第一章 车载网络基础
一、概述
现代汽车往往使用大量电子设备来控制其正常行驶。当执行一个较复杂的控制时,需要在设备之间进行大量的数据交换。当控制系统变得复杂时,交换数据的信号线的连接将变得更复杂,同时费用将提高。为解决这一问题,对于一般控制,设备间连接可以通过串行网络完成。因此,博世公司开发了CAN总线(Controller Area Network),并已取得国际标准化组织(ISO11898)认证,同时,国际上一些大的半导体厂商也积极开发出支持CAN总线的专用芯片。通过CAN总线,传感器、控制器和执行器由串行数据线连接起来。它不仅仅是将电缆按树形结构连接起来,其通信协议相当于ISO/OSI参考模型中的数据链路层,网络可根据协议探测和纠正数据传输过程中因电磁干扰而产生的数据错误。CAN网络的配制比较容易,允许任何站之间直接进行通信,而无需将所有数据全部汇总到主计算机后再行处理。
1.车载控制网络基本概念
1986年2月,Robert Bosch公司在SAE(美国汽车工程师学会)大会上介绍了一种新型的串行总线——CAN(控制局域网),那是CAN诞生的时刻。今天,在欧洲几乎每一辆新车均装配有CAN局域网。同样,CAN也用于其他类型的交通工具,从火车到轮船或者用于工业控制。CAN已经成为全球范围内最重要的总线之一,甚至领导着串行总线。在1999年,接近6千万个CAN控制器投入应用;2000年,市场销售超过1亿个CAN器件。
在1990年早些时候,Bosch CAN规范(CAN2.0版)被提交给国际标准化组织。在数次行政讨论之后,应法国汽车厂商要求,增加了“Vehicle Area Network(VAN)”,并于1993年11月出版了CAN的国际标准ISO11898。除了CAN协议外,它也规定了最高至1Mbit/s波特率的物理层。同时,在国际标准ISO11519—2中也规定了CAN数据传输中的容错方法。1995年,国际标准ISO11898进行了扩展,以附录的形式说明了29位CAN标识符。
尽管CAN协议已经有20多年的历史,但它仍处在改进之中。从2000年开始,一个由数家公司组成的ISO任务组织定义了一种时间触发CAN报文传输的协议,将此协议定义为“时间触发通信的CAN(TTCAN)”,计划在将来标准化为ISO11898—4。
2.解读多路传输技术之谜
多路传输系统是个完成某一特定功能的电路或装置。一般情况下,可以认为多路传输是有线或无线同时传输许多东西,如数据信息等。由此,汽车通过实现电子控制,运用多路传输技术,可以使汽车省去许多连接和接头,可以减轻重量,节省空间,改善可靠性。
(1)多路传输 多路传输就是在同一通道或线路上同时传输多条信息,而数据是依次传输的,但速度非常快,似乎就是同时传输的。许多单个数据都是每一时段传输一段数据,这就叫做分时多路传输。多路传输系统ECU之间所用导线数量比常规线路系统少得多。又由于传输可以通过一根线(数据总线)执行多个指令,因此可以增加许多功能装置。正如可把无线电广播和移动电话的电波分为不同的频率,可以同时传输不同的数据。随着现在和未来的汽车装备无线多路传输装置的增加,基于频率、幅值或其他方法调制调节,同时数据传输也成为可能。汽车上用的是单线或双线制分时多路传输系统。
(2)模块 模块就是一个电子控制装置。传感器是一个信号采集装置,如根据温度和压力等的不同转换成不同的电压信号,这些电压信号在模块的输入接口被转变成数字信号。在计算机多路传输系统中,电子控制模块被称为节点。
模块就是信息高速公路上的进口和出口。
(3)数据总线 数据总线是模块间运行数据的通道,即所谓的信息高速公路。如果模块可以发送和接收数据,则这样的数据总线称为双向数据总线。汽车上的信息高速公路实际是一条导线或许两条导线。两线式的其中一条导线不是用作额外的通道,它的作用有点像公路的路肩,上面立有交通标志和信号灯,一旦数据通道出了故障,这“路肩”在有些数据总线中被用来承载“交通”,或者令数据换向通过一条或两条数据总线来发出故障部分的数据。为了抗电子干扰,双线制数据总线的两条线是绞在一起的。各汽车制造商一直在设计各自的数据总线,如果不兼容,就称为专用数据总线。如果是按照某种国际标准设计的,就是非专用的。但事实上,可能都是专用的数据总线。
图1-1 数据传输
控制单元之间的所有信息都通过一根或两根数据线进行交换,可以将数据总线想象为一辆普通的大客车。大客车可以运送大量的人来往于不同地点,数据总线也可以在多个控制模块之间运送大量的信息,即数据交换,如图1-1所示。
通过这种数据传递形式,所有的信息,不管控制单元的多少和信息容量的大小,都可以通过这两条数据线进行传递。
在数据总线中,各总线用户既可以是数据的发送者也可以是数据的接收者。但在任何确定的时间,只有一个总线用户可以发送数据,其他用户则加以接收。总线协议规定的规则决定哪一个控制模块在何时发送何种数据。
