常见汽车总线通信技术术语

1.广域网

广域网（Wide Area Network，WAN）也称为远程网，通常由两个或多个局域网组成，它是一种跨地区的数据通信网络，通常跨接很大的物理范围。如果将一个国家的网络看作一个广域网，而超过这个范围，将许多国家级的广域网结合在一起，就形成了全球互联的因特网（Internet）。因特网是广域网与广域网再结合的结果。

广域网的通信子网主要使用分组交换技术。计算机通过使用运营商提供的设备作为信息传输平台，再通过电话网、光纤连接到广域网，也可以通过专线或卫星连接，达到资源共享的目的，如图1-25所示。

图1-25　广域网

在现阶段，汽车可通过来自远程服务器或云的公用广域网络，向乘客提供与其旅程相关的信息。例如，地图、天气、景点、拥挤的道路、附近的事故、娱乐选项（如卫星广播）、互联网连接和社交网络应用程序等。汽车连接还可以在发生事故或汽车故障时提供紧急通信等服务。汽车的车载诊断（OBD）-Ⅱ端口可用于获取有关汽车性能和健康状况的消息，并将其提供给驾驶员或技术人员以排除故障。

2.局域网

局域网（Local Area Network，LAN）是在一个局部的地理范围内（如学校、工厂和机关）一般是指方圆几千米以内，由各种计算机，外部设备和数据库等互相连接起来组成的计算机通信网络，如图1-26所示。局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、扫描仪共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信等功能。局域网的网线上可传输大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。

图1-26　局域网

3.现场总线

图1-27　现场总线结构

现场总线（Field Bus）用于过程自动化、自动化最底层的现场设备和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。现场总线的网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。因此，现场总线是一种实时控制网络。

现场总线连接的节点设备一般比较简单，连接的应用节点功能差别很大。因此，现场总线采用了3层网络结构，即物理层、数据链路层和应用层，如图1-27所示。

与一般计算机网络系统比较，现场总线有如下特点：

（1）可靠性与容错能力强；

（2）实时性要求高，有时要求信息传输延时的离散性小或要求准确知道网络事件的时间；

（3）报文长度小，传输延时小；

（4）成本低，结构简单；

（5）环境适应能力强，可以在恶劣环境下工作；

（6）标准化程度较差，网络互连能力差；

（7）数据传输速率较低。

图1-28　车载网络

4.汽车总线通信网络

汽车总线通信网络（Automobile Bus Communication Network）通过“串行接口”使车内各个控制单元联网，即形成了随车辆移动的网络，也称为车载网络，如图1-28所示，其特点如下：

（1）具有现场总线通信网络的所有特征，是一种实时控制的串行、异步、双向通信网络；

（2）连接范围窄（只限本车内的模块）；

（3）具有特定的职能；

（4）传输速率高等。

通过汽车总线通信网络能够实现汽车各系统的资源共享和信息通信。

5.控制器局域网

CAN（控制器局域网），是一个支持分布式实时控制的串行通信网络，同时也是国际上应用最广泛的现场总线之一。

CAN被设计作为汽车环境中的微控制器（电子控制模块）之间的通信，使车载上各电子控制模块之间能够交换信息，并形成汽车总线通信网络。现代汽车上的电子控制模块通过控制相关传感器和执行部件来实现相应的控制目的。每个电子控制模块都是总线通信网络上的一个节点，一辆汽车不管有多少个电子控制模块，不管信息容量有多大，每个电子控制模块都只需引出两条导线共同接在节点上，这两条导线就称为CAN-BUS，如图1-29所示。

6.数据总线

数据总线是控制模块间传递数字信号的通道，即信息高速公路。车载网络中的数据总线，类似于计算机网络中的“网线”。

数据总线可以实现在一组数据线上传递的信号能同时被多个电子控制模块共享，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。在车载网络中，数据总线可能是一根线（如LIN），也可以是两根线（如CAN），如图1-30所示。

图1-29　CAN-BUS

图1-30　数据总线

7.多路传输

汽车上的多个电子控制模块相互连接、协调工作并共享信息，构成了汽车总线通信网络系统。汽车总线通信网络系统采用一组数据线实现多节点之间的多个信号同时传输，即在同一通道或线路上同时传输多条信息，这种技术称为多路传输，如图1-31所示。

图1-31　多路传输

8.总线速度

总线速度是指总线网络信号的传输速率，有波特率（每秒传输的二进制位数）和比特率（每秒传输的字节数）之分。

1）串行通信传输数据单位

在串行通信中，通信是按位传输数据的，单位为“bps”或“bit/s”，这里的bit（比特）表示“位”，一位即表示二进制中的一个“0”或“1”，每秒传输的位数为波特率，即1波特率=1位/秒，更大的波特率单位有kbit/s、Mbit/s和Gbit/s等。汽车上的总线通信网络中采用的是串行通信方式。

注意：

比特单位的换算系数为1 000。

2）并行通信传输数据单位

在并行通信中，通信是按字节数传输数据的，单位为“B/s”，这里的B表示“一个8位字节”，如图1-32所示。字节（Byte）是计算机的数据储存单位，可以对256个字符进行设码。每秒传输的字节数为比特率，即1比特率=1字节/秒。

