第一章 車載網絡系統基礎知識

第一節 車載網絡系統簡介

一、車載網絡的應用背景

1．線束的變化

在傳統的汽車中，各種電子電器設備之間用導線、插接件連接。從發動機控制到傳動系統控制，從行駛、制動、轉向系統控制到安全保證系統和儀表報警系統，從電源管理到舒適系統，每種功能的控制操作都集中在駕駛室內進行，各個系統都必須用導線和插接件連接到駕駛室的操控臺。隨著汽車動力驅動系統、舒適系統和信息娛樂系統內各種電子控制系統的不斷增加，這些連接所需要的導線和插接件的數量隨之急劇增加，從而引發了汽車廠商和設計人員的思考。圖1-1列出了近幾十年間導線長度及插接件數量的變化情況。

導線數量的增加造成的影響如下：

1）整個汽車的布線將十分復雜，顯得很凌亂，一根線束包裹著幾十根導線的現象很普遍。

2）占用空間更大，使得在有限的汽車空間內布線越來越困難，限制了功能的擴展。

3）故障率隨之增加，降低了汽車的可靠性，另外，一般情況下線束都裝在縱梁下等看不到的地方，一旦線束中出了問題，查找相當麻煩，增加了維修的難度。

4）電控單元并不是僅僅與負載設備簡單地連接，更多的是與外圍設備及其他電控單元進行信息交流，并經過復雜的控制運算，發出控制指令，按傳統的連接方式，線束成本較高。

導線長度和插接件數量的增加不但占據車內的有效空間、增加裝配和維修的難度、提高整車成本，而且妨礙整車可靠性的提高。這在無形中使汽車研發進入了這樣一個怪圈：為了提高汽車的性能而增加汽車電器的數量，汽車電器數量的增加導致導線長度的增加，而導線長度的增加又妨礙了汽車可靠性的進一步提高。

為解決以上問題，車載網絡（也稱數據傳輸總線）應運而生，使得汽車電控系統發生了巨大的變化。至此，車載電控系統經歷了中央電腦集中控制、多電腦分散控制和網絡控制三個階段，如圖1-2所示。

2．汽車數據傳輸總線簡介

（1）數據傳輸總線 所謂數據傳輸總線，就是指在一條數據線上傳遞的信號可以被多個系統共享，從而最大限度地提高系統整體效率，充分利用有限的資源。例如，常見的電腦鍵盤有104個鍵，可以發出一百多個不同的指令，但鍵盤與主機之間的數據連接線卻只有7根，鍵盤正是依靠這7根數據連接線上不同的數字電壓信號組合（編碼信號）來傳遞按鍵信息的。如果把這種方式應用在汽車電氣系統上，就可以大大簡化汽車電路。可以通過不同的編碼信號來表示不同的開關動作，信號解碼后，根據指令接通或斷開對應的用電設備。這樣，就能將過去一線一用的專線制改為一線多用制，大大減少了汽車上電線的數目，縮小了線束的直徑。同時，加速了汽車智能化的發展。

在汽車上傳統的信息傳遞方式采用并行數據傳輸方式，每項信息需獨立的數據線完成，即有幾個信號就要有幾條信號傳輸線。例如，寶來轎車發動機電控單元J220與自動變速器電控單元J217之間就需要5條信號傳輸線，如圖1-3所示。如果傳遞的信號項目越多，則需要更多的信號傳輸線。采用傳輸總線后，只需要1根或2根傳輸線即可，如圖1-4所示。而且實現更好地在各控制系統之間調整通信、交流信息、協調控制、共享資源，完成對汽車性能的精確控制。

如圖1-4所示，在傳統控制電路中，各種控制信號都屬于平行關系，互相之間并沒有關聯，每個信號都有專屬的信號線，因此，如果需要傳輸多個信號的話，就需要多根線進行。而在車載網絡系統中采取基于串行數據總線體系結構，能將各種信號按照內部程序轉換為各種數據后，通過1條線或2條線，每個比特的信息一個一個地被傳輸，進行串行通信，在其通信線上傳送的是“0”“1”數字信號。如圖1-5所示，A電腦讀取4個開關信號狀態，將其轉換為“01 10”的數據傳送給B電腦，B電腦收到后將其解出，即知現在1、4開關斷開，2、3開關接通。

當數據中的字節有多位時，就能表達很多含義，在進行通信時就能通過多位數的不同“0”“1”組合變化來傳送信息。如表1-1所示，用2位二進制數就可以表達4種意義，如此類推有n位二進制數即可以有2的n次方種數據類型。

