传输网络新型汽车采用的光学星形网络类型一种是不带成簇连接的星形网络，其特征如下:5个节点都安置在座舱内;所有的节点已连成汽车的主线束，勿需成簇连接;断损的纤维只能更换不能修理；线束上两个节点之间的距离最长不超过l0m；不需作特殊的路由选择；使用NRZ信号，网络操作在IMbp，的信号传输速率。,4.2 汽车网络化,光纤信息传输网络新型汽车采用的光学星形网络类型另一种是带成簇连接的星形网络，其网络特征如下，网络要求有10个节点，其中6个 (NlN6)安置在座舱中，4个安置在发动机舱内;主线束与发动机罩下线束之间需要一组成簇连接；成簇线束的每根光纤允许维
18、修1次；节点之间的最长距离为14m；8个节点中必须的光纤路由弯曲半径不能小于10mm；网络以NRZ信号操作速率为1Mbps。,4.2 汽车网络化,汽车媒体MOST网络 MOST发展概述MOST传控网络（也可称：传控接口）的发展可追溯到1997年，MOST的技术概念来自当时MOSTCooperation公司所发起的一项非正式合作，到了1998年该公司以之前的合作为基础，结合17家国际级的汽车制造商（Carmaker）与超过50家的关键汽车组件供货商（KeyComponentSupplier），以共同研发MOST传控技术。MOST在制订上完全合乎ISO/OSI的7层数据通讯协议参考模型，而在网线连
19、接上MOST采行环状拓朴，不过在更具严苛要求的传控应用上，MOST也允许改采星状（亦称放射状）或双环状的连接组态，此外每套MOST传控网络允许最多达64个的装置（节点）连接。MOST也支持随插即用（PlugandPlay；PnP）机制，如此就可在MOST传控网络运作时直接加插装置或移除装置，增加扩充、维修及使用等各方面的便利性。,4.2 汽车网络化,汽车媒体MOST网络MOST发展概述在MOST传控网中有一个时序主控者（TimingMaster）的节点，此节点会持续地将资料讯框送入环状接线中，等于是在扮演一个资料闸门（Thegatefordata）的角色。此外，在传输的讯框中，其前段的预序（P
20、reamble）部分，或称封包档头（PacketHeader）部分将会重复地发送，与休闲中的时序受控者（TimingSlave）保持同步性。MOST的总数据传输率为24.8Mbps，这已是将音视讯的串流资料与封包传控资料一并列计，在24.8Mbps的频宽中还可区隔成60个传输信道、15个MPEG-1的视讯编码信道，这些可由传控设计者再行组态、规划与调配。值得一提的是，MOST在精省成本的努力不仅是在线路材质上，使用塑料光纤的精省法只是其一，传输方面也因为采行同步方式而不需要设置“收发缓冲”及进行“取样率转换”，如此也一样有助于成本精省。,4.2 汽车网络化,汽车媒体MOST网络MOST网络的特
21、点非常适应汽车媒体设备应用环境的需要，所以汽车行业已经把MOST技术作为将来汽车上媒体系统的一个标准。汽车生产商采用MOST主要是由于其性能可靠、成本低、系统简单、结构灵活、数据兼容性好和良好的EMI性能。使用光纤可以减少250m的线束，减轻4.5kg重量。这种结构为将来可以随时加入新媒体设备节点的结构提供了基础，而且特别适合于车上媒体设备和信息设备的声控技术应用。随着车上信息设备的不断增加，驾驶中使用这些设备的情况越来越多，通过声控系统访问这些设备是最安全和最经济的方式，被认为是将来车上设备使用的首选人机接口方式。通过MOST网络把人机语音接口与车上媒体设备、通信设备以及其他信息设备连接，是
22、实现这种车上设备语音访问技术的有效方式。图4.89是用MOST实现这种车上媒体设备、信息设备连接的示意图。,4.2 汽车网络化,汽车媒体MOST网络,车上媒体设备、信息设备的MOST结构1.计算机及键盘；2.显示器；3、9.音响；4.电视；5.无线信号发送接收器；6.卫星信号接收机；7.CD-ROM（电子地图等数据）；8.车载电话；10.语音控制输入接口；11.CD（VCD）播放机,4.2 汽车网络化,汽车媒体MOST网络MOST的强悍支持者首先是车厂（汽车制造商）部分，此方面的支持业者主要有德国的BMW（宝马）、美国的戴姆勒克莱斯勒（DaimlerChrysler，简称DC，今日已归属于德国BENZ集团之下）、美国的福特（Ford）、美国的通用汽车（GeneralMotors；GM）等。其次是一线（Tier-1）的车用电子供货商，此方面大体有德国的Bosch（博世）、美国的Delco（GM通用汽车旗下的所属部门）、日本的Denso（TOYOTA丰田汽车旗下的所属部门）、德国的Infineon（英飞凌）等。再者，车用影音设备的制造商也不容忽略，此方面包括英国苏格兰的LinnProducts（精密音响设计公司）、美国的Motorola摩托罗拉、荷兰的Philips飞利浦、日本的Sony新力索尼等业者都表态支持MOST技术。,End,
