相關知識

一、汽車應用多路傳輸技術的背景

隨著汽車電子技術的不斷發展，車輛上電控系統的數量不斷增多，而且功能也越來越復雜。很多汽車采用了多個計算機（如奔馳600SEL采用了20多個電控模塊）。每一個計算機都需要與多個傳感器、執行器之間發生通信，而每一個輸入、輸出信號又可能與多個計算機之間發生通信。如果每一個電控系統都獨立配置一整套相應的傳感器、執行器，那么將有大量的線束、插接件密布于汽車的各個部位，這樣不僅會增加汽車生產車間組裝工人的裝配困難（如穿過控制面板的線束、一般線束和儀表板后部的線束……）及車身重量，而且也增加了汽車售后維修人員對故障診斷、維修的難度。另外，為了提高汽車綜合控制的準確性，綜合控制系統也迫切需要輸入、輸出信號/數據共享。當電控模塊共享輸入信息時，就能對汽車進行更加復雜的控制。例如，駕駛員車門控制模塊就可以利用來自自動變速器控制模塊的變速擋擋位傳感器信號和來自ABS控制模塊的車速信號去控制車門的自動鎖閉。

過去，汽車通常采用點對點的通信方式，將電子控制單元及負載設備連接起來。隨著電子設備的不斷增加，勢必造成導線數量的不斷增多，從而導致在有限的汽車空間內布線越來越困難，限制了功能的擴展。同時，導線質量每增加50kg，油耗會增加0.2L/100km。此外，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，這些都不能通過簡單的連接完成。而單從線束本身來說，它也是汽車電子系統中成本較高、連接復雜的部件之一。

因此，汽車制造商開始考慮其他獲取信息的方式（即傳感器共享的概念），以及另一種方式的執行器控制系統（即資源共享概念）。于是一種全新的理念出現在人們面前：重新設計和組織電控單元。解決這一問題的方法之一是將計算機的功能更加集成化。例如，多功能發動機計算機就囊括了噴油、點火、尾氣排放和冷卻管理等功能。ESP計算機更是集合了ABS、ASR、MSR、CDS等眾多功能。另外，使用早已應用于日常電話通信和電視中的多路傳輸技術，把眾多的電控單元連成網絡，其信號以總線的形式傳輸，可以達到信息資源共享的目的。這樣連成網絡的電控模塊就能使控制器“協同工作”，從而獲得最佳工作狀態，并使汽車具備實現許多復雜功能的能力。例如，裝有網絡與牽引力控制系統的汽車，就可以使用兩個控制模塊來保持汽車的牽引力。當車速和發動機負荷低于某一值時，ABS模塊對驅動輪進行脈動制動以防止車輪打滑，同時發動機控制模塊推遲點火提前角減小發動機轉矩；而當車速和發動機負荷高于該值時，只有發動機控制模塊通過減小發動機轉矩的方法來防止車輪打滑，故而推遲點火提前角，減小節氣門開度以減小發動機的轉矩。隨著汽車電子控制單元以及汽車電子裝置的不斷增多，采用串行總線實現多路傳輸，組成汽車電子網絡，是一種既可靠又經濟的做法。同時，現代汽車基于安全性和可靠性的要求，正越來越多地考慮使用電控系統代替原有的機械和液壓系統。

所謂多路傳輸，是指在計算機局域網中，將多種信息混合或交叉通過一個通信信道傳送的方式。一個具有多路傳輸功能的網絡允許多個計算機同時對它進行訪問。如果把這一源于信息網絡中的多路傳輸技術應用于汽車上，可以實現：

（1）布線簡化，降低成本；

（2）電控單元之間交流更加簡單和快捷；

（3）傳感器數目減少，實現信息資源共享；

（4）提高汽車總體運行可靠性。

要具體地把這一計算機局域網里的技術應用到汽車上來，就需要考慮以下因素：

（1）更快的信息傳輸速度；

（2）更挑剔的用電環境；

（3）更復雜的電磁兼容性；

（4）更嚴格的信息交流安全性。

汽車要求安全、使用方便、操作不能太復雜、價格較低、性能可靠。汽車又是應用環境最差的設備，所有可能的道路、電磁以及氣候環境汽車幾乎都可能遇到。根據汽車的這些使用要求和使用環境，車載網絡系統設計還應當考慮如下因素：

