什么是CAN總線/LIN總線/FlexRay/以太網(wǎng)？

20世紀(jì)80年代后， MCU和MPU開(kāi)始在汽車(chē)中被廣泛使用，汽車(chē)電子化進(jìn)程開(kāi)始逐年加快。近幾年，智能化和網(wǎng)聯(lián)化在汽車(chē)行業(yè)興起，汽車(chē)電子化程度更上一層樓。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前汽車(chē)的創(chuàng)新70%來(lái)源于汽車(chē)電子產(chǎn)品，電子產(chǎn)品成本占整車(chē)比例已經(jīng)從上世紀(jì)70年代的4%，成長(zhǎng)到現(xiàn)在的30%左右。未來(lái)仍將進(jìn)一步提升，預(yù)期到2030年，該比例將可達(dá)到50%。在電子零部件越來(lái)越多，信息傳輸量越來(lái)越大的需求促動(dòng)下，汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)化勢(shì)頭已經(jīng)不可擋。因此，傳統(tǒng)的電氣網(wǎng)絡(luò)已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代汽車(chē)電子系統(tǒng)的發(fā)展，新型汽車(chē)總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

圖|汽車(chē)總線

目前汽車(chē)上普遍采用的汽車(chē)總線有局部互聯(lián)協(xié)議LIN和控制器局域網(wǎng)CAN，正在發(fā)展中的汽車(chē)總線技術(shù)還有高速容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議FlexRay、用于汽車(chē)多媒體和導(dǎo)航的MOST以及與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)兼容的藍(lán)牙、無(wú)線局域網(wǎng)等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

在這里，與非網(wǎng)編輯主要講解一下傳統(tǒng)三大總線CAN、LIN、FlexRay和汽車(chē)總線“新貴”以太網(wǎng)，看一下每一個(gè)汽車(chē)總線的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

CAN總線

CAN-BUS即CAN總線技術(shù)，全稱(chēng)為“控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)（Controller Area Network-BUS）”。Can-Bus總線技術(shù)最早被用于飛機(jī)、坦克等武器電子系統(tǒng)的通訊聯(lián)絡(luò)上。將這種技術(shù)用于民用汽車(chē)最早起源于歐洲，在汽車(chē)上這種總線網(wǎng)絡(luò)用于車(chē)上各種傳感器數(shù)據(jù)的傳遞。

圖|CAN總線

汽車(chē)上面布滿了各種控制單元，越是高級(jí)的汽車(chē)，其控制單元越多，控制系統(tǒng)越復(fù)雜。每個(gè)控制單元都可看做一***立的電腦，它可以接受信息，同時(shí)能對(duì)各種信息進(jìn)行處理、分析，然后發(fā)出一個(gè)指令。比如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元會(huì)接受來(lái)自進(jìn)氣壓力傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器、油門(mén)踏板位置傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器等等的信息，在經(jīng)過(guò)分析和處理后會(huì)發(fā)送相應(yīng)的指令來(lái)控制噴油嘴的噴油量、點(diǎn)火提前角等等，其它控制單元的工作原理也都類(lèi)似。在這里可以給大家做一個(gè)比喻，車(chē)上的各種控制單元就好比一家公司各個(gè)部門(mén)的經(jīng)理，每個(gè)部門(mén)的經(jīng)理接受來(lái)自自己部門(mén)員工的工作匯報(bào)，經(jīng)過(guò)分析作出決策，并命令該部門(mén)的員工去執(zhí)行。

部分汽車(chē)的控制單元之間的所有信息都通過(guò)兩根數(shù)據(jù)線進(jìn)行交換，這種數(shù)據(jù)線也叫CAN數(shù)據(jù)總線。通過(guò)該種方式，所有的信息，不管信息容量的大小，都可以通過(guò)這兩條數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳遞，這種方式充分的提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

圖|CAN-BUS

總線系統(tǒng)之所以稱(chēng)作為CAN-BUS，其實(shí)也是因?yàn)樗墓ぷ髟砼c運(yùn)行中的公共汽車(chē)很類(lèi)似。每個(gè)站點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)控制單元，而行駛路線則是CAN數(shù)據(jù)總線，CAN數(shù)據(jù)總線上傳遞的是數(shù)據(jù)，而公共汽車(chē)上承載的是乘客。某個(gè)控制單元接收到負(fù)責(zé)向它發(fā)送數(shù)據(jù)的傳感器的信息后，經(jīng)過(guò)分析處理會(huì)采取相應(yīng)措施，并將此信息發(fā)送到總線系統(tǒng)上。這樣此信息會(huì)在總線系統(tǒng)上進(jìn)行傳遞，每個(gè)與總線系統(tǒng)連接的控制單元都會(huì)接收到此信息，如果此信息對(duì)自己有用則會(huì)存儲(chǔ)下來(lái)，如果對(duì)其無(wú)用，則會(huì)進(jìn)行忽略。

