汽车网络技术课件

1、汽车总线技术一、概述一、概述 汽车电子技术在经历了零部件层次的汽车电器时代、子汽车电子技术在经历了零部件层次的汽车电器时代、子系统层次的单片机（汽车电脑）控制时代之后，已经开始进系统层次的单片机（汽车电脑）控制时代之后，已经开始进入汽车网络化时代，并向汽车信息化时代迈进。入汽车网络化时代，并向汽车信息化时代迈进。 按照电子产品和电子控制系统的技术特点，可将汽车电按照电子产品和电子控制系统的技术特点，可将汽车电子技术的发展粗略划分为四个阶段。子技术的发展粗略划分为四个阶段。1）第一阶段）第一阶段零部件层次的汽车电器时代零部件层次的汽车电器时代 19651980年属于零部件层次的汽车电器时代。汽车

2、发年属于零部件层次的汽车电器时代。汽车发电机晶体管电压调节器和晶体管点火装置等开始装备汽车，电机晶体管电压调节器和晶体管点火装置等开始装备汽车，而且电子控制装置又逐步实现了由分立元件向集成化的过渡。而且电子控制装置又逐步实现了由分立元件向集成化的过渡。 1. 汽车电子技术发展简介汽车电子技术发展简介 这一阶段，装备汽车的其他电子装置还有转向系统电子这一阶段，装备汽车的其他电子装置还有转向系统电子式闪光器、电子控制式喇叭、电子式间歇刮水控制器、数字式闪光器、电子控制式喇叭、电子式间歇刮水控制器、数字时钟及高能点火（时钟及高能点火（HEI）线圈和集成电路点火系统等。）线圈和集成电路点火系统等。2）

3、第二阶段）第二阶段子系统层次的汽车电脑控制时代子系统层次的汽车电脑控制时代 19801995年属于子系统层次的汽车单片机（汽车电脑）控制年属于子系统层次的汽车单片机（汽车电脑）控制时代。在这一时期，单片机（微处理器）在汽车上得到广泛应用，时代。在这一时期，单片机（微处理器）在汽车上得到广泛应用，以单片机为控制核心，以实现特定控制内容或功能为基本目的的各以单片机为控制核心，以实现特定控制内容或功能为基本目的的各种电子控制系统得到了迅速发展。种电子控制系统得到了迅速发展。 进入进入20世纪世纪90年代，出现全面、综合的电子控制系统。年代，出现全面、综合的电子控制系统。 电子控制技术在汽车上的广泛应

4、用，不仅拓展了电子控制的功电子控制技术在汽车上的广泛应用，不仅拓展了电子控制的功能和控制内容，提高了控制精度和汽车性能，而且也为汽车网络技能和控制内容，提高了控制精度和汽车性能，而且也为汽车网络技术的发展奠定了坚实的基础。术的发展奠定了坚实的基础。3）第三阶段）第三阶段整车联网层次的汽车网络化时代整车联网层次的汽车网络化时代 19952010年属于整车联网层次的汽车网络化时代。采用先进年属于整车联网层次的汽车网络化时代。采用先进的单片机技术和车载网络技术，形成了车上的分布式、网络化的电的单片机技术和车载网络技术，形成了车上的分布式、网络化的电子控制系统。整车电气系统被连成一个多子控制系统。整车

5、电气系统被连成一个多ECU、多节点的有机的、多节点的有机的整体，使得其性能也更加完善。整体，使得其性能也更加完善。 目前，世界主要汽车制造商生产的的多数汽车上均采用目前，世界主要汽车制造商生产的的多数汽车上均采用了以了以CAN、LIN、MOST、DDB等为代表的网络控制技术，等为代表的网络控制技术，将车辆控制系统简化为节点模块化将车辆控制系统简化为节点模块化 ,极大地提升了汽车的整体极大地提升了汽车的整体控制水平控制水平,极大地提升了汽车的整体控制水平。极大地提升了汽车的整体控制水平。 BMW E60的汽车网络系统的汽车网络系统 AUDI A4的汽车网络系统的汽车网络系统 网络化时代的汽车电子

