1、第二章车载网络基础知识第一节现 场 总 线第二节车载网络结构与组成第三节常用基本术语第四节汽车网络参考模型第五节车载网络分类和通信协议标准第六节汽车对通信网络的要求第一节现 场 总 线一、功用二、特点三、现场总线的几种常见类型一、功用总线即传输信息的公共通道，现场总线(Field Bus)是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线技术是一种全数字化、全分散式、可互操作和开放式互联网络的新一代控制技术，是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成。二、特点1.总线式结构2.彻底的分散控制3.开放性、互操作性和互换性4.多种传输介质和
2、拓扑结构5.可靠性高6.综合功能1.总线式结构图2-1现场总线结构2.彻底的分散控制图2-2现场总线的分散控制3.开放性、互操作性和互换性现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络。不同厂家的产品可以方便地接入同一网络，在同一控制系统中进行互操作；不同厂家性能类似的设备可实现相互代替，简化了系统集成。4.多种传输介质和拓扑结构由于采用数字通信方式，因此可用多种介质进行通信。根据控制系统中节点的空间分布情况，可应用多种网络拓扑结构。5.可靠性高数字信号传输抗干扰能力强，精度高，成本低。6.综合功能现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，实现了一表多用，不仅方便了用户，而且降低了
3、成本。三、现场总线的几种常见类型1.基金会现场总线(FF)2.过程现场总线(Profibus)3.局部操作网络(LonWorks)4.控制器局域网(CAN)5.设备网(DeviceNet)6.控制网(ControlNet)三、现场总线的几种常见类型表2-2常见现场总线性能比较类型特性FFProfibusLonWorksCANDeviceNetControlNet开发公司FisherRosemountSiemensEchelonBoschRockwellAutomationRockwellAutomationOSI网络层次1，2，7，（8）1，2，7171，2，71，2，71，2，7通信介质双绞
4、线、同轴电缆和光纤双绞线和光纤双绞线、同轴电缆、光纤、无线和电源线双绞线双绞线、同轴电缆和光纤双绞线、同轴电缆和光纤介质访问方式令牌令牌可预测P 坚持CSMA（Predicitve P Persistent CSMA）带非破坏性逐位仲裁的载波侦听多路访问（CSMA/NBA）带非破坏性逐位仲裁的载波侦听多路访问（CSMA/NBA）隐性令牌三、现场总线的几种常见类型表2-2常见现场总线性能比较最大通信速率/（Kbit/s）3125（H1）100000（H2）12000150010005005000最大节点数321271106499优先级有有有有有有本质安全性是是是是是是开发工具有有有有有无1.基金
5、会现场总线(FF)FF的体系结构参照ISOOSI参考模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层。另外增加了用户层。基金会现场总线分低速H1总线和高速H2总线两种。2.过程现场总线(Profibus)Profibus有3种类型，即分散化的外围设备Profibus-DP、现场总线报文规范Profibus-FMS、过程自动化Profibus-PA。3.局部操作网络(LonWorks)采用ISOOSI参考模型的全部7层协议和面向对象的设计方法，通过网络变量将网络通信设计简化为参数设置，其最大传输速率为1.5Mbits，传输距离为2700m，传输介质为双绞线、光纤、同轴电缆、射频、红外线和电
6、源线等，可支持总线供电和本质安全。4.控制器局域网(CAN)CAN用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。CAN结构模型取ISOOSI参考模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层。5.设备网(DeviceNet)DeviceNet是一种开放式的通信网络，将工业设备如光电开关、操作员终端、电动机起动器、变频器和条形码读入器等连接到网络。6.控制网(ControlNet)Control Net是一种高速、高确定性和可重复性的网络，特别适用于对时间有苛刻要求的复杂场合的信息传输。其总线上传输的信息一类是对时间有苛刻要求的控制信息和I数据，拥有最高的优先权，以保证不受其他信息的干扰，并
