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1、,,,隨著21世紀汽車電子技術的發(fā)展，車用電子設備的不斷增加對汽車的綜合布線和信息的交互共享提出了更高的要求。由于汽車內部電子控制單元大量引入，為了提高信號的利用率，要求大批的數據信息可以在不同的電子單元中共享，汽車綜合控制系統中大量的控制信號需要實時交換。傳統的點對點通信方式已遠遠不能滿足需求，因此必須采用先進的總線技術,何為總線,所謂總線（Bus）,一般指通過分時復用的方式，將信息以一個或者多個源部件傳送到一個或多個目的部件的一組傳輸線。 現場總線（Fieldbus）是用于過程自動化和制造自動化最底層的現場設備或現場儀表互聯的通信網絡，是現場通信網絡與控制系統的集成。 車用總線是指
2、用于車載網絡中底層的車用設備或車用儀表互聯的通信網絡，目前汽車應用的通信網絡包括CAN總線、MOST總線、LIN總線和FlexRay總線等,,,,上圖為汽車節(jié)點的傳統點對點通訊方式拓撲圖,常規(guī)布線方法的缺點,增加汽車布線中所用銅線，從而增加成本以及汽車重量。 點對點布線方法使得故障的查找相當的麻煩，不便于維修。 若想在車上增加一兩種新的功能，或者將某個落后的電器配件更新，將會使本來很亂的布線更加復雜。,LIN 總線,LIN(Local Interconnect Network)是一種低成本的串行通訊網絡，用于實現汽車中的分布式電子系統控制，LIN 的目標是為現有汽車網絡(例如 CAN 總線
3、)提供輔助功能。因此，LIN總線是一種輔助的總線網絡，在不需要 CAN 總線的帶寬和多功能的場合，比如智能傳感器和制動裝置之間的通訊。,LIN主要用作CAN等高速總線的輔助網絡或子網絡，能為不需要用到CAN的裝置提供較為完善的網絡功能，包括空調控制（Climate Control）、后視鏡（Mirrors）、車門模塊（Door Modules）、座椅控制（Seats）、智能性交換器（Smart Switches）、低成本傳感器（Low-cost Sensors）等。在帶寬要求不高、功能簡單、實時性要求低的場合，如車身電器的控制等方面，使用LIN總線可有效的簡化網絡線束、降低成本、提高網絡通訊效
4、率和可靠性。,通訊概念,LIN包含一個宿主節(jié)點和一個或多個從屬節(jié)點。所有節(jié)點都包含一個被分解為發(fā)送和接收任務的從屬通訊任務，而宿主節(jié)點還包含一個附加的宿主發(fā)送任務。在實時LIN中，通訊總是由宿主任務發(fā)起的。 宿主節(jié)點發(fā)送一個包含同步中斷、同步字節(jié)和消息識別碼的消息報頭。從屬任務在收到和過濾識別碼后被激活并開始消息響應的傳輸。響應包含兩個、四個或八個數據字節(jié)和一個檢查。報頭和響應部分組成一個消息幀。,LIN總線上的所有通訊都由主機節(jié)點中的主機任務發(fā)起，主機任務根據進度表來確定當前的通訊內容，發(fā)送相應的幀頭，并為報文幀分配幀通道?？偩€上的從機節(jié)點接收幀頭之后，通過解讀標識符來確定自己是否應該對
5、當前通訊做出響應、做出何種響應?；谶@種報文濾波方式，LIN可實現多種數據傳輸模式，且一個報文幀可以同時被多個節(jié)點接收利用,,,,這樣的通訊機制帶來了非常理想的效果： 系統靈活性：在LIN網絡中可以直接增加節(jié)點而不需要對其它從機節(jié)點的硬件和軟件進行修改； 報文路由： 報文的內容由標識符定義； 廣播： 多個節(jié)點可以同時接收一個單獨的報文幀，并對報文作出反應。,LIN在汽車中的應用,車門控制LIN網絡的結構及其在車門上的布置如右圖所示，該網絡由主機節(jié)點、后視鏡從機節(jié)點、搖窗機從機節(jié)點、門鎖從機節(jié)點構成。,LIN網絡在車鏡控制上的應用,,,隨著汽車技術和網絡通信技術的發(fā)展，汽車信息通信的網絡化是必然
6、趨勢。汽車信息通信的多樣化促進了汽車分級制網絡的產生和發(fā)展。LIN作為一種性能優(yōu)異、價格低廉的新型A類總線，必將進一步促進汽車分級制網絡結構的實施和完善，推動汽車技術的發(fā)展。同時，LIN作為一個開放的協議，在工業(yè)及家電領域也有著廣闊的應用前景。,MOST(MediaOrientedSystemsTransport)面向媒體傳輸總線 雖然目前已有許多種車用電子總線，但這些傳控接口的傳輸速率表現，都無法足滿車用多媒體信息的運載傳輸之需，其中LINBus只有20kbps，CANBus只有1Mbps，FlexRay一般而言也只有10Mbps，雙線并用才能達20Mbps，這些都不足以用來傳遞實時性的多
