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汽车总线技术综述 0 引言.2 1 汽车网络总线分类.4 2 CAN 总线介绍及其在汽车的应用.7 2.2 CAN 总线技术特点.9 2.3 CAN 总线技术在汽车中的应用的优势.10 2.4 CAN 原理及汽车上的应用.11 2.4.1 原理.11 2.4.2 汽车上 CAN 总线的网络结构、应用方案及实例.12 3 LIN 总线介绍及其在汽车的应用.15 3.1 原理.15 3.1.1 LIN 拓扑结构.15 3.1.2 LIN 数据传输.16 3.1.3 总线睡眠和唤醒.18 3.1.4 错误检测和处理.18 3.2 LIN 在汽车上的应用.19 4 FlexRay 总线介绍及其在汽车的应用.21 4.1 FlexRay 总线发展历史.21 4.2 FlexRay 总线原理.22 4.3 FlexRay 在汽车上的应用.23 5 MOST 总线介绍及其在汽车的应用.25 5.1 MOST 总线光纤传输的特点.26 5.2 MOST 总线的网络结构.27 5.3MOST在汽车上的应用 29 6 其他.30 7 结语.33 参考文献:.34 汽车总线技术综述 0 引言 随着汽车各系统的控制逐步向自动化和智能化转变，汽车电气系统变得日益复杂。传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然会形成庞大的布线系统。据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达 2000 米，电气节点可达 1500 个，而且该数字大约每 10 年就将增加 1 倍。这进一步加剧了粗大的线束及汽车上有限的可用空间之间的矛盾。无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都不能适应现代汽车的发展。另外，为了满足各电子系统的实时性要求，须对汽车公共数据（如发动机转速、车轮转速、节气门踏板位置等信息）实行共享，而每个控制单元对实时性的要求又各不相同。因此，传统的电气网络已无法适应现代汽车电子系统的发展，于是新型汽车总线技术便应运而生。汽车总线为汽车内部各种复杂的电子设备、控制器、测量仪器等提供了一个统一的数据交换渠道。就像在 20 世纪 70 年代引入集成电路、80 年代引入微处理器一样，汽车总线术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。1 多数工程师认为，汽车工业将慢慢改变它的电子架构，最有可能的是采用一种混合的协议方案。他们认为:FlexRay 最终将在车身和底盘上被采用，LIN 将应用在门锁和窗口马达等低带宽领域，在气囊和其它保险装置中采用线控安全（Safty-by-Wire)，而 CAN 总线将继续控制它的动力传输系统。2 下文将介绍各类汽车总线及其在汽车的应用。图 0-1 传统的点对点通讯方式拓扑图3 图 0-2 未来汽车数据总线层次结构 1 汽车网络总线分类 自总线通讯技术 20 世纪 80 年代开始应用在汽车上之后，目前已形成了适用于不同场合的多种汽车总线标准，如 MOST、CAN、TTP、LIN、FLEXRAY 等。SAE（美国汽车工程师协会）按传输速度的不同，将汽车网络总线分为 ABCD 四类。如下表所示:4 表 1-1 汽车网络总线分类 图 1-1 汽车总线网络系统 A 类 面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常只有 l 一10kbPs。主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。B 类 面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般为 10 一 125kbPs。主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，以减少冗余的传感器和其它电子部件。C 类 面向高速、实时闭环控制的多路传输网，最高位速率可达 IMbps，主要用于悬架控制、牵引控制、先进发动机控制、ABS 等系统，以简化分布式控制和进一 步减少车身线束。三类网络功能均向下涵盖，即 B 类支持 A 类网的功能，C 类网能同时实现B 类和 A 类网功能。