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        一文看懂四大汽車總線:LIN、CAN、FlexRay、MOST

        發布日期:2023-07-07

        前言

              隨著汽車工業的發展,汽車各系統的控制逐步向自動化和智能化轉變,汽車電氣系統變得日益復雜。傳統的電氣系統大多采用點對點的單一通信方式,相互之間少有聯系,這樣必然會形成龐大的布線系統。據統計,一輛采用傳統布線方法的高檔汽車中,其導線長度可達2000米,電氣節點可達l5 00個,而且該數字大約每10年就將增加1倍。這進一步加劇了粗大的線束與汽車上有限的可用空間之間的矛盾。無論從材料成本還是工作效率看,傳統布線方法都不能適應現代汽車的發展。另外,為了滿足各電子系統的實時性要求,須對汽車公共數據(如發動機轉速、車輪轉速、節氣門踏板位置等信息)實行共享,而每個控制單元對實時性的要求又各不相同。因此,傳統的電氣網絡已無法適應現代汽車電子系統的發展,于是新型汽車總線技術便應運而生。目前汽車上普遍采用的汽車總線有局部互聯協議LIN和控制器局域網CAN,正在發展中的汽車總線技術還有高速容錯網絡協議FlexRay、用于汽車多媒體和導航的MOST以及與計算機網絡兼容的藍牙、無線局域網等無線網絡技術。


        本文主要給大家介紹一下LIN總線、CAN總線、FlexRay總線和MOST總線。


        LIN總線

              LIN(Local Interconnect Network)是面向汽車地段分布式應用的低成本的串行通訊網絡,用于實現汽車中的分布式電子系統控制。LIN 的目標是為現有汽車網絡(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 總線可大大節省成本。

              LIN聯盟成立于1999年,最初由奧迪、 寶馬、克萊斯勒、摩托羅拉、 博世、大眾和沃爾沃等整車廠及芯片制造商創立,目的是推動LIN總線的發展,并且發布和管理LIN總線規范,制定一致性測試標準和認證一致性測試機構。該聯盟正努力將LIN總線推廣為ISO國際標準。

              LIN 技術規范中除定義了基本協議和物理層外還定義了開發工具和應用軟件接口。LIN 通訊是基于SCI(UART)數據格式,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點同步時鐘線。

              這種主要面向“傳感器/執行器控制"的低速網絡,其最高傳輸速率可達20千比特/秒,主要應用于電動門窗、座椅調節、燈光照明等控制。典型的LIN網絡的節點數可以達到12個。以門窗控制為例,在車門上有門鎖、車窗玻璃開關、車窗升降電機、操作按鈕等,只需要1個LIN網絡就可以把它們連為一體。

              這種低成本的串行通訊模式和相應的開發環境已經由LIN協會制定成標準。LIN 的標準化將為汽車制造商以及供應商在研發應用操作系統降低成本。

        圖片

        LIN總線結構圖


        LIN總線工作原理

              LIN總線包含一個宿主節點和一個或多個從屬節點。所有節點都包含一個被分解為發送和接收任務的從屬通訊任務,而宿主節點還包含一個附加的宿主發送任務。在實時LIN中,通訊總是由宿主任務發起。除了宿主節點的命名之外,LIN網絡中的節點不使用有關系統設置的任何信息。我們可以在不要求其它從屬節點改變硬件和軟件的情況下向LIN 中增加節點。宿主節點發送一個包含同步中斷、同步字節和消息識別碼的消息報頭。從屬任務在收到和過濾識別碼后被激活并開始消息響應的傳輸。響應包含兩個、 四個或八個數據字節和一個檢查和(checksum)字節。報頭和響應部分組成一個消息幀。          LIN總線上的所有通訊都由主機節點中的主機任務發起,主機任務根據進度表來確定當前的通訊內 容, 發送相應的幀頭, 并為報文幀分配幀通道??偩€上的從機節點接收幀頭之后, 通過解讀標識符來確定自己是否應該對當前通訊做出響應、做出何種響應?;谶@種報文濾波方式,LIN可實現 多種數據傳輸模式,且一個報文幀可以同時被多個節點接收利用。LIN總線物理層采用單線連接, 兩個電控單元間的最大傳輸距離為40m。其總線驅動器和接收器的規范遵從改進的ISO 9141 單線標準?;赟CI/UART( 通用異步收發接口的單總線串行通信) 協議;目前幾乎所有的微控制器芯片上都有SCI/UART接口。低傳輸速率、小于20kb/s、采用NRZ編碼。