7、媒體信息。,MOST 總線,,然而，隨著車內娛樂系統的發(fā)展、傳控技術的精進（如：倒車影像），車用電子愈來愈需要使用多媒體式傳輸，最適合此方面的傳輸接口就屬MOST，其次才是今日盛行的藍牙（Bluetooth）。不過，Bluetooth絕對無法全然取代MOST在車用多媒體傳輸的地位。,,,,2001年MOST技術首次量產實車 用在德國寶馬BMW的7系列車種上。,MOST優(yōu)點,首先，MOST是實線傳輸，而且是光纖線路傳輸，而且可以是塑料光纖（比較省成本），使用光纖可以讓信息傳量加大，未來的傳輸提升潛力也較高，同時也較能堅穩(wěn)傳輸（因為沒有接地回路，也不受電磁干擾），這些是Bluetooth的無線傳輸
8、所不及的。 其次，Bluetooth的傳輸效能也不足，即便是強化傳輸率（EnhancedDataRate；EDR）3倍的Bluetooth2.0也都只有3Mbps，比CANBus還低，節(jié)點裝置數也明顯不足。,,所以，MOST依舊會是車用電子中的最佳多媒體傳控網絡，Bluetooth可以作為備用輔助，可以用來傳遞簡單的音訊（如：車載免提、語音播報、娛樂音效）或GPS導航信息等，至于更實時性要求、更嚴苛性要求的音視訊傳輸還是需要使用MOST傳控網絡。,MOST發(fā)展概述,MOST傳控網絡的發(fā)展可追溯到1997年，MOST的技術概念來自當時MOSTCooperation公司所發(fā)起的一項非正式合作，到了
9、1998年該公司以之前的合作為基礎，結合17家國際級的汽車制造商（Carmaker）與超過50家的關鍵汽車組件供應商（KeyComponentSupplier）， 以共同研發(fā)MOST傳控技術。,MOST五大特性,MOST在制訂上完全合乎ISO/OSI的7層數據通訊協議參考模型，而在網線連接上MOST采用環(huán)狀拓樸，不過在更具嚴苛要求的傳控應用上，MOST也允許改采星狀（亦稱放射狀）或雙環(huán)狀的連接組態(tài)，此外每套MOST傳控網絡允許最多達64個的裝置（節(jié)點）連接。 MOST也支持隨插即用（PlugandPlay；PnP）機制，如此就可在MOST傳控網絡運作時直接加插裝置或移除裝置，增加擴充、維修及
10、使用等各方面的便利性。,MOST五大特性,MOST總線基于環(huán)形拓撲，從而允許共享多個發(fā)送和接收器的數據。MOST總線主控器(通常位于汽車音響主機處)有助于數據采集，所以該網絡可支持多個主拓撲結構，在一個網絡上最多高達64個主設備。 MOST的總數據傳輸率為24.8Mbps，這已是將音視訊的串流資料與封包傳控資料一并列計，在24.8Mbps的頻寬中還可區(qū)隔成60個傳輸信道、15個MPEG-1的視訊編碼信道，這些可由傳控設計者再行組態(tài)、規(guī)劃與調配。,MOST五大特性,值得一提的是，MOST在精省成本的努力不僅是在線路材質上，使用塑料光纖的精省法只是其一，傳輸方面也因為采用同步方式而不需要設置“收
11、發(fā)緩沖”及進行“取樣率轉換”，如此也一樣有助于成本節(jié)省。,MOST機制概述,MOST的傳控細節(jié),MOST的傳輸技術近似于公眾交換式電話網絡（PublicSwitchedTelephoneNetwork；PSTN），有著數據信道（DataChannel）與控制信道（ControlChannel）的設計定義，控制信道即用來設定如何使用與收發(fā)數據信道。 一旦設定完成，資料就會持續(xù)地從發(fā)送處流向接收處，過程中不用再有進一步的封包處理程序，將運作機制如此設計，最適合用于實時性音訊、視訊串流傳輸。,,當然，不是所有的信息傳遞都要實時同步，例如Internet上網瀏覽、GPS導航信息等，這些資料的傳遞
12、特性是不定時的短期突增，這類型的傳輸就不需要用上前述的同步機制，而可以使用較不講究時效性的異步收發(fā)，事實上MOST傳控網也支持這種傳遞方式，更簡單地說，MOST同時支持與提供時效性、同步的串流傳輸與非時效性、異步的數據傳輸。,,在MOST傳控中其實存在著三種型態(tài)的傳輸：1.Control控制信息的傳輸；2.Packet非時效性的封包數據傳輸；3.Real-TimeInformation實時性的串流數據傳輸（即是指：音訊、視訊）。 若再具體說明些，其實同步性的影音傳遞最高允許達24Mbps的傳輸率，而控制傳遞與封包數據傳遞其實都被認定為異步傳遞，異步的傳遞最高可至14.4Mbps頻寬。,,既
