數(shù)據(jù)總線是指模塊間運行數(shù)據(jù)的通道，模塊可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總線稱為雙向數(shù)據(jù)總線，即所謂的信息高速公路，如圖1所示，汽車上的信息高速公路實際是一條或兩條導線，為了對抗電子干擾，雙線制數(shù)據(jù)總線的兩條線(圖2)是絞在一起的。

 

圖1

 

圖2

 

汽車中的電子部件越來越多，光是ECU就有幾十個，這么多的電子單元都要進行信息交互。傳統(tǒng)的點對點通信已經(jīng)不能滿足需求，因此必須要采用先進的總線技術(shù)。

 

車用總線就是車載網(wǎng)絡中底層的車用設備或車用儀表互聯(lián)的通信網(wǎng)絡。目前，有四種主流的車用總線：CAN總線、LIN總線、F lexRay總線和MOST總線。

 

一般這四種總線的應用如下：

 

 

或者可以形象地說：

 

CAN總線是中堅，LIN是CAN的副手，F(xiàn)lexRay是未來的希望，MOST則負責文化事業(yè)。這四種總線將在未來繼續(xù)大放異彩。下面我就一一簡單介紹這四大總成線。

 

FlexRay

 

FlexRay車載網(wǎng)絡標準已經(jīng)成為同類產(chǎn)品的基準，將在未來很多年內(nèi)，引導整個汽車電子產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。FlexRay是繼CAN 和LIN之后的最新研發(fā)成果，可以有效管理多重安全和舒適功能。

 

FlexRay是戴姆勒克萊斯勒公司的注冊商標。FlexRay聯(lián)盟(FlexRay Consortium)推進了FlexRay的標準化，使之成為了新一代汽車內(nèi)部網(wǎng)絡通訊協(xié)議。FlexRay關(guān)注的是當今汽車行業(yè)的一些核心需求，包括更快的數(shù)據(jù)速率，更靈活的數(shù)據(jù)通信，更全面的拓撲選擇和容錯運算。

 

因此，F(xiàn)lexRay可以為下一代的車內(nèi)控制系統(tǒng)提供所需的速度和可靠性。CAN網(wǎng)絡最高性能極限為1Mbps。LIN和K-LINE分枝網(wǎng)絡最高性能極限為20Kbit/s。而FlexRay兩個信道上的數(shù)據(jù)速率最大可達到10Mbps,總數(shù)據(jù)速率可達到20Mbit/秒，因此，應用在車載網(wǎng)絡，F(xiàn)lexRay 的網(wǎng)絡帶寬可能是CAN的20倍之多。

 

FlexRay不僅可以像CAN和LIN網(wǎng)絡這樣的單信道系統(tǒng)一般運行，而且還可以作為一個雙信道系統(tǒng)運行。雙信道系統(tǒng)可以通過冗余網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)——這也是高可靠系統(tǒng)的一項重要性能。

 

FlexRay 導線控制應用的例子包括：

 

● 線控操作轉(zhuǎn)向-典型的是使用電子控制單元

● 防抱死制動系統(tǒng)(ABS)-包括車輛穩(wěn)定控制(VSC)和車輛穩(wěn)定助手(VSA)

 

FlexRay 節(jié)點運算

 

每個FlexRay節(jié)點都包括一個控制器和一個驅(qū)動器部件?？刂破鞑考ㄒ粋€主機處理器和一個通信控制器。驅(qū)動器部件通常包括總線驅(qū)動器和總線監(jiān)控器(可選擇)?？偩€驅(qū)動器將通信控制器與總線相連接，總線監(jiān)控器監(jiān)視接入總線的連接。主機通知總線監(jiān)控器通信控制器分配了那些時槽。接下來，總線監(jiān)控器只允許通信控制器在這些時槽中傳輸數(shù)據(jù)，并激活總線驅(qū)動器。若總線監(jiān)控器發(fā)現(xiàn)時間時序有間隔，則斷開通信信道的連接。

 

FlexRay的節(jié)點有幾個基本的運行狀態(tài)：

 

● 配置狀態(tài)(默認配置/配置)-用于各種初始化設置，包括通信周期和數(shù)據(jù)速率

● 就緒狀態(tài)-用于進行內(nèi)部的通信設置

● 喚醒狀態(tài)-用于喚醒沒有在通信的節(jié)點。在該狀態(tài)下，節(jié)點向另一節(jié)點發(fā)送喚醒信號，喚醒并激活總線驅(qū)動器、通信控制器、和總線監(jiān)控器。

