1、汽车网络技术汽车网络技术沈阳大学沈阳大学 凌永成凌永成 配配 套套 教教 材材 信信 息息教材名称：汽车网络技术教材名称：汽车网络技术教材主编：凌永成教材主编：凌永成教材定价：教材定价：35RMB出版社：清华大学出版社出版社：清华大学出版社出版时间：出版时间：2012年年3月月国际标准书号（国际标准书号（ISBN）：）：978-7-302-28149-8 教材所属系列：教材所属系列：普通高等院校汽车工程类规划教材普通高等院校汽车工程类规划教材 第第1章章 绪论绪论1.1 汽车网络技术的发展汽车网络技术的发展1.1.1 汽车网络技术的发展历程汽车网络技术的发展历程 汽车电子技术在经历了零部件层次
2、的汽车电器时代、子汽车电子技术在经历了零部件层次的汽车电器时代、子系统层次的单片机（汽车电脑）控制时代之后，已经开始进系统层次的单片机（汽车电脑）控制时代之后，已经开始进入汽车网络化时代，并向汽车信息化时代迈进。入汽车网络化时代，并向汽车信息化时代迈进。按照电子产品和电子控制系统的技术特点，可将汽车电按照电子产品和电子控制系统的技术特点，可将汽车电子技术的发展粗略划分为四个阶段。子技术的发展粗略划分为四个阶段。1.第一阶段第一阶段零部件层次的汽车电器时代零部件层次的汽车电器时代 19651980年属于零部件层次的汽车电器时代。汽车发年属于零部件层次的汽车电器时代。汽车发电机晶体管电压调节器和晶
3、体管点火装置等开始装备汽车，电机晶体管电压调节器和晶体管点火装置等开始装备汽车，而且电子控制装置又逐步实现了由分立元件向集成化的过渡。而且电子控制装置又逐步实现了由分立元件向集成化的过渡。这一阶段，装备汽车的其这一阶段，装备汽车的其他电子装置还有转向系统电子他电子装置还有转向系统电子式闪光器、电子控制式喇叭、式闪光器、电子控制式喇叭、电子式间歇刮水控制器、数字电子式间歇刮水控制器、数字时钟及高能点火（时钟及高能点火（HEI）线圈）线圈和集成电路点火系统等。和集成电路点火系统等。2.第二阶段第二阶段子系统层次的汽车电脑控制时代子系统层次的汽车电脑控制时代 19801995年属于子系统层次的汽车单
4、片机（汽车电脑）年属于子系统层次的汽车单片机（汽车电脑）控制时代。在这一时期，单片机（微处理器）在汽车上得到广控制时代。在这一时期，单片机（微处理器）在汽车上得到广泛应用，以单片机为控制核心，以实现特定控制内容或功能为泛应用，以单片机为控制核心，以实现特定控制内容或功能为基本目的的各种电子控制系统得到了迅速发展。基本目的的各种电子控制系统得到了迅速发展。图图1-4 电子点火系统组成示意图电子点火系统组成示意图 进入进入20世纪世纪90年代，出现全面、综合的电子控制系统。年代，出现全面、综合的电子控制系统。电子控制技术在汽车上的广泛应用，不仅拓展了电子控电子控制技术在汽车上的广泛应用，不仅拓展了
5、电子控制的功能和控制内容，提高了控制精度和汽车性能，而且也制的功能和控制内容，提高了控制精度和汽车性能，而且也为汽车网络技术的发展奠定了坚实的基础。为汽车网络技术的发展奠定了坚实的基础。3.第三阶段第三阶段整车联网层次的汽车网络化时代整车联网层次的汽车网络化时代 19952010年属于整车联网层次的汽车网络化时代。采用年属于整车联网层次的汽车网络化时代。采用先进的单片机技术和车载网络技术，形成了车上的分布式、网先进的单片机技术和车载网络技术，形成了车上的分布式、网络化的电子控制系统。整车电气系统被连成一个多络化的电子控制系统。整车电气系统被连成一个多ECU、多、多节点的有机的整体，使得其性能也
6、更加完善。节点的有机的整体，使得其性能也更加完善。目前，世界主要汽车制造商生产的的多数汽车上均采用目前，世界主要汽车制造商生产的的多数汽车上均采用了以了以CAN、LIN、MOST、DDB等为代表的网络控制技术，等为代表的网络控制技术，将车辆控制系统简化为节点模块化。将车辆控制系统简化为节点模块化。在基于现场总线的分布式控制中，任何传统意义上的传在基于现场总线的分布式控制中，任何传统意义上的传感器和执行器都可以与同一现场的节点相组合，构成节点模感器和执行器都可以与同一现场的节点相组合，构成节点模块，汽车网络技术进一步优化了汽车的控制系统，极大地提块，汽车网络技术进一步优化了汽车的控制系统，极大地
