汽车总线系统通信协议分析与比较

河南机电高等专科学校

《汽车单片机与局域网技术》

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2013年4月16日

汽车总线系统通信协议分析与比较

摘要：本文主要针对汽车总线系统通讯协议，探讨汽车总线通讯协议的种类、发展趋势以及技术特点。在对诸多组织和汽车制造商研发的各类汽车总线进行比较和探讨的基础上，对其现状进行了分析；并综合汽车工业的特点对这两大类汽车总线协议的发展前景作了分析。

关键词：汽车总线技术 通讯协议 车载网络

引言：汽车电子技术是汽车技术和电子技术结合发展的产物。从20世纪60年代开始，随着电子技术的飞速发展，汽车的电子化已经成为公认的汽车技术发展方向。在汽车的发展过程中，为了提高汽车的性能而增加汽车电器，电器的增加导致线缆的增加，而线束的增加又使整车质量增加、布线更加复杂、可维护性变差，从而又影响了汽车经济性能的提高。因此，一种新的技术就被研发出来，那就是汽车总线技术。总线技术在汽车中的成功应用，标志着汽车电子逐步迈向网络化。

一、车载网络的发展历程

20世纪80年代初，各大汽车公司开始研制使用汽车内部信息交互的通信方式。博世公司与英特尔公司推出的CAN总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性，因而得到了业界的广泛认同，并在1993年正式成为国际标准和行业标准。TTCAN对CAN协议进行了扩展，提供时间触发机制以提高通讯实时性。TTCAN的研究始于2000年，现已成为CAN标准的第4部分ISO11898-4，该标准目前处于CD(委员会草案)阶段。

1994年美国汽车工业协会提出了1850通信协议规范。从1998年开始，由宝马、奥迪等七家公司和IC公司共同开发能满足车身电子要求的低成本串行总线技术，该技术在2000年2月2日完成开发，它就是LIN。

FlexRay联盟推进了FlexRay的标准化，使之成为新一代汽车内部网络通信协议。FlexRay车载网络标准已经成为同类产品的基准，将在未来很多年内，引导整个汽车电子产品控制结构的发展方向。FlexRay是继CAN和LIN之后的最新研发成果。

二、车载网络的分类及其网络协议

从20世纪80年代以来不断有新的网络产生，为了方便研究和应用，美国汽车工业协会（SAE）的车辆委员会将汽车数据传输网络划分为A、B、C三类。

（1）A类网络

A类网络是面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输速度通常小于10kb/s，主要用于后视镜调整、电动车窗、灯光照明等控制。

A类网络大都采用通用异步收发器（UART，Universal Asynchronous Receiver/Trsmitter）标准，使用起来既简单又经济。但随着技术水平的发展，将会逐步被其他标准所代替。

A类网络目前首选的标准是LIN总线，是一种基于UART数据格式、主从结构的单线12V总线通信系统，主要用于智能传感器和执行器的串行通信。

（2）B类网络

B类网络是面向独立模块间数据共享的中速网络，传输速率为10-125Kb/s，主要应用于车身电子舒适性模块、仪表显示等系统。

B类网络的国际标准是CAN总线，采用的是ISO11898，传输速率为100 Kb/s左右。从1992年起，欧洲各大汽车公司一直采用这一标准。

（3）C类网络和其它高速总线系统

C类网络是面向高速、实时闭环控制的多路传输网，传输速率为125Kb/s ~1Mb/s，主要用于牵引控制、发动机控制、ABS等系统。

三、常用车载网络系统简介

1、CAN

CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。 与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种的现场总线，已形成国际标准。这也是目前 CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。

CAN典型的应用协议有： SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。

2、LIN

LIN(Local Interconnect Network)是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN 的目标是为现有汽车网络(例如CAN 总线)提供辅助功能。因此LIN总线是一种辅助的总线网络，在不需要CAN 总线的带宽和多功能的场合，比如智能

传感器和制动装置之间的通讯，使用LIN 总线可大大节省成本。

LIN 通讯是基于SCI(UART)数据格式采用单主控制器/多从设备的模式仅使用一根12V 信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线，这种低成本的串行通讯模式和相应的开发环境已经由LIN 协会制定成标准。LIN 的标准化将为汽车制造商以及供应商在研发应用操作系统降低成本。

