[信息与通信]汽车总线技术201208.ppt

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1、汽车总线技术讲座,2012.08,第一部分 车用总线与通讯协议 第二部分 CAN总线技术规范 第三部分 CAN总线技术构成 第四部分 LIN总线规范及应用,第一部分 车用总线与通讯协议,第一节 汽车总线技术概述,汽车总线技术的产生 汽车总线分类 专用总线 总线发展前景,汽车总线技术的产生 汽车的电气系统 汽车的电线束 汽车控制系统 总线种类：CAN、LIN、MOST等等,第一节 技术总线技术概述,汽车发展带来的问题,（1）汽车电子技术的发展汽车上电子装置越来越多汽车的整体布置空间缩小 （2）传统电器设备多为点到点通信导致了庞大的线束 （3）大量的连接器导致可靠性降低。 粗大的线束与汽车中有限的

2、可用空间之间的矛盾越来越尖锐，电缆的体积、可靠性和重量成为越来越突出的问题，而且也成为汽车轻量化和进一步电子化的最大障碍，汽车的制造和安装也变得非常困难。 （4）存在冗余的传感器。,CAN在汽车中的应用状况,第一节 汽车总线技术概述,汽车总线技术的产生 汽车总线分类 专用总线 总线发展前景,第一节 汽车总线技术概述,汽车总线分类 A类总线：面向传感器、执行器，10kb/s B类总线：舒适性系统、仪表的信息共享，10125kb/s C类总线：实时控制系统，动力系统，1251M D类总线：多媒体设备，2M,汽车总线分类 A类总线 遵循UART（异步串行通讯）标准-通用异步接收/发送器 LIN总线规

3、范最有代表性,第一节 汽车总线技术概述,汽车总线分类 B类总线 遵循CAN标准-ISO11898-1，位速率47.6125 欧洲的标准，淘汰美国的J1850,第一节 汽车总线技术概述,汽车总线分类 C类总线 动力传动控制系统，实时性要求高，高于125k 欧洲ISO11898-1；美国J1939、J2284、GMLAN,第一节 汽车总线技术概述,汽车总线分类 D类总线 多媒体总线、信息娱乐系统 近期才纳入SAE，可划分高速、低速、无线 对应SAE的分类相应为： IDB-C（Intelligent Data BUS-CAN）; IDB-M（Multimedia）; IDB-Wireless， 其传

4、输速率为250Kb/s100Mb/s。,第一节 汽车总线技术概述,第一节 汽车总线技术概述,汽车总线技术的产生 汽车总线分类 专用总线 总线发展前景,专用总线 故障诊断总线 故障诊断是现代汽车必不可少的一项功能，其目的主要是为了满足OBD（ON Board Diagnose）、OBD或E-OBD（European-On Board Diagnose）标准。目前，许多汽车生产厂商都采用ISO14230（Keyword Protocol 2000）作为诊断系统的通信标准。 如： 美国J1850、J2480； 欧洲ISO9141（K线）、ISO14230 安全总线 安全总线主要用于安全气囊系统，以连

5、接加速度计、安全传感器等装置，为被动安全提供保障。,第一节 汽车总线技术概述,专用总线 X-by-Wire总线 电传控制， 汽车上，电动转向 电控节气门（油门） 电控制动 TTP、TTCAN、byteflight、FlexFay,第一节 汽车总线技术概述,第一节 汽车总线技术概述,汽车总线技术的产生 汽车总线分类 专用总线 总线发展前景,总线发展前景,第一节 汽车总线技术概述,基于CAN总线的汽车电器网络结构,目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN： 一条用于驱动系统的高速CAN，速率达到500kb/s。主要面向实时性要求较高的控制单元，如发动机、电动机等 另一条用于车身系统的低速CAN，

6、速率是100kb/s。主要是针对车身控制的，如车灯、车门、车窗等信号的采集以及反馈。其特征是信号多但实时性要求低，因此实现成本要求低。,第二节 CAN总线介绍,CAN总线的发展历程 CAN总线的特点 CAN总线硬件构成 CAN总线的位数值表示与通讯距离 CAN总线的技术规范 CAN总线的高层协议,CAN总线发展历程 发展历程 是20世纪80年代初德国Bosch公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信协议 1983年，Bosch开始研究车上网络技术 1986年，Bosch在SAE大会公布CAN协议 1987年，Intel和Philips先后推出CAN控制器

7、芯片 1991年，Bosch颁布CAN 2.0技术规范，CAN2.0包括A和B两个部分 1991年，CAN总线最先在Benz S系列轿车上实现 1993年，ISO颁布CAN国际标准ISO-11898 1994年，SAE颁布基于CAN的J1939标准 2003年，Maybach发布带76个ECU的新车型（CAN，LIN，MOST） 2003年，VW发布带35个ECU的新型Golf ,第二节 CAN总线介绍,Canbus的发展历史,大众公司首次在97年PASSAT的舒适系统上采用了传送速率为62.5Kbit/m的Canbus。,98年在PASSAT和GOLF的驱动系统上增加了Canbus，传送速率

