车载网络技术(精简版).ppt

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车载网络技术,课程章节及学时分配,第一章绪论（张洪坤6学时）第二章CAN总线技术（张洪坤10学时）第三章LIN总线技术（曹晓琳4学时）第四章MOST多媒体网络（曹晓琳4学时）第五章FlexRay总线技术（宋大凤6学时）第六章汽车总线网路结构及应用（宋大凤2学时）,1.秦贵和，车上网络技术机械工业出版社2003.62.胡思德，汽车车载网络技术详解机械工业出版社2006.63.付百学，胡胜海，汽车车载网络技术机械工业出版社2012.3,参考书,吉林大学,第一章绪论第二章CAN总线技术第三章LIN总线第四章MOST多媒体网络第五章FlexRay总线技术第六章汽车总线网路结构及应用,第一章绪论,主要内容,1.1计算机网络基础知识1.2总线网络结构与原理1.3汽车网络技术概述,汽车上应用网络技术的必要性,汽车上电控装置的增多，使连接这些装置的线路越来越复杂，造成线束庞大，布线困难；线路和接头的增加成为安全问题的巨大隐患；难于维护。

在这种情况下，减少线束成为一个必须要解决的问题。

因此网络通信技术成为必然的选择。

汽车上应用网络技术的必要性,在汽车上将越来越多地使用线控技术（XBW），线控系统在人机接口、执行机构和传感机构之间以及其他系统之间要进行大量信息传输，即线控技术是以网络通信为基础的，而基于串行通信的网络技术是实现这种通信功能的最佳结构。

汽车上应用网络技术的必要性,未来汽车上应能提供任何办公室或家庭中的网络信息服务，在智能交通系统中，一个汽车应具有接收和提供相关信息的功能，完成这些功能需要很强的通信能力和数据共享能力，因此要用到汽车网络技术。

汽车上应用网络技术的必要性,计算机网络的定义计算机网络定义为“以相互共享资源（硬件、软件和数据等方式）和计算机间传输信息为目的而连接起来、且各自具备独立功能的计算机系统之集合”。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,“广义的”计算机网络在协议控制下由两台或两台以上计算机、若干台终端设备、数据传输设备以及便于终端和计算机之间或者若干台计算机之间数据流动的通信控制处理机等所组成的系统之集合。

这个定义表明计算机网是在协议控制下通过通信系统来实现计算机之间的连接。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,计算机网络的类型按跨度分类局域网（LocalAreaNetwork,LAN）局域网是在一个有限区域内连接的计算机网络，是最常见、应用最广的一种网络，特点是连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。

汽车上的网络是多个局部网络的互联结构。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。

连接距离可以在10-100公里。

与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。

在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN网。

如连接政府机构、医院、电信、公司企业的LAN等。

广域网（WideAreaNetwork,WAN）：

广域网也称为远程网，可以覆盖一个国家、一个地区或横跨几个洲，形成国际性的计算机网络。

广域网通常可以利用公用网络（如公用数据网、公用电话网、卫星通信等）进行组建，将分布在不同国家和地区的计算机系统连接起来，达到资源共享的目的。

广域网的连线距离极长，因此信息衰减比较严重，连接速度通常低于局域网或城域网，使用的设备也相当昂贵。

第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,按用途分类公共网络：

是向社会开放的网络体系专用网络：

是由学校、机关、政府部门或公司等组建，不允许其他部门和单位使用的网络。

第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,按拓扑结构分类星型网在星型拓扑构型中，节点通过点到点通信线路与中心节点连接。

任何两节点之间的通信都要通过中心节点。

第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,特点：

结构简单，易于实现，便于管理；通信功能简单，可以根据需要由中心处理机分时或按优先权排队进行处理；中心处理机负载过重，扩充困难；,第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,每台入网计算机均需与中心处理机有线路直接互连，因此线路利用率低，信道容量浪费较大；可靠性对中心机敏感，中心节点的故障可能造成全网瘫痪；由于应用汽车网络的目的之一就是简化线束，所以这种结构不可能成为整车网络的结构，但有可能在一个部件或总成上使用。

