车载总线技术汇总

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汽车电子化程度是衡量现代汽车水平的重要标志,而汽车电子技术的提升也带动了总线技术的发展。传统汽车电子采用点对点的通信方式,各单元之间没有联系,因此整车需要庞大的线束系统。不管从空间布置还是通信效率看,传统电气网络都无法满足现代汽车的要求。此外,现代汽车各ECU单元之间随时进行数据交互,如发动机转速、节气门位置以及车速,必须把各节点接入到总线网络,实现信息共享。由于各电子单元对通信实时性要求不同,基于多总线技术的现代汽车网络便应运而生。

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LIN总线技术

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LIN是由5家整车厂(奥迪、宝马、克莱斯勒、沃尔沃和大众)、1家半导体厂商(飞思卡尔)和1家工具提供商(明导公司)提出的一种车用总线,LIN总线的提出可以降低整车的控制器制造成本,并且不影响整个车载网络的正常使用。LIN总线采用通用异步接收/发送标准,单主多从结构,整个网络只有一个主节点和若干个从节点,是一种单线的总线通信系统。

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LIN总线是一种单主多从组织系统,没有总线仲裁机制。LIN总线有以下特点:

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1.LIN总线的通信速率比较低,一般最高速率 20Kbit/s,但基本能满足低速通信需求;

2.采用串行通信,一般采用单线传输,节约传输线束,并且传输距离长;

3.LIN通信的接口硬件是基于SCI/UART的通用接口,价格便宜,成本低;

4.主机节点可调度整个网络,所以无需仲裁;

5.节点的个数可随时增减,但最多只能有16个节点;支持诊断功能和多报文传输。

LIN总线为单主多从结构的总线,即整个网络中只能有一个主机节点,可以有多个从机节点。如下图所示,为LIN网络拓扑结构图。

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由图可以看出,主机节点不仅有主机任务,还有从机任务,而从机节点只有从机任务。LIN总线的网络通信中报文帧的调度由调度表来实现,调度表可确定每个报文帧的发送时序和发送时隙,发送时序就是每个报文在整个网络中发送的顺序,发送时隙就是预留给该报文发送的时间,一般来说,不同的报文发送时隙可能不同。

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LIN网络节点的设计阶段,需要将调度表设计好,这就使得LIN总线的通信具有可预测性。此外,主机节点中可以拥有多个调度表,是为了防止单个调度表有可能会造成网络的不稳定,多个调度表之间切换可以确保通信的可靠性。

一般来说,主机节点发送的每个帧头从机节点都会接收,但从机节点会根据帧头的标识符来决定是否需要接受数据、发送数据或处于空闲状态。如下图所示,为LIN报文通信原理。

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CAN总线技术

CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器区域网,是应用于各种设备监测及控制的一种网络。CAN最初是由德国Bosch公司为汽车的监测、控制系统而设计的。CAN具有独特的设计功能特性和极高的可靠性,且现场抗干扰能力强,其基本特点如下:

1.结构简单,只有两根线与外部相连,且内部含有错误探测和管理模块;

2.通讯方式灵活。可以多主方式工作,网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息,而不分主从;

3.可以点对点,点对多点及全局广播式发送和接收数据;

4.网络上的节点信息可分成不同的优先级,可以满足不同的实时要求;

5.CAN通讯格式采用短帧格式,每帧字节数最多为8个,可满足通常工业控制领域中控制命令,工作状态及测试数据的一般要求。同时,8个字节也不会占用总线时间过长,从而保证了通讯的实时性;

6.CAN采用非破坏性总线仲裁技术。当两个节点同时向总线发送数据时,优先级低的节点主动停止数据发送,而优先级高的节点可不受影响地继续发送数据,这大大地节省了仲裁冲突时间,在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪;

7.直接通讯距离最大可达10km(速率skb/s),最高通讯速率可达1Mb/s(此时距离最长为4Om)。节点数可达110个,通信介质是双绞线,同轴电缆或光导纤维;
8.CAN总线通讯接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能,可完成对通信数据的成帧处理,包括位填充,数据块编码,循环冗余检测,优先级判别等项工作;

