浅谈汽车车载总线技术

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摘要：介绍了汽车数据总线的概念、分类，简要分了CAN、LIN、FlexRay的技术规范和通讯原理。

关键词：数据总线；CAN、LIN、FlexRay

前言：

“汽车电子业最大的热点就是网络化”，汽车电子技术已发展到控制系统综合化、信息共享化、机能智能化的新阶段，随着汽车电子设备的不断增加势必会引起导线数量的不断增多，元器件、导线布置困难，故障率增加等诸多问题。在汽车内部各电控单元之间采用类似于计算机内部总线的方式进行信息传递，可以达到信息共享，减少布线，降低成本以及提高总体可靠性的目的。目前，世界各大汽车厂商业已将数据总线植入其的车系的电控系统中，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，近10年来数据总线技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。

1车载数据总线的分类

为了解决汽车各电控单元之间的信息交换与共享，世界各主要车系均不同程度地引入了车载数据总线技术（亦称控制器局域网），其分类主要以其适用的网络协议即标准划分。目前存在多种汽车网络标准，为方便研究和设计应用，SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为A、B、C三类。

1.1 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1-10kbit /s。主要应用于电动门窗、中控锁、座椅调节、灯光照明等控制。

1.2 B类：面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般为10-100kbit/s。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。

1.3 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1Mbit/s，主要用于发动机和自动变速的动力控制、防滑控制、悬架控制等系统，以简化分布式控制和进一步减少车身线束。到目前为止，满足C类网要求的汽车控制器局域网只有CAN协议。

三类网络均向上涵盖，即C类网能同时实现B类和A类网功能，B类支持C类网的功能，但是不同位速率或不同协议的网联网则必须设置网间网关。

1.4 目前在汽车上已实用化、常用的数据总线

1.4.1 CAN（控制器局域网）――中等速度（最高1Mbps）、单信道、双线容错协议，目前不仅在汽车业，还在许多工业应用中广泛使用。CAN协议的目标应用可以包括电机控制、悬架控制和车内信息娱乐功能。

1.4.2 LIN-本地互联网络――低速（最高20kbps）、单线低成本协议，可用于终端节点应用。LIN的概念注定这种协议用于传感器/执行器中，一般用于低速通讯，即速度不是关键因素的应用中。

1.4.3 FlexRay――高速度（每信道高达10 Mbps）、双信道、时间触发、强大的容错协议，设计用作骨干网。一般的目标应用是所谓的X-by-wire（线控）概念。其目的是通过电子信号传输来替代传统的制动踏板和制动器或方向盘和车轮之间的机械传动。

2 CAN数据总线

2.1为什么要采用数据总线?

我们知道，汽车两块电脑之间的信息传递，有N个信号就至少要有N+1条信号传输线(信号传输线的接地端可以采用公共回路)，这样会导致电控单元针脚数增加、线路复杂、故障率增多及维修困难。

2.2 什么是数据总线？

一辆汽车不管有多少块电控单元，不管信息容量有多大，每块电控单元都只需引出两条线共同接在两个节点上，这两条导线就称为数据总线。以前各电控单元之间好比有许多人骑着自行车来来往往，现在是这些人乘坐公共汽车，公共汽车可以运输大量乘客，故数据总线亦称BUS线（如图1所示）。可以看出CAN网络的拓扑结构属于总线型，网上各电控单元也成为节点。

2.3 什么是CAN协议？

正如公路运输需要交通规则来维持正常的运作一样，数据总线也需要信号传递规范。或者说电子计算机网络用电子语言来说话，各电控单元必须使用和解读相同的电子语言，这种规范或语言称为“协议”，汽车电脑网络常见的传输协议有数种。大众车系装用博世公司产品，数据总线采用CAN协议，这个协议是由福特、Internet与博世公司共同开发的高速汽车通信协议。

CAN是Controller Area Network(控制单元区域网络)的缩写，意思是控制单元通过网络交换数据，CAN协 议已经被ISO颁布为ISO标准，目前为ISO11898与ISO11519-2。前者是通信速率为125Kbit/s-1Mbit/s的CAN高速通信标准；后者是通信速率最高可达125Kbit/s的CAN低速通信标准。CAN作为一种串行多主总线，支持分布式实时控制网络。其通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。

2.3.1CAN协议的特点

2.3.1.1 多主

作为一种多主总线，支持分布式实时控制的通信网络，CAN总线在空着的时候，所有的节点（控制单元）都可以发出报文。

2.3.1.2 报文的发出

在CAN协议中，规定了所有的报文应以规定的格式发出，在总线空着的时候，与总线相连的所有节点都可以发出新的报文。在两个以上的节点同时开始发出报文的场合下，利用数据帧中的标识符（以下简称ID）可以决定优先顺序，即所谓总线仲裁：以比特为单位对各报文的ID进行仲裁，仲裁获胜（被判断为最有优先顺序）的节点继续进行发信；仲裁失败的节点立即停止发信并转为收信状态。

2.3.1.3 系统的灵活性

与总线相连的节点没有节点地址信息，因此，再追加节点的时候，就没有必要更改与总线相连的其它节点的软件、硬件及应用层。

2.3.1.4 通信速度

可以根据网络的规模设定通信速度。在一个网络内部，对所有的节点来说，必须设定统一的通信速度。通信速度不同的节点连到一起，节点就会出错，阻碍通信。在不同的网络上，可以采用不同的通信速度。

2.3.1.5 可要求远程数据

在发送远程帧时，可对其它节点提出发送数据的要求。首先访问总线的节点可以获得发信权。同时有多个节点开始发信的场合下，所发报文具有最高优先顺序ID的节点可以获得发信权。

2.3.1.6 错误检测、错误通知、错误还原功能

所有的节点都可以检测出错误（错误检测功能）；检测出错误的节点立即向其它节点发送出错通知（错误通知功能）；传送报文的节点检测出错误时，则强制使其发信结束，强制使送信结束的节点会反复再传送，直至其报文可以正常传送为止（错误还原功能）。

2.3.1.7 故障的界定

CAN总线上出现的故障可以分为：总线上的数据临时产生的错误（来自外部的干扰等）与总线上数据连续产生的错误（节点内部的故障、驱动方面的故障及断线等引起的），CAN具备判别错误种类的功能。利用这项功能、在总线上的数据连续产生错误的场合下，会将产生错误的节点从总线上摘除。

2.3.1.8 连接

CAN总线是同时可以连接许多单元的网络，从理论上讲，可以连接的节点数是无限的。但实际可以连接的单元数，将受总线延迟时间与电负荷的限制，当降低通信速度时，可以连接较多的单元；当提高通信速度时，可以连接的单元数将减少。例如：当使用PilipsP82C250芯片作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点，数据传输率可达1Mbit/s。

2.3.2 CAN总线系统的优点

2.3.2.1 将传感器信号线减至最少，使更多的传感器信号进行高速数据传递。