（1）節點與總線的連接接頭的電氣與力學特性以及連接頭的數量；

（2）網絡結構和應用系統的評估與性能檢測方法；

（3）容錯和故障恢復問題；

（4）實時控制網絡的時間特性；

（5）安裝與維護中的布線；

（6）網上節點的增加與軟硬件更新（可擴展性）。

總之車載網絡結構要求可靠、廉價，與應用系統一體化，線路簡單且實時性好。其特點是范圍小、節點數少，多數應用要求的傳輸速度不高。

為了使多路傳輸技術適應汽車上特殊的環境，汽車制造公司和零部件公司確定了：

（1）信息傳輸模式；

（2）信息傳輸介質，即信息總線；

（3）總線信號表示方法；

（4）信息交流協議，即在網絡之間進行數據傳輸所需要遵循的電子語言通信規則和格式（如編碼、傳輸速度等）。

縱觀汽車多路傳輸技術發展歷程，其開發可分為三個階段：

（1）汽車的基本控制、電動門窗及自動門鎖等；

（2）發動機和變速器以及儀表系統的控制；

（3）各系統間綜合實時控制。

目前汽車多路傳輸技術研究的方向是提高信號傳送速率、容錯能力、抗干擾能力以及降低成本。

網絡技術應用于計算機領域已有幾十年了，而汽車中使用的網絡技術只是計算機網絡的“簡化版本”。其拓撲技術、傳輸方式與計算機網絡都相似，只是采用了特殊的數據傳輸協議。

二、定義與分類

隨著汽車技術的不斷發展，汽車上采用的計算機數量越來越多，多個處理器之間相互連接、協調工作并共享信息，構成了汽車車載計算機網絡系統，簡稱車載網絡。車載網絡運用多路傳輸技術，采用多條不同速率的總線分別連接不同類型的節點，并使用網關服務器來實現整車的信息共享和網絡管理。

汽車網絡是指能使用電氣或電子媒介發送或接收信息的控制模塊和接線。有些網絡允許電子模塊共享輸入信息，讓多個模塊一起工作，實現復雜的汽車操作。網絡的使用也提高了汽車的自診斷能力。

車載計算機網絡是指車輛本身的內部網絡系統，它由車載網絡計算機控制，通過數據總線連接無數個子網，控制發動機及其他總成、儀表板顯示器、中控門鎖、無線電話等，各個子網都具有不同的時鐘速度和各自的功能。

車載計算機網絡按拓撲結構分類可分為如下幾種。

1.中控式控制

中控式系統中，唯一的中央計算機控制一切運行（如圖1.1和圖1.2所示），因此需要中央計算機具有超強的工作能力，一旦它運行出現故障，整個網絡都將癱瘓。

2.區域式控制

區域式控制比中控式控制有了明顯的改進，其網絡分布很完善（如圖1.3和圖1.4所示），但其二級系統間仍缺乏有效的連接，而它們之間也是需要相互交流信息的。

3.分配式控制

分配式控制系統由一個具有充當“管理者”角色的計算機-網關負責二級系統間計算機的連接（如圖1.5和圖1.6所示）。它不僅是所有信息的交匯點，而且還管理不同系統間信息的交流。這是目前汽車上采用的信息傳輸控制方式。

三、常用基本術語

1.數據總線

汽車上的電子系統彼此依賴日見密切，它們之間的信息交流也就更加迫切，如圖1.7所示。為了傳輸這些信息，往往使用一種稱為數據總線的交流載體，同時還需要對這些信息交流進行管理。屬于“安全”范疇的信息具有優先權。通過總線傳輸的每一幀或信息都按照某種標準編碼。這些數據分別為傳感器測量到的數值、故障信息以及計算機運行狀態信息（正常或故障模式下的運行）。

傳感器測量到的信息具有以下特點：

（1）一個長度（格式）；

（2）一個解答或精度；

（3）有限度的數值（最大及最小）；

（4）被禁止的數值。

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。數據總線可以實現在一條數據線上傳遞的信號能被多個系統（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。例如，常見的計算機鍵盤有104位鍵，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電平組合（編碼信號）來傳遞信號的。如果把這種方式應用在汽車電氣系統上，就可以大大簡化目前的汽車電路。可以通過不同的編碼信號來表示不同的開關動作信號，根據指令接通或斷開對應的用電設備（前照燈、刮水器、電動座椅等）。這樣，就能將一線一用的專線制改為一線多用制，大大減少汽車上電線的數目，縮小線束的直徑。數據總線還使計算機技術融入整個汽車系統之中，加速汽車智能化的發展。例如，對前照燈的控制，在未使用多路傳輸系統前，可以使用傳統開關來控制車燈。如果想點亮汽車前照燈，就可以直接接通開關，開關直接供電給前照燈。休息狀態的前照燈開關如圖1.8所示，工作狀態的前照燈開關如圖1.9所示。

