第7章 CAN bus和汽车网络

1、工业通信网络技术和应用工业通信网络技术和应用 现场总线现场总线 主讲：莫太平主讲：莫太平 2 2 前置课程：数据通信基础、计算机网络等前置课程：数据通信基础、计算机网络等 教材教材: :许勇许勇- -工业通信技术工业通信技术- -原理与应用，西安电子原理与应用，西安电子 科技大学出版社，科技大学出版社，20201212 参考教材参考教材: :许勇许勇- -工业通信技术工业通信技术- -原理与应用，中国原理与应用，中国 电力出版社，电力出版社，2002008.98.9 参考教材：阳宪惠参考教材：阳宪惠- -网络化控制系统网络化控制系统- -现场总线技现场总线技 术，清华大学出版社，术，清华大学出

2、版社，2002009.59.5 Email: Email: Telephone: 229-1208Telephone: 229-1208 教材及参考资料教材及参考资料 3 3 主要教学内容和学时分配主要教学内容和学时分配 第第1 1章章 工业通信概论工业通信概论 第第2 2章章 数据通信原理及基础数据通信原理及基础 第第3 3章章 总线接口技术介绍总线接口技术介绍 第第4 4章章 工控机与测控仪器接口总线工控机与测控仪器接口总线 第第5 5章章 工业通信常用技术工业通信常用技术 第第6 6章章 常用的工业现场总线常用的工业现场总线

3、第第7 7章章 CAN BusCAN Bus和汽车网络和汽车网络 第第8 8章章 工业以太网技术及应用工业以太网技术及应用 4 4 第第7 7章章 汽车网络和汽车网络和CANbusCANbus 1. 1.概述概述 随着汽车功能的不断增加、可靠性要求的不断提高，汽随着汽车功能的不断增加、可靠性要求的不断提高，汽 车电子化程度越来越高。电子控制单元大量引入汽车，如电车电子化程度越来越高。电子控制单元大量引入汽车，如电 子燃油喷射装置、防抱死制动装置、安全气囊装置、电控门子燃油喷射装置、防抱死制动装置、安全气囊装置、电控门 窗装置、主动悬架等。目前，在高端汽车中一般会有窗装置、主动悬架等。目前，在高

4、端汽车中一般会有5050个以个以 上的上的ECUECU。当执行一个较复杂的控制时，需要在设备之间进。当执行一个较复杂的控制时，需要在设备之间进 行大量的数据交换。当控制系统变得复杂时，要求大批的数行大量的数据交换。当控制系统变得复杂时，要求大批的数 据信息能在不同的电子单元中共享，交换数据的信号线连接据信息能在不同的电子单元中共享，交换数据的信号线连接 将变得更复杂，同时费用将提高。将变得更复杂，同时费用将提高。 传统线束远不能满足这种需求。车辆电子系统之间如果传统线束远不能满足这种需求。车辆电子系统之间如果 通过线束进行数据传输，一般车辆车体内的线束约可达通过线束进行数据传输，一般车辆车体内

5、的线束约可达3,8003,800 米以上，重量可达米以上，重量可达70708080公斤。公斤。 解决问题的选择就是网络，在借鉴计算机网络技术和现场控解决问题的选择就是网络，在借鉴计算机网络技术和现场控 制技术基础上，开发出各种适用汽车环境的汽车网络技术。制技术基础上，开发出各种适用汽车环境的汽车网络技术。 5 5 汽车汽车技术发展的趋势技术发展的趋势 降低能耗降低能耗: : 美国和日本美国和日本: : 从内燃机到混合动力从内燃机到混合动力 欧洲欧洲: : 从汽油发动机到柴油发动机从汽油发动机到柴油发动机 燃料电池交通工具，由于成本的原因会推迟到燃料电池交通工具，由于成本的原因会推迟到20302

6、030年年. . 安全安全- -行驶安全的要求不断的增加行驶安全的要求不断的增加 动力牵引控制动力牵引控制 高档汽车将会采用新的总线标准（高档汽车将会采用新的总线标准（LAN for Xby-WireLAN for Xby-Wire ） 电子眼电子眼/ /防碰撞防碰撞/ABS/ABS 发动机防盗锁止系统（发动机防盗锁止系统（ Immobilizer Immobilizer） 舒适及便捷舒适及便捷 远程通讯（远程通讯（TelematicsTelematics） 排放标准更严格（节能减排）排放标准更严格（节能减排） 6 6 汽车排放标准介绍汽车排放标准介绍 汽车排放是指从废气中排出的汽车排放是指从

7、废气中排出的COCO（一氧化碳）、（一氧化碳）、HCHCNOxNOx （碳氢化合物和氮氧化物）、（碳氢化合物和氮氧化物）、PMPM（微粒，碳烟）等有害气体（微粒，碳烟）等有害气体 。 产生原因：产生原因：COCO是燃油氧化不完全中间产物；是燃油氧化不完全中间产物；HCHC是燃料中未是燃料中未 燃烧物质；燃烧物质；NOxNOx是燃料（汽油）燃烧中产生；是燃料（汽油）燃烧中产生；PMPM也是燃油（也是燃油（ 柴油）燃烧时缺氧产生的。柴油）燃烧时缺氧产生的。 欧洲汽车排放标准是我国借鉴的汽车排放标准，欧洲汽车排放标准是我国借鉴的汽车排放标准， 20072007年实施年实施 的国的国IIIIII相当于

