智能网联汽车技术 课件 人大 项目5、6 智能网联汽车先进驾驶辅助系统、汽车总线及车载网络技术

智能网联汽车技术21世纪技能创新型人才培养系列教材·汽车系列主编王皓张春蓉项目五智能网联汽车先进驾驶辅助系统项目五智能网联汽车先进驾驶辅助系统任务一先进驾驶辅助系统的定义和类型任务二常用的先进驾驶辅助系统任务三常用先进驾驶辅助系统的检修任务一先进驾驶辅助系统的定义和类型一、基本概念先进驾驶辅助系统（AdvancedDriverAssistanceSystems，ADAS）是智能网联汽车的重要组成部分，该系统可辅助改进驾乘安全性和舒适性，并不断实现驾驶行为的最优化，如经济驾驶和智能化车流控制。先进驾驶辅助系统是指利用安装在车辆上的传感器，以及通信、决策及执行等装置，实时监测驾驶人、车辆及行驶环境，并通过信息和/或运动控制等方式辅助驾驶人执行驾驶任务或避免或减轻碰撞危害的各类系统的总称。任务一先进驾驶辅助系统的定义和类型此外，先进驾驶辅助系统还具有驾驶疲劳监测（DriverFatigueMotitoring，DFM），交通标志识别（TrafficSignsRecommition，TSR），紧急制动辅助（EmergencyBrakingAssist，EBA）等功能。驾驶疲劳监测：实时监测驾驶人状态并在确认其疲劳时发出提示信息。交通标志识别：自动识别车辆行驶路段的交通标志并发出提示信息。紧急制动辅助：实时监测车辆前方行驶环境，在可能发生碰撞危险时提前采取措施以减少制动响应时间，并在驾驶人采取制动操作时辅助增加制动压力，以避免碰撞或减轻碰撞后果。任务一先进驾驶辅助系统的定义和类型二、ADAS的类型先进驾驶辅助系统按照环境感知系统的不同，分为两种可实现的技术路线：自主式和网联式。1.自主式先进驾驶辅助系统自主式先进驾驶辅助系统基于车载传感器完成环境感知，依靠车载中央控制系统进行分析决策，技术比较成熟，多数已经装备量产车型。自主式先进驾驶辅助系统按照功能可以分为避险辅助类、视野改善类、倒车/泊车辅助类、驾驶人状态监测类。任务一先进驾驶辅助系统的定义和类型（1）避险辅助类。避险辅助是指自动检测车辆可能发生的碰撞危险并提醒驾驶人，必要时系统会主动介入，从而防止危险的发生或减轻事故伤害。避险辅助类先进驾驶辅助系统包括汽车自适应巡航控制系统（ACC）、车道偏离预警系统（LDW）、车道保持辅助系统（LKA）、汽车并线辅助系统、汽车自动刹车辅助系统（AEB）等。如图5-1所示为正常行驶时的车辆行驶预警。任务一先进驾驶辅助系统的定义和类型（2）视野改善类。视野改善的目的是提高不良视野环境下的行车安全。视野改善类先进驾驶辅助系统包括汽车自适应前照明系统、汽车夜视辅助系统、汽车平视显示系统等。如图5-2所示为汽车的摄像头。任务一先进驾驶辅助系统的定义和类型（3）倒车/泊车辅助类。倒车/泊车辅助是指辅助驾驶人进行倒车、泊车操作，防止在该过程中发生碰撞。倒车/泊车辅助类先进驾驶辅助系统包括刹车影像监视系统、全方位车身影像系统、自动泊车辅助系统等。如图5-3所示为倒车/泊车辅助摄像头。任务一先进驾驶辅助系统的定义和类型（4）驾驶人状态监测类。驾驶人状态监测是指通过监测驾驶人的身体状态及驾车行为，并进行提醒，以确保驾驶人处于安全健康的驾驶状态。驾驶人状态监测类先进驾驶辅助系统包括驾驶人疲劳检测系统、禁酒闭锁系统等。任务一先进驾驶辅助系统的定义和类型2.网联式先进驾驶辅助系统联式先进驾驶辅助系统基于车内与外界的通信互联完成环境感知，依靠云端大数据进行分析决策，如汽车自动引导系统等。网联式先进驾驶辅助系统的主要功能有交通拥挤提醒、闯红灯警示、弯道车速警示、停车标志间隙辅助、减速区警示、限速交通标志警示、现场天气信息警示、违反停车标志警示、违反穿过铁路警示、过大车辆警示等。警示不仅可以告示车辆和驾驶人违反安全，而且可以通过V2V、V2I警示附近的车辆，从而防止碰撞。任务二常用的先进驾驶辅助系统一、驾驶人疲劳监测系统驾驶人疲劳监测系统主要用于识别驾驶人的疲劳状态。基本原理如下：单调的行驶方式（比如高速公路的长距离行驶）很容易使人疲劳，导致注意力下降。该系统以转向角度的信息为基本单元，连续分析驾驶人的转向动作，探测其短时间内没有转向却突然修正方向的阶段信息，该信息常作为人注意力下降并出现疲劳的标志性信号之一。任务二常用的先进驾驶辅助系统二、智能大灯控制系统智能大灯控制系统用于确保最佳效果的道路照明。该系统通过摄像头检测环境亮度，并识别本车到前方车辆及对面来车的距离，这些数据将被用于灯光的控制，包括近光灯控制和远光灯控制。近光灯激活功能，该模块可以根据当前光线情况自行打开或关闭车辆的近光灯开关。远关灯激活功能，该模块用于让驾驶人尽可能使用远光灯照明，不必手动打开或关闭按钮。若系统未识别到行驶环境中有其他车辆，就会将远光灯激活；否则将远光灯关闭。任务二常用的先进驾驶辅助系统根据识别的数据信息，还可以自动调节近光灯或远光灯的照明亮度范围。自适应近光灯控制模式可以将近光灯的水平高度与车道轮廓持续地保持一致，在车辆行驶于坡道或崎岖路面时，该模式可以确保良好的照明，且不会对其他驾驶人造成炫目。如图5-5所示为智能大灯控制系统工作示意图。任务二常用的先进驾驶辅助系统三、自适应巡航控制系统自适应巡航控制系统用于帮助驾驶人调整汽车的行驶速度，与前方车辆保持较为安全的行驶车距。在车辆行驶过程中，自适应巡航控制系统保持由驾驶人预先设定的车速，车辆会通过自动加速、减速、制动来与实时变化的交通状况相适应；该系统还可将车辆自行制动至停车，并在驾驶人确认后自动重新启动。任务二常用的先进驾驶辅助系统四、车道偏离预警系统在车辆离开了正常行驶的车道而驾驶人无意识的情况下，车道偏离预警系统会发出车辆偏离行驶车道的警告。基本原理如下：该系统借助摄像头识别车辆行驶前方的车道标记，并将其与车辆在车道中的位置进行对比，若检测到车辆离开车道，便会通过图像、声音或方向盘振动等方式警告驾驶人。如果驾驶人在变换车道或转弯时将转向信号灯开启，那么车道偏离预警系统就不会工作。任务二常用的先进驾驶辅助系统五、车道保持辅助系统车道保持辅助系统的功能是车辆会主动帮助驾驶人保持在当前行驶的标记车道中。