任务二 数据总线的发展与系统特点

总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一种全封闭的控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上称为结点的智能设备连接成网络，使之成为集控制、测量、诊断等功能的综合网络。

本任务主要学习新能源汽车总线技术的发展历程与特点等相关知识。

教学目标

知识目标

1）熟悉总线技术的发展历程。

2）掌握数据总线的定义。

3）熟悉数据总线系统结构特点。

技能目标

能说出总线技术应用在新能源车辆上的必要性和优点。

德育目标

1）培养团队意识、质量意识、环保意识、安全意识。

2）培养工匠精神和创新思维。

3）培养广泛学习、勤于思考的良好习惯。

知识储备

从1980年起，众多汽车公司开始致力于汽车网络技术的研究与应用。基本数据总线传输协议在1983—1986年由Bosch和Intel两家公司联合开发。1983年，在汽车领域，Bosch公司开始了控制器局域网络总线（CAN-Bus）的开发；1985年，在与Inter公司紧密合作多年后，于1988年诞生了首个CAN总线系列，1990年MB S-class首次应用于汽车上，1996年在Audi车型上首次使用MY 96 in A8 D2。

其他数据总线如图1-2-1所示。

1）VAN Bus：Philips公司开发，应用于标致、雷诺、雪铁龙上。

2）J1850-HBCC：福特和摩托罗拉公司开发。

3）J1850-DLC：美国通用和摩托罗拉公司开发。

4）ABUS：大众公司和东芝公司开发。

5）LIN：在德国Baden Baden召开的汽车电子会议上LIN总线的设想首次被提出。

6）MOST：宝马公司、戴姆勒-克莱斯勒公司、Harman/Becker公司（音响系统制造商）和Oasis Silicon Systems公司共同开发。

7）FlexRay：戴姆勒-克莱斯勒公司和宝马公司开发。

一、数据总线定义

新能源汽车上多个控制单元相互连接、协调工作并共享信息，构成了新能源汽车车载网络系统。车载网络采用一组数据线实现多结点之间的多个信号传输，这种技术称为多路传输。在数据传输技术中，有两种基本的数据传输方法，分别为并行数据传输和串行数据传输。

1）并行数据传输：进行并行数据传输时，通过多条线路进行数据交换，一根线路只进行一个数据交换，多根线路可以同时进行数据交换。如图1-2-2所示，ECU1分别通过两根单独的线路将数据A和B传输给控制单元ECU2，ECU2如果需要将数据C和D发送给ECU1，则需要通过另外的两根线路进行传输。

2）串行数据传输：多路传输技术采用的是串行数据传输，它通过一组数据线进行数据传输。一组数据线可由一根或多根线路组成，所有信息均通过一组数据线进行传输。数据传输不能同时进行，必须有先有后。如图1-2-3所示，ECU1可以通过一组线路将数据A和B传输给ECU2，而ECU2也可以利用本组线路将数据C和D发送给ECU1。数据A、B、C、D的传输先后顺序，决定于它们的优先级。

二、数据总线技术发展

迄今为止，已经形成了Bosch的CAN、SAE的J1850、ISO的VAN，Philips的D2B和LIN协会的LIN等多种车载网络标准。目前，绝大多数车辆网络都被SAE按照协议特征划分为A、B、C、D四类，其功能、速率、主要应用范围和代表网络标准见表1-2-1。

此外，在新能源汽车上普遍使用的还有一些特殊网络，如ISO 9141网络（K线），因其新颖的网络特性或独特的应用领域而无法对应到SAE中，故一般被划分到专用网络范畴。下面按时间轴介绍主流车载网络的技术发展。

1）CAN网络：CAN是控制器局域网络（Controller Area Network）的简称，是由Bosch公司于1987年，为解决现代汽车众多的控制器与测试仪器之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信协议，其通信速率最高可达1Mbit/s。CAN网络协议包括三个部分：高速CAN网物理层、中速CAN网物理层和协议层。目前，CAN总线凭借其突出的可靠性、实时性和灵活性而成为B、C类网络的主流协议，如图1-2-4所示。