8、为500Kbit/m。,2000年，大众公司在PASSAT和GOLF采用了带有网关的第二代Canbus。,2001年，大众公司提高了Canbus的设计标准，将舒适系统Canbus提高到100Kbit/m, 驱动系统提高到500Kbit/m。,2002年，大众集团在新PQ24平台上使用带有车载网络控制单元的第三代Canbus。,2003年，大众集团在新PQ35平台上使用五重结构的Canbus系统，并且出现了单线的LIN-BUS。,CAN总线的特点 低成本 极高的总线利用率 很远的数据传输距离 高速的数据传输速率 根据ID决定是否发送/接收报文 可靠的错误处理和检错机制 自动重发 自动退出总线 平

9、等的节点设置,第二节 CAN总线介绍,CAN总线硬件构成,第二节 CAN总线介绍,CAN总线硬件构成,第二节 CAN总线介绍,CAN总线的位数值与通讯距离 显性0、隐性1 使用非屏蔽的双绞线（Unshielded Twisted Pair,UTP）。 CAN_HIGH: 隐性为2.5V，显性为3.5V CAN_LOW : 隐性为2.5V，显性为1.5V,第二节 CAN总线介绍,CAN总线的技术规范 是设计CAN应用系统的基本依据 CAN2.0A和CAN2.0B 对应用者的要求 基本结构 概念 规则,第二节 CAN总线介绍,CAN总线的应用层协议（高层协议） 基于应用环境 商用车 SAE J19

10、39 工业应用CANopen、DeviceNet、SDS,第二节 CAN总线介绍,第二部分 CAN总线技术规范,CAN总线技术规范,CAN标准 通讯机制 CAN的桢格式 数据桢 远程桢 错误检测与错误桢 位定时与同步 物理连接,CAN总线技术规范,CAN总线技术规范,CAN总线技术规范,CAN总线技术规范,CAN总线技术规范,CAN总线技术规范,CAN标准 通讯机制 CAN的桢格式 数据桢 远程桢 错误检测与错误桢 位定时与同步 物理连接,CAN总线技术规范,通讯机制,CAN总线技术规范,通讯机制,CAN总线技术规范,通讯机制,CAN总线技术规范,通讯机制,CAN总线技术规范,通讯机制,CAN

11、总线技术规范,通讯机制,CAN总线技术规范,通讯机制,CAN总线技术规范,CAN标准 通讯机制 CAN的桢格式 数据桢 远程桢 错误检测与错误桢 位定时与同步 物理连接,CAN总线技术规范,CAN的桢格式,CAN总线技术规范,CAN的桢格式,CAN总线技术规范,CAN标准 通讯机制 CAN的桢格式 数据桢 远程桢 错误检测与错误桢 位定时与同步 物理连接,CAN总线技术规范,CAN的桢格式,CAN总线技术规范,数据桢,CAN总线技术规范,数据桢,CAN总线技术规范,数据桢,CAN总线技术规范,数据桢,CAN总线技术规范,数据桢,CAN总线技术规范,数据桢,CAN总线技术规范,数据桢,CAN总线

12、技术规范,数据桢,CAN总线技术规范,数据桢,CAN总线技术规范,数据桢,CAN总线技术规范,数据桢,CAN总线技术规范,数据桢,CAN总线技术规范,数据桢,CAN总线技术规范,数据桢 位填充区域,CAN总线技术规范,CAN标准 通讯机制 CAN的桢格式 数据桢 远程桢 错误检测与错误桢 位定时与同步 物理连接,CAN总线技术规范,CAN的桢格式,CAN总线技术规范,CAN的桢格式,CAN总线技术规范,CAN标准 通讯机制 CAN的桢格式 数据桢 远程桢 错误检测与错误桢 位定时与同步 物理连接,CAN总线技术规范,错误检测与错误桢,CAN总线技术规范,错误检测与错误桢,CAN总线技术规范,错

13、误检测与错误桢,CAN总线技术规范,错误检测与错误桢,CAN总线技术规范,错误检测与错误桢,CAN总线技术规范,错误检测与错误桢,CAN总线技术规范,错误检测与错误桢,CAN总线技术规范,错误检测与错误桢,CAN总线技术规范,错误检测与错误桢,CAN总线技术规范,错误检测与错误桢,CAN总线技术规范,错误检测与错误桢,CAN总线技术规范,CAN的桢格式,CAN总线技术规范,错误检测与错误桢,CAN总线技术规范,CAN的桢格式,CAN总线技术规范,CAN的桢格式,CAN总线技术规范,CAN标准 通讯机制 CAN的桢格式 数据桢 远程桢 错误检测与错误桢 位定时与同步 物理连接,CAN总线技术规范

