Huoyeshi

XiaoQiHezuo

GaozhiQicheZhuanyequn

GuihuaJiaocai

汽车车载网络系统检修

主审 王建良

主编 孙春玲 刘福海

活页式・校企合作・高职汽车专业群规划教材

活页式?校企合作?高职汽车专业群规划教材

汽车车载网络系统检修

主 审 王建良

主 编 孙春玲 刘福海

副主编 刘小莉 王志远 韩永伟 毕巍巍

?济南?

图书在版编目(CIP)数据

汽车车载网络系统检修/孙春玲,刘福海主编．—

济南:山东大学出版社,２０２０?８(２０２４?１重印)

活页式?校企合作?高职汽车专业群规划教材

ISBN９７８Ｇ７Ｇ５６０７Ｇ６６３３Ｇ１

Ⅰ? ①汽? Ⅱ? ①孙? ②刘? Ⅲ? ①汽车－计算机

网络－维修－高等职业教育－教材 Ⅳ? ①U４７２．４１

中国版本图书馆 CIP数据核字(２０２０)第０９７７７３号

策划编辑 刘 彤

责任编辑 宋亚卿

封面设计 牛 钧

汽车车载网络系统检修

QICHECHEZAIWANGLUOXITONGJIANXIU

出版发行 山东大学出版社

社 址 山东省济南市山大南路２０号

邮政编码 ２５０１００

发行热线 (０５３１)８８３６３００８

经 销 新华书店

印 刷 济南乾丰云印刷科技有限公司

规 格 ７８７毫米×１０９２毫米 １/１６

１４．７５印张 ３４７千字

版 次 ２０２０年８月第１版

印 次 ２０２４年１月第４次印刷

定 价 ５９．００元

版权所有 侵权必究

前 言

«国家职业教育改革实施方案»指出,要深化“三教”改革,建设一批校企“双元”合作

开发的国家规划教材,倡导使用新型活页式、工作手册式教材并配套开发信息化资源.

同时,要求专业教材随信息技术发展和产业升级情况及时动态更新.教育部印发的«关

于职业院校专业人才培养方案制订与实施工作的指导意见»要求,要建设符合项目式、模

块化教学需要的教学创新团队,选用体现新技术、新工艺、新规范等的高质量教材,引入

典型生产案例,普及项目教学、案例教学、情景教学、模块化教学等教学方式,推动课堂教

学革命.山东交通职业学院汽车运用与维修技术专业群是国家“双高计划”重点建设专

业群.其中,课程和教材是重要建设内容之一.

２０２２年１０月１６日,中国共产党第二十次全国代表大会在北京胜利召开.为深入学

习贯彻党的二十大精神,深化教育领域综合改革,加强教材建设和管理,教材编写组对教

材进行了修订,以更好地推进党的二十大精神进教材、进课堂、进头脑.

“汽车车载网络系统检修”是高职汽车专业群课程体系中的一门专业必修课程.本

书在内容选取上注重突出类型特征,书以载道、需求导向,重构教学内容体系,并基于工

作过程中的情景组织内容,重点突出学生职业能力和职业素养的培养.全书由山东交通

职业学院骨干教师和宝马培训中心、上汽大众培训中心的专家协同编写,并得到了行云

新能科技(深圳)有限公司产品研发经理李海宁的大力支持.全书从实际应用出发,深刻

贯彻党的二十大精神,精心设计“情景式”的教育模式,理论与实践相结合,系统地介绍了

汽车常见车载网络系统的分类、结构、工作原理及故障诊断方法等.在内容编排上坚持

信息技术与教学有机融合,适合课程教学团队模块化分工协同完成教学任务的需要.本

书既可作为高职高专汽车检测与维修技术、汽车电子技术、汽车智能技术、新能源汽车运

用技术等专业的教学用书,也可作为从事汽车车载网络系统检测相关工作的工程技术人

员的参考用书.

全书分为七个项目,内容包括汽车车载网络系统概述、动力 CAN 总线系统的检测

与修复、舒适 CAN 总线系统的检测与修复、LIN 总线系统的检测与修复、MOST 总线

系统的检测与修复、汽车其他常见总线系统的检测与修复以及汽车车载通信新技术.

１

全书由山东交通职业学院孙春玲、刘福海担任主编,刘小莉、王志远、韩永伟、毕巍巍担

任副主编.其中,刘小莉、韩永伟编写了 项 目 一、项 目 六;刘 福 海、李 海 宁 编 写 了 项 目

二、项目七;孙春玲编写了项目三、项目五;王志远、毕巍巍编写了项目四;孙春玲、刘福

海负责全书的通稿工作,王建良负责全书的主审工作.

本书在编写过程中参阅了许多国内外公开出版的教材和发表的文献资料,同时得到

了山东交通职业学院宝马培训中心和上汽 大 众 培 训 中 心 的 大 力 支 持,在 此 一 并 表 示

感谢.

由于时间仓促,加之水平所限,书中难免存在错误和不妥之处,敬请读者提出宝贵

意见.

编 者

２０２２年１１月

２

目 录

项目一 汽车车载网络系统概述 ????????????????????? (１)

工作情景描述 ???????????????????????????? (１)

学习目标 ?????????????????????????????? (１)

知识准备 ?????????????????????????????? (２)

任务一 汽车电脑系统的检修 ???????????????????? (２)

任务二 车载网络技术概述 ????????????????????? (８)

任务三 车载网络系统基础知识 ??????????????????? (１３)

任务四 车载网络系统的分类及应用 ????????????????? (２２)

任务实施 汽车车载网络系统实车认识 ????????????????? (２８)

学习评价 ?????????????????????????????? (３４)

知识拓展 ?????????????????????????????? (３６)

项目二 动力 CAN总线系统的检测与修复 ???????????????? (３９)

工作情景描述 ???????????????????????????? (３９)

学习目标 ?????????????????????????????? (３９)

知识准备 ?????????????????????????????? (４０)

任务一 CAN 总线系统概述 ???????????????????? (４０)

任务二 动力 CAN 总线系统的组成及工作原理 ???????????? (４５)

任务三 动力 CAN 总线系统的检修 ????????????????? (５５)

任务四 动力 CAN 总线系统的波形分析 ??????????????? (６０)

案例拓展 ?????????????????????????????? (６４)

任务实施 大众轿车动力 CAN 总线系统的实车测量 ??????????? (７０)

宝马轿车动力 CAN 总线系统实车故障检修 ?????????? (７５)

吉利帝豪 EV４５０动力蓄电池通信故障检修 ?????????? (８１)

学习评价 ?????????????????????????????? (８６)

知识拓展 ?????????????????????????????? (８８)

１

项目三 舒适 CAN总线系统的检测与修复 ???????????????? (８９)

工作情景描述 ???????????????????????????? (８９)

学习目标 ?????????????????????????????? (８９)

知识准备 ?????????????????????????????? (９０)

任务一 舒适 CAN 总线系统的工作原理 ??????????????? (９０)

任务二 舒适 CAN 总线系统的波形分析 ??????????????? (９５)

任务三 舒适 CAN 总线在汽车上的典型应用 ????????????? (１００)

案例拓展 ????????????????????????????? (１０９)

任务实施 宝马轿车舒适 CAN 总线系统的实车测量 ??????????? (１１３)

迈腾轿车舒适 CAN 总线系统的实车故障检修 ????????? (１１９)

学习评价 ????????????????????????????? (１２５)

知识拓展 ????????????????????????????? (１２７)

项目四 LIN总线系统的检测与修复 ?????????????????? (１２９)

工作情景描述 ??????????????????????????? (１２９)

学习目标 ????????????????????????????? (１２９)

知识准备 ????????????????????????????? (１３０)

任务一 LIN 总线系统的工作原理 ????????????????? (１３０)

任务二 LIN 总线系统的检修 ??????????????????? (１３７)

案例拓展 ????????????????????????????? (１４４)

任务实施 LIN 总线系统的实车故障检修 ??????????????? (１４８)

学习评价 ????????????????????????????? (１５４)

知识拓展 ????????????????????????????? (１５５)

项目五 MOST总线系统的检测与修复 ????????????????? (１５６)

工作情景描述 ??????????????????????????? (１５６)

学习目标 ????????????????????????????? (１５６)

知识准备 ????????????????????????????? (１５７)

任务一 MOST 总线系统的工作原理 ???????????????? (１５７)

任务二 MOST 总线系统的检修 ?????????????????? (１６４)

任务实施 MOST 总线系统实车故障诊断 ??????????????? (１６５)

学习评价 ????????????????????????????? (１７０)

知识拓展 ????????????????????????????? (１７１)

项目六 汽车其他常见总线系统的检测与修复 ?????????????? (１７２)

工作情景描述 ??????????????????????????? (１７２)

学习目标 ????????????????????????????? (１７２)

２

知识准备 ????????????????????????????? (１７３)

任务一 Byteflight总线系统 ???????????????????? (１７３)

任务二 FlexRay总线系统????????????????????? (１８１)

