項目四智能網聯汽車網絡與通信技術前言隨著汽車電動化、智能化、網聯化的發展，汽車上的傳感器越來越多，達到成百上千個，而且汽車上的傳感器和道路基礎設施上的傳感器也要互聯互通，這樣智能網聯汽車就會變成一個龐大的網絡系統。認知汽車總線與車載網絡技術Annualworksummary1

導入車聯網是實現自動駕駛技術的一種重要途徑，其核心在于車路協同技術。智慧的車感知路、人、物等周圍環境的技術路線能夠彌補當前自動駕駛汽車在信息感知、分析決策上的不足，盡快實現車輛的智能化自動化運營。車聯網是以車內網、車際網和車載移動互聯網為基礎，按照約定的通信協議和數據交互標準，在車與X（車、路、行人、互聯網等）之間進行無線通訊和信息交換的大系統網絡，是能夠實現智能化交通管理、智能動態信息服務和車輛智能化控制的一體化網絡。通信技術，是智能網聯汽車實現的基礎，使車輛能在自動駕駛模式下實時分析交通信息，自動選擇當前路況下的最佳行駛路線。目錄01教學目標02教學內容教學目標0103能描述CAN總線的構成、工作原理、仲裁機構和特點。01能說出汽車總線的作用。02能闡述汽車總線的類型。01引導學生理解團隊合作、溝通協作以及個體責任與使命擔當的重要性。02培養學生樹立集體主義觀念。知識目標素質目標04能描述LIN總線的結構、工作原理和特點。05能描述MOST總線的結構、工作原理、類型和特點。06能說明車載以太網的相關技術和發展應用教學內容02一、汽車總線的作用

汽車中的電子部件越來越多，大量的電子單元都要進行信息交互，傳統的點對點通信已經不能滿足需求，因此必須要采用先進的總線技術。車用總線就是車載網絡中底層的車用設備或車用儀表互聯的通信網絡其應用。二、汽車總線類型

目前主流的車用總線有：CAN總線、LIN總線、FlexRay總線和MOST總線。CAN是ControllerAreaNetwork的縮寫，是串行通信協議。對于安全性、舒適性、方便性、低功耗、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統被開發了出來。由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。為適應“減少線束的數量”、“通過多個LAN，進行大量數據的高速通信”的需要。CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地汽車各總成之間的通信它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。01CAN總線二、汽車總線類型

CAN總線也叫車內局域網，它是一個有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡。以某種形式連接各種控制單元，形成一個完整的系統。CAN總線最初由德國博世公司開發，用于解決現代汽車中許多電子控制模塊（ECU）之間的數據交換問題。目前，它已廣泛應用于汽車電子系統，成為汽車工業的主要行業標準，代表了汽車電子控制網絡的主流發展趨勢，其應用如圖1所示。因為電動汽車的網絡特性可以概括為通信距離短、網絡復雜度要求低、可擴展性要求高、實施可靠性要求高。01CAN總線CAN總線系統二、汽車總線類型二、汽車總線類型

⑴CAN總線系統的總體構成CAN總線系統的總體構成主要由若干個節點（電控單元）、兩條數據傳輸線（CAN-H和CAN-L）及終端電阻組成，如圖4-1-2所示。CAN總線上的每個節點獨立完成網絡數據交換和測控任務，理論上CAN總線可以連接無數個節點，但實際上受總線驅動能力的限制，目前每個CAN總線系統中最多可以連接110各個節點。01CAN總線二、汽車總線類型

⑴CAN總線系統的總體構成CAN數據傳輸線是雙向串行總線，大都采用具有較強抗干擾能力的雙絞線，分為CAN-H線和CAN-L線，兩線纏繞絞合在一起，其絞距為20mm，橫截面積為0.35mm2或0.5mm2并且CAN帶有終端電阻（120Ω），終端電阻的作用是防止信號在傳輸線終端產生反射波，而使正常傳輸的數據受到干擾。01CAN總線二、汽車總線類型

⑵CAN總線的硬件結構和網絡通信原理CAN節點主要由微控制器、CAN控制器、CAN收發器組成，目前汽車上多采用內部集成CAN控制器的微控制器，如圖4-1-3所示。CAN節點中的CAN控制器具有“數據打包/解包”和“驗收濾波”的作用，而CAN收發器具有“邊說邊聽（同時發送和接收）”和“信號轉換（數字信號與總線電壓信號的轉換）”的作用。CAN收發器對CAN-H和CAN-L兩根線的電壓做差分運算后生成差分電壓信號，然后采用“負邏輯”將差分電壓信號轉換為數字信號，如圖4-1-4所示。01CAN總線二、汽車總線類型

⑵CAN總線的硬件結構和網絡通信原理為了提高網絡通信的可靠性和實時性，CAN總線只有物理層、數據鏈路層和應用層。其中數據鏈路層和物理層的協議分別由CAN控制器和CAN收發器硬件自動完成，因此在CAN總線應用系統設計時，主要任務是對其應用層程序進行設計。01CAN總線二、汽車總線類型