3 、FLEXRAY

FlexRay联盟 （FlexRay Consortium）推进了FlexRay的标准化，使之成为了新一代汽车内部网络通讯协议。FlexRay关注的是当今汽车行业的一些核心需求，包括更快的数据速率，更灵活的数据通信，更全面的拓扑选择和容错运算。

FlexRay能够提供很多CAN网络所不具有的可靠性特点。尤其是FlexRay具备的冗余通信能力可实现通过硬件完全复制网络配置，并进行进度监测。FlexRay同时提供灵活的配置，可支持各种拓扑，如总线、星型和混合拓扑。可以通过结合两种或两种以上的该类型拓扑来配置分布式系统。

经过数年的改进，FlexRay网络标准已经成熟，BMW已经在X5中有5个ECU（电控减震、主控悬吊系统等）应用了FlexRay，在下一代产品中将有16个ECU予以应用。 4 、MOST

MOST (Media Oriented System Transport) 面向媒体的系统传输总线是汽车业合作的成果，而不是正式的标准。

MOST传输协议由分割成帧的数据块组成，每一帧包含流数据、分组数据和控制数据。

MOST的定义是非常普通的，允许采用多种拓扑结构，包括星形和环形，大多数汽车装置都采用环形布局。一个MOST 网络中最多可以有64个节点。一旦汽车接通电源，网络中的所有 MOST 节点就全部激活，这对低功耗、停电模式设计是一大重点，包括系统处在该种状态下的功耗量以及如何进入状态。MOST 节点在通电时的默认状态是直通（Pass-throught），即进入的数据从接收器直接传送至发射器，以保持环路的畅通。

5、 IEEE1394

IEEE1394接口是由APPLE和TI公司开始的高速串行接口标准，Apple称之为FireWire(火线)，Sony称之为i.Link，Texas Instruments称之为Lynx。同USB一样，IEEE1394也支持外设热插拔，可为外设提供电源，省去了外设自带的电源，能连接多个不同设备，支持同步和异步数据传输。两点间传输距离为100米。

四、车载网络的应用

车载网络按照应用加以划分，大致可以分为4个系统：车身系统、动力传动系统、安全系统、信息系统。在动力传动系统内，动力传动系统模块的位置比较集中，可固定在一处，利用网络将发动机舱内设置的模块连接起来。在将汽车的主要因素—跑、停止与拐弯这些功能用网络连接起来时，就需要高速网络。动力CAN数据总线一般连接3块电脑，它们是发动机、ABS/EDL及自动变速器电脑（动力CAN数据总线实际可以连接安全气囊、四轮驱动与组合仪表等电脑）。总线可以同时传递10组数据，发动机电脑5组、ABS/EDL电脑3组和自动变速器电脑2组。数据总线以500Kbit/s速率传递数据，每一数据组传递大约需要0.25ms，每一电控单元7~20ms发送一次数据。优先权顺序为ABS/EDL电控单元→发动机电控单元→自动变速器电控单元。

舒适CAN数据总线连接一般连接七个控制单元，包括中央控制单元、车前车后各一个受控单元及四个车门的控制单元。舒适CAN数据传递有七大功能：中控门锁、电动窗、照明开关、空调、组合仪表、后视境加热及自诊断功能。控制单元的各条传输线以星状形式汇聚一点。这样做的好处是：如果一个控制单元发生故障，其他控制单元诊断，诊断方式如下：a.拆下蓄电池电压线。b.启动点火开关，使各存电设备充分放电。c.用万用表的表笔，分别接在Can-Low与Can-high上。d.将一带终端电阻的电控单元插头拔下，观察万用表阻值变化，阻值有变化，此总线终端电阻正常，否则损坏。e.依次对比分析，观察有终端电阻的控制单元。

五、协议比较及特征分析

作为CAN协议的一种延伸，TTCAN(Time Triggered CAN)协议执行的是一个混合的，时间触发的， 按照TDMA方式的同时适用于"事件"触发的通信。TTCAN提出是希望满足汽车线控系统的新概念，但是目前仍缺乏支持厂商和应用计划。

