学习笔记15--整车总线及线控技术

本系列博客包括6个专栏，分别为：《自动驾驶技术概览》、《自动驾驶汽车平台技术基础》、《自动驾驶汽车定位技术》、《自动驾驶汽车环境感知》、《自动驾驶汽车决策与控制》、《自动驾驶系统设计及应用》。
此专栏是关于《自动驾驶系统设计及应用》书籍的笔记.

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3.整车总线及线控技术

3.1 汽车总线技术

• 汽车总线指汽车内部导线采用总线控制的一种技术，通常称为汽车总线或汽车总线技术；
• LIN(局部互联协议)和CAN(控制器局域网)是当前汽车普遍采用的汽车总线，用于汽车多媒体和导航的MOST总线等；

3.1.1 LIN总线

• LIN(Local Interconnect Network，局域互联协议)是由Audi、BMW、Daimler-Chrysler、Motorola、Volcano Communications Technologies(VCT通信技术公司)、Volkswagen(大众)和Volvo等公司和部门提出的一个汽车底层网络协议，目的是给出一个价格低廉、性能可靠的低速网，在汽车网络层次结构中作为低端网络的通用协议；

• LIN总线特点

  • 可靠传输。信号传输时间可靠，LIN总线传输速率很高，最高速率可达20kb/s，一个主控器和多个从设备模式不需要仲裁机制；
  • 低成本。LIN总线较少的信号线就可符合国际标准的相关规定，在节点处无需陶瓷振荡器或晶振就可以实现自同步，大大降低使用成本；
  • 在网络上增加新的节点，不需要在LIN从节点作硬件和软件更改；

• LIN总线的应用

  LIN总线在如汽车的方向盘相关部件、汽车座椅控制、车门控制系统和车载传感器等得到广泛应用；

3.1.2 CAN总线

• CAN总线是ISO国际标准化组织的串行通信协议；

• 20世纪80年代初德国博世公司为解决现代汽车中诸多的控制与设备间的数据交换问题而开发了一种串行数据通信协议，因而产生了CAN总线；

• CAN总线分为高速CAN和低速CAN，低速CAN是舒适型总线，速度为125kb/s，主要连接着仪表、防盗装置等；高速CAN系统是动力型总线，采用硬线，速度为500kb/s，主要连接着ABS、ECU等；

• CAN总线通信介质一般为双绞线，另外还有同轴电缆和光导纤维；

• CAN总线的通信

  • 在各节点的CAN总线均可实现互相自由通信，多主竞争式总线结构是CAN总线的通信特点，CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次，且可在各个通信节点间自由通信；
  • CAN总线对通信数据的成帧处理的完成：CAN总线通信可完成对通信数据的成帧处理，包括：数据块编码、信息传输、位填充、循环冗余检验、优先级判别等工作；

• CAN总线的特点

  • CAN总线在数据通信传输时没有主次之分，任意一个节点都可以向其他任何节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序；
  • 对于CAN总线上的通信，在多个节点同时发起通信时，优先级高的先通信，优先级低的及时避让，因而通信线路不会拥堵；
  • CAN总线是两根导线铰接连接，可以避免信号干扰，使得信号传输更加可靠；
  • 如果某个节点在通信时发生了严重错误，节点通信能自动离开总线的功能；
  • CAN总线是双绞线，CAN总线实时性要求较高，因而CAN总线适用于大数据量短距离通信或长距离小数据量通信；

• CAN总线在设备的应用

  CAN总线分为高速CAN和低速CAN，高速CAN系统传输速率为500kb/s，主要控制ECU、ABS等模块的信号传输，低速CAN系统传输速率为125kb/s，主要控制仪表、防盗等；

3.1.3 CAN FD总线

• CAN总线的升级版–CAN FD(CAN with Flexible Data-Rate)；

• CAN FD继承了CAN总线的主要特性，提高了CAN总线的网络通信带宽，改善了错误帧漏检率，同时可以保持网络系统大部分软硬件特别是物理层不变，这种相似性使ECU供应商不需要对ECU的软件部分做大规模修改即可升级汽车通信网络；

• CAN FD做出的改进

  • CAN FD采用了两种方式来提高通信的效率：一种方法为缩短时间提高位速率；另一种方式为加长数据场长度、减少报文数量、降低总线负载率；在CRC校验段采用了三种多项式来保证高速通信下的数据可靠性；

