车载网络技术的应用提高了信息传输的速度,增强了汽车控制系统的稳定性和可靠性,特别是智能网联汽车和无人驾驶汽车,对车载网络提出了更高的要求。目前,汽车车载网络类型主要有CAN、LIN、 FlexRay、MOST等,它们在汽车上的应用如图4-3所示。随着智能网联汽车的发展,以太网的应用已引起广泛重视。
一、CAN总线网络。
1.CAN总线定义。
CAN( Controller Area Network,控制器局域网络)是德国博世公司在1985年时为了解决汽车上众多测试仪器与控制单元之间的数据传输而开发的一种支持分布式控制的串行数据通信总线。国际化标准组织(1SO)在1993年提出了CAN总线的国际标准—ISO11898,使得CAN总线的应用更标准化和规范化。目前,CAN总线已经是国际上应用最广泛的网络总线之一,它的数据信息传输速率最大为1Mbit/s,属于中速网络,通信距离(无需中继)最远可达10km,最有可能成为世界标准的汽车局域网。
2.CAN总线网络特点。
CAN总线采用双绞线作为传输介质,媒体访问方式为位仲裁,是一种多主总线,CAN总线为事件触发的实时通信网络,其总线仲裁方式采用基于优先级的载波侦听多路访问冲突检测( CSMA/CD)法。CAN总线网络具有以下特点。
(1)多主控制：多主控制是指在总线空闲时,所有的单元都可开始发送消息;最先访问总线的单元可获得发送权(CSMA/CA方式);多个单元同时开始发送时,发送高优先级ID(标识符)消息的单元可获得发送权。
(2)消息的发送：在CAN协议中,所有的消息都以固定的格式发送。总线空闲时,所有与总线相连的单元都可以开始发送新消息。两个以上的单元同时开始发送消息时,根据ID决定优先级。ID并不是表示发送的目的地址,而是表示访问总线的消息的优先级。两个以上的单元同时开始发送消息时,对各消息ID的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜(被判定为优先级最高)的单元可继续发送消息,仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。
(3)系统的柔软性：与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加单元时,连接在总线上的其他单元的软硬件及应用层都不需要改变。
(4)高速度和远距离：当通信距离小于40m时,CAN总线的传输速率可以达到1Mbit/s。通信速度与其通信距离成反比,当其通信距离达到10km时,其传输速率仍可以达到约5kbit/s。
(5)远程数据请求：可通过发送“遥控帧”请求其他单元发送数据。
(6)错误检测功能、错误通知功能、错误恢复功能：错误检测功能是指所有的单元都可以检测错误;错误通知功能是指正在发送消息的单元一旦检测出错误,会强制结束当前的发送,并立即同时通知其他所有单元;错误恢复功能是指强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止。
(7)故障封闭：CAN总线可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误(如外部噪声等)还是持续的数据错误(如单元内部故障、驱动器故障、断线等)。根据此功能,当总线上发生持续的数据错误时,可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。
(8)连接：CAN总线可以同时连接多个单元,可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。
降低传输速率,可连接的单元数增加;提高传输速率,则可连接的单元数减少。
总之,CAN总线具有实时性强、可靠性高、传输速率快、结构简单、互操作性好、总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点,在车载网络上已经得到广泛的应用。
3.CAN总线网络的分层结构。
CAN协议包含了ISO规定的OSI( Open System Interconnection)7层参考模型中的物理层、数据链路层和传输层。CAN协议与OS17层参考模型的比较以及对应3层的总线功能如图4-4所示。
