电动汽车车载网络技术难点徐艳民全国高校新能源汽车

基于CAN总线协议的车载网络基于TTCAN总线协议的网络基于FlexRay总线协议的网络车载网络测试技术议题基于CAN总线协议的车载网络Controller（控制器）Area（局域）Network（网络）CANBus-控制器局域网络总线CAN总线系统-历史历史:CAN是由Bosch和Intel在八十年代末开发,用于连接客车和卡车ECU的标准化的总线系统。CAN2.0标准在1991年发布，迄今沿用。在1992年首先应用在MercedesS-系列车中(连接发动机和变速箱ECU)。1993年CAN成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519（低速应用）。如今CAN总线在自动化领域中作为现场总线普遍使用。CAN总线系统-基础概念数据总线:各个节点间进行数据通信的通道，即所谓的信息高速公路。多路传输:在同一个通道上或线路上同时进行多条信息的传输。CAN总线使用的“时分多路传输”CAN总线系统-基础概念位速率:指总线的通信传输速率，单位是位/秒(bit/s)。在CAN总线中一般用的单位是kbit/s。注意:CAN总线的最高位速率和通信距离相关。CAN总线组成数据传输线数据传输终端数据传输终端通信节点通信节点CAN总线组成-硬件（导线）传输线:两条导线分别叫CAN-High和CAN-Low线，或者简称CAN-H和CAN-L，扭绞在一起形成双绞线。+1V-1V外界的干扰同时作用于两根导线产生的电磁波辐射相互抵消~0VCAN-Bus的差分电压传输线采用双绞线，其绞距为20mm，截面积为0.35mm2或0.5mm2。修理时不能有大于50mm的线段不绞合。8CAN总线组成-硬件（导线信号）CAN-H的高电平为：3.5伏CAN-H的低电平为：2.6伏CAN-L的高电平为:2.4伏CAN-L的低电平为：1.5伏逻辑“1”:CAN-H=2.6V CAN-L=2.4V电压差=2.6V-2.4V=0.2V逻辑“0”：CAN-H=3.5V CAN-L=1.5V电压差=3.5V-1.5=2.0V驱动性CAN总线电压信号（大众）9CAN总线组成-硬件（导线信号）10差分传输具有很强的抗干扰能力CAN总线组成-硬件（导线信号）由于CAN-H线和CAN-L线是紧密的放置在一起的，所以干扰脉冲X就总是有规律地同时作用在两条线上。11CAN总线组成-硬件（数据传输终端）数据传输线数据传输终端数据传输终端通信节点通信节点数据传输终端实际上就是两个阻抗为120欧姆的电阻，也称为终端电阻。总线上的总阻抗大概是60-70欧姆左右。终端电阻的大小和传输线相关。12CAN总线组成-硬件（数据传输终端）数据传输终端作用：正确匹配的波形，保证传输信号不发生变形，保证通信的顺利进行。CAN总线组成-硬件（分支线）数据传输线数据传输终端数据传输终端通信节点通信节点分支线的长度不能太长，一般不要超过6M14CAN总线组成-硬件（通信节点）数据传输线数据传输终端数据传输终端通信节点通信节点通信节点：总线上数据通信的发起者和接受者。在汽车上CAN总线的通信节点一般是各种电脑，例如：发动机控制电脑、电机控制器电脑、电池管理系统电脑、自动变速器电脑、ESP电脑、灯光组合开关电脑、仪表电脑等15传感器执行元件模块控制器CAN控制器CAN收发器TXRX汽车电脑CAN总线组成-硬件（通信节点）传感器执行元件模块控制器CAN控制器CAN收发器TXRX汽车电脑CAN-HCAN-L16传感器执行元件模块控制器CAN控制器CAN收发器TXRXCAN总线组成-硬件（通信节点）传感器执行元件模块控制器CAN控制器CAN收发器TXRX17CAN总线组成-软件软件：就是通信规则，我们也称为通信协议。例如：规定通信的速度是多快，规定通信的格式，规定通信的优先级等等。18CAN总线组成-软件（多主通信）所有控制单元都具有相同的条件，即每一个节点的权利相同都能占用总线（发送和接收）。SG1电机控制单元发送/接收SG2电池管理单元SG3发动机控制单元SG4变速箱控制单元CAN-Bus发送/接收发送/接收发送/接收19CAN总线组成-软件（广播通信）总线上的所有模块都能接受到发送模块发送的信息。20CAN总线组成-软件（广播通信）总线上的所有模块都能接受到发送模块送发送的信息。