對于應用多路傳輸系統的車燈系統，如果希望點亮汽車上的一個車燈，可接通開關，開關呈二進制信息狀態（斷開為0，閉合為1）。請求就可以通過多路連接的信息系統傳輸到一個被稱為BSI的智能計算機處，如圖1.10所示。此計算機根據汽車運行狀況進行電源分配管理，如圖1.11所示。該指令通過多路連接的信息系統以二進制形式傳輸到電源計算機，如圖1.12所示。此時車上就一個燈點亮。

對于應用多路傳輸系統的車燈系統，如果希望點亮汽車上的兩個車燈，接通開關，開關呈二進制信息狀態（斷開為0，閉合為1）。請求就可以通過多路連接的信息系統傳輸到一個BSI智能計算機處，如圖1.13所示。此計算機根據汽車運行狀況進行電源分配管理，如圖1.14所示。該指令通過多路連接的信息系統以二進制形式傳輸到電源計算機，如圖1.15所示。此時車上就有兩個燈被點亮。

如果系統可以發送和接收數據，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兩條導線。兩線式的其中一條導線不是額外的通道，它的作用就像公路上的路肩，上面立有交通標志和信號燈。一旦數據通道出了故障，這“路肩”在有些數據總線中被用于承載“交通”，或者令數據換向通過一條或兩條數據總線中未發出故障的部分。為了抗電磁干擾，雙絞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。這就是通信協議的標準問題。

2.通信協議

通信協議是指通信雙方控制信息交換規則的標準、約定的集合，即數據在總線上的傳輸規則。在汽車上，要實現車內各ECU之間的通信，必須制定規則，即通信的方法、通信時間、通信內容，保證通信雙方能相互配合，使通信雙方能共同遵守可接受的一組規定和規則，就好像現實生活中的交通規則一樣，包括“交通標志”的制定方法。

例如，總統乘坐的車具有絕對的優先通行權，其他具有優先權的依次是政府要員的公車、警車、消防車、救護車等。但只能在執行公務時才能有優先權，駕車旅游、執行公務完畢時就無優先權可言。數據總線的通信協議并不是個簡單的問題，但可舉例簡單說明。當模塊A檢測到發動機已接近過熱時，相對于其他不太重要的信息（如模塊B發送的最新的大氣壓力變化數據）有優先權。通信協議的標準蘊含喚醒訪問和握手，喚醒訪問就是一個給模塊的信號（這個模塊為了節電而處于休眠狀態），信號使之進入工作狀態；握手就是模塊間的相互確認、兼容，并處在工作狀態。

事實上通信協議的種類繁多，大體如下：

（1）在一個簡單的通信協議中，模塊不分主從，根據規定的優先規則，模塊間相互傳遞信息，并且都知道該接收什么信息。

（2）一個模塊是主模塊，其他則為從屬模塊，根據優先規則，它決定哪個從屬模塊發信息以及何時發送信息。

（3）所有的模塊都像旋轉木馬上的騎馬人，一個上面有“免費卷”掛環的轉圈繞著他們旋轉。當一個模塊有了有用的信息，它便抓住掛環掛上這條信息，任何一個需要這條信息的模塊都可以從掛環上取下這條信息。