8、欧相当于欧3 3，20102010年实施的国年实施的国IVIV标准相当于欧标准相当于欧4 4，欧，欧6 6将将 于于20122012年底开始执行。欧标以汽车发动机单位行驶距离的排年底开始执行。欧标以汽车发动机单位行驶距离的排 污量（污量（g/kmg/km）计算，汽车分为总质量不超过）计算，汽车分为总质量不超过35003500公斤（轻型公斤（轻型 车）和总质量超过车）和总质量超过35003500公斤（重型车）两类。公斤（重型车）两类。 美国总统美国总统0909年正式提出新的全国汽车减排节能计划，要求在年正式提出新的全国汽车减排节能计划，要求在 20162016 年前出产的轿车和卡车平均油耗达到每

9、加仑年前出产的轿车和卡车平均油耗达到每加仑35.535.5英里，同时减英里，同时减 少少30%30%的尾气排放。的尾气排放。 7 7 标准标准 如果发送了一个隐 性位(值1) ,同时在总线上监视到一个显性位(值0) ,那么本节点将失去仲 裁权, 必须停止发送数据。失去仲裁权的节点可以在当前发送完成的 时候再次尝试发送数据。具有最低数字值的标识符获得仲裁优先权。 3030 总线上的各种数据的延迟要求是不一样的，快速变化的物理总线上的各种数据的延迟要求是不一样的，快速变化的物理 量（如发送机的转速、路面的随机波动信号等）比慢时变的量（如发送机的转速、路面的随机波动信号等）比慢时变的 物理量（如温度

10、、压力等信号）要求的频率大的多。当多节物理量（如温度、压力等信号）要求的频率大的多。当多节 点同时需要访问总线，点同时需要访问总线，CANCAN控制器通过各种报文被赋予的优控制器通过各种报文被赋予的优 先权标示符及先权标示符及IDID数的大小来仲裁谁先发送（优先级以二进制数的大小来仲裁谁先发送（优先级以二进制 数表示，但不允许动态更改）。使信息近似于实时传输。数表示，但不允许动态更改）。使信息近似于实时传输。 00000 01 111111 11 Device A transmits ID = 110 0100 0111 (647 hex) Device B transmits ID = 11

11、0 1100 0111 (6C7 hex) Device B loses, and goes idle until end of frame Device A wins, and proceeds 3131 3 3）CAN CAN 的出错管理的出错管理 CAN CAN 提供了检测下列错误类型的机制提供了检测下列错误类型的机制: : 位错误。当发送器将自己发送的电平与总线上的电平相位错误。当发送器将自己发送的电平与总线上的电平相 比较比较, ,发现两者不相等时发现两者不相等时, ,出现错误出现错误; ; 应答错误。当发送器确定信息没有得到应答应答错误。当发送器确定信息没有得到应答, ,则检测到应

12、则检测到应 答错误答错误; ; 填充错误。当节点检测到填充错误。当节点检测到6 6 个相同电平值的连续位时个相同电平值的连续位时, ,则则 检测到填充错误检测到填充错误; ; CRCCRC错误。当接收器计算的错误。当接收器计算的CRC (CRC (循环冗余检查循环冗余检查) ) 值不符值不符 合发送器发送的合发送器发送的CRC CRC 值值, ,则检测到则检测到CRC CRC 错误错误; ; 格式错误。如果节点在一个必须发送预定值的区内检测格式错误。如果节点在一个必须发送预定值的区内检测 到一个非法位到一个非法位, ,则检测到格式错误。则检测到格式错误。 检测到出错的节点在下一位发送出错标志。

13、检测到出错的节点在下一位发送出错标志。 （ “位填充位填充”规则规则，在一帧中的帧起始、仲裁域、控制域、数，在一帧中的帧起始、仲裁域、控制域、数 据域和据域和CRCCRC域部分，发送器在需发送比特流中域部分，发送器在需发送比特流中5 5个具有相同数值的个具有相同数值的 连续位后自动插入一个反码位。数据帧和远程帧的其余组成部分连续位后自动插入一个反码位。数据帧和远程帧的其余组成部分 (CRC(CRC界定符、应答域和帧结束界定符、应答域和帧结束) )具有固定格式，不进行位填充。具有固定格式，不进行位填充。 ） 3232 为了尽量减小网络上故障节点的负面影响为了尽量减小网络上故障节点的负面影响, C

14、AN , CAN 定义定义 了一个故障界定状态机制。一个节点可能处于下列三了一个故障界定状态机制。一个节点可能处于下列三 种错误状态之一种错误状态之一: : 错误激活错误激活（ErrorError Active)Active)。当一个。当一个”错误激活错误激活”节点节点 检测到上述某个错误时检测到上述某个错误时, ,它将发送一个活动错误帧它将发送一个活动错误帧, ,导致导致 所有其他节点都检测到一个填充错误所有其他节点都检测到一个填充错误, ,且丢弃当前这个且丢弃当前这个 帧帧; ; 错误认可错误认可（ErrorError Positive)Positive)。当一个错误认可节点检。当一个错误

15、认可节点检 测到上述的某一个错误时测到上述的某一个错误时, ,它将发出一个认可错误帧。它将发出一个认可错误帧。 这个帧可能不会引起当前接收帧的丢弃这个帧可能不会引起当前接收帧的丢弃; ; 离线离线（BusBus Off)Off)。处于离线状态下的节点不允许对总。处于离线状态下的节点不允许对总 线有任何影响线有任何影响, ,它在逻辑上是与网络断开的。它在逻辑上是与网络断开的。 在在CAN CAN 的内部有一个发送和接收错误计数器。当检测的内部有一个发送和接收错误计数器。当检测 到一个发送或接收错误时到一个发送或接收错误时, ,错误计数器的值将按照预先错误计数器的值将按照预先 分配的不同计数值进行

