第一章 车载网络系统基础知识

第一节 车载网络系统简介

一、车载网络的应用背景

1．线束的变化

在传统的汽车中，各种电子电器设备之间用导线、插接件连接。从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统和仪表报警系统，从电源管理到舒适系统，每种功能的控制操作都集中在驾驶室内进行，各个系统都必须用导线和插接件连接到驾驶室的操控台。随着汽车动力驱动系统、舒适系统和信息娱乐系统内各种电子控制系统的不断增加，这些连接所需要的导线和插接件的数量随之急剧增加，从而引发了汽车厂商和设计人员的思考。图1-1列出了近几十年间导线长度及插接件数量的变化情况。

导线数量的增加造成的影响如下：

1）整个汽车的布线将十分复杂，显得很凌乱，一根线束包裹着几十根导线的现象很普遍。

2）占用空间更大，使得在有限的汽车空间内布线越来越困难，限制了功能的扩展。

3）故障率随之增加，降低了汽车的可靠性，另外，一般情况下线束都装在纵梁下等看不到的地方，一旦线束中出了问题，查找相当麻烦，增加了维修的难度。

4）电控单元并不是仅仅与负载设备简单地连接，更多的是与外围设备及其他电控单元进行信息交流，并经过复杂的控制运算，发出控制指令，按传统的连接方式，线束成本较高。

导线长度和插接件数量的增加不但占据车内的有效空间、增加装配和维修的难度、提高整车成本，而且妨碍整车可靠性的提高。这在无形中使汽车研发进入了这样一个怪圈：为了提高汽车的性能而增加汽车电器的数量，汽车电器数量的增加导致导线长度的增加，而导线长度的增加又妨碍了汽车可靠性的进一步提高。

为解决以上问题，车载网络（也称数据传输总线）应运而生，使得汽车电控系统发生了巨大的变化。至此，车载电控系统经历了中央电脑集中控制、多电脑分散控制和网络控制三个阶段，如图1-2所示。

2．汽车数据传输总线简介

（1）数据传输总线 所谓数据传输总线，就是指在一条数据线上传递的信号可以被多个系统共享，从而最大限度地提高系统整体效率，充分利用有限的资源。例如，常见的电脑键盘有104个键，可以发出一百多个不同的指令，但键盘与主机之间的数据连接线却只有7根，键盘正是依靠这7根数据连接线上不同的数字电压信号组合（编码信号）来传递按键信息的。如果把这种方式应用在汽车电气系统上，就可以大大简化汽车电路。可以通过不同的编码信号来表示不同的开关动作，信号解码后，根据指令接通或断开对应的用电设备。这样，就能将过去一线一用的专线制改为一线多用制，大大减少了汽车上电线的数目，缩小了线束的直径。同时，加速了汽车智能化的发展。

在汽车上传统的信息传递方式采用并行数据传输方式，每项信息需独立的数据线完成，即有几个信号就要有几条信号传输线。例如，宝来轿车发动机电控单元J220与自动变速器电控单元J217之间就需要5条信号传输线，如图1-3所示。如果传递的信号项目越多，则需要更多的信号传输线。采用传输总线后，只需要1根或2根传输线即可，如图1-4所示。而且实现更好地在各控制系统之间调整通信、交流信息、协调控制、共享资源，完成对汽车性能的精确控制。

如图1-4所示，在传统控制电路中，各种控制信号都属于平行关系，互相之间并没有关联，每个信号都有专属的信号线，因此，如果需要传输多个信号的话，就需要多根线进行。而在车载网络系统中采取基于串行数据总线体系结构，能将各种信号按照内部程序转换为各种数据后，通过1条线或2条线，每个比特的信息一个一个地被传输，进行串行通信，在其通信线上传送的是“0”“1”数字信号。如图1-5所示，A电脑读取4个开关信号状态，将其转换为“01 10”的数据传送给B电脑，B电脑收到后将其解出，即知现在1、4开关断开，2、3开关接通。

当数据中的字节有多位时，就能表达很多含义，在进行通信时就能通过多位数的不同“0”“1”组合变化来传送信息。如表1-1所示，用2位二进制数就可以表达4种意义，如此类推有n位二进制数即可以有2的n次方种数据类型。