目前 B 类汽车局域网应用最为广泛，A 类网已经趋于淘汰，C、D 类网应用日益广泛。5 表 1-2 部分 A 类网络协议 在 A 类网络中，LIN 协议将会成为主流协议。表 1-3 部分 B 类网络协议 B 类网络中的主流协议将是 CAN(15011898-3，125Kbps)、SAEJ1850和 VAN 等协议，其中 CAN 最为突出。表 1-4 部分 C 类网络协议 目前 C 类网络最高位速率能够达到 10MbPs，主流协议有:高速CAN(15011898-2)、正在发展中的 TTCAN 和 FlexRay。5 2 CAN 总线介绍及其在汽车的应用 2.1 历史及现状 CAN 是控制局域网络（Control Area Net）的简称,最早由德国 BOSCH公司推出,用于汽车内部测量及执行部件之间的数据通信,目前广泛应用于离散控制领域。CAN 协议也是建立在 OSI 模型基础上的,其模型结构为三层,即只取 OSI 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达 1Mbps/40m。直接传输距离最远可10Km/5Kps,可挂接设备数量为 110 个。CAN 总线的突出优点使其在各个领域得到了广泛应用,这使得许多器件厂商竞相推出 CAN 总线器件产品。下表列出了一些国内常用的CAN 总线芯片,供参考。6 表 2-1 主要 CAN 总线器件产品 目前，汽车电子设备中应用的 CAN 总线共有 3 个版本。其中成本最低、速度也最慢的是单线 CAN（SW-CAN），另外 2 种分别是容错 CAN（FT-CAN）和高速 CAN（HS-CAN）。低速 CAN 总线有自动休眠功能，总线可以让没有操作的节点进入节电模式，在需要的时候再由总线唤醒。高速总线的速度可以达到 500 千比特/秒，甚至 1 兆比特/秒，主要用于关键的实时系统，如发动机集中控制系统、制动防抱死系统（ABS）、巡航系统、底盘系统等。近几年来，CAN 总线发展迅速，一些汽车制造商也在开发自己的 CAN 版本。比如通用汽车公司在标准 CAN 的基础上，应用自己的通信协议，并修改了其他部分软件，开发出了 GMCAN，使之更容易采用第 3 方开发工具。一些芯片制造商也在对标准 CAN 进行改进，如在汽车熄火时降低 CAN 模块的功耗，以延长电池寿命。当然，这种对 CAN 标准的改进而形成的新的专利技术，必然会提高 CAN 芯片供应商们的成本，因为他们需要提供同时满足GMCAN和标准 CAN 的芯片。1 2.2 CAN 总线技术特点 CAN 总线可有效支持分布式控制或实时控制，通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光纤，其主要特点是7：（1）CAN 总线为多主站总线，各节点可在任意时刻向网络上的其他节点发送信息，不分主从,通信灵活。（2）CAN 总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，优先级高的节点优先传送数据，可满足实时性要求。（3）CAN 总线具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能。（4）CAN 总线采用短帧结构，每帧有效字节数最多为 8 个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短。并有 CRC 及其他校验措施，数据出错率极低保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境中使用。（5）CAN 总线上某一节点出现严重错误时，可自动脱离总线，而总线上的其他操作不受影响。（6）CAN 总线系统扩充时，可直接将新节点挂在总线上，因而走线少，系统扩充容易，改型灵活。（7）CAN 总线最大传输速率可达 1Mb/s（此时通信距离最长为 40m），直接通信距离最远可达 10k（m 速率 5kbps 以下）。（8）CAN 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路。在标准帧（11 位报文标识符）可达 110 个，而在扩展帧（29 位报文标识符）其个数几乎不受限制。（9）CAN 可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播集中方式传送和接受数据。（10）采用不归零码（NRZ-Non-Return-to-Zero）编码/解码方式，并采用位填充（插入）技术。