第一章 车载网络系统基础知识

第1天 车载网络系统概述

学习目标

1.了解车载网络系统的定义及功能。

2.掌握车载网络系统的类型。

3.熟悉车载网络系统的术语。

一、车载网络系统的定义及功能

车载网络系统就是把众多的电控单元连成网络，其信号通过数据总线的形式传输，可以达到信息资源共享的目的，如图1-1所示。车载网络系统不仅简化了线路，而且提高了各电控单元之间的通信速度。车载网络系统的主要功能如下：

（1）多路传输功能 为减少汽车电气线束数量，用多路传输系统传输部分数字信号。多路传输系统电控单元将各开关的输入信号转换为数字信号，然后以串行数据信号的形式传送。这些传送的串行数据信号被多路传输电控单元转换成开关信号，控制开关工作。

图1-1 车载网络系统

（2）唤醒/休眠功能　当系统处于稳态工作时，多路传输装置会停止信号传输和CPU控制等功能，使系统处于“休眠”状态，以节约蓄电池电量。而一旦有人为的任何操作（如一扇车门开锁），处于休眠状态的有关控制装置就被“唤醒”，立即开始工作。该系统还将唤醒信号通过传输线路发送给其他控制装置。当关闭点火开关，打开驾驶人座位侧或前排乘客座位侧车门时，控制装置从“唤醒”模式转入“休眠”模式之前有大约10s的延时。一旦有任何车门被打开，休眠模式将不起作用。

（3）失效保护功能 失效保护功能包括硬件失效保护和软件失效保护功能。当系统处于失效保护模式时，任何部件有故障（如控制装置或传输线路有故障），硬件失效保护功能将以固定的信号输出，可确保汽车能够继续运行；而在系统中某控制装置出现故障时，软件失效保护功能将不受来自于故障控制装置的信号的影响，以保证系统正常工作。

（4）故障自诊断功能 故障自诊断功能主要是通过故障码的形式帮助维修人员排除故障。它包括多路输入系统自诊断和各系统输入线路的故障诊断，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。

（5）故障保护功能 为防止操作不当，每个多路传输电控单元都有硬件故障保护输出信号默认值，以备出现故障时使用。另外，还有软件故障保护默认值，此值会忽略有故障的多路传输系统电控单元信号，使系统继续发挥作用。

二、车载网络系统的类型

车载网络采用的大多是局域网（局域网是指在一个特定的局部单位内连接的网络），在汽车上会有多个局域网，这些网络可以通过网关（Gateway）连接在一起构成互联网络。网关是连接不同网络、能实现不同网络协议转换的设备。根据网络结构，车载网络分为星形网、总线型网和环形网3种。

（1）星形网 星形网是以中央控制单元为中心，中央控制单元与每台入网设备有1个物理连接链。其特点是结构简单，通信数据量较少，可以根据需要由中央控制单元安排网络访问优先权或时间。缺点是中央控制单元负载重，功能扩充困难，线路利用率低，当系统出故障时容易影响中央控制单元。此类车载网络系统不可能成为整车网络的结构，一般作为一个部件或总成使用，如图1-2所示。

（2）总线型网 如图1-3所示，总线型网由1条总线连接入网电控单元（ECU），其特点是通信速率较高，分时访问优先权较前，较长的网络长度和较多的网络节点数会导致传输延时、电控单元驱动能力下降，所以适合传输距离较短、节点数不多的系统。车载网络多采用这种结构，尤其是低端网络。

图1-2 星形网结构

（3）环形网 如图1-4所示，环形网是指电控单元（ECU）通过网络部件连到1个环形物理链路（传播媒介网）中，其优点是信息在网络中传输实时性好、传输数据量大及抗干扰能力强，每个节点只与其他2个节点有物理连接；缺点是1个节点故障可能影响整个网络，可靠性较差，网络扩充时要对整个网络进行重新排序，在增加功能时需添加电控单元，相对比较复杂。