● 啟動狀態(tài)-用于啟動時鐘同步，并為通信做準備。

● 正常狀態(tài)(主動/被動)-可以進行通信的狀態(tài)

● 中斷狀態(tài)-表明通信中斷

 

經(jīng)過數(shù)年的改進，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡標準已經(jīng)成熟，BMW已經(jīng)在X5中有5個ECU(電控減震、主控懸吊系統(tǒng)等)應用了FlexRay，在下一代產(chǎn)品中將有16ECU予以應用。

 

CAN總線

 

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(ControllerArea Network, CAN)的簡稱，是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標準(ISO 11898)，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協(xié)議。

 

CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面?，F(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(shù)支持。

 

CAN總線優(yōu)勢

 

CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡。較之許多RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：

 

網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強

 

首先，CAN控制器工作于多種方式，網(wǎng)絡中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決于報文標識符)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差;

 

開發(fā)周期短

 

CAN總線通過CAN收發(fā)器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會在出現(xiàn)在RS-485網(wǎng)絡中的現(xiàn)象，即當系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)像在網(wǎng)絡中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。

 

已形成國際標準的現(xiàn)場總線

 

另外，與其它現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現(xiàn)場總線。這些也是CAN總線應用于眾多領(lǐng)域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。

 

最有前途的現(xiàn)場總線之一

 

CAN 即控制器局域網(wǎng)絡，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。與一般的通信總線相比,CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領(lǐng)域上的應用是最廣泛的，世界上一些著名的汽車制造廠商都采用了CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。同時，由于CAN總線本身的特點，其應用范圍已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。其典型的應用協(xié)議有：SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。

 

CAN總線特點

 

它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率最高可達1Mbps。

 

結(jié)構(gòu)簡單

只有2根線與外部相連，并且內(nèi)部集成了錯誤探測和管理模塊。

 

傳輸距離和速率

 

CAN總線特點：(1) 數(shù)據(jù)通信沒有主從之分，任意一個節(jié)點可以向任何其他(一個或多個)節(jié)點發(fā)起數(shù)據(jù)通信，靠各個節(jié)點信息優(yōu)先級先后順序來決定通信次序，高優(yōu)先級節(jié)點信息在134μs通信; (2) 多個節(jié)點同時發(fā)起通信時，優(yōu)先級低的避讓優(yōu)先級高的，不會對通信線路造成擁塞; (3) 通信距離最遠可達10KM(速率低于5Kbps)速率可達到1Mbps(通信距離小于40M);(4) CAN總線傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜。CAN總線適用于大數(shù)據(jù)量短距離通信或者長距離小數(shù)據(jù)量，實時性要求比較高，多主多從或者各個節(jié)點平等的現(xiàn)場中使用。

 

CAN總線應用舉例

 

CAN總線在工控領(lǐng)域主要使用低速-容錯CAN即ISO11898-3標準，在汽車領(lǐng)域常使500Kbps的高速CAN。

 

某進口車型擁有，車身、舒適、多媒體等多個控制網(wǎng)絡，其中車身控制使用CAN網(wǎng)絡，舒適使用LIN網(wǎng)絡，多媒體使用MOST網(wǎng)絡，以CAN網(wǎng)為主網(wǎng)，控制發(fā)動機、變速箱、ABS等車身安全模塊，并將轉(zhuǎn)速、車速、油溫等共享至全車，實現(xiàn)汽車智能化控制，如高速時自動鎖閉車門，安全氣囊彈出時，自動開啟車門等功能。

 

CAN系統(tǒng)又分為高速和低速，高速CAN系統(tǒng)采用硬線是動力型，速度：500kbps，控制ECU、ABS等;低速CAN是舒適型，速度：125Kbps，主要控制儀表、防盜等。
 

CAN總線在汽車中的應用

 

應用CAN總線，可以減少車身布線，進一步節(jié)省了成本，由于采用總線技術(shù)，模塊之間的信號傳遞僅需要兩條信號線。布線局部化，車上除掉總線外其他所有橫貫車身的線都不再需要了，節(jié)省了布線成本。CAN總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，CAN總線具有線間干擾小、抗干擾能力強的特點。CAN總線專為汽車量身定做，充分考慮到了汽車上惡劣工作環(huán)境，比如點火線圈點火時產(chǎn)生的強大的反充電壓，電渦流緩沖器切斷時產(chǎn)生的浪涌電流及汽車發(fā)動機倉100℃左右的高溫。

 

 