任务三 诊断总线 ???????????????????????? (１９１)

任务四 车载蓝牙技术 ?????????????????????? (１９４)

任务五 汽车 VAN ???????????????????????? (１９６)

案例拓展 ????????????????????????????? (１９９)

任务实施 汽车 FlexRay总线控制单元的实车拆装 ??????????? (２０１)

诊断仪与车辆 DＧCAN 诊断接口连接 ????????????? (２０６)

学习评价 ????????????????????????????? (２１１)

知识拓展 ????????????????????????????? (２１３)

项目七 汽车车载通信新技术 ????????????????????? (２１８)

工作情景描述 ??????????????????????????? (２１８)

学习目标 ????????????????????????????? (２１８)

知识准备 ????????????????????????????? (２１９)

任务一 车载以太网认知 ????????????????????? (２１９)

任务二 智能网联线控底盘通信技术 ???????????????? (２２０)

学习评价 ????????????????????????????? (２２４)

知识拓展 ????????????????????????????? (２２５)

参考文献 ?????????????????????????????? (２２７)

３

汽车车载网络系统概述

★工作情景描述

汽车车载网络技术是计算机网络技术在汽车中的具体应用.随着生活

水平的提高、电子技术的发展,人们对汽车的要求越来越高,电子设备的大量

应用使得车身线路越来越复杂.为了实现资源共享,提高信号利用率,同时

减少线束数量,车载网络技术应运而生.但车载网络技术对于从事汽车维修

行业的人员来讲很棘手,因为其维修、诊断过程难度较大.

★学习目标

通过学习,应达到以下目标:①掌握汽车电脑控制系统的组成;②掌握汽

车电子控制单元的连接类型、主要特点;③掌握车载网络系统的分类;④能正

确分析简单的汽车单片机局域网系统各模块的相互关系.

１

★知识准备

任务一 汽车电脑系统的检修

一、汽车电脑控制系统概述

(一)汽车电脑控制系统

汽车电脑控制系统简称汽车电脑,是汽车控制系统的核心,在硬件结构上一般可分

为外部传感器、汽车电脑和执行机构三部分,如图１Ｇ１所示.汽车电脑一般被称为 ECU

(electroniccontrolunit),主要由输入接口、微处理器和输出接口组成.

图１Ｇ１ 汽车电脑控制系统的组成

(二)ECU

ECU 是将中央处理器(centralprocessingunit,CPU)、存储器(memory)、定时器/计

数器、输入/输出(I/O)接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上的微型计

算机.在实际应用中,通常很难将单片机与被控对象直接进行电气连接,必须外加输入

电路、输出电路和操作开关等,才能构成一个单片机应用系统.其基本结构如图１Ｇ２(a)

所示.虽然单片机只是一块芯片,但已经具有微型计算机的组成与功能,故称之为单片

微型计算机,简称单片机或微机.目前,汽车电脑控制系统采用的单片机均为数字式单

片机.

１?CPU

CPU 是具有译码指令和数据处理能力的电子部件,是汽车电子控制单元的核心,基

本结构如图１Ｇ２(b)所示,由运算器(calculator)、寄存器(register)和控制器(controller)组

成.运算器是计算机的运算部件,用于实现数学运算和逻辑运算.汽车上各种电脑控制

系统(燃油喷射系统、防抱死制动系统、安全气囊系统、自动变速器控制系统)内部的数据

运算与逻辑判断都在这里进行.寄存器用于暂时存储数据或程序指令.控制器是计算

２

机的指挥控制部件,其功用是使计算机各部分按照监控程序和应用程序自动协调一致地

进行工作.

图１Ｇ２ 单片机基本结构框图

２? 存储器

在单片机或微型计算机中,存储器是用来存储程序指令和数据的部件.存储器是由

许多具有记忆功能的存储电路构成的,每个记忆存储电路存储１位二进制信息(０或１),

称为存储器的存储位(bit).每８个记忆存储电路构成存储器的一个基本单元,存储８位

二进制信息,称为存储字节(byte).存储器按读写操作原理可分为只读存储器(readonly

memory,ROM)和随机存取存储器(randomaccessmemory,RAM);按功能可分为程序

存储器和数据存储器;按构成材料可分为半导体存储器和磁质存储器.

(１)ROM:ROM 可分为掩膜 ROM、可编程 ROM(PROM)、可改写 ROM(EROM).

(２)RAM:RAM 片内为１２８B(５２子系列片内为２５６B),片外最多可外扩６４KB.片

内 RAM 以高速 RAM 的形式集成在单片机内,可以加快单片机运行的速度,还可以降低

功耗.

(３)程序存储器:程序存储器用来存储程序.８０５１ 单片机的程序存储器为容量为

４KB的 ROM,８７５１则为４KB的 EPROM.如果片内 ROM 的容量不够,片外 ROM 的

最大容量可扩至６４KB.

３? 输入/输出接口

I/O 接口是 CPU 与传感器或执行器之间进行数据交换和下达控制指令的通道.由

于传感器和执行器种类繁多,它们的信号速度、频率、电平、功率和工作时序等都不可能

与 CPU 完全匹配,因此必须根据 CPU 的指令,通过I/O 接口进行协调和控制.

４? 总线

总线是微机内部传递信息的电路连线.在单片机内部,CPU、ROM、总线是微机内

部传递信息的电路连线.在单片机内部,CPU、ROM、RAM 与I/O 接口之间的信息交换

都是通过总线实现的.按传递信息不同,总线可分为数据总线、地址总线和控制总线三

种.数据总线主要用于传送数据与指令.地址总线用来传递地址数码.微机中的器件

都与控制总线连接,CPU 可通过控制总线随时掌握各个器件的状态,并根据需要随时向

某个器件发出控制指令.

３

５? 输出回路

输出回路是单片机与执行器之间的中继站,其功用是根据微机发出的指令,控制执

行器动作.微机对采样信号进行分析、比较、运算后,由预定的程序形成控制指令并通过

输出端子输出.

６? 时钟电路

MCSＧ５１单片机的内部有时钟电路,但石英晶体和微调电容需外接.时钟电路为单

片机产生时钟脉冲序列.MCSＧ５１单片机允许的晶振频率一般为６MHz和１２MHz.

７? MCSＧ５１单片机的引脚

尽管单片机种类很多,但无论是从世界范围还是从全国范围来看,应用最广泛的都

是英特尔(Intel)公司生产的 MCSＧ５１ 系 列 单 片 机.下 面 以 MCSＧ５１ 系 列 ８ 位 单 片 机

(８０３１、８０５１、８７５１等)为研究对象,介绍单片机的硬件结构和工作原理.

MCSＧ５１以及８０C５１系列单片机中各种型号芯片的引脚是互相兼容的.目前大多数

引脚制造工艺为高性能金属氧化物半导体(HMOS)的 MCSＧ５１单片机都采用４０只引脚

的双列直 插 封 装 (DIP)方 式;制 造 工 艺 为 混 合 互 补 金 属 氧 化 物 半 导 体 (CHMOS)的

８０C３１/８０C５１/８７C５１单片机,除采用 DIP 方式外,还采用方形封装方式,为４４只引脚(其

中４只是无用的引脚).

MCSＧ５１系列又分为５１和５２两个子系列,并以芯片型号的最末位数字作为标志.

其中,５１子系列是基本型,而５２子系列则属于增强型.MCSＧ５１单片机的典型芯片是

８０３１、８０５１、８７５１.８０５１ 内部有 ４ KB ROM,８７５１ 内部有 ４ KBEPROM,８０３１ 内部无

ROM;除此之外,三者的内部结构及引脚完全相同.因此,下面以８０５１为例,说明本系列

单片机的内部组成、信号引脚和指令系统.８０５１单片机的基本组成如图１Ｇ３所示.

图１Ｇ３ ８０５１单片机基本结构

MCSＧ５１单片机是标准的４０引脚双列直插式集成电路芯片,引脚排列如图１Ｇ４所

示.由于工艺及标准化等原因,芯片的引脚数目是有限制的,为了增加引脚的功能,有些

引脚具有第二功能,带括号的符号是第二功能符号.

４

图１Ｇ４ MCSＧ５１单片机引脚

(１)电源引脚:VCC(４０脚)为芯片电源正极端,接＋５V 电源;VSS(２０脚)为芯片电源

负极端或接地端.

(２)时钟引脚,即 XTAL１(１９脚)和 XTAL２(１８脚):当使用芯片内部时钟时,外接石英

晶体和微调电容;采用外部振荡器时,XTAL１接地,XTAL２为外部振荡信号的输入端.

(３)I/O 口引脚:８０５１共有４个８位的并行I/O 口,即 P０口、P１口、P２口、P３口.

P０口:P０?０~P０?７(３９~３２脚),８位双向I/O 口.此口在 CPU 的控制下,可以选

为双向数据总线口,可以输出或输入数据;也可选为地址总线的低８位输出线口.

P１口:P１?０~P１?７(１~８脚),８位双向I/O 口,仅有双向数据总线口功能.

