汽車總線技術(shù)的發(fā)展

汪偉

摘 要：本文根據(jù)汽車總線技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程及其應(yīng)用現(xiàn)狀，分別對CAN總線、LIN總線、MOST總線、FlexRay總線的特點、報文形式、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)性及歸納性的總結(jié)，通過圖示將報文的組成、格式、作用進(jìn)行了詳盡的說明，并結(jié)合了整車實際應(yīng)用中的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵Ω骺偩€的特征、優(yōu)勢、缺陷進(jìn)行對比。

關(guān)鍵詞：總線特點 總線報文 總線應(yīng)用

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類的需求不斷提高，汽車相關(guān)電子技術(shù)正逐步向電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化方向發(fā)展。為了使車內(nèi)傳感器與控制器，控制器與控制器之間實時進(jìn)行信息交互，傳統(tǒng)的硬線連接已經(jīng)無法滿足需求。汽車總線技術(shù)不僅可以滿足汽車設(shè)備連接要求，而且具有很強的擴(kuò)展能力，具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

2 傳統(tǒng)硬線連接信息交互

在汽車技術(shù)發(fā)展初期，控制器及傳感器較少，傳感器給出的信息大多以簡單的高低電平或者是脈沖信號為主，采用點對點的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系。但是隨著汽車電子技術(shù)的逐步發(fā)展，傳感器技術(shù)的發(fā)展及車身控制器的增多，仍采用硬線連接進(jìn)行信息交互，這樣必然會形成龐大的布線系統(tǒng)，不僅傳輸速率慢，而且線束成本高，不適應(yīng)汽車輕量化及低成本要求。

3 CAN（Controller Area Network）總線

CAN總線（控制器局域網(wǎng)）是德國博世公司在80年代初期開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是多主總線，其通信介質(zhì)主要有雙絞線、同軸電纜、光導(dǎo)纖維。

3.1 CAN總線特點

遵循國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898協(xié)議;通信速率最高可達(dá)1Mbit/s;數(shù)據(jù)通信沒有主從之分;當(dāng)多個節(jié)點同時發(fā)起通信時，優(yōu)先級低的節(jié)點避讓優(yōu)先級高的節(jié)點;協(xié)議本身對節(jié)點的數(shù)量沒有限制;總線上節(jié)點的數(shù)量可以動態(tài)改變，組網(wǎng)相對靈活;

3.2 CAN總線報文

CAN總線報文的數(shù)據(jù)交換模式：節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送遠(yuǎn)程幀請求，節(jié)點B收到后向節(jié)點A反饋同一標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀。

3.2.1 數(shù)據(jù)幀

CAN總線中的數(shù)據(jù)幀分標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。其中標(biāo)準(zhǔn)幀的幀ID長度是11位，幀ID的范圍是0x 000-7FF。為支持總線節(jié)點擴(kuò)展，可進(jìn)行ID的擴(kuò)展。擴(kuò)展幀的幀ID長度是29位，其幀ID的范圍是0X 0000 0000-1FFF FFFF[1]。

3.2.2 遠(yuǎn)程幀

遠(yuǎn)程幀的報文格式是依據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀格式而來，故可分對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程幀和對應(yīng)擴(kuò)展數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程幀，在擴(kuò)展幀報文格式的基礎(chǔ)上去除數(shù)據(jù)場便得到對應(yīng)擴(kuò)展數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程幀報文。

3.3 CAN總線應(yīng)用

在汽車實際應(yīng)用中CAN總線一般分為高速CAN和低速CAN。高速 CAN傳輸速率為500kbps，其主要用于ABS、變速控制、發(fā)動機控制、轉(zhuǎn)向控制、懸架控制等模塊的信號傳輸;低速CAN傳輸速率為125kbps，主要用于故障診斷、駕駛信息、電子儀表、自動控制、安全氣囊等模塊的信號傳輸。

4 LIN（Local Interconnect Networks）總線

LIN總線（局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)），于1998年10月在德國被首次提出。LIN總線是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，可用于實現(xiàn)汽車的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN總線為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)（如CAN 總線）提供輔助功能，使用LIN 總線會大大節(jié)省成本[2]。

4.1 LIN總線特點

遵循國際標(biāo)準(zhǔn)ISO9141協(xié)議;使用12 V的信號線;通信速率最高可達(dá)20 Kbit/s;單個主控器和多個從設(shè)備模式，無需仲裁機制;在其總線網(wǎng)絡(luò)上，最多12個節(jié)點;在不需要改變LIN總線從節(jié)點的硬件和軟件基礎(chǔ)上，可以在網(wǎng)絡(luò)上增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

4.2 LIN總線報文

報文幀由幀頭和應(yīng)答組成，當(dāng)主節(jié)點發(fā)送幀頭，從節(jié)點在收到幀后，對幀頭進(jìn)行分析然后決定是發(fā)送應(yīng)答，接受數(shù)據(jù)，還是不響應(yīng)。幀頭包括：同步間隔段、同步段、受保護(hù)ID段。應(yīng)答包括：數(shù)據(jù)段、校驗和段?！?”為顯性，表示有數(shù)據(jù)發(fā)送;“1”為隱性，表示各節(jié)點沒有數(shù)據(jù)發(fā)送。同步間隔至少需持續(xù)13位，標(biāo)志一個幀發(fā)送的開始。

4.3 LIN總線應(yīng)用

LIN總線在整車中主要應(yīng)用領(lǐng)域為：⑴車頂：天窗控制，信號燈控制，光敏傳感器，濕度傳感器;（2）駕駛艙：座椅調(diào)節(jié)、方向控制開關(guān)、電動門窗、空調(diào)、燈光照明;（3）發(fā)動機機艙：轉(zhuǎn)速傳感器、主動進(jìn)氣格柵、發(fā)電機。