（2）总线数据传输的要求 总线系统上并联有多个元件。这就要求整个系统满足以下要求。

1）可靠性高。传输故障（无论是由内部还是外部引起的）应能准确识别出来。

2）使用方便。如果某一控制单元出现故障，其余系统应尽可能保持原有功能，以便进行信息交换。

3）数据密度大。所有控制单元在任一瞬时的信息状态均相同，这样就使得两个控制单元之间不会有数据偏差。如果系统的某一处有故障，那么总线上所有连接的元件都会得到通知。

4）数据传输快。连成网络的各元件之间的数据交换速率必须很快，这样才能满足实时要求。

（3）总线数据传输的优点 采用总线数据传输（多路传输）的优点主要表现在以下几个方面。

1）简化线束。减少重量，减少成本，减小尺寸，减少连接器的数量，如图1-6所示，同一款车同等配置下，可以看出采用车载网络可以大大简化汽车线束。

2）可以进行设备之间的通信，丰富了功能。

3）通过信息共享减少传感器信号的重复数量。

3．车载网络系统的发展史

从1980年起，汽车内开始装用网络，在1983年，丰田公司在世纪牌汽车上最早采用了应用光缆的车门控制系统，实现了多个节点的连接通信。此系统采用了集中控制方法，车身电控单元（ECU）对各车门的门锁、电动玻璃窗进行控制，这是早期在汽车上采用的光缆系统，此后，在较长的一段时间里，其他公司并没有跟进采用光缆系统。

1986年2月，Robert Bosch公司在美国汽车工程师协会（SAE）汽车工程协会大会上介绍了一种新型的串行总线——CAN控制器局域网，那是车载网络系统CAN诞生的时刻。CAN全称为Controller Area Network，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。

接着，美国汽车工程师协会提出了J1850。

此后，日本也提出了各种各样的网络方案，并且丰田、日产、三菱、本田及马自达公司都已经处于批量生产的阶段，但没有统一为以车身系统为主的控制方式。

而在其他国家，特别是欧洲的厂家则采用CAN，同时发表文章介绍采用大型CAN网络的车型。由于他们在控制系统上都可以采用CAN，从而充分地证明了CAN在此领域内的先进性。

在美国，通过采用SAE J1850普及了数据共享系统，在SAE中也通过了CAN的标准，明确地表示将转向CAN协议。

随着汽车技术的发展，欧洲又以与CAN协议不同的思路提出了控制系统的新协议TTP（Time Triggered Protocol），并在X-by-Wire系统上开始应用。对飞机的控制系统来说，有Fly bywire系统，直译为靠电线飞行的系统，实际上，它表示飞机的控制方式，即将飞行员的操纵、操作命令转换成电信号，利用计算机控制飞行的工作方式。将这种操作方式引入到汽车上，则出现了Drive-by-Wire系统，直译为靠电线行驶的系统，在汽车上类似的系统还有Steering-by-Wire系统、Brake-by-Wire系统，将这些系统统称为X-by-Wire系统。

与这些网络采用不同思路开发的有信息系统，在开关及显示功能控制用的信号系统的信息设备之间建立网络，下一步是利用显示数据自身用光缆进行转送数据。

为了实现音响系统的数字化，建立了将音频数据与信号系统综合在一起的AV网络，因为这种网络需要将大容量的数据连续地输出，因此，在这种网络上将采用光缆。

今后，当对汽车引入智能交通系统（ITS）时，由于要与车外交换数据，所以，在信息系统中将会采用更大容量的网络，例如D2B协议、MOST及IEEE1394等。

主要车载网络的基本情况见表1-2。几种车载网络的开发年份、采用厂家与发表年份见表1-3。几种网络的成本对比及通信速度如图1-7所示。

二、车载网络系统的功能

1．多路传输功能

为了减少车辆电气线束的数量，多路传输通信系统可使部分数字信号通过共用传输线路进行传输。系统工作时，由各个开关发送的输入信号通过中央处理器（CPU）转换成数字信号，该数字信号以串行信号方式从传感器传输给接收装置，发送的信号在接收装置处将被转换为开关信号，再由开关信号对有关元件进行控制。