7层参考模型OSI是国际标准化组织(IsO)制定的一个用于计算机或通信系统间互联的标准体系,它是一个7层的、抽象的模型,不仅包括一系列抽象的术语或概念,也包括具体的协议。
(1)物理层：物理层的主要功能是利用传输介质为数据链路层提供物理连接,实现相邻节点之间比特流的透明传输,尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异,使其上面的数据链路层不必考虑网络的具体传输介质是什么。
(2)数据链路层：数据链路层负责建立和管理节点间的链路,其主要功能是通过各种控制协议,将有差错的物理信道变为无差错的、能可靠传输数据帧的数据链路。数据链路层通常又被分为介质访问控制(MAC)和逻辑链路控制(LLC)两个子层。MAC子层的主要任务是解决共享型网络中多用户对信道竞争的问题,完成网络介质的访问控制;MAC子层也受一个名为“故障界定”的管理实体监管,此故障界定为自检测机制,以便把永久故障和短时扰动区别开来。
LLC子层的主要任务是建立和维护网络连接,执行差错校验、流量控制和链路控制。数据链路层的具体工作是接收来自物理层的位流形式的数据,并封装成帧,传送到上一层;同样,也将来自上层的数据帧,拆装为位流形式的数据转发到物理层;并且,还负责处理接收端发回的确认帧的信息,以便提供可靠的数据传输。
(3)网络层：网络层是OSI参考模型中最复杂的一层,也是通信子网的最高层。它在下两层的基础上向资源子网提供服务。其主要任务是通过路由选择算去,为报文或分组通过通信子网选择最适当的路径。该层控制数据链路层与传输层之间的信息转发,建立、维持和终止网络的连接。具体来说,数据链路层的数据在这一层被转换为数据包,然后通过路径选择、分段组合、顺序、进/出路由等控制,将信息从一个网络设备传送到另一个网络设备。一般数据链路层解决同网络内节点之间的通信,而网络层主要解决不同子网间的通信。例如在广域网之间通信时,必然会遇到路由(即两节点间可能有多条路径)选择问题。
(4)传输层OSI下3层的主要任务是数据通信,上3层的任务是数据处理。传输层是通信子网和资源子网的接口和桥梁,起到承上启下的作用。传输层的主要功能有传输连接管路、处理传输差错和监控服务质量,其中传输连接管理是指提供建立、维护和拆除传输连接的功能,传输层在网络层的基础上为高层提供“面向连接”和“面向无接连”的两种服务;处理传输差错是指提供可靠的“面向连接”和不太可靠的“面向无连接”的数据传输服务、差错控制和流量控制。在提供“面向连接”服务时,通过这一层传输的数据将由目标设备确认,如果在指定的时间内未收到确认信息,数据将被重发。
(5)会话层：会话层是用户应用程序和网络之间的接口,具体功能有会话管理、会话流量控制、寻址、出错控制,其中会话管理是指允许用户在两个实体设备之间建立、维持和终止会话,并支持它们之间的数据交换,如提供单方向会话或双向同时会话,并管理会话中的发送顺序,以及会话所占用时间的长短;会话流量控制是指提供会话流量控制和交叉会话功能;寻址是指使用远程地址建立会话连接:出错控制是负责纠正错误。
(6)表示层：表示层是对来自应用层的命令和数据进行解释,对各种语法赋予相应的含义,并按照一定的格式传送给会话层。其主要功能是处理用户信息的表示问题,如编码、数据格式转换和加密解密等。
(7)应用层：应用层是计算机用户以及各种应用程序和网络之间的接口,其功能是直接向用户提供服务,完成用户希望在网络上完成的各种工作。它负责完成网络中应用程序与网络操作系统之间的联系,建立与结束使用者之间的联系，并完成网络用户提出的各种网络服务及应用所需的监督、管理和服务等各种协议。此外,该层还负责协调各个应用程序间的工作。
由于OSI是一个理想的模型,因此一般网络系统只涉及其中的几层,很少有系统能够具有所有的7层,并完全遵循它的规定。
4.CAN总线网络帧类型。
CAN总线网络传输的帧主要包括数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。
(1)数据帧：数据帧用于传输数据,主要由帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC校验、应答域和帧结束构成,如图4-5所示。
(2)远程帧：远程帧主要用于接收单元向发送单元请求主动发送数据,包含了数据帧中除了数据段以外的部分,其实质是没有数据段的数据帧,其结构如图4-6所示。
