第一章 車載網絡系統基礎知識

第1天 車載網絡系統概述

學習目標

1.了解車載網絡系統的定義及功能。

2.掌握車載網絡系統的類型。

3.熟悉車載網絡系統的術語。

一、車載網絡系統的定義及功能

車載網絡系統就是把眾多的電控單元連成網絡，其信號通過數據總線的形式傳輸，可以達到信息資源共享的目的，如圖1-1所示。車載網絡系統不僅簡化了線路，而且提高了各電控單元之間的通信速度。車載網絡系統的主要功能如下：

（1）多路傳輸功能 為減少汽車電氣線束數量，用多路傳輸系統傳輸部分數字信號。多路傳輸系統電控單元將各開關的輸入信號轉換為數字信號，然后以串行數據信號的形式傳送。這些傳送的串行數據信號被多路傳輸電控單元轉換成開關信號，控制開關工作。

圖1-1 車載網絡系統

（2）喚醒/休眠功能　當系統處于穩態工作時，多路傳輸裝置會停止信號傳輸和CPU控制等功能，使系統處于“休眠”狀態，以節約蓄電池電量。而一旦有人為的任何操作（如一扇車門開鎖），處于休眠狀態的有關控制裝置就被“喚醒”，立即開始工作。該系統還將喚醒信號通過傳輸線路發送給其他控制裝置。當關閉點火開關，打開駕駛人座位側或前排乘客座位側車門時，控制裝置從“喚醒”模式轉入“休眠”模式之前有大約10s的延時。一旦有任何車門被打開，休眠模式將不起作用。

（3）失效保護功能 失效保護功能包括硬件失效保護和軟件失效保護功能。當系統處于失效保護模式時，任何部件有故障（如控制裝置或傳輸線路有故障），硬件失效保護功能將以固定的信號輸出，可確保汽車能夠繼續運行；而在系統中某控制裝置出現故障時，軟件失效保護功能將不受來自于故障控制裝置的信號的影響，以保證系統正常工作。

（4）故障自診斷功能 故障自診斷功能主要是通過故障碼的形式幫助維修人員排除故障。它包括多路輸入系統自診斷和各系統輸入線路的故障診斷，既能對自身的故障進行自診斷，又能對其他系統進行故障診斷。

（5）故障保護功能 為防止操作不當，每個多路傳輸電控單元都有硬件故障保護輸出信號默認值，以備出現故障時使用。另外，還有軟件故障保護默認值，此值會忽略有故障的多路傳輸系統電控單元信號，使系統繼續發揮作用。

二、車載網絡系統的類型

車載網絡采用的大多是局域網（局域網是指在一個特定的局部單位內連接的網絡），在汽車上會有多個局域網，這些網絡可以通過網關（Gateway）連接在一起構成互聯網絡。網關是連接不同網絡、能實現不同網絡協議轉換的設備。根據網絡結構，車載網絡分為星形網、總線型網和環形網3種。

（1）星形網 星形網是以中央控制單元為中心，中央控制單元與每臺入網設備有1個物理連接鏈。其特點是結構簡單，通信數據量較少，可以根據需要由中央控制單元安排網絡訪問優先權或時間。缺點是中央控制單元負載重，功能擴充困難，線路利用率低，當系統出故障時容易影響中央控制單元。此類車載網絡系統不可能成為整車網絡的結構，一般作為一個部件或總成使用，如圖1-2所示。

（2）總線型網 如圖1-3所示，總線型網由1條總線連接入網電控單元（ECU），其特點是通信速率較高，分時訪問優先權較前，較長的網絡長度和較多的網絡節點數會導致傳輸延時、電控單元驅動能力下降，所以適合傳輸距離較短、節點數不多的系統。車載網絡多采用這種結構，尤其是低端網絡。

圖1-2 星形網結構

（3）環形網 如圖1-4所示，環形網是指電控單元（ECU）通過網絡部件連到1個環形物理鏈路（傳播媒介網）中，其優點是信息在網絡中傳輸實時性好、傳輸數據量大及抗干擾能力強，每個節點只與其他2個節點有物理連接；缺點是1個節點故障可能影響整個網絡，可靠性較差，網絡擴充時要對整個網絡進行重新排序，在增加功能時需添加電控單元，相對比較復雜。

圖1-3 總線型網結構

圖1-4 環形網結構

三、車載網絡系統常用術語

圖1-5 數據總線示意圖

1.數據總線

數據總線是模塊之間傳遞數據的通道，即所謂的信息高速公路，如圖1-5所示。數據總線是控制單元間運行數據的通道，在一條數據線上傳遞的信號可以被多個系統（控制單元）共享，從而最大限度地提高系統整體效率，充分利用有限的資源。如果數據總線系統可以發送和接收數據，則稱之為雙向數據總線，為了抗干擾，雙向數據總線的兩條線是絞在一起的。