2.3 CAN 总线技术在汽车中的应用的优势（1）信息共享7 采用 CAN 总线技术可以实现各 ECU 之间的信息共享，减少不必要的线束和传感器。例如具有 CAN 总线接口的电喷发动机，其它电器可共享其提供的转速、水温、机油压力、机油温度、油量瞬时流速等，这样一方面可省去额外的水温、油压、油温传感器，另一方面可以将这些数据显示在仪表上，便于司机检查发动机运行工况，从而便于发动机的保养维护。（2）减少线束 新型电子通讯产品的出现对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。据统计一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达 2000 米，电气节点达 1500 个，而且该数字大约每十年增长 1 倍。这种传统布线方法不能适应汽车的发展。CAN 总线可有效减少线束，节省空间。例如某车门-后视镜、摇窗机、门锁控制等的传统布线需要 20-30 根，应用总线 CAN 则只需要 2 根。（3）关联控制 在一定事故下，需要对各 ECU 进行关联控制，而这是传统汽车控制方法难以完成的。CAN 总线技术可以实现多 ECU 的实时关联控制。在发生碰撞事故时，汽车上的多个气囊可通过 CAN 协调工作，它们通过传感器感受碰撞信号，通过 CAN 总线将传感器信号传送到一个中央处理器内，控制各安全气囊的启动弹出动作。2.4 CAN 原理及汽车上的应用 2.4.1 原理 CAN 通信网络的硬件组成十分简单，主要由两根通信线（必要时可添加接地屏蔽线）和 CAN 通信模块组成。两根通信线负责传送网络数字信号，分别命名为 CANH 和 CANL,数字信号通过 CANH 和 CANL 间的电压差来传达。通信模块负责收发数据，汽车电控系统只要包含 CAN 通信模块且连接在通信线上就成为了整车 CAN 网络的通信节点，电控系统通过节点都可以实现数据共享和命令的发布，这种网络模式称为多主机仲裁模式。4 CAN 总线网络建立时，每个通信节点根据自己的重要程度和数据实时性要求，被设置一个表明自身优先级 ID 号，ID 号越小，优先级越高。某个节点需要发布信息和命令时，通信模块像广播一样将数据发布在总线上，其他所有 CAN 节点都可以读取，然后根据需要进行取舍和计算。当两个节点同时都向线路上发布消息时，为避免抢占总线使用权产生错误，CAN 总线采用了一种独特的判断机制解决这个问题。当网络空闲时，某个通信单元想要发布信息，先向网络发布自己的 ID 号，同时监听网络上其它节点发布的 ID 号，并做出比较，一旦发现有比自己高级的单元，自动退出，等待下一次网络空闲。当某节点发布完 ID 号后发现自己是最高级别的申请者，就可以开始发送数据和命令。CAN 网络组建灵活可靠，一个通信模块只要合理的设置节点 ID 号，节点可以随时从通信网络添加或删除。某个节点故障，不会影响整个网络工作。但是，单个 CAN 总线网络包含过多的节点可能造成网络堵塞，汽车上目前采用多个独立 CAN 网络并行工作的方式解决这个问题。4 2.4.2 汽车上 CAN 总线的网络结构、应用方案及实例 普通汽车典型的控制单元有电控燃油喷射系统，电控传动系统，防抱死制动系统（ABS），防滑控制系统（ASR），废气再循环系统，巡航系统和空调系统，车身电子控制系统（包括照明指示和车窗、刮雨器等）。普通汽车的 CAN 总线网络系统架构如图 2-1 所示3 图 2-1 燃料电池混合动力汽车的动力驱动系统比一般普通汽车驱动系统复杂，状态量和控制量也相对增多，采用传统的接线方式面临的困难显而易见，此外其动力系统还广泛采用数字化电控单元，基于此，燃料电池混合动力汽车比较适于采用 CAN 总线来实现驱动系统中各子系统之间的通信。采用 CAN 总线技术的网络系统结构如图 2-2 所示。图 2-2 燃料电池混合动力汽车 CAN 总线技术的网络系统结构 CAN 总线技术应用方案（1）方案一：方案一是一个完整的分布式汽车电子控制系统，它采用多子网结构，将信息交换比较密切的系统放在一个子网中，使整个系统具有很高的实时性，不同子网之间根据不同的应用特点，采用不同的物理层接口以及通信速率，优化了系统结构。7如图 2-3：图 2-3 方案一简化了各个 CAN 子网的设计难度，但是整车的网络系统设计以及总线通信协议比较复杂，硬件上对网关的要求比较高，需要有强大的数据处理能力，而且系统成本比较高，适合于中高档轿车采用。