第6章電動汽車總線系統1

車載總線系統概述

CAN總線系統其他總線系統目錄3電動汽車是一個高度集成的電氣化系統，包括驅動電機控制系統、電池管理系統、車載充電系統、電子輔助系統、低壓電氣系統等各子系統，為了實現上述系統的數據共享，提高整車控制的準確性和快速性，建立高效的車載總線系統是必然的選擇。從行駛、制動、轉向系統控制到安全保障系統以及儀表報警系統，從電池管理系統到為提高舒適性而做的各種努力，使汽車電控成為一個復雜的龐大系統。汽車布線一般是先將線制成線束，再裝在縱梁下等看不到的地方，線束中出現問題，查找麻煩且維修也困難。由于每種車型的長度、寬度以及電氣安裝的位置都不同，線束大小也不一樣，每種車型都單獨設計，增加了設計和試制的難度。4車載總線系統簡介點-點間的布線網絡5車載總線系統簡介CAN總線最早是德國Bosch公司為解決現代汽車中眾多的電控模塊(ECU)之間的數據交換而開發的一種串行通訊協議。現今在汽車電子系統中已得到廣泛應用，成為歐洲汽車制造業的主體行業標準，代表著汽車電子控制網絡的主流發展趨勢。采用CAN總線的布線方式，通過總線網絡，實現傳感器的數據共享，消除了冗余的傳感器，大大簡化了布線網絡，降低了維修的難度。CAN總線布線網絡CAN總線布線網絡圖6車載總線系統簡介1.減少了線束的數量和體積，因而也就降低了線束造價和重量，提高了電子系統可靠性，使之維修容易、安裝簡便。2.由于采用了通信傳感器（如動力系統和傳動系統共用車速傳感器），通過總線進行數據通信，可以達到消除冗余傳感器并實現數據共享的目的。3.改善了汽車系統設計和配置的靈活性，即通過總線的軟、硬件變化可以實現整車功能的變化和擴展，真正實現汽車各個裝置的模塊化。4.使用總線將汽車各個電子裝置連接起來，讓汽車真正成為系統控制的整體對象，有力地改進和完善汽車動力性、排放性、操縱性、經濟性和安全性。車載總線的優點7早在1968年，艾塞庫斯就提出了利用單線多路傳輸信號的構想。從1980年起，汽車內開始使用車載總線。1983年，豐田公司在世紀牌汽車上最早采用了應用光纜的車門控制系統，實現了多個節點的連接通信。1986—1989年，在車身系統上裝用了以銅線為傳輸媒介的總線，并在日產和通用汽車的控制系統中得到應用。1983年，德國BOSCH公司開始開發汽車總線系統，WolfhardLawrenz教授將這種新總線命名為ControllerAreaNetwork，簡稱CAN。1986年，在底特律汽車工程協會上，由BOSCH公司研發的CAN總線系統通信方案獲得認可。車載總線系統簡介車輛總線技術的發展81987年，Intel公司開發出第一枚應用于CAN的芯片82526。PHILIPS公司很快也開發出了82C200。1993年11月，國際標準化組織公布CAN協議的ISO11898及ISO11519。1992年，奔馳公司作為第一個采用CAN總線技術的公司，將CAN總線系統裝配在客車上。在美國，通過采用SAEJ1850普及了數據共享系統，也通過了CAN的標準，明確地表示將轉向CAN協議。車載總線系統簡介車輛總線技術的發展隨著汽車技術的發展，歐洲又以與CAN協議不同的思路提出了控制系統的新協議TTP（時間觸發），并在X-by-Wire系統上開始應用。車載網絡的應用不僅涉及汽車上各電子裝置的硬件連接，網絡相關軟件也必然成為每個電控單元軟件中的一部分。汽車上軟件系統很快就會成為一個相對獨立的部分。9拓撲結構是指網絡節點的幾何結構，即各個節點相互連接的方式，一般分為總線型、環型和星型三種拓撲結構。車載總線系統簡介車輛總線系統的拓撲結構（1）總線型網絡拓撲結構網絡中的所有設備通過相應的硬件接口直接連接到公共總線上，節點之間按廣播方式通信，一個節點發出的信息，總線上的其他節點均可“收聽”到。其特點是結構簡單，布線容易，可靠性較高，易于擴充，節點的故障不會殃及系統，是局域網常采用的拓撲結構。總線型網絡拓撲結構采用總線型網絡時所有的數據都需經過總線傳送，故障診斷較為困難由于信道共享，連接的節點不宜過多，總線自身的故障可能導致系統的崩潰10車載總線系統簡介車輛總線系統的拓撲結構（2）環形網絡拓撲結構各節點通過通信線路組成閉合回路，環中數據只能單向傳輸，信息在每臺設備上的延時時間是固定的。這種網絡方式結構簡單，適合使用光纖進行遠距離傳輸，傳輸延遲確定，特別適合實時控制的局域網系統。某轎車MOST總線環形網絡拓撲結構該網絡中的每個節點均成為網絡可靠性的瓶頸任意節點出現故障都會造成網絡癱瘓，另外故障診斷也較困難11拓撲結構是指網絡節點的幾何結構，即各個節點相互連接的方式，一般分為總線型、環型和星型三種拓撲結構。車載總線系統簡介車輛總線系統的拓撲結構（3）星形網絡拓撲結構網絡以中心處理器為中心、把若干外圍節點連接起來的輻射式互聯結構。這種結構適用于局域網，特別是近年來連接的局域網大都采用這種連接方式。該網絡形式的特點是容易實現、便于管理，通常以集線器作為中央節點，便于維護和管理。星形網絡拓撲結構中心節點的可靠性直接決定全網絡的可靠性中心節點出現故障會導致網絡的癱瘓12國際上眾多知名汽車公司早在20世紀80年代就積極致力于車用總線與網絡技術的研究與應用。經過幾十年的發展，目前在汽車控制的領域已存在多種總線網絡標準，其側重功能有所不同。為了方便研究和設計應用，國際自動機工程師學會（SAE）按照總線數據傳輸速率和應用場合把汽車網絡劃分為A、B、C

