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[汽车电线 ] 汽车四大总线:CAN、LIN、Flexray、MOST

P: 2019-09-08 10:04:52

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车载网络系统是指汽车上多个处理器之间相互连接、协调工作并共享信息所构成的汽车车载计算机网络系统。上世纪80年代末BOSCH公司和INTEL公司研制了用于汽车电气系统的控制器局域网规范,简称CAN(Controller Area Network)总线,由于集成电路技术和电子器件制造技术的迅速发展,用单片机作为总线的接口端,采用总线技术的价格逐步降低,总线技术进入了实用化阶段。随着汽车电子技术的发展,欧洲提出了控制系统的新协议TTP,同时由于汽车信息系统对网络传输信息量要求的不断提高,多媒体系统的D2B协议和MOST协议标准应运而生。现在车载网络技术已运用到世界各汽车制造商生产的汽车上。

数据总线是指模块间运行数据的通道,模块可以发送和接收数据,数据总线称为双向数据总线,即所谓的信息高速公路,如图1所示,汽车上的信息高速公路实际是一条或两条导线,为了对抗电子干扰,双线制数据总线的两条线(图2)是绞在一起的。


图1


图2


汽车中的电子部件越来越多,光是ECU就有几十个,这么多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。目前,有四种主流的车用总线:CAN总线、LIN总线、F lexRay总线和MOST总线。

一般这四种总线的应用如下:

总线总类

通讯速度

应用

LIN

10-125K(车身)

大灯,灯光,门锁,电动座椅等

CAN

125K-1M

汽车空调,电子指示,故障检测等

FlexRay

1M-10M

引擎控制,ABS, 悬挂控制,线控转向等

Most

10M以上

汽车导航系统,多媒体娱乐

或者可以形象地说:

CAN总线是中坚,LIN是CAN的副手,FlexRay是未来的希望,MOST则负责文化事业。这四种总线将在未来继续大放异彩。下面我就一一简单介绍这四大总成线。

 

FlexRay

FlexRay车载网络标准已经成为同类产品的基准,将在未来很多年内,引导整个汽车电子产品控制结构的发展方向。FlexRay是继CAN 和LIN之后的最新研发成果,可以有效管理多重安全和舒适功能。

FlexRay是戴姆勒克莱斯勒公司的注册商标。FlexRay联盟(FlexRay Consortium)推进了FlexRay的标准化,使之成为了新一代汽车内部网络通讯协议。FlexRay关注的是当今汽车行业的一些核心需求,包括更快的数据速率,更灵活的数据通信,更全面的拓扑选择和容错运算。

因此,FlexRay可以为下一代的车内控制系统提供所需的速度和可靠性。CAN网络最高性能极限为1Mbps。LIN和K-LINE分枝网络最高性能极限为20Kbit/s。而FlexRay两个信道上的数据速率最大可达到10Mbps,总数据速率可达到20Mbit/秒,因此,应用在车载网络,FlexRay 的网络带宽可能是CAN的20倍之多。

FlexRay不仅可以像CAN和LIN网络这样的单信道系统一般运行,而且还可以作为一个双信道系统运行。双信道系统可以通过冗余网络传输数据——这也是高可靠系统的一项重要性能。

FlexRay 导线控制应用的例子包括:

线控操作转向-典型的是使用电子控制单元

防抱死制动系统(ABS)-包括车辆稳定控制(VSC)和车辆稳定助手(VSA)

FlexRay 节点运算

每个FlexRay节点都包括一个控制器和一个驱动器部件。控制器部件包括一个主机处理器和一个通信控制器。驱动器部件通常包括总线驱动器和总线监控器(可选择)。总线驱动器将通信控制器与总线相连接,总线监控器监视接入总线的连接。主机通知总线监控器通信控制器分配了那些时槽。接下来,总线监控器只允许通信控制器在这些时槽中传输数据,并激活总线驱动器。若总线监控器发现时间时序有间隔,则断开通信信道的连接。

FlexRay的节点有几个基本的运行状态:

