上QQ阅读APP看本书，新人免费读10天

设备和账号都新为新人

工作任务1

网络系统基础知识的学习

导向

客户委托

维修人员确认了车辆的故障现象后，通过阅读维修资料了解到该车辆搭载了CAN—BUS数据总线系统。此前，维修人员对该总线系统并无过多的了解，希望你通过下面的学习，掌握关于车载网络系统的相关知识，了解车载总线系统。

1.任务描述

要求通过工作任务的学习，了解和掌握车载网络系统的应用背景和起源。并对车载网络系统的基础知识和术语有一定的了解。

2.基础知识

现代汽车在驾乘及其使用的层面上，其发展是越来越趋向于舒适、简便、快捷。对驾驶者在功能方面的要求也应尽可能地进行满足，车辆上也因此越来越多地添加各种功能的电器系统，这些功能的实现是基于电子控制单元（Electronic Control Units）即ECU来实现的，基于可靠性考虑，汽车ECU经历了一个从多到少，又从少到多的过程，如图1-1所示。

图1-1 现代车辆上可能存在的各种ECU

对于ECU来说，传感器（Sensor）和执行器（Final Controlling Element）是电子控制系统控制的核心。ECU需要大量精准的传感器信号作为基准，同时还需要执行器不打折扣的精确执行。而对于现代汽车的ECU需要与多个传感器和执行器之间进行数据交换。而各个不同ECU之间需要同一种传感器的数据信号，单纯的重复安装传感器。从成本上和数据的一致性上来考虑，各个ECU之间对于传感器和执行器数据资源的共享成为一种最合理的选择，并且能够做到最大限度地节约车辆导线的使用量。总的来讲，现代车辆搭载数据总线系统之后可以有以下优势。

（1）简化车身布线——节约资源

采用常规的布线方式，即电线一端与开关相接，另一端与用电设备相通，将导致车上电线数目急剧增加。一辆采用传统布线方法的高档汽车，其导线长度可达2000m，电气节点达1500个，电线的重量可以达到40～60kg。比如客车上的车速信号，在没有总线的情况，车速信号要接到电涡流缓速器、空气悬架、门控制及电喷发动机。有了总线后只要接到一处，其他电器均可通过总线共享。

（2）数据共享——减少数据处理单元，节约资源

比如，对于具有CAN总线接口的电喷发动机，其他电控系统可共享其提供的转速、水温、油压等信号。一方面可省去额外的水温、油压传感器；另一方面可以将这些数据显示在仪表上，便于驾驶员检查发动机运行情况，从而便于发动机的保养维护。

（3）硬件方案的软件化实现——节约资源

比如，发动机前点火（客车上应用）时必须满足下列条件：

①后仓门关闭。

②空挡信号。

再比如，后点火时必须满足下列条件：

①空挡。

②钥匙门处于ON挡。

另外还需点火保护装置，以往是靠一系列继电器来实现这些功能，既不可靠又增大成本。而用软件实现，既可靠又没有过多资金投入，可以极大地压缩成本。

（4）良好的扩充性——减少重复设计，节约人力资源

CAN节点几乎可以在不改动原有线束的情况下增加新的组件。同时配置参数十分方便，可以通过CAN总线分析软件进行设置。如各种开关输入可以根据厂家需求设置控制极性（正负控）。

（5）以微处理机和半导体功率模块取代以继电器为主体的常规逻辑电路降低功耗——节能

由于继电器工作是需要单独耗电的，使用总线系统后，车上安装的大量继电器和保险都没有了，减少了车辆这部分的能耗。

（6）安全性高——降低功耗，减少温升，降低自燃概率

模块内采用智能电子开关取代继电器，实现驱动无触点化，减少电磁干扰，延长使用寿命。

模块内采用自恢复保险丝，取代熔断丝，具有过载保护和自动恢复的功能。

可进行故障诊断、报警和记录。既保证了整车电气的可靠性，又增强了可维护性。如灯丝烧断后会提醒司机更换。

开关向主控模块发送信号，通过开关的电流很低（mA级），大大延长了开关的使用寿命。

（7）高可靠性——行车车况的指示，更真实可靠，便于车辆安全行驶

CAN总线与车上其他控制模块（ECM）（TCM）进行数据共享通信，车上安装数字化仪表时，将这些数据反映到驾驶员的面前，这些数据大部分取自车上其他的控制模块，数据真实可靠。