16、累加。反之分配的不同计数值进行累加。反之, ,有效的接收及发送有效的接收及发送 将使这些计数器值减小将使这些计数器值减小, ,直到变成最小值直到变成最小值0 0 。通过读取。通过读取 错误计数器的值错误计数器的值,CAN ,CAN 就可以很方便地判定节点的出错就可以很方便地判定节点的出错 级别。级别。 3333 Can Can 数据帧示例数据帧示例 0 x5 .Temperature Pressure Torque . ID4 bytes2 bytes2 bytes Data 8 bytes Gearbox CAN Data Frame 0 x10 . Temperature Torque.

17、ID4 bytes2 bytes ABS CAN Data Frame Data 8 byte ( 2 bytes not used) 3434 TempPressureTorque . CAN Frames CAN bus PC CAN DAQ 3535 3.3. CANCAN总线器件总线器件 执行执行CAN CAN 协议的协议的CAN CAN 芯片可由多家制造商提供芯片可由多家制造商提供, ,比较比较 流行的是流行的是Philips Philips （ 还有还有NXPNXP），），MotorolaMotorola， MicrochipMicrochip 等等公司的产品。目前广泛流行的公司的

18、产品。目前广泛流行的CANCAN总线器件分为两总线器件分为两 大类：大类： 一类是独立的一类是独立的CANCAN控制器，如控制器，如PHILIPSPHILIPS公司的公司的82c20082c200、 及及IntelIntel公司的公司的82526/8252782526/82527等；等；82C200 (82C200 (支持支持CAN 2. 0A)CAN 2. 0A) 现在已经逐渐被新型号的现在已经逐渐被新型号的SJA1000 (SJA1000 (支持支持CAN 2. 0B)CAN 2. 0B)所取所取 代。代。 另一类是带有在片另一类是带有在片CANCAN总线的微控制器，（指包含总线的微控制器

19、，（指包含 CAN CAN 控制器的芯片）。控制器的芯片）。PhilipsPhilips半导体公司生产的半导体公司生产的CANCAN 芯片也有这种结构的。嵌入式芯片的早期代表型号为芯片也有这种结构的。嵌入式芯片的早期代表型号为 P8XC592(8 P8XC592(8 位位CPU) ,CPU) ,现在已经逐渐被新型号的现在已经逐渐被新型号的XA2C3 XA2C3 (16 (16 位位CPU) CPU) 所取代。所取代。 Motorola Motorola 半导体公司生产的半导体公司生产的CAN CAN 芯片只有这种。早期代表型号为芯片只有这种。早期代表型号为MC68HC05X4/ X16 MC6

20、8HC05X4/ X16 系系 列列(8 (8 位位CPU) ,CPU) ,现在已经逐渐被新型号的现在已经逐渐被新型号的C68HC08AZ60 C68HC08AZ60 系列系列(8 (8 位增强型位增强型CPU) CPU) 所取代。所取代。 3636 1）SJA1000-独立独立CANCAN控制器控制器 SJA1000SJA1000是独立是独立CANCAN控制器，用于汽车和一般工业环境控制器，用于汽车和一般工业环境 。是。是 PCA82C200 CANPCA82C200 CAN控制器控制器(BasicCAN)(BasicCAN)的替代产品。的替代产品。 SJA1000SJA1000有两种工作模

21、式：有两种工作模式：Basic CANBasic CAN模式和模式和PeliCANPeliCAN模模 式，式，BasicCAN BasicCAN 模式是上电后默认的操作模式因此用模式是上电后默认的操作模式因此用 A82C200 A82C200 开发的已有硬件和软件可以直接在开发的已有硬件和软件可以直接在SJA1000 SJA1000 上上 使用而不用作任何修改使用而不用作任何修改. . PeliCAN PeliCAN 模式是新的操作模式它能够处理所有模式是新的操作模式它能够处理所有CAN2.0B CAN2.0B 规范的帧类型而且它还提供一些增强功能使规范的帧类型而且它还提供一些增强功能使SJA

22、1000 SJA1000 能能 应用于更宽的领域应用于更宽的领域. . SJA1000SJA1000作为微控制器的片外扩展芯片，其片选引脚作为微控制器的片外扩展芯片，其片选引脚CSCS 接在微控制器的地址译码器上，从而决定了接在微控制器的地址译码器上，从而决定了CANCAN控制控制 器各寄存器的地址。器各寄存器的地址。 SJA1000SJA1000通过通过CANCAN控制器接口芯片控制器接口芯片82C25082C250连接在物理总连接在物理总 线上。线上。 3737 PeliCANPeliCAN模式扩展功能：模式扩展功能： PeliCANPeliCAN模式将识别码从模式将识别码从1111位扩展

23、到位扩展到2929位，适用范围更广泛；位，适用范围更广泛； 可读可读/ /写访问，可编程的错误计数器；写访问，可编程的错误计数器； 最近一次错误代码寄存器；最近一次错误代码寄存器； 对每一个对每一个CANCAN总线错误的中断；总线错误的中断； 单次发送单次发送 ( (无重发无重发) )； 只听模式只听模式 ( (无确认，无活动的出错标志无确认，无活动的出错标志) )； 支持热插拔支持热插拔 ( (软件位速率检测软件位速率检测) )； 接收过滤器扩展接收过滤器扩展 (4 (4字节代码，字节代码，4 4字节屏蔽字节屏蔽) )； 自身信息接收自身信息接收 ( (自接收请求自接收请求) )。 以上扩展