13、然異步數據傳遞與控制傳遞共擠“異步頻寬”，那么哪一天封包數據傳量暴增時，不就會影響到控制信息的傳量、傳速？關于此其實不用擔心，MOST傳控設計上已經考慮到此點，無論如何都會保留700kbps以上的頻寬給控制用傳遞，有余裕的頻寬才會配撥給資料數據傳遞，而控制性傳輸的部分也被稱為副信道（Sub-Channel）。,,CAN 總 線,CAN（Controller Area Network）即控制器局域網，可以歸屬于工業(yè)現場總線的范疇，通常稱為CAN bus，即CAN總線，是目前國際上應用最廣泛的開放式現場總線之一。 CAN 最初出現在汽車工業(yè)中，80年代由德國Bosch公司最先提出。最初動機是為
14、了解決現代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通訊，減少不斷增加的信號線。 與一般的通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，它在汽車領域上的應用最為廣泛，世界上一些著名的汽車制造廠商，都采用了CAN總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執(zhí)行機構間的數據通信。,汽車的CAN總線網絡架構,,CAN的工作原理,CAN總線標準包括物理層、數據鏈路層，其中鏈路層定義了不同的信息類型、總線訪問的仲裁規(guī)則及故障檢測與故障處理的方式。 當CAN 總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數據時，它以報文形式廣播給網絡中所有節(jié)點。 當一個節(jié)點要向其它節(jié)點發(fā)送數據時，該節(jié)點的CPU 將要發(fā)送的數據和自
15、己的標識符傳送給本節(jié)點的CAN芯片，并處于準備狀態(tài)；當它收到總線分配時，轉為發(fā)送報文狀態(tài)。,,,,CAN 芯片將數據根據協議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時，網上的其它節(jié)點處于接收狀態(tài)。 每個處于接收狀態(tài)的節(jié)點對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。 由于CAN總線是一種面向內容的編址方案，因此很容易建立高水準的控制系統并靈活地進行配置?？梢院苋菀椎卦贑AN 總線中加進一些新節(jié)點而無需在硬件或軟件上進行修改。,,CAN的工作原理,CAN總線特點,,CAN總線特點如下： （1）多主機方式工作，網絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息
16、，而不分主從，通信方式靈活。 （2）網絡上的節(jié)點（信息）可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。 （3）采用非破壞性位仲裁總線結構機制，當兩個節(jié)點同時向網絡上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數據。,（4）可以點對點、一點對多點（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數據。 （5）直接通信距離最遠可達6km（速率10Kbps以下）。 （6）通信速率最高可達1MB/s（此時距離最長30m）。 （7）節(jié)點數實際可達110個。 （8）采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數為8個。 （9）每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，數據出錯率極低。 （10）通信介質可采
17、用雙絞線，同軸電纜和光導纖維，一般采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。 （11）節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上的其他操作不受影響。,CAN的報文及結構 幀類型: 數據幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀 數據幀：數據幀攜帶數據從發(fā)送器至接收器?？偩€上傳輸的大多是這個幀。 遠程幀：由總線單元發(fā)出，請求發(fā)送具有同一識別符的數據幀。數據幀（或遠程幀）通過幀間空間與其他各幀分開。 錯誤幀：任何單元一但檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。 過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數據幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時。,,數據幀的標準格式和擴展格式,37,CAN總線 位仲