7、提升了汽车的整体控制水平。升了汽车的整体控制水平。图图1-6 BMW E60的汽车网络系统的汽车网络系统 图图1-7 AUDI A4的汽车网络系统的汽车网络系统4.第四阶段第四阶段以以Telematics技术为代表的汽车信息化时代技术为代表的汽车信息化时代 以国际以国际Telematics产业联盟（产业联盟（ITIF）正式成立为标志，）正式成立为标志，2010年成为汽车信息化时代的发轫之年。年成为汽车信息化时代的发轫之年。汽车网络技术是现代汽车电子技术的重要组成部分，也汽车网络技术是现代汽车电子技术的重要组成部分，也是现代汽车通信与控制的基础。伴随着汽车网络技术的日趋是现代汽车通信与控制的基础
8、。伴随着汽车网络技术的日趋成熟，汽车电子技术开始向信息化时代迈进。成熟，汽车电子技术开始向信息化时代迈进。网络化时代的汽车电网络化时代的汽车电子技术注重解决汽车内部子技术注重解决汽车内部各个系统之间的信息交换各个系统之间的信息交换问题，而信息化时代的汽问题，而信息化时代的汽车电子技术则可以实现车车电子技术则可以实现车内网络与车外网络之间的内网络与车外网络之间的信息交换，全面解决人信息交换，全面解决人车车外部环境之间的信息外部环境之间的信息交流问题。交流问题。图图1-9 全面实现人全面实现人车车外部环境之间的信息交流外部环境之间的信息交流1.1.2 汽车网络技术的发展趋势汽车网络技术的发展趋势T
9、elematics 汽车技术的发展脚步远未停止，在主要以动力传动、车身汽车技术的发展脚步远未停止，在主要以动力传动、车身控制、行驶安全性、多媒体传输为主要控制目标的汽车网络技控制、行驶安全性、多媒体传输为主要控制目标的汽车网络技术逐步完善、日趋成熟的同时，又开始向汽车信息化时代迈进。术逐步完善、日趋成熟的同时，又开始向汽车信息化时代迈进。可以预见，在不远的未来，汽车将进入以可以预见，在不远的未来，汽车将进入以Telematics技术为技术为代表的信息化时代（图代表的信息化时代（图1-10）。）。图图1-10 汽车将进入信息化时代（由动力传动、车身控制、汽车将进入信息化时代（由动力传动、车身控制
10、、行驶安全性、多媒体传输到行驶安全性、多媒体传输到Telematics）1.Telematics简介简介 Telematics是远程通信技术（是远程通信技术（Telecommunications）与信息科学技术（与信息科学技术（Informatics）的合成词，意指通过内置在）的合成词，意指通过内置在汽车、航空器、船舶、火车等运输工具上的计算机网络技术，汽车、航空器、船舶、火车等运输工具上的计算机网络技术，借助无线通信技术、借助无线通信技术、GPS卫星导航技术，实现文字、图像、卫星导航技术，实现文字、图像、语音信息交换的综合信息服务系统。语音信息交换的综合信息服务系统。也就是说，也就是说，Te
11、lematics技术整合了汽车网络技术（也包括技术整合了汽车网络技术（也包括其他移动运输工具内部的网络技术）、无线通信技术、其他移动运输工具内部的网络技术）、无线通信技术、GPS（Global Positioning System，全球定位系统）卫星导航技，全球定位系统）卫星导航技术，通过无线网络，随时给行车中的人们提供驾驶、生活、娱术，通过无线网络，随时给行车中的人们提供驾驶、生活、娱乐所必需的各种信息。乐所必需的各种信息。通常所说的通常所说的Telematics就是指应用无线通信技术的车载就是指应用无线通信技术的车载电脑系统。电脑系统。Telematics是无线通信技术、卫星导航系统、网是
12、无线通信技术、卫星导航系统、网络通信技术和车载电脑的综合产物，被认为是未来的汽车网络络通信技术和车载电脑的综合产物，被认为是未来的汽车网络技术的发展趋势。技术的发展趋势。图图1-11 Telematics信息交换过程示意图信息交换过程示意图2.Telematics的功能的功能 Telematics特点在于大部分的应用系统位于网络上（如特点在于大部分的应用系统位于网络上（如通讯网络、卫星与广播等）而非汽车内。驾驶者可运用无线通讯网络、卫星与广播等）而非汽车内。驾驶者可运用无线传输的方式，连结网络传输与接收信息与服务，以及下载应传输的方式，连结网络传输与接收信息与服务，以及下载应用系统或更新软件等
13、，所耗的成本较低，主要功能仍以行车用系统或更新软件等，所耗的成本较低，主要功能仍以行车安全与车辆保全为主，主要功能如图安全与车辆保全为主，主要功能如图1-12所示。所示。图图1-12 Telematics的主要功能的主要功能卫星定位导航。卫星定位导航。通过通过GPS全球卫星定位系统（图全球卫星定位系统（图1-13），结合行车路，结合行车路线，作电子地图与语音导航相结合的路况报导、路线指引线，作电子地图与语音导航相结合的路况报导、路线指引（图（图1-14），并能提前预报前方路口的车速限制及交通违法，并能提前预报前方路口的车速限制及交通违法摄像头的安装情况，以确保安全行车。摄像头的安装情况，以确保