(3)错误帧：错误帧用于在接收和发送消息时检测出错误并向网络节点通知错误发出的帧,主要包含错误标志和错误界定符,结构如图4-7所示。
(4)过载帧：当总线数据传输量过大,接收节点对接收的数据无法及时处理时,会在相邻的两个数据帧之间穿插发送一个过载帧,以告求发送节点延迟下一帧消息的发送。其由过载标志叠加区和过载界定符组成,其结构如图4-8所示。
5.CAN总线在汽车上的应用。
CAN总线的最大传输速率可达1Mbt/s,目前,汽车上的网络连接方式需采用两条CAN总线,一条是用于驱动系统的高速CAN总线,速率达到500kbit/s;
另一条是用于车身系统的低速CAN总线,速率为100kbit/s。高速CAN总线主要连接发动机、自动变速器、ABS/ASR、ESP等对通信实时性有较高要求的系统。低速CAN总线主要连接灯光、电动车窗、自动空调及信息显示系统等,多为低速电动机和开关量器件,对实时性要求低而数量众多。不同速度的CAN网络之间通过网关连接。对汽车CAN总线上的信号进行采集时,需要确定所采集的信号处于哪个CAN网络中,以便于设置合适的CAN通道波特率。汽车CAN网络拓扑结构如图4-9所示。
二、LIN总线网络。
1.LIN总线定义。
LIN( Local Interconnect Network,局部连接网络)也称为局域网子系统，是专门为汽车开发的一种低成本串行通信网络,用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN网络的数据传输速率为20kbit/s,属于低速网络,媒体访问方式为单主多从,是一种辅助总线,辅助CAN总线工作。在不需要CAN总线的带宽和多功能的场合,使用LIN总线可大大降低成本。
2.LIN总线网络通信方法。
LIN总线网络的数据通信主要包括主-从通信模式和从-从通信模式,两种通信模式都是由主节点控制,有各自的优势和劣势。
(1)主从通信模式：主节点传输信息ID,进而发送数据传输命令。网上所有LIN节点将该信息进行转换,然后再进行相应的操作。根据主从通信模式,主节点内部有一个从节点正在运行。它对正确的ID进行响应,然后将规定的比特传输到LIN总线。不同LIN节点在网络中都拥有完整的LIN帧,同时还按照各自的不同应用提供主节点数据和流程。例如主节点可能希望所有门锁都打开，这样每个门锁节点被设定为对单个信息进行响应,然后完成开锁;或者主节点可能传输4条不同信息,然后有选择性地打开门锁。
主-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,已知信息和要求的ID数量都大大减少。主节点将所有数据通信发送到全部节点,然后在所有数据传输到其他设备之前从节点上接收该数据,这样可以检查传输数据的有效性。该操作允许主节点对所有通信进行监测,减少并消除潜在错误。
但是,这种通信模式速度缓慢,LIN节点很难及时地接收和处理数据,并有选择性地将它传输给其他节点。
(2)从-从通信模式：与主从通信相比,从-从通信方法更迅速。各个信息帧上的节点共用信息,从而极大地提高响应速度。例如单个信息可以打开两扇车窗,关闭一个车门,打开三个车门或者移动车窗。这样就可以明显减少网上的数据流量。
但是,从-从通信模式有重要的局限性,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(根据主节点请求),数据可能发生漂移。主节点有一个精确度很高的时钟,数据漂移有较大的误差范围,但另一个接收数据的LIN从节点却没有,这会导致数据误译。这种情况下,主节点不显示从从通信已经失效。
3.LIN总线网络特点。
LIN总线网络具有以下特点。
①LIN总线的通信是基于SCI数据格式,媒体访问采用单主节点、多从节点的方式,数据优先级由主节点决定,灵活性好。
②一条LIN总线最多可以连接16个节点,共有64个标识符。
③LIN总线采用低成本的单线连接,传输速率最高可达20kbit/s。
④不需要进行仲裁,同时在从节点中无须石英或陶瓷振荡器,只采用片内振荡器就可以实现自同步,从而降低了硬件成本。
⑤几乎所有的MCU均具备LIN所需硬件,且实现费用较低。
⑥网络通信具有可预期性,信号传播时间可预先计算。
⑦通过主机节点可将LIN与上层网络(CAN)相连接,实现LIN的子总线辅助通信功能,从而优化网络结构,提高网络效率和可靠性。
③总线通信距离最大不超过40m。