基本原理如下：系统通过摄像头检测车辆行驶的前方车道标记，如果识别到车辆与车道边界线的距离小于定义的最小距离，会将车辆转向反方向，从而使车辆保持在所行驶车道的中间。驾驶人可以随时夺回控制权，进行车道行驶干预。如果驾驶人在变换车道或转弯时将转向信号灯开启，那么车道保持辅助系统就不会工作。车道保持辅助系统工作示意图如图5-6所示。任务二常用的先进驾驶辅助系统六、车道变道辅助系统车道变道辅助系统用于在车辆变道时对可能发生的碰撞危险进行预警。基本原理如下：该系统监控车辆的侧面和斜后方（即变道的安全区域方位）的雷达传感器，当探测到盲区中有车辆或从后方高速驶来车辆时，便会发出视觉警报，如在车辆后视镜中显示发光符号。若驾驶人需要变道且打开了转向信号灯，系统会发出听觉或触觉警报，从而提醒驾驶人潜在的危险。车道变道辅助系统工作示意图如图5-7所示。任务二常用的先进驾驶辅助系统七、紧急制动系统紧急制动系统的作用是在车辆有可能发生追尾事故时，帮助驾驶人避免事故或者降低事故的严重程度。基本原理如下：如果该系统识别到与前车快速接近并存在追尾的危险时，会让制动系统提前做好紧急制动的准备。当驾驶人未对危险做出及时反应时，系统会发出听觉或视觉警报，并随之产生一个较为短促的但可以使驾驶人感知的间歇制动。此时，紧急制动系统将执行部分制动，从而降低车辆的车速并给驾驶人创造宝贵的反应时间。任务二常用的先进驾驶辅助系统若驾驶人踩下制动踏板，系统就会在制动时提供制动能量。同时，系统会持续计算汽车为了避免与前车碰撞所需的制动减速度，若识别到驾驶人的制动强度不够，则会增加制动压力，使车辆尽可能在发生碰撞前停住。若驾驶人没有做出任何反应并且该系统预估碰撞已经不可避免，便会触发完全制动系统，以减轻碰撞的损伤。紧急制动系统工作示意图如图5-8所示。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修一、奥迪车道保持辅助系统的故障诊断与排除车道保持辅助系统是为在高速公路和条件良好的乡间公路上行驶而设计的，因此它在车速高于65km/h时才开始工作。目前，奥迪车道保持辅助系统可以在A4、A6、A8、Q7等车型上作为选配安装，在提高车辆安全性能的同时也给汽车维修带来一定的困难。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修1.奥迪车道保持辅助系统的组成奥迪车道保持辅助系统的组成如图5-9所示。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修（1）车道保持辅助系统摄像机控制单元J852和图像处理控制单元J851。车道保持辅助系统控制单元与摄像头集成在一起。（2）带振动电机的多功能方向盘。振动电机安装在方向盘右下辐条内，方向盘的振动通过电机上的不平衡配重旋转来实现，振动（报警）大约持续1s。该电机出现故障后不能单独更换，必须更换整个方向盘。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修（3）车道保持辅助系统按钮（E517）。车道保持辅助系统按钮集成在转向拨杆上，系统的开关状态由组合仪表上的指示灯指示。点火开关关闭时的系统状态会被存入当前车钥匙，E517的状态由J527（转向柱电子装置控制单元）读入。（4）组合仪表上的指示灯如图5-10所示。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修（5）车道保持辅助系统的挡风玻璃加热装置（Z67）。Z67是一种电阻膜，直接贴在前挡风玻璃上，通过车道保持辅助系统摄像机控制单元（J852）供电。Z67是正温度系数（PTC）电阻，图像的对比度太弱的话，Z67便被激活，可持续工作约40min。如图5-11所示为Z67的工作电路。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修（6）车道保持辅助系统的振动电机。该电机安装在方向盘辐条内，由多功能方向盘控制单元（J453）控制。2.奥迪车道保持辅助系统的故障诊断与检修（1）部件的检查。当车道保持辅助系统发生故障时，首先应进行直观检查，即检查线束及插接器是否完好，部件是否丢失或损坏等。直观检查后可进行故障自诊断，包括车道保持辅助系统状态指示的检查、读取故障码、输入信号检查、取消信号检查等。进行故障自诊断时，如果读取到故障码，应进行故障码诊断，以进一步确定故障部位；如果没有读取到故障码，可按照故障征兆进行故障诊断。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修（2）诊断电路的检查。①检查电压。接通点火开关，测量位于仪表板左下方的诊断座的Tc与E1端子之间的电压，应为蓄电池电压。否则，进行线束检查。②检查线束。检查车道保持辅助系统ECU与诊断座之间及诊断座与搭铁之间的线束，如果线束有故障，进行修理。（3）控制单元的检查。检查车道保持辅助系统相关控制单元的工作情况。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修（4）故障诊断案例。故障现象：有一辆2019款一汽大众奥迪A6L（2.5t）轿车，车道保持辅助系统不工作。故障诊断与排除：该车车道保持辅助系统与其他奥迪车型的车道保持辅助系统相同，可以人工读取故障码。1）读取故障码。①将点火开关打到ON位，连接蓝牙。②打开电脑诊断仪（6150A），设定好车型。③开始诊断，读取故障码。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修2）检查车道保持辅助系统。①分析故障码。②部件检查。车道保持辅助系统按钮（E517）的工作电路如图5-12所示，直接用万用表欧姆挡测量其是否损坏。找到J852控制单元的位置（奥迪A6L在A柱下面）、Z67供电线4号针脚和搭铁线5号针脚，检查车道保持辅助系统各个传感器、控制单元、搭铁线等的线束。