智能网联汽车概论 课件 单元6 车载网络系统

第六章车载网络系统智能网联汽车概论1.熟知车载网络系统的类型与特点。2.掌握车载网络系统的分类、特点、应用。3.掌握汽车的车载网络系统从LIN、CAN总线到Flexray、以太网区别与联系学习目标学习内容

汽车网络系统概述

车载网络的类型一、汽车网络系统概述汽车网络系统主要由车载网络、车载自组织网络以及车载移动互联网络组成，如图6-1所示。其中以车内总线通信为基础的是车载网络；以短距离无线通信为基础的是车载自组织网络；以远距离无线通信为基础的是车载移动互联网络。图6-1汽车网络系统的组成

（一）汽车网络系统类型（1）以车内总线通信为基础的车载网络系统见图6-2所示。

图6-2车载网络系统图6-2车载网络系统1）A类低速网络。传输速率一般小于（千比特每秒)，主流协议是LIN（局域互联网络），主要用于电动门窗、电动座椅、照明系统等。2）B类中速网络。传输速率在之间，对实时性要求不太高，主要面向独立模块之间数据共享的中速网络；主流协议是低速CAN（控制器局域网络），主要用于故障诊断、空调、仪表显示。3）C类高速网络。传输速率在之间，对实时性要求高，主要面向高速、实时闭环控制的多路传输网；主流协议是高速CAN、FlexRay（服乐克思睿）等，主要用于发动机控制、ABS、ASR、ESP、悬架控制等。4）D类多媒体网络。传输速率在之间，网络协议主要有MOST、以太网、蓝牙、ZigBee技术等，主要用于要求传输效率较高的多媒体系统、导航系统等。5）E类安全网络。传输速率为，主要面向汽车安全系统的网络。

（2）车载自组织网络是基于短距离无线通信技术自主构建的V2V、V2I、V2P之间的无线通信网络，实现V2V、V2I、V2P之间的信息传输，使车辆具有行驶环境感知、危险辨识、智能控制等功能，并能够实现V2V、V2I之间的协同控制，见图6-3所示。图6-3车载自组织网络

（3）车载移动互联网是基于远距离通信技术构建的车辆与互联网之间连接的网络，实现车辆信息与各种服务信息在车载移动互联网上的传输，使智能网联汽车用户能够开展商务办公、信息娱乐服务等，见图6-4所示。图6-4车载移动互联网

（二）汽车网络的特点（1）复杂化。智能网联汽车电控系统的网络体系结构复杂，它包含多达数百个ECU通信节点，ECU被划分到十几个不同的网络子系统之中，由ECU产生的需要进行通信的信号个数多达数千个。（2）异构化。为满足各个功能子系统对网络带宽、实时性、可靠性和安全性的不同需求，CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太网、自组织网络、移动互联网等多种网络技术都将在智能网联汽车上得到应用，因此，不同网络子系统中所采用的网络技术之间存在很大程度的异构性。（3）网关互连的层次化架构。智能网联汽车电控系统和先进驾驶辅助系统的网络体系结构具有层次化特点，它同时包括同一网络子系统内不同ECU之间的通信和两个或多个网络子系统所包含的ECU之间的跨网关通信等多种情况。如防碰撞系统功能的实现依赖于安全子系统、底盘控制子系统、车身子系统以及V2V、V2I、V2P之间的交互和协同控制。（4）通信节点组成和拓扑结构是变化的。智能网联汽车需要实现V2V、V2I、V2P之间的通信，它的网络体系结构中包含的通信节点和体系结构的拓扑结构是变化的。

二、

车载网络车载网络系统主要由CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太网等组成，见图6-5所示。图6-5车载网络系统的组成

（一）CAN总线网络（1）CAN总线定义CAN是控制器局域网络（ControllerAreaNetwork）的简称，是德国博世公司在1985年时为了解决汽车上众多测试仪器与控制单元之间的数据传输，而开发的一种支持分布式控制的串行数据通信总线，见图6-6所示。目前，CAN总线已经是国际上应用最广泛的网络总线之一，它的数据信息传输速率最大为1Mbit/s，属于中速网络，通信距离（无须中继）最远可达10km。图6-6车载CAN总线