6、技术注重解决汽车内部各个系统之间网络化时代的汽车电子技术注重解决汽车内部各个系统之间的信息交换问题的信息交换问题4）第四阶段）第四阶段以以Telematics技术为代表的汽车信息化时代技术为代表的汽车信息化时代 汽车网络技术是现代汽车电子技术的重要组成部分，也汽车网络技术是现代汽车电子技术的重要组成部分，也是现代汽车通信与控制的基础。伴随着汽车网络技术的日趋是现代汽车通信与控制的基础。伴随着汽车网络技术的日趋成熟，汽车电子技术开始向信息化时代迈进。成熟，汽车电子技术开始向信息化时代迈进。信息化时代的汽车电子技术信息化时代的汽车电子技术可以实现车内网络与车外网可以实现车内网络与车外网络之间的信息

7、交换，全面解络之间的信息交换，全面解决人决人车车外部环境之间的外部环境之间的信息交流问题。信息交流问题。Telematics简介简介 Telematics是远程通信技术（是远程通信技术（Telecommunications）与信）与信息科学技术（息科学技术（Informatics）的合成词，意指通过内置在汽车、航）的合成词，意指通过内置在汽车、航空器、船舶、火车等运输工具上的计算机网络技术，借助无线通信空器、船舶、火车等运输工具上的计算机网络技术，借助无线通信技术、技术、GPS卫星导航技术，实现文字、图像、语音信息交换的综卫星导航技术，实现文字、图像、语音信息交换的综合信息服务系统。合信息服务

8、系统。 也就是说，也就是说，Telematics技术整合了汽车网络技术（也包括技术整合了汽车网络技术（也包括其他移动运输工具内部的网络技术）、无线通信技术、其他移动运输工具内部的网络技术）、无线通信技术、GPS（Global Positioning System，全球定位系统）卫星导航技，全球定位系统）卫星导航技术，通过无线网络，随时给行车中的人们提供驾驶、生活、娱术，通过无线网络，随时给行车中的人们提供驾驶、生活、娱乐所必需的各种信息。乐所必需的各种信息。 通常所说的通常所说的Telematics就是指应用无线通信技术的车载就是指应用无线通信技术的车载电脑系统。电脑系统。Telematics

9、是无线通信技术、卫星导航系统、网是无线通信技术、卫星导航系统、网络通信技术和车载电脑的综合产物，被认为是未来的汽车网络络通信技术和车载电脑的综合产物，被认为是未来的汽车网络技术的发展趋势。技术的发展趋势。 Telematics信息交换过程示意图信息交换过程示意图GPS全球卫星定位系统全球卫星定位系统 电子地图与语音导航电子地图与语音导航 后座多媒体影音娱乐系统后座多媒体影音娱乐系统 2.总线传输技术的发展史 早在1968年，美国的艾塞库斯就提出了利用单线多路传输信号的构想。 从1980年起，汽车内开始装用车载网络。 1983年，丰田公司在世纪牌汽车上采用了应用光缆的车门控制系统。 从1986年

10、起，在车身系统上装用了铜线传输媒介的网络，并在日产和通用公司汽车的控制系统中得到应用。 20世纪80年代末，BOSCH公司和英特尔公司研制了专门用于汽车电气系统的总线控制器局域网(Controller Area Network)规范，简称CAN。 接着，美国汽车工程师学会(SAE)提出了J1850通信协议规范。 20世纪90年代，由于集成电路技术和电子器件制造技术的迅速发展，用廉价的单片机作为总线的接口端，采用总线技术布线的价格逐步降低，总线技术布线进入了实用化阶段。 随着汽车电子技术的发展，欧洲提出了控制系统的新协议TTP(Time Triggered Protocol)。 随着汽车信息系统