（4）通信協議中有個仲裁系統，通常這個系統按照每條信息的數字拼法為各數據傳輸設定優先規則。例如，以“1”結尾的數字信息要比以“0”結尾的有優先權。

目前，各大汽車制造商采用的車載計算機網絡通信協議主要如下。

（1）VAN：由法國標致-雪鐵龍汽車集團、雷諾汽車公司和JAEGER公司聯合開發，主要應用于車身系統，在通信速率要求方面已進一步優化。

（2）CAN：由德國博世公司開發，應用于高速率網絡傳輸。

（3）J1850：由美國汽車工程師學會開發，應用于車身系統，美國汽車公司和日本汽車公司多采用這一交流協議。

（4）A-BUS：由德國大眾汽車公司開發，應用于低速率和高速率信息網絡傳輸。

（5）I-BUS：低速率信息網絡傳輸，由德國寶馬汽車公司開發。

（6）ST-FIAT：由法國SGS-THOMSON公司和意大利菲亞特汽車公司聯合開發，應用于低速率信息網絡傳輸。

（7）MI-BUS：由美國摩托羅拉公司開發，低速率信息網絡傳輸，應用于汽車車身和空調系統。

（8）在德國，寶馬公司已經設計并采用K-BUS，大眾公司已經設計并采用A-BUS。

（9）在日本，本田公司已經設計并采用BEAN（車身電子局域網絡）。

（10）在美國，福特公司、克萊斯勒公司和通用汽車公司已經設計J1850，并使用不同的安裝程序應用于同一種協議。

3.多路傳輸網絡分類和布置形式

1）網絡分類

多路傳輸包括僅使用單個傳輸渠道傳輸各種部件之間不同的信息，這些信息表現為各種形式。根據傳輸速率及安全因素考慮，多路傳輸分成以下幾種類型。

（1）A級：面向傳感器、執行器控制的低速網絡，數據傳輸速率通常只有1～10kbps，主要用于電動門窗、座椅調節、燈光照明等控制。通過節點之間公用的信號總線來傳送和接收多路信號，這在常見的總線車輛中由獨立總線來實現。這些用于實現多路總線的節點在常見的總線車輛中通常不存在相同或類似的形式。

（2）B級：面向獨立模塊間數據共享的中速網絡，用于節點間數據傳輸，數據傳輸速率一般為10～100kbps，主要用于車輛信息系統、故障診斷、儀表顯示等控制，此類網絡可以減少多余的傳感器和其他電子部件。這種形式的多路系統節點在常見的總線車輛中通常以獨立單元的形式存在。

（3）C級：面向高速、實時閉環控制的多路傳輸網絡，最高數據傳輸速率可達1Mbps。該高速數據信號通常與諸如發動機控制、防抱死制動等實時控制系統相關，用于增強分布式控制并進一步減少車輛總線。

（4）D類：面向高速、實時傳送數據的多路傳輸網，數據傳輸速率大于1Mbps，主要用于車載多媒體系統的信息傳輸。

2）布置形式

需要組織和按等級來布置多路傳輸網絡里的信息交流。某些計算機屬于主控系統，它們在網絡里擁有發送數據的完全自主權。其他一些計算機只是執行系統，沒有發送數據的主動權，只有在主控系統要求下才可以發送。因此，在多路傳輸系統里有多種布置形式，如圖1.16所示。

4.模塊/節點

模塊就是一種電子裝置，簡單一點的如溫度和壓力傳感器，復雜的如計算機（微處理器）。傳感器是一種模塊裝置，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，一些簡單的模塊被稱為節點。各節點通過插接器連接到多路傳輸系統中。

5.網關

現代汽車上有很多電子控制模塊或計算機，各個系統所采用的數據總線的傳輸速度可能不同，或采用的通信協議不同，在這種情況下是不可能所有的計算機或控制模塊都實現信息共享的。

網關的作用就是在不同的通信協議和不同傳輸速率的計算機或模塊之間進行通信時，建立連接和信息解碼，重新編譯，并將數據傳輸給其他系統。

例如，車門打開時發動機控制模塊也許需要被喚醒。為使采用不同協議及速度的數據總線之間實現無差錯數據傳輸，必須采用一種特殊功能的計算機，稱為網關。法國雪鐵龍車系上的網關被稱為BSI智能服務器。

網關實際上就是一種模塊，其工作的好壞決定了不同的總線、模塊和網絡相互間通信的好壞。網關就像一個居民小區的門衛，在他讓任何客人進大門之前，要問客人是否是應邀前來，或者通知某位住戶有人來訪。對于不兼容但卻需要互相通信的總線和網絡來說，網關所起作用就和門衛一樣。但當信息不能傳遞時，或許是一個或兩個模塊的軟件有錯。