例如，车上的转速表信号，原来都要有专门的转速传感器，现在通过CAN总线的数据通信，可以直接接收到发动机ECM中的转速信号，这个数据十分精确。

（8）基于计算机技术的总线节点具有强大的故障诊断能力和自动恢复能力

CAN总线可以检测到用电器的工作异常，同时在明显的地方进行提醒。诊断功能可以让驾驶员十分方便地知道车上用电器的工作情况。同时模块内都有自恢复保险，可以在检测到电器工作异常会影响车辆的使用时，断开电路，并在故障排除后自动恢复，减少了更换保险。

信息

1.按照网络拓扑结构对总线系统进行分类

所谓拓扑学（TOPOLOGY）是一种研究与大小、距离无关的几何图形特性的方法。网络拓扑是由网络节点设备和通信介质构成的网络结构图。在选择拓扑结构时，主要考虑的因素有：安装的相对难易程度、重新配置的难易程度、维护的相对难易程度，以及通信介质发生故障时，受到影响的设备的情况。

网络中的计算机等设备要实现互联，就需要以一定的结构方式进行连接，这种连接方式就叫做“拓扑结构”，通俗地讲就是这些网络设备是如何连接在一起的。目前常见的网络拓扑结构主要有以下四大类。

（1）星形结构（图1-2）

图1-2 星形拓扑结构示意图

这种结构是目前在局域网中应用得最为普遍的一种，在企业网络中几乎都是采用这一方式。星形网络几乎是Ethernet（以太网）网络专用，它是因网络中的各工作站节点设备通过一个网络集中设备（如集线器或者交换机）连接在一起，各节点呈星状分布而得名。这类网络目前用的最多的传输介质是双绞线，这种结构便于集中控制，因为端用户之间的通信必须经过中心站。由于这一特点，也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停机时也不会影响其他端用户间的通信，但这种结构非常不利的一点是，中心系统必须具有极高的可靠性，因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。对此中心系统通常采用双机热备份，以提高系统的可靠性。

这种拓扑结构网络的基本特点主要有如下几点：

①容易实现：它所采用的传输介质一般都是采用通用的双绞线，这种传输介质相对来说比较便宜。

②节点扩展、移动方便：节点扩展时只需要从集线器或交换机等集中设备中拉一条线即可，而要移动一个节点只需要把相应节点设备移到新节点即可，而不会像环形网络那样需要整体变更。

③维护容易：一个节点出现故障不会影响其他节点的连接，可任意断开故障节点。

④采用广播信息传送方式：任何一个节点发送信息在整个网中的节点都可以收到，形成数据平台。

⑤网络传输数据快：目前最新的1000Mbps到10Gbps以太网接入速度是一般的网络很难达到的。

其实它的主要特点远不止这些，但因为后面我们还要具体讲各类网络接入设备，而网络的特点主要是受这些设备的特点来制约的，所以，其他一些方面的特点，我们在后面讲到相应网络设备时再补充。

（2）环型结构（图1-3）

图1-3 环型拓扑结构示意图

这种结构的网络形式主要应用于令牌网中，在这种网络结构中各设备是直接通过电缆来串接的，最后形成一个闭环，整个网络发送的信息就是在这个环中传递，通常把这类网络称之为“令牌环网”。实际上大多数情况下这种拓扑结构的网络不会是所有计算机真的要连接成物理上的环形，一般情况下，环的两端是通过一个阻抗匹配器来实现环的封闭的，因为在实际组网过程中因地理位置的限制，不方便真的做到环的两端物理连接。

这种拓扑结构的网络主要有如下几个特点：

①这种网络结构一般仅适用于IEEE 802.5的令牌网（Token ring network），在这种网络中，“令牌”是在环形连接中依次传递。所用的传输介质一般是同轴电缆。

②这种网络实现也非常简单，投资最小。可以从其网络结构示意图中看出，组成这个网络除了各工作站就是传输介质，没有节点集中设备，如集线器和交换机。但也正因为这样，这种网络所能实现的功能最为简单，仅能当做一般的文件服务模式。

③传输速度较快。在令牌网中允许有16Mbps的传输速度，它比普通的10Mbps以太网要快许多。当然随着以太网的广泛应用和以太网技术的发展，以太网的速度也得到了极大提高，目前普遍都能提供100Mbps的网速，远比16Mbps要高。

④维护困难。从其网络结构可以看到，整个网络各节点间是直接串联，这样任何一个节点出了故障都会造成整个网络的中断、瘫痪，维护起来非常不便。另一方面因为同轴电缆所采用的是插针式的接触方式，所以非常容易造成接触不良，网络中断，而且这样查找起来非常困难，这一点相信维护过这种网络的人都会深有体会。