（2）總線數據傳輸的要求 總線系統上并聯有多個元件。這就要求整個系統滿足以下要求。

1）可靠性高。傳輸故障（無論是由內部還是外部引起的）應能準確識別出來。

2）使用方便。如果某一控制單元出現故障，其余系統應盡可能保持原有功能，以便進行信息交換。

3）數據密度大。所有控制單元在任一瞬時的信息狀態均相同，這樣就使得兩個控制單元之間不會有數據偏差。如果系統的某一處有故障，那么總線上所有連接的元件都會得到通知。

4）數據傳輸快。連成網絡的各元件之間的數據交換速率必須很快，這樣才能滿足實時要求。

（3）總線數據傳輸的優點 采用總線數據傳輸（多路傳輸）的優點主要表現在以下幾個方面。

1）簡化線束。減少重量，減少成本，減小尺寸，減少連接器的數量，如圖1-6所示，同一款車同等配置下，可以看出采用車載網絡可以大大簡化汽車線束。

2）可以進行設備之間的通信，豐富了功能。

3）通過信息共享減少傳感器信號的重復數量。

3．車載網絡系統的發展史

從1980年起，汽車內開始裝用網絡，在1983年，豐田公司在世紀牌汽車上最早采用了應用光纜的車門控制系統，實現了多個節點的連接通信。此系統采用了集中控制方法，車身電控單元（ECU）對各車門的門鎖、電動玻璃窗進行控制，這是早期在汽車上采用的光纜系統，此后，在較長的一段時間里，其他公司并沒有跟進采用光纜系統。

1986年2月，Robert Bosch公司在美國汽車工程師協會（SAE）汽車工程協會大會上介紹了一種新型的串行總線——CAN控制器局域網，那是車載網絡系統CAN誕生的時刻。CAN全稱為Controller Area Network，即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。

接著，美國汽車工程師協會提出了J1850。

此后，日本也提出了各種各樣的網絡方案，并且豐田、日產、三菱、本田及馬自達公司都已經處于批量生產的階段，但沒有統一為以車身系統為主的控制方式。

而在其他國家，特別是歐洲的廠家則采用CAN，同時發表文章介紹采用大型CAN網絡的車型。由于他們在控制系統上都可以采用CAN，從而充分地證明了CAN在此領域內的先進性。

在美國，通過采用SAE J1850普及了數據共享系統，在SAE中也通過了CAN的標準，明確地表示將轉向CAN協議。

隨著汽車技術的發展，歐洲又以與CAN協議不同的思路提出了控制系統的新協議TTP（Time Triggered Protocol），并在X-by-Wire系統上開始應用。對飛機的控制系統來說，有Fly bywire系統，直譯為靠電線飛行的系統，實際上，它表示飛機的控制方式，即將飛行員的操縱、操作命令轉換成電信號，利用計算機控制飛行的工作方式。將這種操作方式引入到汽車上，則出現了Drive-by-Wire系統，直譯為靠電線行駛的系統，在汽車上類似的系統還有Steering-by-Wire系統、Brake-by-Wire系統，將這些系統統稱為X-by-Wire系統。

與這些網絡采用不同思路開發的有信息系統，在開關及顯示功能控制用的信號系統的信息設備之間建立網絡，下一步是利用顯示數據自身用光纜進行轉送數據。

為了實現音響系統的數字化，建立了將音頻數據與信號系統綜合在一起的AV網絡，因為這種網絡需要將大容量的數據連續地輸出，因此，在這種網絡上將采用光纜。

今后，當對汽車引入智能交通系統（ITS）時，由于要與車外交換數據，所以，在信息系統中將會采用更大容量的網絡，例如D2B協議、MOST及IEEE1394等。

主要車載網絡的基本情況見表1-2。幾種車載網絡的開發年份、采用廠家與發表年份見表1-3。幾種網絡的成本對比及通信速度如圖1-7所示。

二、車載網絡系統的功能

1．多路傳輸功能

為了減少車輛電氣線束的數量，多路傳輸通信系統可使部分數字信號通過共用傳輸線路進行傳輸。系統工作時，由各個開關發送的輸入信號通過中央處理器（CPU）轉換成數字信號，該數字信號以串行信號方式從傳感器傳輸給接收裝置，發送的信號在接收裝置處將被轉換為開關信號，再由開關信號對有關元件進行控制。