三類。車載總線系統簡介車輛總線協議標準汽車數據傳輸網絡的劃分13在如今的汽車中，作為一種典型應用，車體和舒適性控制模塊都連接到CAN總線上，并借助于LIN總線進行外圍設備控制。而汽車高速控制系統通常會使用高速CAN總線連接在一起。遠程信息處理和多媒體連接需要高速互聯，視頻傳輸又需要同步數據流格式，這些都可由D2B或MOST協議來實現。無線通信則通過藍牙技術加以實現。而在未來的5~10年里，TTP和FlexRay將使汽車發展成百分之百的電控系統，完全不需要后備機械系統的支持。車載總線系統簡介車輛總線協議標準至今仍沒有一個通信網絡可以完全滿足未來汽車的所有成本和性能要求汽車制造商仍繼續采用多種協議（包括LIN、CAN和MOST等），實現未來汽車的聯網。14CAN總線由許多節點組成，通過這些節點連接相應設備的控制器和不同類型的車載終端，例如整車控制器、驅動電機控制器、電池管理系統控制器、數據傳輸終端等。車載總線系統簡介總線節點的典型設備（1）整車控制器采集加速、制動踏板信號以及其他部件信號，根據預先設置算法判斷，控制各部件控制器的動作，驅動汽車正常行駛。采集駕駛員駕駛信息，通過CAN總線獲得電機和電池信息，進行分析計算，通過CAN總線給出電機控制和電池管理指令，實現整車驅動控制、能量優化控制和制動回收控制。某電動汽車的整車控制系統151.微控制器作為整車控制器的控制中心，負責數據的運算和處理。2.模擬量調理模塊用于模擬輸入量的濾波和調理，其一端與多個傳感器相連，另一端與微控制器相連。3.開關量調理模塊用于開關輸入量的電平轉換和整型，其一端與多個開關量傳感器相連，另一端通過光電隔離器與微控制器相連。4.儀表驅動模塊用于驅動組合儀表和輔助儀表，其一端通過光電隔離器與微控制器相連，另一端與多個儀表相連。5.繼電器驅動模塊用于驅動多個繼電器，其一端通過光電隔離器與微控制器相連，另一端與多個繼電器相連。6.高速CAN總線接口模塊用于提供高速CAN總線接口，其一端通通過光電隔離器與微控制器相連，另一端與系統高速CAN總線相連。7.信息存儲模塊用于記錄整車電控系統的相關信息及故障信息，與微控制器相連。8.通信接口模塊作為與其他設備相連的接口與微控制器相連。車載總線系統簡介整車控制器各部分功能16（2）車載數據終端車載終端對電動汽車運行狀態的遠程監控。由衛星定位技術單元和無線通信網絡（GSM/GPRS/3G/4G）單元組成，能夠準確、實時地為用戶定位，是車輛實現自動求助、道路救援、車輛跟蹤防盜、智能導航、車友互聯、駕駛習慣分析、保養管理、企業車輛管理、互動娛樂、增值信息服務等眾多功能必不可少的部件。車載總線系統簡介總線節點的典型設備電動汽車遠程監控系統17（2）車載數據終端車載數據終端將實時采集的汽車狀態信息通過無線傳輸網絡傳遞給遠程監控平臺服務器，服務器對數據進行分析，判斷電動汽車運行狀態，并將相應數據存儲在數據庫中，以便對電動汽車服務跟蹤。車載總線系統簡介總線節點的典型設備車載終端功能示意車載總線系統概述