CAN总线组成-软件（帧结构）标示符I仲裁域12控制域6数据域8<N<64CRC校验域15结束域70000111111111CAN总线组成-软件（优先级）自动箱控制单元ABS控制单元发动机控制单元优先权？DatabuswiresCAN总线组成-软件（仲裁功能）仲裁丢失：仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是逻辑电平“1”而监视的是逻辑电平“0”，那么单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。仲裁功能：如果2个或2个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突，仲裁的机制确保了报文和时间均不损失，保证高优先级数据的顺利传输。CAN总线组成-软件（仲裁功能）CAN总线组成-软件（仲裁功能）ABS/EDS控制单元

发动机控制单元

自动变速器控制单元数据总线－线路低位高位发动机控制单元发送失败自动变速器控制单元发送失败标识符越小优先级越高，标识符为“0000000000”的数据报文是所有可能出现的报文中优先级最高的。CAN总线组成-软件（数据类型）数据类型数据帧过载帧远程帧错误帧CAN总线组成-软件（数据类型）数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。CAN总线组成-软件（数据类型）错误帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。过载帧：过载帧用于在先行和后续数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。CAN总线组成-软件（错误重传）错误重传功能：当某一通信节点发送一个数据帧之后，它必须接受到一个应答信号，才认为发送已经成功，否则该通讯节点重发该数据帧。目的：在存在干扰的情况下，尽可能的保证通讯能够成功。CAN总线组成-软件（错误断开）错误断开功能：当某一通信节点出现一定次数的通信错误后，能主动从总线上退出。相当于该节点从物理上同总线断开连接。目的：防止通信出错的节点对总线上其它节点的产生影响，保证总线上剩下的节点能正常通信。CAN总线-应用目前世界上绝大多数汽车制造厂商都采用CAN总线来实现汽车内部控制系统之间的数据通信。CAN总线-应用CAN总线为什么在汽车上得到了如此广泛的应用呢？CAN总线-优点在该例中，共需要5条数据线进行数据传递，也就是说，每项信息都需要一个独立的数据线。面临问题：如果传递信号项目多，还需要更多的信号传输线，这样会导致电控单元针脚数增加、线路复杂、故障率增多及维修困难。CAN总线-优点各控制单元之间的所有信息都通过两根数据线进行交换——CAN数据总线通过该种数据传递形式，所有的信息，不管控制单元的多少和信息容量的大小，都可以通过这两条数据线进行传递，能大规模的减少系统的复杂性。CAN总线-优点CAN总线-优点（1）利用最少的传感器信号线来传递多用途的传感信号。（2）电控单元和电控单元插脚最小化应用，节省有限空间。（3）线束与接头更少，故障率低，检修方便，系统稳定性高。（4）如果系统需要增加新的功能，仅需软件升级即可。（5）各电控单元的监测器对所连接的CAN总线进行实时监测。通过控制单元和辅助安全措施对传递信息的持续检查，可以达到最低的故障率。（6）CAN数据总线符合国际标准，以便于一辆车上不同厂家的电控单元间进行数据交换。奥迪A8车载网络驱动CAN车距调节CAN舒适CAN仪表CAN诊断CANCAN总线-应用实例CAN总线-应用实例混合动力电动汽车CAN网络五洲龙FDG6111HEVG2混合动力客车CAN总线-应用实例一种低成本纯电动汽车CAN网络电动汽车CAN总线技术电动汽车车载网络中的电子设备主要包括：车载显示单元（DCU）、车身控制模块（BCM）、电池组管理系统（BMS）、电机控制单元（ISU）等。根据触发条件的不同，CAN网络中传输的信号可以分为事件型、周期型、混合型3种传输模式。电动汽车的信号量远远大于传统汽车，虽然总线上信号量较多，但是可以按照发送的性质将其分为两类：突发性数据和周期性数据，而不同性质的CAN信号用不同的接收方式保证其可靠性和实时性。