2．“喚醒”和“休眠”功能

“喚醒”和“休眠”功能用于減少在關閉點火開關時蓄電池的額外能量消耗。當系統處于“休眠”狀態時，多路傳輸通信系統將停止諸如信號傳輸和CPU控制等功能，以節約蓄電池的電能；當系統有人為操作時，處于“休眠”狀態的有關控制裝置立即開始工作，同時還將“喚醒”信號通過傳輸線路發送給其他控制裝置。

3．失效保護功能

失效保護功能包括硬件失效保護功能和軟件失效保護功能。當系統的CPU發生故障時，硬件失效保護功能使其以固定的信號進行輸出，以確保車輛能繼續行駛；當系統某控制裝置發生故障時，軟件失效保護功能將不受來自有故障的控制裝置的信號影響，以保證系統能繼續工作。

4．故障自診斷功能

故障自診斷功能包括多路傳輸通信系統的自診斷模式和各系統輸入線路的故障自診斷模式，既能對自身的故障進行自診斷，又能對其他系統進行故障診斷。

三、車載網絡系統的常用術語

1．數據總線

數據總線是模塊間運行數據的通道，即所謂的信息高速公路，如圖1-8所示。

數據總線可以實現在一條數據線上傳遞的信號可以被多個系統（控制單元）共享，從而最大限度地提高系統整體效率，充分利用有限的資源。如果系統可以發送和接收數據，則這樣的數據總線就被稱為雙向數據總線。數據總線實際是一條導線或許是兩條導線。兩線式的其中一條導線常用作額外的通道。它的作用有點像公路的路肩，上面立有交通標志和信號燈。一旦數據通道出了故障，該“路肩”在有些數據總線中被用來承載“交通”，或者令數據換向通過一條或兩條數據總線中未發生故障的部分。為了抗電子干擾，雙線制數據總線的兩條線是絞在一起的。

各汽車制造商一直在設計各自的數據總線，如果不兼容，就稱為專用數據總線。如果是按照某種國際標準設計的，就是非專用的。為使不同廠家生產的零部件能在同一輛汽車上協調工作，必須制定標準。按照ISO有關標準，CAN的拓撲結構為總線式，因此也稱為CAN總線（CAN-BUS）。

2．多路傳輸

多路傳輸是指在同一通道或線路上同時傳輸多條信息，如圖1-9b所示。事實上，數據信息是依次傳輸的，但速度非常之快，似乎就是同時傳輸的。對一個人來說，1/10s算是非常快了，但對一臺運算速度即使相對慢的計算機來說，1/10s卻是很長的時間。如果將1/10s分成若干段，許多單個的數據都能被傳輸——每一段傳輸一段，這就稱為分時多路傳輸。

從圖1-9中可以看出，常規線路要比多路傳輸線路簡單得多，然而多路傳輸系統ECU之間所用導線比常規線路系統所用導線少得多。ECU可以觸發儀表板上的警告燈或故障指示燈等，由于多路傳輸可以通過一根線（數據總線）執行多個指令，因此可以增加許多功能裝置。多路傳輸的界面如圖1-10所示。

正如可把無線電廣播和移動電話的電波分為不同的頻率，人們也可以同時傳輸不同的數據流。隨著現在和未來的汽車裝備無線多路傳輸裝置的增加，基于頻率、幅值或其他方法的同時數據傳輸也成為可能。汽車上用的是單線或雙線分時多路傳輸系統。

多路傳輸的優點：簡化線束，減輕重量，降低成本，減小尺寸，減少插接器的數量，可以進行設備之間的通信，豐富了功能，通過信息共享減少傳感器的數量。

3．局域網

局域網（Local Area Network, LAN）是在一個有限區域內連接的計算機網絡。一般這個區域具有特定的職能，通過網絡實現這個系統內的資源共享和信息通信。連接到網絡上的節點可以是計算機、基于微處理器的應用系統或控制裝置。局域網一般的數據傳輸速度在105Mbit/s～1Gbit/s范圍內，傳輸距離在250m范圍內，誤碼率低。汽車上的總線傳輸系統（車載網絡）是一種局域網。