总线型网是从计算机的总线访问控制发展而来的。

采用称为公共总线的传输介质，将各计算机直接与总线连接，信息沿总线介质逐个节点广播传送。

第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,特点：

由一条总线连接入网计算机，所以信道利用率较高；网络长度和网络节点数受传输延时、驱动能力及访问机制的限制；适合于传输距离较短、节点数不是很多的情况；,第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,由于所有的入网计算机共用一条传输信道，因此总线型网的一个特殊问题就是信道的访问控制权的分配，并由此产生一系列处理机制；分时访问总线；目前，局域网多采用此种方式,汽车上的网络多采用这种结构，尤其是低端网络。

1.1计算机网络基础知识,环型网环形网络是指入网节点通过网络部件连到一个环形物理链路中。

整个网络发送的信息就是在这个环中传递，通常把这类网络称之为令牌环网。

第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,特点：

由于一次通信信息在网中传输最大时间是固定的，因此实时性较高；每个网上节点只与其他相邻两个节点有物理链路直接互连，因此传输控制机制较为简单；一个节点出故障可能会终止全网运行，因此可靠性较差；,第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,由于汽车上线控技术要求实时性好的网络系统，有一些车载网络系统支持这种结构。

环型网由于其点一点通信路由的唯一性，因此，不宜在广域范围内组建计算机网络。

它是一种较为实用的局域网拓扑结构，尤其是在实时性要求较高的环境。

第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,树型网由多个星型网络构成的网络称为多级星型网络，多级星型网络按层次方式排列即形成树型网络。

第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,特点：

树型结构网是分级的集中控制式网络；与星型网络相比，其通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充，除叶节点及其相连的线路外，任一节点及其相连的线路故障都会使系统受到影响。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,计算机网络的功能资源共享网络中的计算机不仅可以使用本机的资源，还可以使用网络中其他计算机的资源。

资源共享提高了网络中软、硬件的利用率，增强了网络中计算机的处理能力，这是计算机网络最主要的功能。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,数据通信通过网络可以实现终端、计算机与计算机之间的高速可靠地传送数据并进行信息处理，利用这一特点，可将分散在各个地区的单位或部门用计算机网络联系起来，进行统一的调配、控制和管理。

这是计算机网络最基本的功能。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,均衡负载互相协作当某台计算机负担过重时，或该计算机正在处理某项工作时，网络可将新任务转交给空闲的计算机来完成，以均衡各计算机的负载，提高处理问题的实时性。

通过网络可以缓解用户资源缺乏的矛盾，使各种资源得到合理的调整。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,分布处理对大型综合性问题，可将问题各部分交给不同的计算机分头处理，即通过网络将问题分散到多个计算机上进行分布式处理，可以充分利用网络资源，扩大计算机的处理能力，增强实用性，同时也可使各地的计算机通过网络资源共同协作，进行联合开发、研究等。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,提高计算机的可靠性将计算机连成网络后，网络中各个计算机互为后备，这样网络可靠性会大大增高。

当某一处计算机发生故障时，可由别处的计算机代为处理，还可以在网络节点上设置备用设备作为全网络公用后备，这样，整个计算机网络就不会由于某台设备出现故障而瘫痪，大大提高了计算机网络系统的可靠性和可用性。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,计算机网络中的一些基本概念节点：

是网络活动的核心组成部分，包括终端节点和中间节点。

终端节点一般是网络连接的应用系统和设备，他们利用网络发送或接收信息；中间节点提供信息的转送服务、信息流量控制等网络服务功能。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,计算机网络拓扑结构（Topology）所谓网络拓扑结构是指网络的链路和节点在地理上所形成的几何结构或物理布局。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,报文（message）是网络中信息交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。

报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长度可变，报文传输过程中会不断的封装成分组、包、帧来传输，封装的方式就是添加一些信息段。

可以将其看成是按照一定格式组织起来的数据。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,帧（Frame）是独立的网络信息传输单元，是网络传输的最小单位。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,协议：

协议可定义为在两实体间控制信息交换的规则之集合。

即在通信内容、怎样通信以及何时通信等方面，两个实体要遵从相互可以接受的一组约定和规则。

这些约定和规则的集合称为协议。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,协议三要素：

一个通信协议通常对语法、语义和定时三个方面进行约定语法：

确定通信双方之间“如何讲”，即由逻辑说明构成，要对信息或报文中各字段格式化，说明报头字段、命令和应答的结构等；语义：

确定通信双方之间“讲什么”，即由过程说明构成，要对发布请求、执行动作以及返回应答予以解释，并确定用于协调和差错处理的控制信息；定时规则：

指出事件的顺序以及进度匹配、排序。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,计算机网络信息的传送方式电路交换电路交换就是两台计算机在相互通信时使用一条实际的物理链路，并在通信中自始至终使用该条线路进行信息传输，且不许他机共享该线路的信道容量。