7.6.5电动汽车网络信号周期性信号：电池组管理系统（BMS）、电机控制单元（ISU）等模块中的信号大多为周期性传递的，信号传递速度快，从接收到处理完成的时间间隔需要尽可能的小，不能超过信号的发送周期，如果不能及时处理信号的情况发生则很可能造成数据堵塞，甚至可能会影响动力系统的控制性能。突发性信号：车载显示单元（DCU）、车身控制模块（BCM）、智能空调模块（HVAC）等模块发送的信号多为突发性信号。这些信号多为一些按键数据和对一些开关量的控制，特点是信号发送频率不固定且对数据到达的先后顺序没有特别的要求。电动汽车CAN总线技术电动汽车的车载电子设备有两种不同性质的CAN总线数据流，因此合理的网络结构可以减少微处理器（MCU）的负载、提高控制系统的性能；反之，不合理的网络结构会加大MCU的负载，降低系统性能，甚至造成CAN报文丢失，影响控制精度。为此可将信息交换比较密集并且具有相同数据性质的ECU放在一个子网中，即采用双子网结构，不仅满足了电动汽车的设计要求，同时成本低、易实现。然后，根据各子网控制系统的要求确定每个子网的CAN总线通信速率，根据通信速率采用合适的总线控制器，两个子网之间通过网关连接实现信息共享。电动汽车CAN总线技术电动汽车基本网络拓扑结构如图所示。

电动汽车CAN总线技术CAN总线系统-网关由于电压电平和通信速度不同，所以在CAN驱动总线和CAN舒适总线之间无法直接通信。

需要在这两个系统之间能完成一个转换。这个转换过程是通过所谓的网关来实现的。根据车辆的不同网关可能安装在组合仪表内或者其他电脑单元内。由于通过CAN数据总线的所有信息都供网关使用，所以网关也用作诊断接口。CAN1网关CAN2CAN总线系统-网关分析过程：驱动CAN-L（绿线）和CAN-H的波形交替出现结论：驱动CAN–L和CAN-H短路CAN总线-波形分析（驱动CAN总线）分析过程：波形基本正常，但是驱动CAN-L和CAN-H波形的尖峰出现了明显的过冲现象。结论：终端电阻适配CAN总线-波形分析（驱动CAN总线）基于TTCAN总线协议的网络TTCAN是基于传统CAN总线的一种高层协议,其通信是基于时间触发的,因而适用于安全相关的场合，已被采纳为国际标准ISO118984TTCAN总线出现的背景CAN的开发与应用成本较高CAN是事件触发协议，当许多消息同时要求发送时，竞争结果使低优先级消息发送的时间推后很多，甚至不能满足其时限的要求。为了使低优先级消息发送时间减少，不得不修改消息的优先级分配，这种变化增加了维修、管理的成本。由于系统中消息量与种类的变化，消息的送达时间会变化，又增加了认证和验证的工作量和成本。在开发新功能方面，也受到消息优先级设置上的相互影响，不易单独推进。CAN达不到线控技术的要求线控技术可能简化汽车的结构、降低成本、提高控制能力，是一个重要发展的方向。但要达到与原来机械—液压系统同样的可靠性，需要通信系统有更高的确定性与冗余度。CAN达不到这一确定性要求，所以要改进。当然，新的协议不能在性能上比CAN还差。TTCAN总线出现的背景通过时间触发协议，使消息在调度好的时间片内发送，可以消除总线的争用，消息传送的确定性得到了保证，总线的利用率也得到了提高。由于一部分消息不具有周期性质，需要提供合理的带宽与时隙分布。几乎同时出现的还有其他时间触发协议，早一点的有TTP/C,晚一点的有FTTCAN、FlexRay等。它们都是在特定时隙指定周期性消息或事件消息的传送，细节上虽有区别，但没有根本的区别。与其他协议比较，TTCAN的优点是它用现有的CAN芯片就可以实现，因此价格便宜。这些经济上的考虑是TTCAN出现的直接推动力量。TTCAN的缺点与问题（1）TTCAN与CAN是不兼容的TTCAN要求独占窗，因此它不能和CAN混合使用在一个系统中。带CAN通信口的ECU不受TTCAN的约束，可在任意时刻发送，就有可能在总线空闲时争得发送权，使TTCAN的调度发送完全失效。汽车厂在采用TTCAN时必须将所有要用到的ECU都改为用TTCAN的方式，这就要重新认证和验证所有的ECU，涉及大的工作量和投资。如果用网关将CAN的ECU过渡到TTCAN网，其成本的增加更大，只具有实验意义。（2）TTCAN在恶劣环境下误帧太多TTCAN要回避这个问题，就要求更完善的抗干扰措施，这意味着成本的提高。