7、具有确定性和可重复性；另一类是无时间苛求的信息，如上/下载程序，设备组态，诊断信息等。第二节车载网络结构与组成图2-3车载网络系统第二节车载网络结构与组成图2-4车载网络系统布置第二节车载网络结构与组成图2-5车载网络数据传输第二节车载网络结构与组成图2-7动力系统接口电控单元(网关)第二节车载网络结构与组成图2-8车载网络系统的主要附属装置第三节常用基本术语1.数据总线2.网络3.网络拓扑结构4.网络互联5.数据传输6.链路(数据传输介质)7.报文及帧8.通信协议9.传输仲裁10.架构11.模块节点第三节常用基本术语12.集线器13.分总线14.主总线15.终端电路1.数据总线数据总线是电控
8、单元之间传递数据的通道。数据总线可以实现在一条数据线上传递的信息能被多个系统(电控单元)共享的目的，从而最大限度地提高系统整体效率，充分利用有限的资源。2.网络为了实现信息共享而将多条数据总线连在一起，或将数据总线和模块连接为一个系统称为网络。计算机网络是在协议控制下，由一台或多台计算机、若干台终端设备、数据传输设备，以及便于终端和计算机之间或若干台计算机之间数据流动的通信控制处理机等所组成的系统集合。图2-9多路传输网络(LS430汽车)2.网络3.网络拓扑结构(1)总线型拓扑结构将各个节点和一根总线相连，网络结构简单、灵活，可扩充性好，可靠性高，资源共享能力强。(2)环形拓扑结构网络中各节
9、点通过一条首尾相连的通信链路连接而成一个闭合环形结构网，数据在环上单向流动。(3)星形拓扑结构每个节点均以一条单独信道与中心节点相连，中心节点是通信控制中心。图2-10局域网拓扑结构3.网络拓扑结构4.网络互联(1)中继器中继器又称为转发器，在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大，以此延长网络的长度。(2)网桥网桥又称为桥接器，它在数据链路层上对帧进行存储转发。(3)路由器路由器在网络层上实现多个网络互联，对分组信息进行存储转发。(4)网关由于汽车上有很多总线和网络，必须用一种有特殊功能的电控单元达到信息共享和不产生协议间冲突的功能，实现无差错数据传输，这种电控单元称为网
10、关。网关的主要作用如下：1)将CAN的数据转变成可识别的OBD-诊断数据语言，便于诊断。2)使低速的CAN和高速的CAN信息共享。3)接收和发送信息。4)激活和监控CAN网络工作状态。5)实现车辆数据的同步性。4.网络互联5.数据传输(1)串行传输与并行传输 (2)同步传输与异步传输 (3)多路传输(1)串行传输与并行传输串行传输的数据是一位一位在设备间进行传输，在发送站需将并行数据位流变成串行数据位流，然后发送到传输信道上；在接收站要将从传输信道接收到的数据位流变换成并行数据位流。并行传输时，多个位在设备间同时传输。(2)同步传输与异步传输同步传输方式各字符没有起始位和结束位，采用按位同步的
11、原则。位同步即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。异步传输方式是在位同步基础上的同步，要求发送端与接收端必须保持一个群内的同步。(3)多路传输1)时分多路复用(TDM)是在传输时将时间分成小的时间段，每一时间段由复用的一路信号占用，各路信号在微观上串行传送，宏观上并行传送。2)频分多路复用(FDM)是将多路信号分别调制到互不交叠的频段进行传输，各路信号在微观上并行传送。3)波分多路复用(WDM)是在光波频率范围内，将不同波长的光波按一定间隔排列在一根光纤中传送。6.链路(数据传输介质)表2-3数据传输介质的特点媒体信号类型最大数据传输速度/（Mbit/s）最大传输距离/km联
12、网设备数双绞线数字12004几十同轴电缆（50）数字10几百同轴电缆（75）数字501几十同轴电缆（75）模拟2010几千同轴电缆（75）单信道模拟501几十光纤模拟1001几十6.链路(数据传输介质)(1)双绞线双绞线能传输模拟信号和数字信号，通信距离可达十几千米。(2)同轴电缆同轴电缆由内导体铜芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层及塑料保护层构成，铜芯线与网状导体同轴，因此称为同轴电缆。(3)光纤光纤没有网状屏蔽层，中心是光传播的玻璃芯。 若要在CAN局域网内有效、快速地传输信息，需将信息转化成适合CAN总线传输的格式。信息即报文(Messages)，适合CAN总线传输的格式称为报文格式。