11、对网络传输信息量要求的不断提高，先后提出了D2B协议和MOST协议。 2000年后，车载网络得以进一步细分，低端LIN网络产生。 目前，多路总线传输技术在国内外已成功地运用到各种品牌汽车上。CAN总线 1983年，Bosch开始研究车上网络技术1986年，Bosch在SAE大会公布CAN协议1987年，Intel和Philips先后推出CAN控制器芯片1991年，Bosch颁布CAN 2.0技术规范，CAN2.0包括A和B两个部分1991年，CAN总线最先在Benz S系列轿车上实现1993年，ISO颁布CAN国际标准ISO-118981994年，SAE颁布基于CAN的J1939标准2003年

12、，Maybach发布带76个ECU的新车型（CAN，LIN，MOST）2003年，VW发布带35个ECU的新型Golf二、汽车总线技术的技术特点二、汽车总线技术的技术特点1.CAN总线的优点总线的优点控制单元间的数据交换都在同一平台上进行。这个平台称控制单元间的数据交换都在同一平台上进行。这个平台称为协议，为协议，CAN总线起到数据交换总线起到数据交换“高速公路高速公路”的作用。的作用。图图2-19 控制单元间的数据交换都在同一平台上进行控制单元间的数据交换都在同一平台上进行可以很方便地实现用控制单元来对系统进行控制，如发动可以很方便地实现用控制单元来对系统进行控制，如发动机控制、变速器控制、

13、机控制、变速器控制、ESP控制等。控制等。可以很方便地加装选装装置，为技术进步创造了条件，为可以很方便地加装选装装置，为技术进步创造了条件，为新装备的使用埋下了伏笔。新装备的使用埋下了伏笔。CAN总线是一个开放系统，可以与各种传输介质进行适配，总线是一个开放系统，可以与各种传输介质进行适配，如铜线和光导纤维（光纤）。如铜线和光导纤维（光纤）。对控制单元的诊断可通过对控制单元的诊断可通过K线来进行，车内的诊断有时通线来进行，车内的诊断有时通过过CAN总线来完成（如安全气囊和车门控制单元），称为总线来完成（如安全气囊和车门控制单元），称为“虚拟虚拟K线线”。随着技术的进步，今后有逐步取消。随着技术

14、的进步，今后有逐步取消K线的趋势。线的趋势。可同时通过多个控制单元进行系统诊断。可同时通过多个控制单元进行系统诊断。2.CAN总线的结构特点总线的结构特点可靠性高；可靠性高；使用方便；使用方便；数据密度大；数据密度大；数据传输快；数据传输快；采用双线传输，抗干扰能力强，数据传输的可靠性高。采用双线传输，抗干扰能力强，数据传输的可靠性高。为什么汽车中采用的是CAN 已作为标准实施 节点多 价格便宜 广泛的开发和检测工具能满足很高的安全性要求 抗干扰能力强 安全的数据通讯协议三、CAN总线简介 CAN是是Controller Area Network（控制器局域网）的（控制器局域网）的缩写，缩写，

15、是国际标准化的串行通信协议。是国际标准化的串行通信协议。目前，目前，CAN总线是汽总线是汽车网络系统中应用最多、也最为普遍的一种总线技术。车网络系统中应用最多、也最为普遍的一种总线技术。到目前为止汽车内所采用的数据传输方法：到目前为止汽车内所采用的数据传输方法：. 每一条信息都通过各自的线路进行交换。每一条信息都通过各自的线路进行交换。. 控制单元间所有信息通过最多两条线路（控制单元间所有信息通过最多两条线路（CAN-Bus )进行交换。进行交换。1.几个基本概念几个基本概念数据传输每条信息都需要各自的线路，因此随着信息量的不断加大，所需的线路以及控制单元上的插头数目也随之增加。因此这种数据传

