智能网联汽车 课件 项目四 任务一认知汽车总线与车载网络技术

项目四智能网联汽车网络与通信技术前言随着汽车电动化、智能化、网联化的发展，汽车上的传感器越来越多，达到成百上千个，而且汽车上的传感器和道路基础设施上的传感器也要互联互通，这样智能网联汽车就会变成一个庞大的网络系统。认知汽车总线与车载网络技术Annualworksummary1

导入车联网是实现自动驾驶技术的一种重要途径，其核心在于车路协同技术。智慧的车感知路、人、物等周围环境的技术路线能够弥补当前自动驾驶汽车在信息感知、分析决策上的不足，尽快实现车辆的智能化自动化运营。车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在车与X（车、路、行人、互联网等）之间进行无线通讯和信息交换的大系统网络，是能够实现智能化交通管理、智能动态信息服务和车辆智能化控制的一体化网络。通信技术，是智能网联汽车实现的基础，使车辆能在自动驾驶模式下实时分析交通信息，自动选择当前路况下的最佳行驶路线。目录01教学目标02教学内容教学目标0103能描述CAN总线的构成、工作原理、仲裁机构和特点。01能说出汽车总线的作用。02能阐述汽车总线的类型。01引导学生理解团队合作、沟通协作以及个体责任与使命担当的重要性。02培养学生树立集体主义观念。知识目标素质目标04能描述LIN总线的结构、工作原理和特点。05能描述MOST总线的结构、工作原理、类型和特点。06能说明车载以太网的相关技术和发展应用教学内容02一、汽车总线的作用

汽车中的电子部件越来越多，大量的电子单元都要进行信息交互，传统的点对点通信已经不能满足需求，因此必须要采用先进的总线技术。车用总线就是车载网络中底层的车用设备或车用仪表互联的通信网络其应用。二、汽车总线类型

目前主流的车用总线有：CAN总线、LIN总线、FlexRay总线和MOST总线。CAN是ControllerAreaNetwork的缩写，是串行通信协议。对于安全性、舒适性、方便性、低功耗、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要。CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地汽车各总成之间的通信它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。01CAN总线二、汽车总线类型

CAN总线也叫车内局域网，它是一个有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。以某种形式连接各种控制单元，形成一个完整的系统。CAN总线最初由德国博世公司开发，用于解决现代汽车中许多电子控制模块（ECU）之间的数据交换问题。目前，它已广泛应用于汽车电子系统，成为汽车工业的主要行业标准，代表了汽车电子控制网络的主流发展趋势，其应用如图1所示。因为电动汽车的网络特性可以概括为通信距离短、网络复杂度要求低、可扩展性要求高、实施可靠性要求高。01CAN总线CAN总线系统二、汽车总线类型二、汽车总线类型

⑴CAN总线系统的总体构成CAN总线系统的总体构成主要由若干个节点（电控单元）、两条数据传输线（CAN-H和CAN-L）及终端电阻组成，如图4-1-2所示。CAN总线上的每个节点独立完成网络数据交换和测控任务，理论上CAN总线可以连接无数个节点，但实际上受总线驱动能力的限制，目前每个CAN总线系统中最多可以连接110各个节点。01CAN总线二、汽车总线类型

⑴CAN总线系统的总体构成CAN数据传输线是双向串行总线，大都采用具有较强抗干扰能力的双绞线，分为CAN-H线和CAN-L线，两线缠绕绞合在一起，其绞距为20mm，横截面积为0.35mm2或0.5mm2并且CAN带有终端电阻（120Ω），终端电阻的作用是防止信号在传输线终端产生反射波，而使正常传输的数据受到干扰。01CAN总线二、汽车总线类型

⑵CAN总线的硬件结构和网络通信原理CAN节点主要由微控制器、CAN控制器、CAN收发器组成，目前汽车上多采用内部集成CAN控制器的微控制器，如图4-1-3所示。CAN节点中的CAN控制器具有“数据打包/解包”和“验收滤波”的作用，而CAN收发器具有“边说边听（同时发送和接收）”和“信号转换（数字信号与总线电压信号的转换）”的作用。CAN收发器对CAN-H和CAN-L两根线的电压做差分运算后生成差分电压信号，然后采用“负逻辑”将差分电压信号转换为数字信号，如图4-1-4所示。01CAN总线二、汽车总线类型

⑵CAN总线的硬件结构和网络通信原理为了提高网络通信的可靠性和实时性，CAN总线只有物理层、数据链路层和应用层。其中数据链路层和物理层的协议分别由CAN控制器和CAN收发器硬件自动完成，因此在CAN总线应用系统设计时，主要任务是对其应用层程序进行设计。01CAN总线二、汽车总线类型