2．“唤醒”和“休眠”功能

“唤醒”和“休眠”功能用于减少在关闭点火开关时蓄电池的额外能量消耗。当系统处于“休眠”状态时，多路传输通信系统将停止诸如信号传输和CPU控制等功能，以节约蓄电池的电能；当系统有人为操作时，处于“休眠”状态的有关控制装置立即开始工作，同时还将“唤醒”信号通过传输线路发送给其他控制装置。

3．失效保护功能

失效保护功能包括硬件失效保护功能和软件失效保护功能。当系统的CPU发生故障时，硬件失效保护功能使其以固定的信号进行输出，以确保车辆能继续行驶；当系统某控制装置发生故障时，软件失效保护功能将不受来自有故障的控制装置的信号影响，以保证系统能继续工作。

4．故障自诊断功能

故障自诊断功能包括多路传输通信系统的自诊断模式和各系统输入线路的故障自诊断模式，既能对自身的故障进行自诊断，又能对其他系统进行故障诊断。

三、车载网络系统的常用术语

1．数据总线

数据总线是模块间运行数据的通道，即所谓的信息高速公路，如图1-8所示。

数据总线可以实现在一条数据线上传递的信号可以被多个系统（控制单元）共享，从而最大限度地提高系统整体效率，充分利用有限的资源。如果系统可以发送和接收数据，则这样的数据总线就被称为双向数据总线。数据总线实际是一条导线或许是两条导线。两线式的其中一条导线常用作额外的通道。它的作用有点像公路的路肩，上面立有交通标志和信号灯。一旦数据通道出了故障，该“路肩”在有些数据总线中被用来承载“交通”，或者令数据换向通过一条或两条数据总线中未发生故障的部分。为了抗电子干扰，双线制数据总线的两条线是绞在一起的。

各汽车制造商一直在设计各自的数据总线，如果不兼容，就称为专用数据总线。如果是按照某种国际标准设计的，就是非专用的。为使不同厂家生产的零部件能在同一辆汽车上协调工作，必须制定标准。按照ISO有关标准，CAN的拓扑结构为总线式，因此也称为CAN总线（CAN-BUS）。

2．多路传输

多路传输是指在同一通道或线路上同时传输多条信息，如图1-9b所示。事实上，数据信息是依次传输的，但速度非常之快，似乎就是同时传输的。对一个人来说，1/10s算是非常快了，但对一台运算速度即使相对慢的计算机来说，1/10s却是很长的时间。如果将1/10s分成若干段，许多单个的数据都能被传输——每一段传输一段，这就称为分时多路传输。

从图1-9中可以看出，常规线路要比多路传输线路简单得多，然而多路传输系统ECU之间所用导线比常规线路系统所用导线少得多。ECU可以触发仪表板上的警告灯或故障指示灯等，由于多路传输可以通过一根线（数据总线）执行多个指令，因此可以增加许多功能装置。多路传输的界面如图1-10所示。

正如可把无线电广播和移动电话的电波分为不同的频率，人们也可以同时传输不同的数据流。随着现在和未来的汽车装备无线多路传输装置的增加，基于频率、幅值或其他方法的同时数据传输也成为可能。汽车上用的是单线或双线分时多路传输系统。

多路传输的优点：简化线束，减轻重量，降低成本，减小尺寸，减少插接器的数量，可以进行设备之间的通信，丰富了功能，通过信息共享减少传感器的数量。

3．局域网

局域网（Local Area Network, LAN）是在一个有限区域内连接的计算机网络。一般这个区域具有特定的职能，通过网络实现这个系统内的资源共享和信息通信。连接到网络上的节点可以是计算机、基于微处理器的应用系统或控制装置。局域网一般的数据传输速度在105Mbit/s～1Gbit/s范围内，传输距离在250m范围内，误码率低。汽车上的总线传输系统（车载网络）是一种局域网。

