【導讀】車載網絡系統是指汽車上多個處理器之間相互連接、協調工作并共享信息所構成的汽車車載計算機網絡系統。上世紀80年代末BOSCH公司和INTEL公司研制了用于汽車電氣系統的控制器局域網規范，簡稱CAN(Controller Area Network)總線，由于集成電路技術和電子器件制造技術的迅速發展，用單片機作為總線的接口端，采用總線技術的價格逐步降低，總線技術進入了實用化階段。隨著汽車電子技術的發展，歐洲提出了控制系統的新協議TTP，同時由于汽車信息系統對網絡傳輸信息量要求的不斷提高，多媒體系統的D2B協議和MOST協議標準應運而生。現在車載網絡技術已運用到世界各汽車制造商生產的汽車上。
數據總線是指模塊間運行數據的通道，模塊可以發送和接收數據，數據總線稱為雙向數據總線，即所謂的信息高速公路，如圖1所示，汽車上的信息高速公路實際是一條或兩條導線，為了對抗電子干擾，雙線制數據總線的兩條線(圖2)是絞在一起的。
圖1
圖2
汽車中的電子部件越來越多，光是ECU就有幾十個，這么多的電子單元都要進行信息交互。傳統的點對點通信已經不能滿足需求，因此必須要采用先進的總線技術。
車用總線就是車載網絡中底層的車用設備或車用儀表互聯的通信網絡。目前，有四種主流的車用總線：CAN總線、LIN總線、F lexRay總線和MOST總線。
一般這四種總線的應用如下：
或者可以形象地說：
CAN總線是中堅，LIN是CAN的副手，FlexRay是未來的希望，MOST則負責文化事業。這四種總線將在未來繼續大放異彩。下面我就一一簡單介紹這四大總成線。
FlexRay
FlexRay車載網絡標準已經成為同類產品的基準，將在未來很多年內，引導整個汽車電子產品控制結構的發展方向。FlexRay是繼CAN 和LIN之后的最新研發成果，可以有效管理多重安全和舒適功能。
FlexRay是戴姆勒克萊斯勒公司的注冊商標。FlexRay聯盟(FlexRay Consortium)推進了FlexRay的標準化，使之成為了新一代汽車內部網絡通訊協議。FlexRay關注的是當今汽車行業的一些核心需求，包括更快的數據速率，更靈活的數據通信，更全面的拓撲選擇和容錯運算。
因此，FlexRay可以為下一代的車內控制系統提供所需的速度和可靠性。CAN網絡最高性能極限為1Mbps。LIN和K-LINE分枝網絡最高性能極限為20Kbit/s。而FlexRay兩個信道上的數據速率最大可達到10Mbps,總數據速率可達到20Mbit/秒，因此，應用在車載網絡，FlexRay 的網絡帶寬可能是CAN的20倍之多。
FlexRay不僅可以像CAN和LIN網絡這樣的單信道系統一般運行，而且還可以作為一個雙信道系統運行。雙信道系統可以通過冗余網絡傳輸數據——這也是高可靠系統的一項重要性能。
FlexRay 導線控制應用的例子包括：
● 線控操作轉向-典型的是使用電子控制單元
● 防抱死制動系統(ABS)-包括車輛穩定控制(VSC)和車輛穩定助手(VSA)
FlexRay 節點運算
每個FlexRay節點都包括一個控制器和一個驅動器部件。控制器部件包括一個主機處理器和一個通信控制器。驅動器部件通常包括總線驅動器和總線監控器(可選擇)。總線驅動器將通信控制器與總線相連接，總線監控器監視接入總線的連接。主機通知總線監控器通信控制器分配了那些時槽。接下來，總線監控器只允許通信控制器在這些時槽中傳輸數據，并激活總線驅動器。若總線監控器發現時間時序有間隔，則斷開通信信道的連接。
FlexRay的節點有幾個基本的運行狀態：
● 配置狀態(默認配置/配置)-用于各種初始化設置，包括通信周期和數據速率
● 就緒狀態-用于進行內部的通信設置
● 喚醒狀態-用于喚醒沒有在通信的節點。在該狀態下，節點向另一節點發送喚醒信號，喚醒并激活總線驅動器、通信控制器、和總線監控器。
● 啟動狀態-用于啟動時鐘同步，并為通信做準備。
● 正常狀態(主動/被動)-可以進行通信的狀態
● 中斷狀態-表明通信中斷
經過數年的改進，FlexRay網絡標準已經成熟，BMW已經在X5中有5個ECU(電控減震、主控懸吊系統等)應用了FlexRay，在下一代產品中將有16ECU予以應用。
CAN總線