⑶CAN總線的仲裁機制如果CAN總線上的多個節點同時向總線上發送數據時，多個數據就會在總線上出現“撞車”的現象，此時需要進行仲裁，決定哪個信號優先，哪個信號遲后，如圖4-1-5所示。01CAN總線二、汽車總線類型

⑷CAN總線特點①數據通信沒有主從之分，任意一個節點可以向任何其他（一個或多個）節點發起數據通信，靠各個節點信息優先級先后順序來決定通信次序；②多個節點同時發起通信時，優先級低的避讓優先級高的，不會對通信線路造成擁塞；③通信距離最遠可達10km（速率低于5Kbps），速率可達到1Mbps（通信距離小于40m）；01CAN總線二、汽車總線類型

⑷CAN總線特點④CAN總線傳輸介質可以是雙絞線，同軸電纜，實行差分控制，CAN和HCALL之間始終相差2V左右的電壓，如圖4-1-6所示。⑤CAN總線適用于大數據量短距離通信或者長距離小數據量，實時性要求比較高，多主多從或者各個節點平等的現場中使用01CAN總線二、汽車總線類型

LIN(LocalInterconnectNetwork)是一種低成本的串行通訊網絡，用于實現汽車中的分布式電子系統控制。LIN的目標是為現有汽車網絡(例如CAN總線)提供輔助功能，因此LIN總線是一種輔助的總線網絡。在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場合，比如智能傳感器和制動裝置之間的通訊使用LIN總線可大大節省成本。LIN是面向汽車低端分布式應用的低成本，低速串行通信總線。它的目標是為現有汽車網絡提供輔助功能，在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場合使用，降低成本。02LIN總線LIN線系統二、汽車總線類型

⑴LIN總線系統的總體構成LIN總線技術規范中除定義了基本協議和物理層外還定義了開發工具和應用軟件接口。LIN通訊是基于SCI(UART)數據格式，采用單主控制器/多從設備的模式。僅使用一根12V信號總線和一個無固定時間基準的節點同步時鐘線。LIN的標準化將為汽車制造商以及供應商在研發應用操作系統降低成本。LIN總線包含一個宿主節點和一個或多個從屬節點，所有節點都包含一個被分解為發送和接收任務的從屬通訊任務，而宿主節點還包含一個附加的宿主發送任務，在實時LIN總線中，通訊總是由宿主任務發起的。LIN總線拓撲圖如圖4-1-7所示。02LIN總線二、汽車總線類型

⑵LIN總線的硬件結構和網絡通信原理LIN總線除了宿主節點的命名之外，LIN網絡中的節點不使用有關系統設置的任何信息。LIN總線上的所有通訊都由主機節點中的主機任務發起，主機任務根據進度表來確定當前的通訊內容，發送相應的幀頭，并為報文幀分配幀通道，總線上的從機節點接收幀頭之后，通過解讀標識符來確定自己是否應該對當前通訊做出響應、做出何種響應（如圖4-1-8所示）。基于這種報文濾波方式，LIN可實現多種數據傳輸模式，且一個報文幀可以同時被多個節點接收利用。LIN總線物理層采用單線連接，兩個電控單元間的最大傳輸距離為40m。02LIN總線二、汽車總線類型

⑵LIN總線的硬件結構和網絡通信原理在總線上實行“線與”，“0”為顯性電平、“1”為隱性電平，當總線有至少一個節點發送顯性電平時，總線呈現顯性電平；所有節點均發送隱性電平或者不發送信息時，總線呈隱性電平，即顯性電平起著主導作用。LIN總線報文幀如圖4-1-9所示。02LIN總線二、汽車總線類型

⑶LIN總線特點①低成本：基于通用UART接口幾乎所有微控制器都具備LIN必需的硬件；極少的信號線即可實現國際標準ISO9141規定。②傳輸速率高，傳輸速率最高可達20Kbit/s。③單主控器/多從設備模式無需仲裁機制；④從節點不需晶振或陶瓷震蕩器就能實現自同步，節省了從設備的硬件成本；⑤保證信號傳輸的延遲時間；⑥不需要改變LIN從節點的硬件和軟件就可以在網絡上增加節點；⑦通常一個LIN網絡上節點數目小于12個共有64個標志符；02LIN總線二、汽車總線類型

MOST總線是MediaOrientedSystemsTransport的縮寫，是用于多媒體數據傳送的網絡系統。MOST是一種專門針對車內使用而開發的、服務于多媒體應用的數據總線技術。MOST表示“多媒體傳輸系統”。03MOST總線二、汽車總線類型

⑴MOST總線總體結構MOST總線利用光脈沖傳輸數據，采用環形結構，在環形總線內只能朝著一個方向傳輸數據，如圖4-1-10所示。MOST總線可連接汽車音響系統、視頻導航系統、車載電視、高保真音頻放大器、車載電話、多碟CD播放器等模塊，其數據傳輸速率最高可達24.8Mbit/s，而且沒有電磁干擾。03MOST總線二、汽車總線類型

