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1. 多种汽车总线通信技术 2.1 CAN CAN#xff08;Controller Area Network#xff09;全称为“控制器局域…1. 前言 本文主要分享一些汽车总线通信技术CAN、CANFD、LIN、Flex Ray、MOST、LVDS、TTP/C、Ethernet希望对大家能有所帮助。
2. 多种汽车总线通信技术 2.1 CAN CANController Area Network全称为“控制器局域网”是1983年德国BOSCH公司研发的一种共享式双线串行通信总线最高传输速率为1MBit/s具有非破坏性仲裁分布式实时控制可靠的错误处理和检测机制等特性。并且ISO标准化组织将CAN通信进行了标准化因此目前CAN网络是车载通信的主干网。CAN网络的优势是成本低可靠性高可以用于汽车动力系统、底盘和车身电子领域。不足之处是CAN总线属于共享式总线通信速率相对较低不能满足汽车总线带宽日益增加的需求。 2.2 CAN FD CAN FDCAN with Flexible Data-Rate是BOSCH公司2011年发布的CAN替代总线在继承了CAN总线的绝大多数特性的同时弥补了CAN总线在带宽和数据长度的不足将数据位最大的字节数提高至64字节最高通讯速率可达8MBit/s甚至更高显著提高了通信速率降低总线负载。CAN FD可以兼容传统CAN网络因此目前车内的控制网络正逐步的由CAN网络向CAN FD网络迁徙。 2.3 LIN 你可能要问不都有CAN总线了吗这个LIN又是干啥的其实很简单就是因为CAN总线太贵了车上处处都用CAN总线的话那整车的总线架构成本会变得很高比如一些车身电子配件如车窗、后视镜、大灯、车锁等我们不需要报文像CAN总线上传输的那样“高速”各大厂商脑门一拍就研究出了这个LIN总线。 LINLocal Interconnect Network通信技术于2001年运用于汽车工业作为CAN网络的一种补充也属于一种低成本的串行总线技术LIN总线网络采用单主多从的模式架构使用单信号线进行传输主、从节点间的通信有具体的规则只有主节点需要从节点才能发送信息不需要总线仲裁。LIN总线最主要的优势在于相比CAN总线更为低廉的成本带宽仅有不到20Kbps多应用于带宽要求不高的系统。 LIN基本工作原理 LIN总线上的所有通讯都由主机节点中的主机任务发起。主机任务根据进度表来确定当前的通讯内容发送相应的帧头并为报文帧分配帧通道。 总线上的从机节点接收帧头之后通过解读标识符来确定自己是否应该对当前通讯做出响应、做出何种响应。一个报文帧可以同时被多个节点接收利用。 2.4 Flex Ray Flex Ray于2005年应用于汽车领域是继CAN和LIN之后的新一代汽车控制总线技术同样属于共享式总线技术带宽可达10Mbps是一种具备时间可确定性的、分布式时钟同步的、故障容错的总线标准。Flex Ray的主要优势在于相比CAN总线具有较高的带宽可以满足汽车关键应用的要求但是同样作为共享式总线技术其成本却很高仅适用于豪华车中的线控系统如悬挂控制、换挡控制、刹车控制、转向控制等。 FlexRay总线数据收发采取时间触发和事件触发的方式。利用时间触发通信时 网络中的各个节点都预先知道彼此将要进行通信的时间 接收器提前知道报文到达的时间 报文在总线上的时间可以预测出来。即便行车环境恶劣多变干扰了系统传输 FlexRay协议也可以确保将信息延迟和抖动降至最低尽可能保持传输的同步与可预测。这对需要持续及高速性能的应用( 如线控刹车、线控转向等)来说是非常重要的。 它采用了周期通信的方式 一个通信周期可以划分为静态部分、动态部分、特征窗和网络空闲时间4个部分。静态部分和动态部分用来传输总线数据即FlexRay报文。特征窗用来发送唤醒特征符和媒介访问检测特征符。网络空闲时间用来实现分布式的时钟同步和节点参数的初始化。 