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修3）单元检查。通过数据总线诊断接头（J533）检查图像处理控制单元（J851）的方向，用505X诊断仪测量其7号和23号针脚，获取波形，确定其是否损坏。检查车道保持辅助系统的摄像控制单元（J852），用505X诊断仪检测其高CAN波形，确定其是否损坏。测量位置如图5-13所示。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修测量针脚为16L和18H，位于左侧A柱。通过对示波器输出的波形进行分析，得出断路、续接、正常情况下的波形，找出故障可能出现的地方，然后通过自己设置故障来进行诊断，便可准确找到故障的位置。总之，故障的检查顺序应按照由简单到复杂，逐一检查的步骤进行。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修二、毫米波雷达常见故障的检测分析在智能网联汽车中，毫米波雷达是实现智能驾驶的关键部件。毫米波雷达常见的故障类型包括相关电路的故障、设备部件故障、通信故障和系统故障等。毫米波雷达常见故障类型鱼骨图如图5-14所示。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修1.常见故障分析下面通过智能传感器装配调试台架检测毫米波雷达的常见故障：（1）首先将智能传感器装配调试台架打开，此时毫米波雷达系统不工作，测试系统没有显示任何信息。检测分析：此类故障一般表示毫米波雷达不能进入正常工作状态，原因通常为相关供电设备接地的问题、系统的问题以及毫米波雷达设备本身的问题。（2）打开智能传感器装配调试台架的电源开关，此时毫米波雷达系统开始正常工作，但是显示的数据不准确。检测分析：此类故障一般表明雷达系统能够进入正常工作状态，可能原因是毫米波雷达的安装与校正错误的问题或者是相关匹配错误的问题。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修（1）故障的现象。将智能传感器装配调试台架电源开启，毫米波雷达系统不能工作，测试系统没有信息显示。（2）相关电路分析。智能传感器装配调试台架毫米波雷达的控制电路如图5-15所示。毫米波雷达系统及控制器融为一体，控制器的1号脚是电源正极、2号脚是电源负极，系统通过5号脚与6号脚CAN总线到达CAN盒子，然后USB线将信号再发送到上位机调试软件进行通信。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修任务三常用先进驾驶辅助系统的检修（3）故障原因。台架系统供电异常，相应的线束电路故障（短路、断路、虚接等），毫米波雷达设备本身的故障（如接收、发射等问题），毫米波雷达与显示系统总线间的通信有故障，此外，还有可能是相关系统的故障。（4）排除方案的制定。根据毫米波雷达的电路原理图制定相应的故障诊断方案流程图，如图5-16所示。任务三常用先进驾驶辅助系统的检修智能网联汽车技术21世纪技能创新型人才培养系列教材·汽车系列主编王皓张春蓉项目六汽车总线及车载网络技术任务一汽车总线的概念及检修一、汽车总线技术的形成与分类1.汽车总线技术的形成随着现代化汽车电控技术的发展，人们对汽车性能的要求越来越高，包括汽车的动力性、燃油经济性、操控稳定性与平顺舒适性等均需要借助电控系统实现。汽车电控系统功能丰富，从发动机、变速箱、汽车制动系统、操控系统等动力控制系统到安全舒适系统、电源管理系统、仪表报警信号系统，均实现了电子化控制。汽车电控系统包括各单元的传感器和执行元件以及它们之间的通信网络。传统的汽车电控系统需要通过专门布线来实现“点—点”间的通信，如图6-1所示。任务一汽车总线的概念及检修任务一汽车总线的概念及检修汽车电控系统中的总线布置方式可看作将多个电控系统归于一个群中，各单元电控系统都是群里的成员，如图6-2所示。任务一汽车总线的概念及检修2.汽车总线技术的分类（1）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20Kb/s。A类总线以LIN（LocalInterconnectNetwork，本地互联网）较为常用，遵循由摩托罗拉与奥迪等企业联手推出的一种新型低成本的开放式串行通信协议，主要用于车内分布式电控系统，尤其适用于智能传感器或执行器的数字化通信场合，如中控门锁、电动车窗、灯光照明等。任务一汽车总线的概念及检修（2）B类总线。面向独立控制模块间信息共享的中速网络，传输速率范围为10～125Kb/s。B类总线以CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网络）较为常用。CAN网络最初是BOSCH公司为欧洲汽车市场开发的，只用于汽车内部测量和执行部件间的数据通信。随着技术和功能的逐步完善，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信控制器局域网（CAN）国际标准（ISO11898-1）。近几年，低速容错CAN的标准ISO11519-2已在欧洲的一些车型中广泛应用。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，如电子车辆信息中心、故障诊断与仪器仪表信息显示等。任务一汽车总线的概念及检修（3）C类总线。面向闭环实时控制的多路传输高速网络，传输速率范围为125Kb/s～1Mb/s。C类总线主要用于车上动力系统中对通信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，汽车厂商大多使用“高速CAN”作为C类总线，实际上就是ISO11898-1中传输速率高于125Kb/s的那部分标准。美国则在卡车及其拖车、建筑机械和农业动力设备中大量使用专门的通信协议SAEJ1939，实现汽车动力系统与传动系统的控制等功能。任务一汽车总线的概念及检修（4）D类总线。