第一章　汽车CAN总线结构原理

第一节　汽车总线基本结构原理

一、概述

汽车自发明以来就一直在不断地被改进，以期持续提高动力性、舒适性、安全性和环境相容性。目前汽车具有非常复杂的电子控制系统以及大量的执行器和传感器。传感器测量车辆中的相关状态，例如发动机温度、车内温度、车轮转速、油位和燃油箱油量等。执行器执行车辆中的规定动作。执行器包括刮水器、座椅调整装置、车窗升降机、冷却器风扇的电动机或制动缸、自动变速器的切换装置、中控锁操控装置、安全气囊触发装置等，而这仅仅是列举了大量执行器中的几个例子。

为了协调传感器和执行器的工作，长期以来汽车厂家不断开发各种专用电子控制系统。车辆中装有若干个控制模块，每个控制模块都是车辆中的一个独立的计算机系统并负责规定的任务，例如负责发动机管理的控制模块。在每个控制模块上都连接有传感器和执行器，控制模块收集和分析由传感器测得的实际值，执行器由控制模块根据实际状态进行控制并执行相应的动作，如发动机控制模块根据发动机温度调节冷却液流量。

传统的电子技术是指车辆中每个电气部件至少在电线束中敷设一根相应横断面的导线。例如控制尾灯时，就敷设一根从灯开关到灯泡的导线，如图1-1所示。

故障诊断可通过测量相应导线上的信号变化过程来进行。当电子装置进入车辆中时，一开始也保留了这种信号传输方式。为每个必须在控制模块之间交换的信息在电线束中敷设了一根附加导线。很多车辆包含大量的电子控制系统。车辆中电子装置的增加，一方面由客户对更高行驶安全性和更高行驶舒适性的要求决定；另一方面是为了满足立法部门对改进排气状态和减小耗油量的要求。能够胜任这些要求的控制模块已在发动机控制、变速器控制和节气门控制以及防抱死系统（ABS）或加速防滑控制（ASR）系统中使用较长时间。采用常规导线连接的控制模块如图1-2所示。

1，2—控制模块；3—常规导线的数据通信

承担复杂控制任务的控制模块应互相协作，为实现功能的复杂性，控制模块之间需要进行大量数据交换。然而由于控制模块功能的复杂性不断增加，如果每个信息都需要一根新导线，那么这会使得导线束无限膨胀。此外对每个信息来说，在发送控制模块上需要一个输出端，在接收控制模块上需要一个输入端。于是需要非常多的插头连接，随之而来的是受干扰性增大。

为了实现控制模块之间复杂性的数据交换功能，开发人员采用计算机的联网技术，并在此基础上开发了总线系统，通过它能够在控制模块之间进行数据交换。

总线可由一根或多根导线构成，通常由两根导线构成，如CAN总线。通过双线总线导线连接的控制模块如图1-3所示。

1，2—控制模块；3—终端电阻；4—总线

在总线系统上可并行连接多个控制模块。为了避免通过导线传输数据时发生故障，在总线导线的末端连接终端电阻。在双线总线系统中使用双绞线，并以推挽方式传输信号，这样就能够显著降低外部干扰。

汽车中装有多种总线系统。下面介绍最重要的几种总线系统，并以CAN总线为例解释控制模块和传输距离的共同作用，以及数据传输的工作原理。这些工作原理在所有总线系统中都适用。

二、数制

在计算机和数据传输技术中有三种重要的数制，即十进制、二进制、十六进制。

（一）十进制

十进制是常用的阿拉伯数制。这种数制的基数是10。与此相应，每个单个数位有10个不同的符号。由此表示一个一位数会有10种不同可能，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。

为了表示一个两位数，存在100种可能，即数字0～99。这是表示第一位的10种可能乘以表示第二位的10种可能，即102=10×10=100种可能。

为了表示三位数（0～999），类似地有103=10×10×10=1000种可能。数值逐位乘以10。一个十进制数的结构如图1-4所示。

（二）二进制

二进制是数据处理中最常用的数制之一。在二进制中只有两个数字值——0和1，或接通或关闭，或高电压或低电压，即表示二进制符号或位。人们也把这两个值称为逻辑0和逻辑1。

每个数据信号都由一个二进制符号（位）的排列构成，例如10010110。二进制有两种状态0和1，因此基数为2。

十进制记数法中的数字5在二进制中为0101，即（0×23）+（1×22）+（0×21）+（1×20）=（0×8）+（1×4）+（0×20）+（1×1）=0+4+0+1=5。可以看出，在二进制中位值逐位加倍。一个二进制数的结构如图1-5所示。

（三）十六进制数值

十六进制用作二进制数的简化表示。这种数制包括十六个符号，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。它的基数是16。字母A～F对应十进制中的数字值10～15。

用一个一位的十六进制数值可以表示一个四位的二进制数值，如图1-6所示。

从二进制数值转换成十六进制数值时，把二进制数值的各个四位组转换成十六进制数值，然后连在一起书写。

例如，将二进制数值11010111转换成十六进制数值，第一个四位组1101对应于十六进制数值D；第二个四位组0111对应于十六进制数值7。把这两个结果合并在一起，得到十六进制数字D7，即11010111对应于D7。此时会发现，大的二进制数值以十六进制写法表示时，由于位数较少而更加简明。