CAN總線系統其他總線系統目錄19CAN總線系統CAN總線系統由多個電子控制單元（ECU）同時控制多個工作裝置或系統，各ECU的共用信息通過總線互相傳遞。CAN的傳輸速率和總線長度相關，最高可以到1Mbit/s，一般車內使用的速率是100kbit/s到500kbit/s。CAN總線具有很高的實時性、可靠性和靈活性，因此，CAN在電動汽車中得到了廣泛應用。CAN

是ControllerAreaNetwork（控制器局域網絡）的縮寫，含義是電控單元通過網絡進行數據交換。在CAN總線中，每個控制單元均可隨時主動向CAN總線發出指令，每個控制單元也均可隨時接受CAN總線傳輸過來的信息。20CAN總線系統CAN總線的主要特點采用短幀結構，減小傳輸時間，從而降低傳輸過程中受干擾的概率。差分方式的數據傳輸，具有較強的抗干擾能力。另外，循環冗余校驗及其他檢錯措施，降低了總線中的漏檢率。CAN總線上任一節點都可以在任何時刻主動向總線請求發送報文。另外，節點還可以通過遠程請求方式，要求某些節點發送相關報文。21CAN總線系統CAN總線的主要特點采用非破壞性的總線仲裁技術，當多個節點同時向總線發送報文時，按照顯位（邏輯值為0）覆蓋隱位（邏輯值為1）的原則決定報文優先級，優先級低的節點自動退出發送，而優先級最高的節點可不受影響繼續發送。通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點甚至全局廣播的通信，不必專門“調度”。當報文發送到總線上后，總線上所有節點通過報文濾波，均可選擇接收或拒絕。22CAN總線系統CAN總線的主要特點節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉的功能，減小錯誤節點對總線上其他節點的影響。節點數取決于總線驅動電路，最多可達110個，報文標識符可達2032種（CAN2.0A），而擴展標準（CAN2.0B）的報文標識符幾乎不受限制。23CAN總線系統CAN總線系統的組成CAN總線系統包括控制單元、控制器、收發器、終端電阻。控制單元是CAN總線主要的計算器，將控制器傳遞來的信息進行運算，將運算數據傳輸給控制器。同時，控制單元還具有故障記憶功能。控制單元24CAN總線系統控制器控制器是CAN總線通信的控制單元，主要作用包括：接收來自傳感器的信號，形成要發送的指令。將總線通過接收器傳遞信號進行轉換傳遞給控制單元（CPU），再將控制單元傳來的信號形成發送指令通過發送器傳遞至總線。直接驅動執行單元。微控制器按事先規定好的程序來處理輸入值，處理后的結果存入相應的輸出存儲器內，然后送達到各個執行元件。為了能夠處理數據傳輸總線信息，各控制單元內還有一個數據傳輸總線存儲區，用于容納接收到的和要發送的信息。25CAN總線系統CAN收發器由CAN發送器和接收器組成，其作用是將CAN控制器提供的數據轉換成CAN總線信號發送出去。同時，它也接收總線數據，并將數據傳送到CAN控制器。發送器：把數據傳輸總線構件連續的比特流（邏輯電平）轉換成電壓值（線路傳輸電平），這個電壓值適合銅導線上的數據傳輸。接收器：把電壓信號轉換成接收的比特流，這種比特流適合CPU處理。狀態1：截止狀態，晶體管截止（開關未閉合）。無源，總線電平=1，電阻高。狀態0：接通狀態，晶體管導通（開關閉合）。有源，總線電平=0，電阻低。收發器與TX線和RX線耦合收發器26CAN總線系統設有三個收發器收發耦合在同一條總線導線上，開關未閉合表示1（無源）；開關閉合表示0（有源）。如果某一開關已閉合，電阻就有電流通過，于是總線導線上的電壓就為0V。如果所有開關均未閉合，那么就沒有電流流過，電阻上就沒有壓降，于是總線導線上的電壓就為5V。收發器27CAN總線系統整個CAN總線系統共有兩個終端電阻，分別安裝在系統的兩個控制單元內，其作用是阻止CAN總線信號產生變化電壓的反射。終端電阻若終端電阻出現故障，則是因為線路的反射影像，導致控制單元的信號無效。終端電阻的標準推薦值28CAN總線系統電控單元之間的所有信息都是通過兩根數據線CAN-Low（低位CAN）和CAN-High（高位CAN）來傳輸的。