目前汽車(chē)上的CAN數(shù)據(jù)總線連接方式主要有兩種，一種是用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速CAN總線，速率可達(dá)到500kb/s，另一種是用于車(chē)身系統(tǒng)的低速CAN總線，速率為100kb/s。當(dāng)然對(duì)于中高級(jí)轎車(chē)還有一些如娛樂(lè)系統(tǒng)或智能通訊系統(tǒng)的總線，它們的傳輸速率更高，可以超過(guò)1Mb/s。

接下來(lái)，我們看一下CAN總線有哪些優(yōu)勢(shì)：

·比傳統(tǒng)的布線方式的數(shù)據(jù)傳輸速度更高。

·比傳統(tǒng)布線方式要節(jié)省線束，降低了車(chē)身重量，同時(shí)優(yōu)化了車(chē)身的布線方式。

·以CAN總線方式連接的控制單元中有一個(gè)發(fā)生故障，其它控制單元仍可發(fā)送各自的數(shù)據(jù)，互不影響。

·CAN數(shù)據(jù)總線為雙線制，如果有一條發(fā)生故障，CAN系統(tǒng)會(huì)轉(zhuǎn)為單線運(yùn)行模式，提高了整車(chē)的穩(wěn)定性。

·CAN系統(tǒng)的雙線在實(shí)際中是像“麻花”一樣纏繞在一起的，這樣可以有效的防止電磁波的干擾和向外輻射。

·基于CAN總線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更豐富的車(chē)身功能。

CAN總線是當(dāng)前汽車(chē)總線應(yīng)用最廣的一種，但是由于自身安全性等原因，人們已經(jīng)開(kāi)始為CAN總線尋求合格的替代者， FlexRay、以太網(wǎng)是這個(gè)過(guò)程中呼聲較高的。

LIN總線

LIN總線是針對(duì)汽車(chē)分布式電子系統(tǒng)而定義的一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，是對(duì)控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)等其它汽車(chē)多路網(wǎng)絡(luò)的一種補(bǔ)充，適用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、性能或容錯(cuò)功能沒(méi)有過(guò)高要求的應(yīng)用。LIN總線是基于SCI(UART)數(shù)據(jù)格式，采用單主控制器/多從設(shè)備的模式，是UART中的一種特殊情況。

圖|車(chē)載網(wǎng)絡(luò)示意圖

LIN總線是面向汽車(chē)低端分布式應(yīng)用的低成本，低速串行通信總線。它的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)提供輔助功能，在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場(chǎng)合使用，降低成本。

LIN聯(lián)盟成立于1999年，并發(fā)布了LIN01.0版本。最初的成員有奧迪、寶馬、克萊斯勒、摩托羅拉、博世、大眾和沃爾沃等。

LIN總線相對(duì)于CAN的成本節(jié)省主要是由于采用單線傳輸、硅片中硬件或軟件的低實(shí)現(xiàn)成本和無(wú)需在從屬節(jié)點(diǎn)中使用石英或陶瓷諧振器。這些優(yōu)點(diǎn)是以較低的帶寬和受局限的單宿主總線訪問(wèn)方法為代價(jià)的。

圖|汽車(chē)總線示意圖

LIN總線上的所有通訊都由主機(jī)節(jié)點(diǎn)中的主機(jī)任務(wù)發(fā)起，主機(jī)任務(wù)根據(jù)進(jìn)度表來(lái)確定當(dāng)前的通訊內(nèi)容，發(fā)送相應(yīng)的幀頭，并為報(bào)文幀分配幀通道?？偩€上的從機(jī)節(jié)點(diǎn)接收幀頭之后，通過(guò)解讀標(biāo)識(shí)符來(lái)確定自己是否應(yīng)該對(duì)當(dāng)前通訊做出響應(yīng)、做出何種響應(yīng)?；谶@種報(bào)文濾波方式，LIN可實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)傳輸模式，且一個(gè)報(bào)文幀可以同時(shí)被多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收利用。

LIN總線是CAN總線的副手。未來(lái)，或許將隨著CAN總線一起退出歷史的舞臺(tái)。

FlexRay

FlexRay是一種用于汽車(chē)的高速、可確定性的，具備故障容錯(cuò)能力的總線技術(shù)，它將事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)兩種方式相結(jié)合，具有高效的網(wǎng)絡(luò)利用率和系統(tǒng)靈活性特點(diǎn)，可以作為新一代汽車(chē)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)絡(luò)。FlexRay是汽車(chē)工業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)(facto standard)。