TTCAN的缺点与问题（3）由预留ErrorFrame帧引起的开销大TTCAN没有禁止ErrorFrame，由于错误可能出现在任何时间，就可能发生在帧的最后处，每一个Slot都要预留ErrorFrame的时间，否则它会阻碍下一个Slot内消息的发送，这是很大的开销，使TTCAN远达不到设想的100%的总线利用率。假定最小的数据帧为1B数据，长为65位，而ErrorFrame为20位，那么这项开销达到23.5%。（4）Slot用途不同造成时间利用率低由与TTCAN规定调度好的Cycle中的Slot划分是一样的，但可能的用途不同。不同的Cycle同一Slot里可能安排了长短不一的消息，此时对短帧来说，留下的时间就浪费了。（5）事件消息被阻塞的延迟可能性增大在TTCAN中，由于调度结果造成几个连续的Slot都是独占窗，此时事件消息要等待的时间很长，必须有特别的设计加以处理。TTCAN的缺点与问题（6）网络内的时间同步要求较高用软件来实现时就得留出时间以容许主从节点间的同步误差，这就又减少了带宽。如用Level2的硬件实现，就不可能马上使成本低到与CAN一样。实际上，置TTCAN于一种新的与CAN无关的总线的地位，要与其他总线作全面的比较，TTCAN就没有其他总线好了。（7）丢帧处理两难TTCAN在传送出错的情况下，不对本帧进行自动重发。在应用上要有所考虑。或者用比实际需要更多的发送，丢掉就算了的策略，这也会浪费带宽；或者由应用层在仲裁窗组织重发，但这相当复杂。如用冗余的第2条总线，意味着成本的加倍。（8）仲裁窗的要求较难实现在仲裁窗判断事件消息能否发完，然后控制事件消息的发送是不容易实现的。用软件来实时处理来不及，又没有现成的硬件。基于FlexRay总线协议的网络FlexRay是一种用于汽车的高速、可确定性的，具备故障容错能力的总线技术，它将事件触发和时间触发两种方式相结合，具有高效的网络利用率和系统灵活性特点，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总线网络发展历程1999Daimler-Chrysler和BMW开始进行FlexRay研究2000FlexRay协会成立，成员包括BWM、Bosch、DaimlerChrysler、GM、Freescale、NXP、Vector等2001出现第一个收发器原型2002VW在美国的FlexRay大会上宣称支持FlexRay汽车工业宣布将来使用FlexRay2003开始鉴定FlexRay用于x-by-wire系统的可行性2006FlexRay首次应用于量产车，作为数据主干网用在了BMWX5的悬架系统上FlexRay作为标准总线将用于x-by-wire系统（制动、转向…）、其它安全关键领域（工业、航空…）和用作数据主干网（相比CAN总线有更高的带宽）FlexRay的应用领域(1)x-by-wire安全关键应用(2)基于FlexRay的“数据主干网”，通过网关与其它总线相连，如CAN、LIN、MOST(3)需要在不同ECU间进行交叉计算的分布式控制系统，比如动力系统和底盘系统FlexRay的技术特点FlexRay可以应用在无源总线和星形网络拓扑结构中，也可以应用在两者的组合拓扑结构中。这两种拓扑均支持双通道ECU，这种ECU集成多个系统级功能，以节约生产成本并降低复杂性。双通道架构提供冗余功能，并使可用带宽翻了一番。每个通道的最大数据传输率达到10Mbps。无源总线拓扑的主要优势在于，采用设计工程师熟悉的汽车网络架构，因而有效控制成本。在需要更高带宽、更短延迟时间或确定性行为，而同时容错功能并非必需的情况下，这种无源总线拓扑非常有用。典型的应用领域就是直接替换CAN以满足带宽要求。FlexRay产品开发进程经过数年的改进，FlexRay网络标准已经成熟，系统开发商可以在新一代汽车中应用该标准。富士通已开发出了带有FlexRayIP的开发系统和微控制器。下图展示了该开发进程的路线图。FlexRay产品FlexRay套件(SK-91F467-FLEXRAY)可确保设计者评估富士通独立的FlexRay控制器(MB88121A)以及富士通的32位闪存微控制器MB91F467DA。该套件包括DECOMSYS::COMMSTACK驱动库，可确保毫无困难地接入FlexRay通信控制器MB88121A。