在车辆电子装置中存在大量信息和测量值，必须对它们的精度进行更加准确的探测。例如“热”和“冷”的表述不能对自动恒温空调的车内温度进行合适的调节。因此，多个位被组合成一个数字信号。可能的数字值的数字随组合的二进制位数的增多而增大，如用一个四位二进制数能够表示16个不同的值。用一个八位二进制数可以表示255个可能的值。

三、总线系统的分类与结构

从结构上来看，车辆中安装的总线系统原则上可划分成两类即主总线系统和子总线系统。主总线系统负责跨系统的数据交换；子总线系统在系统内部交换数据，可在限定的系统中交换相对较少的数据。例如，宝马车辆中的主总线系统见表1-1。

①在较早的车型中也称作仪表总线。

宝马车辆中的子总线系统见表1-2。

数据传输率说明在相应的总线系统中以何种传输速度传输数据，总线结构说明控制模块相互间的联网方式（线形、星形、环形）和通过何种传输媒介传输数据。

车辆中同时安装了多个总线系统。在安装的总线系统之间为不同的任务进行数据交换。然而总线系统以不同的传输速度工作，电平各不相同，并且在光学总线系统中借助光脉冲传输数据。为了能够在总线系统之间交换数据，必须在不同的总线系统之间实现连接。该连接借助专用控制模块，即网关来实现。

（一）单线总线系统

在单线总线系统中通过一根芯线传输数据。车辆接地连接也用作数据传输的接地连接。在车身范围内的许多应用中较低的传输速度已够用，尤其是当各个部分作为子总线系统时。

典型的单线总线如LIN总线，其网络结构如图1-7所示。

低传输速度使这些总线的实现在技术上更容易，因此价格更便宜。

（二）双线总线系统

在双线总线系统中通过一条双绞线传输数据。信号在导线上以所谓的推挽方式输送。导线的绞合和信号传输方式保证总线系统的抗干扰强度非常高，而传输速度也高于单线总线系统数倍。双线总线的数据传输方式如图1-8所示。

与单线总线系统相比，双线总线系统技术更复杂，因此费用也更高。

（三）光学总线系统

在导线连接的总线系统中通过导线传送电信号，而在光学总线系统中借助光脉冲传送数据。光学总线系统与导线连接的总线系统相比，对电磁和静电干扰源的抗干扰能力更强，并且能够以高得多的传输速度传输数据。因此它们一方面用于过程发生时间紧迫的车辆范围，如与安全有关的范围（如安全气囊触发装置）；另一方面用于传送大数据量的车辆范围，特别是在多媒体应用领域。奥迪多媒体交互系统的MOST总线结构如图1-9所示。

对于光学总线系统，进行与光缆有关的工作时要特别仔细，以便数据能够正常传输。

（四）网关

网关用作总线系统之间的接口。尽管各个总线系统的传输速度和传输方法不同，网关仍使数据交换成为可能。宝马中央网关控制模块如图1-10所示。

通过网关的总线连接如图1-11所示。

1—网关

（五）网络结构

总线系统的网络结构可以是线形、星形或环形的。每个连接在总线上的控制模块构成一个所谓的总线节点。

线形总线结构如图1-12所示。

星形总线结构如图1-13所示。

环形总线结构如图1-14所示。

（六）车身总线

车身总线（K-BUS）是宝马汽车中第一批总线系统之一，其数据以9.6kBit/s的速度通过一根单线导线传输，总线结构为线形。

车身总线把一般车辆电气系统、信息和通信系统以及安全系统的组件联成网络。然而在最新的宝马车型中，车身总线技术只在个别系统中使用，并被K-CAN技术替代。

当车身总线传输信息时，该总线的电平位于0～12V之间。如果电平从0V切换到12V，那么表示一个逻辑1的信号。如果电平从12V切换到0V时，那么表示一个逻辑0的信号。车身总线上的电平如图1-15所示。

车身总线通过网关与其他总线相连。宝马E85的整车总线结构如图1-16所示。

IHKA—自动恒温空调控制模块；IHKS—集成式暖风控制模块；HIS—暖风控制模块；GM5—基本模块5；RLS—雨天/行车灯传感器；SZM—中央控制台开关中心；SM—座椅控制模块；EWSⅢ—电子禁启动防盗装置；PDC—驻车距离报警控制模块；CVM—敞篷车软顶控制模块；LSZ—灯光开关控制中心；RADIO—收音机；CDC—CD光盘转换盒；HIFI—高保真音频控制模块；CID—中央信息显示器；NAV—导航模块；VM—视频模块；TEL—电话；SIM—安全和信息控制模块；SBSL—左侧B柱卫星式传感器；SBSR—右侧卫星式传感器；LWS—转向角传感器；EPS—电动助力转向控制模块；DSC—动态稳定控制模块；DME—发动机控制模块；EGS—自动变速器控制模块；SMG—自动换挡式手动变速器控制模块；D-BUS—诊断总线；byteflight—安全总线（光缆）；K-BUS—车身总线；PT-CAN—动力CAN总线