图1-3 总线型网结构

图1-4 环形网结构

三、车载网络系统常用术语

图1-5 数据总线示意图

1.数据总线

数据总线是模块之间传递数据的通道，即所谓的信息高速公路，如图1-5所示。数据总线是控制单元间运行数据的通道，在一条数据线上传递的信号可以被多个系统（控制单元）共享，从而最大限度地提高系统整体效率，充分利用有限的资源。如果数据总线系统可以发送和接收数据，则称之为双向数据总线，为了抗干扰，双向数据总线的两条线是绞在一起的。

数据总线在汽车上的应用，使传统的一线一用的专线制改为一线多用，大大地减少了汽车上的电线数目，缩小了线束直径。

2.CAN总线

CAN总线（Controller Area Network，控制局域网），是国际上应用最广泛的数据总线之一。CAN可实现车载各电控单元之间的信息交换，形成汽车电子控制网络。CAN可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，使得实时控制变得非常容易。

3.局域网

局域网（Local Area Network，LAN），指在一个有限区域内连接的计算机网络。一般这个区域具有特定的职能，通过这个网络实现这个系统内的资源共享和信息通信。局域网一般的数据传输速率为105Mbit/s～1Gbit/s，传输距离在250m范围内，误码率低。汽车上的总线传输系统（车载网络）是一种局域网。

4.多路传输

多路传输（Smart Wiring System，SWS）是指在同一通道或线路上同时传输多条信息，如图1-6a所示。事实上，数据信息是依次传输的，但因速度非常快，似乎就像同时传输的，实际上是分时多路传输的。如图1-6b所示，通常传输要比多路传输简单得多，但多路传输比通常传输所用的导线要少得多。

图1-6 多路传输与通常传输示意图

多路传输可以简化线束，从而减轻质量，降低成本，还可以减少插接器的数量，并通过信息共享减少传感器的数量。

5.模块/节点

模块就是一种电子装置。简单一点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被转换成数字信号。在计算机多路传输系统中一些简单的模块被称为节点。

6.网关

由于汽车上往往不只使用一种总线和网络，所以必须用一种方法达到信息共享，而不产生协议间的冲突必须用一种特殊功能的计算机，这种计算机叫做网关或网关ECU。

7.链路

链路是指网络信息传输的媒体，分为有线和无线两种类型，目前汽车上大多使用有线网络，通常包括双绞线、同轴电缆和光纤。

（1）双绞线 如图1-7所示，双绞线是局域网中最普通的传输媒体，它能传输模拟信号和数字信号，通信距离可达十几千米。

图1-7 双绞线

（2）同轴电缆 如图1-8所示，同轴电缆由内导体铜芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层及塑料保护层构成，铜芯线与网状导体同轴，因此称为同轴电缆。

图1-8 同轴电缆

（3）光纤（也称光缆） 如图1-9所示，光纤没有网状屏蔽层，它包括纤芯、全反射涂层、黑色包层、彩色包层。

纤芯是光纤的核心部分，它是用有机玻璃制成的，是光导线。根据全反射原理，纤芯内的光几乎无损失地传导。透光的涂层由氟聚合物制成，它包在纤芯周围，对全反射起关键作用。黑色包层是由尼龙制成，它用来防止外部光照射。彩色包层起到识别、保护及隔温作用。

光纤具有传输速率高，传输距离远的特点，在一些要求传输速率高的车上采用，如信息与多媒体网络。光纤的成本较高，只在高级品牌轿车上采用。

图1-9 光纤结构

8.比特率

比特率是指每秒传送的比特（bit）数，单位是bit/s，比特率越高，单位时间传送的数据量越大。

9.通信协议

要实现汽车内各电控单元之间的通信，必须制定规则保证通信双方能相互配合，其通信方法、通信时间、通信内容是通信双方同样能遵守、可接受的一组规定和规则，即通信协议。通信协议是通信实体双方控制信息交换规则的集合。数据总线的通信协议采用优先权的处理机制。

10.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，如图1-10所示。传输仲裁能够避免数据传输冲突，保证信息按其重要程度发送。

图1-10 过独木桥

你学会了吗？

1.什么是车载网络系统？

2.车载网络系统有什么功能？

3.车载网络系统有哪几种类型？它们分别有什么特点？

4.车载网络系统的术语主要有哪些？