电路交换事实上来源于公共电话交换网，由于这种网的实用性和地域的宽广性，早期的计算机通信几乎都使用电路交换方式。

第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,报文交换当发送方有数据发送时，就将数据按一定格式构成数据块，即报文，然后发送出去，相邻的转接交换机收到这个报文后先存储这个报文，当这个报文传输所需的链路空闲时就将它转发出去，直到到达接收端。

这也就是存储-转发方式，与信件的邮递方式相似。

第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,分组交换发送端将所要发送信息拆成一个个分组发送出去，转接交换机每次转发的是一个分组（而不像报文交换那样是一整段有意义的信息）、接收端把接收到的分组再逐段组装成报文。

这种方式既增加了通信线路利用率，又提高了数据通信的实时性，但报文的组装和拆卸以及各分组在网络上的传输都要进行附加的管理，这增大了网络开销。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,传输速率单位时间传输的信息表明网络传输的速度，一般用单位时间传输的二进制位数表示。

单位时间传输的二进制位数称为波特率，单位为bps（bitpersecond）。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,网络访问的触发方式按照节点访问网络的触发方式，网络协议可以分为基于时间触发的通信协议和基于事件触发的通信协议。

在时间触发协议（TTP，TimeTriggeredProtocol）中，按一定规则安排每个节点发送信息的时刻和信息发送的延续时间。

这种方式信息传送延时抖动小，实时性好。

特点是网络事件发生的时间可以预知。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,在事件触发协议（ETP，EventTriggeredProtocol）中，节点在需要发送信息或请求发送信息时，才启动网络访问过程，否则处于接收状态。

在一个节点要发送信息时，可能有信息在占用总线，或者有优先级高的信息要发送。

因此，使用这种方式，节点从有数据要发送到接收节点接收到数据的延时有很大的不确定性，实时性差。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,串行通信串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并-串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。

串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。

车上网络,吉林大学,1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,介质访问控制方式带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）CSMA/CD是采用争用技术的一种介质访问控制方法载波监听（carriersense）:

网络上各个工作站在发送数据前都要监听总线上有没有数据传输。

若有数据，则不发送数据；若无数据传输，则立即发送准备好的数据。

多路访问（multipleaccess）:

网络上的所有工作站使用同一条总线收发数据，且发送数据是广播式的。

吉林大学,1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,冲突（collision）:

若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，工作站都辨别不出真正的数据是什么。

这种情况称为数据冲突。

为了减少冲突发生，工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，有没有在传输过程中与其他工作站的数据发生冲突，这就是冲突检测（collisiondetected）。

可将CSMA/CD形象地概括为用先听后发/边听边发的方法来共享传输介质。

CAN总线,吉林大学,1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,CSMA/CD方式的数据接收过程相对简单：

网上每个节点都监听媒体，如果有信号传输，则收集信息，得到帧；节点分析和判断帧中的接收地址；如果接收地址为本节点地址，复制接收该帧；否则，丢弃该帧。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,令牌环（TokenRing）访问控制通过在环型网上传递令牌实现对介质的访问控制。

只有当某个站点接收到令牌时，才能利用环路发送或接收信息。

当环线上的各站都没有帧发送时，称为空标记。

当一个站要发送帧时，需等待令牌通过，并将空标记换为忙标记，紧跟着令牌，用户站把数据帧发送至环上。

因为是忙标记，所以其他站不能发送帧，必须等待。

吉林大学,1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,令牌总线（TokenBus）访问控制令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环，令牌在逻辑环路中依次传递，其操作原理与令牌环相似。

它同时具有上述两种方法的优点，既具有总线网的接入方便和可靠性较高的优点，也具有令牌环网的无冲突和发送时延有确定的上限值的优点。

因此，它是一种简单、公平、性能良好的介质访问控制方法。

吉林大学,1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,网关又叫协议转换器，是连接不同网络能实现不同网络协议转换的设备。

