电动汽车车载网络综述

1、电动汽车车载网络引言汽车技术发展到今天，很多新型电气设备得到了大量应用，尤其是电动汽车的电气系统已经变成了一个复杂的大系统。为了满足电动汽车各子系统的实时性要求，需要对公共数据实行共享电动汽车作为清洁绿色的新能源汽车, 将在未来交通体系中发挥越来越重要的作用。汽车中电器的技术含量和数量是衡景汽车性能的一个重要标志。汽车电器技术含量和数量的增加，意味着汽车性能的提高。但汽车电器的增加，同样使汽车电器之间的信息交且桥梁线束和与其配套的电器接插件数量成倍上升。在 1955 年平均一辆汽车所用线束总长度为 45 米。为了在提高性能与控制线束数量之问寻求一种有效的解决途径，在 20 世纪 80 年代初，

2、出现了一种基于数据网络的车内信息交互方式车载网络。一、汽车车载网络的组成车载网络按照应用加以划分，大致可以分为4 个系统：车身系统，动力传动系统、安全系统和信息系统。图 1 奥迪 A4 的车载网络系统车身系统电路主要有三大块：主控单元电路、受控单元电路、门控单元电路。主控单元按收开关信号之后，先进行分析处理，然后通过 CAN总线把控制指令发送给各受控端，各受控端晌应后作出相应的动作。车前、车后控制端只接收主拄端的指令，按主控端的要求执行，并把执行的结果反馈给主控端。门控单元不但通过总接收主控端的指令，还接收车门上的开关信号输入。根据指令和开关信号，门控单元会做出相应动作，然后把执行结果发往主控

3、单元。在动力传动系统内，动力传动系统模块的位置比较集中，可固定在一处，利用网络将发动机舱内设置的模块连接起来。在将汽车的主要因素一跑、停止与拐弯这些功能用网络连接起来时，就需要较高速的网络传输速度。动力数据总线一般连接 3 块电脑，它们是发动机、 ABSEDL及自动变速器电脑 ( 动力 CAN 数据总线实际可以连接安全气囊、四轮驱动与组合仪表等电脑 ) 。总线可以同时传递 10 组数据，发动机电脑 5 组、 ABS EDL电脑 3 组和自动变速器电脑 2 组。数据总线以 500Kbit s 速率传递数据，每一数据组传递大约需要 0.25ms，每一电控单元 7-20ms 发送一次数据。优先权顺序

4、为 ABSEDL电控单元 - 发动机电控单元 - 自动变速器电控单元。因此，线束变长，而且容易受到干扰的影响。为了防干扰应尽量降低通信速度，但随着安全系统和信息系统的发展高速传输成为必然的趋势。且人机接口的模块、节点的数量增加，通信速度控制及成本相对增加，使人们不得不摸索更加高速、安全、廉价的解决方案。此时，汽车总线的概念被提出，总线技术可以大大提高汽车电器控制的安全性、可靠性，降低汽车电子电控系统的维护保养成本和故障率。二、汽车车载网络分类及其发展趋势2.1 汽车车载网络的分类目前存在的多种汽车网络标准，SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为 A、B、C三类：A 类面向传感器 / 执行器

5、控制的低速网络，数据传输位速率通常只有1-10kbps。主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。在A 类网络中存有多种协议标准，目前正在逐步兴起的是LIN（ LocalInterconnectNetwork）总线， LIN 是面向低端通讯的一种协议，主要应用在通信速率要求不高的场合，通过单总线的方式来实现。B 类面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般为10-100kbps。主要应用于电子车辆信息中心故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，以减少冗余的传感器和其他电子部件。B 类网络系统标准主要包括控制器局域网（ ControllerAreaNetwork， CAN）协议、车辆局域网（V