9.CAN总线采用CRC奇偶检验并可提供相应的错误处理功能,保证了数据通讯的可靠性。

CAN总线协议相对应于ISO/OSI参考模式中的数据链路层,满足了自动装置实时控制的需要。已被定为国际标准。

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CAN总线采用差分方式发送和接收消息,起到很好的抗干扰作用。
 

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如上图所示,差分信号的高电平用CAN_H表示,电压为3.5V;低电平用CAN_L表示,电压为1.5V;当CAN_HCAN_L稳定在总线的平均水平时,Vdiff数值趋于0,此时为隐形状态;当Vdiff超出某个最小阈值的差动电压时,此时为显性状态。当显性状态来临时,会将之前总线上的隐形状态覆盖掉。

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CAN FD总线技术

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德国Bosch公司在2011年发布了CAN FDCAN with Flexible Data-Rate1.1版。作为CAN总线的升级,CAN FD总线带宽明显提升,达到10Mbps,并改善了错误校验机制。同时,CAN FD继承了CAN总线的特性,在物理层保持不变,具有和CAN总线相似的控制器接口,在软件层面无需大规模修改就可以替换CAN总线,减少了开发周期和成本。

CAN总线已经广泛应用于车载通信,被认为是传输实时数据的最可靠方法之一,CAN协议确定每个正在发送的消息优先级,从而允许简单、不间断的通信流。但CAN总线也存在局限性,CAN总线波特率和总线长度成反比,所以在保证传输速度的前提下,传输距离不能过长(此外,数据长度随着时间而受到限制)。CAN FD增加了数据部分中的比特率,使得在不增加CAN帧时间长度的情况下,增加了数据部分中的字节数。
 
CAN总线过渡到CAN FD总线的另一个紧迫原因是汽车系统的安全性。CAN一般在封闭系统内运行,不能从外部访问,但智能网联的浪潮使得汽车变为开放式系统,信息安全问题日益严峻。CAN FD在一帧中具有多达64个数据字节,为安全签名提供了大量空间。随着CAN FD技术开始出现在中高端微控制器中,内置的硬件支持安全算法如高级加密标准(AES),在车载环境下将被广泛运用。

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CAN FD帧结构分为七个部分:帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC校验场、ACK确认场和帧结束。CAN FD相比CAN帧结构,取消了对远程帧的支持,在控制场多了EDL(Flexible Data Rate Format)BRS(Bit Rate Switch)ESI(Error State Indicator)三位。仲裁段波特率和传统CAN一致,最快达到1Mbps,包括SOF位到BRS位以及ACK场和帧结束段。数据段波特率最快可达5Mbps,包括ESI位到CRC场。CAN FD标准帧帧结构如下图所示。

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FDF帧结构:用来区分是传统CAN帧还是CAN FD帧,隐性位1表示CAN FD帧,显性位0表示CAN帧。

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BRS比特率转换:表示从控制场BRS位开始到CRC校验场结束这段报文是否转变速率,隐性位1表示转变速率,显性位0表示不转变速率。
 
ESI错误状态指示符:用来指示当前节点所处状态,显性位(dominant bit0表示主动错误(Error Active)状态,隐性位(Recessive bit1表示被动错误(Error
Positive)状态。

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CAN FD继承了CAN协议在安全方面的不足,一旦CAN FD总线被攻破,车辆便面临被控制的威胁,以下列举了CAN FD协议缺陷:
 
1.缺乏安全保护协议:IS0
11898(2015)公布的 CAN FD 物理层和数据链路层协议均没有涉及到安全方面的内容,CAN FD节点间的传输都是通过明文传输,外界容易根据大量CAN FD报文推测出线性规律,获取通信双方真实的数据;
2.基于广播的通信方式:整车CAN
FD网络由各节点组网而成,所有节点均连接到一条CAN FD总线,一旦有节点发出消息,其余节点都能收到消息。利用此特点,只要接入到CAN FD总线,就能监听所有节点间的通信,缺乏私密性保护;

3.ID优先级仲裁机制:当有多条CAN
FD报文同时活动于总线上时,根据ID优先级仲裁避免总线冲突,ID越小优先级越高,低优先级必须等待高优先级发送完才可发送,这样,袭击者便可不断发送高优先级报文,从而使低优先级报文难以发送,实现拒绝服务通信;
 
