第1章车载网络系统概述教材课件.ppt

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1、第1章 车载网络系统概述o本章重点：o（1）了解车载网络技术的分类，并且知道每一类的1到2种代表性协议；o（2）调查某一车系（一汽Audi）的车载网络技术并进行总结；o（3）车载网络技术的优点；o（4）目前车载网络技术应用趋势2023/2/61第1章考考你o1-1.请举出用于汽车的A、B、C类网络各2个？o1-2.请简单说明Audi应用车载网络技术情况？o1-3.目前车载网络技术应用趋势？(查找近期分析文章)o1-4.车载网络技术的优点？o1-5.请查资料说明宝马宝马宝马宝马E65E65汽车汽车汽车汽车网关通讯网关通讯中各种颜中各种颜色的线分别代表什么车载总线？色的线分别代表什么车载总线？o1

2、-6：请说明宝马宝马宝马宝马E6E60 0所包括的总线类型？所包括的总线类型？所包括的总线类型？所包括的总线类型？2023/2/62本章结构o1.1 为什么会出现车载总线系统o1.2 汽车网络的分类及发展趋向o 1.3 车载总线技术的优势点与市场前景2023/2/631.1为什么会出现车载总线系统n一.系统的必要性n1.电控系统的引入显然提高了车辆综合性能n2.线束和元件的不断增加与有限的车内空间产生了矛盾n在传统的汽车中，电气信号的连接是通过线束实现的。随着汽车中电子部件数量的增加，线束与配套接插件的数量也在成倍上升。在1955年平均一辆汽车所用线束的总长度为45米，而到了2002年，平均一

3、辆汽车所用线束的总长度却达到了4千米。线束的增加不但占据了车内的有效空间、增加了装配和维修的难度、提高了整车成本，而且妨碍整车可靠性的提高。2023/2/64一.系统的必要性（续）n3.电控单元（ECU）的增多使网络通信的发展成为必然n基于数据通讯的车载网络，这为提高汽车性能和减少线束数量提供了有效的解决途径。nn电控单元n电控单元，又称为ECU（ElectricalControlUnit）。一般是汽车内部系统控制模块的代名词。ECU的主要部分是微机，而核心件是CPU。ECU将输入信号转化为数字形式，根据存储的参考数据进行对比加工，计算出输出值，输出信号再经功率放大去控制若干个调节伺服元件，例

4、如继电器和开关等。因此，ECU实际上是一个“电子控制单元”（ElectronicControlUnit），它是由输入电路、微机和输出电路等三部分组成。电控单元(ECU)是电控系统的核心，安装在轿车右前轮罩后板处。2023/2/654.数据传输方法的变革发动机转速燃油消耗量节气门位置变速箱干预信号换挡信息自动变速箱控制单元发动机控制单元并行数据传输方式：高速、高效，通信距离短2023/2/664.数据传输方法的变革(续)发动机转速燃油消耗量节气门位置变速箱干预信号换挡信息自动变速箱控制单元发动机控制单元串行数据总线传输方式：速度慢，接口简单、通信距离远2023/2/671.2汽车网络的分类及发展

5、趋向第一类节点CAN总线第二类节点Lin总线第三类节点MOST网络第四类节点蓝牙节点2023/2/68n迄今为止,已有多种网络标准.为方便研究和设计使用,美国汽车工程师协会(SAE:SocietyofAutomotiveEngineer)将汽车网络根据速率划分为A,B,C,D,E五类,各类网络的特点见表1.2023/2/69n图1所示奥迪A4轿车车用网络系统包含了上述五类网络中的A类网络LIN、B类网络低速CAN、C类网络高速CAN、D类网络MOST及蓝牙bluetooth等技术.下面分别介绍.思考1-1.请举出用于汽车的A、B、C类网络各2个？2023/2/610n对于D和E类网络标准,综合