2）ISO 9141网络：ISO 9141网络（K线）协议主要为车辆与诊断设备之间的通信国际标准，于1994年开始在车辆上使用，其速率＜10.4kbit/s。ISO 9141网络中包含有一系列模块，只有与诊断仪连接后，模块才通过网络的单根数据总线发送信息。连接在总线上的控制单元之间没有通信，如图1-2-5所示。

3）LIN网络：局部互联网（Local Interconnect Network）是由摩托罗拉和沃尔沃、宝马、戴姆勒-克莱斯勒、大众等公司组成的LIN协会，于1999年推出的开放式串行通信标准。2000年和2003年，分别发布了LIN1.2和LIN2.0规范。LIN主要用作CAN等高速总线的辅助网络或子网络，在带宽要求不高、功能简单、实时性要求低的场合，如车身电器的控制，使用LIN总线可有效地简化网络线束，降低成本，提高网络通信效率和可靠性，如图1-2-6所示。

4）MOST网络：是面向多媒体的专用车载网络，由德国Oasis Silicon System公司开发，2002年应用到车辆上。MOST利用光纤进行数据传输，传输速率可达21.2Mbit/s，后来提升为22.5Mbit/s，采用环型拓扑结构，可以传输同步数据、非同步数据和控制数据，如图1-2-7所示。

5）FlexRay网络：是戴姆勒-克莱斯勒公司的注册商标。FlexRay联盟推进了FlexRay的标准化，使之成为新一代汽车内部网络通信协议。2000年联盟成立后，联盟成员不断增加。FlexRay联盟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。

三、新能源汽车数据总线系统的结构特点

为了解决新能源汽车中数量众多的电子控制装置之间的信息交换，减少不断增加的信号线，便在汽车上出现了局域网络。如图1-2-8所示，车上的线束由少到多，使用局域网后线束又变少。

现在新能源汽车上安装的主要控制单元有发动机控制单元、电池管理控制单元、电池信息采集控制单元、驱动电机控制单元、变速器控制单元、防抱死制动系统（ABS）控制单元、电动助力转向系统控制单元、安全气囊控制单元、空调系统控制单元、车身系统控制单元、信息娱乐系统控制单元等。图1-2-9中，控制系统分为单独控制系统、集中控制系统、总线控制系统。

这些控制单元都要接收各自的传感器信号，同时对各自的执行器发出指令，并把一些信息同其他控制单元进行交换。这些控制单元都引出两条线和其他控制单元相连，形成一个网络，每个控制单元都是控制网络上的一个结点，它们就在这两条互通的线上进行信息传输，这两条线就是CAN总线，如图1-2-10所示。

既然这些控制单元之间要进行信息交换，那么控制单元之间就必须使用一种通用的语言来互相交流，这种“语言”就叫作通信协议。而为了使不同生产厂所制造的控制单元能装在同一辆车上进行数据交换，就必须制定一种标准的通信协议。1991年9月，PHIL-IPS Semiconductors制定并发布了CAN技术规范（2.0版）。此技术规范包含A和B两部分。2.0A给出了CAN报文标准格式；2.0B给出了标准的和扩展的两种格式。1993年11月，国际标准化组织（ISO）颁布了道路交通运输工具数据信息交换—高速通信局域网（CAN）国际标准ISO 11898，为汽车控制单元局域网的标准化和规范化铺平了道路。2000年，美国汽车工程学会（SAE）提出的J1939，成为货车和客车中控制单元局域网的通用标准。

1.新能源汽车CAN总线的优点与特点

随着新能源汽车电子装置和控制单元的不断增多，利用数据总线构建车载网络系统，实现多路传输已经成为必然趋势。在新能源汽车上采用CAN总线多路传输技术，有以下优点（图1-2-11）：