面向多媒体设备、高速数据流传输的高性能网络，传输速率一般在2Mb/s以上，主要用于CD等播放机和液晶显示设备，如汽车导航定位系统、汽车影音系统等。D类总线的带宽范畴相当大，用到的传输介质有多种。分为低速（以IDB-C为代表）、高速（以IDB-M为代表）和无线（以蓝牙为代表）三大范畴。任务一汽车总线的概念及检修二、CAN总线技术CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局部网络）总线技术是德国博世公司研发的国际标准现场总线，应用广泛，主要用于汽车的B类和C类总线。1.CAN总线技术的基本构成CAN总线技术的基本构成如图6-3所示，包括若干个设备单元、上下两条数据传递线（CAN-H和CAN-L）以及终端电阻。任务一汽车总线的概念及检修CAN总线的数据传输线是双向串行总线，一般采用具有较强抗干扰能力的双绞线，标注为CAN-H和CAN-L，两条线缠绕在一起，截面积为0.35mm2或者0.5mm2，如图6-4所示。CAN总线中，终端电阻的作用是防止信号在传输线终端产生的反射波干扰正常传输的数据。任务一汽车总线的概念及检修2.CAN总线的硬件基本结构与基本通信原理（1）CAN总线的硬件基本结构。如图6-5所示为CAN总线的硬件连接示意图，主要包括整车控制器、故障诊断控制器和各子系统部件的控制器节点。任务一汽车总线的概念及检修如图6-6所示为CAN总线串行数据传输方式示意图。由CAN总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点；实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性限制。CAN总线可提供高达1Mb/s的数据传输速率，使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN总线的抗电磁干扰能力。任务一汽车总线的概念及检修（2）CAN总线通信的基本原理。CAN总线采用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，CAN总线的总线协议支持多主控制器。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中，标识符是唯一的，不可能出现两个站发送具有相同标识符的报文的情况。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。当一个站要向其他站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当该站收到总线分配时，转为发送报文状态。任务一汽车总线的概念及检修CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其他站处于接收状态。每个处于接收状态的站均对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。用户在CAN总线中加入一些新站时，无须在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站为纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化，即总线上的控制器需要测量数据时，可由网上获得，不要求每个控制器都有自己独立的传感器。任务一汽车总线的概念及检修（3）CAN总线支持四类信息帧类型。1）数据帧。CAN协议有两种数据帧类型：2.0A和2.0B。两者本质的不同在于ID的长度。在2.0A类型中，ID的长度为ll位；在2.0B类型中，ID的长度为29位。一个数据帧中包括7个主要的域。如图6-7所示为数据帧的标准格式，如图6-8所示为数据帧的扩展格式。任务一汽车总线的概念及检修起始域：标志数据帧的开始，由一个显性位组成。仲裁域：内容由标示符和远程传输请求位（RTR）组成，RTR用于表明此信息帧是数据帧还是不包含任何数据的远地请求帧。当2.0A的数据帧和2.0B的数据帧必须在同一条总线上传输时，首先判断其优先权，如果ID相同，则非扩展数据帧的优先权高于扩展数据帧。控制域：r0、r1是保留位，作为扩展位，DLC表示一帧中数据字节的数目。数据域：包含0～8字节的数据。校验域（CRC域）：检验位错时采用的循环冗余校验域，共15位。应答域：包括应答位和应答分隔符。正确接收到有效报文的接收站，在应答期间总线值为显性电平。帧结束：由7位隐性电平组成。任务一汽车总线的概念及检修2）远程帧。远程帧接收数据的节点可通过发远程帧请求源节点发送数据，由6个域组成：帧起始、仲裁域、控制域、校验域（CRC域）、应答域、帧结束。如图6-9所示为远程帧的标准格式。任务一汽车总线的概念及检修3）错误指示帧。错误指示帧由错误标志和错误分界两个域组成。接收节点发现总线上的报文有误时，将自动发出“活动错误标志”，其他节点检测到活动错误标志后发送“错误认可标志”。如图6-10所示为错误指示帧的标准格式。任务一汽车总线的概念及检修4）超载帧。超载帧由超载标志和超载分隔符组成。超载帧只能在一个帧结束后开始。当接收方在接收下一帧之前，需要过多的时间处理当前数据时，或在帧间空隙域检测到显性电平时，会导致发送超载帧。如图6-11所示为超载帧的标准格式。