6、考虑功能和位传输速率等因数，现有的汽车总线可分为多媒体信息系统总线、安全总线和诊断系统总线。2023/2/611二汽车网络标准的具体分类n1.A类网络标准n从目前的发展和使用情况来看，A类网的主要总线是TTP/A(TimeTriggeredProtocol/A)和LIN(LocalInterconnectNetwork)。2023/2/612n(1)TTP/A协议最初由维也纳工业大学制定，为时间触发类型的网络协议，主要应用于集成了智能变换器的实时现场总线。它具有标准的UARTUART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用异步收发器：通用异

7、步收发器)n，能自动识别加入总线的主节点与从节点，节点在某段已知的时间内触发通信但不具备内部容错功能。n(2)LIN是在1999年由欧洲汽车制造商Audi、BMW、DaimlerChrysler、Volvo、Volkswagen和VCT公司以及Motorola公司组成的LIN协会，共同推出的用于汽车分布式电控系统的开放式的低成本串行通信标准，从2003年开始使用。2023/2/613nLIN是一种基于UART的数据格式、主从结构的单线12V的总线通信系统，主要用于智能传感器和执行器的串行通信。从硬件、软件以及电磁兼容性方面来看，LIN保证了网络节点的互换性，极大地提高了开发速度，同时保证了网络

8、的可靠性。2023/2/614补充解释：nSPI、UART三种串行总线协议的区别三种串行总线协议的区别 n第一个区别当然是名字：第一个区别当然是名字：SPI(Serial Peripheral Interface：串行外设接口：串行外设接口);nUART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用异步收发器：通用异步收发器)n第二，区别在电气信号线上：第二，区别在电气信号线上：SPI总线由三条信号线组成：串行时钟总线由三条信号线组成：串行时钟(SCLK)、串行数据输出、串行数据输出(SDO)、串行数据输入、串行数据输入(SDI)。SPI总总线可

9、以实现线可以实现 多个多个SPI设备互相连接。提供设备互相连接。提供SPI串行时钟的串行时钟的SPI设备为设备为SPI主机或主设备主机或主设备(Master)，其，其他设备为他设备为SPI从机或从设备从机或从设备(Slave)。主从设备间可以实现全双工通信，当有多个从设备时，还可以。主从设备间可以实现全双工通信，当有多个从设备时，还可以增加一条从设备选择线。增加一条从设备选择线。如果用通用如果用通用IO口模拟口模拟SPI总线，必须要有一个输出口总线，必须要有一个输出口(SDO)，一个输入口，一个输入口(SDI)，另一个口则视实现，另一个口则视实现的设备类型而定，如果要实现主从设备，则需输入输出

10、口，若只实现主设备，则需输出口即可，若的设备类型而定，如果要实现主从设备，则需输入输出口，若只实现主设备，则需输出口即可，若只实现从设备，则只需输入口即可。只实现从设备，则只需输入口即可。nUART总线是异步串口，因此一般比同步串口总线是异步串口，因此一般比同步串口SPI的结构要复杂很多，一般由波特率产生器的结构要复杂很多，一般由波特率产生器(产生的产生的波特率等于传输波特率的波特率等于传输波特率的16倍倍)、UART接收器、接收器、UART发送器组成，硬件上由两根线，一根用于发发送器组成，硬件上由两根线，一根用于发送，一根用于接收。送，一根用于接收。显然，如果用通用显然，如果用通用IO口模拟

11、口模拟UART总线，则需一个输入口，一个输出口。总线，则需一个输入口，一个输出口。n第三，从第二点明显可以看出，第三，从第二点明显可以看出，SPI和和UART可以实现全双工；可以实现全双工；nSPI接口和上面UART相比，多了一条同步时钟线，上面UART的缺点也就是它的优点了，对通信双方的时序要求不严格不同设备之间可以很容易结合，而且通信速度非常快。2023/2/615n由于LIN价格低廉，因此它可将MCU嵌入到车身零部件中，使其成为具备网络功能智能零部件（SmartParts）从而进一步减少线束、降低成本。LIN网络已经广泛地被世界上的大多数汽车公司以及零配件厂商所接受，有望成为事实上的A类