（2）方案二中整车的 CAN 总线网络分为高速网络和低速网络两部分，高速网采用双线式高速 CAN 总线(1Mbps)，低速网采用双线式 CAN 总线(125gbps)。仪表显示模块作为网关完成两部分数据之间的传输。7 CAN 总线应用方案二如图 2-4 所示。图 2-4 CAN 总线在汽车上应用方案 整个系统分为高速和低速两部分。动力传动总线和安全总线合并成高速总线，这样做降低了通信的实时性，但是考虑到传动系总线中一般是周期性的数据，而安全总线中一般是突发性的数据，只要选择合适的帧优先级就可以弥补这个缺点。舒适总线和信息总线合并为低速总线，这两部分中对数据的实时性要求不高，125Kbps 的速率完全可以满足需求。(3)有些先进的轿车除了上述 2 条 CAN 总线外，还会有第 3 条 CAN 总线，它主要负责卫星导航及智能通信系统。8 具体实例 以下是汽车 CAN 总线的仿真结构图，该系统可实现汽车 CAN 总线的基本控制功能。9 图 2-5 CAN 总线网络结构 主节点(Master node)是整个控制系统的中心，负责所有其他节点的数据通信及信息处理,还记录车辆的基本信息和测量循环次数。照明控制节点(Lighting control nodes)完成汽车灯的控制和驱动，及开关的检测和管理。直流电机控制节点(DC motor control node)完成控制直流电机的换向、小数量开关的检测和处置，可控制汽车雨刷器和电机的动作。电磁执行器控制节点(Electromagnetic actuator control nodes)完成位置信号的检测和处置，并控制电磁执行器驱动，可以实现燃油喷射发动机的控制。3 LIN 总线介绍及其在汽车的应用 3.1 原理 3.1.1 LIN 拓扑结构 LIN 采用单主机多从机模式,一个 LIN 网络包括一个主机节点和若干个从机节点。(由于过多节点将导致网络阻抗过低,一个 LIN 网络中节点总数不宜超过 16 个。主机节点既包括主机任务也包括从机任务,从机节点都只包括从机任务,如图 3-1 所示。主机节点也可以通过网关和其他总线如 CAN 连接。图 3-1 LIN 拓扑结构 3.1.2 LIN 数据传输 LIN 总线中数据借助报文帧来传输,报文帧由报文头和响应组成。报文头只能由主机任务发送,它包括同步间隔场、同步场和标识符场三个部分。同步间隔场为至少 13 个连续的显性位(低电平),它标志着一个报文帧的开始。其后为同步场,同步场逻辑值为 055,从机节点利用同步场来实现及主机节点的同步。标识符场紧跟在同步场之后,长度为一个字节。标识符场中低 6 位为标识符位,共可组成 64 个标识符,其中 60 个用作一般报文传输、两个用作诊断帧、一个用作用户定义帧、一个留作 LIN 扩展用。标识符后两位为奇偶校验位。标识符指出当前帧的内容,从机节点据此来确定自己是否应该对当前帧做出响应、做出何种响应。响应由从机任务发送,它由数据场和校验和场组成。数据场由报文帧所携带的数据组成,长度为一到八个字节。报文帧的最后为校验和场,长度为一字节,LIN1.3 及其以前的规范版本中规定校验和场仅对数据场作校验,称为传统校验和,LIN2.0 规范中规定校验和场校验范围包括数据场和标识符场,称为增强校验和。一个完整的报文帧如图 3-2 所示。根据传输条件的不同,报文帧可分为绝对帧、触发帧、离散帧、诊断帧、用户定义帧和保留帧六种。LIN 总线上的所有通讯都由主机节点中的主机任务发起,主机任务根据进度表来确定当前的通讯内容,发送相应的帧头,并为报文帧分配帧通道。总线上的从机节点接收帧头之后,通过解读标识符来确定自己是否应该对当前通讯做出响应、做出何种响应。基于这种报文滤波方式,LIN 可实现多种数据传输模式,且一个报文帧可以同时被多个节点接收利用,如图 3-3 所示。10 图 3-2 LIN 报文帧 图 3-3 LIN 数据传输模式 3.1.3 总线睡眠和唤醒 需要时可由主机节点发送一个标识符为 0 x3C 且数据场中首字节为 0 的诊断帧将所有从机节点置为睡眠状态,如果总线在 4 秒钟以上没有任何活动,从机节点也自动进入睡眠状态,以减小功耗。处于睡眠状态的 LIN 网络中的任何一个节点都可以请求唤醒总线,总线上的所有节点在接收到唤醒请求后应脱离睡眠状态并为接收总线命令做好准备。主机节点接收到唤醒请求后也被唤醒,并在从机节点准备好之后发送帧头,寻找唤醒原因。3.1.4 错误检测和处理 LIN 规范定义了六种不同类型的报文错误:位错误、校验和错误、标识符错误、从机不响应错误、总线不活动错误和同步场不一致错误。