任务一汽车总线的概念及检修5）帧间空隙。帧间空隙位于数据帧和远地帧与前面的信息帧之间，由帧间空隙和总线空闲状态组成。帧间空隙是必要的，在此期间，CAN不进行新帧的发送，目的是CAN控制器在下次信息传递前有时间进行内部处理。当总线空闲时，CAN控制器方可发送数据。任务一汽车总线的概念及检修（4）CSMA/CD和逐位仲裁机制。CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）即载波侦听多路访问/冲突检测。载波侦听（CarrierSense）：指网络上各个节点在发送数据前，都要确认总线是否空闲（有无数据传输），若总线忙，则不发送数据；若总线空闲，立即发送准备好的数据。多路访问（MultipleAccess）：指网络上所有节点使用同一条总线收发数据，且发送数据的形式为广播式。冲突检测（CollisionDetection）：指发送节点在发出信息帧的同时，必须监听媒体，判断是否发生冲突（同一时刻，有无其他节点也在发送信息帧）。任务一汽车总线的概念及检修采用CSMA机制访问总线，可以允许多个节点挂接在同一个网络上。节点在发送信号之前，先对总线上的信号进行检测，总线处于空闲状态时才发送；当总线上的多个节点同时发送数据时，通过逐位仲裁机制解决。逐位仲裁机制的工作原理如下：1）在CAN总线上发送的每一条报文都采用11位或29位数字ID作为唯一的标识符。CAN总线的状态取决于二进制数0而不是1，所以说ID号越小，该报文拥有的优先级越高。任务一汽车总线的概念及检修2）当具有相同标识符的数据帧和远程帧在总线上发生冲突时，因为仲裁域的最后一位是RTR位，在数据帧中为显性，而远程帧为隐性，因此数据帧优先发。3）标准格式ID与具有相同ID的扩展格式的数据帧在总线上相遇时，标准格式的RTR位为显性，扩展格式的SRR位为隐性，因此标准格式的数据帧优先发送。这也意味着在同一条总线中标准格式数据帧和扩展格式数据帧不会相互冲突。任务一汽车总线的概念及检修4）标准格式ID与具有相同ID的扩展格式的远程帧在总线上相遇时，虽然标准格式的RTR位与扩展格式的SRR位相同，但下一顺位中，标准格式的IDE为显性，扩展格式的IDE为隐性，因此标准格式的远程帧优先发送。综上，CSMA/CD机制的3大功能为载波侦听、多路访问、冲突检测。逐位仲裁机制用于在总线上有多个节点同时发送数据时，决定各帧发送的优先级，其中：ID号越小，报文优先级越高；ID号相同，数据帧比远程帧优先级更高；ID号相同，标准格式数据帧与远程帧的优先级高于扩展格式数据帧与远程帧。任务一汽车总线的概念及检修（5）CAN总线技术通信同步原理。串行通信必须解决通信中的发送器和接收器之间的同步问题。CAN总线没有专用的时钟信号线，同步信息包含在总线上传输的数据之中。总线信息从隐性到显性的跳变提供了同步信息。如果总线上出现了多个连续的显性或隐性信息，就会影响同步的提取，因此CAN采用的是位填充机制。位填充一般指数据位没有被全部使用时，在没有使用的数据位上采用“0”或“1”填充。在CAN中，位填充是为防止突发错误而设定的功能。任务一汽车总线的概念及检修位填充机制的规则：在一帧中的起始域、仲裁域、控制域、数据域和CRC域部分，当发送器在待发送的比特流中检测到5个连读的具有相同数值的位时，自动插入1个补位码（添加1个位的反型数据，例如在5个隐性位后添加1个显性位）。数据帧和远程帧的其余部分（CRC界定符、应答域和帧结束）具有固定格式，不进行位填充；错误帧和过载帧也具有固定格式，不进行位填充。如图6-12所示为待发送帧示意图，如图6-13所示为位填充后的帧示意图。任务一汽车总线的概念及检修（6）CAN总线技术错误处理。CAN总线技术的错误类型共有5种，这些错误存在同时发生的概率。1）位错误。比较输出电平和总线电平（不含填充位），当两个电平不一样时，即认为发生了位错误。发生（检测位错误）动作的节点：输出4类帧的节点和输出Ack、错误的节点。被检测的帧：4类帧。任务一汽车总线的概念及检修不被视为位错误的情况：仲裁失利，在仲裁域输出隐性电平但检测出显性电平；填充错误，在仲裁域作为填充位输出隐性电平，但检测出显性电平；其他节点的Ack应答，发送节点在Ack段输出隐性电平，但检测到显性电平。2）填充错误。在需要位填充的段内，连续检测到6位相同电平。3）CRC错误。通过接收到的数据计算出CRC结果域接收到的CRC顺序不同。4）格式错误。发现与固定的格式位段相反的格式。不被视为格式错误的情况：接收节点检测出EOF的最后一位是显性电平（前7位为隐性电平）；接收节点检测出的数据长度码的值是9～15。5）Ack错误。发送节点在Ack槽中检测出隐性电平。Ack（Acknowledgecharacter）是确认字符，在数据通信中，是接收站发给发送站的一种传输类控制字符，表示发来的数据已确认接收无误。检测出错误条件的节点发送错误标志以指示错误。处于主动报错状态节点输出的错误标志为主动报错标志；处于被动报错状态节点输出的错误标志为被动报错标志。节点检测到位错误、填充错误、格式错误、Ack错误时，从检测出错误的下一位开始输出错误标志。发送节点发送完错误帧后，将再次发送数据帧或远程帧。任务一汽车总线的概念及检修（7）CAN总线技术故障界定。CAN节点能区分瞬时扰动引起的故障和永久性故障，故障节点会被关闭。CAN节点的故障一般有3种状态，具体见表6-1。任务一汽车总线的概念及检修1）主动报错状态。主动报错是指当节点检测到错误时，将主动发送错误标志。主动报错节点可以照常参与总线通信，并在检测到错误时，送出一个活动错误标志。2）被动报错状态。被动报错是指当节点出错时，由其他节点主动报错。处于被动错误状态的节点即使检测出错误，而其他处于主动错误状态的单位如果没发现错误，整个总线也被认为是没有错误的。被动报错节点可以参与总线通信，但不允许送出活动错误标志。当检测到错误时，只能送出认可错误标志，发送以后仍为被动报错状态，直到下一次发送初始化。3）总线关闭状态。CAN可以判断出错误的类型是暂时的数据错误还是持续的数据错误。节点在发生持续错误的情况下将自动退出总线。总线关闭时不允许节点对总线有任何影响。为了界定故障，在每个总线单元中都设有两个故障计数器：发送出错计数和接收出错计数。这些计数将按照特定规则进行，根据计数值来决定进入何种状态。如图6-14所示为发送错误计数值和接收错误计数值。任务一汽车总线的概念及检修任务一汽车总线的概念及检修3.CAN总线的优点（1）多主控制。当总线空闲时，连接到总线上的所有单元都可以启动发送信息，这就是所谓的多主控制的概念。先占有总线的设备获得在总线上发送信息的资格，这就是所谓的CSMA/CR（CarrierSenseMultipleAccess/CollosionAvoidance）方法。如果多个设备同时发送信息，那么发送最高优先级ID消息的设备获得发送资格。