P２口:P２?０~P２?７(２１~２８脚),８位双向I/O 口.此口在 CPU 的控制下,可以选

为双向数据总线口,也可选为地址总线的高８位输出线口.

P３口:P３?０~P３?７(１０~１７脚),８位双向I/O 口,为双向数据总线口和第二功能

口.P３口各引脚与第二功能见表１Ｇ１.

表１Ｇ１ P３口各引脚与第二功能

引脚 第二功能 信号名称

P３．０ RXD 串行数据接收

P３．１ TXD 串行数据发送

P３．２ INT０ 外部中断０申请

P３．３ INT１ 外部中断１申请

P３．４ T０ 定时器/计数器０的外部输入

P３．５ T１ 定时器/计数器１的外部输入

P３．６ WR 外部 RAM 写选通

P３．７ RD 外部 RAM 读选通

５

(４)控制信号引脚:

①ALE/PROG(３０脚):ALE 是地址锁存控制信号.在访问外部存储器(RAM 或

ROM)时,ALE用于控制将 P０口输出的低８位地址锁存起来,以实现低位地址和数据的

隔离.此外,由于 ALE是以晶振１/６的固定频率输出的正脉冲,因此,可作为外部时钟或

外部定时脉冲使用.在对８７５１的EPROM 编程时,第二功能PROG是编程脉冲的输入端.

②PSEN(２９脚):在访问外部程序存储器时,此端输出低电平,作为外部程序存储器

的读选通信号.

③EA/VPP(３１脚):为内部程序存储器和外部程序存储器的选择控制信号.为１时,

访问内部程序存储器,并可延至外部程序存储器;为０时,访问外部程序存储器.在对

８７５１的 EPROM 编程时,第二功能 VPP是编程电压(２１V)的输入端.

④RST/VPD(９脚):复位信号输入端,用以完成单片机的复位初始化操作.第二功能

VPD是备用电源输入端,当主电源 VCC端口断电期间,备用电源经 VPD 端向片内 RAM 供

电,保证存储在 RAM 中的数据不致丢失.

(三)数制

１? 二进制数

计算机内部的基本工作电路是组合逻辑电路和时序逻辑电路,按高低电平和二进制

规律工作.计算机处理和存储的信息都是二进制信息,并以８位二进制数为一个单位,

称为一个字节(byte,简写为 B).对于一个较大的信息,可以由若干个字节组成.以二进

制数表示的数据或指令,是计算机可以直接使用的,故称为机器数,也称机器码.

数字信号不是高电平就是低电平,因此,可以对数字信号赋值.例如,低电平数字信

号可规定为０,而高电平数字信号则规定为１.对数字信号赋值称作二进制编码.在汽

车电脑中,以二进制代码传输信息.状态、数量及文字等都可以用一系列的０和１表示.

很多 输 入 传 感 器 的 工 作 电 压 为 ０~５ V.节 气 门 位 置 传 感 器 (throttleposition

sensor,TPS)所能产生的电压为:关闭节气门为０~２V,部分开启节气门为２~４V,大

开节气门为４~５V.

电脑可以规定０~２V 为１,２~４V 为２,４~５V 为３.

注:二进制代码是对数字信号的数值贴合.

２? 十六进制数

在对计算机输入数据、指令码时,如采用二进制数,则位数太多,使用比较麻烦.在

单片机上常用十六进制数.十六进制数是微型计算机软件编程时常采用的一种数制,其

由０、１、２、３、４、５、６、７、８、９、A、B、C、D、E、F等１６个数符构成,其中 A、B、C、D、E、F分别代

表十进制数的１０、１１、１２、１３、１４、１５.

十六进制数的进位规则是“逢十六进一”.一般在数的后面加字母 H 表示是十六进

制数.８位二进制数“００００００００~１１１１１１１１”,可用２位十六进制数“００H~FFH”一一对

应表示.当然,十六进制数进入计算机后要经专门的电路和软件转换为二进制数供计算

机使用.在人工输入数据时,如果数据是十进制数,一般应先人工转换为十六进制数,然

后再输入.

６

(四)汽车电脑控制系统的特点

(１)具有高的工作可靠性.

(２)具有良好的抗振性、抗腐蚀性、抗污染性.

(３)能在温度大范围变化的情况下正常工作.

(４)具有抗强电磁干扰的能力.

(５)能在电压波动较大的情况下正常工作.

(６)智能化,自诊断.

二、汽车电脑的工作过程

闭合点火开关后,车载电源加到电脑电源电路,输出＋５V 电源给ECU 供电,在时钟

和复位电路正常工作下,开始自检;自检完后,接受输入信号,计算处理后,输出驱动信

号,控制执行器.

三、汽车电脑的故障检测

(一)汽车电脑控制电路检查

在动手检修电脑之前,要先对电脑的控制电路(即外电路)进行检查,排除电路中的

故障.因为如果外电路存在故障,容易造成对电脑进行误修,即使修好了或是换用一块

新电脑板,还会因为外电路的故障而造成电脑损坏.

外电路故障排除后,如果确定是电脑损坏,可对电脑板进行检修.

(二)电脑故障检测方法

汽车电脑主要由电源部分、CPU、存储器、输入/输出电路等几部分组成.

１? 电源故障

一般是因为就车充电时,充电电压调整得过高,或极性接反,或发动机在运转过程中

接头松脱造成发电机直接给电脑板供电等.这种情况一般会烧坏大功率稳压二极管等

元件,更换即可,比较容易修复.

２? 输入/输出电路故障

一般是放大电路元件烧坏,有时是由电路板上线路烧断造成的.

３? 存储器故障

当存储器发生故障时,可进行更换,需买一只同型号的空白芯片,通过编程器将原来

存储器中的程序内容读出来,再写入空白芯片中去,可复制出新的芯片,再将新的芯片装

入电脑.

４? 特殊故障

如被水浸过的车辆,电脑板会出现腐蚀,造成元件引脚断路、粘连或元件损坏,可逐

一检查修复或更换元件.

７

(三)汽车电控单元的故障自诊断

现代汽车微机控制系统具有自诊断的功能.所谓自诊断,就是对车辆单独的电控单

元进行检测,比如对发动机、变速器、ABS和仪表等控制单元进行检测.当电控单元出现

故障时,这里以发动机电控系统为例,此时故障灯会点亮,同时 ECU 将故障码输入存储

器,通过一定程序,故障码可以从 ECU 中调出,根据故障码显示的内容迅速准确地确定

故障位置.

任务二 车载网络技术概述

一、车载网络技术的诞生

(一)线束

在汽车技术发展处于单系统的汽车单片机控制时代,特别是早期生产的汽车,车上

只安装１个电子控制单元,其信息传输量较少,电子控制系统的传感器、电子控制单元和

执行器之间的连接线束的数量还不太多,分别布线还可接受.装备１个电子控制单元的

汽车内部线束数量如图１Ｇ５所示.

图１Ｇ５ 装备１个电子控制单元的汽车内部线束数量

随着汽车技术的进步和消费者需求的提高,特别是进入２１世纪以来,汽车电子技

术迅猛发展并在汽车上广泛应用,汽车电子化程度越来越高.从发动机控制到传动系

统控制,从行驶、制动、转向系统控制到安全保障系统及仪表报警系统,从电源管理到

为提高舒适性而做的各种努力,汽车电子系统已经形成了一个复杂的大系统,如图１Ｇ６

所示.

８

图１Ｇ６ 复杂多控制单元的汽车单片机控制系统

这些系统除了各自的电源、传感器和执行器外,还需要互相通信,且信息传输量急剧

加大.对于复杂控制系统,如果在各个控制单元之间依然采用传统的布线方式,连接线

束的数量将急剧增加,如图１Ｇ７所示.庞大的线束、插接器会降低车辆电气系统的可靠

性,使故障率升高.导线数量的增加还会造成如下影响:(１)整个汽车的布线十分复杂,

一根线束包裹着几十根导线的现象很普遍.(２)占用空间,使得在有限的汽车空间内布

线越来越困难,限制了其功能的扩展.(３)降低汽车的可靠性.(４)增加维修的难度.一

般情况下线束都装在纵梁下等看不到的地方,一旦线束出现问题,查找相当麻烦.(５)增

加油耗.在一些高级轿车上,导线的质量占整车质量的４％左右,导线质量每增加５０kg,

油耗会增加０?２L/(１００km).(６)成本高.电控单元并不是仅仅与负载设备简单地连

接,更多的是与外围设备及其他电控单元进行信息交流,并经过复杂的控制运算发出控

制指令,按传统的连接方式,线束成本较高.

综上所述,随着车用电气设备的数量越来越多,从发动机控制到传动系统控制,从行

驶、制动、转向系统控制到安全保障系统及仪表报警系统,从电源管理到提高舒适性,汽

车电气系统成为越来越复杂的系统,并且都集中在驾驶室控制,使得汽车新技术的发展

应用与汽车线束数量及线径急剧增加的矛盾相当突出.为简化线路,提高信息传输的速

度和可靠性,降低故障率,一种新的信息传输技术———车载网络技术应运而生,如控制器

局域网(controllerareanetwork,CAN)、局 部 连 接 网 络 (localinterconnectnetwork,

LIN)和局域网(localareanetwork,LAN)等.