配置状态(默认配置/配置)-用于各种初始化设置,包括通信周期和数据速率

就绪状态-用于进行内部的通信设置

唤醒状态-用于唤醒没有在通信的节点。在该状态下,节点向另一节点发送唤醒信号,唤醒并激活总线驱动器、通信控制器、和总线监控器。

启动状态-用于启动时钟同步,并为通信做准备。

正常状态(主动/被动)-可以进行通信的状态

中断状态-表明通信中断

经过数年的改进,FlexRay网络标准已经成熟,BMW已经在X5中有5个ECU(电控减震、主控悬吊系统等)应用了FlexRay,在下一代产品中将有16ECU予以应用。

 

 

 

CAN总线

CAN是控制器局域网络(ControllerArea Network, CAN)的简称,是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的,并最终成为国际标准(ISO 11898),是国际上应用最广泛的现场总线之一。 在北美和西欧,CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线,并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。

CAN的高性能和可靠性已被认同,并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。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。

CAN总线优势

CAN属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言,基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性:

网络各节点之间的数据通信实时性强

首先,CAN控制器工作于多种方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行,系统的实时性、可靠性较差;

开发周期短

CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会在出现在RS-485网络中的现象,即当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响,从而保证不会出现像在网络中,因个别节点出现问题,使得总线处于“死锁”状态。而且,CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期,这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。

已形成国际标准的现场总线

另外,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是CAN总线应用于众多领域,具有强劲的市场竞争力的重要原因。

最有前途的现场总线之一

CAN 即控制器局域网络,属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的,世界上一些著名的汽车制造厂商都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有:SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。

 

CAN总线特点

它是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率最高可达1Mbps。

结构简单

只有2根线与外部相连,并且内部集成了错误探测和管理模块。

传输距离和速率

CAN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,高优先级节点信息在134μs通信; (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);(4) CAN总线传输介质可以是双绞线,同轴电缆。CAN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。

CAN总线应用举例

CAN总线在工控领域主要使用低速-容错CAN即ISO11898-3标准,在汽车领域常使500Kbps的高速CAN。

某进口车型拥有,车身、舒适、多媒体等多个控制网络,其中车身控制使用CAN网络,舒适使用LIN网络,多媒体使用MOST网络,以CAN网为主网,控制发动机、变速箱、ABS等车身安全模块,并将转速、车速、油温等共享至全车,实现汽车智能化控制,如高速时自动锁闭车门,安全气囊弹出时,自动开启车门等功能。

CAN系统又分为高速和低速,高速CAN系统采用硬线是动力型,速度:500kbps,控制ECU、ABS等;低速CAN是舒适型,速度:125Kbps,主要控制仪表、防盗等。

CAN总线在汽车中的应用

应用CAN总线,可以减少车身布线,进一步节省了成本,由于采用总线技术,模块之间的信号传递仅需要两条信号线。布线局部化,车上除掉总线外其他所有横贯车身的线都不再需要了,节省了布线成本。CAN总线系统数据稳定可靠,CAN总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。CAN总线专为汽车量身定做,充分考虑到了汽车上恶劣工作环境,比如点火线圈点火时产生的强大的反充电压,电涡流缓冲器切断时产生的浪涌电流及汽车发动机仓100℃左右的高温。

随着安全性能日益受到重视,安全气囊也将逐渐增多,以前是在驾驶员前面安装一个,今后侧面与后座都会安装安全气囊,这些气囊通过传感器感受碰撞信号,通过CAN总线将传感器信号传送到一个中央处理器内,控制各安全气囊的启动弹出动作。同时,先进的防盗设计也正基于CAN总线网络技术。首先,确认钥匙合法性的校验信息通过CAN网络进行传递,改进了加密算法,其校验的信息比以往的防盗系统更丰富;其次,车钥匙、防盗控制器和发动机控制器相互储存对方信息,而且在校验码中搀杂随机码,无法进行破译,从而提高防盗系统的安全性。而这些功能的实现无一不借助CAN总线来完成,CAN总线成为汽车智能化控制的“定海神针”。

在现代轿车的设计中,CAN已经成为必须采用的装置。奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。据报道,中国首辆CAN 网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功,并进行了初步试运行。在上海大众的帕萨特和POLO汽车上也开始引入了CAN总线技术。但总的来说,目前 CAN总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段,绝大部分的汽车还没有采用汽车总线设计。国内在技术、设计和应用上进行网络总线的“深造”势在必行。

 

 

 