5 MOST（Media Oriented Systems Transport）多媒體定向系統(tǒng)傳輸

MOST總線（多媒體定向系統(tǒng)傳輸），寶馬、戴姆勒克萊斯勒等公司在1996年展開合作，在D2B（家用數(shù)字）總線的基礎(chǔ)上對MOST總線技術(shù)進(jìn)行研究。通過光纜，在一個環(huán)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息娛樂控制單元間數(shù)據(jù)交換，但傳輸只能朝一個方向進(jìn)行[3]。

5.1 MOST總線特點

MOST總線不具備正式的標(biāo)準(zhǔn);通信速率最高可達(dá)150 Mbit/s;用于圖像、聲音的實時處理;可采用星形和環(huán)形拓?fù)?，而汽車?yīng)用中基本采用環(huán)形拓?fù)?一個主節(jié)點及多個從節(jié)點，主節(jié)點負(fù)責(zé)與外部信息交互及網(wǎng)絡(luò)控制管理，從節(jié)點可提供一種或多種網(wǎng)絡(luò)功能;在其總線網(wǎng)絡(luò)上，最多可以有64個節(jié)點。

5.2 MOST總線報文

在MOST總線網(wǎng)絡(luò)傳輸當(dāng)中，每個傳輸塊含有16個數(shù)據(jù)幀，每個數(shù)據(jù)幀含2字節(jié)的控制數(shù)據(jù)域。故每個塊中共有32字節(jié)控制報文，報文可傳輸控制命令、狀態(tài)和診斷消息?？偩€報文由仲裁位、目的地址位、源地址位、報文類型、數(shù)據(jù)域、CRC校驗位、應(yīng)答位和保留位組成。數(shù)據(jù)域又包含了功能塊標(biāo)識符、功能塊實例、函數(shù)標(biāo)識符、操作類型、報文標(biāo)識符、報文長度及數(shù)據(jù)[4]。其中，數(shù)據(jù)域應(yīng)用協(xié)議的數(shù)據(jù)格式，17字節(jié)中只有12字節(jié)用于參數(shù)傳遞;如果是多段消息，第1個字節(jié)還被用作報文計數(shù)，則只有11字節(jié)進(jìn)行參數(shù)傳遞。

5.3 MOST總線的應(yīng)用

MOST總線由于傳輸數(shù)據(jù)量大，損耗小，速度快、抗干擾性強，故多應(yīng)用于汽車多媒體娛樂系統(tǒng)、汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，車載電話等。

6 FlexRay總線

FlexRay總線是為應(yīng)對汽車線控技術(shù)對數(shù)據(jù)傳輸高速、可靠性高和確定性高的要求，由戴姆勒奔馳、寶馬等公司1999年推出，具備故障容錯能力。其還具備冗余通信能力，支持各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常被用于需要持續(xù)及高速性能的場景[5]。

6.1 FlexRay總線特點

FlexRay總線是汽車工業(yè)的事實標(biāo)準(zhǔn);支持兩個信道，每信道的速度可達(dá)到10 Mbit/s，總傳輸速率為20Mbit/s;網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用星型結(jié)構(gòu)、線型結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu);中心節(jié)點負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信息，當(dāng)除中心節(jié)點外的某個節(jié)點線路故障或損壞時，中心節(jié)點可以斷開與該節(jié)點的通信。而中心節(jié)點損壞時，則整個總線便無法正常工作。

6.2 FlexRay總線報文

在FlexRay總線中，一個完整的消息幀包括幀頭、數(shù)據(jù)段和幀尾三部分組成。其中幀頭由保留位、數(shù)據(jù)指示位、空幀指示位、同步幀指示位、起始幀指示位、幀標(biāo)識符、數(shù)據(jù)長度、幀頭CRC校驗和周期計數(shù)九部分組成[6]，詳見圖1。

6.3 FlexRay總線的應(yīng)用

FlexRay總線重要應(yīng)用之一，就是線控制動、線控轉(zhuǎn)向等。它們是利用有容錯功能的電子、電氣系統(tǒng)取代原液壓、機械部分。線控操作包括從轉(zhuǎn)向到加速和剎車等所有汽車控制應(yīng)用中的關(guān)聯(lián)技術(shù)。

7 結(jié)語

綜上所述，汽車總線網(wǎng)絡(luò)主要有CAN、LIN、MOST、FlexRay 4類總線，其在整車中的實際應(yīng)用及典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D2。

根據(jù)汽車總線的類型及其特點，可將汽車總線大致分為A、B、C、D四類，其相關(guān)對比及總結(jié)[7]，見表1。

現(xiàn)代汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例當(dāng)中，多以CAN總線為主，LIN總線則作為CAN總線的一種輔助總線網(wǎng)絡(luò)，MOST也被逐漸應(yīng)用在了車載信息娛樂系統(tǒng)中，并在局部線控操作系統(tǒng)中開始進(jìn)行FlexRay的研究和應(yīng)用。

隨著人們對車輛需求越來越多，要求的汽車功能也越來越高，使得汽車產(chǎn)業(yè)及汽車電子電氣產(chǎn)品不斷改造升級。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，亟需高速、實時、可靠、高帶寬的汽車總線，進(jìn)而滿足汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化方向發(fā)展需求。本文概述了總線系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程、各總線的特點、報文格式及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域等內(nèi)容，為深入了解汽車總線技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

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