CAN是控制器局域網絡(ControllerArea Network, CAN)的簡稱，是由以研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發的，并最終成為國際標準(ISO 11898)，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線，并且擁有以CAN為底層協議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協議。
CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。
CAN總線優勢
CAN屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。較之許多RS-485基于R線構建的分布式控制系統而言，基于CAN總線的分布式控制系統在以下方面具有明顯的優越性：
網絡各節點之間的數據通信實時性強
首先，CAN控制器工作于多種方式，網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權(取決于報文標識符)采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據，且CAN協議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數據進行編碼，這可使不同的節點同時接收到相同的數據，這些特點使得CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和系統的靈活性。而利用RS-485只能構成主從式結構系統，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統的實時性、可靠性較差;
開發周期短
CAN總線通過CAN收發器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態只能是高電平或懸浮狀態，CANL端只能是低電平或懸浮狀態。這就保證不會在出現在RS-485網絡中的現象，即當系統有錯誤，出現多節點同時向總線發送數據時，導致總線呈現短路，從而損壞某些節點的現象。而且CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節點的操作不受影響，從而保證不會出現像在網絡中，因個別節點出現問題，使得總線處于“死鎖”狀態。而且，CAN具有的完善的通信協議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現，從而大大降低系統開發難度，縮短了開發周期，這些是僅有電氣協議的RS-485所無法比擬的。
已形成國際標準的現場總線
另外，與其它現場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現場總線。這些也是CAN總線應用于眾多領域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。
最有前途的現場總線之一
CAN 即控制器局域網絡，屬于工業現場總線的范疇。與一般的通信總線相比,CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領域上的應用是最廣泛的，世界上一些著名的汽車制造廠商都采用了CAN總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。同時，由于CAN總線本身的特點，其應用范圍已不再局限于汽車行業，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業、機械工業、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領域發展。CAN已經形成國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。其典型的應用協議有：SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。
CAN總線特點
它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率最高可達1Mbps。
結構簡單
只有2根線與外部相連，并且內部集成了錯誤探測和管理模塊。
傳輸距離和速率