⑶CAN总线的仲裁机制如果CAN总线上的多个节点同时向总线上发送数据时，多个数据就会在总线上出现“撞车”的现象，此时需要进行仲裁，决定哪个信号优先，哪个信号迟后，如图4-1-5所示。01CAN总线二、汽车总线类型

⑷CAN总线特点①数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他（一个或多个）节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序；②多个节点同时发起通信时，优先级低的避让优先级高的，不会对通信线路造成拥塞；③通信距离最远可达10km（速率低于5Kbps），速率可达到1Mbps（通信距离小于40m）；01CAN总线二、汽车总线类型

⑷CAN总线特点④CAN总线传输介质可以是双绞线，同轴电缆，实行差分控制，CAN和HCALL之间始终相差2V左右的电压，如图4-1-6所示。⑤CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量，实时性要求比较高，多主多从或者各个节点平等的现场中使用01CAN总线二、汽车总线类型

LIN(LocalInterconnectNetwork)是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN的目标是为现有汽车网络(例如CAN总线)提供辅助功能，因此LIN总线是一种辅助的总线网络。在不需要CAN总线的带宽和多功能的场合，比如智能传感器和制动装置之间的通讯使用LIN总线可大大节省成本。LIN是面向汽车低端分布式应用的低成本，低速串行通信总线。它的目标是为现有汽车网络提供辅助功能，在不需要CAN总线的带宽和多功能的场合使用，降低成本。02LIN总线LIN线系统二、汽车总线类型

⑴LIN总线系统的总体构成LIN总线技术规范中除定义了基本协议和物理层外还定义了开发工具和应用软件接口。LIN通讯是基于SCI(UART)数据格式，采用单主控制器/多从设备的模式。仅使用一根12V信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线。LIN的标准化将为汽车制造商以及供应商在研发应用操作系统降低成本。LIN总线包含一个宿主节点和一个或多个从属节点，所有节点都包含一个被分解为发送和接收任务的从属通讯任务，而宿主节点还包含一个附加的宿主发送任务，在实时LIN总线中，通讯总是由宿主任务发起的。LIN总线拓扑图如图4-1-7所示。02LIN总线二、汽车总线类型

⑵LIN总线的硬件结构和网络通信原理LIN总线除了宿主节点的命名之外，LIN网络中的节点不使用有关系统设置的任何信息。LIN总线上的所有通讯都由主机节点中的主机任务发起，主机任务根据进度表来确定当前的通讯内容，发送相应的帧头，并为报文帧分配帧通道，总线上的从机节点接收帧头之后，通过解读标识符来确定自己是否应该对当前通讯做出响应、做出何种响应（如图4-1-8所示）。基于这种报文滤波方式，LIN可实现多种数据传输模式，且一个报文帧可以同时被多个节点接收利用。LIN总线物理层采用单线连接，两个电控单元间的最大传输距离为40m。02LIN总线二、汽车总线类型

⑵LIN总线的硬件结构和网络通信原理在总线上实行“线与”，“0”为显性电平、“1”为隐性电平，当总线有至少一个节点发送显性电平时，总线呈现显性电平；所有节点均发送隐性电平或者不发送信息时，总线呈隐性电平，即显性电平起着主导作用。LIN总线报文帧如图4-1-9所示。02LIN总线二、汽车总线类型

⑶LIN总线特点①低成本：基于通用UART接口几乎所有微控制器都具备LIN必需的硬件；极少的信号线即可实现国际标准ISO9141规定。②传输速率高，传输速率最高可达20Kbit/s。③单主控器/多从设备模式无需仲裁机制；④从节点不需晶振或陶瓷震荡器就能实现自同步，节省了从设备的硬件成本；⑤保证信号传输的延迟时间；⑥不需要改变LIN从节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点；⑦通常一个LIN网络上节点数目小于12个共有64个标志符；02LIN总线二、汽车总线类型

MOST总线是MediaOrientedSystemsTransport的缩写，是用于多媒体数据传送的网络系统。MOST是一种专门针对车内使用而开发的、服务于多媒体应用的数据总线技术。MOST表示“多媒体传输系统”。03MOST总线二、汽车总线类型

⑴MOST总线总体结构MOST总线利用光脉冲传输数据，采用环形结构，在环形总线内只能朝着一个方向传输数据，如图4-1-10所示。MOST总线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、车载电话、多碟CD播放器等模块，其数据传输速率最高可达24.8Mbit/s，而且没有电磁干扰。03MOST总线二、汽车总线类型