1）简化布线，降低成本。

2）控制单元之间通信更加简单和快捷。

3）减少传感器数量，实现资源共享。

4）控制单元和控制单元插头的尺寸更小，节省空间。

5）提高汽车运行可靠性。

6）添加控制单元只需修改总线软件。

7）不同生产商制造的控制单元之间也可以进行数据交换。

大多数新能源汽车上采用CAN总线多路传输技术，如图1-2-12所示，有以下特点：

1）物理形式上，双绞线结构使两条数据线相互缠绕，防止电磁波干扰和向外辐射。

2）双向传递信息。

3）采用数字信号，所有控制单元同时向总线发送信息时，为了避免数据碰撞，在状态域中预先定义数据的优先权，显性电位0越多，说明其优先权级别越高。

4）通过方波检测，两条数据线同时传递相同信号，但数值相反。

2.新能源汽车CAN总线的组成

CAN总线由收发器、数据传输终端（终端电阻）、控制器、两条数据传输线组成。其中只有数据传输线在外部，其他都在控制单元内部，如图1-2-13所示。

1）CAN控制器：位于控制单元中，用于准备需要发送的数据。

2）CAN收发器：安装在控制器内部，同时兼具接收和发送的功能，将控制器传来的数据转化为电信号并将其送入数据传输线。

3）数据传输终端：是一个电阻，防止数据在线端被反射，以回声的形式返回，影响数据的传输。对于CAN数据总线高频信号来说，总线导线端部的作用相当于独立的发送器，因此导线端部会产生反向运行的信号，这些信号叠加在有效信号上会造成信号失真，在高频网络中总线端部必须有终端电阻中止信号，否则可能会出现反射。反射过程与撞到码头堤岸上，然后反射并与后续波浪叠加的水波类似，终端电阻的作用就好比沙滩，如果波浪冲到沙滩上，沙滩就会吸收波浪的能量且不会造成波浪叠加。因此在数据总线中须连接一个终端电阻（图1-2-14）中止数据传输，以吸收信号运行到数据导线端部时的能量。

4）数据传输线：是双向数据线，由双绞线组成。两条数据线分别称为CAN高线（CAN_H）和CAN低线（CAN_L）。

使用双绞线是为了防止外界电磁波的干扰，使产生的电磁波辐射相互抵消，如图1-2-15所示。

3.新能源汽车CAN总线数据传输

（1）CAN总线数据传输

控制单元中，信息以数字信号（二进制）形式进行处理和存储；控制单元间，总线上的信息以数字信号形式进行传递。在数据总线系统中采用电压值来定义数字信号，例如高电压值代表“1”，低电压值代表“0”。CAN总线数据传输方式如图1-2-16所示。

CAN的传输过程：控制单元通过控制器将要发送的数据转换成数字信息，然后交给收发器把数字信息传递到总线上，这个时候连接在这条总线上的其他控制单元就可以收到该控制单元发送到总线上的信息，各个控制单元对接收到的信息进行检查，如果这条信息与自己系统有关，则接收并转化，如果无关，则忽略该信息。

（2）数据总线纠错功能

在一根数据线与供电线或地线短路时，系统以降级模式运行。即车载网络仍能运行，但对电磁干扰更敏感，缺失了H、L两线差动的纠错功能。CAN_H和CAN_L两根线之间的电位差可以对于两个不同的逻辑状态进行编码。如果CAN_H-CAN_L＞2，那么比特为0；如果CAN_H-CAN_L=0，那么比特为1，然后0、1信号就通过网络进行传递。最后接收的S信号是通过CAN_H和CAN_L差动得出的，故能起到较好的抗干扰作用，如图1-2-17所示。

四、新能源汽车网络类型与结构

按照总线与网关的布置关系分类，以比亚迪E5纯电动新能源汽车为例，该系统设定为4个不同的区域，分别是动力系统、舒适系统、启动系统、车身控制（ESC）系统4个局域网；以比亚迪秦混合动力新能源汽车为例，该系统设定为5个不同的区域，分别是动力系统、发动机电子控制（ECM）系统、舒适系统、启动系统、车身控制（ESC）系统5个局域网，其中ECM系统与动力系统共同控制混合动力汽车的动力输出，故常将两者统称为新能源汽车混合动力控制系统。图1-2-18所示为比亚迪E5轿车的CAN网络结构，其中包含了起动系统CAN总线、舒适系统CAN总线、动力系统CAN总线、ESC系统CAN总线。