网关是一种复杂的网络连接设备，可以支持不同协议之间的转换，实现不同协议网络之间的互连。

网关具有对不兼容的高层协议进行转换的能力，为了实现异构设备之间的通信，网关需要对不同的链路层、专用会话层、表示层和应用层协议进行翻译和转换。

吉林大学,第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,计算机网络体系结构开放系统互连（OpenSystemInterconnection，OSI）基本参考模型OSI的体系结构具有七个层次，每个层次都在完成信息交换的任务中担当一个相对独立的角色，具有特定的功能。

其中，第七层是高层，第一层为最低层。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,局域网的概念是一种在有限区城内提供各类数据通信设备互连的通信网络。

这里的数据通信设备可以是计算机、终端、外部设备、传感器、电话、电视收发器、基于微处理器的应用系统或智能装置等。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,局域网的特点较小的地域范围，短距离传输；高数据传输速率，低误码率；采用广播方式传输数据信号，一个节点发出的信号可被网上所有的节点接收不考虑路由选择的问题，甚至可以忽略OSI网络层的存在。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,局域网的功能资源共享：

主要包括软件、硬件和数据库等数据资源的共享。

通信交往：

数据、文件的传输；电子邮件；视频会议等。

1.1计算机网络基础知识,第一章绪论,汽车网络分类SAE的分类A类网络B类网络C类网络,第一章绪论,1.2车载网络技术概述,A类网络面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常为1-10kbit/s。

主要应用于电动门窗、中控锁、座椅调节、灯光控制等。

LINJ1587/J1708/J1922,BEAN,第一章绪论,1.2车载网络技术概述,B类网络面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般为10-125kbit/s。

主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统。

如：

J1850,LS-CAN,第一章绪论,1.2车载网络技术概述,C类网络面向高速、实时闭环控制的多路传输网，最高位速率可达1Mbit/s，主要用于发动机和自动变速的动力控制、防滑控制、悬架控制等系统，以简化分布式控制和进一步减少车身线束。

如：

HS_CAN,吉林大学,1.2车载网络技术概述,第一章绪论,按领域分类动力系统/底盘系统（Powertrain/Chassis）舒适系统/车身（Comfort/Body）信息娱乐系统（Infotainment）诊断（Diagnostics）线控系统（X-by-Wire）,吉林大学,1.2车载网络技术概述,第一章绪论,具体应用于车上的网络：

局部互联网络（LIN，LocalInterconnectNetwork）1998年由多家汽车生产厂商（Audi,Daimlerchrysler,Volvo,Volkswagen）、元器件生产厂（Motorola）和开发工具公司联合发起的一个汽车低端网络协议，A级网络；TTP/A：

应用目标与LIN基本一致，基于时间触发访问方式的协议，A级网络；SAEJ1850：

最初由美国的Ford,GM,Chrysler公司提出，他们当中的很多车型采用其作为B级网络使用；,吉林大学,1.2车载网络技术概述,第一章绪论,CAN协议：

由Bosch公司提出，最早在欧洲汽车上广泛使用，目前包括美国、日本的公司也将其作为B级或C级网络使用TTP/C和FlexRay:

是以线控系统为主要应用目标的C级汽车网络协议MOST和D2B：

是由媒体领域引入的标准，由于媒体信息音像传输数据量大，要求传输速率高，一般采用光纤或同轴电缆作为物理层媒介无线局部网络：

在汽车控制系统和媒体系统应用中有一些探索性工作，蓝牙技术（Bluetooth）,Zigbee。

吉林大学,1.2车载网络技术概述,第一章绪论,汽车网络拓扑结构总线型网络星型网络环型网络混合型网络,吉林大学,1.2车载网络技术概述,第一章绪论,典型的汽车总线网络低端控制系统：

包括仅需要简单串行通信的ECU、智能传感器、执行器等，这是LIN总线最适合的领域。

底盘及车身控制系统：

包括传统的车身控制和动力传动控制、ABS、自动变速箱等。

这是CAN的特长。

吉林大学,第一章绪论,1.3汽车总线网络结构与特点,高安全线控系统（X-By-Wire）：

包括安全性要求很高的刹车和转向系统，通讯要求高容错性、高可靠性和高实时性。

主要协议有TTCAN、FLexRay、TTP/C等。

吉林大学,第一章绪论,1.3汽车总线网络结构与特点,信息娱乐系统：

要求有高速率和高带宽，如媒体播放器、导航系统等信息娱乐设备之间的互连需要更高速通信协议。

目前主流协议有MOST、D2B和IDB-1394等。

吉林大学,第一章绪论,1.3汽车总线网络结构与特点,车载网络技术的发展趋势CAN，LIN将继续在车身及动力系统领域得到广泛的应用信息娱乐系统通信总线应具有容量大、通信速度高等特点，因此，传输介质逐渐使用光纤取代以往的铜线，面向信息娱乐系统的MOST和D2B将在此领域得到广泛应用。