        圖片

        奧迪A6L轎車LIN總線內部組成示意圖


        CAN總線

              CAN 是Controller Area Network 的縮寫(以下稱為CAN),是ISO國際標準化的串行通信協議。在汽車產業中,出于對安全性、舒適性、方便性、低功耗、低成本的要求,各種各樣的電子控制系統被開發了出來。由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同,由多條總線構成的情況很多,線束的數量也隨之增加。為適應“減少線束的數量”、“通過多個LAN,進行大量數據的高速通信”的需要,1986年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN 通信協議。此后,CAN通過ISO11898及ISO11519 進行了標準化,在歐洲已是汽車網絡的標準協議。CAN 的高性能和可靠性已被認同,并被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面?,F場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一,被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。CAN總線工作原理與其他總線一樣,CAN總線的通信也是通過一種類似于“會議”的機制實現的,只不過會議的過程并不是由一方(節點)主導,而是每一個會議參加人員都可以自由的提出會議議題(多主通信模式)。

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              總結下,當一個節點要向其它節點發送數據時,該節點的CPU 將要發送的數據和自己的標識符傳送給本節點的CAN芯片,并處于準備狀態;當它收到總線分配時,轉為發送報文狀態。CAN 芯片將數據根據協議組織成一定的報文格式發出, 這時, 網上的其它節點處于接收狀態。每個處于接收狀態的節點對接收到的報文進行檢測,判斷這些報文是否是發給自己的,以確定是否接收它。

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              CAN總線結構圖CAN總線的優點很多:通信速率最高可達1MB/s(此時距離最長40m)。節點數實際可達110個。采用短幀結構,每一幀的有效字節數為8個。每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施,數據出錯率極低。通信介質可采用雙絞線,同軸電纜和光導纖維,一般采用廉價的雙絞線即可,無特殊要求。節點在錯誤嚴重的情況下,具有自動關閉總線的功能,切斷它與總線的聯系,以使總線上的其他操作不受影響。


        FlexRay總線

              FlexRay總線是由寶馬、飛利浦、飛思卡爾和博世等公司共同制定的一種新型通信標準, 專為車內聯網而設計, 采用基于時間觸發機制, 具有高帶寬、容錯性能好等特點, 在實時性、可靠性和靈活性方面具有一定的優勢。FlexRay支持總線間的多種消息傳遞架構。隨著FlexRay在汽車上的廣泛使用以及網絡日益統一,這項功能將越發重要。例如,若干家汽車制造商已經實施或提議采用一種網絡架構,不管采用何種通信協議,所有通信通過一個網關實現。為了跨越協議邊界通信,要求網絡支持多個消息傳遞選項。未來 FlexRay作為標準總線將用于所有x-by-wire系統(制動、轉向…)、其它安全關鍵領域(工業、航空…)和用作數據主干網(相比CAN總線有更高的帶寬)。