4．模块/节点

模块是一种电子装置，简单的如温度和压力传感器，复杂的如计算机（微处理器）。传感器是一个模块装置，根据温度和压力的不同产生不同的电压信号。这些电压信号在计算机（一种数字装置）的输入接口被转变成数字信号。在计算机多路传输系统中的控制单元模块被称为节点。一般来说，普通传感器是不能作为多路传输系统的节点的，如果传感器要想成为一个模块/节点，则该传感器必须具备支持多路传输功能的电控单元，如大众车系的转角传感器。

5．链路（传输媒体）

链路指网络信息传输的媒体，分为有线和无线两种类型，目前车上使用的大多数都是有线网络，通常用于局域网的传输媒体有双绞线、同轴电缆和光纤。

（1）双绞线 如图1-11所示，双绞线是局域网中最普通的传输媒体，一般用于低速传输，最大传输速率可达几个Mbit/s；双绞线成本较低，传输距离较近，非常适合汽车网络的情况，也是汽车网络使用最多的传输媒体。

（2）同轴电缆 同轴电缆的基本结构如图1-12所示。像双绞线一样，同轴电缆也是由两个导体组成，但其结构不同。

同轴电缆由一个空心的外圆柱面导体包着一条内部线形导体组成。外导体可以是整体的或金属编织的，内导体是整体的或多股的。用均匀排列的绝缘环或整体的绝缘材料将内部导体固定在合适的位置，外部导体用绝缘护套覆盖。几个同轴电缆线往往套在一个大的电缆内，有些里面还装有二芯纽绞线或四芯线组，用于传输控制信号。同轴电缆的外导体是接地的，由于它的屏蔽作用，外界噪声很少进入其内。

同轴电缆可以满足较高性能的要求，与双绞线相比，它可以提供较高的吞吐量，连接较多的设备，跨越更大的距离。同轴电缆可以传输模拟和数字信号。同轴电缆比双绞线有着优越的频率特性，因而可以用于较高的频率和数据传输率。由于其屏蔽的同轴心结构，比起双绞线来，它对于干扰和串音就不敏感。影响其性能的主要因素是衰减、热噪声和交调噪声。

（3）光纤 光纤在电磁兼容性等方面有独特的优点，其数据传输速度高，传输距离远；在车载网络上，特别在一些要求传输速度高的车上网络（如车上信息与多媒体网络）上有很好的应用前景。但受到成本和技术的限制，现在使用的并不多。最常用的光纤是塑料光纤和玻璃纤维光纤，在汽车上多用塑料光纤，如图1-13所示。

与玻璃纤维光纤相比，塑料光纤具有以下优点：

① 光纤横断面较大。因为光纤横断面较大，所以生产时光纤的定位没有太大的技术问题。

② 对灰尘不是很敏感。即使非常小心，灰尘也可能落到光纤表面上并由此改变光束的入射/发射功率。对于塑料光纤，细微的污物不一定会导致传输距离故障。

③ 操作简单。例如，约1mm厚的塑料光纤芯操作起来比约62.5μm厚的玻璃纤维光纤芯要容易一些，因此与玻璃纤维光纤相比，其操作处理要简单得多。而且玻璃纤维易折断，塑料纤维则不易折断。

④ 加工制作简单。与玻璃纤维光纤相比，宝马使用的甲基丙烯酸甲酯PMMA切割、打磨或熔化相对简单，这样在导线束制造以及进行售后服务维修时具有较大的优势。

6．比特率

比特率是指每秒传送的比特（bit）数。单位为bit/s，也可表示为bps（bit per second）。比特率越高，单位时间传送的数据量（位数）越大。计算机中的信息都用二进制的0和1来表示，其中每一个0或1被称作1个位，即1bit（位）。大写B表示byte，即字节，1个字节=8个位，即1B=8bit。表示文件的大小单位，一般都使用千字节（KB）。

7．传输协议

传输协议也称通信协议，是控制通信实体间有效完成信息交换的一组约定和规则。换句话说，要想交流成功，通信双方必须“说同样的语言”（如相同的语法规则和语速等）。

8．传输仲裁

当出现数个使用者同时申请利用总线发送信息时，会发生数据传输冲突，好比同时有两个或者多个人想要过一个独木桥一样，如图1-14所示。传输仲裁就是为了避免数据传输冲突，保证信息按其重要程度来发送。