13、 总线的信息以不同的固定报文格式发送，但长度受限。当总线空闲时，任何连接的单元都可以开始发送新报文。报文传输由数据帧、远程帧、错误帧和过载帧表示和控制。7.报文及帧7.报文及帧(1)数据帧数据帧携带数据，将数据从发送器传输到接收器。(2)远程帧由总线单元发送，用于请求发送具有相同识别符的数据帧称为远程帧。(3)过载帧过载帧用于在先行和后续的数据帧(或远程帧)之间提供一个附加的延时。(4)错误帧任何单元检测到总线错误，就发出错误帧。8.通信协议要实现汽车内各电控单元之间的通信，必须制定规则保证通信双方能相互配合，其通信方法、通信时间、通信内容是通信双方同样能遵守、可接受的一组规定和规则，即通信协
14、议通信实体双方控制信息交换规则的集合。数据总线的通信协议采用优先权的处理机制。9.传输仲裁当出现数个使用者同时申请利用总线发送信息时，会发生数据传输冲突，好比同时有两个或多个人想过独木桥一样。传输仲裁是为了避免数据传输冲突，保证信息按其重要程度发送。10.架构网络特定的通信协议称为架构，架构在其输入和输出端规定能进和能出的信息。架构通常包括1或2条线路。采用双线时数据的传输基于两条线的电位差；采用1条线传输数据时，对搭铁有个参考电压。11.模块节点模块即一种电子装置，如温度传感器、压力传感器或计算机(微处理器)等。在多路传输系统中一些简单的模块被称为节点。12.集线器集线器(Hub)相当于一个
15、有多个端口的中继器，随机选出某一端口，并独占全部带宽，与集线器的上连设备(如交换机、路由器或服务器)进行通信。集线器分为无源集线器、有源集线器、智能集线器和交换式集线器。无源集线器只将传输介质连接在一起，从一个端口接收数据，然后向所有端口广播。13.分总线分总线是指从主总线分出至电控单元或传感器的线束。14.主总线主总线是指总线(通信线路)中两个终端电路间的线束，是CAN通信系统的主总线。15.终端电路终端电路是将CAN通信电流转换成总线电压而设置的电路，由电阻器和电容器组成。在一条总线上需要两个终端电路。CAN JC是为CAN通信设计的插接器，用于存储终端电路。第四节汽车网络参考模型图2-1
16、1ISOOSI参考模型第四节汽车网络参考模型表2-4开放系统互联参考模型ISO/OSI参考模型各层定义的主要项目软件控制7层应用层提供各种实际可应用的服务6层表示层对数据的表现形式进行变换，如文字调整、数据压缩与加密5层会话层为实现会话通信，按正确顺序控制数据的发送与接收4层传输层保证按顺序控制数据及更正错误等通信品质，如纠正错误、重新发送控制3层网络层选择数据的传输途径和中转，如电控单元之间的数据交换及地址管理表2-4开放系统互联参考模型硬件控制2层数据链路层将从物理层获得的信号（字符集）汇总成具有某种意义的数据，提供控制顺序，以便对控制传输错误等数据加以传输，如访问时的方法及数据形式，通信
17、方式、连接控制方式、同步方式、错误检测方式，响应方式、通信方式，帧的构成、组帧方式1层物理层规定通信时所使用的电缆、插座等，媒体、信号的标准等，以实现设备之间的信号交换，如信号电平、发送与接收、电缆及插座等形式第五节车载网络分类和通信协议标准一、车载网络分类二、通信协议标准一、车载网络分类二、通信协议标准1.通信协议2.车载网络协议标准1.通信协议(1)通信接口与实体(2)协议的含义 (3)协议的三要素(4)协议内容(5)协议功能 (6)协议类别 (7)常用通信协议(1)通信接口与实体1)物理方面：指插接器的结构形式。2)电气方面：指接口的电路信号电压及变化特征。3)逻辑方面：指如何将数据位或
18、字符变成字段，说明传输控制字符的功能和使用。通信接口逻辑说明是一种控制和实现穿越接口交换数据流的语言。4)过程方面：指规定通信过程控制字符的顺序、各种字段法定内容，以及控制数据流穿越接口的命令和应答。如果将逻辑说明看成确定数据流穿越接口的语法，则过程说明即可作为语言。(2)协议的含义两个实体若要成功地通信，则必须“说同样的语言”。在通信内容、通信方式以及通信时间等方面，两个实体要遵守相互可以接受的一组约定和规则，这些约定和规则的集合称为协议。(3)协议的三要素1)语法。确定通信双方之间“如何讲”，即由逻辑说明构成，要对信息或报文中各字段格式化，说明报头(或标题)字段、命令和应答的结构。2)语义