14、,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,第六章 CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步,CAN总线技术规范,位定时与同步

15、,CAN总线技术规范,CAN标准 通讯机制 CAN的桢格式 数据桢 远程桢 错误检测与错误桢 位定时与同步 物理连接,CAN总线技术规范,物理联接,CAN总线技术规范,物理联接,CAN总线技术规范,物理联接,CAN总线技术规范,基本概念 报文 信息路由 位速率 优先权 远程数据请求 多主机 仲裁 安全性,错误标定和恢复时间 故障界定 连接 单通道 总线值 应答 振荡器容差,CAN总线技术规范,基本概念 报文 总线上的信息总线上的信息以不同的固定报文格式发送，但长度受限。当总线空闲时任何连接的单元都可以开始发送新的报文。,CAN总线技术规范,基本概念 信息路由 在CAN 系统里，节点不使用任何关

16、于系统配置的信息（比如，站地址）。 以下是几个重要的概念。 系统灵活性：不需要改变任何节点的应用层及相关的软件或硬件，就可以在CAN 网络中直接添加节点。 报文路由：报文的内容由识别符命名。识别符不指出报文的目的地，但解释数据的含义。因此，网络上所有的节点可以通过报文滤波确定是否应对该数据做出反应。 多播：由于引入了报文滤波的概念，任何数目的节点都可以接收报文，并同时对此报文做出反应。 数据连贯性：在CAN 网络内，可以确保报文同时被所有的节点接收（或同时不被接收）。因此，系统的数据连贯性是通过多播和错误处理的原理实现的。,CAN总线技术规范,基本概念 位速率 不同的系统，CAN 的速度不同。

17、在一给定的系统里，位速率是唯一的，并且是固定的。 优先权 在总线访问期间，识别符定义一静态的报文优先权。 远程数据请求 通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。数据帧和相应的远程帧是由相同的识别符（IDENTIFIER）命名的。,CAN总线技术规范,基本概念 多主机 总线空闲时，任何单元都可以开始传送报文。具有较高优先权报文的单元可以获得总线访问权。 仲裁 只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。如果2 个或2 个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用识别符的位形式仲裁可以解决这个冲突。仲裁的机制确保信息和时间均不会损失。当具有相同识别符的数据帧

18、和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是一“隐性”电平而监控视到一“显性”电平（见总线值），那么该单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。,CAN总线技术规范,基本概念 安全性 为了获得最安全的数据发送，CAN 的每一个节点均采取了强有力的措施以进行错误检测、错误标定及错误自检。 错误标定和恢复时间 任何检测到错误的节点会标志出已损坏的报文。此报文会失效并将自动地开始重新传送。如果不再出现新错误的话，从检测到错误到下一报文的传送开始为止，恢复时间最多为29 个位的时间。,CAN总线

19、技术规范,基本概念 故障界定 CAN 节点能够把永久故障和短暂扰动区分开来。永久故障的节点会被关闭。 连接 CAN 串行通讯链路是可以连接许多单元的总线。理论上，可连接无数多的单元。但由于实际上受延迟时间以及/或者总线线路上电气负载的影响，连接单元的数量是有限的。,CAN总线技术规范,基本概念 单通道 总线是由单一进行双向位信号传送的通道组成。通过此通道可以获得数据的再同步信息。要使此通道实现通讯，有许多的方法可以采用，如使用单芯线（加上接地）、2 条差分线、光缆等等。这本技术规范不限制这些实现方法的使用，即未定义物理层。 总线值 总线可以具有两种互补的逻辑值之一：“显性”或“隐性”。 “显性

20、”位和“隐性”位同时传送时，总线的结果值为“显性”。比如，在执行总线的“线与”时，逻辑0 代表“显性”等级，逻辑1 代表“隐性”等级。本技术规范不给出表示这些逻辑电平的物理状态（比如，电压、光）。,CAN总线技术规范,基本概念 应答 所有的接收器检查报文的连贯性。对于连贯的报文，接收器应答；对于不连贯的报文，接收器作出标志。 振荡器容差,第三部分 CAN节点构成,构成CAN节点硬件的半导体主要有： CAN控制器 独立式CAN控制器 集成的CAN控制器的单片机 CAN收发器,一 CAN控制器,CAN控制器的作用 CAN的通信协议主要由CAN控制器完成CAN控制器主要由实现CAN总线协议的部分和实

