汽车局域网研究与设计
摘 要：汽车电子控制系统日臻完善，常规的点对点布线法使整个汽车布线系统杂乱不堪的同时，也不能使汽车的整体性能很好的发挥出来。为了信息共享、减少布线、降低成本以及提高汽车总体可靠性的目的，本文在现有CAN／LIN网络理论基础上利用对比的方法，做了不同方案下的数据链路层和物理层比较仿真实验，根据各节点的功能特点以及成本最小化的原则设计出了汽车网络的总体优化设计方案。实验结果表明，汽车局域网数据传输性能完全满足控制的实时性要求。
关键词：汽车局域网；设计；网络标准；节点
引言
随着科技进步和电子技术的迅速发展，汽车计算机控制范围也在不断增大，如变速器控制、ABS防抱死控制、安全气囊控制、照明控制、空调控制、仪表管理等。现代科技使得汽车性能得到很好提升的同时，传输线柬也得到大大简化。而这一切都得益于汽车网络技术的研究和应用，为了进一步提升汽车整体性能，汽车网络技术的研发设计也是我们以后需要继续努力的方向之一。
目前汽车网络技术正处在高速发展和全面应用阶段。它解决了汽车计算机控制单元独立进行控制，或者相关控制单元通过串行口进行传输的技术问题。在汽车内部采用基于总线的网络结构，可以达到信息共享、减少布线、降低成本以及提高总体可靠性的目的。同时由于各个控制单元对系统响应时间的要求不一样。如制动防抱死控制单元、安全气囊等系统和照明控制、空调控制等系统的区分。前者显然对实时性要求高。系统指令发出以后，如果得不到执行器的及时响应，就可能造成严重后果，甚至车毁人亡。所以，通常的汽车网络结构采用多条不同速率的总线分别连接不同类型的节点，并使用微控制器兼作网关服务器来实现整车的信息共享和网络管理。使得传输线束大大简化，可靠性大大提高。
1 汽车网络标准的分类：
A类：它主要是面向传感器、执行器的低速网络。该网络对实时性要求不高，位传输速率一般在1～10kbit／s，应用于少量传输数据的情况，完成对行李箱的开启和关闭、电动门窗、座椅调节、灯光照明等系统的控制。根据目前A类网络协议发展和使用的状况，可以看出未来A类网的主要协议将是TrP／A(timetriggered protoco]／A)和LIN(10cal interconnect network)。
如LIN是一种新型低成本串行通信系统，它的标准简化了原有的基于多路解决方案的低端SCI，主要用于智能传感器和执行器的串行通信。它的媒体访问采用单主／多从的机制，不需要进行仲裁。
B类：B类网络主要是应用于面向独立模块间的数据共享，属于中速网络，该类网络适用于对实时性要求不高的情况，可以减少多余的传感器和电子部件。它的位传输速率一般在10～100kbiffs，主要应用于车辆信息中心、故障诊断、仪表显示等系统。
目前看来，B类网络的主流协议为CAN(eontoUer areanetwork，IS011898—3)等。
CAN属于总线式串行数据通信网络，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判断等工作。与一般通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。目前，B类网络之间的竞争已初见端倪，CAN凭借其优越的性能，已成为B类网络的主流协议。
c类：主要面向高速、实时、闭环控制的多路传输网，实时数据通讯，具有最高的传送速度。如发动机控制系统、牵引控制系统和防抱死制动系统的控制以及它们之间的数据通讯。该网络具备速度高、错误率低的特性。目前，c类网络中的主流协议包括高速CAN(IS011898-2)、正在发展中的TrP／C，FlexRay等协议。
