03汽车车载网络结构研究毕业

毕 业 设 计（论文）（说 明 书）题 目： 汽车车载网络结构研究 姓 名： 、 编 号： 、工业职业技术学院 年 月 日、工业职业技术学院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书姓名 、 专业 汽车运用技术 任 务 下 达 日 期 年 月 日设计（论文）开始日期 年 月 日设计（论文）完成日期 年 月 日设计（论文）题目： 汽车车载网络结构研究 A编制设计 B设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 系（部）主 任 年 月 日、工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录 机械 系 汽车运用技术 专业，学生 、 于 年 月 日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目： 汽车车载网络结构研究 专题（论文）题目： 指导老师： 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 、 毕业设计（论文）成绩为 。答辩委员会 人，出席 人答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， 、工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第 页共 页学生姓名： 、 专业 汽车运用技术 年级 09 毕业设计（论文）题目： 汽车车载网络结构研究 评 阅 人： 指导教师： （签字） 年 月 日成 绩： 系（科）主任： （签字） 年 月 日毕业设计（论文）及答辩评语： 摘要当今，汽车制造商的研发方向是与汽车购买者对汽车的安全性、动力性、经济性以及舒适性的更高要求紧密相连的，为了满足用户的要求，电子技术在汽车上得到了广泛的应用，使得汽车传感器、电子执行器和电子控制单元（ECU）大量增加。因此，随着计算机网络技术的不断发展，在计算机网络技术和现场总线技术的基础上，开发各种适用于汽车环境的网络技术和设备，组建汽车内部的通信网络，将成为解决上述问题最好的手段之一，也是现代汽车技术发展的必然趋势。现代汽车车载网络技术包含多种多路传输系统，如CANLINVANMOST，以及汽车蓝牙技术等。未来汽车也必将走向网络化、多媒体化、分控以及即时控制的新纪元！关键字：汽车电子控制，汽车网络，CANABSTRACTToday, car makers of research direction is on the car and car buyers security, power, economy and comfort the higher requirement of closely linked, in order to meet the requirements of the customers, electronic technology in cars a wide range of applications, that the electronic sensors, actuators and the electronic control unit (ECU) a large increase. Therefore, with the development of computer network technology, computer network technology and fieldbus technology, and on the basis of the development of it is suitable for automobile environment of network technology and equipment, the formation of automobile internal communication network, will become the best means to solve the above problem is one of the modern car the inevitable trend of the development of technology.The modern automobile audio network technology contain a variety of complex transmission system, such as CAN LIN VAN MOST, and car bluetooth technology, etc. The future will also give to network, more media-oriented sub control, and a new era of real-time control!Key word: automotive electronic control, car network, CAN目录第1章 车载网络技术出现的诱因汽车电控技术的发展11.1 