12、网络标准。2023/2/6162.B类网络标准（VAN和CAN）n从目前B类网络的使用情况来看主要有两种：低速CAN和VAN。n(1)VAN标准是ISO于1994年6月推出的。它基于ISO11519-3，主要为法国汽车公司所用。但目前就动力与传动系统而言，甚至在法国也集中在CAN总线上。2023/2/617CANn(2)CAN是德国Bosch公司从20世纪80年代初，为解决现代汽车中众多的控制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。它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps。1991年首次在奔驰S系列汽车中实现。同年，Bosch公司正式

13、颁布了CAN技术规范，版本2.0。1993年11月，ISO正式颁布了国际标准ISO11898，为CAN的标准化、规范化铺平了道路。此后，越来越多的北美和日本汽车公司也开始采用CAN网络。1994年，美国汽车工程师协会卡车和巴士控制与通信子协会选择CAN作为SAEj1939标准的基础。低速CAN具有许多容错功能，一般用在车身电子控制中；而高速CAN则大多用在汽车底盘和发动机的电子控制中。2023/2/618nCAN总线凭借其突出的可靠性、实时性和灵活性已从众多总线中突显出来，成为世界接受的B类总线的主流协议。2023/2/6193.C类网络标准nC类标准主要用于与汽车安全相关及实时性要求比较高的

14、地方，如动力系统，所以其传输速率比较高，通常在125kbps-1Mbps之间，必须支持实时的周期性参数传输。n目前，C类网络中的主要协议包括高速CAN(ISO11898-2)、正在发展中的TTP/C和FlexRay等协议。2023/2/620(1)TTP/C协议n(1)TTP/C协议由维也纳工业大学研究，基于TDMA的访问方式。TTP/C是一个应用于分布式实时控制系统的完整的通信协议。它能够支持多种容错策略，提供容错的时间同步以及广泛的错误检测机制，同时还提供节点的恢复和再整合功能。其采用光纤传输的工程化样品速度将达到25Mbps。TTP/C支持时间和事件触发的数据传输。TTP管理组织TTAG

15、roup成员包括奥迪、SA、Renault、NEC、TTChip、Delphi等。2023/2/621(2)FlexRaynFlexRay是BMW、DaimlerChrysler、Motorola和Philips等公司制定的功能强大的通信网络协议。它是基于FTDMA的确定性访问方式，具有容错功能及确定的通信消息传输时间，同时支持事件触发与时间触发通信。具备高速率通信能力。FlexRay采用冗余备份的办法，对高速设备可以采用点对点方式与FlexRay总线控制器连接，构成星型结构，对低速网络可以采用类似CAN总线的方式连接。2023/2/622(3)高速CANn欧洲的汽车制造商基本上采用高速CAN

16、总线标准ISO11898。总线传输速率通常在125kbps-1Mbps之间。据StrategyAnalytics公司统计，2001年用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个。然而，作为一种事件驱动型总线，CAN无法为下一代线控系统提供所需的容错功能或带宽，因为X-by-Wire系统实时性和可靠性要求都很高，必须采用时间触发的通信协议，如TTP/C或FlexRay等。2023/2/623nCAN协议仍为C类网络协议的主流，但随着汽车中引进X-by-Wire系统，TTP/C和FlexRay将显示出优势。它们之间的竞争还要持续一段时间，在未来的线控系统中，到底哪一种标准更具有生命力尚难定论。2023/2

17、/6244.诊断系统总线标准n故障诊断是现代汽车必不可少的一项功能、使用诊断系统的目的主要是为满足OBD-II(OnBoardDiagnose)、OBD-III或E-OBD(European-OnBoardDiagnose)标准。nOBD-II第二代随车电脑诊断系统，由美国汽车工程学会1994年提出。1994年以来，美、日、欧一些主要汽车生产厂为了维修方便逐渐使用OBD-II随车诊断系统。这一系统集故障自诊断系统软硬件结构、故障代码、通信方式系统、自检测试模式为一体，具有监视发动机微机和排放系统部件的能力。2023/2/625n2004年，美国GM、Ford、DC三大汽车公司对乘用车采用基于C