  • 可变速率(CAN with Flexible Data-Rate)。从控制场中的BRS位到ACK场之前(含CRC分界符)为可变速率，其余部分为原CAN总线用的速率，两种速率各有一套时间定义寄存器，除了采用不同的位时间单位TQ外，位时间各段的分配比例也可不同；

  • 新的数据场长度。CAN FD对数据场的长度做了很大的补充，DLC最大支持64字节，在DLC小于或等于8时，与原CAN总线是一样的，大于8时，有一个非线性的增长，最大的数据场长度可达64字节；

  • CRC校验场。在CAN FD协议标准化过程中，通信的可靠性得到提高，由于DLCs的长度不同，在DLC大于8字节时，CAN FD选择了两种新的BCH型CRC多项式；

  • CAN与CAN FD多项式对照如下：

    Data Length数据长度	CRC Length CRC长度	CRC Polynom CRC多项式
    CAN(0～8字节)	15	$x^{15}+x^{14}+x^{10}+x^8+x^7+x^4+x^3+1$
    CAN FD(0～16字节)	17	$x^{17}+x^{16}+x^{14}+x^{13}+x^{11}+x^6+x^4+x^3+x^1+1$
    CAN FD(17～64字节)	21	$x^{21}+x^{20}+x^{13}+x^{11}+x^7+x^4+x^3+1$

• CAN FD协议是CAN-BUS协议的最新升级，将CAN的每帧8字节数据提高到64字节，波特率从最高的1Mb/s提高到8～15Mb/s，使得通信效率提高8倍以上，大大提升了车辆的通信效率；

3.1.4 MOST总线

• MOST是Media Oriented Systems Transport的缩写，意思是"多媒体传输系统"，是一种用于多媒体数据传输的网络系统，该系统将符合地址的信息传送到某一接收器上；

• MOST总线通信

  • MOST网络以光纤为载体，通常是环状拓扑结构，布线只需单根光纤；
  • MOST可提供高达50Mb/s的传输速率，远超过传统车载网络；常见的MOST网络有3～10个节点；
  • 一个时序主控者负责驱动系统时钟，生成帧数据即64字节序列数据；可以同时满足15个不同音频流的播放，环中的每一个节点都代表着多媒体设备；剩下的节点都充当从控者，有一个节点充当用户控制界面或MMI；一般来说，这个节点也是时序主控者；

• MOST总线特点

  • 传输速度快；

  • 声音、图像的实时处理；

  • 可以与多种网络连接；

  • 在物理层上，传输介质本身是有塑料保护套、内芯为1mm的聚甲基丙烯酸甲酯光纤，允许采用多种拓扑结构，包括星状和环状，汽车基本采用环状拓扑结构，如下图所示，一个MOST网络中最多可以有64个节点：

• MOST总线的应用

  MOST总线由于传输数据量大、损耗小、速度快、抗干扰强，因此可连接汽车音响系统、视频导航系统、车载电视、高保真音频放大器、车载电话、CD播放器等模块；

3.2 汽车线控技术

• 线控技术的主要特征：执行机构与操纵机构没有直接的机械连接，驾驶意图将转换成对应的电信号驱动执行机构的精确运动；
• 线控底盘是传统驾驶员手脚的延伸，由于电信号传递特点，具有实时性好、精度高的特点，是智能车的灵活的"肌肉机器"；
• 目前，线控技术主要是线控制动、线控转向、线控油门；
• 汽车线控技术应用
  • 线控油门：线控油门的主要功能是将驾驶行为中油门控制转换为成正比的电压信号，发送给发动机控制器，自动优化控制；
  • 线控转向：线控转向实现了转向盘与转向轮完全分开，将驾驶意图中的转向信号通过电信号形式发送到转向电机，由转向电机驱动转向轮；
  • 线控制动：目前主要有两条技术路线：液压式线控制动(Electronic Hydraulic Brake，EHB)和机械式线控制动(Electronic Mechanical Brake，EMB)；
  • EMB取消液压系统，直接用电机驱动机械活塞制动，小巧紧凑，EMB实现了完全电子化，容易与其他电控系统整合到自动驾驶系统；但存在以下缺点：没有备份系统，对可靠性要求极高，电能消耗大，容易发生高温失效，对于行车安全是致命缺陷；
• 汽车线控技术关键技术：传感器技术和总线技术；