汽车网络通信总线现状及其特性分析

风语辰

发布时间:19-11-0715:28

随着汽车尤其是新能源汽车控制系统的逐步自动化和智能化,近几年,智能网联和自动驾驶在汽车行业兴起,电子单元越来越多,信息传输量越来越大,汽车电气系统复杂程度更上一层楼,为了满足各电子系统的实时性通讯和控制需求,汽车通信网络总线技术应运而生并日趋强大。目前车载通信网络总线主要有:控制器局域网总线CAN、车内网络总线LIN、高速容错网络总线FlexRay、面向媒体的系统传输总线MOST、更高带宽和传输速率的车载以太网Ethernet。本文将从总线种类、拓扑、传输速率及可靠性、数据帧结构、成本和应用等方面进行对比分析。

汽车网络总线

控制器局域网总线CAN

控制器局域网CAN(Controller Area Network),是由Bosch公司最早定义的一种支持实时和分布式通讯的串行通讯总线,目的是解决汽车电子系统中多个ECU之前的数据传输问题, CAN总线中各节点以线型拓扑结构连接,所有节点并联在总线上形成一个完整的通讯控制系统。

CAN总线标准协议为分别对应高速通信(125Kbps~1Mbps)的ISO11898和低速通信(125Kbps以下)的ISO11519。通信接口中定义了物理层和数据链路层的功能,对通信数据进行整帧处理,包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作,其通信速率最高可达1MB/s(传输距离≤40m),节点数实际最高可达110个。CAN总线物理层通信介质可采用双绞线或者同轴电缆,当前使用最多是成本较低的屏蔽双绞线。CAN总线报文采用短帧结构, 8个有效字节为一帧,每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,数据出错率极低。CAN总线节点具有自我诊断并在出错时自动关闭总线的功能,以使总线上的其他节点不受影响。一般情况下,CAN总线实际应用负载率不超过30%,当负载率超过30%以上,通讯延时和错误帧几率成倍增加,严重的造成通信拥堵。

图1 CAN总线报文格式

CAN FD(CAN with Flexible Data-Rate)作为CAN 总线的升级版,同样由Bosch提出,目的是解决汽车电子系统中各种ECU的增多对整车CAN 网络的传输速率及负载能力提出的更高要求。CAN FD继承了CAN的优势的同时弥补了CAN总线带宽和数据场长度的制约,通过缩短位时间和加长数据场长度两种方式来提高通信的效率;并且在CRC校验段采用了三种多项式来保证高速通讯下的数据可靠性,数据长度增加至64 字节,速率最高可增加至15Mbit/s。

图2 CAN FD 的报文帧格式

车内网络总线LIN

LIN (Local Interconnect Network) 总线 由Motorola、Audi等联手推出,是一种基于UART/SCI(通用异步收发器/串行接口)的低成本开放式串行通讯协议,其目标定位于车内分布式电控系统即车身网络模块节点间的低端通信,做为对CAN总线的低成本辅助总线,在车身控制中应用广泛,如电动门窗、座椅调节、车内灯以及中控系统等。LIN总线采用星型拓扑结构,并可以通过CAN网关和汽车其他ECU进行信息交互,典型的LIN总线节点数可以达到12个。LIN总线物理层采用单线连接,最大传输距离为40m,遵循改进的ISO 9141协议标准,最大传输速率小于20kb/s。

LIN总线上的所有通信都由主机节点发起,主机节点根据任务进度表来确定当前的通信信息,发送相应的帧头,并为报文帧分配帧通道,从机节点接收帧头之后,通过解析标识符来确定是否需要对当前通信做出响应以及做出何种响应。LIN总线报文包括帧头与应答两部分,一个完整信息帧包括同步间隔段、同步段、标识符段(受保护ID)、数据段、校验和段。

图3 LIN总线报文帧格式

LIN总线的特点在于单线传输成本低、无需仲裁机制、从节点不需晶振或陶瓷震荡器就能实现自同步、加入新节点时其他从节点不需要做任何软件和硬件改动。

高速容错网络总线FlexRay

FIexRay总线是一种的高速的、可确定性的、具备故障容错能力的汽车通信总线,FlexRay通信结合事件触发和时间触发两种方式,具有更高的网络传输速率、更强的数据灵活性、更全面的拓扑选择、更可靠的容错运算。FlexRay更多应用于车内线控操作(X-by-Wire)等汽车核心通讯需求。Flexray主要采用星形网络拓扑结构,在物理上分为两条独立的通信通道,采用双芯双绞电缆线进行数据传输,单通道最大数据传输速率为10MBit/s,双通道总数据传输速率可达20Mbit/s。相比CAN网络的1 MBit/s传输速率,FlexRay可以为车内控制系统提供更高的通讯速率选择,其双通道冗余通信能力可实现比CAN网络更高的可靠性应用。

CAN总线采用CSMA/CA通信机制,即各节点一直监听总线数据,发现总线空闲时便开始发送数据。而FlexRay总线采用TDMA(Time Division Multiple Access)和FTDMA(Flexible Time Division Multiple Access)两种周期通信方法,FlexRay将一个通信周期分为静态部分、动态部分、网络空闲时间。静态部分使用TDMA方法,用于发送需要经常性发送的重要性高的数据。在动态部分使用FTDMA方法,用于发送使用频率不确定、相对不重要的数据。当FlexRay总线中出现数据错误时,当前通讯周期里接收到的所有数据都会被丢弃,所有节点会继续进行下一个周期的通信。同时,FlexRay设有错误计数器,当某个节点发送接收错误数据过多时会被踢出总线。