⑴MOST总线总体结构MOST总线可以不需要额外的主控计算机系统，结构灵活、性能可靠和易于扩展，采用光纤POF（PlasticOpticalFiber）作为物理层的传输介质，支持“即插即用”方式、在网络上可以随时添加和去除设备，具有方便简洁的应用系统界面。03MOST总线二、汽车总线类型

⑴MOST总线总体结构MOST总线采用环形网络拓扑结构，控制单元通过一根光导纤维沿环形方向将数据传送至环形结构中的下一个控制单元，这个过程一直持续到数据返回至原先传送它们的那个控制单元并接收到这些数据为止，由此，形成了一个闭合的环路。MOST总线系统的故障诊断借助于数据总线的诊断接口和诊断CAN进行，如图4-1-11所示。03MOST总线二、汽车总线类型

⑴MOST总线总体结构在MOST总线中，各个终端设备（节点、控制单元）之间通过一个数据只沿一个方向传输的环形总线连接，音频、视频信息在环形总线上循环，并由每个节点（控制单元）读取和转发。各个控制单元之间通过光导纤维相互连接而形成一个封闭环路，因此每个控制单元拥有两根光导纤维，一根光导纤维用于发射器，一根光导纤维用于接收器，如图4-1-12所示。03MOST总线二、汽车总线类型

⑶MOST总线的数据类型03MOST总线二、汽车总线类型

⑷MOST总线的工作原理MOST的数据传送使用512b的帧，以及16个帧的块（如下图所示）。帧的重复率为44.1kHz（每帧22.67ms），每个帧内除了前导码和其它内部管理位以外，还包含有同步、异步和控制数据。总线是完全同步的，设计师可将网络内的任何设备指定为主设备，其它所有结点都从主设备处获得自己的时钟。网络完全是即插即用的，当上电或有连接改变时，有一个寻找设备的过程，主结点上保持着一个所连设备的中心注册处，如图4-1-13所示。03MOST总线二、汽车总线类型

⑸MOST总线的特点①传输速率高。MOST总线采用光纤在传输数据时，相关部件的数据交换是于数字方式来进行的（以前的音频和视频信号只能作为模拟信号来传送），其传输速率可达21.2Mbt/s。MOST总线传输速率明显高于CAN总线系统1Mbt/s的最高传输速率，因此CAN总线系统只能够用与传输控制信号。②抗电磁干扰能力强。MOST总线传输信号时，是用光信号进行的。与无线电波相比，光波的波长更短，因此不会产生电磁干扰，同时对电磁干扰也不敏感。③重量轻，占用空间小，成本低。MOST总线光纤是采用有机玻璃制成的相对于金属导线来说，在提供相同频宽时，能减轻约4.5千克的重量和节省约250米长的线束，这样就减轻了汽车的重量，节约了空间，降低了成本，同时扩展了功能。03MOST总线三、车载网络由于车载以太网具有高带宽、低延迟、低成本的特性，在新一代整车架构中将替代CAN总线成为优选网络架构。如下图所示，以车载以太网作为骨干网络，将核心域控制器（动力总成、车身、娱乐、ADAS）连接在一起。各个域控制器在实现专用的控制功能的同时，还提供强大的网关功能。从图中可以发现，在各个域控制器的下方，各部件之间通讯基本是通过CANFD来实现数据共享，这种类似于传统车载网络架构（除娱乐子网中，娱乐域控制器与其子部件的通信将通过以太网实现）。智能网联汽车网络架构三、车载网络从图中可以发现，在各个域控制器的下方，各部件之间通讯基本是通过CANFD来实现数据共享，这种类似于传统车载网络架构（除娱乐子网中，娱乐域控制器与其子部件的通信将通过以太网实现）。另外，当一个域需要与其他域交换信息时，则需经由网关、以太网路由实现，其结构如图4-1-14所示。三、车载网络

以太网（Ethernet）是互联网中使用最多和最广泛的网络技术，自从1973年5月22日作为个人计算机的局域网技术被发明以来，以太网技术快速发展并且作为IEEE802下的一个开放标准集合。汽车智能化、网联化甚至自动驾驶时代已经到来，ADAS技术的不断创新，高质量汽车娱乐音频和视频的应用，以及OTA远程升级、V2X、大数据、云计算等技术的发展都取得了进展，如图4-1-15所示。车载网络容量需求的爆炸性发展明显超过了传统车载网络（如CAN或FlexRay）的承载能力，这也是以太网和汽车深度融合的机会。01车载以太网的相关技术三、车载网络

以太网以其通用性、开放性、高带宽、易扩展、易互联等特性，成为一