CAN總線特點：(1) 數據通信沒有主從之分，任意一個節點可以向任何其他(一個或多個)節點發起數據通信，靠各個節點信息優先級先后順序來決定通信次序，高優先級節點信息在134μs通信; (2) 多個節點同時發起通信時，優先級低的避讓優先級高的，不會對通信線路造成擁塞; (3) 通信距離最遠可達10KM(速率低于5Kbps)速率可達到1Mbps(通信距離小于40M);(4) CAN總線傳輸介質可以是雙絞線，同軸電纜。CAN總線適用于大數據量短距離通信或者長距離小數據量，實時性要求比較高，多主多從或者各個節點平等的現場中使用。
CAN總線應用舉例
CAN總線在工控領域主要使用低速-容錯CAN即ISO11898-3標準，在汽車領域常使500Kbps的高速CAN。
某進口車型擁有，車身、舒適、多媒體等多個控制網絡，其中車身控制使用CAN網絡，舒適使用LIN網絡，多媒體使用MOST網絡，以CAN網為主網，控制發動機、變速箱、ABS等車身安全模塊，并將轉速、車速、油溫等共享至全車，實現汽車智能化控制，如高速時自動鎖閉車門，安全氣囊彈出時，自動開啟車門等功能。
CAN系統又分為高速和低速，高速CAN系統采用硬線是動力型，速度：500kbps，控制ECU、ABS等;低速CAN是舒適型，速度：125Kbps，主要控制儀表、防盜等。
CAN總線在汽車中的應用
應用CAN總線，可以減少車身布線，進一步節省了成本，由于采用總線技術，模塊之間的信號傳遞僅需要兩條信號線。布線局部化，車上除掉總線外其他所有橫貫車身的線都不再需要了，節省了布線成本。CAN總線系統數據穩定可靠，CAN總線具有線間干擾小、抗干擾能力強的特點。CAN總線專為汽車量身定做，充分考慮到了汽車上惡劣工作環境，比如點火線圈點火時產生的強大的反充電壓，電渦流緩沖器切斷時產生的浪涌電流及汽車發動機倉100℃左右的高溫。
隨著安全性能日益受到重視,安全氣囊也將逐漸增多,以前是在駕駛員前面安裝一個,今后側面與后座都會安裝安全氣囊,這些氣囊通過傳感器感受碰撞信號,通過CAN總線將傳感器信號傳送到一個中央處理器內,控制各安全氣囊的啟動彈出動作。同時,先進的防盜設計也正基于CAN總線網絡技術。首先,確認鑰匙合法性的校驗信息通過CAN網絡進行傳遞,改進了加密算法,其校驗的信息比以往的防盜系統更豐富;其次,車鑰匙、防盜控制器和發動機控制器相互儲存對方信息,而且在校驗碼中攙雜隨機碼,無法進行破譯,從而提高防盜系統的安全性。而這些功能的實現無一不借助CAN總線來完成,CAN總線成為汽車智能化控制的“定海神針”。
在現代轎車的設計中,CAN已經成為必須采用的裝置。奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯網的手段。據報道,中國首輛CAN 網絡系統混合動力轎車已在奇瑞公司試裝成功,并進行了初步試運行。在上海大眾的帕薩特和POLO汽車上也開始引入了CAN總線技術。但總的來說,目前 CAN總線技術在我國汽車工業中的應用尚處于試驗和起步階段,絕大部分的汽車還沒有采用汽車總線設計。國內在技術、設計和應用上進行網絡總線的“深造”勢在必行。
LIN總線
LIN總線是針對汽車分布式電子系統而定義的一種低成本的串行通訊網絡，是對控制器區域網絡(CAN)等其它汽車多路網絡的一種補充，適用于對網絡的帶寬、性能或容錯功能沒有過高要求的應用。LIN總線是基于SCI(UART)數據格式，采用單主控制器/多從設備的模式，是UART中的一種特殊情況。數據傳遞速率為1～20Kb/s，在LIN控制單元的軟件內已經設定完畢，該速率最大能達到舒適CAN數據傳遞速率的1/5。
LIN總線概況
LIN(Local Interconnect Network)是一種低成本的串行通訊網絡，用于實現汽車中的分布式電子系統控制。LIN 的目標是為現有汽車網絡(例如CAN總線)提供輔助功能，因此LIN總線是一種輔助的總線網絡。在不需要CAN 總線的帶寬和多功能的場合，比如智能傳感器和制動裝置之間的通訊使用LIN 總線可大大節省成本。
LIN 技術規范中除定義了基本協議和物理層外還定義了開發工具和應用軟件接口。
LIN 通訊是基于SCI(UART)數據格式，采用單主控制器/多從設備的模式。僅使用一根12V 信
號總線和一個無固定時間基準的節點同步時鐘線。
這種低成本的串行通訊模式和相應的開發環境已經由LIN 協會制定成標準。LIN 的標準化將為汽車制造商以及供應商在研發應用操作系統降低成本。