1.3汽车总线网络结构与特点,第一章绪论,对于安全等级要求更高的系统，如转向控制和制动系统及安全气囊的网络互联的发展方向是采用线控技术。

FlexRay、Byteflight将会在该领域得到广泛应用。

1.3汽车总线网络结构与特点,第一章绪论,吉林大学,第一章概述和基础知识第二章CAN总线技术第三章LIN总线第四章MOST多媒体网络第五章FlexRay总线技术第六章汽车总线网路结构及应用,2.1CAN总线概述2.2CAN通信协议2.3CAN网络的基本组成和数据传输原理2.4CAN主要部件的结构和原理2.5CAN节点结构与设计2.6CAN网络应用实例,主要内容,第二章CAN总线,吉林大学,第二章CAN总线,CAN的产生,2.1CAN总线概述,早期的ECU之间的通信,吉林大学,为了解决现代汽车中众多控制器及测试仪器之间的数据交换、实现数据共享并尽量避免过多占用有限的车辆空间，在车辆电控系统中引入了CAN总线技术。

2.1CAN总线概述,第二章CAN总线,吉林大学,CAN是由德国BOSCH公司在二十世纪八十年代初开发的、最初用于汽车电子装置互联的一种串行数据通信协议。

主要用于汽车内部大量控制器、测试仪器及执行机构之间的数据通信。

2.1CAN总线概述,第二章CAN总线,吉林大学,基于总线（CAN）的ECU通信,第二章CAN总线,吉林大学,CAN的应用领域车辆系统交通控制系统工业仪器仪表智能建筑工业仪器仪表机器人嵌入式网络,第二章CAN总线,2.1CAN总线概述,吉林大学,CAN的一些基本概念CAN是一种通过标准集成电路实现的具有高可靠性的串行通信协议。

它为串行通信提供包括位定时、帧格式、信息识别、数据传送、确认和错误检测的通信协议。

CAN总线可以用点对点，一点对多点及全局广播几种方式发送和接收数据。

第二章CAN总线,2.1CAN总线概述,CAN报文：

报文是CAN控制器和CPU通信的主要手段，总线上的信息以固定格式的报文发送，但长度有限制，当总线开放时，任何节点均可开始发送一个新报文。

一个报文的内容由其标识符ID命名。

ID并不指出报文的目的地址，但描述数据的含义，以便网络中的所有节点有可能借助报文滤波决定是否接受该数据。

第二章CAN总线,2.1CAN总线概述,总线数值表示：

总线可以具有两种互补逻辑数值之一（0或1）；总线定义了“显性”和”隐性”两种状态，“显性”由逻辑“0”电平表示，而“隐性”以逻辑“1”电平表示。

在“显性”和隐性”位同时发送期间，采用总线的线“与”操作，总线的最后数值将是“显性”。

第二章CAN总线,2.1CAN总线概述,远程数据请求：

通过发送一个远程帧，需要数据的节点可以请求另一个节点发送一个相应的数据帧，该数据帧相对应的远程帧以相同的标识符ID命名。

仲裁：

当总线空闲时，任何节点都可以发送信息，出现总线争用时，具有最高优先权的信息获得总线的使用权。

第二章CAN总线,2.1CAN总线概述,仲裁过程：

总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助标识符ID解决。

若具有相同ID的一个数据帧和一个远程帧同时初始化，数据帧优先于远程帧。

在发送数据时，节点不断监听总线状态，每一个发送节点都对发送位电平与总线上被监视电平进行比较。

若相同，则该单元可以继续发送。

当发送一个“隐性”电平1，而监控视到“显性”电平0时，该节点丢失仲裁，并从下一位开始停止发送。

2.1CAN总线概述,第二章CAN总线,吉林大学,CAN总线的基本工作原理CAN总线的