按照网关的功能分类，亦可将总线区分为动力网关控制系统、中央网关控制系统、底盘网关控制系统、车身网关控制系统、信息娱乐网关控制系统，本书即按照该种分类进行讲述。

相关网络总线的作用与组成如图1-2-19所示。

按网关功能划分，新能源汽车动力网关控制总线主要由发动机控制模块、自动变速器控制模块、档位控制模块、动力电池管理控制模块、电池信息采集控制模块、驱动电机控制模块、逆变器控制模块、充电控制模块、整车主控制模块、主动泄放控制模块、网关控制模块等组成；新能源汽车底盘网关控制系统主要由电控悬架控制模块、转向控制模块、制动系统控制模块、电动真空助力泵控制模块等组成；新能源汽车车身网关控制系统主要由车身控制模块、电动车窗控制模块、自动前照灯控制模块、电动座椅控制模块、仪表板控制模块、安全气囊控制模块、空调控制模块、电加热控制模块等组成；新能源汽车信息娱乐网关控制系统主要由收音机控制系统、音响控制系统、导航控制系统、车载电话控制系统、车载电视控制系统、视频控制系统、人机交互控制系统、语音识别控制系统等组成。

以比亚迪秦为例，动力总线CAN网络、启动总线CAN网络、ESC总线CAN网络一般由15号供电线激活，传输速率动力总线CAN网络为250kbit/s，启动总线CAN网络为125kbit/s，ESC总线CAN网络为500kbit/s，舒适总线CAN网络、信息娱乐CAN网络传输速率为125kbit/s。现阶段国内新能源汽车多使用CAN总线技术，采用终端电阻机构，CAN数据线上的信号变化波形如图1-2-20所示。

实操任务

1）工具及设备：比亚迪秦汽车一辆、车辆防护设备、白板、白板笔、普通导线若干、双绞线总线若干、万用表、插针、胶带、计算机。

2）资料及耗材：电子版比亚迪秦网关控制器维修手册与自学手册、比亚迪秦网络拓扑结构挂图、任务书。

实操步骤

一、区别普通导线与总线

1）通过实物从外观、截面对比普通导线与总线，了解普通导线和总线外观的不同。

2）通过万用表，分别测量普通导线和总线的电阻与通断，对比普通导线和总线异同。

3）通过维修手册，查询部分总线截面面积与线束颜色，控制单元所连接的总线数量与名称，熟悉车辆总线特点。

二、CAN分离插头识别

1）通过比亚迪秦汽车维修手册，查询CAN总线分离插头位置，以及拆卸方法。

2）按照维修手册要求，能够规范拆卸CAN分离插头。

3）通过维修手册，熟悉CAN总线分离插头各端子连接的控制单元，能够解释插头各端子的含义。

4）将各针脚按照总线系统进行分类，并填写所属总线系统。

三、整理清洁

按照7S管理标准，整理工具和场地。

任务练习

一、选择题

1.CAN网络协议不包括（　）3个部分：高速CAN网物理层、中速CAN网物理层和协议层。

A.高速CAN网物理层

B.中速CAN网物理层

C.低速CAN网物理层

D.协议层

2.ISO 9141总线：ISO 9141总线（K线）协议主要为车辆与诊断设备之间的通信国际标准，其速率（　）。

A.＞10.4kbit/s

B.＜10.4kbit/s

C.＞10.24kbit/s

D.＜10.24kbit/s

二、判断题

1.CAN网络是控制器局域网络（Contriller Area Network）的简称，其通信速率最高可达2Mbit/s。（　）

2.MOST利用光纤进行数据传输，传输速率可达21.2Mbit/s，后来提升为22.5Mbit/s，采用树型拓扑结构，可以传输同步数据、非同步数据和控制数据。（　）

3.CAN网络是控制器局域网络（Controller Area Network）的简称，是为解决控制器与测试仪器之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信协议，其通信速率最高可达1Mbit/s。（　）

4.CAN网络协议包括3个部分：高速CAN网网路层、中速CAN网物理层和协议层。（　）

三、简答题

简述新能源汽车CAN总线的优点。