图１Ｇ７ 装备３个电子控制单元的汽车内部线束数量

９

一辆汽车不管有多少个电控单元,每个电控单元都只需引出两条线共同接在两个节

点上,这两条导线称为数据总线,也称网线.采用车载网络可减小线束尺寸、降低成本、

减少插接器的数量,同一款车同等配置下,可以大大简化汽车线束;可以进行设备之间的

通信,增加功能;通过信息共享,可以减少传感器信号的重复数量.总线方式布线如图１Ｇ８

所示.

图１Ｇ８ 总线方式布线拓扑图

(二)汽车数据传输总线简介

所谓数据传输总线,就是指在一条数据线上传递的信号可以被多个系统共享,从而

最大限度地提高系统的整体效率,充分利用有限的资源.

(三)数字总线信号传递方式

汽车上传统的信息传递方式是每项信息都需要独立的数据线完成,即有几个信号就

要有几条信号传输线.例如,宝来轿车发动机电控单元J２２０ 与自动变速器电控单元

J２１７之间就需要５条信号传输线,如图１Ｇ９所示.传递的信号项目越多,则需要越多的

信号传输线.采用传输总线后,只需要１根或２根传输线即可,如图１Ｇ１０所示.

图１Ｇ９ 传统信号传递方式

１０

图１Ｇ１０ 数字总线信号传递方式

总线系统上并联有多个元件,这就要求整个系统的布置应满足以下要求:(１)可靠性

高.传输故障(无论是由内部还是外部引起的)应能被准确识别出来.(２)使用方便.当

某一个控制单元出现故障时,其余系统应尽可能地保持原有功能,以便进行信息交换.

(３)数据密度大.所有控制单元在任一瞬时的信息状态均相同,使两个控制单元之间不

会有数据偏差.如果系统的某一处有故障,那么总线上所有连接的元件都会得到通知.

(４)数据传输快.连成网络的各元件之间的数据交换速率必须很快,这样才能满足实时

要求.

采用总线传输(多路传输)的优点为:(１)简化线束,减轻质量,减少成本,减小尺寸,

减少连接器的数量;(２)可以进行设备之间的通信,丰富了功能;(３)通过信息共享,可以

减少传感器信号的重复数量.

二、车载网络技术的发展史

早在１９６８年,艾塞库斯就提出了利用单线多路传输信号的构想.

从１９８０年起,汽车内开始装用网络.

从１９８３年起,丰田公司在世纪牌汽车上采用了应用光缆的车门控制系统.

从１９８６年起,在车身系统上装用了铜线传输媒介的网络,并在日产和通用公司汽车

的控制系统中得到应用.

２０世纪８０年代末,博世(BOSCH)公司和Intel公司研制了专门用于汽车电气系统

的总线———控制器局域网(CAN)规范.

接着,美国汽车工程师学会(SAE)提出了J１８５０通信协议规范.

２０世纪９０年代,由于集成电路技术和电子器件制造技术的迅速发展,用廉价的单片

机作为总线的接口端,采用总线技术布线的价格逐步降低,总线技术布线进入了实用化

阶段.能够实现多种控制功能的计算机集中管理系统逐步取代以前各自独立的电子控

制系统,初步实现了汽车控制技术从常规、单一的电子控制系统向全面、综合电子控制系

统的过渡.桑塔纳２０００型乘用车综合电控系统的构成如图１Ｇ１１所示.

１１

图１Ｇ１１ 桑塔纳２０００型乘用车综合电控系统的构成

随着汽车电子技术的发展,欧洲提出了控制系统的新协议———时间触发协议(time

triggeredprotocol,TTP).

随着汽车信息系统对网络传输信息量 要 求 的 不 断 提 高,家 用 数 字 总 线 (domestic

digitalbus,DDB)协 议 和 面 向 媒 体 的 系 统 传 输 (mediaorientedsystem transport,

MOST)协议先后出现.

２０００年后,车载网络得以进一步细分,低端 LIN 产生.

目前,多路总线传输技术在国内外已被成功地运用到各种品牌汽车上,如奔驰、宝

马、大众、奥迪、通用、丰田、本田、日产、马自达、三菱、雪铁龙、保时捷、美洲豹等.

电子控制技术在汽车上的广泛应用,不仅拓展了电子控制的功能和控制内容,提高

了控制精度和汽车性能,也为车载网络技术的发展奠定了坚实的基础.

２０００年以后,进入了整车联网层次的汽车网络化时代,采用先进的单片机技术和车

载网络技术,形成了汽车上的分布式、网络化的电子控制系统.整车电气系统被连成一

个多电子控制单元、多节点的有机整体,使其性能更加完善.

目前,世界主要汽车制造商生产的大多数汽车上采用了以 CAN、LIN、DDB、MOST

等为代表的网络控制技术,如图１Ｇ１２、图１Ｇ１３所示,将车辆控制系统简化为节点模块.在

基于现场总线的分布式控制中,任何传统意义上的传感器和执行器都可以与同一现场的

节点组合,构成节点模块.车载网络技术进一步优化了汽车的控制系统,极大地提升了

汽车的整体控制水平.

１２

图１Ｇ１２ 宝马 E６０车载网络系统 图１Ｇ１３ 奥迪 A４车载网络系统

任务三 车载网络系统基础知识

车载网络技 术 是 汽 车 电 子 控 制 技 术 与 现 场 总 线 技 术、计 算 机 网 络 技 术 相 结 合 的

产物.

一、车载网络系统的功能

(一)多路传输功能

为了减少车辆电气线束的数量,多路传输通信系统可使部分数字信号通过共用传输

线路进行传输.系统工作时,由各个开关发送的输入信号通过 CPU 转换成数字信号,该

数字信号以串行信号方式从传感器传输给接收装置,发送的信号在接收装置处转换为开

关信号,再由开关信号对有关元件进行控制.

(二)唤醒和休眠功能

唤醒和休眠功能用于减少关闭点火开关时蓄电池的额外能量消耗.当系统处于休

眠状态时,多路传输通信系统将停止诸如信号传输和 CPU 控制等功能,以节约蓄电池的

电能;当有人操作系统时,处于休眠状态的有关控制装置立即开始工作,同时还将唤醒信

号通过传输线路发送给其他控制装置.

(三)失效保护功能

失效保护功能包括硬件失效保护功能和软件失效保护功能.当系统的 CPU 发生故

障时,硬件失效保护功能使其以固定的信号进行输出,确保车辆能继续行驶;当系统某控

制装置发生故障时,软件失效保护功能不受来自有故障的控制装置的信号影响,保证系

统能继续工作.

(四)故障自诊断功能

故障自诊断功能包括多路传输通信系统的自诊断模式和各系统输入线路的故障自

诊断模式,既能对自身的故障进行自诊断,又能对其他系统进行故障诊断.

１３

二、车载网络系统的特点

汽车网络信息传输方式是利用数据总线将汽车上的各个功能模块(电控单元等)连

接起来,形成汽车信息传输网络系统.发送数据和控制信号的功能模块将数据和控制信

号以编码的方式发送到同一根总线上,接收数据和控制信号的功能模块通过解码获得相

应的数据和控制命令(或某个开关动作).总线每次只传送一个信息,多个信息分时逐个

(串行)传输.其传输特点如下:(１)由于用一根总线替代了多根导线,减少了导线的数量

和线束的体积,简化了整车线束,线路成本和质量都有所下降.(２)由于减少了线路和节

点,信号传输的可靠性得以提高,并提高了整车电气线路的工作可靠性.(３)改善了系统

的灵活性,通过系统软件即可实现控制系统功能变化和系统升级.(４)网络结构将各控

制系统紧密连接,达到数据共享的目的,各控制系统的协调性可进一步提高.(５)可为诊

断提供通用的接口,利用多功能测试仪对数据进行测试与诊断,方便维修人员对电子系

统进行维护和故障检修.(６)便于后续开发.采用开放式的车载网络技术,为后续技术

的开发留有充分的余地,随着技术的进步,新的电子控制系统可以很方便地融入已有的

系统之中,不必对现有系统进行太大的改动.(７)便于实现控制器与执行器的就近安装,

甚至可以采用控制器与执行器的一体化安装,进一步节省了安装空间,提高了控制的实

时性和精度,从而实现了良性循环.

三、车载网络系统常用的基本术语

网络系统中有许多计算机专用术语,如局域网、数据总线、网络、通信协议、数据传

输、网关、仲裁和终端电路等.

(一)局域网

局域网络是在一个有限区域内连接的计算机的网络,简称“局域网”.一般这个区域

具有特定的职能,通过局域网实现系统内的资源共享和信息通信.连接到网络上的节点

可以是计算机、基于微处理器的应用系统或智能装置.汽车上的网络是局域网与现场总

线之间的一种结构,其数据传输速度一般为１０~１０３kb/s,传输距离在几十米.