(4)网络 网络为了实现信息共享而把多条数据总线连在一起,或者把数据总线和模块当作一个系统。新型汽车的几条数据总线间有相互交换信息的模块,如图1-2所示。
图1-2 网络图
(5)网关 现代汽车上有许多电子控制模块或计算机,各个系统可能采用的数据总线的传输速度不同,或者是采用的通信协议不同,那么在这种情况下是不可能实现所有的计算机或者控制模块信息共享的。网关的作用就是在不同的通信协议和不同的传输速度的计算机或是模块之间进行通信时,建立连接和信息解码,重新编译,将数据传输给其他系统。例如,车门打开时发动机控制模块也许需要被唤醒。
为了使采用不同协议及速度的数据总线间实现无差错数据传输,必须用一种特定的计算机,这种计算机就是网关。
网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关(图1-3)在传输层上实现网络互连,是最复杂的网络互连设备,仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关的结构也和路由器类似,所不同的是互连层。网关既可以用于广域网互连,也可以用于局域网互连。
图1-3 网关
网关实际上就是一种模块,它工作的好坏决定了不同的总线、模块和网络相互间通信的好坏。网关就像一个居民小区的门卫,在他让任何客人进大门之前,他得问问客人是否应邀前来,或者通知某位住户有人来访了。对于不兼容但却需要互相通信的总线和网络来说,网关模块所起作用就和门卫一样。
(6)通信协议 通信协议即所谓交通规则,包括“交通标志”的制定方法。总统乘坐的车具有绝对的优先通行权,其他具有优先权的依次是政府要员的公车、警车、消防车、救护车等。但只能在执行公务时才能有优先权。驾车兜风、执行公务完毕时就无优先权可言。数据总线的通信协议并不是简单的问题,但可举例简单说明。当模块A检测到发动机已接近过热时,相对于其他不太重要的信息(如模块B发送的最新的大气压力变化数据)有优先权。通信协议的标准蕴含“唤醒访问”和“握手”。“唤醒访问”就是一个给模块的信号,这个模块为了节电而处于休眠状态。“握手”就是模块间的相互确认兼容并处在工作状态。
(7)车载网络协议 一般来说,汽车通信网络可以划分为四个不同的领域,每个领域都有其独特的要求。现有的主流汽车总线协议都无法适应所有的要求。
·信息娱乐系统:此领域的通信要求高速率和高带宽,有时会是无线传输,目前主流应用协议有MOST,正在推出的还有IDB-1394等。
·高安全的线控系统(X-By-Wire):由于此领域涉及安全性要求很高的制动和导向系统,所以它的通信要求高容错性、高可靠性和高实时性。可以考虑的协议有TTCAN、FlexRay、TTP等。
·车身控制系统:在这个领域CAN协议已经有了20多年的应用积累,其中包括传统的车身控制和传动装置控制。
·低端控制系统:此系统包括那些仅需要简单串行通信的ECU,比如控制后视镜和车门的智能传感器以及激励器等,这应该是LIN总线最适合的应用领域。
3.车载网络新趋势
(1)光纤 D2B Optical是一种光纤通信系统,使用者可以把娱乐及信息产品跟中央系统整合,不会与中央网络系统相互抵触。目前D2B Optical应用在车身网络,特别是数字影音、导航系统的功能,比如大众奥迪的MMI系统。
(2)高速CAN 高速CAN正在推动车身网络的传输速率达500kbit/s以上。SAE在1996年10月17日决定剔除这个讨论议题,所以像西门子也只有车身网络的资料,对于高速车身网络并没有多加详述。
(3)COMMAND COMMAND是一独立的网络,用来连接交通状况记录模块与电视TV频道译码模块。由中央通信控制模块来播放TV,结合卫星导航、地图系统指示驾驶人如何避开交通拥塞道路。
(4)移动电话网络 移动电话与D2B光纤永久连接,当移动电话使用TMC/GSM与交通信息中心连接时,此时移动电话透过移动电话网络与交通状况记录模块传递资料,来作一个导航系统指示,与汽车使用共通的接口,行车时,也可同时打电话。
(5)OSEK开放式标准系统 开放式标准化系统(Open Systemand the Corresponding In-terfaces for Automative Electronics)兼容车内的电子产品接口,把实时的操作系统、软件接口及管理网络与通信的功能都条理化,在Mercedes—Benz与IBM的协议下,这套系统已成为车上的基本操作系统。
(6)TOKEN BUS Token Bus(一种通过网络与实体层寻找资料的方式)对加装与实时的配备而言,强而有力的局域网络不需太多软件支持,就能提供实体层、数据链路层及开放式相互连接系统的传输功能,如流程控制、硬件封包。