Byteflight 的协议结构能保证以一段固定的等待时间专门用于来自安全元件的高优先级信息，而允许低优先级信息使用其余的时段。这种决定性的措施对安全是至关重要的。该协议和塑料光纤相结合，已经在宝马新型车上应用于安全气囊的控制。

FlexRay支持先进的汽车高速控制应用的未来要求，通信协议由"TDMA"和"事件"两部分构成。"TDMA"在启动时根据所有后续参与的节点定义，是唯一的传输通道标识符。"事件"部分的节点采用Bytefligh协议。可以说FlexRay 是从Byteflight 之上发展起来的。FlexRay 即保证了系统对于安全性的要求，设计了很高的通信带宽水平和容错能力，又尽量保持灵活性，降低节点成本。系统高度可扩展，从单通道总线到双通道多星型拓扑结构。甚至允许在一个系统中同时有单通道和双通道的节点。

不同于FlexRay，原先应用于航空产品的TTP (Time-triggered protocol)协议安全性设计非常严格，基于严格的TDMA时序安排，具有非常可靠和容错的特性。系统中包含的每一个节点都和其他节点由两个重复的通道连接。这些节点可以被复制，并分组成为容错单元(FTUs)来弥补通信错误。由于重复信息同时在两个不同的通道上发送，所以传输信息的时间和量值都被复制。该协议的节点成本比其他协议的成本更高。 其中 TTP/C 属于C类协议，用于实时控制。

六、汽车总线系统的发展趋势

LIN, CAN ,及其他的协议已得到具体应用，有些至少被计划用于2005年的车型上。至今CAN 系统仍被认为是通用的汽车总线。对于小心谨慎的汽车制造商来说，如果能够继续沿用已有的设计，在成本和设计周期上都能更加有利。因此

CAN总线进行数据传递是汽车发展的必然趋势。

由于汽车的很多部分都由独立的电子控制器进行控制，为了将整个电动汽车内各系统统一管理，实现数据共享和相互之间协同工作，利用CAN总线进行数据传递是一个必然的趋势。 目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN，一条用于驱动系统的高速CAN，速率一般可达到500kb/s，最高可达1000kb/s；另一条用于车身系统低速CAN，速率是100kb/s。

驱动系统CAN(CAN-High，也称动力主线)主要连接对象是发动机控制器(ECU)、ABS控制器、安全气囊控制器等，它们的基本特征都是控制与汽车行驶直接相关的系统。

车身系统CAN(CAN-Low，也称舒适总线)主要连接和控制汽车内外部照明、灯光信号、空调、刮水电机、中央门锁与防盗控制开关、故障诊断系统、组合仪表及其它辅助电器等。

有些高档车辆还有第3条CAN总线，即信息娱乐总线，主要用于卫星导航及智能通讯系统。 当两条CAN总线(CAN-High和CAN-Low)其中一条线断路时，整个动力系统将无法正常工作，即不能进行单线传输，只有CAN-Low线出现对地断路时还能正常工作。而由于舒适和信息娱乐总线都设有位于系统内各个控制单元中不同阻值的终端电阻，因此可实现单线传输。

但是汽车制造商将会抓住新的技术发展点，新的协议将会在越来越多的应用方面取代旧的协议，而明显的是FlexRay 比TTP 更具有生命力。因为汽车制造业对于成本的要求非常敏感，原先Daimler Chrysler公司是TTP协议的倡导者之一，但是由于TTP认为有损于安全性，从而拒绝了一些灵活性的更改建议，Daimler Chrysler 转变了对该协议的支持，转而支持FlexRay。严格的TTP 或许适用于航空业，但是如果它不能满足汽车业对于低成本的要求，也会逐步丧失支持者。