任务一汽车总线的概念及检修（2）信息的发送。在CAN协议中，所有发送的信息都要满足预先定义的格式。当总线没有被占用时，连接在总线上的任何设备都能启动新信息的传输，如果两个或更多个设备在同时刻启动信息的传输，则通过ID来决定优先级。ID并不是指明信息发送的目的地，而是指示信息的优先级。如果两个或者更多的设备在同一时刻启动信息的传输，在总线上按照信息所包含ID来竞争，赢得竞争的设备（也就是具有最高优先级的信息）能够继续发送，而失败者则立刻停止发送并进入接收操作。因为总线上同一时刻只能有一个发送者，其他均处于接收状态，所以并不需要在底层协议中定义地址的概念。任务一汽车总线的概念及检修（3）系统的灵活性。连接到总线上的单元没有类似地址的标识，所以添加或去除一个设备，无须改变软件、硬件或其他设备的应用层软件。（4）通信速度。可以设置任何通信速度，以适应网络规模。对于一个网络，所有单元必须有相同的通信速度，如果不同，就会发生错误，并妨碍网络通信。不同网络间可以有不同的通信速度。任务一汽车总线的概念及检修（5）远程数据请求。可以通过发送“遥控帧”请求其他单元发送数据。（6）错误检测、错误通知、错误恢复功能。所有单元均可以检测出错误（错误检测功能）。检测到错误的单元立刻同时通知所有单元（错误通知功能）。如果一个单元发送信息时检测到一个错误，它会强制终止信息传输，并通知其他所有设备发生了错误，然后该单元会重传信息直到正常传输出去（错误恢复功能）。任务一汽车总线的概念及检修（7）错误隔离。CAN总线上有两种类型的错误：暂时性的错误（总线上的数据由于受到噪声的影响而暂时出错）；持续性的错误（由于设备内部出错而导致的，如驱动器坏了、连接有问题等）。CAN能够区别这两种类型的错误：一方面降低常出错单元的通信优先级以阻止对其他正常设备产生影响；另一方面，如果是持续性的错误，则将这个设备从总线上隔离。（8）连接。CAN总线允许多个设备同时连接到总线上且在逻辑上没有数目上的限制。实际上，由于延迟和负载能力的限制，可连接的设备还是有限制的，可以通过降低通信速度来增加连接的设备的个数。相反，如果连接的设备少，通信速度可以增加。任务一汽车总线的概念及检修4.CAN总线技术的应用CAN总线最初是为汽车电子控制系统而设计的，目前，这项技术已应用于火车、轮船等交通工具中。CAN总线在组网和通信方面的优点及其具有的高性价比确定了它在多个领域均有应用前景和发展潜力。实际上，无论在什么领域，CAN所起的作用可看作总线拓扑的计算机局域网。任务一汽车总线的概念及检修（1）大型仪器设备中的应用。大型仪器设备是一种参照一定步骤对多种信息进行采集、处理、控制、输出等操作的复杂系统。过去，这类仪器设备的电子系统往往在结构和成本方面占比很高，可靠性却不高。采用CAN总线技术后，在这方面有了明显改观。任务一汽车总线的概念及检修（2）工业控制中的应用。随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革，而工业控制的网络化进程更拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。在工业领域，CAN总线可作为现场设备级的通信总线，与其他总线相比，CAN总线具有很高的可靠性和性价比。任务一汽车总线的概念及检修（3）汽车制造中的应用。应用CAN总线可以减少车身布线，进一步节省成本；由于采用了总线技术，模块之间的信号传递仅需要两条信号线；布线局部化，除总线外，所有横贯车身的线都不再需要了。此外，CAN总线在设计时充分考虑到了汽车上恶劣的工作环境，强化了抗干扰能力，以应对如点火线圈点火时产生的强大的反充电压、电涡流缓冲器切断时产生的浪涌电流以及汽车发动机舱100℃左右的高温。任务一汽车总线的概念及检修5.CAN总线技术与智能网联汽车CAN总线控制器局域网已成为汽车控制系统的标准总线。如果把汽车比作人，CAN总线就相当于汽车的神经网络，负责连接车内各控制系统。在传统汽车领域，CAN总线只承担了汽车内部的数据交换和信息传输，不与外界网络发生联系，安全指数较高，针对CAN总线的安全防护并没有引起车企的关注。然而，随着智能网联汽车时代的到来，CAN总线被用于连接汽车T-box与各ECU，而T-box作为智能汽车的联网设备，拥有较多的外部访问点，其数据传输和信息验证过程极容易受到黑客攻击，因此，CAN总线安全越来越受到各大车企的关注。任务一汽车总线的概念及检修那么，现阶段智能网联汽车的CAN总线是否安全呢？答案还不能肯定。例如，克莱斯勒的Jeep车型曾被国外的安全专家“入侵”，然后利用系统漏洞，远程控制汽车的多媒体系统，进而攻击V850控制器，获取远程向CAN总线发送指令的权限，达到远程控制动力系统和刹车系统的目的，可在用户不知情的情况下降低汽车的行驶速度、关闭汽车引擎、突然制动或者让制动失灵。总体来说，CAN总线的安全风险基于两点：一是通信缺乏加密和访问控制机制，可被攻击者通过逆向总线通信协议分析出汽车控制指令，用于攻击指令伪造；二是通信缺乏认证及消息校验机制，不能对攻击者伪造、篡改的异常消息进行识别和预警。鉴于CAN总线的特性，攻击者可通过物理侵入或远程侵入的方式实施消息伪造、重放等攻击。任务一汽车总线的概念及检修因此，实现CAN总线安全，需要对CAN总线数据通信和访问过程进行加密，实现汽车密态数据交互和身份验证控制，以达到防范固件逆向、窃听和数据窃取的目的；还需要对CAN总线进行固件加密、通信内容加密、数据存储加密和数字签名。CAN总线的整个通信过程可采用密码学机制，实现车联网端到端的身份认证，每次通信时对数据先加密、后通信，这样能够对智能汽车的离线、在线等多种场合进行安全防护。任务一汽车总线的概念及检修三、LIN总线技术1.LIN总线技术概述LIN（LocalInterconnectNetwork）总线又称为局部连接网络。该总线协议于1998年由奥迪、宝马、摩托罗拉、戴姆勒-克莱斯勒、沃尔沃、大众和明导7家公司联合提出，主要目的在于提供一种低成本的车用总线，从而形成对CAN总线的补充。