6、ehicleAreaNetwork，VAN）协议以及汽车工程师协会（SocietyofAutomotiveEngineers ，SAE）的SAEJ1850 协议。在容错性能和故障诊断方面，CAN具有明显的优势，因此在汽车内部的动力电子系统等对实时性和可靠性要求较高的领域占有不可替代的地位；考虑到成本因素，VAN也在汽车网络中占有一席之地，特别适用于车身电子系统等对实时性和可靠性要求相对较低，网络上的某些节点功能比较简单的场合；SAEJ1850 由于其通信速率上的限制已逐渐被淘汰。C类面向高速、实时闭环控制的多路传输网，最高位速率可达1Mbps，主要用于悬架控制、牵引控制、先进发动机控制、ABS

7、等系统，以简化分布式控制和进一步减少车身线束。在C类标准中，欧洲的汽车制造商从1992年以来，基本上采用的都是高速通讯的CAN总线标准 ISO11898，它可支持高达1Mb/s 的各种通讯速率；而从1994 以来 SAE J1939 则广泛用于卡车、大客车、建筑设备、农业机械等工业领域的高速通讯，其通讯速率为250kb/s 。另外还有是面向多媒体应用、高速信息流传输的高性能网络，位速率一般在 2Mb/s 以上，目前已有位速率达到 400Mb/s 的网络标准， 800Mb/s 的网络标准也在研究使用。这类网络系统主要连接汽车内部用于多媒体功能的电子设备，包括了语音系统、车载电话、音响、电视、车载

8、计算机和 GPS等系统。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：1. 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；2. 高安全的线控系统 : 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；3. 车身控制系统 : 在这个领域 CAN协议己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控制；4. 低端控制系统 : 此系统包括那些仅需要简单串行通信的 ECU(Electronic Control Unit)

9、电子控制单元，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。图 2 车上网络系统价格及传输速度分布2.2 车载网络的发展趋势在国外，目前汽车网络总线技术已经成为乘用车和商用车的标准配置，其中 CAN网络技术应用相当普及。在欧洲，80%的轿车不同程度上使用了该技术;在美洲，汽车以使用 J1850 居多，具有代表性的有福特使用的和通用、克莱斯勒使用的 10.4KbpsJ1850，但从趋势看正逐步往41.6KbpsJ1850 CAN技术转移。目前国内使用总线技术的车型几乎全部使用CAN总线。 CAN总线开始在奥迪 A6、奥迪 A4、宝来、帕萨特 BS、波罗、菲

10、亚特派力奥、菲亚特西耶那、宝马等产品上出现，主要应用在动力传动系统、安全系统 (ABS、EBD、 ASR、ESP等 ) 和车身系统 ( 门、窗、空调、灯光、锁、座椅等 ) 。相关技术的应用也带动了我国网络总线研发能力迅速提高，整车企业可以介入网络总线相关技术标准的研究和制定，但关键的总线技术还掌握在国外供应商手上。X-by-Wire ，即线控操作，是未来汽车的发展方向。该技术来源于飞机制造，基本思想就是用电子控制系统代替机械控制系统，减轻重量，提高可靠性，如Steer-by-Wire，Brake-by-Wire等。由于整个设计思想涉及动力、制动、方向控制等关键功能，对汽车网络也就提出了不同要求

11、。在未来的5 - 10年里，X-by-Wire 技术将使传统的汽车机械系统变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统。我国对于电动汽车车用总线技术的研究，主要分为两个阶段: 即功能实现阶段和性能完善阶段。目前国内第一阶段的工作已基本完成，基于CAN总线的自主研发技术己经在新能源汽车上取得成功应用。我国的汽车企业、高校和科研院所，如一汽集团、上汽集团、长安汽车公司、奇瑞汽车公司、清华大学、北京理工大学、北京交通大学、同济大学、中科院、中国汽车研究中心等200 多家单位投入了大量的人力、财力研发电动汽车。三、CAN总线在电动汽车中的运用3.1 总线网络拓扑结构网络拓扑结构设计是构建网络的

12、第一步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络的性能、可靠性和通信费用等都有很大影响。网络拓扑结构按照几何图形的形状可分为5 种类型 : 总线型拓扑、环形拓扑、星形拓扑、网络拓扑和树形拓扑，这些形状也可以混合构成混合拓扑结构。由于电动汽车汽车的网络特点可归纳为通讯距离短、网络复杂度要求不高、扩展性要求高及实施性可靠性要求高。考虑其特点，可以综合比较出总线型的结构是最适合车用网络体系的。图 3 网络拓扑结构CAN是一种多主方式的串行通讯总线，位速率高，抗电磁干扰性强，能够检测出产生的任何错误。它具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到 CAN-bus上，每个节点都有单独的通信处理能力

