你的位置:首頁 > 互連技術 > 正文

汽車四大總線:CAN、LIN、Flexray、MOST

發(fā)布時間:2019-11-13 責任編輯:wenwei

【導讀】車載網(wǎng)絡系統(tǒng)是指汽車上多個處理器之間相互連接、協(xié)調(diào)工作并共享信息所構成的汽車車載計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。上世紀80年代末BOSCH公司和INTEL公司研制了用于汽車電氣系統(tǒng)的控制器局域網(wǎng)規(guī)范,簡稱CAN(Controller Area Network)總線,由于集成電路技術和電子器件制造技術的迅速發(fā)展,用單片機作為總線的接口端,采用總線技術的價格逐步降低,總線技術進入了實用化階段。隨著汽車電子技術的發(fā)展,歐洲提出了控制系統(tǒng)的新協(xié)議TTP,同時由于汽車信息系統(tǒng)對網(wǎng)絡傳輸信息量要求的不斷提高,多媒體系統(tǒng)的D2B協(xié)議和MOST協(xié)議標準應運而生?,F(xiàn)在車載網(wǎng)絡技術已運用到世界各汽車制造商生產(chǎn)的汽車上。
 
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。
 
汽車四大總線:CAN、LIN、Flexray、MOST
圖1
 
汽車四大總線:CAN、LIN、Flexray、MOST
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。
 
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:
 
汽車四大總線:CAN、LIN、Flexray、MOST
 
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)品控制結構的發(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)。總線驅(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。現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一,被譽為自動化領域的計算機局域網(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(取決于報文標識符)采用無損結構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,并且容易構成冗余結構,提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構成主從式結構系統(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。
 
結構簡單
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總線在工控領域主要使用低速-容錯CAN即ISO11898-3標準,在汽車領域常使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,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。
 
汽車四大總線:CAN、LIN、Flexray、MOST
 
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。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。但總的來說,目前 CAN總線技術在我國汽車工業(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、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,吊窗提手
 
汽車四大總線:CAN、LIN、Flexray、MOST
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,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 命名的權利。由一家獨立的測試機構負責產(chǎn)品的認證過程,例如 Ruetz 技術公司。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構,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 個結點。一旦汽車接通電源,網(wǎng)絡中的所有 MOST 結點就全部激活,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)??偩€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。主結點上保持著一個所連設備的中心注冊處。
 
汽車四大總線:CAN、LIN、Flexray、MOST
圖1:基于MOST總線的典型車載高端娛樂系統(tǒng)
 
汽車四大總線:CAN、LIN、Flexray、MOST
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
 
 
推薦閱讀:
 
詳談:I2C設備導致死鎖怎么辦?
選擇正確的加速度計,以進行預測性維護
大聯(lián)大推出數(shù)字化平臺【大大網(wǎng)】,獲行業(yè)媒體AspenCore兩項殊榮肯定
三極管和運放構成的幾種恒流源電路分析
掌握這些步驟,輕松分配FPGA引腳
特別推薦
技術文章更多>>
技術白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關閉

?

關閉