18、AN的J2480诊断系统通信标准。在欧洲，从2000年开始，欧洲汽车厂商就已经能够开始使用一种基于CAN总线的诊断系统通信标准ISO15765。n目前，除了CAN网络，LIN协议也已经成为汽车诊断的总线标准。2023/2/626协议标准用户备注ISO9141欧洲满足OBD-IIIISO14230欧洲又称KeywordProtocol2000；满足OBD-IIJ1850GM、Ford、DC满足OBD-IIJ2480GM、Ford、DC基于CAN；满足OBD-IIIIISO15765欧洲基于CAN；满足E-OBD诊断系统协议标准的使用情况2023/2/6275.多媒体信息系统总线标准n汽车信息娱乐

19、和远程信息设备，特别是汽车导航系统，需要功能强大的操作系统和连接能力。目前主要应用的几种总线协议如下表所列。2023/2/628多媒体信息系统总线使用情况2023/2/629(1)MOST网络nMOST网络是由德国OasisSiliconSystem公司开发的。MOST技术针对塑料光纤媒体而优化，采用环行拓扑机构，在器件层提供高度可靠性和可扩展性。它可以传送同步数据(音频信号、视频信号等流动型数据)、非同步数据(访问网络及访问数据库等的数据包)和控制数据(控制报文及控制整个网络的数据)。MOST得到包括BMW、DaimlerChrysler、Harman/Becker和Oasis公司的支持，已

20、应用在多款车型上，如BMW7系列、AudiA-8、MercedesE系列等。2023/2/630(2)Bluetoothn随着蓝牙技术的发展，短距点对点通讯的蓝牙技随着蓝牙技术的发展，短距点对点通讯的蓝牙技术在汽车中寻求到了发展空间，其相对低廉的成术在汽车中寻求到了发展空间，其相对低廉的成本和简便的使用方法得到汽车业界的认同。本和简便的使用方法得到汽车业界的认同。蓝牙无线技术是一种用于移动设备和WAN/LAN接入点的低成本、低功耗的短距离射频技术。蓝牙标准描述了手机、计算机和PDA如何方便地实现彼此之间的互连，以及与家庭和商业电话和计算机设备的互连。蓝牙特殊兴趣组的成员包括AMIC、BMW、D

21、aimlerChrysler、Ford、GM、Toyota和Volkswagen。2023/2/631(2)Bluetooth（续）n移动电话与车内媒体之间的信息交互成为蓝牙技移动电话与车内媒体之间的信息交互成为蓝牙技术进入汽车的突破点，术进入汽车的突破点，JohnsonControls公司的免提手机系统“BlueConnect”，允许司机在双手扶住方向盘的情况下，通过支持蓝牙功能的手机保持联系。Daimler-Chrysler推出推出Uconnect蓝蓝牙免提电话系统中，蓝牙成为移动电话与车内媒牙免提电话系统中，蓝牙成为移动电话与车内媒体之间进行信息交互的手段，驾驶员通过安装在体之间进行信息

22、交互的手段，驾驶员通过安装在挡风玻璃上的麦克风和车内音响系统的扬声器与挡风玻璃上的麦克风和车内音响系统的扬声器与他人通话，将驾驶员的双手从橾作移动电话中解他人通话，将驾驶员的双手从橾作移动电话中解脱出来，从而保证了行车安全。脱出来，从而保证了行车安全。2023/2/632(3)ZigBee无线网络nZigBee无线网络在汽车上应用的解决方案是针对蓝牙技术受车内电磁噪声影响的问题而提出。ZigBee可以工作在低于1GHz与2.45GHz的频带范围，传输速率为250kbps，主要应用范围包括工业控制、家庭自动化、消费类应用以及潜在的汽车应用。目前，ZigBee联盟发布了首批成功完成互操作性测试的四

23、款平台。这些平台将用来测试未来数月内推出的ZigBee产品，为ZigBee在各领域的实际应用铺平道路。查证Zigbee应用情况2023/2/6336.安全总线和标准(E类总线)n安全总线主要用于安全气囊系统，以连接速度计、安全传感器等装置，为被动安全提供保障。目前已有一些公司研制了相关的总线和协议，包括Delphi公司的SafetyBus和BMW公司的Byteflight。2023/2/634Byteflight协议特点nByteflight协议是由BMW、Motorola、Elmos、Infineon等公司共同开发的，试图用于安全保障系统。此协议基于灵活的时分多路TDMA协议、以10Mbps