4．模塊/節點

模塊是一種電子裝置，簡單的如溫度和壓力傳感器，復雜的如計算機（微處理器）。傳感器是一個模塊裝置，根據溫度和壓力的不同產生不同的電壓信號。這些電壓信號在計算機（一種數字裝置）的輸入接口被轉變成數字信號。在計算機多路傳輸系統中的控制單元模塊被稱為節點。一般來說，普通傳感器是不能作為多路傳輸系統的節點的，如果傳感器要想成為一個模塊/節點，則該傳感器必須具備支持多路傳輸功能的電控單元，如大眾車系的轉角傳感器。

5．鏈路（傳輸媒體）

鏈路指網絡信息傳輸的媒體，分為有線和無線兩種類型，目前車上使用的大多數都是有線網絡，通常用于局域網的傳輸媒體有雙絞線、同軸電纜和光纖。

（1）雙絞線 如圖1-11所示，雙絞線是局域網中最普通的傳輸媒體，一般用于低速傳輸，最大傳輸速率可達幾個Mbit/s；雙絞線成本較低，傳輸距離較近，非常適合汽車網絡的情況，也是汽車網絡使用最多的傳輸媒體。

（2）同軸電纜 同軸電纜的基本結構如圖1-12所示。像雙絞線一樣，同軸電纜也是由兩個導體組成，但其結構不同。

同軸電纜由一個空心的外圓柱面導體包著一條內部線形導體組成。外導體可以是整體的或金屬編織的，內導體是整體的或多股的。用均勻排列的絕緣環或整體的絕緣材料將內部導體固定在合適的位置，外部導體用絕緣護套覆蓋。幾個同軸電纜線往往套在一個大的電纜內，有些里面還裝有二芯紐絞線或四芯線組，用于傳輸控制信號。同軸電纜的外導體是接地的，由于它的屏蔽作用，外界噪聲很少進入其內。

同軸電纜可以滿足較高性能的要求，與雙絞線相比，它可以提供較高的吞吐量，連接較多的設備，跨越更大的距離。同軸電纜可以傳輸模擬和數字信號。同軸電纜比雙絞線有著優越的頻率特性，因而可以用于較高的頻率和數據傳輸率。由于其屏蔽的同軸心結構，比起雙絞線來，它對于干擾和串音就不敏感。影響其性能的主要因素是衰減、熱噪聲和交調噪聲。

（3）光纖 光纖在電磁兼容性等方面有獨特的優點，其數據傳輸速度高，傳輸距離遠；在車載網絡上，特別在一些要求傳輸速度高的車上網絡（如車上信息與多媒體網絡）上有很好的應用前景。但受到成本和技術的限制，現在使用的并不多。最常用的光纖是塑料光纖和玻璃纖維光纖，在汽車上多用塑料光纖，如圖1-13所示。

與玻璃纖維光纖相比，塑料光纖具有以下優點：

① 光纖橫斷面較大。因為光纖橫斷面較大，所以生產時光纖的定位沒有太大的技術問題。

② 對灰塵不是很敏感。即使非常小心，灰塵也可能落到光纖表面上并由此改變光束的入射/發射功率。對于塑料光纖，細微的污物不一定會導致傳輸距離故障。

③ 操作簡單。例如，約1mm厚的塑料光纖芯操作起來比約62.5μm厚的玻璃纖維光纖芯要容易一些，因此與玻璃纖維光纖相比，其操作處理要簡單得多。而且玻璃纖維易折斷，塑料纖維則不易折斷。

④ 加工制作簡單。與玻璃纖維光纖相比，寶馬使用的甲基丙烯酸甲酯PMMA切割、打磨或熔化相對簡單，這樣在導線束制造以及進行售后服務維修時具有較大的優勢。

6．比特率

比特率是指每秒傳送的比特（bit）數。單位為bit/s，也可表示為bps（bit per second）。比特率越高，單位時間傳送的數據量（位數）越大。計算機中的信息都用二進制的0和1來表示，其中每一個0或1被稱作1個位，即1bit（位）。大寫B表示byte，即字節，1個字節=8個位，即1B=8bit。表示文件的大小單位，一般都使用千字節（KB）。

7．傳輸協議

傳輸協議也稱通信協議，是控制通信實體間有效完成信息交換的一組約定和規則。換句話說，要想交流成功，通信雙方必須“說同樣的語言”（如相同的語法規則和語速等）。

8．傳輸仲裁

當出現數個使用者同時申請利用總線發送信息時，會發生數據傳輸沖突，好比同時有兩個或者多個人想要過一個獨木橋一樣，如圖1-14所示。傳輸仲裁就是為了避免數據傳輸沖突，保證信息按其重要程度來發送。