13、，形成多主机局部网络。其可靠性和实时性远高于普通的通信技术。3.2 CAN总线框架目前汽车设计中的网络结构，采用两条CAN网络，一条用于动力系统的高速 CAN，速率为 250 Kb-1 Mb/s；另一条应用于车身系统的低速CAN，速率为 10Kb-125 Kb/s 。高速 CAN主要连接对象是发动机控制器、变速箱、 ABS控制器、助力转向，安全气囊控制器等。低速 CAN主要连接和控制的汽车内外部照明、灯光信号、空调、组合仪表等其他低速电子控制单元。图 4 奥迪 A4 的网络结构图电动汽车区别于传统的燃油汽车，既要考虑到其自身的独特性，又要考虑其与一般汽车的共性。电动汽车与传统汽车最大的区别就是

14、用电能来驱动，即用电池或电机来代替传统的发动机，而对电机的驱动控制和对电池的管理正是电动汽车的关键技术。3.3 CAN总线协议CAN遵从 ISO/0SI 标准模型 ( 图 2.1 所示 ) ，按照这个标准模型， CAN协议定义了物理层和数据链路层。应用层协议在CAN2.O中没有定义，但很多组织针对不同的应用需求制定了适用于不同领域的应用层协议。表 1CAN通信模型的分层结构应用层提供到低层的用户接口表示层提供数据格式化和代码转换会话层处理进程之间的协调传输层负责数据传输控制网络层在相邻节点间转发分租直到目的站数据链路层提供计算机与网络之间可靠的数据传输物理层在计算机和网络之间传送位流图 5 C

15、AN总线的网络分层结构但考虑到电动汽车的特殊性，以上几个协议都不能完全适用于电动汽车CAN网络。为统一和规范电动汽车在研发、试运营及产业化过程中CAN网络上各节点进行数据交换时的物理连接和通信协议，需要针对电动汽车具体CAN网络环境，自主制定相应的通信协议。当 CAN-Bus网络节点的数目不多，或者所有节点基本上都由用户自行设计，不需要与其他厂商设备进行接口时，用户只需要规定一个简单的通信协议; 但当CAN-Bus在某一行业广泛应用时，必须考虑到各种CAN厂商设备的互用性和互换性，需要标准化的高层协议为CAN网络提供标准的、统一的通信模式。在制定 CAN应用层协议时主要考虑以下几个方面 :1.

16、 通讯内容的确定2. 标识符功分配3. 数据格式定义3.4 CAN总线发展前景CAN总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线，现已开始在先进的汽车上得到应用，从而使得各汽车计算机控制单元能够通过CAN总线共享所有的信息和资源，以达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和可维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统之目的，随着汽车电子技术的发展，具有高度灵活性、简单的扩展性、优良的抗干扰性和纠错能力的 CAN总线通信协议必将在汽车电控系统中得到更广泛的应用。三、嵌入式车载监控终端的硬件和软件设计3.1 车身控制系统硬件车身控制模块是为了满足车身控制架构的扩展需求而设计的，它

17、包括 1 个连接电影的接口、 2 个 CAN网络的接口， 1 个短程的 RF接受器及一些高电流硅开关输出和 20 多个开关输入。图6车身控制模块硬件框图例如便携式工控机 Apollo150 具有抗干扰和减震设计，适合于车载使用。它具有一体化的液晶显示屏和键盘鼠标设计，便于人机界面设计 ;通过 USB2.0接口连接 U 盘进行存储，保证车载环境下大量数据的可靠存储。3.2 操作系统一般情况下，嵌入式操作系统可分为两类 : 一类是面向控制和通信等领域的实时操作系统，如 WindRiver 公司的 VxWorkers、ISI 的 pSOS、QNX系统软件公司的 QNX等；另一类是面向消费电子产品的非