⑤扩展性能差。也是因为它的环形结构，决定了它的扩展性能远不如星形结构的好，如果要新添加或移动节点，就必须中断整个网络，在环的两端作好连接器才能连接。

（3）总线型结构（图1-4）

图1-4 总线型拓扑结构示意图

这种网络拓扑结构中所有设备都直接与总线相连，它所采用的介质一般也是同轴电缆（包括粗缆和细缆），不过现在也有采用光缆作为总线型传输介质的，后面我们将要讲的ATM网、Cable Modem所采用的网络等都属于总线型网络结构。

这种结构具有以下几个方面的特点：

①组网费用低。从示意图可以看出这样的结构根本不需要另外的互联设备，是直接通过一条总线进行连接，所以组网费用较低。

②这种网络因为各节点是共用总线带宽的，所以在传输速度上会随着接入网络的用户的增多而下降。

③网络用户扩展较灵活。需要扩展用户时只需要添加一个接线器即可，但所能连接的用户数量有限。

④维护较容易。单个节点失效不影响整个网络的正常通信。但是如果总线一断，则整个网络或者相应主干网段就断了。

⑤这种网络拓扑结构的缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其他端用户必须等待到获得发送权。媒体访问获取机制较复杂。

尽管有上述一些缺点，但由于布线要求简单，扩充容易，端用户失效、增删不影响全网工作，所以是网络技术中使用最普遍的一种。

（4）混合型拓扑结构

这种网络拓扑结构是由前面所讲的星形结构和总线型结构的网络结合在一起的网络结构，这样的拓扑结构更能满足较大网络的拓展，解决星形网络在传输距离上的局限，而同时又解决了总线型网络在连接用户数量的限制。这种网络拓扑结构同时兼顾了星形网与总线型网络的优点，在缺点方面得到了一定的弥补。

那么，什么是数据总线呢？打个比方，一个工厂要把自己的产品A运送到目的地M的A仓库，又要把产品B送到目的地M的B仓库，还要把产品C送到目的地M的C仓库。工厂可以为每一种产品专门修一条公路，因为有3种产品，所以需要3条公路。可以肯定的是不会有企业会这样做，他只需要修一条通目的地M的公路，到达目的地M才转向不同的目的地。这样，一条路就搭载了各种不同的产品。同样的道理，数据总线搭载了不同的信息，这些信息由不同的部件发出，到达另一些不同的部件。

数据总线为各电控单元间提供进行数据交换的平台，即信息高速公路。数据总线可以在一条数据线上发布信号并可以被多个控制单元接收共享，从而实现最大限度地充分利用系统资源，避免不同传感器数据的差异性，提高系统的综合效率。数据总线可以是一根导线，也可以是两根导线，甚至可以通过其他的形式存在。

正如公路运输需要交通规则来维持正常的运作，数据总线也需要规范信息的流动。所有网络的共同问题就是要避免在同一个时间传递数笔数据，否则就会出现数据之间相互干扰的问题。如图1-5所示。

图1-5 通信干扰和正常的通信方式

目前最常见的有两种通信传输方式，即串行数据和并行数据。

串行通信传输方式基本的规则是分时。在这种规则下，数据总线在每一时刻只能被两个部件占用，在两个部件之间传送信息。由于电信息传播的速度极快，数据总线完全可以满足许多部件进行分时信息传递的需要。数据的传输在一条信号线路上按位进行的传输方式，如图1-6所示。

图1-6 串行通信传输方式示意图

并行通信传输是在传输中有多个数据同时在设备之间进行的传输。通俗地讲，并行传输的通路犹如一条多车道的宽阔大道，数据就如同车辆，可以多数据同时传输，而串行传输则是仅能允许一辆汽车通过的桥，只能一辆一辆按顺序行进，否则就会出现塞车。如图1-7所示。

图1-7 并行通信传输方式示意图

串行传输的速度比并行传输的速度要慢得多，但费用低，并行传输适用距离短，而串行传输适用远距离传输并行数据传输技术向来是提高数据传输率的重要手段，但是，进一步发展却遇到了障碍。首先，由于并行传送方式的前提是用同一时序传播信号，用同一时序接收信号，而过分提升时钟频率将难以让数据传送的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异，数据就会以与时钟不同的时序送达。另外，提升时钟频率还容易引起信号线间的相互干扰，导致传输错误。因此，并行方式难以实现高速化。从制造成本的角度来说，增加位宽无疑会导致控制单元上的布线数目随之增加，成本随之攀升。因此串行数据总线开始成为高速数据总线的首选。例如PC上的USB。USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线”，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通信，是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。