LIN总线规范中,除定义了基本协议和物理层外,还定义了开发工具和应用软件接口。因此,从硬件、软件以及电磁兼容性方面来看,LIN总线保证了网络节点的互换性。这极大地提高了开发速度,同时保证了网络的可靠性。
4.LIN网络结构。
LIN网络采用单主机多从机模式,一个LIN网络包括一个主节点和若干从节点。由于过多的网络节点将导致网络阻抗过低,因此,一般情况下网络节点总数不宜超过16个。如图4-10所示,所有的网络节点都包含一个从任务,提供通过LIN总线传输的数据,主节点除了从任务还包括一个主任务,负责启动网络中的通信。
5.LIN报文帧。
LIN总线上传输的数据有确定的格式,称作报文帧,它由报头和响应组成，如图4-11所示。其中报头由主任务提供,响应由主任务或从任务提供。可以看出,报头由同步间隔场、同步场和标识符场组成;响应由数据场和校验和场组成;报头和响应由帧内响应空间分隔。
同步间隔表示LN报文帧的开始,是由主任务产生的,告诉从任务为即将传送的帧做好同步准备;同步场包含时钟的同步信息,在8个位定时中有5个下降沿和5个上升沿,使从任务能与主时钟同步;标识符场描述报文的内容和长度;
数据场由8位数据的字节场组成;校验和场是帧的最后一部分,它是以256为模的所有数据字节算术和的反码。
6.LIN总线网络在汽车上的应用。
由于一个LIN网络通常由一个主节点、一个或多个从节点组成,所以LIN网络为主从式控制结构。各个LIN主节点是车身CAN总线上的节点,通过CAN总线连接成为低速车身CAN网络,并兼起CAN/LIN网关的作用。引入带CAN/LIN网关的混合网络有效地降低了主干网的总线负载率。LIN网络主要应用于车门、转向盘、座椅、空调系统、防盜系统等。LIN网络将模拟信号用数字信号代替,实现对汽车低速网络的需求,结构简单,维修方便。
图4-12所示为LIN总线在车门控制模块中的应用。
三、 Flexray总线网络。
1. FlexRay总线定义。
FlexRay是一种用于汽车的高速可确定性的、具备故障容错的总线系统。汽车中的控制器件、传感器和执行器之间的数据交换主要是通过CAN网络进行的。
然而新的 X-by-wire系统设计思想的出现,导致车辆系统对信息传送速度尤其是故障容错与时间确定性的需求不断增加。 FlexRay通过在确定的时间槽中传送信息,以及在两个通道上的故障容错和冗余信息的传送,可以满足这些新增加的要求。
2. FlexRay总线网络特点。
FlexRay总线网络具有以下特点。
(1)数据传输速率高： FlexRay网络最大传输速率可达到10Mbt/s,双通道总数据传输速率可达到20Mbit/s,因此,应用在车载网络上, FlexRay的网络带宽可以是CAN网络的20倍。
(2)可靠性好： FlexRay能够提供很多CAN网络所不具有的可靠性特点,尤其是 FlexRay具备的冗余通信能力。具有冗余数据传输能力的总线系统使用两个相互独立的信道,每个信道都由一组双线导线组成。一个信道失灵时,该信道应传输的信息可在另一条没有发生故障的信道上传输。此外,总线监护器的存在进一步提高了通信的可靠性。
(3)确定性： FlexRay是一种时间触发式总线系统,它也可以通过事件触发方式进行部分数据传输。在时间控制区域内,时隙分配给确定的信息。一个时隙是指一个规定的时间段,该时间段对特定信息开放。对时间要求不高的其他信息则在事件控制区域内传输。确定性数据传输用于确保时间触发区域内的每条信息都能实现实时传输,即每条信息都能在规定时间内进行传输。
(4)灵活性：灵活性是 FlexRay总线的突出特点,反映在以下方面:支持多种方式的网络拓扑结构,点对点连接、串级连接、主动星形连接、混合型连接等;信息长度可配置,可根据实际控制应用需求,为其设定相应的数据载荷长度;双通道拓扑既可用以增加带宽,也可用于传输冗余的信息;周期内静态、动态信息传输部分的时间都可随具体应用而改变。
为了满足不同的通信需求, FlexRay在每个通信周期内都提供静态和动态通信段。静态通信段可以提供有界延迟,而动态通信段则有助于满足在系统运行时间内出现的不同带宽需求。 FlexRay帧的固定长度静态段用固定时间触发的方法来传输信息,而动态段则使用灵活时间触发的方法来传输信息。
3. FlexRay网络拓扑结构。
FlexRay网络拓扑结构分为总线型拓扑、星型拓扑和混合型拓扑。
