第一章　汽車CAN總線結構原理

第一節　汽車總線基本結構原理

一、概述

汽車自發明以來就一直在不斷地被改進，以期持續提高動力性、舒適性、安全性和環境相容性。目前汽車具有非常復雜的電子控制系統以及大量的執行器和傳感器。傳感器測量車輛中的相關狀態，例如發動機溫度、車內溫度、車輪轉速、油位和燃油箱油量等。執行器執行車輛中的規定動作。執行器包括刮水器、座椅調整裝置、車窗升降機、冷卻器風扇的電動機或制動缸、自動變速器的切換裝置、中控鎖操控裝置、安全氣囊觸發裝置等，而這僅僅是列舉了大量執行器中的幾個例子。

為了協調傳感器和執行器的工作，長期以來汽車廠家不斷開發各種專用電子控制系統。車輛中裝有若干個控制模塊，每個控制模塊都是車輛中的一個獨立的計算機系統并負責規定的任務，例如負責發動機管理的控制模塊。在每個控制模塊上都連接有傳感器和執行器，控制模塊收集和分析由傳感器測得的實際值，執行器由控制模塊根據實際狀態進行控制并執行相應的動作，如發動機控制模塊根據發動機溫度調節冷卻液流量。

傳統的電子技術是指車輛中每個電氣部件至少在電線束中敷設一根相應橫斷面的導線。例如控制尾燈時，就敷設一根從燈開關到燈泡的導線，如圖1-1所示。

故障診斷可通過測量相應導線上的信號變化過程來進行。當電子裝置進入車輛中時，一開始也保留了這種信號傳輸方式。為每個必須在控制模塊之間交換的信息在電線束中敷設了一根附加導線。很多車輛包含大量的電子控制系統。車輛中電子裝置的增加，一方面由客戶對更高行駛安全性和更高行駛舒適性的要求決定；另一方面是為了滿足立法部門對改進排氣狀態和減小耗油量的要求。能夠勝任這些要求的控制模塊已在發動機控制、變速器控制和節氣門控制以及防抱死系統（ABS）或加速防滑控制（ASR）系統中使用較長時間。采用常規導線連接的控制模塊如圖1-2所示。

1，2—控制模塊；3—常規導線的數據通信

承擔復雜控制任務的控制模塊應互相協作，為實現功能的復雜性，控制模塊之間需要進行大量數據交換。然而由于控制模塊功能的復雜性不斷增加，如果每個信息都需要一根新導線，那么這會使得導線束無限膨脹。此外對每個信息來說，在發送控制模塊上需要一個輸出端，在接收控制模塊上需要一個輸入端。于是需要非常多的插頭連接，隨之而來的是受干擾性增大。

為了實現控制模塊之間復雜性的數據交換功能，開發人員采用計算機的聯網技術，并在此基礎上開發了總線系統，通過它能夠在控制模塊之間進行數據交換。

總線可由一根或多根導線構成，通常由兩根導線構成，如CAN總線。通過雙線總線導線連接的控制模塊如圖1-3所示。

1，2—控制模塊；3—終端電阻；4—總線

在總線系統上可并行連接多個控制模塊。為了避免通過導線傳輸數據時發生故障，在總線導線的末端連接終端電阻。在雙線總線系統中使用雙絞線，并以推挽方式傳輸信號，這樣就能夠顯著降低外部干擾。

汽車中裝有多種總線系統。下面介紹最重要的幾種總線系統，并以CAN總線為例解釋控制模塊和傳輸距離的共同作用，以及數據傳輸的工作原理。這些工作原理在所有總線系統中都適用。

二、數制

在計算機和數據傳輸技術中有三種重要的數制，即十進制、二進制、十六進制。

（一）十進制

十進制是常用的阿拉伯數制。這種數制的基數是10。與此相應，每個單個數位有10個不同的符號。由此表示一個一位數會有10種不同可能，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。

為了表示一個兩位數，存在100種可能，即數字0～99。這是表示第一位的10種可能乘以表示第二位的10種可能，即102=10×10=100種可能。

為了表示三位數（0～999），類似地有103=10×10×10=1000種可能。數值逐位乘以10。一個十進制數的結構如圖1-4所示。

（二）二進制

二進制是數據處理中最常用的數制之一。在二進制中只有兩個數字值——0和1，或接通或關閉，或高電壓或低電壓，即表示二進制符號或位。人們也把這兩個值稱為邏輯0和邏輯1。

每個數據信號都由一個二進制符號（位）的排列構成，例如10010110。二進制有兩種狀態0和1，因此基數為2。

十進制記數法中的數字5在二進制中為0101，即（0×23）+（1×22）+（0×21）+（1×20）=（0×8）+（1×4）+（0×20）+（1×1）=0+4+0+1=5。可以看出，在二進制中位值逐位加倍。一個二進制數的結構如圖1-5所示。

（三）十六進制數值

十六進制用作二進制數的簡化表示。這種數制包括十六個符號，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。它的基數是16。字母A～F對應十進制中的數字值10～15。

用一個一位的十六進制數值可以表示一個四位的二進制數值，如圖1-6所示。

從二進制數值轉換成十六進制數值時，把二進制數值的各個四位組轉換成十六進制數值，然后連在一起書寫。

例如，將二進制數值11010111轉換成十六進制數值，第一個四位組1101對應于十六進制數值D；第二個四位組0111對應于十六進制數值7。把這兩個結果合并在一起，得到十六進制數字D7，即11010111對應于D7。此時會發現，大的二進制數值以十六進制寫法表示時，由于位數較少而更加簡明。

