LIN總線、CAN總線、FlexRay總線和MOST總線的區(qū)別

前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車各系統(tǒng)的控制逐步向自動(dòng)化和智能化轉(zhuǎn)變，汽車電氣系統(tǒng)變得日益復(fù)雜。傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然會(huì)形成龐大的布線系統(tǒng)。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中，其導(dǎo)線長(zhǎng)度可達(dá)2000米，電氣節(jié)點(diǎn)可達(dá)l5 00個(gè)，而且該數(shù)字大約每10年就將增加1倍。這進(jìn)一步加劇了粗大的線束與汽車上有限的可用空間之間的矛盾。無(wú)論從材料成本還是工作效率看，傳統(tǒng)布線方法都不能適應(yīng)現(xiàn)代汽車的發(fā)展。 另外，為了滿足各電子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，須對(duì)汽車公共數(shù)據(jù)（如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門踏板位置等信息）實(shí)行共享，而每個(gè)控制單元對(duì)實(shí)時(shí)性的要求又各不相同。因此，傳統(tǒng)的電氣網(wǎng)絡(luò)已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展，于是新型汽車總線技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。 目前汽車上普遍采用的汽車總線有局部互聯(lián)協(xié)議LIN和控制器局域網(wǎng)CAN，正在發(fā)展中的汽車總線技術(shù)還有高速容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議FlexRay、用于汽車多媒體和導(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)。 本文主要給大家介紹一下LIN總線、CAN總線、FlexRay總線和MOST總線。

LIN總線

LIN(Local Interconnect Network)是面向汽車地段分布式應(yīng)用的低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN 的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)(例如CAN 總線)提供輔助功能，因此LIN總線是一種輔助的總線網(wǎng)絡(luò)。在不需要CAN 總線的帶寬和多功能的場(chǎng)合，比如智能傳感器和制動(dòng)裝置之間的通訊使用LIN 總線可大大節(jié)省成本。

LIN聯(lián)盟成立于1999年，最初由奧迪、 寶馬、克萊斯勒、摩托羅拉、 博世、大眾和沃爾沃等整車廠及芯片制造商創(chuàng)立，目的是推動(dòng)LIN總線的發(fā)展，并且發(fā)布和管理LIN總線規(guī)范，制定一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證一致性測(cè)試機(jī)構(gòu)。該聯(lián)盟正努力將LIN總線推廣為ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

LIN 技術(shù)規(guī)范中除定義了基本協(xié)議和物理層外還定義了開(kāi)發(fā)工具和應(yīng)用軟件接口。LIN 通訊是基于SCI(UART)數(shù)據(jù)格式，采用單主控制器/多從設(shè)備的模式。僅使用一根12V 信號(hào)總線和一個(gè)無(wú)固定時(shí)間基準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)同步時(shí)鐘線。

這種主要面向“傳感器/執(zhí)行器控制"的低速網(wǎng)絡(luò)，其最高傳輸速率可達(dá)20千比特/秒，主要應(yīng)用于電動(dòng)門窗、座椅調(diào)節(jié)、燈光照明等控制。典型的LIN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到12個(gè)。以門窗控制為例，在車門上有門鎖、車窗玻璃開(kāi)關(guān)、車窗升降電機(jī)、操作按鈕等，只需要1個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)就可以把它們連為一體。

這種低成本的串行通訊模式和相應(yīng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境已經(jīng)由LIN協(xié)會(huì)制定成標(biāo)準(zhǔn)。LIN 的標(biāo)準(zhǔn)化將為汽車制造商以及供應(yīng)商在研發(fā)應(yīng)用操作系統(tǒng)降低成本。

LIN總線結(jié)構(gòu)圖

LIN總線工作原理LIN總線包含一個(gè)宿主節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)從屬節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)都包含一個(gè)被分解為發(fā)送和接收任務(wù)的從屬通訊任務(wù)，而宿主節(jié)點(diǎn)還包含一個(gè)附加的宿主發(fā)送任務(wù)。在實(shí)時(shí)LIN中，通訊總是由宿主任務(wù)發(fā)起。 除了宿主節(jié)點(diǎn)的命名之外，LIN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不使用有關(guān)系統(tǒng)設(shè)置的任何信息。我們可以在不要求其它從屬節(jié)點(diǎn)改變硬件和軟件的情況下向LIN 中增加節(jié)點(diǎn)。 宿主節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)包含同步中斷、同步字節(jié)和消息識(shí)別碼的消息報(bào)頭。從屬任務(wù)在收到和過(guò)濾識(shí)別碼后被激活并開(kāi)始消息響應(yīng)的傳輸。響應(yīng)包含兩個(gè)、 四個(gè)或八個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)和一個(gè)檢查和(checksum)字節(jié)。報(bào)頭和響應(yīng)部分組成一個(gè)消息幀。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)。基于這種報(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總線物理層采用單線連接， 兩個(gè)電控單元間的最大傳輸距離為40m。其總線驅(qū)動(dòng)器和接收器的規(guī)范遵從改進(jìn)的ISO 9141 單線標(biāo)準(zhǔn)。基于SCI/UART( 通用異步收發(fā)接口的單總線串行通信) 協(xié)議；目前幾乎所有的微控制器芯片上都有SCI/UART接口。低傳輸速率、小于20kb/s、采用NRZ編碼。