汽车电子控制技术的发展概况1第2章 车子网络技术的基础单片机的研究32.1 MCS-51单片机的内部组成32.2 MCS-51单片机存储器的结构42.3 I/O端口、时钟电路与时序52.4 MCS-51单片机的工作方式62.5 MCS-51单片机指令系统概述7第3章 多路传输系统的研究83.1 SWS的技术特征及组成83.2 网关93.3 多路传输原理103.3.1 频分多址复用技术103.3.2 载波监听多路访问/冲突检测技术113.4 多路传输系统的通信协议标准12第4章 车载网络系统的研究134.1 CAN总线多路传输系统134.1.1 CAN总线简介及其组成134.1.2 CAN总线多路传输系统通信协议134.1.3 CAN总线的信息帧类型154.2 LIN总线多路传偷系统174.2.1LIN总线通信协议174.2.2 LIN总线的应用194.3 VAN总线多路传输系统204.3.1 VAN总线分层描述204.3.2 VAN总线数据传输224.3.3 VAN总线的应用224.4 MOST总线多路传输系统234.4.1 MOST总线介绍及其特点234.4.2 MOST总线协议244.4.3 MOST在汽车上的应用254.5蓝牙技术在汽车上的应用264.5.1蓝牙技术的特点264.5.2蓝牙技术在汽车上的应用27第5章 结论28致谢29参考文献30第1章 车载网络技术出现的诱因汽车电控技术的发展1.1 汽车电子控制技术的发展概况汽车电子控制技术是汽车技术与电子技术结合的产物，并伴随着汽车油耗法规、排放法规、安全法规要求的提高和电子技术的进步而逐步发展到当今的水平。世界汽车电子控制技术的发展过程大致可分为分立电子元件控制、集成电路控制和微型计算机控制3个阶段。第一阶段（19531980年）：汽车电子设备主要采用分立电子元件组成电子控制器，从而揭开了汽车电子时代的序幕，并由分立电子元件产品向集成电路IC产品过渡。其主要产品有二极管整流式交流发电机、电子式电压调节器、电子式点火控制器、电子式闪光器、电子式间歇刮水控制器、晶体管收音机、数字时钟等。 第二阶段（19811990年）：汽车电子设备广泛采用集成电路IC和8位微处理器进行控制，主要开发研究专用的独立控制系统。其主要产品有电子燃油喷射系统、空燃比反馈控制系统、电子控制自动变速系统、防抱死制动系统、安全气囊系统、座椅安全带收紧系统、车辆防盗系统、巡航控制系统、车辆导航系统、车身高度自动控制系统、故障自诊断系统等。第三阶段（19902005年）：汽车电子设备广泛应用16位或32位字长的微处理器进行控制，控制技术向智能化方向发展。其主要产品有发动机燃油喷射与点火综合控制系统、牵引力控制系统、区域网络通信系统、四轮转向控制系统、轮胎气压控制系统、声音合成与识别系统、自动防追尾碰撞系统和自动驾驶系统等。随着汽车电子控制技术的发展，世界各国在汽车的各个系统竞相采用电子控制装置。目前比较多见、成熟的汽车电子控制系统主要有动力传动总成的电子控制、底盘电子控制、车身电子控制、信息通信系统等。动力传动总成的电子控制主要包括发动机电子控制、变速箱电子控制和动力总成的整体控制等。它用于实现低油耗、低污染，减少动力传动系统的冲击，减轻驾驶员的疲劳，提高汽车的动力性、经济性和舒适性。底盘电子控制包括悬架的电子控制、防抱死制动控制（ABS）、驱动防滑控制（ASR）、电子控制动力转向（EPS）、四轮转向（4WS）控制、巡航控制（CCS）系统等。车身电子控制包括安全气囊电子控制、车用空调控制、防盗系统、门锁控制、车灯控制、雨刷控制等。随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来越广泛。今天的汽车已经逐步进入了计算机控制的时代。电子技术在解决提高汽车性能、环保、能源、安全等问题中占有不可替代的重要地位。21世纪，汽车将应用电子计算机网络和信息技术，在汽车与社会紧密相连方面具有较大进展，包括广泛应用全球定位系统（GPS）和广泛使用车载信息系统，以及采用多路传输系统来集成汽车所有零部件的电子控制模块，使整个汽车电子系统具有数据融合、故障诊断和一定的自我修复功能。第2章 车子网络技术的基础单片机的研究2.1 MCS-51单片机的内部组成MCS-51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本功能部件都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。它由如下功能部件组成：中央处理器（CPU），随机存储器（RAM），程序存储器（ROMEPROM，8031没有此部件），4个8位并行IO口（P0口、P1口、P2口、P3口），1个串行口，2个16位定时器计数器，中断系统，特殊功能寄存器（special function register，SFR）。MCS-51单片机中有1个8位的CPU，与通用的CPU基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的位处理功能。随机存储器片内为128B (52子系列的为256B)，片外最多可外扩64 KB。