(1)总线型拓扑结构： FlexRay总线拓扑结构如图4-13所示,节点通过总线驱动器直接连接到总线的两个通道上。节点可以选择同时连接两条通信通道,进行双通道冗余或非冗余配置,也可以选择只连接一条通信通道。总线上任意一个节点都可以接收总线数据,且任意节点发出的信息可以被总线上的多个节点接收。
(2)星型拓扑结构： FlexRay星型拓扑结构如图4-14所示,连接着ECU的有源星形设备,具有将一个分支的数据位流传输到所有其他分支的功能。有两个分支的有源星形设备可以被看成继电器或集线器以增加总线长度。
(3)混合型拓扑结构： FlexRay混合型网络拓扑结构如图4-15所示,由总线型拓扑结构和星形拓扑结构组成。混合型拓扑结构适用于较复杂的车载网络,其兼具总线型拓扑结构和星型拓扑结构的特点,在保证网络传输距离的同时可以提高传输性能。
4. FlexRay数据帧格式。
FlexRay的数据帧格式如图4-16所示,它由头部段、负载段和尾部段组成。
(1)头部段：头部段包括1位保留位,1位数据指示符表示静态消息帧是否包含 NM Vector或动态消息帧是否包含信息ID,1位空帧指示符表示负载段的数据是否为空,1位同步帧指示符表示是否为同步帧,1位启动帧指示符表示是否为起始帧、11位帧ID、7位有效数据长度、11位CRC循环校验码和6位循环计数位。
(2)负载段：负载段包含0~254B的数据、信息ID和网络管理向量。
(3)尾部段：尾部段主要是CRC校验域。
Flexray网络上的通信节点在发送一个报文帧时,先发送头部段,再发送负载段,最后是尾部段。
5. FlexRay网络在汽车上的应用。
FlexRay网络具有速度快、效率高、容错性强等特点,可用于汽车动力和底盘系统的控制数据传输。
(1)替代CAN总线：在数据传输速率要求超过CAN的应用会采用两条或多条CAN总线来实现, FlexRay将是替代这种多总线解决方案的理想技术。
(2)用作“数据主干网”： FlexRay具有很高的数据传输速率,且支持多种拓扑结构,非常适合于车辆主干网络,用于连接多个独立网络。
(3)用于分布式测控系统：分布式测控系统用户要求确切知道消息到达时间,且消息周期偏差非常小,这使得 FlexRay成为首选技术,如动力系统、底盘系统的一体化控制中。
(4)用于高安全性要求的系统： FlexRay本身不能确保系统安全,但它具备大量功能以支持面向安全的系统设计。
图4-17所示是奥迪A8中的 FlexRay总线拓扑结构。奥迪A8使用 FlexRay总线可以实现驾驶动态控制、车距控制、自适应巡航控制和图像处理等功能。
FlexRay总线的拓扑结构可以分为点对点连接的主动星型拓扑结构(支路3)和总线型拓扑结构(支路1、2和4)。数据总线诊断接口J533用作控制器,上面有4个支路接口。其他总线用户围绕着数据总线诊断接口J533分布在若干支路上。每条支路上最多连接2个控制单元,其中主动星型连接器以及支路上的末端控制单元始终接低电阻(内电阻较低),而中间控制单元则始终接高电阻(内电阻较高)。
冷态启动和同步控制单元有数据总线诊断接口J533、ABS控制单元J104、电子传感器控制单元J849。非冷态启动控制单元有车距控制装置控制单元J428、车距控制装置控制单元2J850、图像处理控制单元J851、四轮驱动系统控制单元J492、水平高度调节系统控制单元J197。
四、MOST总线网络。
1.MOST总线定义。
MOST(多媒体定向系统传输)总线是使用光纤或双绞线作为传输介质的环形网络,可以同时传输音/视频流数据、异步数据和控制数据,支持高达150Mbit/s的传输速率。
MOST总线标准已经发展到第三代。MOST25是第一代总线标准,最高可支持24.6Mbit/s的传输速率,以塑料光纤作为传输介质;第二代标准MOST50的传输速率是MOST25的2倍,除了采用塑料光纤作为传输介质,还可采用非屏蔽双绞线作为传输介质;第三代标准MOsT150,不仅最高可支持147.5Mbit/s的传输速率,还解决了与以太网的连接等问题,MOST150将成为MOST总线技术发展的趋势。
2.MOST总线网络特点。
MOST总线网络具有以下特点。
①保证低成本的条件下,最高可以达到147.5Mbit/s的数据传输速率。
②无论是否有主控计算机都可以工作。
③支持声音和压缩图像的实时处理。
④支持数据的同步和异步传输。
⑤发送/接收器嵌有虚拟网络管理系统。