18、裁技術,只要總線空閑，任何單元都可以開始發(fā)送報文。 要對數據進行實時處理，就必須將數據快速傳送，這就要求數據的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發(fā)送數據時，要求快速地進行總線分配。 如果2 個或2 個以上的單元同時開始傳送報文，那么就會有總線訪問沖突。通過使用識別符的位形式仲裁可以解決這個沖突。 CAN總線以報文為單位進行數據傳送，報文的優(yōu)先級結合在11位標識符中，具有最低二進制數的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統設計時被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。,優(yōu)點 在網絡最終確定哪一個站的報文被傳送以前，報文的起始部分已經在網絡上傳送了。 所有未獲得總線讀
19、取權的站都成為具有最高優(yōu)先權報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。 CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用，這些請求是根據報文在整個系統中的重要性按順序處理的。,缺點 由于CAN總線采用的是固定優(yōu)先級，當所有的節(jié)點都隨機的向總線發(fā)送數據時，具有低優(yōu)先級的節(jié)點是比具有高優(yōu)先級的節(jié)點具有較大的發(fā)送失敗幾率。 每次具有較低優(yōu)先級的節(jié)點都會在總線競爭中失敗，從而導致它一個數據都發(fā)不出去，或者發(fā)送的數據有較大的延時。,,40,CAN 控制器,完成CAN規(guī)范所規(guī)定的物理層和數據鏈路層大部分功能。 有微處理器接口，易于連接單片機。 結構分兩種類型，獨立CAN控制器或集成C
20、AN控制器的單片機： 獨立CAN控制器：Philips的SJA1000、82C200、8XC592、8XCE598；Intel的82526、82527等。 集成CAN控制器的單片機：Philips的80C591/592/598、XAC37；Motorola的Pow2、PC555；Intel的196CA/CB；Silicon Lab的C8051F040047等,CAN控制器的作用,FlexRay,汽車電子化程度與日俱增，應用在車上的ECU模塊數量也隨之增加，從而使線束也增加。汽車電子系統的成本已經超過總成本的20%，并且還將繼續(xù)增加。由于汽車生產商對制造成本的嚴格控制，加上對車身質量的控制，減少
21、線束已經成為一個必須要解決的問題。另一方面，以網絡通訊為基礎的線控技術（X-by-wire）將在汽車上普遍應用。,線控系統,線控系統指的是“去除了機械和液力后備系統，并與安全相關的、具有容錯功能的系統”，將被應用于汽車上一些與安全相關的操作中，如對轉向機構、制動裝置、離合器、油門、換檔等控制中，主要由執(zhí)行系統、通訊系統和控制系統三部分組成。例如線控制動系統,用數字通信取代部分或全部制動管路，可省去很多繁瑣復雜的導線及閥類元件。同時在線控轉向系統中，取消了機械傳動轉向機構，轉向器與轉向柱之間沒有機械連接。這就要求用于線控系統的通信系統必須嚴格的滿足容錯和確定性的操作，高的帶寬功能可以快速傳輸大量
22、極為詳盡的信息，從而使系統反應變得非常迅速、準確，這樣不但增加了反應靈敏度，同時可以增加系統的安全性能。,FlexRay總線的提出及特性,如果要實現一個完全的線控汽車，沒有傳統的機械或液壓系統，不僅要用ECU替代傳統的機械和液壓單元，而且傳統的CAN總線系統也不能滿足要求。CAN總線是一種事件驅動的協議，在高安全性的系統中，CAN缺乏必要的同步性，決定性和容錯性。 FlexRay總線是由寶馬、飛利浦、飛思卡爾和博世等公司共同制定的一種新型通信標準，專為車內聯網而設計，采用基于時間觸發(fā)機制，具有高帶寬、容錯性能好等特點，在實時性、可靠性和靈活性方面具有一定的優(yōu)勢。 2000年9月成立的FlexR