2.5 MOST MOSTMedia Oriented Systems Transport是由德国MOST合作组于2001年制定的一个针对汽车领域的多媒体应用通信标准以解决传统总线不适用于汽车娱乐信息传输的不足。由于MOST通信物理层使用的是光纤传输采用环形网络拓扑结构其线束质量轻、抗干扰性强、带宽高、信号衰减少最新的MOST-150标准速率可达150MBit/s可同时传输音像流数据、文本数据等。目前MOST的带宽性能能够满足汽车的需求但是它的扩展性差技术开发周期长专利技术成本昂贵难以得到普及也仅仅应用于中高端车中。 MOST (Media Oriented System Transport) 面向媒体的系统传输总线MOST 是汽车业合作的成果而不具备正式的标准。它是一种专门针对车内使用而开发的、服务于多媒体应用的数据总线技术。MOST 表示“多媒体传输系统”。 MOST总线工作原理MOST 总线利用光脉冲传输数据采用环形结构在环形总线内只能朝着一个方向传输数据。MOST 总线的传输技术近似于公众交换式电话网络 Public Switched Telephone NetworkPSTN有着数据信道Data Channel与控制信道Control Channel的设计定义控制信道即用来设定如何使用与收发数据信道。一旦设定完成 资料就会持续地从发送处流向接收处 过程中不用再有进一步的封包处理程序 将运作机制如此设计 最适合用于实时性音讯、视讯串流传输。 MOST在制订上完全合乎ISO/OSI的7层数据通讯协议参考模型而在网线连接上MOST采用环状 拓朴 不过在更具严苛要求的传控应用上 MOST也允许改采星状 亦称放射状 或双环状的连接组态此外每套MOST传控网络允许最多达64个的装置节点连接。 2.6 LVDS LVDSLow Voltage Differential Signaling虽然不是专门为汽车领域设计的但是它相比于MOST技术有着更低的成本且最高带宽可达655MBit/s是一种低压差分高速信号标准受到众多普通厂商的青睐被视为MOST技术的替代产品。但是LVDS技术也有比较严重的缺陷为了满足汽车严格的电磁兼容EMC、电磁干扰EMI等要求它的传输线缆增加了较厚的传输屏蔽层增加了车重并且在传输协议上LVDS属于点对点的图像传输技术每个接口只能有一个摄像头或者一个视频输出口严重限制了扩展功能。 2.7 TTP/C TTP/C协议是一种基于TTA架构定义的 高速、无主机、双余度、分布式、多点串行、硬实时容错总线规范。C是指该协议满足SAE美国汽车工程师协会的C类标准。该协议的主要目标是为分布式应用提供一个便于集成和分割的高可靠一致性通用计算平台简化分布式系统的设计、测试和集成降低全寿命周期成本。TTP/C协议具有严格的时间确定性和完备的容错策略十分适合作为航空、汽车、铁路等安全关键领域的通用底层解决方案。 2.8 以太网Ethernet 以太网准确的说是车载以太网是一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术与传统以太网使用4层非屏蔽双绞线电缆不同车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现100Mbit/s甚至1Gbit/s的传输速率同时还满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求。车载以太网同时支持AVB、TCP/IP、DOIP、SOME/IP等多种协议或应用形式。 AVB是对传统以太网功能的扩展通过增加精确时钟同步、带宽预留等协议增强传统以太网音视频传输的实时性是极具发展潜力的网络音视频实时传输技术SOME/IP则规定了车载摄像头应用的视频通信接口要求可应用于车载摄像头领域并通过API实现驾驶辅助摄像头的模式控制。 传统车载网络能满足汽车部分子系统的要求总体来说优势在于实时性。但普遍存在的问题是带宽低成本高。