片内的128 B的RAM，以高速RAM的形式集成在单片机内，可以加快单片机运行的速度，而且这种结构的RAM还可以降低功耗。程序存储器用来存储程序，8031无此部件;80s1为4KB的ROM; 87s1则为4KB的EPROM。如果片内只读存储器的容量不够，片外最多可外扩只读存储器的容量至64 KB。中断系统具有5个中断源，2级中断优先权；片内有2个16位的定时器/计数器(52子系列有3个16位的定时器/计数器)，具有4种工作方式。I个全双工的串行口，具有4种工作方式。它可用来进行串行通信，扩展并行I/ O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强，且应用更广。P1口、P2口、P3口、PO口为4个并行8位I/O口；特殊功能寄存器共有21个，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制、监视。它实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。要掌握MCS-51单片机，应首先了解MCS-51单片机的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能。MCS-51以及80051系列中各种型号芯片的引脚是互相兼容的。制造工艺为HMOS的MCS-51单片机都采用40只引脚的双列直插封装(DIP )方式，目前大多数引脚为此类封装方式。制造工艺为CHMOS的80031/80051/87051单片机，除采用DIP封装方式外，还采用方形封装方式，为44只引脚(其中4只是无用的引脚)。1.运算器运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。运算器主要包括算术/逻辑运算单元(ALU) ,累加器A、程序状态字寄存器(PST)以及BCD码修正电路等。ALU的功能十分强大，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补和清0等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本算术运算。MCS-51单片机的ALU还具有位处理操作功能，它可对位(bit)变量进行位处理，如置位、清0、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。累加器A是一个8位的暂存器，也可记作Acc；它是ALU单元的输入数据源之一，又是ALU运算结果的存放单元。累加器A的进位标志Cy是特殊的，因为它同时又是中央处理器的位累力口暑悬。CPU中的数据传送大多都通过累加器A，故累加器A又相当于数据的中转站。为克服累加器结构所具有的“瓶颈堵塞”现象，MCS-51单片机增加了一部分可以不经过累加器的传送指令，这样，可减少累加器的“瓶颈堵塞”现象。MCS-51单片机的程序状态字寄存器PSW ( program status word)位于单片机片内的特殊功能寄存区，字节地址为DOH。 PSW的不同位包含了程序运行状态的不同信息。2.控制器控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质去控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器(IR)、指令泽码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。2.2 MCS-51单片机存储器的结构MCS-51单片机存储器采用的是哈佛(Har- vard )结构，即程序存储器空间和数据存储器空间各自独立。MCS-51单片机的存储器空间可划分为以下5类。MCS-51单片机能够按照一定的次序进行工作，是由于程序存储器中存放了经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数。程序存储器可以分为片内和片外两部分。8031由于无内部程序存储器，所以只能通过外部扩展程序存储器来存放程序。单片机内部有128 B的随机存取存储器，用作处理问题的数据缓冲区；SFR实际上是MCS-51单片机各功能部件的状态及控制寄存器。SFR综合地、实际地反映了整个单片机系统内部的工作状态及工作方式。MCS-51单片机内共有211个可寻址位，构成了位地址空间。它们存在于内部RAM(共有128个)和特殊功能寄存器区(共有83个)中。当MCS-51单片机的片内RAM不够用时，又给用户提供了在片外可扩展64 KB的RAM的能力，至于究竟扩展多少，则根据用户实际需要来定。 这种单片机的结构精简，功用却相当大，不论是范围还是影响力，总的来说，它的存储器还是比较有很大的拓展潜力的。2.3 I/O端口、时钟电路与时序MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口(port)，分别记作P0P3。端口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。各口除了按字节输入/输出外，它们的每一条口线也可以单独作为位输入/输出线。