24、功能为用户更好地识别和处理发送和接收错误、更以上扩展功能为用户更好地识别和处理发送和接收错误、更 好地应用和调试好地应用和调试CANCAN控制器提供了方便。控制器提供了方便。 这两种模式可以通过时钟分频寄存器这两种模式可以通过时钟分频寄存器CDR.7CDR.7这位来进行选取（这位来进行选取（ CDR.7=0CDR.7=0为为BasicCAN ModeBasicCAN Mode；CDR.7=0CDR.7=0为为PeliCAN ModePeliCAN Mode）。）。 3838 3939 CAN 核心模块控制CAN 帧的发送和接收, 接口管理逻辑负责连 接外部主控制器, 可以是微型控制器或任何其他

25、器件. SJA1000 的发送缓冲器能够存储一个完整的报文. 当主控制器初始化时 ，发送接口管理逻辑会使CAN 核心模块从发送缓冲器读CAN 报文. 当收到一个报文时, CAN 核心模块将串行位流转换成用 于验收滤波器的并行数据. 通过这个可编程的滤波器， SJA1000 能确定主控制器要接收哪些报文。 所有收到的报文由验收滤波器验收并存储在接收FIFO 。储存报 文的多少由工作模式决定而最多能存储32 个报文。 4040 4141 CANCAN总线物理接口总线物理接口- -芯片芯片82C25082C250 由由PHILIPSPHILIPS公司设计生产，是公司设计生产，是CAN CAN 协议控

26、制器和物理协议控制器和物理 总线之间的接口。总线之间的接口。82C250 82C250 可以为总线提供不同的发送可以为总线提供不同的发送 性能，为性能，为CAN CAN 控制器提供不同的接收性能。而且它与控制器提供不同的接收性能。而且它与 “ISO11898”“ISO11898”标准完全兼容。标准完全兼容。PCA82C250PCA82C250的目的是为的目的是为 了增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护了增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护 总线，降低射频干扰（总线，降低射频干扰（RFIRFI）实现热防护等。为了进一）实现热防护等。为了进一 步提高抗干扰措施，在两个步提高抗干扰措

27、施，在两个CANCAN器件之间使用由高速器件之间使用由高速 隔离器件隔离器件6N1376N137构成的隔离电路。构成的隔离电路。 主要特性如下：主要特性如下： . .符合符合ISO/IS11898ISO/IS11898标准；标准； . . 能抗汽车环境下的瞬太干扰；能抗汽车环境下的瞬太干扰； . .具有限斜率控制，抗射频干扰；具有限斜率控制，抗射频干扰； . .差分发送差分发送/ /接收，抗电磁干扰（接收，抗电磁干扰（EMIEMI）能力强；）能力强； . .具有过热保护和短路保护；具有过热保护和短路保护； . .网络中的节点掉电不会影响整个网络的工作；网络中的节点掉电不会影响整个网络的工作；

28、. .最多可带最多可带110110个节点；个节点； 4242 4343 4444 CANCAN收发器收发器TJA1050TJA1050 TJA1050 TJA1050 是是PCA82C250/1PCA82C250/1后继产品，标准的高速后继产品，标准的高速CANCAN收收 发器。发器。TJA1050TJA1050为为CANCAN控制器提供差动接收性能。控制器提供差动接收性能。 特性：特性： 与与“ISO 11898”ISO 11898”标准完全兼容；速度可达标准完全兼容；速度可达 1Mbps1Mbps；极低的电磁辐射；极低的电磁辐射(EME)(EME)；最多可以连接；最多可以连接110110个

29、个 节点；没有供电的节点不干扰总线；对电源和地的短节点；没有供电的节点不干扰总线；对电源和地的短 路保护功能；发送数据路保护功能；发送数据(TXD)(TXD)控制超时显性功能；在汽控制超时显性功能；在汽 车环境下对总线引脚的瞬态保护；热保护。车环境下对总线引脚的瞬态保护；热保护。 优势：优势： 第一个采用第一个采用SOISOI技术降低电磁辐射；增加了防技术降低电磁辐射；增加了防 失效功能；提高了无源特性；发送禁止时为静音模式失效功能；提高了无源特性；发送禁止时为静音模式 ；输入电平与；输入电平与3.3V3.3V和和5V5V器件兼容；简单化设计减少了器件兼容；简单化设计减少了 整个系统的成本；低

30、反向电流使得节点未供电时不影整个系统的成本；低反向电流使得节点未供电时不影 响网络；具有宽共模范围的差动接收器，抗电磁干扰响网络；具有宽共模范围的差动接收器，抗电磁干扰 (EMI)(EMI)能力极强；适合用于部分供电网络中节点掉电的能力极强；适合用于部分供电网络中节点掉电的 情况情况 4545 功能框图功能框图 管脚图管脚图 相关隔离模块相关隔离模块CTM1050/1050TCTM1050/1050T 该芯片内部集成了所有该芯片内部集成了所有 必需的必需的CANCAN隔离及隔离及CANCAN收、发器件，这些都被集成在不到收、发器件，这些都被集成在不到3 3 平平 方厘米的芯片上。芯片的主要功能