23、ay聯盟在全球范圍推廣FlexRay通信系統，使其成為高級動力總成、底盤、線控系統的標準協議，目前FlexRay協議已經得到業(yè)界各大汽車生產廠家以及汽車半導體公司的支持。,FlexRay總線的特點,(1)高達10Mbit/s的帶寬，是CAN總線最大理論帶寬的10倍； (2)采用基于時間觸發(fā)的媒質訪問機制，確定的消息傳輸延遲可以滿足實時應用的需求； (3)提供了兩個消息傳輸通道，可用于傳輸冗余的消息，結合總線監(jiān)護器的應用可以大大提高通信的可靠性 (4)FlexRay協議具有較強的靈活性，支持多種方式的網絡拓撲結構，消息長度可配置，雙通道拓撲可用來增加帶寬或者傳輸冗余消息，周期內靜態(tài)、動態(tài)消息傳輸
24、部分的時間都可隨具體應用而改變。,,FlexRay總線數據收發(fā)采取時間觸發(fā)和事件觸發(fā)的方式，利用時間觸發(fā)通信時，網絡中的各個節(jié)點都預先知道彼此將要進行通信的時間，接收器提前知道報文到達的時間，報文在總線上的時間可以預測出來。即便行車環(huán)境惡劣多變，干擾了系統傳輸，FlexRay協議也可以確保將信息延遲和抖動降至最低，盡可能保持傳輸的同步與可預測。這對需要持續(xù)及高速性能的應用(如線控剎車、線控轉向等)來說，是非常重要的。,FlexRay應用現狀,基于FlexRay標準的電動車,該車通過對現有的電動車進行改造，實現了線控控制，被認為是業(yè)界首次試制和展示可使用FlexRay實際行駛的車輛，車輛使用2條
25、絞線連接了傳感器ECU、轉向ECU和加速與剎車ECU3個節(jié)點，其中傳感器ECU用來處理來自于方向盤、油門踏板和剎車踏板上的傳感器信息，這些信息，分別是用來顯示加速與剎車踩進量的儀表和包括FlexRay信號分析儀在內的2臺分析裝置，從整個車輛來看，總計有6個節(jié)點與FlexRay相連。,,BMW X5汽車首次應用FlexRay技術,德國寶馬公司在07款X5系列車型的電子控制減震器系統中首次應用了FlexRay技術。此款車采用基于飛思卡爾的微控制器和恩智浦的收發(fā)器，可以監(jiān)視有關車輛速度、縱向和橫向加速度、方向盤角度、車身和輪胎加速度及行駛高度的數據，實現了更好的乘坐舒適性以及駕駛時的安全性和高速響應
26、性，此外還將施加給輪胎的負荷變動以及底盤的振動均減至最小。,之后，寶馬X6系列車型在此系統的基礎上繼續(xù)使用FlexRay連接備車輪懸掛的減震器電子控制單元，根據行駛狀態(tài)來控制減震器衰減力，更好地保持車輛穩(wěn)定。,,繼寶馬公司成功將FlexRay應用于量產汽車后，德國奧迪也在2010年開始量產的新款A8的駕駛輔助系統內導入FlexRay通信網絡。新款奧迪A8轎車采用恩智浦的FlexRay、CAN、LIN和SBC收發(fā)器打造車載網絡（IVN）技術，為轎車增加了高級駕駛輔助系統、自適應巡航控制和主動底盤穩(wěn)定系統等一系列最新應用。恩智浦的IVN技術通過集線器連接眾多電子器件，集線器由幾根輕質銅線構成，不僅
27、減輕了車身重量，更節(jié)約了油耗。新款奧迪A8選用的恩智浦技術包括：1)車載網絡：FlexRay，CANLIN收發(fā)器，系統基本芯片(SBC)收發(fā)器；2)汽車娛樂 3)汽車門禁與防盜：AES加密算法和LIN接口汽車防盜系統，帶應答器和擴展內存的無鑰搖控系統。,FlexRay總線研究意義與應用前景,新型轎車的電子設備不斷增加，幾乎使CAN和LIN總線在內的通信總線不堪重負，且線控操作等控制技術對汽車總線提出了更高的性能要求，FlexRay這一新的通信標準能很好的解決這一系列問題。FlexRay是由汽車制造商和芯片制造商組成的汽車工業(yè)協會制定的一項總線通信標準，能夠滿足不斷增加的電子系統相適應的、性能更高的汽車總線的需求。它的創(chuàng)新功能和安全特點能夠使汽車系統安全達到一個很高的水平。,,FlexRay作為一種靈活的通訊系統，能夠簡化汽車電子和通信系統架構，同時還可幫助汽車電子單元變得更加穩(wěn)定和可靠，從而滿足未來先進汽車高速控制應用的需要。同時FlexRay支持分布式控制系統，并且其物理層技術特點可以根據特定的應用優(yōu)化其網絡拓撲機構，這能保證汽車環(huán)境下通信系統的可用性和可靠性，對于汽車網絡系統安全具有重要的影響。因此，對FlexRay協議進行功能和特性的分析，從而為總線技術的后續(xù)發(fā)展進行充分的技術儲備。,
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