（2）CAN总线特点CAN总线采用双绞线作为传输介质，媒体访问方式为位仲裁，是一种多主总线，见图6-7所示。图6-7车载CAN总线的结构

CAN总线具有如下特点：1）多主控制：在总线空闲时，所有单元都可开始发送消息；最先访问总线的单元可获得发送权；多个单元同时开始发送时，发送高优先级ID(标识符)消息的单元可获得发送权。2）消息的发送：在CAN协议中，所有的消息都以固定的格式发送；总线空闲时，所有与总线相连的单元都可以开始发送新消息；两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息ID的每个位进行逐个仲裁比较；仲裁获胜（被判定为优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。3）系统的柔软性：与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息；因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其他单元的软硬件及应用层都不需要改变。4）高速度和远距离：当通信距离小于40m时，CAN总线的传输速率可以达到1Mbit/s；通信速度与其通信距离成反比，当其通信距离达到10km时，其传输速率仍可以达到约5kbit/s。5）远程数据请求：可通过发送“遥控帧”请求其他单元发送数据。6）错误检测功能、错误通知功能、错误恢复功能。7）故障封闭：CAN总线可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）；当总线上发生持续的数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。8）连接：CAN总线可以同时连接多个单元，可连接的单元总数理论上是没有限制的；但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制；降低传输速率，可连接的单元数增加；提高传输速率，则可连接的单元数减少。

（3）CAN总线应用

根据CAN总线的传输速度不同，应用范围就不同，可分为高速CAN和低速CAN。高速CAN是动力型，速度为500kbps，控制ECU、ABS等；低速CAN是舒适型，速度为125Kbps，主要控制仪表、防盗等，见图6-8所示。图6-8CAN总线的应用

（二）LIN总线网络（1）LIN总线定义LIN是局部连接网络（LocalInterconnectNetwork）的简称，也被称为局域网子系统，是专门为汽车开发的一种低成本串行通信网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制，见图6-9所示。LIN网络的数据传输速率为20kbit/s，属于低速网络，媒体访问方式为单主多从，是一种辅助总线，辅助CAN总线工作；使用LIN总线可大大降低成本。图6-9车载LIN总线

（2）LIN总线特点1）LIN总线的通信是基于SCI数据格式，媒体访问采用单主节点、多从节点的方式，数据优先级由主节点决定，灵活性好；2）一条LIN总线最多可以连接16个节点，共有64个标识符；3）LIN总线采用低成本的单线连接，传输速率最高可达20kbit/s；4）不需要进行仲裁，同时在从节点中无须石英或陶瓷振荡器，只采用片内振荡器就可以实现自同步，从而降低硬件成本；5）几乎所有的MCU（微控制单元）均具备LIN所需硬件，且实现费用较低；6）网络通信具有可预期性，信号传播时间可预先计算；7）通过主机节点可将LIN与上层网络（CAN）相连接，实现LIN的子总线辅助通信功能，从而优化网络结构，提高网络效率和可靠性；8）LIN总线通信距离最大不超过40m。

（3）LIN总线应用LIN网络主要应用于车窗、门锁、开关面板、后视镜等，见图6-10所示。图6-10LIN总线的应用

（三）FlexRay总线网络（1）FlexRay总线定义FlexRay是一种用于汽车的高速可确定性的、具备故障容错的总线系统。目前汽车中的控制器件、传感器和执行器之间的数据交换主要是通过CAN网络进行的。然而新的线控技术（X-by-wire）系统设计思想的出现，导致车辆系统对信息传送速度尤其是故障容错与时间确定性的需求不断增加；FlexRay通过在确定的时间槽中传送信息，以及在两个通道上的故障容错和冗余信息的传送，可以满足这些新增加的要求。