31、是将方厘米的芯片上。芯片的主要功能是将CANCAN控制器的逻控制器的逻 辑电平转换为辑电平转换为CANCAN总线的差分电平并且具有总线的差分电平并且具有DC 2500VDC 2500V的隔的隔 离功能。离功能。 4646 CANCAN收发器收发器MCP2551MCP2551 vsvs TJA1050TJA1050 比较比较TJA1050TJA1050和和MCP2551MCP2551（TJA1040TJA1040性能远高，不做对比）性能远高，不做对比） ： 1. 1.最低波特率：为防止最低波特率：为防止MCUMCU的的TXDTXD管脚长时间处于低电平管脚长时间处于低电平 ，新收发器都做了最大位限

32、制（即最小波特率限制），新收发器都做了最大位限制（即最小波特率限制）， TJA1050TJA1050通常支持通常支持60K60K以上波特率（最低支持以上波特率（最低支持20K20K），而），而 MCP2551MCP2551是是16K16K以上波特率（最低支持以上波特率（最低支持5K5K）。）。TJA1050TJA1050在总在总 线错误时能更快地切断错误信号，保证正常通讯，这在汽线错误时能更快地切断错误信号，保证正常通讯，这在汽 车电子通讯中十分重要。（汽车中波特率一般是车电子通讯中十分重要。（汽车中波特率一般是100K100K、 125K125K、250K250K） 2. 2.兼容性，兼容性

33、，TJA1050TJA1050可以兼容过去的可以兼容过去的PCA82C250PCA82C250收发器，而收发器，而 MCP2551MCP2551在在PCA82C250PCA82C250系统中是不能工作的。系统中是不能工作的。TJA1050TJA1050却可却可 以兼容以兼容MCP2551MCP2551系统。系统。 3. 3. EMCEMC性能：性能：TJA1050TJA1050采用自动斜率控制，即使输出的电平采用自动斜率控制，即使输出的电平 拥有极低的电磁辐射，而拥有极低的电磁辐射，而MCP2551MCP2551却是和以前却是和以前PCA82C251PCA82C251一一 样，需要用户通过波特

34、率，来调节斜率，以使样，需要用户通过波特率，来调节斜率，以使EMIEMI通过。通过。 4747 CANCAN技术在汽车中的应用技术在汽车中的应用 随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用，汽车电子化随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用，汽车电子化 程度越来越高，程度越来越高， 电子设备大量应用，电子控制单元大量引入电子设备大量应用，电子控制单元大量引入 ，大量控制信号需要实时交换。在借鉴计算机网络技术和现场大量控制信号需要实时交换。在借鉴计算机网络技术和现场 控制技术的基础上，开发出各种汽车网络技术。控制技术的基础上，开发出各种汽车网络技术。 CANCAN总线最初就是被设计作为汽车环境

35、中的微控制器之间通总线最初就是被设计作为汽车环境中的微控制器之间通 讯的。高速讯的。高速CANCAN主要用于动力系统，主要用于动力系统， 容错容错CANCAN重要应用于对重要应用于对 于数据传输可靠性的要求较低的场合，低成本的于数据传输可靠性的要求较低的场合，低成本的LINLIN总线是总线是 CANCAN总线的扩充。利用总线的扩充。利用CANCAN总线构建车内网关键技术有：总线构建车内网关键技术有： 1) 1)总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等；总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等；2) 2)高高 电磁干扰环境下的可靠数据传输；电磁干扰环境下的可靠数据传输；3) 3)确定

36、最大传输时的延时大确定最大传输时的延时大 小；小；4) 4)网络的容错技术；网络的容错技术；5) 5)网络的监控和故障诊断功能。网络的监控和故障诊断功能。 汽车内温度变化范围大汽车内温度变化范围大(-45-100)(-45-100)，电磁干扰和其它电子噪声，电磁干扰和其它电子噪声 强，环境恶劣，网络在车内的运行可靠性尤为重要，这不但体强，环境恶劣，网络在车内的运行可靠性尤为重要，这不但体 现在网络结构自身的容错能力和抗干扰能力上，而且也体现在现在网络结构自身的容错能力和抗干扰能力上，而且也体现在 信号的编码方式和传输方式上。汽车局域网无一例外地都采用信号的编码方式和传输方式上。汽车局域网无一例

37、外地都采用 了同步串行传输方式，数据信号多采用了同步串行传输方式，数据信号多采用PWMPWM和和NRZNRZ编码，通编码，通 常位速率高于常位速率高于100kbps100kbps采用采用NRZNRZ编码，低于编码，低于100kbps100kbps采用采用PWMPWM编编 码方式。码方式。 4848 类别类别 特性特性高速高速CAN容错容错CANLIN 数据链路层标准数据链路层标准ISO11898ISO 11898-1UART/SCI串行接口 物理层标准物理层标准ISO 11898-2ISO 11898-3ISO9141 总线数目总线数目2（双绞线）2（双绞线）1 总线最大速率总线最大速率1 M

38、bps125kbps20kbps 总线通信信号总线通信信号 总线拓扑结构总线拓扑结构 总线特征总线特征 低成本的现场总线 极高的总线利用率 可靠的错误处理和检错机制 节点错误不影响整个网络通讯 多主结构依据优先权进行总线访问 通讯截止支持双绞线、同轴电缆或 光纤 更安全的现场总线 节约总线驱动力，降低功耗 引下线的长度不再受限制 一对导线上的对称信号传输 可以检测和处理各种短路和中断 可以在一条导线上进行非对称数据 传输 单线传输，成本低 支持单主机多从机 系统可靠性高 节约总线驱动力 从机可以自适应总线时钟源 增强了错误侦测能力 容易开发，缩短了上市时间 汽车应用汽车应用 发动机管理 主体总