隨著安全性能日益受到重視,安全氣囊也將逐漸增多,以前是在駕駛員前面安裝一個,今后側(cè)面與后座都會安裝安全氣囊,這些氣囊通過傳感器感受碰撞信號,通過CAN總線將傳感器信號傳送到一個中央處理器內(nèi),控制各安全氣囊的啟動彈出動作。同時,先進的防盜設計也正基于CAN總線網(wǎng)絡技術(shù)。首先,確認鑰匙合法性的校驗信息通過CAN網(wǎng)絡進行傳遞,改進了加密算法,其校驗的信息比以往的防盜系統(tǒng)更豐富;其次,車鑰匙、防盜控制器和發(fā)動機控制器相互儲存對方信息,而且在校驗碼中攙雜隨機碼,無法進行破譯,從而提高防盜系統(tǒng)的安全性。而這些功能的實現(xiàn)無一不借助CAN總線來完成,CAN總線成為汽車智能化控制的“定海神針”。

 

在現(xiàn)代轎車的設計中,CAN已經(jīng)成為必須采用的裝置。奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的手段。據(jù)報道,中國首輛CAN 網(wǎng)絡系統(tǒng)混合動力轎車已在奇瑞公司試裝成功,并進行了初步試運行。在上海大眾的帕薩特和POLO汽車上也開始引入了CAN總線技術(shù)。但總的來說,目前 CAN總線技術(shù)在我國汽車工業(yè)中的應用尚處于試驗和起步階段,絕大部分的汽車還沒有采用汽車總線設計。國內(nèi)在技術(shù)、設計和應用上進行網(wǎng)絡總線的“深造”勢在必行。

 

LIN總線

 

LIN總線是針對汽車分布式電子系統(tǒng)而定義的一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡，是對控制器區(qū)域網(wǎng)絡(CAN)等其它汽車多路網(wǎng)絡的一種補充，適用于對網(wǎng)絡的帶寬、性能或容錯功能沒有過高要求的應用。LIN總線是基于SCI(UART)數(shù)據(jù)格式，采用單主控制器/多從設備的模式，是UART中的一種特殊情況。數(shù)據(jù)傳遞速率為1～20Kb/s，在LIN控制單元的軟件內(nèi)已經(jīng)設定完畢，該速率最大能達到舒適CAN數(shù)據(jù)傳遞速率的1/5。

 

LIN總線概況

 

LIN(Local Interconnect Network)是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN 的目標是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(例如CAN總線)提供輔助功能，因此LIN總線是一種輔助的總線網(wǎng)絡。在不需要CAN 總線的帶寬和多功能的場合，比如智能傳感器和制動裝置之間的通訊使用LIN 總線可大大節(jié)省成本。

 

LIN 技術(shù)規(guī)范中除定義了基本協(xié)議和物理層外還定義了開發(fā)工具和應用軟件接口。

 

LIN 通訊是基于SCI(UART)數(shù)據(jù)格式，采用單主控制器/多從設備的模式。僅使用一根12V 信

 

號總線和一個無固定時間基準的節(jié)點同步時鐘線。

 

這種低成本的串行通訊模式和相應的開發(fā)環(huán)境已經(jīng)由LIN 協(xié)會制定成標準。LIN 的標準化將為汽車制造商以及供應商在研發(fā)應用操作系統(tǒng)降低成本。

 

LIN總線特性

 

● 低成本：基于通用UART 接口幾乎所有微控制器都具備LIN 必需的硬件;

● 極少的信號線即可實現(xiàn)國際標準ISO9141 規(guī)定;

● 傳輸速率最高可達20Kbit/s;

● 單主控器/多從設備模式無需仲裁機制;

● 從節(jié)點不需晶振或陶瓷震蕩器就能實現(xiàn)自同步，節(jié)省了從設備的硬件成本;

● 保證信號傳輸?shù)难舆t時間;

● 不需要改變LIN 從節(jié)點的硬件和軟件就可以在網(wǎng)絡上增加節(jié)點;

● 通常一個LIN 網(wǎng)絡上節(jié)點數(shù)目小于12 個共有64 個標志符;

 

LIN總線應用

 

典型的LIN 總線應用是汽車中的聯(lián)合裝配單元，如：門、方向盤、座椅、空調(diào)、照明燈、濕度傳感器，交流發(fā)電機等。對于這些成本比較敏感的單元，LIN 可以使那些機械元件如智能傳感器、制動器或光敏器件得到較廣泛的使用。這些元件可以很容易的連接到汽車網(wǎng)絡中并得到十分方便的維護和服務。在LIN 實現(xiàn)的系統(tǒng)中通常將模擬信號量用數(shù)字信號量所替換，這將使總線性能優(yōu)化。