19、。确定通信双方之间“讲什么”，即由过程说明构成，要对发布请求、执行动作以及返回应答进行解释，并确定用于协调和差错处理的控制信息。3)定时规则。指出事件的顺序以及速度匹配、排序。(4)协议内容1)在一个简单的通信协议中，电控单元不分主、从，根据优先规则，电控单元之间相互传递信息，并确定接收何种信息。2)一个电控单元是主电控单元，其他则为从属电控单元。根据优先规则，主电控单元决定哪个从属电控单元发送信息以及何时发送信息。3)电控单元像旋转木马上的骑马人，一个上面有“免费券”的挂环绕其旋转，任何一个需要该信息的电控单元都可以将其从挂环上取下。4)通信协议中的仲裁系统按照每条信息的数字拼法及数据传输设
20、定优先规则，如以1结尾的数字信息要比以0结尾的优先级高。(5)协议功能1)差错检测和纠正。面向通信传输的协议常使用“应答-重发”、循环冗余检验、软件检查等机制进行差错检测和纠正；而面向应用的协议常采用重新同步、恢复以及托付等更高级的方法进行差错的检测和纠正。2)分块和重装。用协议控制进行传送的数据长度有一定限制，参加交换的数据要求有一定格式。因此，需要将实际应用中的数据进行加工处理，使之符合协议交换时的格式要求，从而应用协议进行数据交换。分块是将大的数据划分成若干小块， 3)排序。对发送出的数据进行编号，以标识其顺序，实现按序传递、信息流控制和差错控制等目的。 4)流量控制。通过限制发送的数据
21、量或速率，防止在信道中出现堵塞现象。(5)协议功能(6)协议类别根据特性不同，协议可分为直接型间接型、单体型结构化型、对称型不对称型、标准型非标准型。1)直接型间接型。两个实体间的通信可以是直接的，也可以是间接的。2)单体型结构化型。在两个实体间通信任务比较简单的情况下，采用单一协议控制通信，该协议称为单体型协议。3)对称型不对称型。大部分的协议属于对称型，即在同等的实体之间通信。不对称的协议可能是为满足交换逻辑的要求(例如，一个“用户”进程和一个“服务”进程)，或尽可能使实体或系统保持简单。 4)标准型非标准型。一个部门或一个国家都希望制定标准协议，促进组建计算机网络和分布处理系统。非标准型
22、协议一般都是发展中的产物，或者为特定通信环境所设计。(6)协议类别(7)常用通信协议表2-68种典型的通信协议序号协 议 名 称推荐或实施单位1CAN奔驰、英特尔、博世、SAE、ISO/TC22/SC3/WG12BASIC CAN飞利浦、博世3ABUS大众4VAN雷诺、标致、雪铁龙、ISO/TC22/SC3/WG15HBCC福特、SAE J18506PALMNET马自达、SAE7DLCS通用8CCD克莱斯勒、SAE2.车载网络协议标准(1)A类总线协议标准 (2)B类总线协议标准 (3)C类总线协议标准 (4)D类总线协议标准(2)B类总线协议标准表2-8A类总线及特征特征名称UARTE&CC
23、CDJ1708BEANACPSINEBUSLIN所属机构通用汽车通用汽车克莱斯勒SAE丰田福特德特摩托罗拉用途通用、诊断通用通用、诊断控制、诊断车身控制、诊断音频、控制音频智能传感器使用年限至2005年至2002年至2002年至2002年1995年起至2002年2000年起2003年起传输媒体单线单线单线双绞线单线双绞线单线单线位编码NRPWNRNRNRNRNR媒体访问主从竞争主从主从竞争主从主从主从(2)B类总线协议标准表2-8A类总线及特征检错方式检验和奇偶校验校验和校验和CR校验和无校验和头长度/B16111281625122422数据长度/B08518511161210188位速率/(
24、bit/s)81921K7812596K10K96K662002K总线最长/m20401040最多节点/个10106202016成本低低低中低低低低(2)B类总线协议标准表2-9B类总线及特征特征名称CMLAN(SW)ISO 118981ISO 115192ISO 11992,J2284J1850,ISO 115194所属机构通用汽车ISO/SAE通用汽车福特克莱斯勒用途诊断控制、诊断通用、诊断通用、诊断通用、诊断使用年限2002年起2001年起至2002年传输媒体单线双绞线单线双绞线单线(2)B类总线协议标准表2-9B类总线及特征特征名称CMLAN(SW)ISO 118981ISO 1151