P1口、P2口、P3口是3个8位准双向的I/O口，当这3个口用作通用I/ O口时，在输入引脚信息前，向对应的锁存器写1，使这3个口处于无高阻的“浮空”状态。而双向口PO口线除了作为输入/输出外，还可处于高阻的“浮空”状态，故称为双向三态I/O口。1. P0 P3口都是并行I/O口，都可用于数据的输入和输出，但P0口和P2口除了可进行数据的输入/输出外，通常用来构建系统的数据总线和地址总线，所以在电路中有一个多路转接开关，以便进行两种用途的转换。而P1口和P3口没有构建系统的数据总线和地址总线的功能，因此，在电路中没有多路转接开关。由于PO口可作为地址/数据复用线使用，需传送系统的低8位地址和8位数据，因此MUX的一个输入端为“地址/数据”信号。而咫口仅作为高位地址线使用，不涉及数据，所以MUX仅有的一个输入信号为“地址”。2. 在4个口中只有PO口是一个真正的双向口，P1 P3这3个口都是准双向口。其原因是在应用系统中，P0口作为系统的数据总线使用时，为保证数据的正确传送，需要解决芯片内外的隔离问题，即只有在数据传送时芯片内外才接通;不进行数据传送时，芯片内外应处于隔离状态为此，要求P0口的输出缓冲器是一个三态门。3. P3口的口线具有第二功能，为系统提供一些控制信号。因此，在P3口电路增加了第二功能控制逻辑，这是P3口与其他各口的不同之处。4.时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟控制信号。MCS-51单片机的内部电路在时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作。而时序所研究的是指令执行中各个信号在时间上的关系。MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准的，有条不紊一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。5.单片机执行指令的过程均是在CPU控制器的时序控制电路的控制下进行的各种时序均与时钟周期有关。指令是规定计算机执行某种操作(如加、减等)的命令，CPU是根据指令来指挥和控制计算机各部分协调地工作，完成规定的操作。2.4 MCS-51单片机的工作方式指令是由二进制代码表示的，通常指令分为操作码和操作数两部分。操作码规定操作的类型，操作数给出参加操作的数据和存放数据的地址。计算机全部指令的集合称为指令系统，指令系统的性能与计算机硬件密切相关，不同的计算机指令系统不完全相同，程序工程师根据任务要求有序地编排指令的集合，程序的编制称为程序设计。为了运行和管理计算机所编制的各种程序的总和称为系统软件，一般单片机中没有系统软件，而只能装载用户自己编制的应用软件。1.CPU的工作方式执行程序中起关键作用的是CPU，它主要由运算器和控制器这两大部分组成。控制器根据指令码产生控制信号，使运算器、存储器、输入/输出端口之间能自动协调地工作，运算器用于进行算术、逻辑运算以及位操作处理等。控制器是用来统一指挥和控制计算机工作的部分，它的功能是接收来自存储器中的逐条指令，进行指令泽码，并通过定时和控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部控制信息及CPU外部所需的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的各种操作。它由指令部件、时序部件和操作控制部件等三部分组成。运算器是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，包括算术/逻辑运算单元、累加器Acc (accumulator) ,暂存寄存器、程序状态字寄存器、通用寄存器、BCD码运算调整电路等为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器区和一些专用的寄存器，而且还增加了位处理逻辑电路的功能。在进行位操作时，进位位Cv作为位操作累加器，整个位操作系统构成一台布尔处理器。2.单片机执行程序过程单片机的工作过程实质就是执行所编制程序的过程，即逐条执行指令的过程计算机每执行一条指令都可分为3个阶段进行，即取指令、分析指令和执行指令。取指令阶段的任务是:根据程序计数器中的值，从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器；分析指令阶段的任务是:将指令寄存器中的指令操作码取出后进行泽码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址；执行指令阶段的任务是:取出操作数，然后按照操作码的性质对操作数进行操作，即执行指令。计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直至遇到停机指令或循环等待指令。 一般计算机进行工作时，首先要通过外部设备把程序和数据通过输入接口电路和数据总线送入到存储器，然后逐条取出执行。但单片机中的程序一般事先我们都已通过写入器固化在片内或片外程序存储器中。因而一开机即可执行指令。2.5 MCS-51单片机指令系统概述MCS-51单片机指令系统是一种简明易掌握、效率较高的指令系统。