主机节点和从机节点分别检测这六种错误中的若干种。3.2 LIN 在汽车上的应用 LIN 是一种低成本的串行通讯网络协议，采用单个主控制器/多个从设备的模式，在主从设备之间只需要 1 根电压为 12 伏的信号线。这种主要面向“传感器/执行器控制”的低速网络，其最高传输速率可达 20 千比特/秒，主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制，典型的 LIN 网络的节点数可以达到 12 个。以门窗控制为例，在车门上有门锁、车窗玻璃开关、车窗升降电机、操作按钮等，只需要 1 个 LIN(网络就可以把它们联为一体。而通过 CAN 网关，LIN 网络还可以和汽车其它系统进行信息交换，实现更丰富的功能。目前 LIN(已经成为国际标准，被大多数汽车制造商和零部件生产商所接受。1 长期以来，低速总线标准有许多种，却一直没有一种能够成为该领域的通用标准。直到 1998 年，Audi、Motorola、BMW、DaimlerChrysler、VCT、Volvo 和 Volkswagen 七 家 公 司 联 合 成 立 了 LIN(LocalInterconnect Network)协会，提出了一种新型 A 类总线LIN，才改变了这个局面4。LIN 主要用于汽车中的分布式电子控制系统。在车辆上有的通信场合不需要 CAN 总线那样的速度和带宽，比如汽车上的随动转向大灯，方向盘集控开关、电动车门、电动座椅控制等，如果这些电子控制系统都使用 CAN 节点通信，将大大的增加生产成本。这时，使用 LIN 总线相比于 CAN 总线就具有更高的性价比优势，图 3-4 为 LIN 网络在汽车上的应用方案。4 图 3-4 LIN 网络在汽车上的应用方案 整车网络中，各 LIN 网络的核心主机利用 CAN 模块接入 CAN 总线网络，使 LIN 网络成为整车通信网络的一个子网，实现对 CAN 总线的扩展和补充，这样设计既实现了不同速率的网络分级，优化网络结构，节约了整车成本。LIN 总线通信的实现不需要专门的片上通讯模块，而是采用普通 UART/SCI 接口，使用低成本硬件、低成本软件即可进行汽车 LIN 网络的开发，周期短、速度快。采用 CAN BUS+LIN BUS 双总线搭配，优化汽车网络结构，控制成本的车型有许多。如一汽大众的新宝来、速腾、新高尔夫；上汽大众的途观、新领驭、朗逸、新 POLO、斯柯达明锐、荣威 550；上汽通用的雪佛兰克鲁兹；奇瑞汽车的瑞麒 G5；进口的新奥迪 A3、新甲壳虫等。4 以图 3-5 轿车左侧前车门为例，车门装配有电动玻璃窗控制器、中央车门锁控制器和电动外后视镜控制器，这些部件的控制器之间的电路通讯就组成一个 LIN，再通过网关及 CAN 联系。由于车门装置这一类控制通讯速度要求不高，也不会影响使用效果，因此在车身系统上 LIN 得到积极应用。图 3-6 为 LIN 总线在车镜控制上的应用。3 图 3-5 LIN 总线在车门上的应用 图 3-6 LIN 总线在车镜控制上的应用 4 FlexRay 总线介绍及其在汽车的应用 4.1 FlexRay 总线发展历史 X-BY-WIRE 即线控操作，是未来汽车的发展方向。该技术来源于飞机制造，基本思想就是用电子控制系统代替机械控制系统，减轻重量提高可靠性。其中 X 是指节气门、制动、转向等操作，形成电子节气门、电子制动、电子转向控制等等。由于其整体设计思想涉及动力、制动、方向控制等关键功能，对汽车网络也就提出了不同要求。目前，在这一领域相互竞争的总线技术包括时间触发阶议 TTP 和高速容错网络 FlexRay。FlexRay 采用冗余备份的办法，分别由 2 条总线和 2 个网络控制单元构成 1 个完整网络，每个 ECU 分别和 2 条总线相连，正常情况下可以利用双通道进行数传递，当其中 1 个网络发生故障时，可以由另 1 个备份网络承担通讯任务，从而可以满足 X-BY-WIRE 系统的可靠性要求。另外，FlexRay采用时分多路访问技术（TDMA），将总线划分成很多时隙，各设备按照优先级占用不同的时隙实现对总线的复用，满足了线控系统实时性方面的要求。1 FlexRay 技术联盟在戴姆勒克莱斯勒和宝马公司的 Byteflignt 通信系统（Byteflight 是 BMW 公司专门为被动安全系统（气囊）而开发的通信技术）的基础上，推进 FlexRay 协议的标准化，使之成为新一代高速且具备双通道故障容错能力的汽车内部通讯协议。