⑴MOST總線總體結構MOST總線可以不需要額外的主控計算機系統，結構靈活、性能可靠和易于擴展，采用光纖POF（PlasticOpticalFiber）作為物理層的傳輸介質，支持“即插即用”方式、在網絡上可以隨時添加和去除設備，具有方便簡潔的應用系統界面。03MOST總線二、汽車總線類型

⑴MOST總線總體結構MOST總線采用環形網絡拓撲結構，控制單元通過一根光導纖維沿環形方向將數據傳送至環形結構中的下一個控制單元，這個過程一直持續到數據返回至原先傳送它們的那個控制單元并接收到這些數據為止，由此，形成了一個閉合的環路。MOST總線系統的故障診斷借助于數據總線的診斷接口和診斷CAN進行，如圖4-1-11所示。03MOST總線二、汽車總線類型

⑴MOST總線總體結構在MOST總線中，各個終端設備（節點、控制單元）之間通過一個數據只沿一個方向傳輸的環形總線連接，音頻、視頻信息在環形總線上循環，并由每個節點（控制單元）讀取和轉發。各個控制單元之間通過光導纖維相互連接而形成一個封閉環路，因此每個控制單元擁有兩根光導纖維，一根光導纖維用于發射器，一根光導纖維用于接收器，如圖4-1-12所示。03MOST總線二、汽車總線類型

⑶MOST總線的數據類型03MOST總線二、汽車總線類型

⑷MOST總線的工作原理MOST的數據傳送使用512b的幀，以及16個幀的塊（如下圖所示）。幀的重復率為44.1kHz（每幀22.67ms），每個幀內除了前導碼和其它內部管理位以外，還包含有同步、異步和控制數據。總線是完全同步的，設計師可將網絡內的任何設備指定為主設備，其它所有結點都從主設備處獲得自己的時鐘。網絡完全是即插即用的，當上電或有連接改變時，有一個尋找設備的過程，主結點上保持著一個所連設備的中心注冊處，如圖4-1-13所示。03MOST總線二、汽車總線類型

⑸MOST總線的特點①傳輸速率高。MOST總線采用光纖在傳輸數據時，相關部件的數據交換是于數字方式來進行的（以前的音頻和視頻信號只能作為模擬信號來傳送），其傳輸速率可達21.2Mbt/s。MOST總線傳輸速率明顯高于CAN總線系統1Mbt/s的最高傳輸速率，因此CAN總線系統只能夠用與傳輸控制信號。②抗電磁干擾能力強。MOST總線傳輸信號時，是用光信號進行的。與無線電波相比，光波的波長更短，因此不會產生電磁干擾，同時對電磁干擾也不敏感。③重量輕，占用空間小，成本低。MOST總線光纖是采用有機玻璃制成的相對于金屬導線來說，在提供相同頻寬時，能減輕約4.5千克的重量和節省約250米長的線束，這樣就減輕了汽車的重量，節約了空間，降低了成本，同時擴展了功能。03MOST總線三、車載網絡由于車載以太網具有高帶寬、低延遲、低成本的特性，在新一代整車架構中將替代CAN總線成為優選網絡架構。如下圖所示，以車載以太網作為骨干網絡，將核心域控制器（動力總成、車身、娛樂、ADAS）連接在一起。各個域控制器在實現專用的控制功能的同時，還提供強大的網關功能。從圖中可以發現，在各個域控制器的下方，各部件之間通訊基本是通過CANFD來實現數據共享，這種類似于傳統車載網絡架構（除娛樂子網中，娛樂域控制器與其子部件的通信將通過以太網實現）。智能網聯汽車網絡架構三、車載網絡從圖中可以發現，在各個域控制器的下方，各部件之間通訊基本是通過CANFD來實現數據共享，這種類似于傳統車載網絡架構（除娛樂子網中，娛樂域控制器與其子部件的通信將通過以太網實現）。另外，當一個域需要與其他域交換信息時，則需經由網關、以太網路由實現，其結構如圖4-1-14所示。三、車載網絡

以太網（Ethernet）是互聯網中使用最多和最廣泛的網絡技術，自從1973年5月22日作為個人計算機的局域網技術被發明以來，以太網技術快速發展并且作為IEEE802下的一個開放標準集合。汽車智能化、網聯化甚至自動駕駛時代已經到來，ADAS技術的不斷創新，高質量汽車娛樂音頻和視頻的應用，以及OTA遠程升級、V2X、大數據、云計算等技術的發展都取得了進展，如圖4-1-15所示。車載網絡容量需求的爆炸性發展明顯超過了傳統車載網絡（如CAN或FlexRay）的承載能力，這也是以太網和汽車深度融合的機會。01車載以太網的相關技術三、車載網絡

以太網以其通用性、開放性、高帶寬、易擴展、易互聯等特性，成為一