MCS-51单片机的基本指令共111条，按指令在程序存储器中所占的字节来分，其中，单字节指令49条，双字节指令45条，三字节指令17条。按指令的执行时间来分，其中，1个机器周期(12个时钟振荡周期)的指令64条，2个机器周期(24个时钟振荡周期)的指令45条，只有乘、除两条指令的执行时间为4个机器周期(48个时钟振荡周期)。1.指令格式指令的表示方法称为指令格式，一条指令通常由两部分组成，即操作码和操作数。操作码用来规定指令进行了什么操作，而操作数则是指令操作的对象。操作数可能是一个具体的数据，也可能是指出到哪里取得数据的地址或符号。单字节指令:指令只有一个字节，操作码和操作数同在一个字节中；双字节指令:双字节指令包括两个字节，其中一个字节为操作码，另一个字节是操作数；三字节指令:在三字节指令中，操作码占一个字节，操作数占两个字节，其中操作数既可能是数据，也可能是地址。2.指令系统的寻址方式寄存器寻址方式就是操作数在寄存器中，因此指定了寄存器就能得到操作数；在这种寻址方式中，指令中操作数直接以单元地址的形式给出。该单元地址中的内容就是操作数。寄存器寻址方式就是寄存器中存放的是操作数，而寄存器间接寻址方式是寄存器中存放的是操作数的地址，即先从寄存器中找到操作数的地址，再按该地址找到操作数。由于操作数是通过寄存器间接得到的，因此称之为寄存器间接寻址。立即寻址方式就是操作数在指令中直接给出。出现在指令中的操作数即为立即数。为了与直接寻址指令中的直接地址相区分，需在操作数前面加前缀标志“#”。这种寻址方式用于读出程序存储器中的数据到累加器A中。本寻址方式是以DPRT或PC作为基址寄存器，以累加器A作为变址寄存器，并以两者内容相加形成的16位地址作为操作数的地址，以达到访问数据表格的目的。MCS-51单片机有位处理功能，可以对数据位进行操作，因此就有相应的位寻址方式；相对寻址方式是为解决程序转移而专门设置的，为转移指令所采用。指令系统中，有多条相对转移指令，这些转移指令多为二字节指令，但也有个别为三字节的。第3章 多路传输系统的研究3.1 SWS的技术特征及组成1.技术特征：（1）模块已成为以中央处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体(双绞线、同轴电缆或光纤)以总线拓扑相连，多路传输系统总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取。（2）具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等优点。（3）数据总线的传输速率通常用比特率表示，比特率是每秒千位(bit/e)或每秒兆位(Mbit/s )。数据传输速率受幅宽影响，32位的数据传输量要比8位快4倍。（4）互操作性。在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。（5）开放式互联结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互联设备与控制级网络或管理信息级网络相连。2.多路传输系统主要由模块、数据总线、网络、架构、通信协议、网关等组成：模块是一种电子装置。简单一点的如温度和压力传感器，复杂的如计算机(中央处理器)。传感器是一个模块装置，根据温度和压力的不同产生不同的电压信号这些电压信号在计算机(一种数字装置)的输入接口被转变成数字信号。数据总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络，是模块间运行数据的通道，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通信，如果模块可以发送和接收数据，则这样的数据总线就称为双向数据总线。网络是为了实现信息共享而把多条数据总线连在一起，或者把数据总线和模块当作一个系统。新型的LS430的几条数据总线间共有29块相互交换信息的模块。从物理意义上讲，汽车上许多模块和数据总线距离很近，因此被称为LAN局域网（local area network0）。Motorola 公司设计的一种智能车身辅助装置网络，被称为LIN（local internet network）。架构是信息高速公路的配置，其输入和输出端规定了了1么信息能进和什么信息能出，架构通常包括一或两条线路，采用双线时数据的传输是基于两条线的电压差。当其中的一条线传输数据时，它对地有一个参考电压。架构要有特定的通信协议。衡量数据总线及网络架构优劣的其他重要特征包括: 能一起工作的模块数量；可扩展性；互交信息的种类；数据传输速度；可靠性或容错性抗故障性及数据交换的稳定与准确性；经济性；通信协议规定信号在数据总线上的通信规则。网络上节点要实现成功通信，必须接受相互识别、相互接受的约定和规则，建立通用的标准用于各ECU之间通信。通信协议的分类如下：（1）直接型:点对点的链路直接通信，无须经中间信息处理的协议。（2）间接型:通过转接式通信网络或两个以上的网络进行信息交换的通信协议。 （3）结构优化型协议:按需要分成不同的层次，较低级别的功能在较低层次实现，同时它们又向较高层次的实体提供服务。