14、安全行车。图图1-13 GPS全球卫星定位系统全球卫星定位系统 图图1-14 电子地图与语音导航电子地图与语音导航 道路救援。道路救援。行车过程中，如果发生行车过程中，如果发生车祸或车辆出现故障，驾驶车祸或车辆出现故障，驾驶员可通过员可通过Telematics系统的系统的紧急呼叫按键，自动联系紧紧急呼叫按键，自动联系紧急服务机构（急服务机构（119、120等急等急救机构）或汽车服务站，以救机构）或汽车服务站，以获得道路救援。获得道路救援。图图1-15 紧急呼叫按键紧急呼叫按键1-左侧免提话筒；左侧免提话筒；2-活动天窗按键；活动天窗按键；3-紧急呼叫按键；紧急呼叫按键；4-右侧免提话筒右侧免提
15、话筒汽车防盗及搜寻。汽车防盗及搜寻。通过通过GPS卫星定位技术确定失窃车辆的位置和行车路线，卫星定位技术确定失窃车辆的位置和行车路线，以便搜寻与追踪，追缴车辆并缉拿盗车贼。以便搜寻与追踪，追缴车辆并缉拿盗车贼。车辆调度管理。车辆调度管理。通过无线信息传输，实现运营车辆的调度管理。通过无线信息传输，实现运营车辆的调度管理。图图1-16 运营车辆的调度管理运营车辆的调度管理自动防撞系统。自动防撞系统。通过测距传通过测距传感器或雷达，监感器或雷达，监测前、后车辆之测前、后车辆之间的车距，自动间的车距，自动调用车载自适应调用车载自适应巡航系统，使前、巡航系统，使前、后车辆之间保持后车辆之间保持必要的安
16、全距离。必要的安全距离。图图1-17 自适应巡航系统监测前、后车辆之间的车距自适应巡航系统监测前、后车辆之间的车距车况掌握。车况掌握。车辆性能与车况的自动监测、传输，进行多地、远程车辆性能与车况的自动监测、传输，进行多地、远程“专家会诊专家会诊”，指导车辆维修等。，指导车辆维修等。个人化信息接收与发布。收发电子邮件与个人化信息等。个人化信息接收与发布。收发电子邮件与个人化信息等。多媒体影音娱乐信息接收。多媒体影音娱乐信息接收。高画质与高音质的视听设备、游戏机、上网机、个人行高画质与高音质的视听设备、游戏机、上网机、个人行动信息中心、随选视频资讯等（图动信息中心、随选视频资讯等（图1-18）。）
17、。车辆应急预警系统。车辆应急预警系统。当行驶中的车辆遇到紧急情况是，可以借助当行驶中的车辆遇到紧急情况是，可以借助Telematics系统向外界系统向外界（其他车辆或道路交通管理部门）发出应急申请，亦可接收来自道路交通（其他车辆或道路交通管理部门）发出应急申请，亦可接收来自道路交通管理部门发布的紧急情况警告及应急响应预案，确保行车安全和道路畅通。管理部门发布的紧急情况警告及应急响应预案，确保行车安全和道路畅通。图图1-18 后座多媒体影音娱乐系统后座多媒体影音娱乐系统3.Telematics系统的应用领域系统的应用领域 Telematics系统在汽车上的布置（图系统在汽车上的布置（图1-19）
18、可分为前座）可分为前座系统、后座系统与发动机系统三大子系统。系统、后座系统与发动机系统三大子系统。图图1-19 Telematics系统在汽车上的布置系统在汽车上的布置 前座系统主要以行车安全、车辆保全、驾驶方便性与舒前座系统主要以行车安全、车辆保全、驾驶方便性与舒适性为主要目标。适性为主要目标。为了避免造成驾驶者分神，前座系统的信息输入方式主为了避免造成驾驶者分神，前座系统的信息输入方式主要采用语音输入或触摸屏（触控面板）；信息输出方式则为要采用语音输入或触摸屏（触控面板）；信息输出方式则为中尺寸面板（中尺寸面板（LCD或或OLED）、语音输出或投射在汽车前挡）、语音输出或投射在汽车前挡风玻
19、璃的抬头显示（风玻璃的抬头显示（Head-Up Display,HUD。图。图1-20）等。）等。雪铁龙雪铁龙C6汽车的汽车的HUD系统系统图图1-20 行车信息的抬头显示（行车信息的抬头显示（HUD）后座系统则以多媒体娱乐为主，包括互动式游戏、高保后座系统则以多媒体娱乐为主，包括互动式游戏、高保真音响视听系统、随选视频资讯、数字广播与数字电视等。真音响视听系统、随选视频资讯、数字广播与数字电视等。发动机系统主要是根据汽车电脑所收集的车况信息，进发动机系统主要是根据汽车电脑所收集的车况信息，进行车况诊断、行车效率最佳化、远程发动机调整或零件预定行车况诊断、行车效率最佳化、远程发动机调整或零件预