LIN總線特性
● 低成本：基于通用UART 接口幾乎所有微控制器都具備LIN 必需的硬件;
● 極少的信號線即可實現國際標準ISO9141 規定;
● 傳輸速率最高可達20Kbit/s;
● 單主控器/多從設備模式無需仲裁機制;
● 從節點不需晶振或陶瓷震蕩器就能實現自同步，節省了從設備的硬件成本;
● 保證信號傳輸的延遲時間;
● 不需要改變LIN 從節點的硬件和軟件就可以在網絡上增加節點;
● 通常一個LIN 網絡上節點數目小于12 個共有64 個標志符;
LIN總線應用
典型的LIN 總線應用是汽車中的聯合裝配單元，如：門、方向盤、座椅、空調、照明燈、濕度傳感器，交流發電機等。對于這些成本比較敏感的單元，LIN 可以使那些機械元件如智能傳感器、制動器或光敏器件得到較廣泛的使用。這些元件可以很容易的連接到汽車網絡中并得到十分方便的維護和服務。在LIN 實現的系統中通常將模擬信號量用數字信號量所替換，這將使總線性能優化。
在以下的汽車電子控制系統中使用LIN 來實現將得到非常完美的效果：
車頂
濕度傳感器，光敏傳感器，信號燈控制，汽車頂篷
車門
車窗玻璃，中樞鎖，車窗玻璃開關，吊窗提手
車門總線模塊示意圖
車頭
傳感器，小電機
方向盤
方向控制開關，擋風玻璃上的擦拭裝置，方向燈，無線電，空調，座椅，座椅控制電機，轉速傳感器
盡管LIN 最初的設計目的是用于汽車電子控制系統，但LIN 也可廣泛應用于工業自動化傳感器總線，大眾消費電子產品中。
MOST總線
MOST (Media Oriented System Transport) 面向媒體的系統傳輸總線，MOST 是汽車業合作的成果，而不具備正式的標準。
MOST總線產品介紹
MOST總線是作為寶馬公司、戴姆勒克萊斯勒(DaimlerChrysler)公司、Harman/Becker公司(音響系統制造商)和 Oasis Silicon Systems公司之間的一項聯合。其后不久(1998 年),參與各方建立了一個自主的實體,即 MOST公司,由它控制總線的定義工作。Oasis公司自己保留對 MOST 命名的權利。由一家獨立的測試機構負責產品的認證過程,例如 Ruetz 技術公司。除了順從性測試以外,Ruetz公司還為 MOST 總線系統開發提供使用的軟、硬件分析工具,以及 MOST 系統的培訓。
MOST總線專門用于滿足要求嚴格的車載環境。這種新的基于光纖的網絡能夠支持24.8Mbps的數據速率，與以前的銅纜相比具有減輕重量和減小電磁干擾(EMI)的優勢。
MOST總線產品特點
MOST傳輸協議由分割成幀的數據塊組成，每一幀包含流數據、分組數據和控制數據。
在物理層上,傳輸介質本身是有塑料保護套、內芯為 1 mm 的 PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)光纖,OEM 供應商可以將一束光纖像電線一樣捆成光纜。光纖傳輸采用 650 nm(紅色)的 LED 發射器(650 nm 是 PMMA 光譜響應中的低損耗“窗口”)。數據以 50 Mbaud、雙相編碼的方式發送,最高數據速率為 24.8 Mbps。
MOST的定義是非常普通的,允許采用多種拓撲結構,包括星形和環形,大多數汽車裝置都采用環形布局。一個 MOST 網絡中最多可以有 64 個結點。一旦汽車接通電源,網絡中的所有 MOST 結點就全部激活,這對低功耗、停電模式設計是一大重點,包括系統處在該種狀態下的功耗量以及如何進入狀態。MOST 結點在通電時的默認狀態是直通(Pass-throught),即進入的數據從接收器直接傳送至發射器,以保持環路的暢通。
MOST 的數據傳送使用 512 b 的幀，以及 16 個幀的塊(圖 1)。每個幀內除了前導碼和其它內部管理位以外,還包含有同步、異步和控制數據。總線是完全同步的,設計師可將網絡內的任何設備指定為主設備,其它所有結點都從主設備處獲得自己的時鐘。網絡完全是即插即用的,當上電或有連接改變時,有一個尋找設備的過程。主結點上保持著一個所連設備的中心注冊處。
圖1：基于MOST總線的典型車載高端娛樂系統
圖2：基于MOST總線的車載音頻娛樂系統原理圖
作者：周慶文
來源：線束世界
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