        FlexRay總線工作原理

              FlexRay總線數據收發采取時間觸發和事件觸發的方式。利用時間觸發通信時, 網絡中的各個節點都預先知道彼此將要進行通信的時間, 接收器提前知道報文到達的時間, 報文在總線上的時間可以預測出來。即便行車環境惡劣多變, 干擾了系統傳輸, FlexRay協議也可以確保將信息延遲和抖動降至最低, 盡可能保持傳輸的同步與可預測。這對需要持續及高速性能的應用( 如線控剎車、線控轉向等)來說,是非常重要的。它采用了周期通信的方式, 一個通信周期可以劃分為靜態部分、動態部分、特征窗和網絡空閑時間4個部分。靜態部分和動態部分用來傳輸總線數據,即FlexRay報文。特征窗用來發送喚醒特征符和媒介訪問檢測特征符。網絡空閑時間用來實現分布式的時鐘同步和節點參數的初始化。FlexRay具有高速、可靠及安全的特點。FlexRay在物理上通過兩條分開的總線通信,每一條的數據速率是10MBit/s。FlexRay還能夠提供很多網絡所不具有的可靠性特點。尤其是FlexRay具備 的冗余通信能力可實現通過硬件完全復制網絡配置, 并進行進度監測。FlexRay同時提供靈活的配置, 可支持各種拓撲, 如總線、星型和混合拓撲。FlexRay本身不能確保系統安全, 但它具備大量功能,可以支持以安全為導向的系統(如線控系統)的設計。

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              FlexRay拓撲圖FlexRay拓撲的靈活性及實現事件觸發或時間觸發的操作模式對收發器意義重大。下面列舉其中一部分:10Mbps的數據處理速率;支持FlexRay節點和有源星型拓撲;提供電源管理功能,提高ECU效率;為時間驅動和事件驅動模式集成兩個專用的控制輸入;支持本地和遠程喚醒功能;提供錯誤檢測;符合汽車行業的嚴格規范要求(例如ESD和EMC領域,同時涉及上述各個方面)。寶馬公司在07款X5系列車型的電子控制減震器系統中首次應用了FlexRay技術。此款車采用基于 飛思卡爾的微控制器和恩智浦的收發器, 可以監視有關車輛速度、縱向和橫向加速度、方向盤角度、車身和輪胎加速度及行駛高度的數據, 實現了更好的乘坐舒適性以及駕駛時的安全性和高速響應性,此外還將施加給輪胎的負荷變動以及底盤的振動均減至最小。


        MOST總線

              MOST (Media Oriented System Transport) 面向媒體的系統傳輸總線,MOST 是汽車業合作的成果,而不具備正式的標準。它是一種專門針對車內使用而開發的、服務于多媒體應用的數據總線技術。MOST 表示“多媒體傳輸系統”。MOST總線是作為寶馬公司、前戴姆勒克萊斯勒公司、Harman/Becker公司(音響系統制造商)和 Oasis Silicon Systems公司之間的一項聯合。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 總線系統開發提供使用的軟、硬件分析工具,以及 MOST 系統的培訓。


        基于MOST總線的典型車載高端娛樂系統


        MOST總線工作原理

             MOST 總線利用光脈沖傳輸數據,采用環形結構,在環形總線內只能朝著一個方向傳輸數據。MOST 總線的傳輸技術近似于公眾交換式電話網絡( Public Switched Telephone Network;PSTN),有著數據信道(Data Channel)與控制信道(Control Channel)的設計定義,控制信道即用來設定如何使用與收發數據信道。一旦設定完成, 資料就會持續地從發送處流向接收處, 過程中不用再有進一步的封包處理程序, 將運作機制如此設計, 最適合用于實時性音訊、視訊串流傳輸。MOST在制訂上完全合乎ISO/OSI的7層數據通訊協議參考模型,而在網線連接上MOST采用環狀 拓樸, 不過在更具嚴苛要求的傳控應用上, MOST也允許改采星狀( 亦稱放射狀) 或雙環狀的連接組態,此外每套MOST傳控網絡允許最多達64個的裝置(節點)連接。

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              基于MOST總線的車載音頻娛樂系統原理圖MOST總線專門用于滿足要求嚴格的車載環境。這種新的基于光纖的網絡能夠支持24.8Mbps的數據速率,與以前的銅纜相比具有減輕重量和減小電磁干擾(EMI)的優勢。同時,MOST也支持隨插隨用機制。

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        CAN、LIN及FlexRay在車上分布

        結語

              總結來看,CAN總線是中堅,LIN總線是CAN總線的副手,FlexRay總線是未來的希望,MOST總線則負責車載多媒體業務。隨著汽車電動化、智能化及網聯化的推進,這四種總線將在未來繼續大放異彩。


        轉自智能汽車電子與軟件

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