奧迪A6L轎車LIN總線內(nèi)部組成示意圖

CAN總線

CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)安全性、舒適性、方便性、低功耗、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)了出來(lái)。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。 為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過(guò)多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986年德國(guó)電氣商博世公司開(kāi)發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN通過(guò)ISO11898及ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。 CAN總線工作原理與其他總線一樣，CAN總線的通信也是通過(guò)一種類似于“會(huì)議”的機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，只不過(guò)會(huì)議的過(guò)程并不是由一方（節(jié)點(diǎn)）主導(dǎo)，而是每一個(gè)會(huì)議參加人員都可以自由的提出會(huì)議議題（多主通信模式）。 總結(jié)下，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的CPU 將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識(shí)符傳送給本節(jié)點(diǎn)的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)它收到總線分配時(shí)，轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)文狀態(tài)。CAN 芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報(bào)文格式發(fā)出， 這時(shí)， 網(wǎng)上的其它節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)。每個(gè)處于接收狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測(cè)，判斷這些報(bào)文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。 CAN總線結(jié)構(gòu)圖CAN總線的優(yōu)點(diǎn)很多： 通信速率最高可達(dá)1MB/s（此時(shí)距離最長(zhǎng)40m）。節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。 采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)。 每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。 通信介質(zhì)可采用雙絞線，同軸電纜和光導(dǎo)纖維，一般采用廉價(jià)的雙絞線即可，無(wú)特殊要求。節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。

FlexRay總線

FlexRay總線是由寶馬、飛利浦、飛思卡爾和博世等公司共同制定的一種新型通信標(biāo)準(zhǔn)， 專為車內(nèi)聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計(jì)， 采用基于時(shí)間觸發(fā)機(jī)制， 具有高帶寬、容錯(cuò)性能好等特點(diǎn)， 在實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。FlexRay支持總線間的多種消息傳遞架構(gòu)。隨著FlexRay在汽車上的廣泛使用以及網(wǎng)絡(luò)日益統(tǒng)一，這項(xiàng)功能將越發(fā)重要。例如，若干家汽車制造商已經(jīng)實(shí)施或提議采用一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不管采用何種通信協(xié)議，所有通信通過(guò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。為了跨越協(xié)議邊界通信，要求網(wǎng)絡(luò)支持多個(gè)消息傳遞選項(xiàng)。 未來(lái) FlexRay作為標(biāo)準(zhǔn)總線將用于所有x-by-wire系統(tǒng)（制動(dòng)、轉(zhuǎn)向…）、其它安全關(guān)鍵領(lǐng)域（工業(yè)、航空…）和用作數(shù)據(jù)主干網(wǎng)（相比CAN總線有更高的帶寬）。 FlexRay總線工作原理FlexRay總線數(shù)據(jù)收發(fā)采取時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)的方式。利用時(shí)間觸發(fā)通信時(shí)， 網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都預(yù)先知道彼此將要進(jìn)行通信的時(shí)間， 接收器提前知道報(bào)文到達(dá)的時(shí)間， 報(bào)文在總線上的時(shí)間可以預(yù)測(cè)出來(lái)。即便行車環(huán)境惡劣多變， 干擾了系統(tǒng)傳輸， FlexRay協(xié)議也可以確保將信息延遲和抖動(dòng)降至最低， 盡可能保持傳輸?shù)耐脚c可預(yù)測(cè)。這對(duì)需要持續(xù)及高速性能的應(yīng)用( 如線控剎車、線控轉(zhuǎn)向等)來(lái)說(shuō)，是非常重要的。它采用了周期通信的方式， 一個(gè)通信周期可以劃分為靜態(tài)部分、動(dòng)態(tài)部分、特征窗和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間4個(gè)部分。靜態(tài)部分和動(dòng)態(tài)部分用來(lái)傳輸總線數(shù)據(jù)，即FlexRay報(bào)文。特征窗用來(lái)發(fā)送喚醒特征符和媒介訪問(wèn)檢測(cè)特征符。網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間用來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式的時(shí)鐘同步和節(jié)點(diǎn)參數(shù)的初始化。FlexRay具有高速、可靠及安全的特點(diǎn)。FlexRay在物理上通過(guò)兩條分開(kāi)的總線通信，每一條的數(shù)據(jù)速率是10MBit/s。FlexRay還能夠提供很多網(wǎng)絡(luò)所不具有的可靠性特點(diǎn)。尤其是FlexRay具備 的冗余通信能力可實(shí)現(xiàn)通過(guò)硬件完全復(fù)制網(wǎng)絡(luò)配置， 并進(jìn)行進(jìn)度監(jiān)測(cè)。FlexRay同時(shí)提供靈活的配置， 可支持各種拓?fù)洌?如總線、星型和混合拓?fù)?。FlexRay本身不能確保系統(tǒng)安全， 但它具備大量功能，可以支持以安全為導(dǎo)向的系統(tǒng)（如線控系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)。 FlexRay拓?fù)鋱DFlexRay拓?fù)涞撵`活性及實(shí)現(xiàn)事件觸發(fā)或時(shí)間觸發(fā)的操作模式對(duì)收發(fā)器意義重大。下面列舉其中一部分： 10Mbps的數(shù)據(jù)處理速率； 支持FlexRay節(jié)點(diǎn)和有源星型拓?fù)洌?提供電源管理功能，提高ECU效率； 為時(shí)間驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)模式集成兩個(gè)專用的控制輸入； 支持本地和遠(yuǎn)程喚醒功能； 提供錯(cuò)誤檢測(cè)； 符合汽車行業(yè)的嚴(yán)格規(guī)范要求(例如ESD和EMC領(lǐng)域，同時(shí)涉及上述各個(gè)方面)。 寶馬公司在07款X5系列車型的電子控制減震器系統(tǒng)中首次應(yīng)用了FlexRay技術(shù)。此款車采用基于 飛思卡爾的微控制器和恩智浦的收發(fā)器， 可以監(jiān)視有關(guān)車輛速度、縱向和橫向加速度、方向盤角度、車身和輪胎加速度及行駛高度的數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)了更好的乘坐舒適性以及駕駛時(shí)的安全性和高速響應(yīng)性，此外還將施加給輪胎的負(fù)荷變動(dòng)以及底盤的振動(dòng)均減至最小。

