【车载开发系列】各类总线介绍

【车载开发系列】各类总线介绍

【车载开发系列】各类总线介绍

• 【车载开发系列】各类总线介绍
• • 一、为什么需要总线
  • 二、车载总线的种类
  • 三、CAN总线
  • • 1） CAN协议简介
    • 2）CAN协议特点
  • 四、CAN FD总线
  • • 1）CAN FD协议简介
    • 2）CAN FD协议特点
  • 五. LIN总线
  • • 1）LIN总线简介
    • 2）LIN总线特点
    • 3）为什么要LIN总线
  • 六. FlexRay
  • • 1）FlexRay简介
    • 2）FlexRay特点
  • 七. MOST
  • 八. Ethernet
  • 九. 总结

一、为什么需要总线

简单讲，就是以前的汽车功能单一，都是采用传统的布线方式，各个模块之间都是采用点对点的通信方式，各个模块之间纵横交错，导致系统很庞大。随着汽车朝着自动化和智能化方向发展，传统的布线方式无法满足现在的需求，就有了这些总线。

二、车载总线的种类

车载总线种类繁多，就我目前了解到，有如下：CAN、CAN FD、LIN、MOST、FlexRay 和 Ethernet等。

三、CAN总线

1） CAN协议简介

CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是一种串行数据通信协议。
最初，CAN 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入 CAN 控制装置。CAN 最初出现在 80 年代末的汽车工业中，由德国 Bosch 公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多， 而这些功能的实现大多是基于电子操作的， 这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出 CAN 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线， 所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993 年，CAN 已成为国际标准 ISO11898(高速应用)和 ISO11519（低速应用）。

2）CAN协议特点

1. 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，通信方式灵活。
2. 采用非破坏性位仲裁总线机制，当两个节点同时向网络上传送信息时，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传输数据
3. 可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种传送方式接收数据。
4. 直接通信距离最远可达10km（速率5Kbps以下）。
5. 通信速率最高可达1MB/s（此时距离最长40m）。
6. 节点数实际可达110个。
7. 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8byte。
8. 每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低。
9. 通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维，一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。
10. 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。

四、CAN FD总线

它是CAN总线的进化版，可用于支持更高带宽的应用，例如高级驱动辅助系统（ADAS）和无人驾驶系统（AV）。

1）CAN FD协议简介

随着汽车功能越来越多，数据传输对带宽的要求也越来越高，CAN总线由于带宽的限制，已经无法满足要求了，就推出了CAN FD，全称为CAN with Flexible Data rate。继承了CAN的主要特性，弥补了CAN的数据长度和带宽的限制。可简单认为就是CAN的升级版。
2011年，开始CAN FD协议的开发，2015年ISO11898-1进行了修订，将CAN FD加入其中。

2）CAN FD协议特点

1. 传输速率不同。CAN FD的速率可变，从控制场中的BRS位到ACK场之前（含CRC分界符）为可变速率，最高速率可达到8Mbps。其他部分与CAN相同。
2. 数据长度不同。CAN FD支持的最大数据长度为64byte。
3. 帧格式不同。CanFD新增了FDF、BRS、ESI位

五. LIN总线

1）LIN总线简介

LIN总线的全称为Local Interconnect Network，是专门为汽车开发的一种低成本的串行通信网络，主要是为CAN总线网络提供辅助功能，应用场合有车门、方向盘、座椅、空调、照明、湿度传感器和交流发电机等。
LIN的一大优点是成本低，但其最大传输速率为20Kbps。
建议的通信速率如下，低速2400bps，中速9600bps，高速19200bps。

2）LIN总线特点

单主控器/多从设备模式，无需仲裁机制
基于通用UART接口几乎所有微控制器都具备LIN必需的硬件
从机节点不需要石英或陶瓷振荡器就能实现自同步，节省了从设备的硬件成本
信号传播时间可预先计算出来的确定性信号传播
低成本单线实现方式
传输速率最高可达20kb/s
不需要改变LIN从节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点
通常一个LIN上节点数目小于12个，共有64个标志符
极少的信号线即可实现国际标准ISO 9141的规