圖|FlexRay

Flexray的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣，既可以像CAN總線一樣使用線型結(jié)構(gòu)，也可以使用星型結(jié)構(gòu)。中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信息。當(dāng)除中心節(jié)點(diǎn)外的某個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞或線路故障時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)可以斷開(kāi)與該節(jié)點(diǎn)的通信。但當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)，整個(gè)總線便無(wú)法工作?？梢詫⒍鄠€(gè)星型總線的中心節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)。

Flexray和CAN總線最本質(zhì)的區(qū)別是總線分配的方式不同。CAN總線是采用CSMA/CA機(jī)制。各節(jié)點(diǎn)會(huì)一直監(jiān)聽(tīng)總線，發(fā)現(xiàn)總線空閑時(shí)便開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。Flexray用的是TDMA(Time Division Multiple Access) 和FTDMA(Flexible Time Division Multiple Access)兩種方法。Flexray將一個(gè)通信周期分為靜態(tài)部分、動(dòng)態(tài)部分、網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間。靜態(tài)部分使用TDMA方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)均勻分配時(shí)間片，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有在屬于自己的時(shí)間片里面才能發(fā)送消息，即使某個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前無(wú)消息可發(fā)，該時(shí)間片依然會(huì)保留（也就造成了一定的總線資源浪費(fèi)）。在動(dòng)態(tài)部分使用FTDMA方法，會(huì)輪流問(wèn)詢每個(gè)節(jié)點(diǎn)有沒(méi)有消息要發(fā)，有就發(fā)，沒(méi)有就跳過(guò)。靜態(tài)部分用于發(fā)送需要經(jīng)常性發(fā)送的重要性高的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)部分用于發(fā)送使用頻率不確定、相對(duì)不重要的數(shù)據(jù)。

圖|FlexRay

Flexray相比較于CAN總線要復(fù)雜許多，安全性相對(duì)較高。但是，F(xiàn)lexray總線也有其弊端，就是造價(jià)成本過(guò)高，除了德系車(chē)廠在量產(chǎn)車(chē)上使用過(guò)，其他國(guó)家極少見(jiàn)。隨著汽車(chē)電子化程度的增加，對(duì)總線帶寬的要求也越來(lái)越高。用Flexray來(lái)取代原來(lái)普遍使用的CAN總線是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)槌杀緦?shí)在太高。

以太網(wǎng)

新的汽車(chē)功能，如自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)、車(chē)道偏離檢測(cè)系統(tǒng)、盲點(diǎn)檢測(cè)和高級(jí)信息娛樂(lè)系統(tǒng)等引發(fā)了對(duì)新的數(shù)據(jù)總線需求。顯然，未來(lái)我們需要的是更加開(kāi)放、高速，且易于與其他電子系統(tǒng)或者設(shè)備集成的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)有助于減少功耗，線束重量和部署成本。

圖|多功能汽車(chē)系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)支持的通信協(xié)議較為單一，而車(chē)載以太網(wǎng)可以同時(shí)支持AVB、TCP／IP、DOIP、SONIP等多種協(xié)議或應(yīng)用形式。其中，Ethernet AVB 是對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)功能的擴(kuò)展，通過(guò)增加精確時(shí)鐘同步、帶寬預(yù)留等協(xié)議增強(qiáng)傳統(tǒng)以太網(wǎng)音視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，是極具發(fā)展?jié)摿Φ木W(wǎng)絡(luò)音視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)。SOME／IP（Scalable Service－Oriented MiddlewarE on IP）則規(guī)定了車(chē)載攝像頭應(yīng)用的視頻通信接口要求，可應(yīng)用于車(chē)載攝像頭領(lǐng)域，并通過(guò)API實(shí)現(xiàn)駕駛輔助攝像頭的模式控制。

作為AVB協(xié)議的擴(kuò)展，車(chē)載時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN， ?Time－Sensitive Networking）則引入時(shí)間觸發(fā)式以太網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)，能高效的實(shí)現(xiàn)汽車(chē)控制類(lèi)信息的傳輸。此外，1Gbit 速率通信標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)載以太網(wǎng)同時(shí)還支持 POE（Power Over Ethernet）功能和高效節(jié)能以太網(wǎng)（EEE， Energy－Efficient Ethernet）功能，POE 功能可在雙絞線傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)為連接的終端設(shè)備供電，省去了終端外接電源線，降低了供電的復(fù)雜度。

圖|車(chē)用以太網(wǎng)

當(dāng)前，以太網(wǎng)和CAN的連接通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。以太網(wǎng)目前還不是用來(lái)