(二)现场总线

现场总线是在工业过程控制和生产自动化领域发展起来的一种网络体系,是在过程

现场安装在控制室先进自动化装置中的一种串行数字通信链路.该系统是用于过程自

动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络,是现场通信网络与控

制系统的集成.

(三)数据总线

数据总线是模块间运行数据的通道,即所谓的信息高速公路,可以实现在一条数据

线上传递的信号被多个系统(控制单元)共享,从而最大限度地提高系统的整体效率,充

分利用有限的资源.例如,常见的电脑键盘上有１０４个键,可以发出１００多个不同的指

令,但键盘与主机之间的数据连接线只有７根,键盘依靠这７根数据线上不同的电平组

１４

合(编码信号)传递信息.把这种方式应用在汽车电气系统上,可以大大简化汽车电路.

通过不同的编码信号表示不同的开关动作,信号解码后,根据指令接通或断开对应的用

电设备(前照灯、刮水器、电动座椅等).这样,就能将过去一线一用的专线制改为一线多

用制,大大减少了汽车上电线的数目,缩小了线束的直径.当然,数据总线还使计算机技

术融入了汽车系统中,加速了汽车智能化的发展.

各汽车制造商一直在设计各自的数据总线,如果不兼容,就称为专用数据总线;如果

按照某种国际标准设计生产,就是非专用数据总线.为使不同厂家生产的通过数据总线

连接在一起的零部件能在同一辆汽车上协调工作,必须制定相应的标准.

(四)模块/节点

模块就是一种电子装置,简单的如温度和压力传感器,复杂的如计算机(微处理器).

传感器是一个模块装置,根据温度和压力的不同产生不同的电压信号,这些电压信号在

计算机的输入接口(一种数字装置)转变成数字信号.在计算机多路传输系统中,一些简

单的模块称为节点.

(五)多路传输

多路传输是指在同一通道或线路上同时传输多条信息.常规线路系统与多路传输

系统的车门控制单元如图１Ｇ１４所示.事实上,数据信息是依次传输的,但速度非常快,似

乎是同时传输的.对人来说,０?１s是非常短的时间,但即使对１台运算速度相对慢的计

算机,０?１s也是很长的时间.如果将０?１s分成若干段,许多单个数据都能被传输(每一

段时间传输一段数据),这就称为分时多路传输.

由图１Ｇ１４可以看出,多路传输系统所用电线比常规线路系统少得多.汽车上用的

是单线或双线分时多路传输系统,ECU 可以触发仪表板上的警告灯或故障指示灯等,

由于多路 传 输 可 以 通 过 一 根 线 (数 据 总 线)执 行 多 个 指 令,因 此 可 以 增 加 许 多 功 能

装置.

１５

图１Ｇ１４ 常规线路系统与多路传输系统的车门控制单元

(六)网络

为了实现信息共享而把多条数据总线连在一起,或者把数据总线和模块当作一个系

统,称为网络.从物理意义上讲,汽车上许多模块和数据总线距离很近,因此称之为局域

网.根据网络的结构,车载网络分为总线形网、星形网和环形网三种.

(七)网关

因为车上有很多总线和网络,必须用一种有特殊功能的计算机达到信息共享和不产

生协议间的冲突的目的,实现无差错数据传输,这种计算机称为网关.上海大众途安轿

车 CAN 数据总线如图１Ｇ１５所示,其中J５３３为网关.

图１Ｇ１５ 上海大众途安轿车 CAN 数据总线

(八)控制器局域网

控制器局域网(CAN)是国际上应用得最广泛的现场总线之一.最初,CAN 作为汽

车环境中的微控制器通信总线,在车载各电子控制装置 ECU 之间交换信息,形成汽车电

１６

子控制网络,如发动机管理系统、变速器控制器、仪表装备、电子主干系统中,均嵌入了

CAN 控制装置.

(九)通信协议

两个实体模块要成功地通信,必须“说同样的语言”,并按既定控制法则保证相互的

配合.具体地说,在通信内容、通信方式以及通信时间等方面,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.协议可定义为在两实体间

控制信息交换的规则集合.

１? 通信协议的主要内容

(１)在一个简单的通信协议中,模块不分主从,根据规定的优先规则,模块间相互传

递信息,并且都知道该接收什么信息.

(２)一个模块是主模块,其他则为从属模块,根据优先规则,主模块决定哪个从属模

块发信息以及何时发送信息.

(３)所有的模块都像旋转木马上的骑马人,一个上面有“免费卷”挂环的转圈绕着它

们旋转.当一个模块有了有用的信息后,它便抓住挂环挂上这条信息,任何一个需要这

条信息的模块都可以从挂环上取下这条信息.

(４)通信协议中有个仲裁系统,通常这个系统按照每条信息的数字拼法为各数据传

输设定优先规制.

２? 通信协议的三要素

(１)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(或标题)字段、命令和应答的结构.

(２)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.

(３)定时规则:指出事件的顺序以及速度匹配、排序.

３? 常用通信协议

目前,汽车多路信息通信系统中采用的通信协议主要有８种,如表１Ｇ２所示.

表１Ｇ２ ８种典型的通信协议

序号 通信协议名称 推荐或实施单位

１ CAN 奔驰、英特尔、博世、SAE、ISO/TC２２/SC３/WG１

２ BASICCAN 飞利浦、博世

３ ABUS 大众

４ VAN 雷诺、标致、雪铁龙、ISO/TC２２/SC３/WG１

５ HBCC 福特、SAEJ１８５０

６ PALMNET 马自达、SAE

７ DLCS 通用

８ CCD 克莱斯勒、SAE

注:ISO 为国际标准化组织.

１７

除以上８种通信协议之外,还有其他协议,如宝马公司(BMW)于１９９４年提出的集

中式网络协议、阿尔法?罗密欧公司的集中式网络协议、卢卡斯(Lucas)公司的光学分布

式星形耦合器系统、日立公司的集中式光学单纤维双向通信、飞利浦公司的分布式网络

协议等.

到目前为止,世界上尚无一个可以兼容各大汽车公司通信协议的通用标准,也就是

说,想用某个公司的通信协议取代其他公司的协议,是很难做到的.因此,在汽车上就形

成了多种类型的多路通信系统共存的局面.

(十)传输仲裁

当出现数个使用者同时申请利用总线发送信息时,会发生数据传输冲突,好比同时

有两个或多个人想过独木桥一样.传输仲裁是为了避免数据传输冲突,保证信息按其重

要程度发送.

(十一)架构

网络特定的通信协议称为架构,架构在其输入端和输出端分别规定能进和能出的信

息.架构通常包括１条或２条线路.采用双线传输数据时,数据的传输基于两条线的电

位差;采用１条线传输数据时,对搭铁有参考电压.

(十二)集线器

集线器(hub)相当于一个有多个端口的中继器,其功能是随机选出某一端口的设备,

并让它独占全部带宽,与集线器的上联设备(如交换机、路由器或服务器)进行通信.集

线器分为无源集线器、有源集线器、智能集线器和交换式集线器.无源集线器只将传输介

质连接在一起,从一个端口接收数据,然后向所有端口广播.有源集线器具有支持多种传

输介质、信号放大、检测和修复数据等功能.智能集线器除具有有源集线器的全部功能外,

还有网络管理等智能化功能.交换式集线器可均衡网络负载和提高网络可用带宽.

(十三)子总线

子总线是指从主总线分出至电控单元或传感器的线束.

(十四)主总线

主总线是指总线(通信线路)中两个终端电路间的线束,是 CAN 通信系统中的主

总线.

(十五)终端电路

终端电路是将 CAN 通信电流转换成总线电压而设置的电路,由电阻器和电容器组

成.在一条总线上需要两个终端电路.CANJ/C是为 CAN 通信设计的插接器,用于存

储终端电路.

四、现场总线与车载网络

(一)现场总线

在２０世纪８０年代产生了主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构

１８

等现场设备之间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间信息传输功能

的通信网络,即现场总线,并形成了一些现场总线技术标准.现场总线是一种工业数据

通信总线,主要用于过程自动化控制(如冶金、啤酒酿造)、制造自动化控制(如机械加

工)、楼宇自动化控制等领域.

与传统的控制系统相比,使用现场总线可以节省硬件数量和投资,节省安装和维护

费用,用户具有高度的系统集成主动权,提高了经济性和可靠性,易于标准化和模块化,

使设计和重构更加容易.

目前,汽车上广泛使用的 CAN 总线就可以归为现场总线类网络,但同时又有其自身

的一些特点.车载网络系统不仅有 CAN 总线和 LIN 总线这样的控制网络,还有多媒体

影音娱乐信息网络,如 DDB、MOST 等.目前,汽车电子控制系统中应用得最广泛的是

CAN 总线.

(二)现场总线的组成

现场总线由两大部分组成,即数据传输线和节点,如图１Ｇ１６所示.