21、现与微处理器接口部分的电路组成。 独立的CAN控制器 集成的CAN控制器,一 CAN控制器,独立的CAN控制器 SJA1000是一种独立CAN控制器，它是PHILIPS公司的PCA82C200 CAN控制器的替代产品。 SJA1000具有BasicCAN和PeliCAN两种工作方式，PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议。,一 CAN控制器,SJA1000 的主要特性 管脚及电气特性与独立CAN总线控制器 PCA82C200兼容； 软件与PCA82C200兼容(缺省为基本CAN 模式)； 扩展接收缓冲器(64字节FIFO)； 支持CAN20B协议； 同时支持11位和29

22、位标识符； 位通讯速率为1Mbitss； 增强CAN模式(PeliCAN)； 采用24MHz时钟频率； 支持多种微处理器接口； 可编程CAN输出驱动配置； 工作温度范围为-40一+125。,SJA1000内部结构,Sja1000外部引脚,一 CAN控制器,SJA1000在系统中的位置,一 CAN控制器,SJA1000详解 与PCA82C200的兼容性 BasicCAN与PeliCAN的区别 SJA1000的寄存器及其功能描述 工作模式寄存器 命令寄存器 状态寄存器 中断寄存器 中断使能寄存器 仲裁丢失捕捉寄存器 错误代码捕捉寄存器 错误报警限制寄存器,一 CAN控制器,SJA1000详解 SJ

23、A1000的寄存器及其功能描述 RX错误计数寄存器 TX错误计数寄存器 发送缓冲器 接收缓冲器 验收滤波器 RX信息计数器 RX缓冲器其实地址寄存器 其他重要的控制寄存器 总线定时寄存器0、定时器1 输出控制寄存器 时钟分频寄存器,二 CAN收发器,CAN收发器的作用 CAN总线中，CAN控制器与物理总线之间的接口，提供对总线的差动发送和接收功能。 82C250/251 TJA1040/1050,三 CAN网关节点,1个单片机+2个CAN控制器 两路CAN总线，不同的频率 降低了总线负载率 网关故障将影响两个网络,CAN使用存在的问题 问题： （1）CAN的每个节点都能自主通讯。 （2）汽车内

24、联网所涉及的节点众多，通讯任务繁重。,第四部分 LIN总线规范及应用,第一节 简介,特性 规范的内容 物理层和数据链路层 配置文件和配置语言 网络和应用的接口 标准ISO9141,第二节 基本概念,报文 信息路由 位速率 单主机无仲裁 安全性 错误标定和恢复时间 故障界定 连接,第二节 基本概念,单通道 物理层 总线值 应答 命令桢和扩展桢 睡眠模式/唤醒 时钟恢复和SCI同步 振荡器容差,第三节 传输控制,主机节点 主机任务+从机任务 从机节点 从机任务,第三节 传输控制,主机任务负责报文的进度表、发送报文头 从机任务负责发送报文的响应。,第三节 传输控制,报文的构成 报文头+响应 同步间隔

25、+同步场+标识符场+2或4或8个字节场+校验和场 字节场由字节间空间分隔，最小为0 报文头和响应由桢内响应空间分隔，最小为0,第三节 传输控制,报文的构成 报文头场 同步间隔 同步 标识符 响应场 数据 校验和,第三节 传输控制,报文滤波及确认 报文滤波 网络配置来确认，一个从机任务对应一个标识符 响应场 无错误，有效 有错误，没有发送,第三节 传输控制,错误和异常处理 错误检测 位错误 校验和错误 标识符奇偶错误 从机不响应错误 同步场不一致错误 错误标定 主机节点 从机节点,第三节 传输控制,位定时要求和同步过程 位定时 参考主机节点的位定时 同步过程 从机节点,第四节 节点的硬件实现,总

26、线驱动器/接收器 总体配置 控制单元串行通讯+LIN收发器 信号规范 电气要求_外部电气连接电压作参考，即电源电压 TJA1020,第五节 LIN总线应用,在一个中央式车体控制系统中，执行机构和传感器依靠CAN的连接能力使用硬连线与一个电子控制单元(ECU)相连接。ECU通过CAN通讯线路同其它主要ECU交换信号。 如果本地执行器和传感器要求高计算性能则应选择硬连线。在本地性能要求不高的系统中，可以用基于智能执行器和传感器的分布系统来代替。选择这种划分方式是为了采用通用元件来实现可伸缩的系统架构。,第五节 LIN总线应用,第五节 LIN总线应用,以车镜控制为例，许多汽车的车镜相互之间仍是硬连接，或者在豪华型汽车中通过CAN这样的昂贵协议连接，其实利用LIN总线就可以方便地将左右车镜和四向仪(可以改变车镜位置的四方向开关)连接起来。在典型的LIN方案中，四向仪是主节点，两个车镜是从节点。四向仪读取按键的状态，将报文发送给相应的车镜。,第五节 LIN总线应用,参考资源,LIN总线协议的最新版本是V2.0，可以在LIN联盟的网站(www.lin-subbus.de)上得到。,