20、定等。等。从上述分析不难看出，从上述分析不难看出，Telematics技术基于技术基于GPS全球定全球定位系统技术、位系统技术、GIS地理信息系统（地理信息系统（Geographic Information System）技术、）技术、ITS智能交通系统（智能交通系统（Intelligent Transport System）技术和无线通信技术。）技术和无线通信技术。Telematics技术的发展，体技术的发展，体现了一个国家的综合科技实力，已经成为世界各国竞相研发现了一个国家的综合科技实力，已经成为世界各国竞相研发的技术热点之一。的技术热点之一。目前，国内在目前，国内在Telematics技
21、术研究领域起步较早且颇有技术研究领域起步较早且颇有进展的是同济大学汽车学院。进展的是同济大学汽车学院。2010年年7月，国际月，国际Telematics产业联盟（产业联盟（ITIF）成立大会暨）成立大会暨2010首届国际首届国际Telematics产业产业发展高峰论坛在广东佛山市隆重举行，标志着发展高峰论坛在广东佛山市隆重举行，标志着Telematics研研究将进入一个新阶段。究将进入一个新阶段。1.2 汽车网络技术的应用汽车网络技术的应用1.2.1汽车网络技术的产生背景汽车网络技术的产生背景1.信息传输的瓶颈问题信息传输的瓶颈问题 在汽车单片机控制时代，特在汽车单片机控制时代，特别是早期生产
22、的汽车，车上只有别是早期生产的汽车，车上只有一个电子控制单元（一个电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU），其信息），其信息传输量较少，电子控制系统的传传输量较少，电子控制系统的传感器、电子控制单元和执行器之感器、电子控制单元和执行器之间的连接电线（线束）的数量还间的连接电线（线束）的数量还不太多，尚可接受。不太多，尚可接受。图图1-21 汽车内部的电线（线束）数量汽车内部的电线（线束）数量（装备（装备1个电子控制单元）个电子控制单元）随着汽车技术的进步和消费者需求的进一步提高，汽车随着汽车技术的进步和消费者需求的进一步提高，汽车上的电子控制系统越来越多（图上的电
23、子控制系统越来越多（图1-22），其内部的线束也会），其内部的线束也会越来越复杂（图越来越复杂（图1-23）。）。图图1-22 汽车上的电子控制系统越来越多汽车上的电子控制系统越来越多 随着汽车电子化程度逐年提高，从发动机控制到传动系控随着汽车电子化程度逐年提高，从发动机控制到传动系控制，从行驶、制动、转向系控制到安全保障系统及仪表报警系制，从行驶、制动、转向系控制到安全保障系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力，使汽车电子统，从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力，使汽车电子系统形成了一个复杂的大系统（图系统形成了一个复杂的大系统（图1-24）。）。这些系统除需要互相通信
24、，且信息传输量急剧加大。如果这些系统除需要互相通信，且信息传输量急剧加大。如果依然采用传统的布线方式（图依然采用传统的布线方式（图1-25），那么，对于复杂控制系），那么，对于复杂控制系统，其连接电线（线束）的数量将急剧增加，甚至难以承受。统，其连接电线（线束）的数量将急剧增加，甚至难以承受。图图1-24 复杂的、多控制单元的汽车电脑控制系统复杂的、多控制单元的汽车电脑控制系统 图图1-23 汽车内部的电线（线束）数量汽车内部的电线（线束）数量（装备（装备3个电子控制单元）个电子控制单元）对于复杂的控制系统，若采用传统布线方式（一对一布对于复杂的控制系统，若采用传统布线方式（一对一布线），将导
25、致车上电线数目急剧增加，其质量将会占到整车线），将导致车上电线数目急剧增加，其质量将会占到整车质量的质量的4%左右。而且，数量庞大的线束、电线插接器也会降左右。而且，数量庞大的线束、电线插接器也会降低车辆电气系统的可靠性，使故障率加大。低车辆电气系统的可靠性，使故障率加大。为解决这一制约汽车电子技术进一步发展的信息传输瓶为解决这一制约汽车电子技术进一步发展的信息传输瓶颈问题，一种新的信息传输技术颈问题，一种新的信息传输技术汽车网络技术应运而生。汽车网络技术应运而生。图图1-25 2个控制单元个控制单元之间传统的布线方式之间传统的布线方式（一对一布线）（一对一布线）2.采用汽车网络技术进行信息传