目前 FlexRay 技术联盟的核心成员公司包括德国宝马、博世、戴姆勒克莱斯勒、飞思卡尔、通用汽车、飞利浦和大众。其他一些领先的日本汽车制造商，如本田、尼桑和丰田公司等也已作为协会的高级成员加入这一联盟。4 4.2 FlexRay 总线原理 FLEXRAY 的网络节点是由主处理器,FLEXRAY 通信控制器,可选的总线监控器和总线驱动器组成的。主处理器提供和产生数据,并通过FLEXRAY 控制器传送出去。总线驱动器连接着通信控制器和总线,或是连接总线监控器和总线。主处理器把 FLEXRAY 控制器分配的时间槽通知给总线监视器,然后总线监视器就允许 FLEXRAY 控制器在这些时间槽中来传输数据。数据可以在任何时候被接收。10 图 4-1 FLEXRAY 的网络结构15 FlexRay 不仅可以像 CAN 和 LIN 网络这样的单信道系统运行，还可以作为双信道系统运行。双信道系统的意思是通过硬件完全复制网络配置，具备冗余通信能力，这就极大提高了数据传输的可靠性，满足线控制动、线控转向等安全系统的要求。凭借每通道高达 10 Mbps 的数据传输速率，FlexRay 还可用作车载网络主干，减少为消除带宽瓶颈而采用的并行 CAN 网络数量，简化网络结构。4 4.3 FlexRay 在汽车上的应用 高级底盘控制是 FlexRay 推动新技术在汽车设计中的最好应用。如今,防抱死制动系统(ABS)在大量车辆上得到普及,但是车辆稳定性控制仍然是一个复杂、费用高昂的难题。随着基于 FlexRay 网络控制的线控制动技术的出现,车辆稳定性控制的主要组件将向更轻、更快、更简单、效率更高的方向发展，从而实现高级车辆的稳定性控制。11 线控制动技术(亦称电子机械制动EMB)可以消除制动液和液压管路的困扰。单独的高性能电机在每个车轮上产生制动力,制动由 ECU 控制,并由电子踏板模块发出的信号执行。F1exRay 提供通信协议,支持整个系统的高速信息传送,F1exRay 的容错功能保证了线控制动系统的绝对可靠性。图 4-2 FlexRay 支持的线控制动系统 图 4-3 车轮制动模块工作过程示意图 如图 1 所示 FlexRay 支持的线控系统包括用作 ECU 部件的车辆控制节点、每个车轮提供的单独节点和一个制动踏板节点。系统包含大量传感器、电动执行器、电控模块(ECM)和减速器装置,制动车轮节点属于该系统。从根本上说,制动时电子信息便从踏板节点发送到 ECU,ECU 再将信息转载到车轮节点 ECM,ECM 的主要功能是接收制动踏板信号,处理并提供适当的电压向量,以便电动执行器能够完成必要的扭矩响应(见图 2)。电动执行器将电能转换成机械能,通过减速器装置传输到制动器外壳和制动垫块上,然后它们作为一个整体将制动力施加到制动盘上。FlexRay的高带宽功能可以快速传输大量极为详尽的信息,从而使机械反应变得非常迅速、准确。由于每个车轮节点都是FlexRay 网络的独立系统，每个车轮可以在不同时间间隔提供不同的制动压力,从而在不同制动情况下提供即时的稳定性控制。此外,使用综合感应技术将其他信息(如重量分配、乘客定位、胎压偏差、路面状况等)装载到线控制动上,线控驾驶系统将提供空前的车辆稳定控制级别。11 当前，宝马 7 系中配备的博世 ESP 至尊版是全球第一个带有 FlexRay 界面的制动控制系统。新款宝马 X5、X6 在电控减震系统控制中采用 FlexRay 通信控制器，改变安装在主动悬挂防倾杆上的旋转马达及阻尼器电磁阀的设置参数。09 年以后生产的奥迪 A8 也配备 FlexRay 通信系统。通用汽车正在使用了 FlexRay 网络开发第一辆完全 x-by-wire 的燃料电池车。FlexRay 通信系统在高端汽车的成功应用，证明了它的技术优势和良好的市场前景。作为新一代高速通信协议，FlexRay 将会满足未来汽车更加安全、智能、可靠的需求。4 5 MOST 总线介绍及其在汽车的应用 CAN 总线的最大传递速率为 1Mbt/s，而视频和音频的传输速率达 21.2Mbt/s，如带有立体声的数字式电视信号就需要约 6Mbt/s 的传输速率。这时候 MOST 光纤数据总线就首次出现在了 AUDI A8 2003 款车上，随后奥迪新产的所有型号的车上都采用上了 MOST 总线。12 目前超过 50 家公司包括奥迪、宝马、戴姆勒-克莱斯勒和别克公司正在协力发展这种协议。3 5.1 MOST 总线光纤传输的特点 MOST 总线是 Media Oriented Systems Transport 的缩写，从名字上可以看出它是一种用于多媒体数据传输的网络系统。