该套件包括以下几部分：1.32位闪存微控制器MB91F467DA2.FlexRay应用标准型产品MB88121A3.两个FlexRay信道(信道A,信道B)4.FlexRay板上物理层RS4855.供TZM的PL模块使用的FlexRay物理层插件(FT1080)6.32Mbit板上静态随机存储器7.三个高速CAN接口8.三个通用异步接收/发送装置(UART)(可配置RS232或LIN模式)9.供用户使用的96针/48针连接器(DIN41612)上的外部总线接10.FlexRayCD上的应用例子11.CD上的SoftuneWorkbench开发环12.DECOMSYS工具链示范AS8224FlexRay总线ActiveStar器件和收发器具有嵌入式比特整形器的AS8224是一个ActiveStar器件，符合FlexRay电气物理层规范V2.1RevB，可用作有源集线器，包括4个FlexRay分支、通信控制器接口和Interstar接口。信息转发是通过这六个通信路径实现的。优化的Interstar接口组合使用信号处理函数，可使所连接的两个以上AS8224器件类似于单个器件的时序特性。AS8221FlexRay标准收发器具有可选的监控电路（例如总线监控），在安全关键型应用中，当发生故障时可以使控制单元与通信网络脱离，以保证其余网络的通信。车用总线汇总LINTTPCANTT-CANIDBMOSTFLEXRARByteflight几种总线的传输速率对比TTCAN和FlexRay总线的应用X-By-Wire系统线控转向线控制动线控悬架线控油门线控离合车载网络测试技术车载网络测试满足的要求：需考虑适应现行各类车用总线系统LIN总线系统CAN总线系统FlexRay总线系统需具有故障注入功能物理层故障：信号通断、信号对地短路、信号线两两短路、信号串行阻抗控制和信号并行阻抗控制等；电气层故障：共模幅度调整、电压阈值调整、占空比调节、上升沿/下降沿斜率调整和信号延时等；协议层故障：实现基于总线协议，对不同的总线接口和信号接口产生自身的协议层故障,对特定含义的数据进行替换。丰富的数据观察界面，通过软件示波器，可以在远程计算机上实时观察当前的线路波形。同时也可以将数据保存，用于后续对数据进行回放和分析。车载网络测试技术CAN总线测试可以分为单节点测试和总线系统集成测试两部分。在系统集成之前，需要对单个节点设备进行测试，用以确定节点工作正确并且不会干扰总线的正常通讯。总线系统集成测试则是将各个节点都连接形成完整的CAN网络，对集成后的系统进行测试以验证整个系统运行的完整性和正确性、系统的通讯鲁棒性、电器鲁棒性以及系统的容错自恢复功能等。车载网络测试技术物理层测试验证CAN节点及CAN总线网络在电路设计、物理电平特性等方面的性能，保证节点能够正确连接入总线。数据链路层测试测试单个节点的数据链路层参数，确保CAN网络集成后总线通信性能的一致性。应用层测试包括应用层协议的测试、网络管理功能测试和故障诊断测试等方面的内容。通过此测试检测每个CAN节点是否按照系统的CAN总线通信规范实现了应用层协议，是否实现了相应的诊断功能，以及CAN网络集成后的网络管理功能是否达到了要求。车载网络测试技术CAN总线测试系统：单元测试车载网络测试技术CAN总线测试系统：网络集成测试网络测试必须先进行单元测试，然后才是系统集成测试。单元测试单元测试中只有一个被测设备(UUT)。单节点的物理层测试主要目的是验证节点在电路设计、物理电平特性等方面的性能，这是保证节点能够正确连接入总线的基础。测试项目主要包括节点的电阻电容特性、节点差分电阻、总线终端电阻、CAN线上的物理电平特性等方面。数据链路层测试则包括了位定时测试、采样点测试等内容，该测试内容主要用以保证各个节点的通讯参数能够保持一致性，在组成网络时能够正常有效的工作。单节点应用层测试则包括了上层应用协议的测试、网络管理功能的测试、故障诊断测试和功能测试等方面的内容。主要包括：数据库使用正确性测试、通讯周期准确性测试、节点休眠唤醒功能测试、网络管理功能测试、网关测试、错误帧频率测试、电压影响测试、总线物理故障测试、节点故障自恢复能力测试、通讯失败的故障诊断功能测试等。CAN总线集成测试在单个节点测试通过后，需要将所有节点连入网络，进行CAN总线系统集成测试，测试集成后的网络性能。集成测试包含了更多的物理层和数据链路层测试