USB用一个4针（USB 3.0标准为9针），如图1-8所示。

图1-8 PC的USB接口

通常汽车上的数据传输也是采用这种在同一通道或线路上的数据传输方式，在传输数据时，各种数据在数据传输时采用了这种分时多路传输。将很短的时间分成若干段，每一个时间段定时并按照设定次序发送固定对象间的信息。这种在同一通道或线路上进行多路信息的方式又被称为多路次序传输，如图1-9所示。

图1-9 分时通信模式示意图

由于数据传输的速度极快，就如同在同时发送。多路传输可以通过一根数据总线执行多个指令，因此可以增加许多的功能装置。从图中可以看出常规线路比传统线路简单，但多路传输在控制单元之间所用的电线也比常规传输所用的导线少得多。

串行传输的速度比并行传输要慢得多，但费用低，通常传输距离较远的数字通信系统多采用串行传输。而并行传输的速度高，但设备费用也高，适用于近距离传输。

通信的目的就是为了交换信息，通信系统就是实现把信息从一个地方传送到另一个地方的系统。信息是对数据的解释，数据是信息的载体，信号是数据的表示形式。数据通信专指信号发送端和接收端中数据的形式是数字的，以计算机系统为主体构成的网络通信系统就是数据通信系统。

衡量一个数据通信系统好坏的主要技术指标有误码率和传输速率。

（1）误码率

误码率的定义是二进制码元（每个数字就是一个码元）被错传的概率。这是衡量一个通信系统传输可靠性的指标。当所传输的数字序列趋于无限长时，误码率等于被传错的二进制码元数与所传码元总数之比，即

（2）传输速率

传输速率包括数据传输速率和调制速率两种。分别用比特率和波特率来表示。

①数据传输速率。数据传输速率是指单位时间内传送二进制代码的位数。单位是比特/秒或位/秒；用比特率表示，记为bit/s。计算公式为

S=1/T（log 2N）

式中 S——数据传输速率；

T——电脉冲信号（码元）的宽度或周期；

N——电脉冲信号所有可能的状态数，是2的整幂数。

log2N是每个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数。若电信号所有可能的状态数N=2，即只有“0”和“1”两种状态，则每个电信号只传送1位二进制数据，那么S=1/T。

②调制速率。调制速率又称码元速率，是信号经调制后的传输速率，表示单位时间内传输的码元个数，用波特率表示，以波特（baud）为单位。

数据传输速率与调制速率的关系是

S=/3log2N

从上述介绍可知，只有当N=2二进制调制时，数据传输速率和调制速率才是相等的。在多元调制时，两者是不相等的。

信道是通信中传输信息的通道，它由相应的发送信息与接收信息的设备，以及与之相连接的传输介质组成，其连接方式有点对点连接和多点连接。

①点对点连接。点对点连接时，通信双方处于信道两端。如图1-10所示。

图1-10 点对点通信方式示意图

②单工、半双工和全双工通信。根据数据信息在信道上的传输方向，数据通信可分为单工通信、半双工通信和全双工通信。

单工通信的信息流只能沿一个方向传输，即发送站和接收站是固定的，无法进行反向的通信。遥控、遥测，就是单工通信方式。如图1-11所示。

半双工通信的信息流可以在两个站之间双向传输，但双向传输不能同时而只能交替进行，即在同一时间内，通信双方只能在一个方向上传输信息。如步话机的通信方式。如图1-12所示。

图1-11 单工通信的汽车遥控器

图1-12 半双工通信的步话机

全双工通信允许在同一时刻两个方向同时进行数据传输。单工通信方式多用于无线广播、有线广播或电视广播，在数据通信系统中很少采用。全双工和半双工相比，全双工的效率高，但结构复杂，成本也较高。常用的电话机就属于全双工通信方式。如图1-13所示。

图1-13 全双工通信的电话机

③同步传输与异步传输。同步是数字数据传输过程中要解决的一个重要问题。因为数据是按位传输的，如果发送端发送的速率和接收端接收的速率不一致，那么接收端收到的将是不正确的信息。同步就是指接收端要按照发送端所发送的每个码元的重复频率和起止时间来接收数据。常用的传输方法有同步传输方式和异步传输方式。

同步传输方式各字符没有起始位和停止位，采用按位同步的同步技术。位同步就是使接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保持同步，实现位同步的方法有外同步法和自同步法。外问步法是在发送数据前，发送端先向接收端发一连串同步的时钟，接收端按照这一时钟频率调整接收时序，把接收时钟重复频率锁定在接收的同步频率上，然后按照同步频率接收数据。自同步法是从数据信号波形自身提取同步信号的方法，时钟信号与传输信息可以同时传输到接收端，如数字信号采用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，由于这两种编码都是自同步编码，编码本身都带有同步信号，因此接收方可以从接收到的信号分离出同步时钟。