图１Ｇ１６ 现场总线的基本组成

在总线系统中,节点包括控制单元和总线辅助设备.控制单元由一个控制器、一个

滤波器、一个收发器、两个数据传输终端组成,如图１Ｇ１７所示.与传统汽车单片机控制系

统的控制器 ECU 相比,控制单元在硬件上多了专门的总线接口装置(如 CAN 总线接

口),并有相应的软件即通信标准的支持.

图１Ｇ１７ 现场总线中的控制单元

在现场总线系统中,传统意义上的传感器、执行器称为总线辅助装置.同一现场的

一个或多个辅助装置与控制器(控制单元)组合,构成节点(也称为总线模块),如图１Ｇ１８

所示.

１９

图１Ｇ１８ 现场总线中的节点

(三)现场总线的工作原理

１? 节点和单片机控制系统的区别

节点和传统的单片机控制系统表面上看有一些类似,如都有传感器、控制器(控制单

元)和执行器,但是二者在本质上是完全不同的系统.节点和单片机控制系统最大的区

别是:一个节点的各传感器和执行器可以分属于不同的控制系统,即传感器信号对于本

节点控制的执行器不一定是有用信号,节点只负责把传感器的信息发送到总线上;而该

执行器所需的传感器信号也不一定与该执行器在同一节点上,控制单元可以从总线上获

得该控制系统所需的传感器信号.即在现场总线中,节点信息的发布和获取是自由的和

开放的.

２? 节点构成原则

传感器和执行器需要放在一个节点上,有两个最重要的原则.

(１)要求构成一个节点的传感器和执行器安装在一起或距离很近,称为同一现场原

则.如奔驰 W２２０的左前转向灯和左前照灯在一个节点(左前控制单元)上,而右前转向

灯和右前照灯又在一个节点(右前控制单元)上.大众汽车的转向柱模块(节点)上包括

转向柱附近的所有开关,这样可以使布线简单,因此汽车总线的应用使汽车线束大为

减少.

(２)要求传感器信号和执行单元的控制信号必须满足该控制系统实时控制的要求.

如果实时时间很短,总线信息传输速度不能满足其要求,则传感器和执行器就必须与控

制器放在一个节点内.

例如,在大众速腾汽车的电源管理系统中,中央电器控制单元J５１９作为中央电器

控制网络系统的一个节点,可以实现电源管理、车外灯控制、车内灯控制、仪表照明及

灯光亮度调节、转向信号控制、接线柱控制、前/后风窗玻璃的刮水器控制、燃油泵电源

的接通与断开、发电机励磁、后风窗加热等十几种功能,控制功能十分丰富,如图１Ｇ１９

所示.

２０

图１Ｇ１９ 大众速腾汽车的电源管理系统

３? 节点工作原理

现场总线是网络系统,本质上与Internet一样,每一个节点与网络上的计算机一样,

都可以向网络发送信息,也可以接收网络信息.节点可以根据这些信息决定控制策略,

向执行器发送指令.各节点之间的关系是平等的,节点的信息(包括所有传感器信息和

控制信息)是共享的.

奔驰S级２２１网络中的传感器节点Ｇ点火开关节点如图１Ｇ２０所示.现场总线的工作

过程为:节点１是一个传感器节点,控制单元的任务是将传感器信号转换为符合总线协

议(如 CAN)的数据,以串行通信的方式发送到网络上.每个信息称为一帧,以固定的周

期(循环往复)发送到网络上.奔驰 S级２２１的点火开关节点(点火开关控制单元 N７３)

就是一个这样的模块,其主要作用是将点火开关信息发送到网络上.节点２是一个执行

器节点,控制单元从总线上获得控制系统的传感器信息,然后进行决策并给执行装置发

送指令,同时还可以将控制信息发送到网络上.节点１和节点２这样的节点在现场总线

控制系统中应用得非常普遍,也非常适合标准化生产.理论上,现场总线中的每个传感

器和执行器都可以单独与控制器结合构成节点,有时也称之为智能传感器和智能执行

装置.

基于成本等因素的考虑,通常把处于同一现场的多个传感器和执行器与控制单元相

结合组成节点(总线模块),并通过数据线将各节点连接起来构成现场总线.

节点３是具有多个传感器和执行器的节点,这些传感器和执行器可以分属于不同的

控制系统.控制单元接收总线上的信息和节点上传感器的信号,然后进行决策,并给执

行器发送指令,同时可以将传感器信息和控制信息发送到网络上.

２１

A１—组合仪表;A４０/３—驾驶室管理及数据系统控制装置;A４０/９—前部中央操作装置;

S１６/５—自动变速器换挡规律选择开关;A８０—智能换挡控制单元;Y３/８n４—自动变速器控制装置;

N９３—中央网关控制单元;X１１/４—数据链路插接器;N３/１０—发动机控制单元;N７３—点火开关控制单元;

A７/３—ABS控制单元;S１６/１３—换挡开关;N８０—转向柱控制单元;

S１１１/２—右侧转向盘换挡按钮;S１１０/２—左侧转向盘换挡按钮;A—远程信息处理 CAN;

C—动力系统 CAN;D—诊断系统 CAN;E—底盘系统 CAN;F—中央系统 CAN.

图１Ｇ２０ 奔驰S级２２１网络中的传感器节点Ｇ点火开关节点

任务四 车载网络系统的分类及应用

一、车载网络的分类

(一)按网络拓扑结构分类

网络的拓扑结构(topologicalstructure)是指网上计算机或设备与信息传输介质形成

的节点与数据传输线的物理构成模式.车载网络的拓扑结构主要有总线形结构、星形结

构、环形结构等几种.

１? 总线形拓扑结构

在两根总线上多个节点并列连接,从其中一个节点能同时向所有节点进行传送呼叫,

２２

所有节点都通过相应硬件接口连接到两条公共总线上,任何一个节点发出的信息都可沿着

总线传输,并被总线上其他任何一个节点接收.这种结构中总线具有信息的双向传输功

能,普遍用于控制器局域网的连接,总线一般采用同轴电缆或双绞线,如图１Ｇ２１所示.

图１Ｇ２１ 总线形拓扑结构

总线形拓扑结构的优点是:安装简单,扩充或删除一个节点很容易,不需停止网络的

正常工作,节点的故障不会殃及整个系统.由于各个节点共用一个总线作为数据通路,

信道的利用率高.但总线形拓扑结构也有其缺点:由于信道共享,连接的节点不宜过多,

并且总线自身的故障可以导致整个系统的崩溃.

车载网络多采用这种结构,应用在 CAN 总线系统中.动力 CAN 数据总线(高速)速

率为５００kb/s,用于动力系统和底盘系统数据总线;舒适 CAN 数据总线(低速)速率为

１００b/s,用于将中央门锁系统、车门玻璃升降系统等联网.

２? 星形拓扑结构

星形拓扑结构是以中央节点控制数据传输的网络方式,即以一台中心处理机为主组

成的网络,中心处理机接收从各个节点来的数据,并进行处理,再向各个节点发出指令,

把若干外围节点连接起来的辐射式互联结构,如图１Ｇ２２所示.这种结构适用于局域网.

图１Ｇ２２ 星形拓扑结构

２３

星形拓扑结构的特点是:结构简单,安装容易,费用低,通常以集线器作为中央节点,

便于维护和管理.中央节点的正常运行对网络系统至关重要,中央节点负载重,扩充困

难,信道(线路)利用率较低.

由于车载网络的应用目的之一是简化线束,所以这种结构不可能成为整车网络的结

构,只在某一总成或系统上使用.宝马车系的安全气囊系统采用的是星形拓扑结构.

３? 环形拓扑结构

环形拓扑结构是将节点连接成环形,顺次进行数据传输,将被传送的信息数据进行中

转,直至到达需要的节点为止.环形网络中的信息传输是单向的,即沿一个方向从一个节

点传到另一个节点;每个节点需安装中继器,以接收、放大、发送信号,如图１Ｇ２３所示.

图１Ｇ２３ 环形拓扑结构

图１Ｇ２４ 宝马车系影音娱乐系统的 MOST结构

环形拓扑结构的优点是:结构简单,建

网容易,便于管理;缺点是:当节点过多时,

将影响传输效率,不利于扩充,某一个节点

发生故障时,整个网络就不能正常工作.

奥迪 和 宝 马 车 系 的 影 音 娱 乐 系 统 的

MOST 总线 即 为 环 形 拓 扑 结 构,如 图 １Ｇ２４

所示,通过光脉冲传输数据,且只能朝一个

方向传输数据.光缆用作传输媒介可以传

输各种 数 据 (如 控 制 信 息、音 频 和 图 像 数

据),并提供各种数据服务.

(二)按信息传输速率分类

目前汽车网络标准很多,且侧重功能各

不相同.为方便研究和设计应用,SAE将汽

车数据传输网分为 A、B、C、D、E五种类型.

按照系统的复杂程度、信息量、必要的

动作响应速度、可靠性要求等,车载网络系

统又可以分为低速(A)、中速(B)、高速(C、

D、E)三类,如图１Ｇ２５所示.