LIN总线

LIN总线是针对汽车分布式电子系统而定义的一种低成本的串行通讯网络,是对控制器区域网络(CAN)等其它汽车多路网络的一种补充,适用于对网络的带宽、性能或容错功能没有过高要求的应用。LIN总线是基于SCI(UART)数据格式,采用单主控制器/多从设备的模式,是UART中的一种特殊情况数据传递速率为1~20Kb/s,在LIN控制单元的软件内已经设定完毕,该速率最大能达到舒适CAN数据传递速率的1/5。

 

LIN总线概况

LIN(Local Interconnect Network)是一种低成本的串行通讯网络,用于实现汽车中的布式电子系统控制。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,比如智能传感器制动装置之间的通讯使用LIN 总线可大大节省成本

LIN 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

号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线

这种低成本的串行通讯模式和相应的开发环境已经由LIN 协会制定成标准。LIN 的标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总线特性

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

传输速率最高可达20Kbit/s

单主控器/多从设备模式无需仲裁机制

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

保证信号传输的延迟时间

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

通常一个LIN 网络上节点数目小于12 个共有64 个标志符

LIN总线应用

典型的LIN 总线应用是汽车中的联合装配单元,如:门、方向盘、座椅、空调、照明灯湿度传感器,交流发电机等。对于这些成本比较敏感的单元,LIN 可以使那些机械元件智能传感器、制动器或光敏器件得到较广泛的使用。这些元件可以很容易的连接到汽车网中并得到十分方便的维护和服务。在LIN 实现的系统中通常将模拟信号量用数字信号所替换,这将使总线性能优化

以下的汽车电子控制系统中使用LIN 来实现将得到非常完美的效果

湿度传感,光敏传感,信号灯控,汽车顶

车窗玻,中枢,车窗玻璃开,吊窗提

 

车门总线模块示意图

 

传感,小电

方向

方向控制开,挡风玻璃上的擦拭装,方向,无线,空,座,座椅控制电,转速传感

尽管LIN 最初的设计目的是用于汽车电子控制系统,但LIN 也可广泛应用于工业自动传感器总线,大众消费电子产品中


MOST总线

MOST (Media Oriented System Transport) 面向媒体的系统传输总线,MOST 是汽车业合作的成果,而不具备正式的标准。

MOST总线产品介绍

MOST总线是作为宝马公司、戴姆勒克莱斯勒(DaimlerChrysler)公司、Harman/Becker公司(音响系统制造商)和 Oasis Silicon Systems公司之间的一项联合。其后不久(1998 年),参与各方建立了一个自主的实体, MOST公司,由它控制总线的定义工作。Oasis公司自己保留对 MOST 命名的权利。由一家独立的测试机构负责产品的认证过程,例如 Ruetz 技术公司。除了顺从性测试以外,Ruetz公司还为 MOST 总线系统开发提供使用的软、硬件分析工具,以及 MOST 系统的培训。

MOST总线专门用于满足要求严格的车载环境。这种新的基于光纤的网络能够支持24.8Mbps的数据速率,与以前的铜缆相比具有减轻重量和减小电磁干扰(EMI)的优势。

MOST总线产品特点

MOST传输协议由分割成帧的数据块组成,每一帧包含流数据、分组数据和控制数据。

在物理层上,传输介质本身是有塑料保护套、内芯为 1 mm PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)光纤,OEM 供应商可以将一束光纤像电线一样捆成光缆。光纤传输采用 650 nm(红色)的 LED 发射器(650 nm PMMA 光谱响应中的低损耗窗口)。数据以 50 Mbaud、双相编码的方式发送,最高数据速率为 24.8 Mbps

MOST的定义是非常普通的,允许采用多种拓扑结构,包括星形和环形,大多数汽车装置都采用环形布局。一个 MOST 网络中最多可以有 64 个结点。一旦汽车接通电源,网络中的所有 MOST 结点就全部激活,这对低功耗、停电模式设计是一大重点,包括系统处在该种状态下的功耗量以及如何进入状态。MOST 结点在通电时的默认状态是直通(Pass-throught,即进入的数据从接收器直接传送至发射器,以保持环路的畅通。

MOST 的数据传送使用 512 b 的帧以及 16 个帧的块(图 1)。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。

1:基于MOST总线的典型车载高端娱乐系统


2:基于MOST总线的车载音频娱乐系统原理图


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