網關是汽車內部通信的核心，通過它可以實現各條總線上信息共享以及實現汽車內部的網絡管理和故障診斷功能。

6.幀

為了可靠地傳輸數據，通常將原始數據分割成一定長度的數據單元，這就是數據傳輸單元，稱為幀。一幀內應包括同步信號（如幀的開始與終止）、錯誤控制（各類檢錯碼或糾錯碼，大多數采用檢錯重發的控制方式）、流量控制（協調發送方與接收方的速率）、控制信息、數據信息、尋址（在信息共享的情況下，保證每一幀都能正確地到達目的站，接收方也能知道信息來自何站）等。

四、多路數據傳輸系統的構成和工作原理

車載局域網的種類很多，網絡種類不同，其形式、功能和通信速率也不相同，主要車載網絡（LAN）的特點與應用見表1.1。

表1.1 主要車載網絡（LAN）的特點與應用

CAN（控制器局域網）數據總線是一種雙線串線數據總線，具有優先權和仲裁功能。它是國際上應用最廣泛的現場總線之一。CAN總線系統的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據進行編碼，使網絡內的節點個數在理論上不受限制。如圖1.17所示，由于采用了許多了新技術及獨特的設計，CAN總線具有較強的糾錯能力，支持差分收發，適合高干擾環境，因而具有突出的可靠性和較遠的傳輸距離。另外，CAN總線還具有實時性、靈活性和開放性等特點。因此，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、豐田、本田等多家汽車公司都采用了CAN總線技術。CAN總線在諸多汽車總線中有著很重要的地位，現已成為汽車總線的代名詞，成為汽車是否數字化的一個重要標志。

1.CAN數據傳輸系統的構成

汽車兩個計算機之間的信息傳遞，有幾個信號就要有幾條信號傳輸線（信號傳輸線的接地端可以采用公共回路），5個信號就需要5條數據線來傳遞，如圖1.18所示。如果傳遞信號項目多，還需要更多的信號傳輸線，這樣會導致電控單元插腳增加、線路復雜、故障率升高及維修困難，因此這種數據傳遞形式只適用于有限信息量的數據交換。

鑒于上述原因，現代一些新型高檔轎車各電控單元間的所有信息都通過兩根數據線進行交換，即CAN數據總線。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之間需要傳輸5個信號，通過CAN數據總線僅需要兩條雙向數據線即可進行傳遞，如圖1.19所示。

通過CAN數據傳遞形式，不管電控單元的多少和信息容量的大小，所有的信息都可以通過這兩條數據線進行傳遞，如果電控單元間進行大量的信息交換，CAN數據總線也能完全勝任。

一輛汽車不管有多少電控單元，不管信息容量有多大，每個電控單元都只需引出兩條導線共同接在兩個節點上，這兩條導線就稱為數據總線。

CAN數據總線是控制單元間的一種數據傳遞形式，它與各個電控單元連接在一起就成為數據傳輸系統。一個電控單元從整個系統中獲得的信息越多，那么它控制自身功能會更全面。

在動力傳動系統中，發動機電控單元、自動變速器電控單元和ABS控制單元組成了一個完整的CAN系統；在舒適系統中，中央控制系統和車門控制系統組成了一個完整的CAN系統。其具體應用如圖1.20所示。

CAN數據傳輸系統有以下優點：

（1）將傳感器信號線減至最少，使更多的傳感器信號進行高速數據傳遞。

（2）電控單元和電控單元插腳最小化應用，從而節省更多有用空間。

（3）如果系統需要增加新的功能，僅需軟件升級即可。

（4）各電控單元對所連接的CAN總線進行實時監測，如果出現故障，該控制單元會存儲故障代碼。

（5）CAN數據總線符合國家標準，可使一輛車上不同廠家的電控單元更方便地進行數據交換。

CAN數據傳輸系統中，每個電控單元的內部都增加了一個CAN控制器、一個CAN收發器，每塊電控單元外部連接了兩條CAN數據總線，如圖1.21所示。在系統中作為中斷的兩塊控制單元，其內部還裝有一個數據傳遞終端（有時數據傳遞終端安裝在電控單元外部）。

（1）CAN控制器。CAN控制器的作用是接收電控單元中微處理器發出的數據，處理數據并傳給CAN收發器。同時，CAN控制器也接收收發器收到的數據，處理數據并傳給微處理器。

（2）CAN收發器。CAN收發器是一個發送器和接收器的組合，將CAN控制器提供的數據轉化成電信號并通過數據總線發送出去，同時它也接收總線數據，并將數據傳到CAN控制器。