4.缺乏消息源身份验证:CAN
FD没有对各节点地址进行标注,只通过报文标识符(ID号)对数据进行编码。难以获知到底哪个节点才是消息源,因此,只要某个节点被劫持,就可以伪造其他节点的发送,接收方也没有相应的机制对消息源进行认证。

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MOST总线技术

1996年,梅赛德斯以其D2B系统为基础,并与宝马和SMSC合作,开始对MOST进行讨论,并且决定和其他汽车生产商共同进行开发。1998年,宝马、奔驰、别克和SMSC以德国民法合伙人的方式成立了MOST合作组织,之后奥迪很快也加入了该组织MOST合作组织成立后便致力于协议的快速标准化工作,并迅速地将实际系统搭载于汽车上。(但该技术仅是汽车业合作的成果,而不具备正式的标准)。

 

MOST(Media Oriented System Transport)是面向媒体的系统传输总线,表示“多媒体传输系统”。是一种以通信协议为基础的汽车多媒体信息传输网络技术,其采用光纤线或双绞线作为物理传输介质,是一种专门针对车内使用而开发的、服务于多媒体应用的数据总线技术。MOST总线有以下特点:

 

1.现有140种车型应用了MOST网络技术,是主流的娱乐媒体传输技术,已经发布了三代MOST网络技术规范,技术较为成熟,下一代网络带宽能够达到1~5Gbps的网络规范也正在研发当中。

 

2. MOST总线由一个时间主节点和若干个时间从节点构成,在传输数据信号的同时也传输时钟信号,该网络中最多有64个节点,节点之间的最大距离为10米。

 

3.相对于传统的车载信息娱乐系统方案而言具有使用线束更少更轻、网络抗电磁干扰能力更强、应用的添加和删除更为方便等优点。

 

4.专门用于满足要求严格的车载环境,新的基于光纤的网络能够支持24.8Mbps的数据速率,与以前的铜缆相比具有减轻重量和减小电磁干扰(EMI)的优势,同时也支持随插随用机制。
 

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MOST总线利用光脉冲传输数据,采用环形结构,在环形总线内只能朝着一个方向传输数据。MOST总线的传输技术近似于公众交换式电话网络(Public Switched Telephone NetworkPSTN),有着数据信道(Data
Channel)与控制信道(Control
Channel)的设计定义,控制信道即用来设定如何使用与收发数据信道。一旦设定完成,资料就会持续地从发送处流向接收处,过程中不用再有进一步的封包处理程序,将运作机制如此设计,最适合用于实时性音讯、视讯串流传输。MOST在制订上完全合乎ISO/OSI7层数据通讯协议参考模型,而在网线连接上MOST采用环状拓朴,不过在更具严苛要求的传控应用上,MOST也允许改采星状(亦称放射状)或双环状的连接组态。
MOST智能网络接口控制器层主要负责套接字管理、智能器件管理、网络保护模式设置和硬件应用看门狗定时器设置等。而物理层则由光学物理层和电气物理层组成,MOST网络信号可以在光纤线或双绞线中进行传输。在MOST网络上,帧是数据传输的基本单元,每个帧又分为三个数据域,分别用于传输控制字节、流数据与异步数据。因为数据帧定时发送,其频率为441KHz48KHz。所以网络中传输的相邻数据帧的相同数据域构成了用于传输对应信息的连续信道,即控制信道、流数据信道和异步数据信道。

 

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FlexRay总线技术

由于FlexRay关注的是当今汽车行业的一些核心需求,包括更快的数据速率,更灵活的数据通信,更全面的拓扑选择和容错运算,所以可以为下一代的车内控制系统提供所需的速度和可靠性。

 

FlexRay总线技术具有以下特点,

 

1.具有高带宽的优点,CAN网络最高性能极限为1MbpsLINK-LINE分枝网络最高性能极限为20Kbit/s;而FlexRay两个信道上的数据速率最大可达到10Mbps,总数据速率可达到20Mbit/秒,应用在车载网络FlexRay的网络带宽可能是CAN20倍之多。

 

2.具备冗余通信能力,可实现通过硬件完全复制网络配置,并进行进度监测、同时提供灵活的配置,可支持各种拓扑,如总线、星型和混合拓扑。设计人员可以通过结合两种或两种以上的该类型拓扑来配置分布式系统。