26、输采用汽车网络技术进行信息传输 就像汽车电子技术在就像汽车电子技术在20世纪世纪70年代引入集成电路、年代引入集成电路、80年年代引入单片机（微处理器）一样，汽车网络技术的引入也是代引入单片机（微处理器）一样，汽车网络技术的引入也是汽车电子技术发展的一个里程碑。汽车电子技术发展的一个里程碑。在采用网络技术的现代汽车上，信息的传输是基于数据在采用网络技术的现代汽车上，信息的传输是基于数据总线总线DB（Data Bus）原理进行的。）原理进行的。所谓数据总线，简单地说，就是指一种能在一条（或几所谓数据总线，简单地说，就是指一种能在一条（或几条）数据线上，同时（或分时）传输大量的按照一定规律进条）数
27、据线上，同时（或分时）传输大量的按照一定规律进行编码的数据（信号）的技术，其所传输的数据（信号）可行编码的数据（信号）的技术，其所传输的数据（信号）可以被多个系统共享，从而最大限度地提高系统的信息传输效以被多个系统共享，从而最大限度地提高系统的信息传输效率，充分利用有限的资源。率，充分利用有限的资源。作为一种优良的信息传输方式，总线技术在工业生产、作为一种优良的信息传输方式，总线技术在工业生产、科学研究和日常生活中的应用极为广泛，随处可见。例如，科学研究和日常生活中的应用极为广泛，随处可见。例如，我们每天工作、学习中使用的键盘与计算机主机之间的信息我们每天工作、学习中使用的键盘与计算机主机之间
28、的信息传输，就是采用数据总线技术进行的。传输，就是采用数据总线技术进行的。图图1-26 键盘与计算机主机之间采用数据总线技术进行信息传输键盘与计算机主机之间采用数据总线技术进行信息传输 将计算机领域的数据总线技术引入到汽车电气系统中，将计算机领域的数据总线技术引入到汽车电气系统中，同样可以在大大简化汽车电路的同时，传递丰富的信息。同样可以在大大简化汽车电路的同时，传递丰富的信息。图图1-27 采用数据总线技术在两个控制单元之间进行信息传输采用数据总线技术在两个控制单元之间进行信息传输 如图如图1-27所示，采用数据总线技术在两个控制单元之间所示，采用数据总线技术在两个控制单元之间进行信息传输，
29、可以有效较少数据传输线的数量。进行信息传输，可以有效较少数据传输线的数量。图图1-28为在具有为在具有3个控制单元的系统中采用个控制单元的系统中采用CAN数据总数据总线进行信息传输的示意图，相应地，汽车内部的线束连接也线进行信息传输的示意图，相应地，汽车内部的线束连接也变得简洁、清晰（图变得简洁、清晰（图1-29），不再是一团乱麻。），不再是一团乱麻。图图1-28 在具有在具有3个控制单元的系统中采用个控制单元的系统中采用CAN数据总线进行信息传输数据总线进行信息传输图图1-29 汽车内部的电线（线束）数量汽车内部的电线（线束）数量（装备（装备3个电子控制单元）个电子控制单元）下面，以宝来（下
30、面，以宝来（BORA）汽车的驾驶员侧车门控汽车的驾驶员侧车门控制单元为例，进一步说制单元为例，进一步说明这一问题。明这一问题。图图1-30 采用传统的布线方式采用传统的布线方式（9个线束插接器，共个线束插接器，共45根电线）根电线）图图1-31 采用数据总线进行信息传输（只需采用数据总线进行信息传输（只需2个线束插接器，个线束插接器，17根电线）根电线）3.采用汽车网络技术的优点采用汽车网络技术的优点减轻整车自重。减少电线用量，耗铜量下降，整车自重得减轻整车自重。减少电线用量，耗铜量下降，整车自重得以降低。同时，全车线束变细，也为安装其它新的部件预留以降低。同时，全车线束变细，也为安装其它新的
31、部件预留了空间。了空间。降低生产成本。除了电线用量减少、耗铜量下降带来的成降低生产成本。除了电线用量减少、耗铜量下降带来的成本降低之外，网络技术所秉持的本降低之外，网络技术所秉持的“信息共享、一线多能信息共享、一线多能”也也充分发挥了每一条电线的作用，现实了充分发挥了每一条电线的作用，现实了“物尽其用物尽其用”。提高工作可靠性。电线数量的减少，也使汽车电气系统的提高工作可靠性。电线数量的减少，也使汽车电气系统的线束插接器数量大大减少，由线束和插接器引发的断路、短线束插接器数量大大减少，由线束和插接器引发的断路、短路、接触不良等故障的发生率也大大降低，整车电气系统的路、接触不良等故障的发生率也大