16、输模式仅适用于信息量数目有限的情况下。第一种方法下若要传输第一种方法下若要传输5个信息则需要个信息则需要5条线路，如下图所示：条线路，如下图所示：与第一种方法不同，与第一种方法不同，CAN数据总线中，所有信息沿两条线路传输。数据总线中，所有信息沿两条线路传输。当控制单元间需要交换大量信息时，当控制单元间需要交换大量信息时，CAN-Bus的优越性就体现出来了。的优越性就体现出来了。 在具有在具有3个控制单元的系统中采用个控制单元的系统中采用CAN数据总线进行信息传输数据总线进行信息传输的示意图，相应地，汽车内部的线束连接也变得简洁、清晰，不再的示意图，相应地，汽车内部的线束连接也变得简洁、清晰，

17、不再是一团乱麻。是一团乱麻。 在具有在具有3个控制单元的系统中采用个控制单元的系统中采用CAN数据总线进行信息传输数据总线进行信息传输 汽车内部的电线（线束）数量（装备汽车内部的电线（线束）数量（装备3个个电子控制单元）电子控制单元） 数据总线数据总线，简单地说，就是指一种能在一条（或几条），简单地说，就是指一种能在一条（或几条）数据线上，同时（或分时）传输大量的按照一定规律进行编数据线上，同时（或分时）传输大量的按照一定规律进行编码的数据（信号）的技术，其所传输的数据（信号）可以被码的数据（信号）的技术，其所传输的数据（信号）可以被多个系统共享，从而最大限度地提高系统的信息传输效率，多个系统

18、共享，从而最大限度地提高系统的信息传输效率，充分利用有限的资源。充分利用有限的资源。 作为一种优良的信息传输方式，总线技术在工业生产、科学作为一种优良的信息传输方式，总线技术在工业生产、科学研究和日常生活中的应用极为广泛，随处可见。例如，我们每天研究和日常生活中的应用极为广泛，随处可见。例如，我们每天工作、学习中使用的键盘与计算机主机之间的信息传输，就是采工作、学习中使用的键盘与计算机主机之间的信息传输，就是采用数据总线技术进行的。用数据总线技术进行的。数据总线的速度通常用数据总线的速度通常用波特率波特率来表示，波特率是每秒千字节数来表示，波特率是每秒千字节数(kbit/s )。 数据总线 数

19、据总线将不同的设备连接起来，并进行数据交换。 总线总线总线节点总线节点1234 在总线系统中，传统意义上的传感器、执行器称为总线辅助装在总线系统中，传统意义上的传感器、执行器称为总线辅助装置。同一现场的一个或多个辅助装置与控制器（控制单元）组合，置。同一现场的一个或多个辅助装置与控制器（控制单元）组合，构成构成节点（也称为总线模块）节点（也称为总线模块）。 由于单片机技术和网络技术的高速发展，由于单片机技术和网络技术的高速发展，在现代汽车的在现代汽车的CAN总线中，一个节点可以包括十几个传感器和执行器，即一个节点可总线中，一个节点可以包括十几个传感器和执行器，即一个节点可以同时接收并发送十几个

20、传感器信号，同时控制十几个执行器。以同时接收并发送十几个传感器信号，同时控制十几个执行器。 在大众速腾在大众速腾（SAGITAR）汽车的电源）汽车的电源管理系统中，管理系统中，J519作为中作为中央电器控制网络系统的一个央电器控制网络系统的一个节点，可以实现电源管理、节点，可以实现电源管理、车外灯控制、车内灯控制、车外灯控制、车内灯控制、仪表照明及光亮度调整、转仪表照明及光亮度调整、转向信号控制、接线柱控制、向信号控制、接线柱控制、前前/后风挡玻璃的雨刷控制、后风挡玻璃的雨刷控制、燃油泵电源接通、发电机励燃油泵电源接通、发电机励磁、后风窗加热等十几种功磁、后风窗加热等十几种功能，控制功能十分丰