图1-32　一个8位字节

更大的字节单位的常用名称如下：

1千字节（KB）=210字节，即1 024字节；

1兆字节（MB）=220字节，即1 024 KB（1 048 576字节）；

1吉字节（GB）=230字节，即1 024MB（1 073 741 824字节）。

注意：

字节单位的换算系数不是1 000，而是1 024。

9.数据传输方向

在串行通信中，数据通过通信线路在线路两端工作站（微控制器或其他终端设备）之间传输。按数据传输方向，可将通信方式分为单工、半双工和全双工这3种方式。

1）单工通信

如图1-33（a）所示，单工方式只允许数据按照一个固定的方向传输，即通信双方只能一方发送，另一方接收。例如，计算机与打印机之间的通信。

2）半双工通信

如图1-33（b）所示，半双工通信允许数据由A发送到B或者由B发送到A，即双方都能发送或接收数据，但由于只有一根传输线，故在同一时刻只能是一方发送，另一方接收。例如，按压对讲机的某一特定按钮时只能讲话（发送），接听（接收）时必须松开该按钮。

3）全双工通信

如图1-33（c）所示，全双工通信有两根数据传输线，允许数据同时在两个方向上传输，即在A发送数据到B的同时，也允许B发送数据到A。

需要指出的是，尽管许多串行接口都具有全双工通信的能力，但在实际应用中，为了简单方便，一般工作于半双工通信方式。例如，使用电话时可同时进行发送和接收（讲话和接听）。

10.通信方式

计算机与其外部设备之间常常要进行信息的交换，计算机之间往往也要交换信息，即通信。

图1-33　数据传输方向

（a）单工通信；（b）半双工通信；（c）全双工通信

通信的基本方式可分为并行通信和串行通信两种形式。

1）并行通信

并行通信是指数据的各位同时进行传输的通信方式，如图1-34所示。并行通信的优、缺点如下。

（1）优点：传输速率快。

（2）缺点：数据有多少位，就需要有多少根数据总线。

图1-34　并行通信数据传输

在并行通信模式下的数据传输过程如图1-35所示。

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图1-35　在并行通信模式下的数据传输过程

每一条线路仅传输一个二进制位，所以要传输一个数字化的字节需要许多条线路。每个字节与其他字节是同时传输的，按发射器和接收器共同的时钟速度进行传输。

2）串行通信

串行通信是指数据是一位一位地按顺序传输的通信方式，如图1-36所示。串行通信是为不需要瞬间处理或允许稍缓处理的信息交换而设计的。串行通信的优缺点如下。

（1）优点：只需要一根数据总线。

（2）缺点：传输速率比并行通信低。

图1-36　串行通信数据传输

串行通信的通信方式有异步传输和同步传输两种。

（1）异步传输。在异步传输中，字符是按帧格式进行传输的，每个字符都要加上起始位和停止位。如图1-37所示，汽车上使用的是串行、异步、双向传输通信方式。在异步传输的帧格式中，先是一个起始位“0”；然后是5～8位数据，且规定低位在前，高位在后，接下来是奇偶校验位（可略），最后一位是停止位“1”。

图1-37　串行通信异步传输数据过程

异步传输易受干扰影响，如电压降、噪声等。CAN通信、LIN通信还会受比特位增加或损失的干状。

（2）同步传输。同步传输是在没有起始代码/停止代码的情况下，传输字符和比特位，且必须安装SCK（时钟电路）以精确评估节点之间传输和接收数据的时间，如图1-38所示。如果没有安装时钟电路，数据信号中必须包含时钟数据。

图1 - 38 串行通信同步传输数据过程

典型的同步传输有主线同步通信，在三线同步通信中，SCK电路传输大多重要的信号。如果此电路故障，则即使输出数据，此系统也不工作。传输或接收电路故障时仅禁止它们所负责的功能。

11.数据帧

为了可靠地传输数据，计算机通信传输是由“0”和“1”等位信息组成的一个个“字节”构成的。网络设备再将这些字节“封装”成“帧”（Frame），在网络上传输。二进制数据组成的帧是网络传输的最小单位。

相关协议标准帧结构如图1-39所示。帧有一个起点，称之为“帧头”，而且帧也有一个终点，称之为“帧尾”。帧头和帧尾之间的部分是这个帧负载的数据。

为什么要把数据“封装”成帧呢？因为用户数据一般都比较大，有的可以达到MB字节，一起发送出去十分困难，于是就需要把数据分成许多小份，再按照一定的次序发送出去。

图1-39　相关协议标准帧结构

12.通信协议

通信协议是指在通信网络中各控制模块共享数据遵循的标准及约定的集合，即指数据在总线上的传输规则。如果按照通信协议制造控制模块，则可以按需要进行通信。

1）协议要素及其功能

（1）协议的三要素是语法、语义和定时规则，具体如下。

①语法由逻辑说明构成，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控制信息。

③定时规则指出事件的顺序以及速度匹配、排序。

（2）协议的功能是控制并指导两个对话实体的对话过程，即发现对话过程中出现的差错并确定处理策略。具体说来，每个协议都是具有针对性的，用于特定的目的，所以各协议的功能不同；但是还有一些公共的功能是大多数协议都具有的。这些功能包括以下4个方面。