32、大降低，整车电气系统的工作可靠性得以提高。工作可靠性得以提高。便于后续开发。采用开放式的汽车网络技术，为后续技术便于后续开发。采用开放式的汽车网络技术，为后续技术的开发留有充分的余地。以后，随着技术的不断进步，新的的开发留有充分的余地。以后，随着技术的不断进步，新的电子控制系统可以很方便地融入到已有的系统之中，而不必电子控制系统可以很方便地融入到已有的系统之中，而不必对现有系统作太大的改动。对现有系统作太大的改动。同时，也便于同时，也便于实现控制器与执行实现控制器与执行器的就近安装，甚器的就近安装，甚至采用控制器与执至采用控制器与执行器的一体化安装，行器的一体化安装，进一步节省了安装进一步节省
33、了安装空间，提高了控制空间，提高了控制的实时性和控制精的实时性和控制精度，从而实现了良度，从而实现了良性循环。性循环。图图1-32 大众开迪（大众开迪（Caddy）、迈腾）、迈腾（Magotan）汽车的整体式）汽车的整体式ESP ECU1.2.2现场总线与汽车网络现场总线与汽车网络 现场总线（现场总线（Field bus）是一种工业数据通信总线，主）是一种工业数据通信总线，主要用于过程自动化控制（如钢铁冶金、啤酒酿造）、制造自要用于过程自动化控制（如钢铁冶金、啤酒酿造）、制造自动化控制（如机械加工）、楼宇自动化控制等领域，以解决动化控制（如机械加工）、楼宇自动化控制等领域，以解决工业现场的智能
34、化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。信息传递问题。目前汽车上广泛使用的控制局域网络（目前汽车上广泛使用的控制局域网络（Controller Area Network，CAN）就可以归为现场总线类网络，但同时又有）就可以归为现场总线类网络，但同时又有自身的一些特点。自身的一些特点。汽车网络系统不仅有汽车网络系统不仅有CAN总线和总线和LIN总线这样的控制网总线这样的控制网络，还有多媒体影音娱乐信息网络，如络，还有多媒体影音娱乐
35、信息网络，如MOST、DDB等。等。目前，汽车电子系统控制中应用最广泛的是目前，汽车电子系统控制中应用最广泛的是CAN总线。总线。1.现场总线现场总线2.现场总线的组成现场总线的组成 现场总线由两大部分组成，即数据传输线和节点。现场总线由两大部分组成，即数据传输线和节点。图图1-33 现场总线系统的基本组成现场总线系统的基本组成 在总线系统中节点包括控制单元在总线系统中节点包括控制单元和总线辅助设备，控制单元由控制器、和总线辅助设备，控制单元由控制器、滤波器、收发器、两个数据传输终端滤波器、收发器、两个数据传输终端组成。控制单元在硬件上多了专门的组成。控制单元在硬件上多了专门的总线接口装置（如
36、总线接口装置（如CAN总线接口），总线接口），并有相应的软件即通信标准的支持。并有相应的软件即通信标准的支持。图图1-34 现场总线中的控制单元现场总线中的控制单元 在现场总线系统中，传统意义上的传感器、执行器称为在现场总线系统中，传统意义上的传感器、执行器称为总线辅助装置。同一现场的一个或多个辅助装置与控制器总线辅助装置。同一现场的一个或多个辅助装置与控制器（控制单元）组合，构成节点（也称为总线模块）。（控制单元）组合，构成节点（也称为总线模块）。图图1-35 现场总线中的节点现场总线中的节点3.现场总线的工作原理现场总线的工作原理1）节点和单片机控制系统的区别）节点和单片机控制系统的区别
37、在现场总线中，节点信息的发布和获取是自由的和开放的。在现场总线中，节点信息的发布和获取是自由的和开放的。2）节点的构成原则）节点的构成原则传感器和执行器需要放在一个节点上，有两个最重要的原则：传感器和执行器需要放在一个节点上，有两个最重要的原则：其一，要求构成一个节点的传感器和执行器要安装在一起或其一，要求构成一个节点的传感器和执行器要安装在一起或距离很近，称为同一现场原则。距离很近，称为同一现场原则。其二，要求传感器信号和执行单元的控制信号必须满足该控其二，要求传感器信号和执行单元的控制信号必须满足该控制系统实时控制的要求。如果实时时间很短，总线信息传输制系统实时控制的要求。如果实时时间很短
38、，总线信息传输速度不能满足其要求，则传感器和执行器就必须与控制器放速度不能满足其要求，则传感器和执行器就必须与控制器放在一个节点内。在一个节点内。由于单片机技术和网络技术的高速发展，在现代汽车的由于单片机技术和网络技术的高速发展，在现代汽车的CAN总线中，一个节点可以包括十几个传感器和执行器，即总线中，一个节点可以包括十几个传感器和执行器，即一个节点可以同时接收并发送十几个传感器信号，同时控制一个节点可以同时接收并发送十几个传感器信号，同时控制十几个执行器。十几个执行器。在大众速腾（在大众速腾（SAGITAR）汽车的电源管理系统中，）汽车的电源管理系统中，J519作为中央电作为中央电器控制网络