21、富。能，控制功能十分丰富。 中央电器控制单元中央电器控制单元J519作为中央电器控制网络系统的一个节点存在作为中央电器控制网络系统的一个节点存在J519中央电器控制单元；中央电器控制单元；J527转向柱控制单元转向柱控制单元速腾轿车车载网络系统速腾轿车车载网络系统汽车总线传输系统（车载网络）是一种局域网，可以实现系统内信汽车总线传输系统（车载网络）是一种局域网，可以实现系统内信息资源的共享。息资源的共享。网关上一页 下一页返回迈腾轿车迈腾轿车CAN - BUSCAN - BUS数据总线由网关连接的系统数据总线由网关连接的系统识别和改变不同总线网络的信号和速率识别和改变不同总线网络的信号和速率改

22、变信息优先级改变信息优先级网关可作为诊断接口网关可作为诊断接口 网关网关 定义定义: 网关（网关（gateway，略作，略作GW）是在采用不同体系结构或协议的）是在采用不同体系结构或协议的网络之间进行互通时，用于提供协议转换、数据交换等网络网络之间进行互通时，用于提供协议转换、数据交换等网络兼容功能的设备。兼容功能的设备。 网关又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以网关又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以协议不同的网络互连。网

23、关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。用于局域网互连。 大众速腾汽车的网关大众速腾汽车的网关J533负责将动力系统、舒适系统、负责将动力系统、舒适系统、信息系统、组合仪表、诊断总线、信息系统、组合仪表、诊断总线、LIN总线等连成网络。总线等连成网络。 速腾网关速腾网关J533速腾网关的安装位置速腾网关的安装位置网关的作用网关的作用（1）网关可以把局域网上的数据转变成可以识别的）网关可以把局域网上的数据转变成可以识别的OBD II诊断数据语言，方便诊断；诊断数据语言，方便诊断；（2）网关可以实现低速网络和高速网络的信息共享；）网关可以实现低速网络和高速网络的信息共享；（3）与计算机系统中

24、的网关作用一样，负责接收和发送信息；）与计算机系统中的网关作用一样，负责接收和发送信息；（4）激活和监控局域网络的工作状态；）激活和监控局域网络的工作状态；（5）实现汽车网络系统内数据的同步性；）实现汽车网络系统内数据的同步性；（6）对信息标识符作翻译。）对信息标识符作翻译。 通过网关连接不同的总线系统通过网关连接不同的总线系统1线形总线系统（如车身总线）；线形总线系统（如车身总线）；2网关网关 ；3环形总线系统（如环形总线系统（如MOST）2.CAN总线的组成总线的组成1）.CAN总线的基本系统总线的基本系统 CAN总线的基本系统由多个控制单元和两条数据线组总线的基本系统由多个控制单元和两条

25、数据线组成，这些控制单元通过所谓收发器（发射成，这些控制单元通过所谓收发器（发射-接收放大器）并接收放大器）并联在总线导线上。联在总线导线上。 图图 CAN总线的数据传输与公交车载运乘客相似总线的数据传输与公交车载运乘客相似 CAN总线系统采用双绞线进行数据传输。这两根导线总线系统采用双绞线进行数据传输。这两根导线中，一根称为中，一根称为CAN-High导线，另一根导线称为导线，另一根导线称为CAN-Low导导线。线。在双绞线上，信在双绞线上，信号是按相反相位号是按相反相位传输的，这样可传输的，这样可有效抑制外部干有效抑制外部干扰。扰。图图 CAN总线的双绞线总线的双绞线2）.CAN总线的数据

26、结构总线的数据结构 CAN总线所传递的每条完整信息由总线所传递的每条完整信息由7个区构成，信息最个区构成，信息最大长度为大长度为108 bit。在两条。在两条CAN导线上，所传输的数据内容是导线上，所传输的数据内容是相同的，但是两条导线的电压状态相反。相同的，但是两条导线的电压状态相反。 CAN总线的信息结构总线的信息结构3）.信息的发送与接收信息的发送与接收 CAN数据总线在发送信息时，每个控制单元均可接收数据总线在发送信息时，每个控制单元均可接收其他控制单元发送出的信息。在通信技术领域，也把该原其他控制单元发送出的信息。在通信技术领域，也把该原理称为广播。理称为广播。四、汽车网络的分类1.