传统以太网与车载以太网最大不同是传统以太网需要2-4对线车载以太网只需一对且是非屏蔽的仅此一项可以减少70-80%的连接器成本可以减少30%的重量。这是车载以太网诞生的最主要原因。同时也是为了满足车内的EMC电磁干扰。 在车载网络方面玩家是很多的也推出了各自的标准如下其中OPEN Alliance和电气与电子工程师协会IEEE制定的标准是车载以太网领域比重最大和应用最广泛的例如我们熟知的100BASE-T1和1000BASE-T1。 自1980年以来IEEE一直负责以太网的维护、开发和标准化。尽管各个公司都可提供专有的以太网解决方案但大多数时候公司都会交给IEEE进行标准化以确保更广泛的应用。802工作组则专门负责以太网因此所有与以太网相关的标准都以802开头例如IEEE 802.1IEEE 802.2IEEE 802.3等。 OPEN Alliance SIG是由汽车制造商和供应商组成的联盟目的是促进以太网在汽车工业中的进一步发展。OPEN Alliance SIG与IEEE合作将汽车以太网转换为通用标准。就目前的车载以太网标准方面主流标准的是如下几个目前主要是第二个100BASE-T1用单对双绞线实现100Mbit/s的数据传输走的靠前的OEM则使用更快的千兆以太网。 四个车载以太网物理层标准10Base-T1S是试图取代传统的CAN网络的。第一个1000Base-T1标准的物理层芯片是Marvell的88Q2112虽然其推出时间是2015年10月但在2019年才量产典型应用如英伟达的旗舰盒子Pegasus。 2020年11月博通宣布推出BCM8989X 和BCM8957XBCM8989X是业内第一个对应NGBase-T1即IEEE 802.3ch标准的MACsec 物理层芯片到目前为止博通是唯一能提供NGBase-T1芯片的厂家。BCM8957X则是业内第一个支持10Mbps 到10Gbps速率的L2/L3级车载以太网交换机芯片。 车载以太网是基于TCP/IP的网络模型因此我们先不考虑应用层数据是根据哪种应用层协议组织的从应用层来的数据经过传输层会加上TCP/UDP报头再到网络层的IP报头然后到链路层增加MAC地址等信息最后由PHY转换成线路上的二进制流实现在发送端和接收端的数据传输。 车载以太网短期内无法全部取代现有CAN网络其在汽车行业上的应用需要一个循序渐进的过程大致可分为 3 个阶段局部网络阶段、子网络阶段多子网络阶段。 局部网络阶段可单独在某个子系统上应用车载以太网技术实现子系统功能如基于 DoIP 协议的 OBD 诊断、使用IP 协议的摄像头等 子网络阶段可将某几个子系统进行整合构建车载以太网子系统实现各子系统的功能如基于 AVB 协议的多媒体娱乐及显示系统、ADAS 系统等 多子网络阶段将多个子网络进行整合车载以太网作为车载骨干网集成动力、底盘、车身、娱乐等整车各个域的功能形成整车级车载以太网络架构实现车载以太网在车载局域网络上的全面应用。 3. 几种总线技术的对比 总线名称 通信速度 通信介质 成本 应用范围 LIN 20Kb/s 车身 单线缆 低 大灯、灯光、门锁、电动座椅等 CAN 125K-1Mb/s 状态信息 非屏蔽双绞线 低 汽车空调、电子指示、故障诊断等 CANFD 5Mb/s 非屏蔽双绞线 低 汽车空调、电子指示、故障诊断等 FlexRay 1M-10Mb/s 实时控制 双绞线/光纤 中 引擎控制、ABS、悬挂控制、线控转向等 MOST 150Mb/s 双绞线/光纤 高 汽车导航系统、多媒体娱乐等 LVDS 850Mb/s 双绞线串/并行 低 车载摄像头 TTP/C 10Mb/s 双绞线/光纤 高 用于安全关键领域、航空电子设备或汽车领域X-by-Wire应用 Ethernet 1Gb/s 非屏蔽双绞线 低 汽车多媒体通讯、主干网和诊断 4. 最后 参考资料 车内通信技术有哪些CAN、LIN、以太网SomeIP、DoIP等 车载通信技术(二) 车内总线通信技术 - 知乎 百度安全验证