24、的速率传送数据，光纤可长达43m。其结构能够保证以一段固定的等待时间专门用于来自安全元件的高优先级信息，而允许低优先级信息使用其余的时段。这种决定性的措施对安全是至关重要的。2023/2/635Byteflight协议应用nByteflight不仅可用于安全气囊系统的网络通信，还可用于X-by-Wire系统的通信和控制。BMW公司在其2001年9月推出的BMW7系列车型中，采用了一套名为ISIS的安全气囊控制系统，它是由14个传感器构成的网络，利用Byteflight来连接和收集前座保护气囊、后座保护气囊以及膝部保护气囊等安全装置的信号。在紧急情况下，中央电脑能够更快、更准确地决定不同位置的安

25、全气囊的施放范围与时机，发挥最佳的保护效果。思考：BMW7中的ISIS安全气囊详细介绍？（一位同学负责，10分钟ppt）2023/2/636车载各类总线应用趋势图事实上的标准A类LINB类CANC类高速CAN，FlexRayD类：多媒体总线 MOST（主）Bluetooth（辅）诊断总线OBDIIE类：安全总线Byteflight2023/2/637三汽车网络的发展趋向nX-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，如Steer-by-Wire，Brake-by-Wire等。由于整个设计思想涉及动力

26、、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。在未来的5-10年里，X-by-Wire技术将使传统的汽车机械系统变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统。在一辆装备了综合驾驶辅助系统的汽车上，目前存在几种相互竞争的几种网络技术，包括前文提到的TTP、Byteflight和FlexRay以及TTCAN(时间触发的CAN)。1-3.目前车载网络技术应用趋势？2023/2/638n至于哪一种总线网络会成为今后的标准，目前还尚难定论，但长远来看，车载网络还远没有达到成熟阶段。信息与电子技术发展很快，车辆上的应用又有比较大的滞后，所以车上信息与电子技术的应用还有很大的发展空间。它

27、们将对车上通信与控制网络提出一些新的需求，同时为新的车上网络技术提供技术支持。2023/2/6391.3车载总线技术的优势点与市场前景n一.汽车网络化的优点:n（1）基于总线技术或者无线技术，车辆电子综合控制可以在真正意义上实现车辆信息数据融合，将汽车电控系统的性能提升到新的层次；n（2）减少了车内线束的复杂程度，使得电控系统布置更加灵活。n（3）为实现智能汽车和智能交通奠定了基础。智能交通系统通过采用先进的电子技术、信息技术、通信技术等高新技术，对传统的交通运输系统及管理体制进行改造，从而形成一种信息化、智能化、社会化的新型现代交通系统。通过网络技术，车辆所有的电子设备都可以互相控制和访问，

28、实现车辆与车辆、车辆与公共信息服务中心之间的数据和信息交换，为交通的网络化管理提供接口。1-4.车载网络技术的优点？2023/2/640n可以看出，在未来几十年里汽车的网络化是发展的主题。无论采用总线技术还是采用无线通信技术，还是将总线技术同无线技术相结合，各大汽车生产商和零配件公司都在针对自己的技术水平、技术发展预测、经济水平等综合因素选择适合自己的方式进行汽车网络化。2023/2/641二.主要车用总线通信协议比较与应用前景2023/2/642n由于各方面的原因,汽车行业要建立一个统一的汽车网络协议体系,还有不少困难.不过,目前对汽车网络的应用已逐渐形成这样的看法:在低速网络中使用LIN;