3.可以进行同步(实时)和异步的数据传输,来满足车辆中各种系统的需求,在每个通信周期内都提供静态和动态通信段。静态通信段可以提供有界延迟,而动态通信段则有助于满足在系统运行时间内出现的不同带宽需求。FlexRay帧的固定长度静态段用固定时间触发(fixed-time-trigger)的方法来传输信息,而动态段则使用灵活时间触发的方法来传输信息。

 

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4.是以周期循环的方式进行的,完整通信周期包含静态段、动态段、符号窗和网络空闲时间四个部分;

5.基于时间触发方式进行传输的,每个节点都分配有属于自己的时隙,每个应用节点都会在其时隙到达的时刻发送报文且知道在何时接收属于自己的报文。

FlexRay 数据帧共包含三个部分分别是:起始段、净荷段、结束段,如图所示,数据帧在总线上传输时,将控制器内部传输队列中的消息按下图从左到右依次进行传输,首先传输起始段字节,其次传输净荷段字节,最后传输结束段字节,三部分全部传输结束代表着一个完整FlexRay数据帧的传输完成。

 

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其中起始段(Playload segment)占有5个字节的数据长度,这是预先设定好的,分别由以下几个部分构成:

R:保留位(1位),为以后协议的扩展所保留的空位。当是发送节点时该位设置为零,如果是接收节点可忽略该位。

P:有效负载预先指示位(1位),指示发送数据帧的有效负载数据段是否包含可选向量。如:1,代表包含,0代表不包含。

N:空帧(无效帧)指示位(1 位),指示数据帧是否为空帧,即使空帧中没有有效数据,但是接收节点依旧会用到空帧中的相关信息。当为1时代表该帧是空帧或者无效帧,0代表有效帧。

两个连续的S位:第一个S是同步帧指示位,当为1时表示该帧为同步帧,为0时表示非同步帧。第二个S是启动帧指示位,当为1时表示是启动帧,为0时表示不是启动帧。当一个帧的启动帧指示位被设置为1时,其同步帧指示位也应设置为1

ID11位):即时隙号,确定了传输该数据帧的时隙。在一个通信周期中帧ID只能出现一次,用来设置帧能在哪个时隙中被发送,其值的范围是1-20470不是有效的帧标识符。

有效负载数据长度(7位):取值范围是 0-127,用来标注有效负载数据段的大小。在任一个通信周期内,所传输的如果是静态帧,则有效负载数据长度都固定且一样,如果是动态帧,则有效负载数据长度根据实际需求而定可以不相同。

帧头CRC11位):包含一个循环冗余校验的校验码,该校验码通过对同步帧指示位、帧ID、有效负载数据长度计算而得到。节点在发送帧头CRC时。帧头CRC中按照重要性的大小依次发送校验位。

帧计数周期(6位):用来标注数据帧在 0-63 个通信周期里中哪一个周期被发送。发送节点将节点周期计数写入帧周期计数,选择需要发送的信息;接收节点根据帧周期计数进行选择性接收。

有效负载数据段(Playload segment):用来存储需要传输的数据信息,大小在0-254个字节之间。在静态段传输的消息帧有效负载数据段的前0-12字节可作为网络管理向量使用,通过起始段的有效负载预先指示位(P)中提前指明该有效负载数据段中是否存在网络管理向量。在动态段传输的消息帧有效负载段长度是不确定的,其前面几个字节是报文标识符(ID),发送节点将其作为应用数据写入,通信控制器不参与,接收节点通过ID过滤器识别报文。

结束段:由24位的帧CRC组成。通过CRC多项式的计算可以校验起始段和有效负载数据段两部分的数据是否正确。该过程是对起始段、净荷段中的所有字段进行校验。

FlexRay协议中规定FlexRay通信是以周期循环的方式进行的,由于是基于时间触发方式进行传输,每个节点都分配有属于自己的时隙,每个应用节点会在其时隙到达时刻发送报文并在特定时刻接收属于自己的报文。这需要系统描述参数—比如波特率、时隙数目、时隙长度、以及静态段和动态段的报文分配情况,这些都会在系统初始化的过程中被定义,FlexRay时隙分配图如下图所示。

 