⑥支持多种网络连接方式,提供MOST设备标准,方便、简洁地应用系统界面。
⑦通过采用MOST,不仅可以减轻连接各部件的线束的质量、降低噪声，而且可以减轻系统开发技术人员的负担,最终在用户处实现各种设备的集中控制。
⑧光纤网络不会受到电磁辐射干扰与搭铁环的影响。
3.MOST网络拓扑结构。
MOST网络允许有不同的总线拓扑结构，最常见的是环形拓扑结构,如图4-18所示。
MOST网络支持一条物理数据线上同时传送音频和视频等同步数据和数据包形式的异步数据。MOST网络系统的经典拓扑结构为环形,各种组件通过一根塑料光纤连接,每个组件都称为网络的一个节点。MOST网络系统是一个一点到多点的数据传输网络。系统支持的最大节点数为64个。
4.MOST网络的分层结构。
MOST网络包含了ISO规定的OSl模型的所有7层结构。OSI分层、MOST网络分层和硬件分层的对应关系如图4-19所示。
物理层对应的光学/电气物理层;数据链路层对应的是网络接口控制器;网络层、传输层、会话层、表示层、应用层对应的是网络服务层和功能块。与之相对应的硬件分别是光纤/电缆、智能网络接口控制器和外部控制器。
MOST网络应用层主要是功能块以及相应的动态特性。功能块定义了由“属性”和“方法”构成的应用层协议接口。“属性”用于描述功能块的相关属性,“方法”用于执行相应的操作,利用“属性”和“方法”,可以对整个MOST网络进行控制。
网络服务层可分为网络服务基础层和网络服务应用接口层两部分。网络服务基础层主要提供管理网络状态、信息接收/发送驱动和流信道分配等底层服务;网络服务应用接口层提供与功能块的接口,包括命令解释等。
5.MOST的数据帧格式。
MOsT数据帧的基本格式如图4-20所示,它是由传播流媒体数据的同步数据区、传播数据包的异步数据区和专门传输控制数据的控制信道组成。
MOST25的数据帧长度为512bit,64字节;MOST50的数据帧长度为1024bit,128字节。MOST25中,每一帧有2字节长度用于控制消息的传输,16帧才能构成一个控制信息块。MOST25数据帧格式如图4-21所示。
前导符占4bit,每个节点是利用前导符与网络同步的;边界描述符占4bit,边界描述符由时间主节点确定,取值范围为6~15,表明后面数据段同步区与异步区各自所占的带宽;同步数据区占24~60字节,异步数据区占0~36字节,两个区共占用60个字节,它们的分界靠边界描述符限定,以每4个字节为单位进行调节;控制信道占2个字节,控制数据可以用控制信道进行传递;帧控制和校验位占1个字节。
6.MOST网络在汽车上的应用。
MosT可以实现实时传输声音和视频,以满足高端汽车娱乐装置的需求,主要用于车载电视、车载电话、车载CD、车载 Internet、DVD导航等系统的控制中,也可以用在车载摄像头等行车系统。
图4-22所示为宝马5系轿车MOST总线系统图。图中A51是中央网关模块;
A71是组合仪表模块;A42是高级主机模块;A23是DVD机模块;A38是后座显示器;A52是高保真放大器模块;A2是电子信息控制单元;A168是接口盒模块;A188是 Combox多媒体和紧急呼叫;A169是高速接口盒模块;A25是视频模块;A86是卫星数字音频广播服务。
四种常用总线网络传输速率与成本的比较如图4-23所示。
五、以太网。
1.以太网定义。
以太网( Ethernet)是由美国施乐( Xerox)公司创建,并由 Xerox、英特( Intel)和DEC(数字装备)公司联合开发的基带局域网规范,是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网包括标准以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)、千兆以太网(1000Mbit/s)和万兆以太网(10Gbit/s)。
2.以太网特点。
以太网具有以下特点。
(1)数据传输速率高现在以太网的最大传输速率能达到10Gbit/s,并且还在提高,比任何一种现场总线都快。
(2)应用广泛基于TCF/IP协议的以太网是一种标准的开放式网络,不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决不同厂商设备的兼容和互操作的问题。以太网是目前应用最广泛的局域网技术,遵循国际标准规范lEE802.3,受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发,如Java、C++、VB等。