數據傳輸形式原則上數據傳輸總線用一條導線就可以滿足功能要求了，使用第二條導線傳輸信號只不過是與第一條導線上傳輸信號形成鏡像關系，這樣就可以有效地抑制外部干擾。29CAN總線系統CAN總線中的數據傳遞就像一個電話會議。一個電話用戶（電控單元）將數據“講入”總線中，其他用戶通過總線“接聽”這個數據，對這個數據感興趣的用戶就會利用數據，而其他用戶則會選擇忽略。

數據傳輸原理301）開始域：標志著數據列的開始，由1位構成。帶有大約5V電壓（由系統決定）的1位被送入高位CAN線；帶有大約0V電壓的1位被送入低位CAN線。2）狀態域：判斷數據中的優先權，由11位構成。如果兩個控制單元都要發送各自的數據，那么具有較高優先權的控制單元先發送。3）檢查域：用于顯示在數據域中所包含的信息項目數，由6位構成。在本部分，允許任何接收器檢查是否已經接收到所傳遞過來的所有信息。4）數據域：傳給其他電控單元的信息，最大由64位構成。5）安全域：檢測傳遞數據中的錯誤，由16位構成。6）確認域：確認域由2位構成。在此，CAN接收器通知CAN發送器，確認CAN接收器已經收到傳輸數據。若檢查到錯誤，CAN接收器立即通知CAN發送器，CAN發送器將再重新發送一遍數據。7）結束域：結束域由7位構成，標志數據列的結束。車載總線系統簡介CAN總線傳遞數據的格式31在CAN總線中，每個控制單元均可發送和接收信息。信息以二進制值系列（0和1）來表示，其中包含著要傳遞的物理量。車載總線系統簡介CAN總線傳遞的信息在發送過程中，二進制值先被轉換成連續的比特流，該比特流通過TX線（發送線）到收發器（放大器），收發器將比特流轉化成相應的電壓值，最后這些電壓值按時間順序依次被傳送到數據傳輸總線的導線上。在接收過程中，這些電壓值經收發器又轉化成比特流，再經RX線（接收線）傳至控制單元，控制單元將這些二進制連續值轉換成信息。32CAN總線系統CAN總線應用實例電動客車整車總線系統多采用基于多路CAN總線的電動客車通信協議。圖示系統為網絡拓撲結構，通過三路CAN總線實現了整車信息共享及數字化控制。電動客車整車總線系統33CAN總線系統CAN總線應用實例基于CAN總線的能量管理系統主要采集車體運行狀況數據和電池的電壓、電流和溫度數據，并將采集的信息通過CAN/USB轉化口傳輸到PC主機上，在主機上完成信息的存儲和處理等工作。能量管理系統車載總線系統概述CAN總線系統

其他總線系統目錄35其他總線系統FlexRay總線FlexRay

是繼CAN和LIN之后的最新研發成果，非常適用于線控系統（X-by-Wire）。FlexRay總線上的節點由微控制器、通信控制器、總線監控、總線驅動器（發送/接收驅動器）和電源系統五個部分組成。通信功能主要由通信控制器、總線監控及驅動器以及這些部分與主機的接口完成。36其他總線系統FlexRay總線為了保證高的數據傳輸量和可靠性，FlexRay在設計上有如下特點：支持靜態事件和動態事件驅動的兩種通信機制。高的數據傳輸速率和總線使用效率。靈活的容錯能力，支持單通道和雙通道操作。可靠的錯誤檢測功能，包括時域的總線監測機制和數字CRC校驗。滿足汽車環境要求和質量要求的控制器和物理層。可采用多種總線拓撲結構，包括總線結構、星形結構以及多星形結構。37其他總線系統LIN總線LIN（LocalInterconnectNetwork，本地互聯網絡）是一種基于串行通信的協議，用于實現汽車中的分布式電子系統控制。LIN總線將價格低廉的LIN收發器掛在普通串行口，再配以LIN驅動軟件就可以構成LIN節點。LIN總線是一種輔助的總線，在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場合，使用LIN總線可大大節省成本。38其他總線系統LIN總線LIN的主要特性如下：低成本，基于通用UAR