目前，LIN总线已经被大多数汽车公司以及零配件厂商所接受，成为A类网络协议。任务一汽车总线的概念及检修LIN总线技术已广泛应用于汽车电子网络结构中，基于通用的UART/SCI接口，使用单线信号传输，从节点无须晶振或陶瓷振荡器就能实现自行同步，故而价格实惠。车载网络中，LIN处于低端，与CAN总线以及其他B类或C类网络比较，它的传输速率低、结构简单、价格低廉，与汽车上的其他网络形成互补关系。汽车产品的部件或整机系统对价格的敏感度很高，LIN总线技术在汽车网络系统中的应用，凸显了其必要性和优越性。任务一汽车总线的概念及检修2.LIN总线的基本结构LIN总线系统是由1个主节点与多个从节点组成的。如图6-15所示，所有节点都包含一个从任务，主节点里包含一个主任务，所有通信联系任务都是主任务发起的。任务一汽车总线的概念及检修LIN总线的结构中，最大电控单元节点数为16，两个相邻电控单元节点间最大间距为40m。一个LIN总线节点主要由微控制器和LIN收发器组成，通过UART/SCI接口协议连接。3.LIN总线的工作原理（1）LIN主控制单元。导线上的每条信息的开始处都通过LIN主控制单元发送一个信息标题，由一个同步相位构成，后面部分是标识符字节，可以传输2、4、8字节的数据。标识符用于确定主控制单元是否会将数据传输给从属控制单元。信息段包含发送到从属控制单元的信息。校验区由主控制单元通过数据字节构成，位于信息结束部分，可为数据传输提供良好的安全性。LIN总线主控制单元以循环形式传输当前信息。如图6-16所示为LIN总线布线示意图。任务一汽车总线的概念及检修任务一汽车总线的概念及检修（2）LIN执行元件。LIN执行元件均为智能型电子或机电部件，通过LIN主控制单元的LIN数字信号接收任务指令。LIN主控制单元通过集成的传感器来获取执行元件的实际工作状态，然后将规定状态和实际状态进行对比，并发出相应的控制指令。LIN主控制单元发出控制指令后，传感器和执行元件才能够做出反应。任务一汽车总线的概念及检修4.LIN总线系统的特点（1）采用“单主多从”的组网方式，无CAN总线采用的仲裁机制，最多可连接16个节点（1主15从）。（2）对硬件要求简单，仅需UART/SCI接口，辅以简单驱动程序便可实现LIN协议。故几乎所有的MCU均支持LIN。（3）不需要单独的晶振便能完成主、从节点的同步，硬件成本大幅降低。（4）仅使用一根信号线便可完成信息的传输，即所谓的单总线设备。（5）传输速率最高可达20Kbit/s，符合A类网络标准，满足车身控制需要。（6）新节点的加入，对LIN网络中原有节点的软硬件设计不会造成影响。任务一汽车总线的概念及检修5.LIN总线在车门控制通信系统的应用该设计方案主要采用英飞凌XC886单片机作为主节点控制器，以英飞凌TLE7259芯片为LIN驱动模块，这样可使主节点车门控制器通过LIN总线与3个从节点车门控制器（TLE7810）进行通信。在这个门控系统中，主节点可以通过司机侧方按钮对所有车窗和车门进行总控制升降或暂停，并能够进行后视镜的调节和中央门锁的控制。如图6-17所示为LIN总线在车门控制系统的结构实现。任务一汽车总线的概念及检修任务一汽车总线的概念及检修（1）XC886与UN驱动模块的接口设计。英飞凌的XC886单片机是基于8051工业标准架构的高性能微控制器，内部集成了CAN控制器并可支持UN通信，同时包含两个URAT（一个用来支持LIN）和两个独立的16位计时器的捕捉/比较单元（CCU），可以灵活产生PWM信号。此外，该单片机还集成了高精度8路10位ADC、4个通用16位计时器和可编程16位看门狗计时器（WDT），支持片内调试。XC886包括多种省功耗模式，适用于各种汽车车身控制网络。任务一汽车总线的概念及检修（2）LIN通信中主节点的软件实现。软件采用C语言模块化编写，便于维护。LIN总线的传输速率设置为20Kbit/s，可在单主节点和3个从节点间通信，数据场长度设置为2字节。一个字节用来发送主节点的控制命令或接收从节点的状态信息；另一个字节为预留，用于用户扩展。任务一汽车总线的概念及检修通常，由主节点向从节点发送控制命令，包括车窗升降控制、车门锁命令和后视镜调节控制等，表6-1所列为控制命令的数据场定义。当车窗控制部分发送车窗无动作命令时（Bit2为0），可以忽略后两位（Bit1和Bit0）判断，车窗保持原状。当后视镜部分发送后视镜无动作命令时（Bit6为0），则忽略后三位（Bit5、Bit4和Bit3）判断，此时左右两个后视镜电机均无动作，后视镜位置保持原状。中控锁部分（Bit7）用于中控锁的状态比较，若位数据相同，则保持中控锁状态；若位数据不同，则驱动中控锁电机进行相应动作。任务一汽车总线的概念及检修四、MOST总线技术1.MOST总线技术概述在汽车的影音系统和信息显示系统中，为确保播放音质清晰、画面流畅，需要传输较大的数据量，这就要求较高的传输速率。在带有立体声的数字式车载音响电视系统中，大约需要6Mbit/s的传输速率。CAN总线的最高速率为1Mbit/s，达不到要求，故汽车厂商开发了光学总线系统。任务一汽车总线的概念及检修目前，汽车上的光学总线系统主要有DDB、MOST和Byteflight，其中以MOST总线系统应用最为广泛。MOST（MediaOrientedSystemTransport）是面向媒体的系统传输总线系统，MOST是汽车业合作的成果，不具备正式的标准。MOST总线系统可连接汽车音响系统、视频导航系统、车载电视、高保真音频放大器和车载电话等，传输速率可达24.8Mbit/s，传输中不存在电磁干扰的问题。例如，在奥迪A6的数字电视系统中，大量的视频和音频数据信息便是由MOST总线系统传输的，而CAN总线只用于控制信号的传输。任务一汽车总线的概念及检修MOST总线可以不占用额外的主控计算机系统，具有结构灵活、性能可靠、易于扩展、系统界面简洁的特点，通常采用塑料制光纤作为物理层的传输介质，支持“即插即用”的连接方式，在网络上可以随时添加和去除设备。MOST总线通过光缆借助光波传递数据，具有导线少、重量轻、速率快、不产生电磁干扰和对抗电磁干扰的优点，使得MOST总线具有较高的传输速率和较强的抗干扰性能。