随着电子技术、计算机技术和信息技术的应用与发展，车载网络系统发展趋势往提高控制精度、控制范围、智能化、网络化等方面发展。

1集成化

随着嵌入式系统、局域网控制和数据总线技术的成熟，汽车电子控制系统的集成成为汽车技术发展的方向。将发动机管理系统和自动变速器控制系统，集成为动力传动系统的综合控制；将制动防抱死控制系统、牵引力控制系统和驱动防滑控制系统综合在一起进行制动控制；通过中央底盘控制器，将制动、悬架、转向、动力传动等控制系统通过总线进行连接，控制器通过复杂的控制运算，将车辆行驶性能控制到最佳水平，形成一体化底盘控制系统。

2智能化

汽车智能化相关的技术问题已受到汽车制造商的高度重视。如依赖于电子技术的“自动驾驶仪”的构想、与电子、卫星定位等多个交叉学科相结合的智能交通系统（ITS）的开发等。根据驾驶员提供的目标资料，向驾驶员提供距离最短而且能绕开车辆密度相对集中处的最佳行驶路线。从全球定位卫星获取沿途天气、车流量、交通事故、交通堵塞等各种情况，自动筛选 出最佳行车路线。智能化传感技术和计算机技术的发展，加快了汽车的智能化进程。

3速度化

随着电控器件在汽车上越来越多的应用，车载电子设备间的数据通信变得越来越重要。以分布式控制系统为基础构造汽车车载电子网络系统是十分必要的。大量数据的快速交换、高可靠性及低成本是对汽车电子网络系统的要求。

七、结论

随着汽车电子技术、计算机技术和通信技术的发展,远程通信和信息系统越来越多地进入汽车,为人们提供通信、远程故障诊断、电子收费、交通信息、路线选择等服务。根据Telmatics研究集团的定义,远程通信与信息化汽车必须具备三种能力,即双向通信能力、定位能力以及具有与其它汽车电子系统通信接口的控制单元。除此之外,远程通信与信息化汽车还可能具有远程监控、远程故障诊断、自动碰撞通知、蓝牙通信、用户语音接口、导航等功能。

车载远程通信与信息系统的发展动力远程通信与信息系统涉及多个行业,如计算机、半导体、通信、消费电子、汽车以及一些服务性行业(如旅行、天气与交通信息、娱乐、因特网及定位服务等),它的应用程度依赖于相关技术和基础设施的协同发展。虽然现在已经有一些相关基础设施投入使用,但距离实现远程通信与信息系统的长远发展目标还有相当的差距。

目前,有三种力量可能推动远程通信与信息系统市场的迅速发展。

一是大公司的发展规划;

二是相关行业的发展;

三是政府法规。大公司是汽车工业发展的主导力量,它们的发展规划对新市场的形成与发展有着举足轻重的影响。随着电子技术、计算机技术和信息技术的应用与发展，车载网络系统发展趋势往提高控制精度、控制范围、智能化、网络化等方面发展。

随着技术和管理的进步及检测设备智能化，人们已能依靠各种先进的仪器设备，对汽车进行不解体检测诊断，而且安全、迅速、准确。今后汽车检测应实现真正的局域网络化，做到信息资源共享，汽车车载网络系统是伴随着汽车技术的发展而发展。

在不远的未来，随着数字技术的进步，汽车也将步入多媒体时代，利用 windows 操作系统开发的车载计算机多媒体系统，具有信息处理、通讯、导航、防盗、语言识别、图像显示和娱乐等功能。可以预见到的将来，汽车装置自动导航和辅助驾驶系统，驾驶员可把行车的目的地输入到汽车电脑中，汽车就会沿着最佳行车路线行驶到达目的地。人们可以通过语言识别系统操纵着车内的各种设施，一边驾驶着汽车，一边欣赏着音乐电视，还可上网预定饭桌、机票等。

据统计，从1989年至2000年，平均每辆车上电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例由16％增至23％以上。一些豪华轿车上，使用单片微型计算机的数量已经达到48个，电子产品占到整车成本的50％以上，目前电子技术的应用几乎已经深入到汽车所有的系统，车载网络系统的发展已成为衡量现代汽车发展水平的重要标志。