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通信周期的静态段有多个静态时隙构成,所有的静态时隙长度大小都相同且配置是固定的,从1开始依次编号。静态段采用的是时分多址(TDMA)技术,在微处理器内部有设计好的调度表,它将消息分配给固定的时隙,当属于消息的时隙到达时,该消息就能够被传输,时隙是静态段的最小时间单位。在开始通信前就会对FlexRay网络中需要传输的消息进行整体规划,将每个节点都分配一定数量的时隙,在通信过程中节点所对应的时隙不能被修改。在规划整个通信网络时要合理分配静态段传输的消息,不能超过静态段所能承受的最大长度。所以,即使车辆是行使在外部干扰及其严苛的环境下,基于FlexRay协议的数据传输也能将最大限度的降低信息的抖动和延迟。FlexRay静态段通信方式如下图所示。

 

车载总线技术汇总

在通信周期的动态段中,分配的时隙长度并不是固定不变的,所分配的时隙长度根据数据帧的大小进行改变,提高了数据传输的灵活性。动态段采取的是基于柔性时分多址(FTDMA)技术,它的最小时间单位是在时隙基础上再进行划分的微时隙,因而比TDMA更加灵活,可以用来对时间不确定的帧传输。当传输帧的ID与时隙号对应时,节点就会对缓冲区内的数据进行发送,若所有的节点都不需要传输数据,则经过一个微时隙的时间长度后,各节点的时槽计数器会自加1。动态段是基于事件触发方式来进行数据传输的,在动态段传输的消息有优先级高低之分。要将重要紧急的信息放在序列号较低的时槽中,使得这些消息在每个周期中都有传输的机会。

FlexRay的各种特点均适合实时控制的功能。所以其应用场景多样,例如X-By-Wire线控系统,如防抱死制动系统(ABS)、车辆稳定控制(VSC)、车辆稳定助手(VSA)、线控转向(SBW)等。

结语

在最初的车载网络系统中,车内通常只有四五个控制节点,每个节点之间的通信方式也都相对简单,车载内的所有节点基本上是连接在一根总线上实现数据互相传输。然而随着汽车功能日益强大,控制节点的数量也在持续增长,使得一根总线上所承载的数据量越来越多,当多个节点需要同时发送消息到总线上时,造成了通信效率低下,通信带宽难以满足通讯负载的需求,可能会产生重要的控制消息无法被及时发送出去。

为了解决这些问题,车载网络系统内部开始逐渐采用较为复杂的多总线网络架构,即先根据车载系统内各节点对实时性的要求不同,将节点分配到不同的总线网络中,最后不同的网络间再以网关的形式进行连接。各控制子系统中一般将需要频繁进行信息交互的电控单元,采用同一中总线协议进行通信。不在同一个网络内需要进行数据传输时必须经过网关进行数据帧格式转换。如下图所示。

 

车载总线技术汇总

对数据实时性要求比较高的电控单元如线性转向系统、发动机控制系统等大都使用高速CAN总线或FlexRay总线进行连接。在汽车车身控制系统中存在着大量的开关量器件,包括车灯组控制、恒温空调系统和仪表显示系统等对数据实时性要求不是很高,通信速率一般在125Kbits/s-1Mbit/s之间。这类电控单元在车载中数量众多,从性价比的角度出发,可采用低速CAN总线将这些电控单元连接起来。对于数据实时性要求较低的执行器和传感器部件多采用一主多从结构的LIN总线进行连接,采用低速LIN总线可以有效降低系统硬件成本、增加数据传输距离并提高数据抗干扰能力。对于高端汽车上的娱乐多媒体系统则采用具有高速传输特性的MOST总线进行连接,该类总线可以提供高达24.8Mbps的数据传输速率,但由于其可靠性较差,故只能适用车载系统中不太重要的部位(如车载多媒体系统)中。各个系统之间相互分隔开,可以并行同时工作,当需要跨网络通信时通过所连接的网关进行数据转发即可。

在未来很长的一段时间内,车载网络系统将会仍然是以多总线共存的方式进行连接,只有经过技术的不断发展和长期的融合,才有可能制定出一个功能强大、技术成熟且能被所有汽车制造厂商都接受的汽车总线协议标准。

注:文章中引用数据和图片来源网络

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