任务一汽车总线的概念及检修2.MOST总线的网络拓扑结构MOST总线是一个环状结构，光信号从一个节点传送到另一个节点，接收设备收到信号后，将其转换成电信号，再由MOST处理器进行处理，最后将信号转换成光信号。如图6-20所示为MOST总线系统环形拓扑图。任务一汽车总线的概念及检修3.MOST总线数据类型MOST总线系统可利用光纤网络传递以下3种数据类型：（1）同步数据：也称时基数据，即音频信号、视频信号等流动型数据。（2）异步数据：也称非时基数据，即访问网络及访问数据库等的数据包。（3）控制数据：也称控制信号，即控制报文及控制整个网络的数据。MOST总线系统传输的数据信息构成如图6-21所示。任务一汽车总线的概念及检修任务一汽车总线的概念及检修五、FlexRay总线技术1.FlexRay总线系统概述FlexRay总线可将事件触发和时间触发两种方式结合起来，具有高效的网络利用率和系统灵活性等特点，可以作为新一代汽车内部网络的主干网络。FlexRay是汽车工业的事实标准（factostandard）。FlexRay是一种双线式总线系统，数据传输速率为10Mbit/s，其中一根是正总线（粉红色），另一根是负总线（绿色）。如图6-22所示为FlexRay总线系统的拓扑结构图。任务一汽车总线的概念及检修任务一汽车总线的概念及检修2.FlexRay总线的特点FlexRay是专为车内局域网设计的一种具备故障容错的高速可确定性车载总线系统，采用基于时间触发的机制，具有高带宽、容错性好等特点，在实时性、可靠性及灵活性方面有很大的优势，非常适用于对安全性要求较高的线控场合以及对带宽要求较高的场合。任务一汽车总线的概念及检修（1）高速率和容错性。FlexRay可通过一个或两个通道进行数据传输，单个通道的数据传输速率可达10Mbit/s，通过两通道平行传输数据时可达20Mbit/s。当然，也可通过双通道传输相同的数据，当其中某个通道出现故障或信息有误时，另一通道可继续正常传输，不影响整个网络的数据通信，这种冗余备份模式可以实现很好的容错性。任务一汽车总线的概念及检修（2）确定性。FalexRay是一种时间触发式总线系统，符合TDMA（TimeDivisionMultipleAccess，时分多址）原则，因此在时间控制区域内，时隙会分配给确定的消息，即会将规定好的时间段分配给特定的消息，时隙经固定周期重复，也就是说信息在总线上的时间可以被预测出来，因此保证了其确定性。这就意味着控制信号是根据预定义的时间进度传输的，无论系统外部发生什么情况，都不会产生计划外事件。在确定性算法中，会始终预先定义正确的输出结果，这些结果是基于特定输入的。（3）灵活性。FlexRay除了支持时间触发式通信外，还可通过事件触发来进行数据传输，例如对于时间要求不高的信息，可配置在事件控制区域内传输，具有以时间触发为主，兼顾事件触发的灵活特性。此外，FlexRay的拓扑是多样的，有线型、星状和混合型三大类，再结合单通道和双通道模式，可以形成多种结构。任务二汽车车载网络及检修汽车车载网络（简称车联网，又称车载以太网）是互联网中应用广泛的网络技术。该技术于1973年发明，当时作为个人计算机局域网技术，之后得到快速发展并成为美国电气与电子工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）802的开放式标准集合。任务二汽车车载网络及检修一、汽车车载网络相关技术1.常见的车载网络系统目前，常见的车载网络为CAN、LIN、MOST、FlexRay、TTP/C以及LVDS等，CAN、LIN、MOST、FlexRay不再赘述，TTP/C和LVDS简述如下：任务二汽车车载网络及检修TTP/C是应用在分布式实时控制系统中的完整的通信协议，可以支持多种容错策略，提供容错的时间同步以及广泛的检测机制，具有节点的回复和整合功能。该技术采用了光纤传输工程化样品，传输速率可达25Mbit/s。TTP/C支持时间和事件触发的数据传输。LVDS是一种电气数字信号系统（低电压差分信号，通过铜缆双绞线来传输高速数据），最大带宽为850Mbit/s，最长传输距离为10m。LVDS用于车载屏幕和摄像头之间的数据传递。LVDS包含不开放的协议，不同厂商的部件不支持数据交换，需要ECU充当网关。任务二汽车车载网络及检修2.车载网络的物理层（1）车载网络物理层的基本结构。车载以太网的物理层技术包含针对汽车环境开发的数据传输，即以太网供电技术、以太网音频/视频桥接技术。物理层的媒介包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。DTE指数据终端设备（又称物理设备），如计算机、终端等都包括在内；DCE指数据通信设备或电路连接设备，如调制解调器等。数据传输通常要先经过DTE—DCE，再经过DCE—DTE。互连设备指将DTE、DCE连接起来的装置，如各种插头、插座。车载网络物理层的基本结构如图6-23所示。任务二汽车车载网络及检修任务二汽车车载网络及检修（2）车载网络物理层主要解决的问题。1）物理层要尽可能地屏蔽物理设备和传输媒体。2）为了给用户提供在物理传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。任务二汽车车载网络及检修3.车载网络的链路层车载网络具有低成本和灵活性特点，但基于载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）技术的传统车载网络有着不确定性和非实时性的缺点。CSMA/CD是一种争用型介质访问控制协议，起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所采用的争用型协议，进行了改进，使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率，主要应用于现场总线Ethernet中。另一个改进是对于每个站而言，CSMA/CD一旦检测到有冲突，就会放弃当前的传