２４

图１Ｇ２５ 车载网络系统的分类

就目前的技术水平而言,以上几种网络技术在汽车上多采用组合方式,即车身和舒

适性控制单元都连接到低速 CAN 总线上,并借助于 LIN 总线进行外围设备控制.而汽

车高速控制系统通常会使用高速 CAN 总线将其连接在一起.

远程信息处理和多媒体连接需要高速互连,且数据传输量大,视频传输需要同步数

据流格式,因此,影音娱乐信息、多媒体系统多采用 DDB或 MOST 总线.无线通信则通

过蓝牙(bluetooth)技术加以实现.

随着技术的不断进步,在未来的５~１０年,时间触发协议(TTP)和 FlexRay将得到

广泛使用,使车载网络技术得到一次脱胎换骨的提升.

但是时至今日,仍没有一个通信网络可以完全满足未来汽车的所有成本和性能要

求.因此,在车载网络系统中,多种总线、协议并存,各自发挥自身所长,彼此协同工作的

局面还将继续存在下去.

二、车载网络技术的实际应用

下面介绍几种车载网络技术的典型应用方案.

(一)A 类网络系统的应用

如图１Ｇ２６所示的汽车防盗报警系统是典型的 A 类网络系统(LIN 总线系统)应用实

例.由于车门开关及行李箱开关等信号只在一定的情况下(窃贼试图撬开车门或行李

箱)产生,正常时没有信号,所以对数据传输速率要求极低,低速 A 类网络能充分满足系

统要求,并且和传统的系统设计相比,大大减少了车身线束,设计更为简单、方便.

２５

图１Ｇ２６ 汽车防盗报警系统

(二)B类网络系统的应用

当大量共享数据需要在车内各个控制单元间进行交换时,A 类网络系统不再胜任,

可采用 B类网络系统.由 CAN 组成的典型 B 类网络系统如图 １Ｇ２７ 所示.采用基于

CAN 总线的 B类网络系统后,车辆信息中心和组合仪表单元无须单独连接液位、温度、

车灯、车门及安全带等信号传感器,就能从总线上获取上述信息,大大减少了传感器和其

他电子部件的数量,有效节约了安装空间和系统成本.

图１Ｇ２７ 基于 CAN 总线的 B类网络系统

(三)A、B两类网络系统的组合

通常 A 类网络系统不单独使用,而是和 B类网络系统组合使用,如图１Ｇ２８所示.在

组合应用方案中,将 A 类网络通过车身计算机(网关)连接到 CAN 总线组成的 B类网络

中,使得该 A 类网络系统成为 CAN 总线的一个节点,这样无须在各传感器/执行器部件

上安装 CAN 控制器件,就能使信号在 CAN 总线上传输,有效利用了 A 类网络成本低的

优点.

２６

图１Ｇ２８ A、B两类网络系统的组合应用

(四)C类网络系统的应用

为进一步减少车身线束,方便故障诊断,满足主要电子控制单元或系统间大量数据

信息实时交换的需要,使汽车各方面性能趋于最佳状态,则需建立基于 CAN 总线的 C类

网络系统.在如图１Ｇ２９所示的 C类网络系统方案中,CAN 总线有效地将发动机控制系

统、驱动防滑控制系统及巡航控制系统等连接成为一个综合控制系统,使整车性能得到

大幅度提高.

CAN 是一种多主总线,支持分布式实时控制的通信网络.其通信介质可以是双绞

线、同轴电缆或光纤.在汽车发动机控制部件、传感器、驱动防滑系统等应用中,总线的

数据传输速率最大可达１Mb/s.

图１Ｇ２９ 基于 CAN 总线的 C类网络系统

２７

★任务实施

汽车车载网络系统实车认识

学 院 专 业

姓 名 学 号

小组成员 组长姓名

实训目标:

１? 能够依据接待要求,独立完成接待准备工作.

２? 能够说出实车上应用的车载网络系统的分类.

３? 能够根据客户的咨询信息,根据维修手册说出实车车载网络系统的具体应用.

４? 能够根据维修手册中的技术标准,结合客户车辆配置情况,独立找到汽车常用网络系统的安装部位.

５? 能够使用常用工具,与他人合作规范地完成汽车网络系统基本认识及检测工作.

６? 养成与他人协作的习惯,培养良好的人际交往能力.

一、接受工作任务 成绩:

汽车服务站新接收了一辆待保养车辆,据车主反映,该车上应用了车载网络系统,但他对这方面

不是特别了解.技师王强首先委派学徒工石磊向客户详细介绍该车车载网络具体的应用,在介绍过

程中要求石磊对车辆上应用的车载网络系统等情况进行记录.

二、信息收集 成绩:

１? 客户信息登记:进店时间: 月 日 时,客户姓名: ,电话: .

２? 客户车辆登记:车型: ,车牌号码: ,车辆的 VIN(识别号码): .

３? 车辆进店时里程数: ,油量/电量: ,车上故障灯:□无 □有(说明并备

注一下) .

４? 车辆外观检查情况:剐蹭痕迹:□无 □有(有的话标注在车辆登记表格中加以说明)

.

５? 车辆进店保养内容: .

６? 查找本车的维修手册 册,版本是 .

７? 本车保养是:□单人进行 □双人进行 □需要技术支持协助完成.

８? 本车相应的车载网络系统应用检查:□CAN □LIN □MOST.整车控制电路图:□完整

□不完整(若不完整,原因是: ).

９? 本次保养所用仪器设备准备情况:□齐全 □不齐全(若不齐全,原因是:

).

１０? 本次保养需要的时长为 .

１１? 本次保养后需要提供给客户的资料有:

.

１２? 本次保养后车辆清洗情况:□需要清洗 □不需要清洗.

２８

三、制订计划 成绩:

１? 请根据汽车车载网络系统实车应用认知规范及要求,制订车载网络系统应用的认知实训计划.

２? 请根据实训作业计划,完成小组成员任务分工.

操作人 监护人 作业注意事项

(１)实训开始前应摘掉各类饰品,换上实训服,长头发应挽起固定于脑后.

(２)整车实训时应确保点火开关处于 Lock位置,操作另有要求的除外.

(３)就车工作时,应施加驻车制动,除非特定操作要求置于其他挡位.

(４)举升车辆时应按照规范进行,避免发生意外事故.

(５)工具使用后,应清洁并归还原处.

检测设备/工具/材料

序号 名称 数量 清点

□已清点

□已清点

□已清点

□已清点

□已清点

□已清点

□已清点

□已清点

□已清点

２９

四、计划实施 成绩:

１? 请完成车载网络系统实车认识作业前检查及车辆防护,并记录信息.

(１)作业前维修手册查询.

作业内容:

作业结果:

(２)作业前车辆的检查.

作业内容:

作业结果:

(３)作业前检测工具的检查.

作业内容:

作业结果:

２? 请检查实车上 CAN 总线系统应用.

动力 CAN 总线系统

应用部位

各系统之间连接

方式框图

３０

舒适 CAN 总线系统

应用部位

各系统之间连接

方式框图

３? 请检查实车上 LIN 总线系统应用.

LIN 总线系统

应用部位

各系统之间连接

方式框图

３１

４? 请检查实车上其他总线系统应用.

总线系统

应用部位

各系统之间连接

方式框图

五、质量检查 成绩:

请实训指导教师检查本实训作业结果,并针对实训过程中出现的问题提出改进措施及建议.

序号 评价标准 评价结果

１ 保养作业前检查及车辆防护

２ 维修手册检查

３ 检测工具检查

综合评价 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆

综合评语

(作业问题及

改进建议)

３２

六、评价反馈 成绩:

１? 请根据自己在课堂中的实际表现进行自我反思和自我评价.

自我反思:

自我评价:

２? 实训成绩单.

项目 评分标准 分值 得分

接受工作任务 明确工作任务,理解任务在企业工作中的重要程度 ５

信息收集 完整、准确地收集信息 １０

制订计划

按照车载网络系统实车认知规范及要求,制订合适

的行动计划

１０

能协同小组人员安排任务分工 ５

能在实施前准备好所需要的工具和器材 ５

计划实施

规范地进行场地布置及工具检查 ５

识别实车上动力 CAN 总线系统应用 １０

识别实车上舒适 CAN 总线系统应用 １０

识别实车上 LIN 总线系统应用 １０

识别实车上其他总线系统应用 １０

质量检查 学生任务完成,操作过程规范 １０

评价反馈

学生能对自身表现情况进行客观评价 ５

学生在任务实施过程中发现自身问题 ５

得分(满分１００)

３３

★学习评价

１? 选择题

(１)发动机电子控制系统由空气供给系统、燃油供给系统和( )系统三部分组成.

A? 点火控制 B? 电子控制 C? 废气再循环 D? 二次空气喷射

(２)CCS是( )的代号.

A? 点火控制 B? 电子控制 C? 巡航控制 D? 二次空气喷射控制

(３)电子控制单元的代号是( ).