MOST總線

MOST (Media Oriented System Transport) 面向媒體的系統(tǒng)傳輸總線，MOST 是汽車業(yè)合作的成果，而不具備正式的標(biāo)準(zhǔn)。它是一種專門針對(duì)車內(nèi)使用而開(kāi)發(fā)的、服務(wù)于多媒體應(yīng)用的數(shù)據(jù)總線技術(shù)。MOST 表示“多媒體傳輸系統(tǒng)”。 MOST總線是作為寶馬公司、前戴姆勒克萊斯勒公司、Harman/Becker公司（音響系統(tǒng)制造商）和 Oasis Silicon Systems公司之間的一項(xiàng)聯(lián)合。1998 年，參與各方建立了一個(gè)自主的實(shí)體，即 MOST公司，由它控制總線的定義工作。Oasis公司自己保留對(duì) MOST 命名的權(quán)利。由一家獨(dú)立的測(cè)試機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)產(chǎn)品的認(rèn)證過(guò)程，例如 Ruetz 技術(shù)公司。除了順從性測(cè)試以外，Ruetz公司還為 MOST 總線系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供使用的軟、硬件分析工具,以及 MOST 系統(tǒng)的培訓(xùn)。

基于MOST總線的典型車載高端娛樂(lè)系統(tǒng)

MOST總線工作原理

MOST 總線利用光脈沖傳輸數(shù)據(jù)，采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，在環(huán)形總線內(nèi)只能朝著一個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)。MOST 總線的傳輸技術(shù)近似于公眾交換式電話網(wǎng)絡(luò)（ Public Switched Telephone Network；PSTN），有著數(shù)據(jù)信道（Data Channel）與控制信道（Control Channel）的設(shè)計(jì)定義，控制信道即用來(lái)設(shè)定如何使用與收發(fā)數(shù)據(jù)信道。一旦設(shè)定完成， 資料就會(huì)持續(xù)地從發(fā)送處流向接收處， 過(guò)程中不用再有進(jìn)一步的封包處理程序， 將運(yùn)作機(jī)制如此設(shè)計(jì)， 最適合用于實(shí)時(shí)性音訊、視訊串流傳輸。MOST在制訂上完全合乎ISO/OSI的7層數(shù)據(jù)通訊協(xié)議參考模型，而在網(wǎng)線連接上MOST采用環(huán)狀 拓樸， 不過(guò)在更具嚴(yán)苛要求的傳控應(yīng)用上， MOST也允許改采星狀（ 亦稱放射狀） 或雙環(huán)狀的連接組態(tài)，此外每套MOST傳控網(wǎng)絡(luò)允許最多達(dá)64個(gè)的裝置（節(jié)點(diǎn)）連接。 基于MOST總線的車載音頻娛樂(lè)系統(tǒng)原理圖MOST總線專門用于滿足要求嚴(yán)格的車載環(huán)境。這種新的基于光纖的網(wǎng)絡(luò)能夠支持24.8Mbps的數(shù)據(jù)速率，與以前的銅纜相比具有減輕重量和減小電磁干擾(EMI)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，MOST也支持隨插隨用機(jī)制。

CAN、LIN及FlexRay在車上分布

結(jié)語(yǔ)

總結(jié)來(lái)看，CAN總線是中堅(jiān)，LIN總線是CAN總線的副手，F(xiàn)lexRay總線是未來(lái)的希望，MOST總線則負(fù)責(zé)車載多媒體業(yè)務(wù)。隨著汽車電動(dòng)化、智能化及網(wǎng)聯(lián)化的推進(jìn)，這四種總線將在未來(lái)繼續(xù)大放異彩。
責(zé)任編輯：彭菁