3）为什么要LIN总线

汽车的每个地方都用CAN总线的话，那整车的总线架构成本将会变得很高。在比如车身某些电子配件的地方（如车窗、后视镜、大灯、车锁等），这些配件的通讯根本不需要像CAN总线那样“高速”传输，各大厂商为了在车身低速的应用上节约成本，就联合研究了出了这个LIN总线。
开发LIN标准的目的在于适应分层次车内网络在低端(速度和可靠性要求不高、低成本的场合)的需求

六. FlexRay

1）FlexRay简介

FlexRay是一种用于汽车的高速、可确定性的，具备故障容错能力的总线技术，它将事件触发和时间触发两种方式结合起来，具有高效的网络利用率和系统灵活性的特点。满足传统的CAN方案不能满足汽车线控系统（X-by-Wire）的要求
宝马和戴姆勒克莱斯勒联合飞利浦和摩托罗拉成立了FlexRay联盟，这个联盟 （FlexRay Consortium）推进了FlexRay的标准化，使其成为高级动力总成、底盘、线控系统的标准协议。主要用于线控操作，如，线控操作转向、防抱死制动系统(ABS)包括车辆稳定控制(VSC)和车辆稳定助手（VSA)等。
FlexRay联盟在2013年发布了ISO 17458标准规范。
第一款采用FlexRay的量产车于2006年在BMW X5中推出，应用在电子控制减震系统中。

2）FlexRay特点

1. 高传输速率：
   FlexRay的每个信道具有10Mbps带宽。它不仅可以像CAN和LIN总线这样的单信道系统运行，而且还可以作为一个双信道系统运行，因此可以达到20Mbps的最大传输速率，是当前CAN最高运行速率的20倍；
2. 同步时基：
   FlexRay中使用的访问方法是基于同步时基的。该时基通过协议自动建立和同步，并提供给应用。时基的精确度介于0.5μs和10μs之间（通常为1～2μs）；
3. 确定性：
   通信是在不断循环的周期中进行的，特定消息在通信周期中拥有固定位置，因此接收器已经提前知道了消息到达的时间。到达时间的临时偏差幅度会非常小，并能得到保证；高容错：
   强大的错误检测性能和容错功能是FlexRay设计时考虑的重要方面。FlexRay总线使用循环冗余校验CRC(Cyclic redundancy cheek)来检验通信中的差错。FlexRay总线通过双通道通信，能够提供冗余功能，并且使用星型拓扑可完全解决容错问题；
4. 灵活性：
   在FlexRay协议的开发过程中，主要关注的是灵活性，反映在如下几个方面
5. 可靠性：
   在汽车要求的工作环境下可靠工作，体现在下面几个方面：
   满足汽车使用的温度环境要求
   在不使用外部滤波器条件下每个FlexRay产品满足汽车系统和法规要求的EMC指标
   直接与线束相连的总线控制器和通信控制器的输入/输出，满足汽车上电器系统的要求

七. MOST

MOST总线的全称为Media oriented system transport ，媒体导向的串行传输，是一种专门针对车内使用而开发的、主要用于多媒体传输的数据总线技术。例如，可以将导航娱乐系统的地图或者MP3的封面轻松地传给仪表盘。

八. Ethernet

以太网总线是一种高速数据传输总线，可以用于支持高带宽的汽车应用，例如高级娱乐系统、远程诊断和车载通讯等。以太网总线支持多种不同的传输速率和通讯协议，例如TCP/IP协议和UDP协议等。
它的传输速率100Mb/s，具有高带宽、高传输数率、高安全性等特点，未来可能会成为整车总线的主流，主要应用在：中央域控制器、智能座舱域、自动驾驶域、网关等。

九. 总结