另外，还有一类是面向司乘人员的安全系统网络，主要应用于车辆被动安全领域。如Byteflight就是一种有针对性地应用在汽车主动、被动安全方面及车身电子系统方面的网络通信协议。完全可以满足下一代汽车在安全性领域的要求。
2 总体方案设计
2.1 汽车网络结构及选择原则
目前的汽车网络结构设计时要针对通讯的负载、效率和实时性要求，对网络上的节点精心划分，使其连接到不同网段中去。对要求实时性基本相同，功能密切相关的节点配置在同一网段中，以总线连接，网段之间以桥接器或网关连接。另外，针对系统性能与价格比的问题，产生了面向不同类型节点的多种总线技术标准，节点可以以合适的方式连接到网络中。针对距离与性能的难题，近年来出现了“子总线”的概念，用类似接入网／骨干网的两层结构组织网络，一些物理上分布接近的节点先通过子总线连接成本地网，本地网再通过网关接人到速率较高的控制器网络。
2.1.1 并列结构
并列结构适合连接功能相对独立的网段，在这种网络结构中，不同网段之间信息交换一般比较少，网段间的信息交换通过网关实现，这种网络结构最主要的特点是：同一子集的节点以总线方式连接；不同总线之间通过专门的网关连接；不同总线上设备之间是互相通信的关系；网络管理功能往往集成在网关中实现；不同子集之间通信一般较少。
2.1.2 分层结构
分层结构是随着近年来“子总线”的出现而出现的，它适合连接子网和控制器网络。在这种结构下，功能相对简单的传感器，执行器先被连接到本地的子网络，再通过网关连接到控制器网络上。这种结构最主要的特点是：同一子集的节点以总线方式连接；通过网关实现下层总线和上层总线之间的信息交换；局部的网络管理功能集成在网关中实现；网关与下层总线上的节点之间通常是主从关系，从节点不能自己开始通讯，而只有在主节点要求时才可以进行。
2.1.3 汽车网络结构的选择原则如下：
(1)根据系统的功能模型，在实现功能的前提下选择成本较小的方案；
(2)根据节点的功能特点，选择最适合这些特点的方案，在不能同时兼顾所有节点的情况下优先考虑主要节点，如发动机电控系统、ABS、仪表板等。
2.2 汽车网络整体方案设计
根据汽车网络控制系统节点的设计要求和应用特点，综合CAN、LIN、MOST等协议的技术功能和优势，汽车网络整体方案设计如图1所示。图中整个网络分为三部分：第一部分主要是用来实现动力传动系统节点的信号传输，这些节点都对通讯实时性要求较高，且常常需要相互配合完成特定的控制方案，因此将这些节点放在具有较高性能、较高效率的CAN主网中；第二部分是实现车身系统节点的信号传输，这些节点的特点是物理上分布范围广，其中很多是功能相对简单的传感器／执行器，对通讯实时性和通讯速率的要求相对较低，在设计中将这些节点放在同一个网段中，同时，根据这些节点在物理上分布范围广的特点，先用本地LIN子网连接物理位置接近的传感器／执行器节点，再通过网关将本地子网连人CAN主网中；第三部分是实现多媒体信息系统节点的信号传输，多媒体信息系统的节点对通讯的绝对速率要求很高，但对传输的误码率要求则相对较低。同时，由于需要采用光纤连接这些节点，而光纤传输的特点决定了不适合使用总线结构，因此在多媒体信息系统中常使用环形的光纤网。==个网段间通过网关来实现CAN,LIN,MOST网络间的信息交换。
3 结语
汽车网络实施方案的优化设计能有效整合数据、信息的局域网内传输，提升汽车的整体性能。它的重要性和其优良的使用性能，已通过投入使用的车型显现出来。作为未来汽车重要的研发方向，其对于汽车的技术创新将是革命性的。我国在汽车网络技术这一领域还是比较落后的，我们应该继续通过深人研究汽车网络化问题，通过实验、仿真系统、技术交流等措施来推进汽车技术的开发研究，缩短同国外汽车技术水平的差距，提高自身的竞争力。并将其应用到研究和制定我国自主汽车网络、总线、通讯协议的规范中去。