MOST 总线基于环形拓扑，采用光学点对点的传输技术，从而允许共享多个发送和接收器的数据。解决了众所周知的传统模式错综复杂的布线、繁琐的连接器、陈旧的控制以及厚重的铜线等不能满足现代汽车外围设备需要的这些矛盾。塑料光纤传输技术具有以下优点：1传输速率高。MOST 总线采用光纤，在传输数据时相关部件的数据交换是以数字方式来进行的（以前的音频和视频信号只能作为模拟信号来传送），其传输速率可达 21.2Mbt/s。MOST 总线传输速率明显高于 CAN 总线系统 1 Mbt/s 的最高传输速率，因此 CAN 总线系统只能够用来传输控制信号。2抗电磁干扰能力强。MOST 总线传输信号时，是以光信号进行的。及无线电波相比，光波的波长更短，因此他不会产生电磁干扰，同时对电磁干扰也不敏感。3重量轻，占用空间小，成本低。MOST 总线光纤是采用有机玻璃制成的，相对于金属导线来说，在提供相同频宽时，能减轻约 4.5kg 的重量和节省约 250m 长的线束，这样就减轻了汽车的重量，节约了空间，降低了成本，同时扩展了功能。12 图 5-1 奥迪 MOST 总线环型结构图 5.2 MOST 总线的网络结构 MOST 总线采用的是环型的网络结构（如图 5-1），控制单元通过光导纤维沿环形方向将数据发送到下一个控制单元，直至首先发出的控制单元又接收到这些数据为止，这样就形成了一个封闭环。根据汽车配置的不同，控制单元数量也不同。1光导纤维 光导纤维的任务是将某一控制单元发射器内产生的光波传送到另一个控制单元的接收器。2MOST 总线控制单元部件 MOST 总线控制单元部件的结构如图 5-2 所示，它由光导插头，内部供装置，电气插头，专用部件，标准微控制器，MOST-收发机，收发单元-光导发射器等组成。图 5-2 控制单元的结构 3）MOST-收发机。MOST-收发机由发射机和接收机 2 个部分组成，发射机将要发送的信号作为电压信号传至光导发射器，接收机接收到信号后将所需的数据传至控制单元内的“标准微控制器”，而其他不需要的信息将原封不动发至下一个控制单元。4）标准微控制器和专用部件。标准微控制器是控制单元的核心部分，他的内部有个微处理器，用于操纵控制单元的所有基本功能。专用部件用于控制某些专用功能，如 CD 播放机和收音机调谐器。12 5.3 MOST 在汽车上的应用 图 5-3 在奥迪 A8 03 轿车上，MOST 技术用于信息系统的数据传输，信息系统提供多种信息及娱乐多媒体服务，它包括 DVD 视频、TV 接收、车载Internet,CD,CD/DVD 导航、电话、DAB 数字收音机等，如图 5-3 所示。总线系统各部件的分布如图 5-4 所示，各部件的名称、编号、位置及生产厂家见表 1。13 图 5-4 6 其他 Profibus 是由 Simens 等公司组织开发的一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准。Profibus 的开发始于 1987 年，1989年立项为德国标准 DIN19245，从 1991 年到 1995 年先后批准实施 Part1Part4，1996 年 3 月被批准为欧洲标准 EN50170V2，并于 2000 年成为 IEC61158 国际现场总线国家标准之一。我国于 2001 年正式批准Profibus 成为我国的机械行业工业控制系统用现场总线国家标准。Profibus 是目前唯一的集成了过程自动化和工厂自动化的现场总线解决方案，是一种国际化的，不依赖于制造商的开放式现场总线标准。采用 Profibus 标准系统，不同制造商所生产的设备不需要对其接口进行特别调整便可以通讯，Profibus 可用于高速的并且对时间有苛刻要求的数据传输，也可用于大范围的复杂通信场合。以 PROFIBUS 为纽带的车身控制网络电子集成系统结构图如图 6-1 所示。14 图 6-1 车身控制网络电子集成系统结构图 PROFIBUS-PA 采用 PROFIBUS-DP 的基本功能传送发动机等各子系统的测量值和状态,通过扩展 PROFIBUS-DP 的功能制定现场设备的参数并进行设备操作。PROFIBUS-FMS 利用通信关系将分散的应用过程统一到一个共同的工程中,从而使管理层 PC 能接收各子系统当前的状态,并向各子系统发出智能指令,经 PROFIBUS-FMS 再将指令分散到每个子系统的地址,从而使汽车进行理想化状态运行。