（3）數據傳輸終端。數據傳輸終端實際是一個電阻，作用是避免數據傳輸終了反射回來，產生反射波而使數據遭到破壞。

（4）CAN數據總線。CAN數據總線用于傳輸數據的雙向數據線，分為CAN高位（CAN-High）和低位（CAN-Low）數據線。數據沒有指定接收器，通過數據總線發送給各電控單元，各電控單元接收后進行計算。

每條數據的傳遞包括以下5個過程：

（1）提供數據。電控單元向CAN控制器提供需要發送的數據。

（2）發送數據。CAN收發器接收由CAN控制器傳來的數據，轉為電信號并發送。

（3）接收數據。CAN系統中，所有電控單元轉為接收器。

（4）檢查數據。電控單元檢查判斷所接收的數據是否是所需要的數據。

（5）接受數據。如果接收的數據重要，它將被接收并進行處理，否則便被忽略掉。

整個數據傳遞過程如圖1.22所示。

2.CAN數據的構成

CAN數據總線在極短的時間里，在各電控單元間傳遞數據。一條數據由7個區域組成，如圖1.23所示，該形式在兩條數據傳輸線上是一樣的。CAN數據總線傳遞的數據由開始域、狀態域、檢查域、數據區、安全域、確認域和結束域組成。開始域用于標志數據開始傳遞，帶有大于5V電壓（由系統決定）的1位編碼被選入CAN高位傳輸線，帶有大約0V電壓的1位編碼被送入CAN低位傳輸線。電位有高、低之分，5V為高電位，0V為低電位，高電位定義的位值為“1”，低電位定義的位值為“0”，這樣就可以將數據分配到不同的傳輸線上。狀態域用于判斷數據中的優先權。在狀態域中，有11位數字組成的編碼，其數據的組合形式決定了其優先權。檢查域用于顯示在數據中所包含的信息項目數。數據域。信息被傳遞到其他控制單元。安全域用于檢測傳遞數據中的錯誤。確認域，接收器接收信號并通知發送器，其所發信號已被正確接收，如果檢查到錯誤，接收器立刻通知發送器，發送器會再發送一次數據。結束域標志著數據報告結束，在這里是顯示錯誤并重復發送數據的最后一次機會。

3.CAN數據的產生和發送優先權

1）數據的產生

數據由多位構成，每一位只有“0”或“1”兩個值或狀態。下面解釋“0”或“1”的狀態是如何產生的。

（1）燈開關。打開或關閉燈，這說明燈有2個不同狀態：燈開關處于值“1”的狀態時，開關閉合，燈亮；燈開關處于值“0”的狀態時，開關斷開，燈不亮。從原理上講，CAN數據總線的功能與此完全相同。

（2）發送器。發送器也能產生兩個不同的狀態：位值為“l”的狀態時，發送器打開，相同電壓施加到傳遞線上，在舒適系統中，大約為5V電壓（在動力傳遞系統中，電壓大約2.5V）；位值為“0”的狀態時，發送器關閉、接地，傳輸線同樣接地，大約為0V。

（3）如果位l和位2都是傳遞，表中的信息則顯示“電動窗工作”或“冷卻液溫度為10℃”。

（4）通過2個位，可以產生4個變化。其中每一項信息都可以由每一個變化狀態表示，并與所有的控制電壓相聯系。

2）CAN數據發送的優先權

如果多個電控單元要同時發送各自的數據，那么系統就必須決定哪個電控單元首先進行發送。具有最高優先權的數據應首先發送。基于安全考慮，由ABS/EDL控制單元提供的數據比自動變速器控制單元提供的數據（駕駛舒適）更重要。

數據的每一個位都有一個值，這個值定義為電位。這樣就有2個可能：高電位（值為0）或低電位（值為1）。狀態域由11位編碼組成形式決定了其優先權。若3個控制單元同時發送數據，此時，在數據傳輸總線上進行一位一位的數據比較。如果一個控制單元發送了一個低電位，而檢測到一個高電位，那么這個控制單元就停止發送，而轉為接收器。舉例說明如圖1.24所示。圖中第一位是開始域，它只有一位。從第二位開始是狀態域，其中：

（1）位1。ABS/EDL電控單元發送了一個高電位；Motronic電控單元也發送了一個高電位；自動變速器電控單元發送了一個低電位，而檢測到一個高電位，那么它將失去優先權，而轉為接收器。