(3)容易与信息网络集成,有利于资源共享由于具有相同的通信协议,以太网能实现与 Internet的无缝连接,方便车辆网络与地面网络的通信。车辆网络与 Interact的接人极大地解除了为获取车辆信息而带来的地理位置上的束缚。这性能是目前其他任何一种现场总线都无法比拟的。
(4)支持多种物理介质和拓扑结构以太网支持多种传输介质,包括同轴电缆、双绞线、光缆、无线等,使用户可根据带宽、距离、价格等因素作多种选择。以太网支持总线型和星型等拓扑结构,可扩展性强,同时可采用多种冗余连接方式,提高网络的性能。
(5)软硬件资源丰富由于以太网已应用多年,人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验,对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发成本,从而可以显著降低系统的整体成本,并大大加快系统的开发和推广速度。
(6)可持续发展潜力大由于以太网的广泛应用,使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入。车载网络采用以太网,可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外,从而使车载网络与信息网络技术互相促进,共同发展。
3.以太网协议分层结构。
对应于1SO规定的OS17层通信参考模型,以太网协议在物理层和数据链路层均采用了IEEE802.3规范,在网络层和传输层则采用被称作事实上以太网标准的TCP/IP协议簇,它们构成了以太网协议的低4层。在高层协议上,以太网通常都省略了会话层、表示层,而在应用层广泛使用的简单邮件传送协议SMTP、域名服务协议DNS、文件传输协议F1、超文本传输协议HTTP。以太网协议层次结构如图4-24所示。
物理层是OSI的最底层,为设备之间的数据通信提供传输媒介及互联设备，为数据的传输提供可靠的环境。物理层的主要功能是为数据设备提供数据通路、传输数据,并完成物理层的一些管理工作。对于以太网物理层,有各种粗细同轴电缆、双绞线、多模/单模光纤、光电接收器/发送器、中继器、各类接头和插头等。
数据链路是通信期间收发两端通过建立通信联络和拆除通信联络等过程而建立起来的数据收发关系。数据链路层的主要功能是负责链路的建立、拆除和分离,实现帧或分组的定界、同步与收发顺序控制,进而差错检测与恢复,并负责链路标识和流量控制等。在以太网中,数据链路层分为逻辑链路控制(LLC)层和媒体访问控制(MAC)层。在LLC不变的条件下,只需改变MAC便可适应不同的媒体和访问方法。
网络层是负责复用、路由、中继、网络管理、流量控制以及更高层次的差错检测与恢复、排序等。网络层设备主要有网光和路由器。在以太网中,网络层的寻址、排序、流量控制和差错控制等功能均可由数据链路层承担,因此,既可以选择3层技术也可以选择2层技术。
TCP/IP(传输控制协议/网际互联协议)协议簇是指包括TCP、UDP、IP、HTTP等在内的一组协议。TCP/IP协议分为4层,每一层负责完成不同的功能。
①网络接口层或链路层,通常包括操作系统中的设备驱动程序和嵌入式设备中对应的网络接口卡,它们一起处理通信电缆的物理接口细节。
②网络层,处理报文分组在网络中的活动,例如报文分组的路径选择。在TCP/P协议簇中网络层协议包括ARP协议、RARP协议、IP协议、ICMP协议以及IGMP协议。
③传输层,主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议簇中,有两个互不相同的协议TCP和UDP。
④应用层,负责处理特定的应用程序细节。应用层的协议内容包括域名服务协议DNS、文件传输协议FTP、简单网络管理协议SNMP、简单邮件传输协议SMTP、超文本传输协议HTTP等。
4.以太网数据帧格式。
以太网发送数据时,MAC层把LLC层递交来的数据按某种格式再加上一定的控制信息,然后再经物理层发送出去。MAC层递交给物理层的数据格式称为MAC帧格式。IEEE802.3规定的MAC帧格式如图425所示,它包含6部分,分别是前导域及帧起始定界符、目的地址域、源地址域、长度/类型域、数据域和FCS域。