FiexRay通讯协议由FlexRay联盟(FlexRayCONsortium)制定,其帧格式包括帧头段(Header segment)、有效数据段(Payload segment)、帧尾段(Trailer segment)。帧头段有5个字节共40位(bit),主要用来识别帧及该帧在时间触发中的优先级。有效数据段用来传送数据,从0-254共255字节。帧尾段校验域有3个字节24位的用以检测错误,包合了由帧头段与有效载荷段计算得出的CRC校验码。

FlexRay相比较于CAN总线要更加复杂,安全可靠性更高。但Flexray总线的最大弊端就是造价成本过高,目前只在德系车厂高端车型上使用,如奥迪A2l、宝马X5等。

图4 FlexRay总线报文帧格式

面向媒体的系统传输总线MOST

MOST(Media Oriented Systems Transport)是一种服务于汽车多媒体应用的网络总线标准,可以用于管理所有多媒体设备,其最大优势在于能够准确有效处理针对不同目标的多个数据流而不发生错误。MOST总线采用环型拓扑,以单根光纤为载体进行数据传输,时钟和串行化数据双相编码,总线传输率高达24.8Mbit/s,远远高于CAN总线网络。MOST总线遵循ISO的7层数据通讯协议参考模型,定义有数据信道(Data Channel)与控制信道(Control Channel)。24.8Mbit/s的带宽可以分割成60个传输信道、15个视讯编码信道。MOST数据帧由64字节构成,包括同步数据、异步数据、和控制数据,基本的MOST(25)有效载荷包含64字节帧里的60字节。

图5 MOST报文帧格式

MOST网络目前主要在欧洲高端车型中采用,随着成本降低,普通车型汽车制造商已经逐步认可该网络标准。随着汽车智能网联和自动驾驶发展,更大量数据(人机交互、远程信息处理、导航应用、云数据信息传输)需求的增长,MOST也在进一步发展。下一代MOST (50)可提供原标准两倍的带宽,而MOST Cooperative正在规划的第三代预计数据速率将达到150Mbps甚至更高。

更高带宽和传输速率的车载以太网Ethernet

汽车智能网联和自动驾驶的浪潮迅猛来袭,带来ADAS技术迅速革新、无人驾驶技术迅猛爆发、高品质车载娱乐影音系统换代、以及OTA远程升级、V2X、云数据等一系列技术的发展;同时推进了车载网络容量需求的爆发式增长,汽车电子单元的成倍数增加,必然会超出CAN或FlexRay等车载网络的使命范畴,汽车厂商将目光转向更高级别的车载网络——以太网。

相对于目前车内常见的总线LIN、CAN、CAN-FD、MOST、Flexray等。车载以太网具备如下优势:

车载以太网采用单对的非屏蔽双绞线及更小型紧凑的连接器进行信号传输,能够提供高达100Mbit/s 及更高的带宽性能,这将大大降低车内连接成本和减少车内布线。

车载以太网可以同时支持AVB、TCP/IP、DOIP、SONIP等多种协议或不同应用形式。高达1Gbit 速率通信标准的车载以太网同时还支持 POE(Power Over Ethernet)功能和高效节能以太网(EEE,Energy-Efficient Ethernet)功能。

车载以太网将为车内无线功能的推广提供最佳便利,Wifi已经引入汽车电子系统,并形成专用标准WAVE(IEEE802.11-2012),车载以太网的应用普及将大大推进WAVE引入汽车系统的进程,并为V2X提供相应发展空间。

车载以太网不仅具备了适应ADAS、娱乐影音、车联网、大数据等所需要的带宽,而且还具备了支持自动驾驶所需要的更大数据传输性能的潜力。车载以太网将成为实现多层面高速通信的基石,相对于20世纪90年代诞生的控制器局域网CAN,它的规模将更大,意义将更深远。专家预测,到2020年在汽车中将部署超过5亿个以太网终端。

总结

当前主流的车载网络主要由 CAN、LIN、FlexRay、MOST等构成。CAN主要用于汽车控制数据传输,在目前车载网络中应用最为广泛。LIN作为CAN的辅助,主要用于车身电子控制。FlexRay 是继 CAN 和 LIN 之后的汽车总线,同样属于共享式总线技术,其主要优势在于相比CAN 总线具有较高的带宽和速率,可以满足汽车车内线控等关键应用的要求,而MOST由于研发门槛较高,目前主要用于多媒体流数据传输。汽车电子发展的趋势似乎表明车载以太网将取代CAN成为主流,但这并不代表车载以太网将彻底颠覆目前现役车载网络。随着智能网联和无人驾驶发展,汽车电子单元增长呈现多元化趋势,车载网络模式也应当趋向多元化发展。车载以太网的未来不是颠覆现状,而是以更高性能适应更多需求,填补汽车电子系统发展新形势下的需求空白。

返回顶部