在車輛電子裝置中存在大量信息和測量值，必須對它們的精度進行更加準確的探測。例如“熱”和“冷”的表述不能對自動恒溫空調的車內溫度進行合適的調節。因此，多個位被組合成一個數字信號。可能的數字值的數字隨組合的二進制位數的增多而增大，如用一個四位二進制數能夠表示16個不同的值。用一個八位二進制數可以表示255個可能的值。

三、總線系統的分類與結構

從結構上來看，車輛中安裝的總線系統原則上可劃分成兩類即主總線系統和子總線系統。主總線系統負責跨系統的數據交換；子總線系統在系統內部交換數據，可在限定的系統中交換相對較少的數據。例如，寶馬車輛中的主總線系統見表1-1。

①在較早的車型中也稱作儀表總線。

寶馬車輛中的子總線系統見表1-2。

數據傳輸率說明在相應的總線系統中以何種傳輸速度傳輸數據，總線結構說明控制模塊相互間的聯網方式（線形、星形、環形）和通過何種傳輸媒介傳輸數據。

車輛中同時安裝了多個總線系統。在安裝的總線系統之間為不同的任務進行數據交換。然而總線系統以不同的傳輸速度工作，電平各不相同，并且在光學總線系統中借助光脈沖傳輸數據。為了能夠在總線系統之間交換數據，必須在不同的總線系統之間實現連接。該連接借助專用控制模塊，即網關來實現。

（一）單線總線系統

在單線總線系統中通過一根芯線傳輸數據。車輛接地連接也用作數據傳輸的接地連接。在車身范圍內的許多應用中較低的傳輸速度已夠用，尤其是當各個部分作為子總線系統時。

典型的單線總線如LIN總線，其網絡結構如圖1-7所示。

低傳輸速度使這些總線的實現在技術上更容易，因此價格更便宜。

（二）雙線總線系統

在雙線總線系統中通過一條雙絞線傳輸數據。信號在導線上以所謂的推挽方式輸送。導線的絞合和信號傳輸方式保證總線系統的抗干擾強度非常高，而傳輸速度也高于單線總線系統數倍。雙線總線的數據傳輸方式如圖1-8所示。

與單線總線系統相比，雙線總線系統技術更復雜，因此費用也更高。

（三）光學總線系統

在導線連接的總線系統中通過導線傳送電信號，而在光學總線系統中借助光脈沖傳送數據。光學總線系統與導線連接的總線系統相比，對電磁和靜電干擾源的抗干擾能力更強，并且能夠以高得多的傳輸速度傳輸數據。因此它們一方面用于過程發生時間緊迫的車輛范圍，如與安全有關的范圍（如安全氣囊觸發裝置）；另一方面用于傳送大數據量的車輛范圍，特別是在多媒體應用領域。奧迪多媒體交互系統的MOST總線結構如圖1-9所示。

對于光學總線系統，進行與光纜有關的工作時要特別仔細，以便數據能夠正常傳輸。

（四）網關

網關用作總線系統之間的接口。盡管各個總線系統的傳輸速度和傳輸方法不同，網關仍使數據交換成為可能。寶馬中央網關控制模塊如圖1-10所示。

通過網關的總線連接如圖1-11所示。

1—網關

（五）網絡結構

總線系統的網絡結構可以是線形、星形或環形的。每個連接在總線上的控制模塊構成一個所謂的總線節點。

線形總線結構如圖1-12所示。

星形總線結構如圖1-13所示。

環形總線結構如圖1-14所示。

（六）車身總線

車身總線（K-BUS）是寶馬汽車中第一批總線系統之一，其數據以9.6kBit/s的速度通過一根單線導線傳輸，總線結構為線形。

車身總線把一般車輛電氣系統、信息和通信系統以及安全系統的組件聯成網絡。然而在最新的寶馬車型中，車身總線技術只在個別系統中使用，并被K-CAN技術替代。

當車身總線傳輸信息時，該總線的電平位于0～12V之間。如果電平從0V切換到12V，那么表示一個邏輯1的信號。如果電平從12V切換到0V時，那么表示一個邏輯0的信號。車身總線上的電平如圖1-15所示。

車身總線通過網關與其他總線相連。寶馬E85的整車總線結構如圖1-16所示。

IHKA—自動恒溫空調控制模塊；IHKS—集成式暖風控制模塊；HIS—暖風控制模塊；GM5—基本模塊5；RLS—雨天/行車燈傳感器；SZM—中央控制臺開關中心；SM—座椅控制模塊；EWSⅢ—電子禁啟動防盜裝置；PDC—駐車距離報警控制模塊；CVM—敞篷車軟頂控制模塊；LSZ—燈光開關控制中心；RADIO—收音機；CDC—CD光盤轉換盒；HIFI—高保真音頻控制模塊；CID—中央信息顯示器；NAV—導航模塊；VM—視頻模塊；TEL—電話；SIM—安全和信息控制模塊；SBSL—左側B柱衛星式傳感器；SBSR—右側衛星式傳感器；LWS—轉向角傳感器；EPS—電動助力轉向控制模塊；DSC—動態穩定控制模塊；DME—發動機控制模塊；EGS—自動變速器控制模塊；SMG—自動換擋式手動變速器控制模塊；D-BUS—診斷總線；byteflight—安全總線（光纜）；K-BUS—車身總線；PT-CAN—動力CAN總線