39、系统的一个节点，可以器控制网络系统的一个节点，可以实现电源管理、车外灯控制、车内灯控实现电源管理、车外灯控制、车内灯控制、仪表照明及光亮度调整、转向信号控制、接线柱控制、前制、仪表照明及光亮度调整、转向信号控制、接线柱控制、前/后风挡玻璃后风挡玻璃的雨刷控制、燃油泵电源接通、发电机励磁、后风窗加热的雨刷控制、燃油泵电源接通、发电机励磁、后风窗加热等十几种功能，等十几种功能，控制功能十分丰富。控制功能十分丰富。图图1-36 中央电器控制单元中央电器控制单元J519作为中央电器控制网络系统的一个节点存在作为中央电器控制网络系统的一个节点存在J519中央电器控制单元；中央电器控制单元；J527转向柱
40、控制单元转向柱控制单元4.节点工作原理节点工作原理 现场总线是一个网络系统，每一个节点都可以向网络发现场总线是一个网络系统，每一个节点都可以向网络发送信息，同时也可以接收网络信息，节点可以根据这些信息送信息，同时也可以接收网络信息，节点可以根据这些信息决定控制策略，向执行器发送指令。各节点之间的关系是平决定控制策略，向执行器发送指令。各节点之间的关系是平等的，节点的信息（包括所有传感器信息和控制信息）是共等的，节点的信息（包括所有传感器信息和控制信息）是共享的。享的。图图1-35 现场总线中的节点（现场总线的工作过程现场总线中的节点（现场总线的工作过程）图图1-37 奔驰奔驰S 级级221网络
41、中的传感器节点网络中的传感器节点点火开关节点（点火开关控制单元点火开关节点（点火开关控制单元N73）A1组合仪表；组合仪表；A40/3COMAND（驾驶室管理及数据系统）控制装置；（驾驶室管理及数据系统）控制装置；A40/9前部中央操作装置；前部中央操作装置；S16/5自动变速器换挡规律选择开关；自动变速器换挡规律选择开关；A80智能换挡控制单元；智能换挡控制单元；Y3/8n4自动变速器控制装置；自动变速器控制装置；N93中中央网关控制单元；央网关控制单元；X11/4数据链路插头；数据链路插头；N3/10发动机控制单元；发动机控制单元；N73点火开关控制单元；点火开关控制单元；A7/3ABS控
42、制单元；控制单元；S16/13DIRECT SELECT换挡开关；换挡开关；N80转向柱控制单元；转向柱控制单元；S111/2右侧方向盘换挡按钮；右侧方向盘换挡按钮；S110/2左侧方向盘换挡按钮；左侧方向盘换挡按钮；A远程信息处理远程信息处理CAN；C动力系统动力系统CAN；D诊断系统诊断系统CAN；E底盘底盘系统系统CAN；F中央系统中央系统CAN5.现场总线的优点现场总线的优点经济性；经济性；可靠性；可靠性；可控性；可控性；综合性；综合性；互换性；互换性；开放性。开放性。1.2.3汽车网络的分类汽车网络的分类1.按网络拓扑结构分类按网络拓扑结构分类 网络的拓扑结构（网络的拓扑结构（Top
43、ological Structure）是指网上计）是指网上计算机或设备与信息传输介质形成的节点与数据传输线的物理算机或设备与信息传输介质形成的节点与数据传输线的物理构成模式。汽车网络的拓扑结构主要有线形结构、星形结构、构成模式。汽车网络的拓扑结构主要有线形结构、星形结构、环形结构等几种。环形结构等几种。1）线形拓扑结构）线形拓扑结构 线形拓扑结构是一种信道共享的物理结构。这种结构中线形拓扑结构是一种信道共享的物理结构。这种结构中总线具有信息的双向传输功能，普遍用于控制器局域网的连总线具有信息的双向传输功能，普遍用于控制器局域网的连接，总线一般采用同轴电缆或双绞线。接，总线一般采用同轴电缆或双绞
44、线。图图1-38 线形拓扑结构线形拓扑结构2）星形拓扑结构）星形拓扑结构 星形拓扑结构是一种以星形拓扑结构是一种以中央节点为中心，把若干外中央节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互围节点连接起来的辐射式互联结构。这种结构适用于局联结构。这种结构适用于局域网。域网。图图1-39 星形拓扑结构星形拓扑结构 3）环形拓扑结构）环形拓扑结构 环形拓扑结构环形拓扑结构由各节点首尾相连由各节点首尾相连形成一个闭合环形形成一个闭合环形线路。环形网络中线路。环形网络中的信息传送是单向的信息传送是单向的，即沿一个方向的，即沿一个方向从一个节点传到另从一个节点传到另一个节点；每个节一个节点；每个节点需安装中