39、线 车体电子 乘员舒适系统 车体电子 车门与车顶节点 乘员舒适系统 座位节点 座位、车门与天窗模块 开关面板 汽车方向盘 乘员舒适系统 4949 5050 4.LIN Bus LIN LIN 总线总线即即区域互连网络（区域互连网络（Local Interconnect NetworkLocal Interconnect Network），）， 是一种结构简单、配置灵活、成本低廉的新型低速串行总是一种结构简单、配置灵活、成本低廉的新型低速串行总 线。用作线。用作CANCAN等高速总线的辅助网络或子网络，在带宽等高速总线的辅助网络或子网络，在带宽低低 、功能简单、实时性要求低的场合、功能简单、实时

40、性要求低的场合（如车身电器如车身电器）使用）使用。 LINLIN基于基于UART / SCIUART / SCI接口协议接口协议，总线为主从节点构架，一个总线为主从节点构架，一个 主节点可支持主节点可支持1616个从节点；从节点中不用晶振，也能做到个从节点；从节点中不用晶振，也能做到 自同步性。电缆长度可到自同步性。电缆长度可到4040米，数据传输率可达米，数据传输率可达 20 kbps 20 kbps。 物理接口：很少物理接口：很少MCUMCU有有LINLIN硬件，大多数用硬件，大多数用SCISCI或或UARTUART来来 提供支持。因为提供支持。因为LINLIN物理层是单线物理层是单线 1

41、2V 12V总线，需要一个外部总线，需要一个外部 收发器来转换电平。如收发器来转换电平。如IMC33689IMC33689（MotoMoto）和和TLE6259-2GTLE6259-2G。 LINLIN主节点向从节点发出周期性的检测信号，结果由从节点主节点向从节点发出周期性的检测信号，结果由从节点 反馈给主控制器。总线上的所有消息以帧的形式发送，帧反馈给主控制器。总线上的所有消息以帧的形式发送，帧 由一个帧头和响应字段由一个帧头和响应字段(response field)(response field)组成。主控器件始终组成。主控器件始终 在总线上发送帧头，帧头至少由一个在总线上发送帧头，帧头至

42、少由一个1313位字段、一个同步位字段、一个同步 字节和一个字节和一个6 6位标识符组成，该标识符的范围为位标识符组成，该标识符的范围为0 0到到6363。响应。响应 字段由字段由 两个、四个和八个数据字节和具有倒置两个、四个和八个数据字节和具有倒置8 8位和的校验位和的校验 和字段，以及所有的数据字节和标识符组成。和字段，以及所有的数据字节和标识符组成。 5151 帧帧包含一个包含一个1313位的同步间隔字段（位的同步间隔字段（Synch Break FieldSynch Break Field）、一个由主）、一个由主 任务产生的同步字段（任务产生的同步字段（Synch FieldSynch

43、 Field），以及一个辨识字段（），以及一个辨识字段（ Identifier FieldIdentifier Field）。其中每一个字节字段都以串行位元组方式发送）。其中每一个字节字段都以串行位元组方式发送 ，起始位的第一位为，起始位的第一位为“0”“0”，而终止位为，而终止位为“1”“1”。由主任务执行的。由主任务执行的 信号标头会依进度表决定每个信号的传输时间，以确保数据传输信号标头会依进度表决定每个信号的传输时间，以确保数据传输 的确定性。的确定性。LINLIN信号的响应部分包含一个数据域位（信号的响应部分包含一个数据域位（Data FiledData Filed） ，长度为，长度为

44、2 / 4 / 82 / 4 / 8个字节，和一个长度为一个字节的验证字段（个字节，和一个长度为一个字节的验证字段（ Checksum FieldChecksum Field）。）。 5252 5. 汽车线控技术和汽车线控技术和FlexRay 线控技术（线控技术（by-wireby-wire），就是由），就是由“电线电线”或者电信号实现或者电信号实现 传递控制，而不是通过机械连接装置来操作的。线控技传递控制，而不是通过机械连接装置来操作的。线控技 术已经被广泛用于航空业，汽车电子中各种线控制系统术已经被广泛用于航空业，汽车电子中各种线控制系统 或线驱动系统将迅速发展或线驱动系统将迅速发展，如线

45、控制动、线控转向、线如线控制动、线控转向、线 控油门、线控悬架等。控油门、线控悬架等。 线控系统的基本结构原理是：驾驶员的操纵指令通过人线控系统的基本结构原理是：驾驶员的操纵指令通过人 机接口转换为电信号传到执行机构，控制执行机构的动机接口转换为电信号传到执行机构，控制执行机构的动 作；传感器感知功能装置的状态，通过电信号传给人机作；传感器感知功能装置的状态，通过电信号传给人机 接口，反馈给驾驶员。线控系统需要高性能控制器，还接口，反馈给驾驶员。线控系统需要高性能控制器，还 需要有精确高速的通讯协议网络、容错技术和分配独立需要有精确高速的通讯协议网络、容错技术和分配独立 处理功能的模块。处理功