①差错检测和纠正。面向通信传输的协议常使用“应答—重发”，采用循环冗余检验、软件检查和通信校验进行差错的检测和纠正。一般说来，协议中对异常情况的处理说明要占很大的比重。

②分块和重装。用协议控制进行传输的数据长度是有一定限制的，参加交换的数据都要求有一定的格式。为满足这个要求，就需要将实际应用中的数据进行加工处理，使之符合协议交换时的格式要求，只有这样才能应用协议进行数据交换。分块与重装就是这种加工处理操作。分块操作将大的数据划分成若干小块，如将报文划分成几个报文分组；重装操作则是将划分的小块数据重新组合复原，如将报文分组还原成报文。

③排序。对发送出的数据进行编号以标识它们的顺序，通过排序，可达到按序传递、信息流控制和差错控制等。

④流量控制。通过限制发送的数据量或速率来防止在信道中出现堵塞现象。

3）协议的开放式系统互连参考模型

开放式系统互连参考模型，简称OSI体系结构，是一个较为通用的协议规范，此模型共有7层结构，如图1-40所示。

OSI各层功能见表1-5。根据汽车总线通信网络的参考模型，CAN现场总线涉及其中的两层，即数据链路层和物理层。

图1-40　OSI体系结构

表1-5　OSI各层的功能

13.网关

SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网，按照协议特性划分为A、B、C、D这4个等级。其中前三类网络功能均向下涵盖，即B级网支持A级网的功能，C级网能同时实现B级网和A级网的功能。

图1-41　不同网络互联

不同协议特性的网络，可以通过网关互联。而网关就是具备不同网络协议之间信息转换能力的微控制器。

图1-41为不同的网络互联，低速CAN执行器、高速CAN执行器是两个独立芯片，分别通过总线与网关相连，CAN执行器芯片将像随机存储器一样被网关读写。一旦收到信息，网关就执行接收CAN芯片的外部操作，然后按转换信息的逻辑指令，执行外部等的操作，并对网络第二个CAN芯片作编程传输。

网关的应用实例如图1-42所示。

网关的主要作用如下：

（1）报文路由：网关具有转发报文的功能，并对总线报文状态进行诊断；

（2）信号路由：实现信号在不同报文间的映射；

（3）网络管理：网络状态监测与统计、错误处理和休眠唤醒等；

（4）确定信息优先级；

（5）可作为诊断接口。

图1-42　网关的应用实例

14.模块/节点

模块就是一种电子装置，如温度和压力传感器、计算机（微处理器）等。

在汽车总线通信网络系统中的某个节点就是车上的相关控制单元（模块）或智能装置（传感器）等。

15.网络拓扑

计算机网络拓扑通过计算机网络中各个节点与通信线路之间的几何关系来表示网络结构，网络拓扑反映出网络中各实体之间的结构关系。

在网络设计中要根据网络的可靠性要求、应答时间、信息交换量、成本要求、节点的地理位置、通信线路的种类等诸多因素来选择和决定合适的网络拓扑结构。

目前，常见的网络拓扑结构主要有总线型网络拓扑结构、星形网络拓扑结构、环形网络拓扑结构。

1）总线型网络拓扑结构

在总线型网络拓扑结构中，每个节点都直接与公共链路相连，如图1-43所示。在不同的协议下，根据有关优先管理权规定，运用总线来传输一些被用户捕获或发送的信息。总线型网络拓扑结构的优、缺点如下。

（1）优点：组网灵活方便、成本低等。

（2）缺点：传输能力低、链路故障影响大等。

图1-43　总线型网络拓扑结构

2）星形网络拓扑结构

在星形网络拓扑结构中，每一个节点都有一条单独的链路与中心节点相连，如图1-44所示。中心节点组织不同端节点单元进行交流。星形网络拓扑结构的优、缺点如下。

（1）优点：结构简单、建网容易、便于管理、速度快等。

（2）缺点：通信数据量较小、中心节点负载重、线路利用率低等。

3）环形网络拓扑结构

在环形网络拓扑结构中，节点和链路构成“环状”，如图1-45所示，信息单向流动，链路共享，每个单元只有在被授权一次的情况下（即获得令牌）才有权进行数据交流。环形网络拓扑结构的优、缺点如下。

（1）优点：成本较低、具有分布处理能力等。

（2）缺点：信息流动路径固定、链路故障影响大、应用范围较小等。

图1-44　星形网络拓扑结构

图1-45　环形网络拓扑结构

16.架构

架构是指车载网络系统的配置，其重要特征包括：输入和输出端信息；能一起工作的模块数量；可扩展性，即不需要大的改动就可新增的模块；互交信息的种类；数据传输速率；可靠性或容错性（抗故障性）及数据交换的稳定与准确性；成本和特定的通信协议等。