45、继器，点需安装中继器，以接收、放大、发以接收、放大、发送信号。送信号。图图1-40 环形拓扑结构环形拓扑结构 图图1-41 BMW车系影音娱乐系统的车系影音娱乐系统的MOST总线采用环形拓扑结构总线采用环形拓扑结构2.按联网范围和控制能力分按联网范围和控制能力分 总线按联网范围分为主总线系统、子总线系统。总线按联网范围分为主总线系统、子总线系统。主总线系统负责跨系统的数据交换，主总线系统相关参主总线系统负责跨系统的数据交换，主总线系统相关参数见表数见表1-1。主总线系统名称主总线系统名称数据传输速率数据传输速率总线拓扑结构总线拓扑结构传输介质传输介质K总线总线9.6kbit/s线形，单线线形，
46、单线铜质电线铜质电线D总线总线10.5115 kbit/s线形，单线线形，单线铜质电线铜质电线CAN100 kbit/s线形，双线线形，双线铜质电线铜质电线K-CAN100 kbit/s线形，双线线形，双线铜质电线铜质电线F-CAN100 kbit/s线形，双线线形，双线铜质电线铜质电线PT-CAN500 kbit/s线形，双线线形，双线铜质电线铜质电线Byteflight10Mbit/s星形星形光纤光纤MOST22.5Mbit/s环形环形光纤光纤表表1-1 主总线系统相关参数主总线系统相关参数 子总线系统负责系统内的数据交换，子总线系统相关参子总线系统负责系统内的数据交换，子总线系统相关参数
47、见表数见表1-2。这些系统用于交换特定系统内数据量相对较少的。这些系统用于交换特定系统内数据量相对较少的数据。数据。子总线系统名称子总线系统名称数据传输速率数据传输速率总线拓扑结构总线拓扑结构传输介质传输介质K总线协议总线协议9.6kbit/s线形，单线线形，单线铜质电线铜质电线BSD9.6kbit/s线形，单线线形，单线铜质电线铜质电线DWA总线总线9.6kbit/s线形，单线线形，单线铜质电线铜质电线LIN总线总线9.619.2 kbit/s线形，单线线形，单线铜质电线铜质电线表表1-2 子总线系统相关参数子总线系统相关参数3.按信息传输速度分按信息传输速度分 为方便研究和设计应用，美国汽
48、车工程师学会（为方便研究和设计应用，美国汽车工程师学会（SAE）的汽车网络委员会按照系统的复杂程度、传输流量、传输速的汽车网络委员会按照系统的复杂程度、传输流量、传输速度、传输可靠性、动作响应时间等参量，将汽车数据传输网度、传输可靠性、动作响应时间等参量，将汽车数据传输网络划分为络划分为A、B、C、D、E五类。五类。A类网络是面向传感器类网络是面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常小于输位速率通常小于10kbit/s，主要用于车外后视镜调整，电动，主要用于车外后视镜调整，电动车窗、灯光照明等控制；车窗、灯光照明等控制；B类网络是面向独立模块间数据共享的
49、中速网络，位速率类网络是面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率在在10125kbit/s之间，主要应用于车身电子舒适性模块、仪表之间，主要应用于车身电子舒适性模块、仪表显示等系统；显示等系统；C类网络是面向高速、实时闭环控制的多路传输网络，类网络是面向高速、实时闭环控制的多路传输网络，位速率在位速率在125 kbit/s1Mbit/s之间，主要用于牵引力控制、发之间，主要用于牵引力控制、发动机控制、动机控制、ABS、ESP等系统。等系统。D类网络是智能数据总线类网络是智能数据总线IDB（Intelligent Data BUS）网络，主要面向影音娱乐信息、多媒体系统，其位速率在网络，主要面向
50、影音娱乐信息、多媒体系统，其位速率在250kbit/s100Mbit/s之间。按照之间。按照SAE的分类，的分类，IDB-C为低速为低速网络，网络，IDB-M为高速网络，为高速网络，IDB-Wireless为无线通信网络。为无线通信网络。E类网络是面向汽车被动安全系统（安全气囊）的网络，类网络是面向汽车被动安全系统（安全气囊）的网络，其位速率为其位速率为10Mbit/s。影音娱乐信息、多媒体系统多采用影音娱乐信息、多媒体系统多采用DDB（Domestic Digital Bus）总线或）总线或MOST（Media Oriented Systems Transport）总线。总线。无线通信则通过