46、能的模块。 线控系统在人机接口通讯、执行机构和传感机构之间，线控系统在人机接口通讯、执行机构和传感机构之间， 与其他的系统之间要进行大量的信息传输，要求网络的与其他的系统之间要进行大量的信息传输，要求网络的 实时性好、可靠性高，而且要求具有冗余的实时性好、可靠性高，而且要求具有冗余的“功能实现功能实现 ”，以保证在故障时仍可实现装置的基本功能。，以保证在故障时仍可实现装置的基本功能。 5353 线控技术的特点有：线控技术的特点有： 省力，人们可以不用直接操作机械力。省力，人们可以不用直接操作机械力。 操纵控制通过驾驶员完成，响应快操纵控制通过驾驶员完成，响应快，取消机械传动滞后，取消机械传动滞

47、后。 便于实现个性化设计，驾驶特性如制动、转向、加速等过程便于实现个性化设计，驾驶特性如制动、转向、加速等过程 都是程序设定的，设计师可设计不同的程序供用户选择。都是程序设定的，设计师可设计不同的程序供用户选择。 质量轻。线控系统取消了许多机械连接装置、液压装置和气质量轻。线控系统取消了许多机械连接装置、液压装置和气 压装置，简化了结构和生产工艺，便于实现汽车轻量化。压装置，简化了结构和生产工艺，便于实现汽车轻量化。 维护用品可大大减小，减少维护费用。减少车身质量并简化维护用品可大大减小，减少维护费用。减少车身质量并简化 维护工作，可能磨损的部件更少了，如使用线控制动无需制维护工作，可能磨损的

48、部件更少了，如使用线控制动无需制 动液，使汽车更为环保，减少维护。动液，使汽车更为环保，减少维护。 可集成汽车可集成汽车其它其它装置，装置，如如导航和导航和巡航巡航，汽车，汽车成为完整电器成为完整电器。 安装测试简单快捷，更稳固的电子接口（模块结构），隔板安装测试简单快捷，更稳固的电子接口（模块结构），隔板 间无机械连接，简单布置就能增加电子控制功能。间无机械连接，简单布置就能增加电子控制功能。 线控技术的缺点线控技术的缺点：可靠可靠性性电磁干扰、器件失效、软件程电磁干扰、器件失效、软件程 序的设计、网络攻击等等。电路失效而没有机械冗余就会导序的设计、网络攻击等等。电路失效而没有机械冗余就会导

49、 致灾难性的后果致灾难性的后果。所以研究的重点是系统的可靠性和安全性所以研究的重点是系统的可靠性和安全性 。 5454 线控技术在汽车上的运用线控技术在汽车上的运用： 线控制动（线控制动（brake by-wirebrake by-wire）：线控制动系统由实现电子化的供）：线控制动系统由实现电子化的供 能装置、控制装置、传动装置、制动器能装置、控制装置、传动装置、制动器4 4个部分组成。个部分组成。 线控转向系统（线控转向系统（Steering By Wire Steering By Wire ）：由具有容错功能控制单元）：由具有容错功能控制单元 、执行器、传感器和冗余电控单元组成，取消了转

50、向盘与转、执行器、传感器和冗余电控单元组成，取消了转向盘与转 向轮之间的机械连接。可自由设计汽车转向的力传递特性向轮之间的机械连接。可自由设计汽车转向的力传递特性和和 角传递特性。角传递特性。 线控油门（线控油门（throttle by-wirethrottle by-wire）：也称为电控油门，即发动机的）：也称为电控油门，即发动机的 油门是通过电子控制的。用电子连接代替机械连接，油门踏油门是通过电子控制的。用电子连接代替机械连接，油门踏 板位置传感器，将位置变化转变为电信号，驾驶员与油门间板位置传感器，将位置变化转变为电信号，驾驶员与油门间 通过电信号连接。控制方式精确。通过电信号连接。控

51、制方式精确。 线控系统线控系统中中软件决定汽车行驶特征，如加速、制动、转弯等软件决定汽车行驶特征，如加速、制动、转弯等 。 线控技术研究的难点在于高性能控制器的研制，需要高效的线控技术研究的难点在于高性能控制器的研制，需要高效的 容错技术，使得系统出现故障时能够保障可靠性。容错技术，使得系统出现故障时能够保障可靠性。 但但机械系统损坏有过程，而线控制系统的失效是瞬间的。如机械系统损坏有过程，而线控制系统的失效是瞬间的。如 果线控制系统失效果线控制系统失效时时汽车汽车在在高速行驶，后果可能非常严重。高速行驶，后果可能非常严重。 电子控制要完全取代机械操作还需要时间。电子控制要完全取代机械操作还需

52、要时间。 5555 FlexRay FlexRay 是一种用于汽车的高速是一种用于汽车的高速1 1可确定性可确定性2 2，具备故障容错，具备故障容错3 3的的 总线系统。总线系统。FlexRayFlexRay协议底盘控制、车身和动力总成等场合。协议底盘控制、车身和动力总成等场合。 FlexRayFlexRay通信系统还包括一种特殊设计的高速收发器，并定义通信系统还包括一种特殊设计的高速收发器，并定义 了了FlexRayFlexRay节点不同部件间的硬件和软件接口。节点不同部件间的硬件和软件接口。 FlexRay FlexRay协议定协议定 义了网络汽车系统中的通信过程格式和功能。义了网络汽车系