它是各层次协议的复合。通常一辆车上配置了多种总线和网络，所以必须用一种方法使它们达到共享和不产生协议间的冲突。例如，车门打开时发动机控制模块也需要被唤醒为了使不同协议及速度的数据总线间实现无差错数据传输，必须要使用一种特殊功能的计算机，这种计算机就叫做网关。例如，奔驰S320车上的网关是点火开关计算机（N73），BMW745车上的网关是ZGM中央计算机，Audi A6车上的网关是仪表计算机。3.2 网关1. 网关的作用网关实际上就是一种模块它自身的质量、功能和工作性能决定了不同的总线、模块和网络相互间通信的质量。它可以把局域网上的数据转变成可以识别的OBDII诊断数据语言，方便诊断；它可以实现低速网络和高速网络的信息共享；与计算机中的网关作用是一样的，负责接收和发送信息；激活和监控局域网络工作状态；实现车辆数据的同步性；对信息标识符作翻泽。2. 网关的布置如果两个CAN网络执行器是两片独立的芯片(图2-1-11 )，中央控制器(单片微型计算机)作为网关，那么，CAN芯片就像灵巧的随机存储器被网关读写。一旦接收到信息，网关就执行接收CAN芯片的外部读操作，接着执行转换信息的逻辑指令，然后执行外部写操作，对第二个网络的CAN芯片作传输编程。3. 几种网关（1）Bosch公司CAN1. 2与CAN2. 0之间的网关标准的CAN1. 2版本支持标准的11位信息标识符，而CAN2. 0版本增加了信息标识符，也就是说，CAN2. 0既支持标准的11位，也支持扩展后的29位信息标识。（2）SAE-J1939与J1980网络协议之间的网关SAE汽车选用CAN2. 0协议作为“C级”串行控制和通信网络的推荐实施标准，又称为SAEJ1939规范。CAN2. 0的数据可达1 Mbit/s。也就是说，CAN2. 0执行相当于SAE- C级的高速数据速率。（3）SAE- J1850B级通信速率的小客车，发动机、自动变速器、ABS等系统的数据速率偏低，为了提高通信速率以改善车辆的控制性能，又不让车辆成本增加太多，就将原实施J1850的车辆增加一个网关，并将网关前方的总线修改为CAN总线。3.3 多路传输原理汽车车载网络多路传输技术可以实现在同一个信道上同时传输多路信号，为了在接收端能够将不同路的信号区分开来而互不干扰，必须使不同路的信号具有不同的特征。最常用的多路传输方式是频分多址复用(FDMA )、时分多址复用(TDMA)等。3.3.1 频分多址复用技术频分复用就是在发送端利用不同频率的载波将多路信号的频谱调制到不同的频段，以实现多路复用。频分复用的多路信号在频率上不会重叠，合并在一起通过一条信道传输，到达接收端后可以通过中心频率不同的带通滤波器彼此分离开来，如图3-1所示。图 3-1 频分复用的多路信号传输时分复用是建立在抽样定理基础上的。时分复用就是利用各路信号的抽样值在时间上占据不同的时隙，来达到在同一信道中传输多路信号而互不干扰的一种方法，如图3-2所示。图3-2时分复用信号传输3.3.2 载波监听多路访问/冲突检测技术载波监听多路访问/冲突检测技术(CSMA/CD)是一种争用型的介质访问控制协议。它的工作原理是:发送数据前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据，在发送数据时，边发送边继续监听，若监听到冲突，则立即停止发送数据，等待一段随机时间，再重新尝试。CSMA/CD控制规程的核心问题:解决在公共通道上以广播方式传送数据中可能出现的问题(主要是数据碰撞问题)，控制过程包含四个处理内容，即侦听、发送、检测、冲突处理（如图3-3和图3-4）.图3-3图3-43.4 多路传输系统的通信协议标准通信协议要解决系统优先权问题、灵活性问题、可扩展性问题、诊断接口问题、独立性问题、数据共享问题等，十几年来，已发展了几代通信协议，较早的有SAE推出的用于重型车的基于串行总线的标准，如SAE J1708 , SAE J1587 ,SAE J1922，串行协议传输速率低、代码定义麻烦，除在诊断系统有一些应用外，基本被取代。迄今为止，汽车应用的多种网络标准，较典型的有LIN , CAN ,J1850 , MOST , TTCAN , TTP , Flex Ray , J2284等。第4章 车载网络系统的研究4.1 CAN总线多路传输系统4.1.1 CAN总线简介及其组成CAN总线是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线，是一种双线串行数据通信总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1 Mbit/s。1.CAN总线的应用优势采用CAN总线技术可以实现各ECU之间的信息共享，减少不必要的线束和传感器。例如，具有CAN总线接口的电喷发动机，其他电器可共享其提供的转速、水温、机油压力、机油温度、油量瞬时流速等，这样一方面可省去额外的水温、油压、油温传感器，另一方面可以将这些数据显示在仪表上，便于驾驶员检查发动机运行工况，从而便于发动机的保养维护。新型电子通信产品的出现对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达2 000 m，电气节点达1 500个，而且该数字大约每10年增长1倍这种传统布线方法不能适应汽车的发展。