14 下图为 PROFIBUS 总线应用于进气歧管，该系统有 LED 等，有利于工程人员进行故障的查找及维修保养过程。16 图 6-2 进气歧管侧面图 Switch Fabric 交换结构2 由 Motorola 发展的 Switch Fabric 不是一种数据总线，而是一种节点互联的栅格系统，是以汽车为中心的“分布式”交换结构。栅格上的任意一点都能通过引线和其他节点直接“对话”。它将有限的节点用作小型的包数据交换机，而数据传输主要通过软件协议实现。而且，在物理层上整合其它数据总线的协议，譬如 CAN 或 FlexRayoSwitch Fabric 和现存的车载电路总线系统(如 CAN,J-1850,LIN,ByterFlight，甚至 F1exRay)相比，在速度上的收效是空前巨大的。例如:使用 CAN 总线的物理层，Motorola的分布式 Switch Fabric 可以提供每个链接各有 1 Mbit/sec 带宽的栅格，以 256 个链接计算，在理论上的最终带宽度将是 256 Mbit/sec。用 Switch Fabric 协议及 F1exRay 的物理层连接，每个链接的带宽将提高到10Mbits/sec。如果一个栅格中有 200 个这样的链接，这个栅格系统的整体带宽将接近 2 G bits/sec。由 Switch Fabri。协议所能提供的网络速度将超过现在普遍采用的 CAN 汽车总线的1000 倍。图 6-3 给出 Switch Fabric 的栅格化节点网络技术。图 6-3 Switch Fabric 的栅格化节点网络 7 结语 未来汽车总线发展趋势主要是以下几点：1)网络技术迅速在汽车应用中普及，CAN 总线仍将在多数交通工具的总线系统占统治地位，低成本 LIN 将作为 CAN 总线的辅助总线而及 CAN 一起渐成主流;2)高速、实时、容错网络控制技术得到了世界上众多顶级汽车制造商的青睐，由 CAN,LIN,F1exRay，Safe-by-Wire，MOST 等不同汽车总线架构组成的一种混合的协议方案可能是汽车网络近期的发展方向;3)随着第 3 代移动通信技术的发展，多媒体、高带宽汽车网络必将得到快速的发展。汽车网络的带宽将不断增大，Switch Fabric 交换结构可能是一种理想的选择;4)统一标准的汽车网络协议是大势所趋，这将有利于节省汽车制造成本。为此我国要抓住现场总线技术开放性的机会,掌握其关键核心技术,博采众长，争取推出有中国标准的汽车现场总线产品,开创中国自己的国际名牌。参考文献:1 赵方庚.现代汽车总线技术发展.汽车运用.2005 年第 12 期 2 夏冠群 高培德.汽车总线技术 3 邱翠榕.总线技术在汽车电气系统中的应用 4 胡 伟.汽车总线通信技术的原理和应用.西部汽车产业学术论坛暨四川省第十届汽车学术年会论文集.2011 5 窦传威.基于 CAN/LIN 总线的智能车身网络系统的设计.2006 年 5 月 6 范志 陈勇 董景彪.现场总线技术综述.信息技术.2000 年第 10期 7 肖相春.基于 CAN 总线技术在汽车中的实际应用.装备制造技术.2011 年第 8 期 8 刘步丰.汽车总线技术及其检测.农业装备及车辆工程.No.11 2008 9 Feng Guo-sheng,Zhang Wei,Jia Su-me,Wu Han-sheng.CAN Bus Application in Automotive Network Control.2010 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation 10戴梦萍 纪永秋.汽车总线技术简析.农业装备及车辆工程.2006-07-24 11高美芹 明平顺 周明应.车载网络 FlexRay 及其在线控制动系统中的应用.武汉理工大学学报 信息及管理工程版.2007 年 1 月 12 龚灯荣.MOST 总线在奥迪轿车上的应用及故障实例分析.汽车维修 2011.4 13 阎光虎,廖发良.基于 MOST 总线的车载网络系统分析.汽车实用技术.2012 年第 8 期 14 于笑平.现场总线技术在汽车电子集成控制系统中的应用.信息技术.2007年第 6 期 15 Christopher A.Lupini.Multiplex Bus Progression.SAE 2003-01-0111 16 Paul G.Ranky.Modular fieldbus designs and applications