數據總線在汽車上的應用，使傳統的一線一用的專線制改為一線多用，大大地減少了汽車上的電線數目，縮小了線束直徑。

2.CAN總線

CAN總線（Controller Area Network，控制局域網），是國際上應用最廣泛的數據總線之一。CAN可實現車載各電控單元之間的信息交換，形成汽車電子控制網絡。CAN可提供高達1Mbit/s的數據傳輸速率，使得實時控制變得非常容易。

3.局域網

局域網（Local Area Network，LAN），指在一個有限區域內連接的計算機網絡。一般這個區域具有特定的職能，通過這個網絡實現這個系統內的資源共享和信息通信。局域網一般的數據傳輸速率為105Mbit/s～1Gbit/s，傳輸距離在250m范圍內，誤碼率低。汽車上的總線傳輸系統（車載網絡）是一種局域網。

4.多路傳輸

多路傳輸（Smart Wiring System，SWS）是指在同一通道或線路上同時傳輸多條信息，如圖1-6a所示。事實上，數據信息是依次傳輸的，但因速度非常快，似乎就像同時傳輸的，實際上是分時多路傳輸的。如圖1-6b所示，通常傳輸要比多路傳輸簡單得多，但多路傳輸比通常傳輸所用的導線要少得多。

圖1-6 多路傳輸與通常傳輸示意圖

多路傳輸可以簡化線束，從而減輕質量，降低成本，還可以減少插接器的數量，并通過信息共享減少傳感器的數量。

5.模塊/節點

模塊就是一種電子裝置。簡單一點的如溫度和壓力傳感器，復雜的如計算機（微處理器）。傳感器是一個模塊裝置，根據溫度和壓力的不同產生不同的電壓信號，這些電壓信號在計算機的輸入接口被轉換成數字信號。在計算機多路傳輸系統中一些簡單的模塊被稱為節點。

6.網關

由于汽車上往往不只使用一種總線和網絡，所以必須用一種方法達到信息共享，而不產生協議間的沖突必須用一種特殊功能的計算機，這種計算機叫做網關或網關ECU。

7.鏈路

鏈路是指網絡信息傳輸的媒體，分為有線和無線兩種類型，目前汽車上大多使用有線網絡，通常包括雙絞線、同軸電纜和光纖。

（1）雙絞線 如圖1-7所示，雙絞線是局域網中最普通的傳輸媒體，它能傳輸模擬信號和數字信號，通信距離可達十幾千米。

圖1-7 雙絞線

（2）同軸電纜 如圖1-8所示，同軸電纜由內導體銅芯線、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層及塑料保護層構成，銅芯線與網狀導體同軸，因此稱為同軸電纜。

圖1-8 同軸電纜

（3）光纖（也稱光纜） 如圖1-9所示，光纖沒有網狀屏蔽層，它包括纖芯、全反射涂層、黑色包層、彩色包層。

纖芯是光纖的核心部分，它是用有機玻璃制成的，是光導線。根據全反射原理，纖芯內的光幾乎無損失地傳導。透光的涂層由氟聚合物制成，它包在纖芯周圍，對全反射起關鍵作用。黑色包層是由尼龍制成，它用來防止外部光照射。彩色包層起到識別、保護及隔溫作用。

光纖具有傳輸速率高，傳輸距離遠的特點，在一些要求傳輸速率高的車上采用，如信息與多媒體網絡。光纖的成本較高，只在高級品牌轎車上采用。

圖1-9 光纖結構

8.比特率

比特率是指每秒傳送的比特（bit）數，單位是bit/s，比特率越高，單位時間傳送的數據量越大。

9.通信協議

要實現汽車內各電控單元之間的通信，必須制定規則保證通信雙方能相互配合，其通信方法、通信時間、通信內容是通信雙方同樣能遵守、可接受的一組規定和規則，即通信協議。通信協議是通信實體雙方控制信息交換規則的集合。數據總線的通信協議采用優先權的處理機制。

10.傳輸仲裁

當出現數個使用者同時申請利用總線發送信息時，會發生數據傳輸沖突，好比同時有兩個或多個人想過獨木橋一樣，如圖1-10所示。傳輸仲裁能夠避免數據傳輸沖突，保證信息按其重要程度發送。

圖1-10 過獨木橋

你學會了嗎？

1.什么是車載網絡系統？

2.車載網絡系統有什么功能？

3.車載網絡系統有哪幾種類型？它們分別有什么特點？

4.車載網絡系統的術語主要有哪些？