CAN总线可有效减少线束，节省空间。在一定事故下，需要对各ECU进行关联控制，而这是传统汽车控制方法难以完成的。CAN总线技术可以实现多ECU的实时关联控制。2.CAN总线传输系统的组成CAN数据总线由一个控制器、一个收发器、两个数据传输终端以及两条数据传输线组成。除了数据传输线外，其他元件都置于控制单元内部，控制单元功能不变( 图4-1 )。图4-1 CAN数据总线传输系统组成4.1.2 CAN总线多路传输系统通信协议通信协议是车载网络上各电控单元相互通信的充要条件，它是各电控单元必须遵守的共同规则，可以保证各电控单元能够正常使用网络进行通信。1. 通信协议的三要素（1）语法规定通信双方“如何讲”，即确定数据格式、数据码型、信号电平等。（2）语义规定通信双方“讲了什么”，即确定协议元素的类型，如规定通信双方要发出了什么控制信息、执行了什么动作和返回了什么应答等。（3）定时规则规定事件执行的顺序，即确定链路通信过程中通信状态的变化，如规定正确的应答关系、速度匹配等。2. 汽车网络通信协议标准(ISO 11898)ISO 11898规定的CAN网络结构如图4-2所示。该协议是包括ISO规定的OSI(开放系统互联)基本参考模型中的应用层、数据链路层及物理层的协议ISO/OSI模型与ISO 11898规定的CAN总线协议对比如图4-3所示。 图4-2 CAN网络结构图4-3 OSI与现场总线开发互联模型的对应3. CAN数据总线的传输过程CAN数据总线的数据传输原理在很大程度上类似于电话会议的方式。一个用户(控制单元)向网络中“说出”数据，而其他用户“收听”到这些数据一些控制单元认为这些数据对它有用，它就接收并且应用这些数据，而其他控制单元也许不会理会这些数据。故数据总线里的数据并没有指定的接收者，而是被所有的控制单元接收及计算。控制单元向CAN控制器提供数据用于传输；CAN收发器从CAN控制器处接收数据，将其转化为电信号发出。这些数据以数据列的形式进行传输，数据列是由一长串二进制(高电平与低电平)数字组成的(如0110100100111011)。如果所接收的数据是重要的，它将被认可及处理，反之将被忽略；控制单元对接收到的数据进行检测，看是否是其功能所需；所有与CAN数据总线一起构成网络的控制单元成为接收器。 4.1.3 CAN总线的信息帧类型CAN的信息帧类型有:数据帧(date frame )、远程帧(remoto frame)、错误帧(error frame)和超载帧(over lead frame)。1. 数据帧数据帧携带数据由发送器至接收器。数据帧有7个不同的位域，如图4-4所示。7个位域依次是:起始域、仲裁域、控制域、数据域、CRC(循环冗余)校验码域、应答(ACK)域和帧结束。各区域功能见表4-5。图4-4数据帧结构表4-5数据帧各区域功能2. 远程帧远程帧用以请求总线上的相关单元发送具有相同标识符的数据帧。如图4-6所示，远程帧由6个域构成。与数据帧相比，RTR位为隐性，没有数据域，数据长度编码域可以是。08的任何值，这个值是远程帧请求发送的数据帧的数据域长度。当具有相同仲裁域的数据帧和远程帧同时发送时，由于数据帧的RTR为显性，所以数据帧获得仲裁，发送远程帧的节点可以直接接收数据。图4-6远程帧结构3. 错误帧一旦某个节点发现错误就发送一个错误帧。错误帧由检测出总线错误的单元发送。任何单元检测到总线错误时就发送错误帧。4. 超载帧超载帧用于请求在下一个数据帧或远程帧到来之前加入延时。超载帧由一个J陀的CAN节点送出，以请求在前、后数据帧之间增加一个额外的延迟。超载帧由两个区域组成:超载标志域及超载界定符域。下述三种状态将导致超载帧发送。（1）接收方在接收一帧之前需要过多的时间处理当前的数据(接收尚未准备好);（2）在帧空隙域检测到显性位信号;（3）如果CAN节点在错误界定符或过载界定符的第8位采样到一个显性位节点会发送一个过载帧。如果多个控制单元要同时发送各自的数据，那么系统就必须决定哪一个单元首先进行发送。具有最高优先级的数据首先发送。基于安全考虑，由ABS/EDL控制单元提供的数据比自动变速控制单元提供的数据(驾驶舒适)更重要。4.2 LIN总线多路传偷系统4.2.1LIN总线通信协议LIN总线是基于SCI或UART数据格式，采用单主控制器、多从设备的模式，使用串行通信协议，可以有效地支持汽车上分布式机械电子节点的控制。LIN总线的主要优点是降低材料及装配成本，如连线从两根减少到一根，振荡器由陶瓷式改为电阻式;不需要改变任何其他从机节点的软件或硬件就可以在网络中方便地直接添加节点;另外，它的抗干扰性强，主要应用在精度误差要求不是很苛刻的部件的控制上。1. LIN总线网络结构LIN的通信协议仅包含物理层和数据链路层。其编码方式为N RZ(not return zero)码，电平分为隐性电平(+1)和显性电平(+0)两种。它支持单主一多从的总线式拓扑结构，主节点需要支持CAN协议或者J1850，同时具有SCI功能模块或者ISO-9141物理接口;从节点只要具有SCI功能模块或者IS09141物理接口即可。