27、按网络拓扑结构分类按网络拓扑结构分类 网络的拓扑结构（网络的拓扑结构（Topological Structure）是指网上计）是指网上计算机或设备与信息传输介质形成的节点与数据传输线的物理算机或设备与信息传输介质形成的节点与数据传输线的物理构成模式。汽车网络的拓扑结构主要有线形结构、星形结构、构成模式。汽车网络的拓扑结构主要有线形结构、星形结构、环形结构等几种。环形结构等几种。1）线形拓扑结构）线形拓扑结构 线形拓扑结构是一种信道共线形拓扑结构是一种信道共享的物理结构。这种结构中总线享的物理结构。这种结构中总线具有信息的双向传输功能，普遍具有信息的双向传输功能，普遍用于控制器局域网的连接，总线

28、用于控制器局域网的连接，总线一般采用同轴电缆或双绞线。一般采用同轴电缆或双绞线。2）星形拓扑结构）星形拓扑结构 星形拓扑结构是一种以星形拓扑结构是一种以中央节点为中心，把若干外中央节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互围节点连接起来的辐射式互联结构。这种结构适用于局联结构。这种结构适用于局域网。域网。 星形拓扑结构星形拓扑结构 3）环形拓扑结构）环形拓扑结构 环形拓扑结构环形拓扑结构由各节点首尾相连由各节点首尾相连形成一个闭合环形形成一个闭合环形线路。环形网络中线路。环形网络中的信息传送是单向的信息传送是单向的，即沿一个方向的，即沿一个方向从一个节点传到另从一个节点传到另一个节点；每个节

29、一个节点；每个节点需安装中继器，点需安装中继器，以接收、放大、发以接收、放大、发送信号。送信号。 环形拓扑结构环形拓扑结构 BMW车系影音娱乐系统的车系影音娱乐系统的MOST总线采用环形拓扑结构总线采用环形拓扑结构2.按联网范围和控制能力分按联网范围和控制能力分 总线按联网范围分为主总线系统、子总线系统。总线按联网范围分为主总线系统、子总线系统。 主总线系统负责跨系统的数据交换，主总线系统相关参主总线系统负责跨系统的数据交换，主总线系统相关参数见表数见表1-1。主总线系统名称主总线系统名称数据传输速率数据传输速率总线拓扑结构总线拓扑结构传输介质传输介质K总线总线9.6kbit/s线形，单线线形

30、，单线铜质电线铜质电线D总线总线10.5115 kbit/s线形，单线线形，单线铜质电线铜质电线CAN100 kbit/s线形，双线线形，双线铜质电线铜质电线K-CAN100 kbit/s线形，双线线形，双线铜质电线铜质电线F-CAN100 kbit/s线形，双线线形，双线铜质电线铜质电线PT-CAN500 kbit/s线形，双线线形，双线铜质电线铜质电线Byteflight10Mbit/s星形星形光纤光纤MOST22.5Mbit/s环形环形光纤光纤表表1-1 主总线系统相关参数主总线系统相关参数 子总线系统负责系统内的数据交换，子总线系统相关参子总线系统负责系统内的数据交换，子总线系统相关参

31、数见表数见表1-2。这些系统用于交换特定系统内数据量相对较少的。这些系统用于交换特定系统内数据量相对较少的数据。数据。子总线系统名称子总线系统名称数据传输速率数据传输速率总线拓扑结构总线拓扑结构传输介质传输介质K总线协议总线协议9.6kbit/s线形，单线线形，单线铜质电线铜质电线BSD9.6kbit/s线形，单线线形，单线铜质电线铜质电线DWA总线总线9.6kbit/s线形，单线线形，单线铜质电线铜质电线LIN总线总线9.619.2 kbit/s线形，单线线形，单线铜质电线铜质电线子总线系统相关参数子总线系统相关参数3.按信息传输速度分按信息传输速度分 A类网络是面向传感器类网络是面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输位执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常小于速率通