（2）位2。ABS/EDL電控單元發送了一個高電位；Motronic電控單元發送了一個低電位并檢測到一個高電位，那么它也失去優先權，而轉為接收器。

（3）位3。ABS/EDL電控單元擁有最高優先權并且接收分配的數據。該優先權保證電控單元持續發送數據直至發送終了；ABS/EDL電控單元結束發送數據報告后，其他電控單元再發送各自的數據報告。

3）CAN數據總線防干擾

車輛中的干擾源是由電火花和電磁線圈開關聯合作用產生的。其他干擾源還包括移動電話的發送站等。電磁波能夠影響或破壞CAN的數據傳送。為了防止外界電磁波干擾和向外輻射，CAN總線采用兩條線纏繞在一起的形式，如圖1.25所示。兩條線上的電位是相反的，如果一條線的電壓是5V，另一條線就是0V，兩條線上的電壓和總等于常值，而且所產生的電磁場效應也會由于極性相反而互相抵消。所以通過這種方法，CAN總線可得到保護而免受外界電磁場干擾，同時CAN總線向外輻射也保持中性，即無輻射。

4.CAN總線數據傳遞原理

CAN數據總線是控制單元間的一種數據傳遞形式，它連接各個控制單元形成一個完整的系統。控制單元首先向CAN控制器提供需要發送的數據，CAN收發器接收由CAN控制器傳來的數據，并轉化為電信號發送到數據總線上。在CAN系統中，所有控制單元內部都含有接收數據總線上的數據，并將編碼數據分解成可以使用的數據的接收器。各控制單元判斷接收的數據是否是本控制單元所需要的數據，如果需要，它將被接收并進行處理；否則便忽略。例如，發動機控制單元向自動變速器控制單元發送冷卻液溫度信號，自動變速器CAN收發器接收到由發動機控制單元傳來的冷卻溫度信號后，轉換信號并發給自動變速器控制單元內部的控制器，在此項數據傳遞過程中其他控制單元也會收到冷卻液溫度信號，但不一定要接收它，原因是該信號對自身不一定有用。

5.汽車CAN網絡結構

現代汽車典型的電控單元主要有發動機控制系統、懸架控制系統、制動防抱死控制系統（ABS）、牽引力控制系統、ASR控制系統、儀表管理系統、故障診斷系統、中央門鎖系統、座椅調節系統、車燈控制系統等。所有這些子控制系統連接起來構成一個實時控制系統——指令發出去之后，必須保證在一定時間內得到響應，否則就有可能發生重大事故。這就要求汽車上的CAN通信網絡有較高的波特率設置。另外，汽車在實際運行過程中，眾多節點之間需要進行大量的實時數據交換。若整個汽車的所有節點都掛在一個CAN網絡上，眾多節點通過一條CAN總線進行通信，信息管理配置稍有不當，就很容易出現總線負荷過大，導致系統實時響應速度下降的情況。這在實時系統中是不允許的，因此在對汽車上各節點的實時性進行分析之后，根據各節點對實時性的要求，設計了高、中、低速三個速率不同的CAN通信網絡，將實時性要求嚴格的節點組成高速CAN通信網絡，將其他實時性要求相對較低的節點組成中速CAN通信網絡，將剩下的實時性要求不是很嚴格的節點組成低速CAN通信網絡。并架設網關將這三個速率不同的三個通信網絡連接起來，實現全部節點之間的數據共享。整個汽車的CAN通信網絡拓撲結構如圖1.26所示。

網關的主要作用是協調各個網絡之間數據的共享，負責各節點之間的通信，其硬件結構與CAN節點非常相似。由于它負責高速與低速網絡之間的數據共享，所以必須同時跨接在兩個網絡之間。CAN總線網關硬件框圖如圖1.27所示。

微處理器MC9S12DP256具有五個CAN模塊，這里使用其中的兩個：一個通過MC33989與低速網相連，實現與低速網的通信；另一個通過MC33989與高速網相連，實現高、低速網之間的通信以及對網絡的管理。