（2）FlexRay总线特点1）数据传输速率高。最大传输速率可达到10Mbit/s，双通道总数据传输速率可达到20Mbit/s，因此，应用在车载网络上，FlexRay的网络带宽可以是CAN网络的20倍；2）可靠性好。具有冗余数据传输能力的总线系统使用两个相互独立的信道，每个信道都由一组双线导线组成；一个信道失灵时，该信道应传输的信息可在另一条没有发生故障的信道上传输；此外，总线监护器的存在进一步提高了通信的可靠性；3）确定性。确定性数据传输用于确保时间触发区域内的每条信息都能实现实时传输；4）灵活性。灵活性是FlexRay总线的突出特点，体现在以下方面：支持多种方式的网络拓扑结构，点对点连接、串级连接、主动星形连接、混合型连接等；信息长度可配置，可根据实际控制应用需求，为其设定相应的数据载荷长度；双通道拓扑既可用于增加带宽，也可用于传输冗余的信息；周期内静态、动态信息传输部分的时间都可随具体应用而改变。

（3）FlexRay总线应用1）替代CAN总线。数据传输速率要求超过CAN的应用，FlexRay替代多条CAN总线；2）用做“数据主干网”。数据传输速率高，且支持多种拓扑结构，非常适合于车辆主干网络，连接多个独立网络；3）用于分布式测控系统。分布式测控系统用户要求确切知道消息到达时间，且消息周期偏差非常小，如动力系统、底盘系统的一体化控制中；4）用于高安全性要求的系统。FlexRay本身不能确保系统安全，但它具备大量功能以支持面向安全的系统设计，FlexRay总线的应用见图6-11所示。图6-11FlexRay总线的应用

（四）MOST总线网络（1）MOST总线定义

MOST（多媒体定向系统传输）总线是使用光纤或双绞线作为传输介质的环形网络，可以同时传输音/视频流数据、异步数据和控制数据，支持高达150Mbit/s的传输速率。MOST25是第1代总线标准，最高可支持24.6Mbit/s的传输速率，以塑料光纤作为传输介质；第2代标准MOST50的传输速率是MOST25的2倍，采用塑料光纤、非屏蔽双绞线作为传输介质；第3代标准MOST150，不仅最高可支持147.5Mbit/s的传输速率，还解决了与以太网的连接等问题，MOST150将成为MOST总线技术发展的趋势。

（2）MOST总线特点1）保证低成本条件下，最高可以达到147.5Mbit/s的速率；2）无论是否有主控计算机都可以工作；3）支持声音和压缩图像的实时处理；4）支持数据的同步和异步传输；5）发送/接收器嵌有虚拟网络管理系统；6）支持多种网络连接方式，提供MOST设备标准；7）通过采用MOST，可以减轻线束的质量；8）光纤网络不会受到电磁辐射干扰与搭铁环的影响。

（3）MOST总线应用主要用于车载电视、车载电话、车载CD、车载互联网、DVD导航等系统的控制；用在车载摄像头等行车系统，见图6-12所示。图6-12MOST总线应用

四种常用总线网络传输速率与成本的比较见图6-13所示。图6-13四种常用总线网络传输速率与成本的比较

（五）以太网

（1）以太网总线定义以太网（Ethernet）是由美国施乐（Xerox）公司创建，并由施乐、英特尔（Intel）和数字装备（DEC）公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网包括标准以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）、千兆以太网（1000Mbit/s）和万兆以太网（10Gbit/s），见图6-14所示。图6-14以太网的组成

（2）以太网总线特点1）数据传输速率高。最大传输速率能达到10Gbit/s，并且还在提高，比任何一种现场总线都快；2）应用广泛。以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容易互联；3）容易与信息网络集成，有利于资源共享。由于具有相同的通信协议，以太网能实现与Internet的无缝连接，方便车辆网络与地面网络的通信；4）支持多种物理介质和拓扑结构。