A?EFI B?ECU C?EGR D?ABS

(４)在汽车网络结构中,车身系统的控制单元可采用( )的总线连接.

A? 低速 B? 中速 C? 高速

(５)在汽车网络结构中,信息与车载媒体系统的控制单元可采用( )的总线连接.

A? 低速 B? 中速 C? 高速

(６)在汽车网络中,用( )来约定各模块的优先权.

A? 数据总线 B? 通信协议 C? 总线速度

(７)汽车网络大多属于( )拓扑结构的局域网.

A? 总线形 B? 星形 C? 环形

(８)关于使用车载网络技术的优点,下列说法不正确的是( ).

A? 布线简化,降低成本 B? 电控单元间交流更加简单和快捷

C? 传感器数目增多 D? 有利于进行故障检修

２? 填空题

(１)按SAE划分的车载网络协议标准中,A 类网络主要面向传感器、执行器控制,是

低速网络,主要应用于 、 、 和 .

(２)按SAE划分的车载网络协议标准中,B类网络主要面向独立模块间的数据共享,

是中速网络,主要应用于 、 、 和 .

(３)按SAE划分的车载网络协议标准中,C类网络主要面向高速、实时闭环控制的多

路传输网,该类网络适用于 .

(４)按SAE划分的车载网络协议标准中,D类网络主要面向 和 .

３? 判断题

(１)发动机电子控制系统的主要功能是控制发动机的空燃比和点火时刻.( )

(２)发动机电子控制系统还有自诊断等辅助功能.( )

(３)利用单片机的通信接口,可进行多机通信,也可组成网络系统.( )

(４)单片机一般带有串行口,有多级中断处理系统等.( )

(５)现代汽车车载网络系统可以实现信息共享、减少布线、降低成本和提高总体可靠

性.( )

３４

４? 简答题

(１)请列举电子控制技术在汽车中的应用实例.

(２)试展望一下汽车电子技术的发展趋势.

(３)车载网络系统有什么作用?

(４)请列举单片机的应用领域.

３５

★知识拓展

汽车电气系统内部采用基于总线的网络技术,可以达到信息共享、减少布线、降低成

本、提高系统可靠性的目的.鉴于此,各大汽车制造商在其生产的汽车上大量使用了车

载网络系统(见表１Ｇ３).受制造成本和技术水平的限制,不同品牌的汽车和同一品牌、不

同时期生产的汽车,其网络结构各有不同.但从宏观上看,都有相同和相近之处.

表１Ｇ３ 主要车载网络系统一览表

车载网络系统名称 适用范围

传输速率/

(kb/s)

主要应用车系

CAN(controllerareanetwork)

车 身 控 制 系 统、动 力

传动控制系统

１０００

欧、美、日、韩 各 大

车系均有应用

VAN(vehicleareanetwork) 车身控制系统 １０００ 法国车系

J１８５０ 车身控制系统 １０?４~４１?６ 美国车系

LIN(localinterconnectnetwork) 车身控制系统 ２００００ 德国车系

IDBＧC(intelligentdatabusonCAN) 汽车多媒体系统 ２５０~１０００００ —

TTP/C(timetriggerprotocolbyCAN) 被动安全系统 ２０００~２５０００ —

TTCAN(timetriggeredCAN) 被动安全系统 １０００ —

Byteflight 被动安全系统 １００００ 宝马车系

FlexRay

被 动 安 全 系 统、行 驶

动态管理系统

１００００ 宝马 F０１/F０２车系

DDB/Optical(domesticdigital

bus/optical)

汽车多媒体系统 ５６００ 奔驰车系

MOST(mediaorientedsystems

transport)

汽车多媒体系统 ２２５００ 德国车系

IEEE１３９４ 汽车多媒体系统 １０００００ 美国车系

IDBＧ１３９４ 汽车多媒体系统 —

美 国 车 系、日 本

车系

Bluetooth

无线通信、语音系统、

个人娱乐

１０００

欧、美、日、韩 各 大

车系均有应用

Ethernet

维修 时 的 车 辆 编 程、

汽车多媒体系统

１０００００ 宝马 F０１/F０２车系

３６

不同控制系统对信息传输的要求不尽相同,因此在汽车上针对不同的控制系统采用

各具特色的总线技术,再利用网关将这些性能各异、各具特色的总线整合成一体,构成成

本较低但功能完善的整车网络,以实现“人尽其才,物尽其用”.

遵循这一指导思想,汽车网络结构采用多条不同速率的总线分别连接不同类型的节

点,并使用网关服务器实现整车的信息共享和网络管理.宝马 E６０车系的全车网络系统

包括４套总线结构:KＧCAN、PTＧCAN、MOST 和 Byteflight.其中 KＧCAN 总线主要控

制车身系统,PTＧCAN 总线主要控制动力传动和底盘系统,MOST 总线主要控制影音娱

乐、通信和信息显示系统,Byteflight总线主要用于安全气囊系统,如图１Ｇ３０所示.

DＧBus—诊断总线;SGM—安全和网关模块;RDC—轮胎压力监控系统;CID—中央信息显示器;

SH—停车预热系统;MPM—电源管理系统;SZM—中央控制台开关中心;KOMBI—组合仪表;

PDC—驻车距离报警系统;SHD—天窗系统;DWA—防盗报警系统;CON—iDriver控制器;

RLS—雨量传感器/行车灯控制系统;CAS—便捷进车及启动系统;AHM—挂车电气连接模块;

KBM—车身控制单元;SMFA—驾驶人座椅调整控制单元;SMFB—乘客座椅调整控制单元;

LM—前照灯灯光控制单元;IHKA—自动恒温空调系统;CCC—整车通信系统控制单元;

MＧASK—多音频控制系统;FS—系统检修用快速擦写插头;CDC—光盘自动换碟机构;

SDARS—卫星收音机;HUD—信息抬头显示系统;VM—车载电视系统;TEL—车载电话系统;

TOPＧHIFI—高保真音响系统;SBSL—位于左侧 B柱处的卫星式安全气囊控制单元;

SBSR—位于右侧 B柱处的卫星式安全气囊控制单元;TMFA—位于驾驶人侧车门处的卫星式安全气囊控制单元;

TMBF—位于乘客侧车门处的卫星式安全气囊控制单元;SFZ—位于车辆前部的中央卫星式安全气囊控制单元;

SZL—位于转向柱开关处的卫星式安全气囊控制单元;SMG—顺序换挡变速器控制单元;

DME—汽油发动机控制单元;DDE∗ —柴油发动机控制单元;AFS—主动转向系统;

DSC—动态稳定控制系统;EKP∗ —燃油泵控制系统;ACC—自适应巡航控制系统;

EGS—自动变速器单元;ARS—动态驾驶(主动式抗侧翻)系统;AHL—自适应转向前照灯系统.

图１Ｇ３０ 宝马 E６０车系全车网络系统构成

３７

动力传动系统的受控对象(发动机、自动变速器、动态稳定控制系统等)直接关系到

汽车的动力性能、经济性能和行驶状态,对数据通信(信息交换)的快速性、实时性要求较

高.因此,在动力传动系统内部需要使用高速总线进行信息传输.

动力传动系统的传感器的各种状态信息可以用广播的形式在高速总线上发布,各节

点可以在同一时刻根据自己的需要获取信息.这种方式最大限度地提高了通信的实

时性.

对于车身系统和舒适性控制系统,其受控器件多为低速电动机和各种开关,如车门

门锁电动机、车窗玻璃升降电动机、座椅调节电动机以及各种按钮、开关等.这类器件对

信息传输的实时性要求不高,但数量众多.因此,在车身系统和舒适性控制系统内部使

用低速总线进行信息传输就可以满足要求.

汽车动力传动系统采用高速总线,车身系统和舒适性控制系统采用低速总线,两者

彼此分开,还利于保证动力传动系统通信的快速性和实时性.此外,采用低速总线还可

以增加传输距离、提高抗干扰能力并降低硬件成本.

汽车影音娱乐系统(亦称车载多媒体系统)需要传输的信息量大,而且对通信速率的

要求也高(一般在２Mb/s以上),以铜质导线为传输介质的数据总线一般难以满足要求,

多采用以光纤为传输介质的光学总线系统,如 DDB、MOST 等.采用基于光纤通信的光

学总线系统,可以保证足够的带宽,确保车载多媒体系统的视频、音频信号连续流畅,不

致出现停顿和卡滞.

作为汽车上最重要的被动安全措施,安全气囊系统的控制对信息传输速率要求很

高.在车载网络技术发展的早期,一般把安全气囊系统纳入车身系统加以控制.随着技

术的不 断 发 展,目 前 已 经 开 发 出 来 专 门 用 于 气 囊 系 统 控 制 的 安 全 总 线 系 统,如

Byteflight等.

网关是车载网络内部通信的核心器件,通过网关可以确保各条总线上信息的共享和

协调工作,实现汽车内部的网络管理和故障诊断功能,营造“顺畅、和谐”的工作氛围.

３８