53、统中的通信过程格式和功能。FlexRayFlexRay利用两利用两 条独立的物理线路进行通信，每条的数据速率为条独立的物理线路进行通信，每条的数据速率为10Mbps10Mbps。实实 现冗余传输现冗余传输以以容错，也可用两条线路传输不同消息。容错，也可用两条线路传输不同消息。 除了线控操作以外，除了线控操作以外，FlexRayFlexRay在汽车动力总成和安全电子系统在汽车动力总成和安全电子系统 等等需要高速数据传输方面也有应用。还可以工作在较低的数需要高速数据传输方面也有应用。还可以工作在较低的数 据速率。速度低于据速率。速度低于1Mbps1Mbps时，支持传输总线结构时，支持传输总线结构(

54、 (如如CAN)CAN)；速；速 度在度在1Mbps1Mbps以上时，以点到点连接。以上时，以点到点连接。 FlexRayFlexRay符合符合TDMATDMA（Time Division Multiple AccessTime Division Multiple Access）的原则，）的原则， 部件和信息都被分配了确定的时间槽，在这期间它们可以唯部件和信息都被分配了确定的时间槽，在这期间它们可以唯 一的访问总线。时间槽是经固定的周期而重复的。信息在总一的访问总线。时间槽是经固定的周期而重复的。信息在总 线上的时间是可以完全预测出来的，因而对总线的访问是确线上的时间是可以完全预测出来的，因而

55、对总线的访问是确 定性的。定性的。 5656 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方式在确定的时间槽传输时间驱动类型的数据 。在动态段，时间槽是动态分配的。每种情况下只有一小段 时间（“mini-slots”）允许唯一的总线访问。如果在mini-slot 中出现了总线访问，时间槽就会按照需求动态扩展。 5757 节点的同步：为了实现功能的同步，同步信息是在周期的静节点的同步：为了实现功能的同步，同步信息是在周期的静 态段传输的。通过特殊的算法，所有本地时钟和全局时钟同态段传输的。通过特殊的算法，所有本地时钟和全局时钟同 步。步。 FlexRayFlex

56、Ray的网络节点是由主处理器，通信控制器的网络节点是由主处理器，通信控制器（CC)CC)，可选的，可选的 总线监控器总线监控器（BGBG）和总线驱动器和总线驱动器（BD)BD)组成的。主处理器组成的。主处理器的的 数据通过控制器传送。数据通过控制器传送。BDBD连接着连接着CCCC和总线，或是连接和总线，或是连接BGBG和和 总线。主处理器把控制器分配的时间槽通知给总线。主处理器把控制器分配的时间槽通知给BGBG，然后，然后BGBG就就 允许允许FlexRayFlexRay控制器在这些时间槽中来传输数据。控制器在这些时间槽中来传输数据。 5858 FlexRayFlexRay以其确定的网络通讯

57、、高速的数据传输及强以其确定的网络通讯、高速的数据传输及强 大的容错功能，很可能成为将来汽车上的底盘系统大的容错功能，很可能成为将来汽车上的底盘系统 、动力系统及线控系统通讯新标准，并取代高速、动力系统及线控系统通讯新标准，并取代高速 TTCANTTCAN网络。网络。20052005年年PhilipsPhilips推出了全球第一个推出了全球第一个 FlexRayFlexRay系统解决方案，系统解决方案，20092009年年8 8月月3 3日据博世公司消日据博世公司消 息，在当前宝马息，在当前宝马7 7系中配备的博世系中配备的博世ESPESP（ (Electronic Stability Pro

58、gram)(Electronic Stability Program)是全球第一个带是全球第一个带 有有FlexRayFlexRay界面的制动控制系统。通过这一新数据总界面的制动控制系统。通过这一新数据总 线，系统能够与相应的传感器、自适应巡航控制（线，系统能够与相应的传感器、自适应巡航控制（ ACCACC）、集成底盘管理系统（）、集成底盘管理系统（ICMICM）、发动机以及传）、发动机以及传 输控制单元通信。输控制单元通信。 博世：博世：“FlexRayFlexRay为网络化新的可能性铺平了道路，为网络化新的可能性铺平了道路， 并通过豪华级车型上当前和未来的辅助和安全系统并通过豪华级车型上当

59、前和未来的辅助和安全系统 ，为全面、及时的通讯奠定了坚实的基础。，为全面、及时的通讯奠定了坚实的基础。”除了除了 制动控制系统，博世还为宝马制动控制系统，博世还为宝马7 7系的系的ACCACC和柴油发动和柴油发动 机供应控制单元，这些单元也包含机供应控制单元，这些单元也包含FlexRayFlexRay数据总线数据总线 的界面。的界面。 5959 其它协议其它协议 新一代汽车主干通信网络新一代汽车主干通信网络TTCANTTCAN、FlexRayFlexRay和和TTPTTP(Time (Time Triggered Protocol)Triggered Protocol) 都采用了时间驱动的机制

60、都采用了时间驱动的机制, , 不确定性仅不确定性仅 仅是时间同步的误差。仅是时间同步的误差。 1 1）TTCANTTCAN：TTCANTTCAN和和CANCAN兼容。定义了时间周期兼容。定义了时间周期和和多个多个 时间间隔，有些时间间隔专用于特定的无需仲裁网络节点时间间隔，有些时间间隔专用于特定的无需仲裁网络节点 。 节点采用节点采用TDMATDMA的网络通道分配方式，所有节点都存有预的网络通道分配方式，所有节点都存有预 先定义的时间表，节点错误将退出通信网络。先定义的时间表，节点错误将退出通信网络。 2 2）ByteflightByteflight标准：标准：BMWBMW等等于于199619