(1)前导域及帧起始定界符前7个字节都是10101010,最后一个字节是10101011。用于将发送方与接收方的时钟进行同步,主要是由于以太网类型的不同,同时发送接收速率也不会是完全精确的帧速率传输,因此需要在传输之前进行时钟同步。
(2)目的地址(DA)域DA标识了目的(接收)节点的地址,由6字节组成。DA可以是单播地址、多播地址或广播地址。
(3)源地址(SA)域SA标识了最后一个转发此帧的设备的由6字节组成,但SA只能是单播地址。
(4)长度/类型域该域由2字节组成,同时支持长度域和类型域。允许以太网多路复用网络层协议,可以支持除了IP协议之外的其他不同网络层协议,或者是承载在以太网帧里的协议(如ARP协议)。接收方根据此字段进行多路分解,从而达到解析以太网帧的目的,将数据字段交给对应的上层网络层协议,这样就完成了以太网作为数据链路层协议的工作。
(5)数据域数据域是上层递交来的要求发送的实际数据,该域的长度被限制在46~1500字节之间。如果超过1500字节,就要启用IP协议的分片策略进行传输;如果不够46字节必须要填充到46字节。
(6)FCS域它是4字节的检验域,该域由前面的目的地址域、源地址域、长度/类型域及数据域经过CRC算法计算得到。接收节点将依次收到的目的地址域、源地址域、长度/类型域及数据域进行相同的计算,如计算结果与收到的FCS域不一致,则表明发生了传输错误。
5.以太网拓扑结构。
以太网拓扑结构有总线型、环型和星型。
(1)总线型总线型结构简单,实现容易,易于扩展,可靠性较好,总线不封闭,便于增加或减少节点。多个节点共享一条总线,使用广播通信方式,即总线上任何一个节点发送的信息,能被总线上的其他所有节点接收,信道利用率高,通信速度快。但由于同一时刻只允许一个设备发送,总线型结构会出现节点之间竞争总线控制权的现象,而降低传输效率,需要软件控制,以消除这种对总线的竞争。节点本身的故障对整个系统的影响较小,但对通信总线要求较高,因为如果通信总线发生故障,所有节点的通信都会中断,总线网络结构通常会采用冗余总线技术来确保通信总线可靠工作。另外,总线型结构的故障诊断、隔离较为困难,接入节点数有限,通信的实时性较差。
(2)环型环型结构由节点和连接节点的链路组成一个闭合环。所有节点共享一条环形传输总线,以广播方式把信息在一个方向上从源节点传输到目的节点,节点之间也有竞争使用环型传输总线的问题。对此,需用软件协调控制。这种结构的优点是结构简单、信道利用率高、电缆长度短、控制方式比较简单,每个节点只是以接力的方式把数据传输到下一个节点,传输信息误码率低,数据传输效率高。其缺点是当某个节点或某段环线发生故障时,都会导致整个网络瘫痪,可靠性较差,故障诊断、排除困难。为了提高可靠性,可采用双环或多环等冗余措施。
(3)星型星型结构管理方便,容易扩展,需要专用的网络设备作为网络的核心节点,需要更多的网线,对核心设备的可靠性要求高。此外,星型结构可以通过级联的方式很方便地将网络扩展到很大的规模,因此得到了广泛的应用,被绝大部分的以太网所采用。
6.以太网在汽车上的应用。
以太网在汽车上应用刚刚开始,但它优越的性能得到汽车业界的重视,有望物理地址,也成为重要的车载网络。
东芝公司旗下半导体与存储产品公司推出了面向车载信息娱乐系统(IVI)和其他汽车应用的汽车级以太网桥接解决方案TC9560XBG,它支持IEEE802,1AS和IEEE802.1Qav等标准,这些标准通常被称作以太网音视频桥接标准。以太网音视频桥接标准支持稳定、可靠的多媒体传输,因此非常适合IVI和远程信息处理。此外,此元件还符合AECQ100标准的要求,可确保在严苛汽车环境下的性能表现。
博通、飞思卡尔和OmniⅤion推出的三方共同开发的360全景停车辅助系统是世界上第一款基于以太网的停车辅助系统。以太网在汽车上的应用如图4-26所示。
随着先进传感器、高分辨率显示器、车载摄像头、先进驾驶辅助系统及其数据传输和控件的加入,汽车电子产品正变得更加复杂。采用标准的以太网协议将这些设备连接起来,可以帮助简化布线,节约成本,减少线束质量并增加行驶里程。
据预测,到2020年,汽车以太网的需求将超过1.2亿个节点,这一增长源自更多车载和车内电子设备的推动,包括摄像头、传感器、显示器、安全系统和舒适性、便利性解决方案。对自动驾驶系统来说,可靠的高速通信网络是一项基本要求。