 

在以下的汽車電子控制系統(tǒng)中使用LIN 來實現(xiàn)將得到非常完美的效果：

 

車頂

 

濕度傳感器，光敏傳感器，信號燈控制，汽車頂篷

 

車門

 

車窗玻璃，中樞鎖，車窗玻璃開關(guān)，吊窗提手

 

車門總線模塊示意圖

 

車頭

 

傳感器，小電機

 

方向盤

 

方向控制開關(guān)，擋風玻璃上的擦拭裝置，方向燈，無線電，空調(diào)，座椅，座椅控制電機，轉(zhuǎn)速傳感器

 

盡管LIN 最初的設計目的是用于汽車電子控制系統(tǒng)，但LIN 也可廣泛應用于工業(yè)自動化傳感器總線，大眾消費電子產(chǎn)品中。

 

MOST總線

 

MOST (Media Oriented System Transport) 面向媒體的系統(tǒng)傳輸總線，MOST 是汽車業(yè)合作的成果，而不具備正式的標準。

 

MOST總線產(chǎn)品介紹

 

MOST總線是作為寶馬公司、戴姆勒克萊斯勒(DaimlerChrysler)公司、Harman/Becker公司(音響系統(tǒng)制造商)和 Oasis Silicon Systems公司之間的一項聯(lián)合。其后不久(1998 年),參與各方建立了一個自主的實體,即 MOST公司,由它控制總線的定義工作。Oasis公司自己保留對 MOST 命名的權(quán)利。由一家獨立的測試機構(gòu)負責產(chǎn)品的認證過程,例如 Ruetz 技術(shù)公司。除了順從性測試以外,Ruetz公司還為 MOST 總線系統(tǒng)開發(fā)提供使用的軟、硬件分析工具,以及 MOST 系統(tǒng)的培訓。

 

MOST總線專門用于滿足要求嚴格的車載環(huán)境。這種新的基于光纖的網(wǎng)絡能夠支持24.8Mbps的數(shù)據(jù)速率，與以前的銅纜相比具有減輕重量和減小電磁干擾(EMI)的優(yōu)勢。

 

MOST總線產(chǎn)品特點

 

MOST傳輸協(xié)議由分割成幀的數(shù)據(jù)塊組成，每一幀包含流數(shù)據(jù)、分組數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。

 

在物理層上,傳輸介質(zhì)本身是有塑料保護套、內(nèi)芯為 1 mm 的 PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)光纖,OEM 供應商可以將一束光纖像電線一樣捆成光纜。光纖傳輸采用 650 nm(紅色)的 LED 發(fā)射器(650 nm 是 PMMA 光譜響應中的低損耗“窗口”)。數(shù)據(jù)以 50 Mbaud、雙相編碼的方式發(fā)送,最高數(shù)據(jù)速率為 24.8 Mbps。

 

MOST的定義是非常普通的,允許采用多種拓撲結(jié)構(gòu),包括星形和環(huán)形,大多數(shù)汽車裝置都采用環(huán)形布局。一個 MOST 網(wǎng)絡中最多可以有 64 個結(jié)點。一旦汽車接通電源,網(wǎng)絡中的所有 MOST 結(jié)點就全部激活,這對低功耗、停電模式設計是一大重點,包括系統(tǒng)處在該種狀態(tài)下的功耗量以及如何進入狀態(tài)。MOST 結(jié)點在通電時的默認狀態(tài)是直通(Pass-throught),即進入的數(shù)據(jù)從接收器直接傳送至發(fā)射器,以保持環(huán)路的暢通。

 

MOST 的數(shù)據(jù)傳送使用 512 b 的幀，以及 16 個幀的塊(圖 1)。每個幀內(nèi)除了前導碼和其它內(nèi)部管理位以外,還包含有同步、異步和控制數(shù)據(jù)。總線是完全同步的,設計師可將網(wǎng)絡內(nèi)的任何設備指定為主設備,其它所有結(jié)點都從主設備處獲得自己的時鐘。網(wǎng)絡完全是即插即用的,當上電或有連接改變時,有一個尋找設備的過程。主結(jié)點上保持著一個所連設備的中心注冊處。

 

圖1：基于MOST總線的典型車載高端娛樂系統(tǒng)

 

圖2：基于MOST總線的車載音頻娛樂系統(tǒng)原理圖

 

作者：周慶文

來源：線束世界

 

 

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