参考文献

【1】李勇《汽车单片机与车载网络技术》 电子工业出版社， 2011.8第一版

【2】付百学《汽车车载网络技术》 机械工业出版社，2012.3版

【3】刘春晖、刘宝君 《汽车车载网络技术详解》 机械工业出版社，2013.1版

附录：

汽车多路传输系统的介绍

一、汽车多路传输网络结构及系统标准

多路传输网络是基于一个带有中央控制单元和20多个模块的通信网络。围绕整个车辆，多路传输系统只有2根电缆，一根是能同时传送所有信号的数据总线，另一根是能量电缆，用以传送为操纵不同功能所需的电能。信号或指令以数字信号的形式通过电缆，经过数据总线，实现串行的多路传输，组成汽车电子网络。

1、汽车电子网络结构及网关

汽车内微机网络一般采用总线型结构，这样既可以使布线简单、工作可靠性提高，游客以使各种不同的控制模块之间交换信息，达到资源共享的目的。

由于汽车各控制系统模块之间交换数据时的速率不同，因此必须通过网关实现互联，使不同通信协议版本之间能进行信息交换和资源共享。实际上网关就是具备不同网络协议之间信息转换能力的单片微机。

2、汽车的网络系统标准

目前汽车上存在多种网络系统标准，为了方便研究和设计应用，SAE车辆网络委员会讲汽车多路传输系统划分为A、B、C三级。

A级（低速，负荷控制）：用于对速度和响应时间要求低的电力负荷控制，如电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制，其目的是减少导线的数量。数据传输位速率只有1~10kbit/s。 B级（数据通信）：用于节点之间的数据传送，以减少多余的传感器和别的系统元素。一般用于信息共享和子系统间的相互作用，如车辆电子信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等。位速率一般为10~100kbit/s。

C级（高速通信）：用于分布式高速实时控制的多路传输网，最高位速率可达1Mbit/s，主要用于悬架控制、牵引控制、先进发动机控制、ABS等。

二、汽车多路传输网络总线标准

多路传输系统一般通过单线、双绞线或光纤来实现。其总线主要有CAN、LAN级光纤系统。

1、CAN总线

CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的通信网络。多路传输的技术核心是串行总线。

CAN总线特点如下：

（1）废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作；

（2）采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突；

（3）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；

（4）每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用；

（5）节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响；

（6）可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据。

2、LIN总线

LIN总线是用一根电缆控制汽车上众多小电动机、传感器和电子设备的“一线控制”的低速系统。它的媒体访问采用单主/多从机制，不需进行仲裁。当总站向某一从站发出命令时，其他从站也同时收到命令，但不回答，只有这一从站才回答。

LIN总线特点：

（1）低成本，基于通用UART 接口，几乎所有微控制器都具备LIN 必需的硬件。

（2）极少的信号线即可实现国际标准ISO9141 规定。

（3）传输速率最高可达20Kbit/s。

（4）单主控器/多从设备模式无需仲裁机制。

（5）从节点不需晶振或陶瓷振荡器就能实现自同步，节省了从设备的硬件成本。

（6）保证信号传输的延迟时间。

（7）不需要改变LIN，从节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点。

3、光纤系统

车用多媒体网络是影响、视像和通信这三项因素的高度集成，要求高速数据通信，一般的CAN总线不能满足要求，而必须依靠光学纤维来实现多路传输通信。由于光纤传感器具有良好的抗电磁干扰能力，且成本低、能耗少，在汽车多路传输网络上的应用日趋成熟。1999年款奔驰车上采用了新型的D2B系统，它由单一的控制单元实现对影像和声音的控制。D2B使用光纤作为传输介质，可同时进行多种媒体的信息传输。D2B的基本部件称为“Conan光学收发器”，它合成了所有必要的功能，包括源数据通路安排、通信管理及协议任务分

配等。由于在芯片上集成了所有的数据管理功能，不需要用另外的部件来进行信号分配与控制。

与采用传统的电线线束相比，采用D2B技术有许多优点，他不会受电磁干扰，不辐射噪声，能为每个设备和D2B网络提供电气隔离，而且在重量上也有明显优势。

除上述三种主要总线标准外，还有BT(蓝牙)、IDB1394、CANopen、J1939等标准。