异步传输方式又称起止同步传输方式或群同步传输方式，它是在位同步基础上的同步，它要求发送端与接收端必须保持一个群内的同步，为厂识别字符或进行字符同步，在每个发送的字符前后各加入一位或多位信息，以表示一个字符的开始和结束。每个字符都按照一个独立的整体进行发送，在传输过程中，每个字符可以以不同速率发送，各字符的发送时间间隔也是任意的，因此称为异步。

2.汽车网络的分类

汽车网络技术从20世纪80年代出现以来，已形成了多种网络标准。目前存在的多种汽车网络标准，其侧重的功能有所不同。20世纪90年代中期，美国汽车工程师协会（SAE）按照汽车上网络系统的性能由低到高将其划分为A级、B级、C级网络，D级以上没有规定。

A级网络主要应用于要求价格低，数据传输速度、实时性、可靠性要求较低的情况，如车身系统的车门窗和后备厢等系统；A级网络也作为一些传感器级和执行器级的底层局部连接网络。根据这些网络协议目前发展和使用的状况，A类网络主要协议是TTP/A（Time Triggered Protocol/C1ass A和LIN（local interconnect network）。

B级网络用于对数据传输速度要求较高的系统，包括一些车身控制系统、仪表盘和一些低档的实时控制系统及故障诊断系统（ODB）等。目前B类网络有CAN（ISO 11898—3）、SAEJ 1850，VAN（vehicle area network）。C级网络主要用于可靠性和实时性要求较高的系统，如高档的发动机和动力传动系统的实时控制系统，一些线控系统等。目前，C类网络中的主流协议包括高速CAN（ISO11898—2）、正在发展中的TTP/C、F1exRay等协议。最近几年，随着汽车电子技术的高速发展，世界各大汽车公司、电子元器件及各科研机构根据电子技术和汽车应用的发展推出了许多新的车用通信协议，到目前为止有40多种，难以将基于这些新协议的网络都归类到SAE定义的3类网络中去。综合考虑功能和位传输速率等因素，现有的汽车通信网络大致可划分为5类，沿袭SAE分类，又新划分D、E级网络。D级网络主要面向多媒体、导航系统等，网络协议的位传输速率在250kbit/s～400kbit/s之间。目前，该网络的主流协议为DDB（Domestic Digital Bus）或MOST（Media Oriented Systems Transport）。E级网络主要是面向乘员的安全系统，主要应用于车辆被动安全领域。在E类网络的应用场合中可能存在2条或多条总线。该网络的主要协议为Byteflight。在今天的汽车上，作为一种典型应用，车体和舒适性模块都连接到CAN总线上，并借助于LIN总线进行外围设备控制。而汽车高速控制系统，通常会使用高速CAN总线连接在一起。远程信息处理和多媒体连接需要高速互连，视频传输又需要同步数据流格式，这些都可由DDB（Domestic Digital Bus）或MOST（Media Oriented Systems Transport）协议来实现。无线通信则采用蓝牙技术（B1uetooth）加以实现。

从1980年起，汽车内开始装用网络。1983年，丰田公司在世纪牌汽车上最早采用了应用电缆的车门控制系统，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ECU对各个车门的门锁、电动玻璃窗进行控制，这就是早期在汽车上所采用的光缆系统。特别是在北欧，CAN早已得到非常普遍的应用，1992年起，Mercedes-Benz（奔驰）开始在他们的高级客车中使用CAN技术。首先使用电子控制器通过CAN对发动机进行管理；第二步使用控制器接收人们的操作信号。这就使用了2个物理上独立的CAN总线系统，它们通过网关连接。其他的客车厂商也纷纷赶来斯图加特学习，在他们的客车上也使用2套CAN总线系统。现在，继Volvo、Saab、Volkswagen、BMW之后，Renault和Fiat也开始在他们的汽车上使用CAN总线。

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采用更大容量的网络，例如DDB/Optical（Domestic Digital Bus/Optical），MOST（Media Oriented System Transport），IEEE 1394等。汽车电子系统变得越来越复杂。计算机处理器控制从防抱死刹车系统（ABS）和燃油喷射单元直至前沿的娱乐系统等多种汽车功能。

汽车网络通常可划分为车体和传动系统控制网络及远程信息和多媒体子网。中心控制器（在欧洲称为“汽车PC”）是汽车系统的核心单元。中心控制器使用户能够操作不同的电子系统和控制单元。为了能够与这些电子控制单元进行通信，中心控制器必须通过网关控制器来访问所有类型的总线，该网关控制器在汽车中不同电、光总线之间起到了路由器的作用。下一代汽车网络如图1-14所示。