18、实时操作系统，这类产品包括个人数字助理、移动电话、机顶盒、电子书及网络电话等。目前从市场占有率来说，国内在嵌入式领域主要使用的操作系统VxWorkers，WindowsCE，EmbeddedLinux及 Paim05。表 2 常见嵌入式操作系统操作系统说明开发商典型运用Windows CE模块化设计允许它对于Mierosof从掌上电脑到专用的工从掌上电脑到专用的工业控制器业控制器的用户电子设备进行定制Windows XP Embedded桌面的嵌入式版本，可裁剪EmbeddedLinux开源操作系统的嵌入式版本SymbianSymbian 由爱立信、诺基亚和摩托罗拉等共同出资。以开发和供应现金

19、、开放以及标准的手机操作系统 Symbian OS为目标VxWorks嵌入式开发环境的关键组成部分、良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的开发环境Plam OS有开放式的操作系统应用程序接口，开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序Mierosof-SymbianWindRiver3com公司工业控制器和ATM等有交流电源的环境工业控制器和手机手机用于防抱死刹车系统到其他的关键任务曾经运用于PDA市场通过对以上各类嵌入式操作系统特点和应用领域进行比较，可以看出 Windows CE操作系统应用极为广泛，几乎覆盖了生活中的所有智能电子设备，如掌上 PDA、移动计算设备、电视机顶盒、数字电视

20、、车载电脑、数字相机、家庭自动化系统、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等等。与其他嵌入式操作系统相比，Windows CE又为开发人员提供了友好的开发工具，可帮助开发人员简化开发流程并提高开发效率。与 PC机上的应用程序开发不同，如果要开发一个嵌入式系统，硬件开发和软件开发都是必须考虑的内容。从嵌入式软件开发过程来说需要做的工作主要有以下几个方面 :1. 驱动程序开发2. 平台定制3. 应用程序开发图 7 车载监控终端软件总体架构四、车载网络的仿真和验证车载网络系统开发是一个 V 型流程，有两个环节需要用在仿真和验证，通过仿真和测试来完成车载网络系统验证。对实时性分析来说，我们通常叫OP

21、NET ，实时特性分析对要求比较高的是车载网络系统基本功能要求，可以采用定性分析方法，更多采用定量分析法，有测量法，数学分析法、仿真模拟法。还有 CANoe 进行实时性仿真分析，通过建模采用这个工具证明是有效的，可以完成车载网络系统分析，这是特定概率分布下车载网络系统的实时性仿真与分析图，得到一些数据与测量对比可以满足要求。要进行功能仿真，电动汽车制动系统仿真，主要是仿真驾驶员意图和执行力的问题，响应时间和能否达到制动效能，比如说制动距离和制动时间，这就可以采用 Simulink 进行仿真，要建立正确的数学模型才可以仿真，这也是最有效的仿真方法。除此以外，也可以把这个车载网络系统功能、性能和网

22、络性能同时进行仿真，这个叫基于CANoE-Matlab 的联合仿真，采用这样一种方式仿真，既可以检验它的功能是否达到要求，同时也可以考验它的网络性能是否达到了要求。车载网络系统测试一般分为三个测试：1、单独 ECU 测试，保证它是符合要求。 2、通过硬件在环测试仿真， 3、通过实车测试。汽车实车考验是非常重要的。目前车载网络系统能够专用测试有VehicleSpy 和CANoe，这是基于VehicleSpy 的车载网络系统硬件在环测试平台，专门使用neo 的软件进行仿真，这是仿真基本平台要求，构建一个虚拟系统，通过报文配置、面板配置来做到测试的工作。结语随着汽车对安全，节能、环保、舒适要求的提高，多功能以及精确控制使得汽车电子控制单元大量引入。各电子控制单元之间需要数据信息共享以及大量的控制信号实时交换，使得车载网络应运而生。虽然欧美汽车已大量使用车载网络，但在我国使用车载网络实现各种功能应用实例还比较少。CAN总线是在欧美国家广泛使用的一种车载网络技术