發動機控制系統、懸架控制系統、制動防抱死控制系統、牽引力控制系統、ASR控制系統這5個節點是汽車運行的核心部件，對時間響應要求嚴格，因此將這5個節點組成高速CAN通信網絡，通信波特率設為500bps。儀表管理系統、故障診斷系統等相對來說對實時性的要求較低，因此這些節點構成中速CAN通信網絡，通信波特率設為128bps。中央門鎖系統、座椅調節系統、車燈控制系統對實時性要求不是很嚴格，它們構成低速通信網絡，通信波特率設為30bps。兩個網關跨接高、中、低速三條總線，與各節點進行數據交換。網關通過對CAN總線間的待傳數據信息的智能化處理，可以確保只有某類特定的信息才能夠在網絡間傳輸。

五、車載局域網系統的應用

車用局域網的應用非常廣泛。如果按照應用系統加以劃分，車用網絡大致可分為4個系統：動力傳動系統、車身系統、安全系統和信息系統。

1.動力傳動系統

在動力傳動系統內，動力傳動系統模塊的位置比較集中，可固定在一處，利用網絡將發動機艙內設置的模塊連接起來。

動力CAN數據總線一般連接3個計算機：發動機、ABS/EDL及自動變速器計算機（動力CAN數據總線實際可以連接安全氣囊、四輪驅動和組合儀表等計算機）。總線可以同時傳遞10組數據：發動機計算機5組、ABS/EDL電腦3組和自動變速器計算機2組。數據總線以500kbps的速率傳遞數據，每一數據組傳遞大約需要0.25ms，每一電控單元7～20ms發送一次數據。優先權順序為ABS/EDL電控單元—發動機電控單元—自動變速器電控單元，見表1.2。

各數據仍然是以編碼的形式進行傳遞，如節氣門位置的信息，由8位編碼進行傳遞，這樣就可以有256種排列，所以從0°～102°的節氣門位置就可以0.4°的間隔傳遞，見表1.3。

表1.2 動力CAN數據總線優先權順序

表1.3 節氣門位置信息的8位編碼

在動力傳動系統中，要求數據傳遞應盡可能快速，以便及時利用數據，所以在動力系統中采用的是高性能的發送器。高性能發送器會加快點火系統間的數據傳遞，這樣使接收到的數據立即應用到下一個點火脈沖中。CAN數據總線連接點通常置于控制單元外部的線束中，在特殊情況下，連接點也可能設在發動機電控單元內部，如圖1.28和圖1.29所示。

2.車身系統

汽車車身的各處都配置有車身系統的部件。線束相對變長，容易受到電磁干擾的影響，為了防干擾，應盡量降低通信速度。在車身系統中，因為人機接口的模塊、節點的數量增加，通信速度控制將不是問題，但成本相對增加，所以目前常采用直連總線及輔助總線。

舒適CAN數據總線一般連接五個控制單元，包括中央控制單元及四個車門的控制單元。舒適CAN數據傳遞一般具有五個功能：中央門鎖控制、電動車窗控制、照明開關控制、后視鏡加熱及自診斷功能。控制單元的各條傳輸線以星狀形式匯聚一點，這樣做的好處是：如果一個控制單元發生故障，其他控制單元仍可發送各自的數據。該系統使經過車門的導線數量減少，線路變得簡單。如果線路中某處出現對地短路、對正極短路或線路間短路，CAN系統會立即轉為應急模式運行或轉為單線模式運行。四個車門控制單元都是中央控制，只需較少的自診斷線。

數據總線以62.5kbps的速率傳遞數據，第一組數據傳遞大約需要1ms，每個電控單元20ms發送一次數據，優先權見表1.4，舒適系統中的數據可以用較低的速率傳遞，所以發送器性能比動力傳動系統發送器性能低。

表1.4 舒適系統優先權

3.安全系統

安全系統指的是安全氣囊觸發系統，由于安全系統涉及人的生命安全，加上在汽車中氣囊數目很多、碰撞傳感器多等原因，要求安全系統必須具有通信速率快、通信可靠性強等特點。

4.信息系統

信息系統在車上的應用很廣泛，如車載電話、音響等系統的應用。對信息系統通信總線的要求是：容量大、通信速度高。通信媒體一般采用光纖或銅線，因為這兩種介質傳輸的速率快、距離長，能滿足信息系統的高速化需求。

除上述所介紹的系統之外，還有面向21世紀的控制系統、高速車身系統及主干網絡等。這就意味著將會有不同的網絡并存，要求網絡之間既可以互相連接，也可以分開。為了實現即插即用，都將各個局域網與總線相連，根據汽車的平臺選擇并建立所需要的網絡，典型的車用網絡平臺如圖1.30所示。