一个LIN网络由一个主节点、一个或多个从节点组成，节点数受标识符长度及总线物理特性的限制，实际应用中不高于16个。整个网络的配置信息只包含在主节点中，从节点可以自由地接入或脱离网络而不会影响网络中的通信LIN的网络结构如图4-7所示。图4-7 LIN网络结构2. LIN规范概述（1）报文:在总线上发送的信息，每个报文帧都包括2, 4或8个字节的数据以及3个字节的控制和安全信息。总线的通信都由主机任务发送，从机的任务则是发回数据场和校验场。通过主机控制单元中的从机任务，数据可以被主机控制单元发送到任何从机控制单元。（2）信息路由:LIN系统中，节点不使用有关系统配置的任何信息，除了单主机节点的命名。不需要改变任何其他从机节点的软件或硬件就可以在LIN网络中直接添加节点，报文的内容由标识符命名。（3）位速率:最大的波特率是20 kbit/s，它是由单线传输介质的EMI限制制定的。最小的波特率是1 kbit/s，可以避免和实际应用的超时周期冲突。（4）单主机无仲裁:只有包含主机任务的控制器节点可以传输报头，一个从机任务对这个报头作出响应。由于没有仲裁的过程，如果多于一个从机响应就会产生错误。（5）连接LIN网络节点的最大数量不仅由标识符的数量限制，也由总线的物理特征限制。一般网络的节点数量不应超过16 , LIN网络中积累的电线长度应40 m。3. LIN的通信规则一个LIN网络由一个主节点和一个或多个从节点组成，LIN网络上的通信总是由主发送任务所发起。LIN总线有主一从传输或从一从传输两种方法。（1）主一从通信模式主一从通信模式将大部分调度操作转移到主节点上，从而简化其他节点操作。因此，LIN从节点硬件大幅减少，甚至可能减少为单个状态设备。另一个优势是，由于主节点能够同时与所有节点通信，信息和要求的ID数量都大大减少但是，这种通信方法速度缓慢。这时，LIN节点很难及时地接收和处理数据，并选择性地将它传输给其他节点。（2）从一从通信模式从一从通信模式下，响应“从任务”的是远程节点。各个信息帧上的节点共用信息，从而极大地提高响应速度。但是，从一从通信方法有很大的局限性:首先，各个从节点的时钟源未知，因此从节点将数据传输到网络时，数据可能发生漂移;其次，这种情况下，主节点不显示从一从通信已经失效。4. LIN总线报文传输LIN总线是一主多从的通信机制，即允许一个主机任务和多个从机任务。主机任务位于主机节点内部，负责报文的进度表和发送报文头，即向从机任务传送同步和标识符信息，并将从机任务的信息传送到其他所有从机任务。从机任务位于所有的节点中，其中一个节点发送报文的响应信息。4.2.2 LIN总线的应用在汽车电子控制单元中，涉及汽车安全以及动力的系统，如汽车发动机、自动变速箱、ABS安全气囊等单元可采用CAN网络控制方式，而对于小型系统，如电动门窗、转向盘、座椅、照明灯等单元，出于成本的考虑可以采用LIN网络控制方式。图4-8所示为整车CAN/LIN混合控制系统示意图。图4-8整车CAN/LIN网络控制4.3 VAN总线多路传输系统VAN (ve-hicle area network)又称车辆局域网，是现场总线的一种，由法国的雷诺汽车公司和标致集团联合开发。VAN作为专门为汽车开发的总线，1994年成为国际标准。VAN通信介质简单，位传输速率可达1 Mbit/s (40 m内)，按SAE的分类应该属于C类。VAN支持分布式实时控制的通信网络，可广泛应用于汽车门锁、电动车窗、空调、自动报警以及娱乐控制等系统。VAN总线作为串行通信网络，与一般总线相比，其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。VAN标准特别考虑了严峻的环境温度、电磁干扰和振动因素，尤其适用于需要现场总线的实时控制系统。4.3.1 VAN总线分层描述1. VAN的物理层物理层负责通信连接、编码和解码、时钟同步，以及根据MAC层的要求，添加、去除特殊符号( SOF , EOD , EOF)，使两个MAC子层得以数据交换。（1）VAN位传输速率可达1 Mbit/s，两根数据线(数据线DATA和数据线DATAB采用双绞线、同轴电缆或光纤均可)可以在一根线条件下工作，其电压示意图如图4-3-1所示。其信号差动发送，能够获得强大可靠的噪声抗扰度与故障容差。图4-9 VAN总线DATA与DATAB的电压（2）VAN采用E- Manchester(增强型Manchester)码，通信速率最高可达1 Mbit/s。如图4-3-2所示，E- Manchester码为3个NRZ码(不归零码)，与一个Manchester码作为一组，自同步，无须填充NRZ码。除此之外，VAN还可以用脉冲波通信。图4-10 E-Manchester编码2. VAN的数据链路层数据链路层定义了信息帧的数据结构、通信优先权、通信格式、通信要求、总线仲裁以及错误检测及处理等为在总线上可靠地传输数据，要将数据打包成帧。帧即为组成一个完整消息的一系列数据位，分成几个域，每个域包括了预定义类型的数据。数据链路层包含介质访问控制子层MAC和逻辑链路控制子层LLC。其中，MAC子层是VAN协议的核心，负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定，把接收到的报