25、92ISO 11992,J2284J1850,ISO 115194位编码NRZ 5NRZ 5VPPWVPW媒体访问竞争竞争竞争竞争竞争检错方法CRCCRCCRCCRCCRC头长度/B1111或2932328数据长度/B08080808010位速率/(Kbit/s)333310125104416104总线最长/m3040（典型）353535最多节点/个1632323232成本低中低低低(3)C类总线协议标准表2-10CAN总线及特征特性名称ISO 118981J2284,GMLAN(高速部分)J1939所属机构ISOSAE,通用汽车SAE用途控制、诊断控制、诊断控制、诊断使用年限1992年起20
26、02年起1994年起传输媒体双绞线双绞线双绞线位编码NRZ 5NRZ 5NRZ 5媒体访问竞争竞争竞争(3)C类总线协议标准表2-10CAN总线及特征特性名称ISO 118981J2284,GMLAN(高速部分)J1939检错方式CRCCRCCRC头长度/B11或2911或2929数据长度/B08088位速率/(Kbit/s)1000500250总线最长/m40(典型)3040最多节点/个321630（带屏蔽）10（无屏蔽）成本低中中(3)C类总线协议标准表2-11车用安全总线及各自特征特征名称SafetyBusBOTEPLANETDSIByteflightBSRS所属机构德尔福博世飞利浦摩托
27、罗拉宝马西门子使用年限2002年起2002年起2002年起2002年起2002年起2002年起传输媒体双绞线双绞线双绞线双绞线双绞线或三线双绞线或三线媒体访问主从主从主从主从主从主从检错方式CRC头长度/B11数据长度/B24390200位速率/(bit/s)500K3125125K20250K5K10M250K最多节点/个64126416成本低低低低中低(3)C类总线协议标准表2-12车用X-by-wire总线及特征特征名称TTPTTCANByteflightFlexRay所属机构维也纳大学SAE宝马宝马、戴姆勒 克莱斯勒传输媒体单线或双线双绞线双绞线或三线双绞线检错方式CRCCRCCRCC
28、RC数据长度/B1681212位速率/(Mbit/s) 1105成本中中中中(3)C类总线协议标准表2-13车用诊断总线及特性特征名称J1850,ISO 115194J2480ISO 9141ISO 14230ISO/DIS 15765所属机构通用汽车福特克莱斯勒SAEISO用途通用、诊断通用、诊断通用、诊断诊断诊断诊断诊断使用年限至2002年2004年起1994年起2000年起2000年起传输媒体单线双绞线单线双绞线K/L线K/L线双绞线位编码VPWPWMVPWNRZNRZNRZNRZ媒体访问竞争竞争竞争诊断测试仪为主站，其余为从属节点检错方式CRCCRCCRCCRC奇偶校验校验和CRC头长
29、度/B323281611或29数据长度/B0808010025508504095(3)C类总线协议标准表2-13车用诊断总线及特性位速率/(Kbit/s)104416104小于1045104250、500总线最长/m35353540最多节点/个323232101032成本低低低低低低高(4)D类总线协议标准表2-14车用多媒体总线及特性特性名称IDB CIDBMMOSTD2BMMLUSBIEEE 1394使用年限2002年起2002年起1999年起2004年起1998年起2000年起传输媒体双绞线光纤光纤双绞线光纤光纤屏蔽双绞线屏蔽双绞线位编码NRZ双相PWM双相NRZNRZNRZ媒体访问令牌
30、槽主从主从主从主从竞争竞争检错方式CRCCRC奇偶校验CRCCRCCRCCRC头长度/B111(4)D类总线协议标准表2-14车用多媒体总线及特性数据长度/B80200位速率/(bit/s)250K400M25M298K12M110M12M98393M总线最长/m不限150不限1072节点最多/个162450241612716成本低高高高高高中中第六节汽车对通信网络的要求连接到车载网络的各个电控单元按需要从总线上接收最新的信息以驱动执行器，如匹配发动机转速传感器的电控单元，将发动机转速数据连续馈送至总线。另外，其他几个需要发动机转速数据的电控单元，只需从总线上接收发动机转速数据，接收到的最新数据为现行数据，并将其存储在RAM区，对这些数据按各自的类型赋值。因此，RAM总有一个更新的数据复制并存储在其中，再通过应用，使电控单元获取最新的数据。第六节汽车对通信网络的要求表2-15几种典型参数的允许响应时间参数允许响应时间发动机喷油量10ms发动机转速300ms车轮转速1100s进气温度20s冷却液温度1min燃油温度10min