29、在中速网络中采用低速CAN;在高速网络中,对现行汽车的实时分布控制方式,高速CAN将成为事实上的标准,但在采用X-by-wire技术的下一代汽车中,TTP/C与FlexRay的竞争暂未完结;面向多媒体导航系统的MOST协议看来势头正猛,它在减重和抗干扰方面有独特的优点,但它是一个封闭性的平台,它的对手IDB1394的是一个开放标准,可最大限度利用民用设备市场,因此具有很大潜力;在面向乘员的安全系统的网络中,Byteflight显示了其独特的优势.2023/2/643车上总线技术的速度/价格分布图bit/sbit/sdollardollarblueteethJ1850在图中,J1850将要被淘汰

30、,Byteflight也没有得到广泛认同.图中的显著特点就是:除蓝牙技术以外(无线通讯范畴),它们在位速率和成本上所占据的范围几乎不存在重叠区域.并且成本与位速率呈现递增关系.这反映出网络在汽车领域已被不同的车用总线所”瓜分”,而且这些总线在各自领域呈现出独霸一方的局面.2023/2/644n上图中还有一个特点:CAN-BCAN-C和TTCAN这三类都是由can规范所衍生出来的总线标准.从成本上看,这三类总线比较有市场竞争力.因此,在汽车行业也格外受到青睐,它被认为是车载网络领域最优发展前途的总线规范之一.在这一规范方面,第2章和第3章会进行详细的介绍，第4章将会介绍其应用.并且在实验方面，我

31、们的目的就是实现CAN节点之间的相互通信。2023/2/645三.我国车载网络技术发展策略n在汽车上应用网络技术,一是减少线束,二是提高传输速度,从而达到提高汽车综合性能的目的.在计算机网络和现场总线技术的基础上,开发各种应用于汽车环境的网络技术和设备,组建汽车内部的通信网络,是现代汽车发展的重要趋势.考虑到汽车上网络应用的层次和目的变化大,以及汽车对成本价格的敏感,因此汽车上将是多种层次网络的互连网结构.随着世界上各大汽车公司的网络控制技术平台的建立,网络技术在汽车中的应用会迅速普及.我国应抓住这个机会,在汽车网络标准建立、技术应用方面加强开发研究,尽快形成自己独立的知识产权,在汽车网络知识

32、领域中占据一席之地.2023/2/646目前实用的车载网络系统2023/2/647四四.网关种类介绍网关种类介绍总线型：是一种比较简单的网关，它采用一条称为公共总线的传输介质，将各节点直接与总线连接，信息沿总线介质逐个节点广播传送。星型：由中心节点和其它从节点组成，中心节点可直接与从节点通信，而从节点间必须通过中心节点才能通信。环型：信号按节点编号顺序以“接力”方式传输。2023/2/648宝马系列轿车的总线系统n宝马系列轿车第5代主要车型代号：n3系列E90（2005至今）；n5系列E60（2002至今）；n7系列E65（2002至今）。n5和7系的E60、E65的最为典型。下面分别介绍。2

33、023/2/649nE60和E65总线系统参数系统参数K-CANPT-CANMOST总线ByteflightD-Bus总线子总线系统数据传输速率（kbit/s）10050022500100001159.6或19.2总线结构线形线形环形环形线形2023/2/650宝马宝马7系系E65车载网络车载网络（教材（教材p179p179）1-5.请说明宝马宝马宝马宝马E65E65汽车汽车汽车汽车网关网关通讯通讯中各种颜色的线分别代表中各种颜色的线分别代表什么总线什么总线,并恢复缩写全称？并恢复缩写全称？K-CANP外围总线ByteflightPT-CAN动力传动系统K-CANS系统总线MOST2023/2/651网关种类介绍网关种类介绍2023/2/652宝马宝马5系系E60网关网关K-CAN车身总线1-6：请说明宝马宝马宝马宝马E6E60 0所包括的总线类型？所包括的总线类型？所包括的总线类型？所包括的总线类型？MOSTByteflightPT-CAN动力传动系统E60总线系统是建立在E65总线基础上，并根据5系的特点进行有根据的改动。2023/2/653附图附图1：奔驰：奔驰S系列系列-汽车汽车网关通讯网关通讯2023/2/654n奔驰新款E级轿车W212包含的总线技术有：CAN、LIN、Most，共有58个ECU。n参考：http:/