入门篇:汽车总线是什么?CAN、LIN、MOST、FlexRay有何区别?

相信有不少维修技师或者车主朋友们,在实际用车或修车的过程中都会遇到“车载网络”、“数据总线”等名词。对于刚接触的朋友来说,这些名词可能晦涩难懂,不过不要紧,下面我就用通俗易懂的方式,让你明白汽车CAN、LIN、FlexRay和MOST四大常用通信总线究竟是怎么回事。

入门篇:汽车总线是什么?CAN、LIN、MOST、FlexRay有何区别?-有驾

在很久以前,大概是汽车刚被发明出来后,因为功能较单一,所以各个电子设备之间使用最普通的导线和插接器进行连接,不论是动力、转向、制动系统,还是电源管理系统均是如此。但随着汽车工业化不断的加深,汽车上所需要的导线和插接器也急剧增多,这就会造成汽车线束布局变得十分复杂和凌乱,这不仅会占用过多的车内空间,还会使装配和维修的成本大大增加。为了解决这一技术瓶颈,数据传输总线(车载网络)便应运而生。

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1960~1995年导线和插头变化

汽车总线就是指一条数据线上的信号可以传递给车辆上的多个模块,简单来说就是数据共享,这样的串行通信方式不仅可以极大降低汽车上的导线数量,还可以充分利用有限的资源提高整体效率。比如以前的汽车发动机电脑(ECU)和变速箱电脑(TCU)之间需要传输转速、升档、喷油脉宽、节气门位置四个信号时,它可能需要四根导线;那么现在使用数据传输总线后,就只需要1~2根就可以了。

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传统信号传递方式
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总线信号传递方式

车载网络的使用主要开始于20世纪80年代初,但由于汽车上不同的系统对车载网络有不同的要求,于是便开发出了多种传输总线。比如ECU和TCU系统要求信息传递快速,于是它们就是用高速而灵活的CAN线;再比如车窗升降和雨刮电机系统,它们就不需要CAN总线那么快的传输速率,于是使用传输速率和成本都比较低的LIN总线。除此之外,还有MOST总线、FlexRay总线、TTP总线以及Bluetooth总线。当然,今天我们只聊在汽车上运用比较广泛的四大总线,也就是CAN、LIN、FlexRay和MOST。

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CAN总线全称Controller Area Network,也就是控制器局域网的意思。它由博世公司1983年开发,于1986年在美国汽车工程协会(SAE)上亮相,紧接着1991年第一次在Mercdes-Benz 500E车型上使用,哪怕到目前为止,依旧是运用最广泛的汽车总线。

根据不同的传输速率,CAN总线被分为高速CAN和低速CAN两大类,其中高速CAN简称CAN-C,传输速率在125kbit/s~1Mbit/s之间,主要运用于ECU、TCU、ESP、ABS以及行车仪表等需要实时控制的汽车系统;而低速CAN则简称CAN-B,传输速率在10kbit/s~125kbit/s之间,主要运用于车窗升降、座椅调节、空调控制、车灯控制等汽车系统。

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这里的高速CAN(CAN-C)和低速CAN(CAN-B)一定要注意和CAN_H和CAN_L加以区分。由于汽车上的CAN总线大都是双绞线,所以这两根线又分为高电平数据传输线和低电平数据传输线,即CAN_H(CAN_High)和CAN_L( CAN_Low)。比如平常维修中,使用万用表测量诊断接口(OBD)的6号和14号针脚电压,指的的就是CAN_H和CAN_L。

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而高速CAN后面“C”的和低速CAN后面的 “B”则是指汽车数据传输总线的类型,因为SAE根据通信速率和可靠性等指标将总线分为A、B、C、D、E五类。

高速CAN属于C类,所以叫CAN-C,比如维修中说的动力CAN就是CAN-C;

而低速CAN则属于B类,所以叫CAN-B,比如舒适CAN就是CAN-B,不同的车企有不同的称呼,不过大致相同。

但不论是CAN-C还是CAN-B,基本都有CAN_H和CAN_L,单线传输除外。

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SAE对汽车总线分类

CAN总线为双绞线,各个控制单元都并联在上面,数据交换也是靠CAN_H和CAN_L这两个导线来完成的,但也有部分车型,如宝马的动力CAN(PT-CAN)就是采用三根制,在原有基础上多出一根唤醒线。另外为了消除终端反射干扰,在CAN线的两端还各加有120Ω的电阻。

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CAN线在电路图中示意

LIN(Local Interconnect Network)总线,也就是局域互联网的意思,它的出现晚于CAN总线,于20世纪90年代末被摩托罗拉、宝马、奥迪、戴姆勒、大众以及沃尔沃等多家公司联合开发,其目的是提供一种性价比高、性能可靠的低速网,以取代低速CAN总线系统。因为低速CAN哪怕是应用于车窗和座椅等简单的控制系统上,它过高的性能依旧存在冗余和浪费,所以为降低成本,便开发了LIN总线。

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2001年LIN总线第一次被应用在量产车上,同样是Mercdes-Benz旗下的SL车型。LIN总线的传输速率较慢,一般为10kbit/s,最高不超过20kbit/s,在SAE总线分类中,被定为A类总线。主要应用于自适应前照灯、空调鼓风机、雨刮器以及外后视镜等系统。LIN总线是一根无屏蔽的单根导线,所以抗干扰能力较差,常见的电子噪声便会影响到LIN线。

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LIN总线系统结构

LIN总线是一种区域子网,所以它的节点分为主节点(主控单元)和从节点(从空单元)。

其中主节点通过上一级的CAN总线连接到车辆的网络上去,在部分车型上,LIN主节点还会担任网关的角色,因为它连接CAN线,二者协议不一样,所以需要“翻译”,即网关;

而从节点则是指一些机电元件,如鼓风机和风道伺服电机等。LIN从控单元主要负责执行、传递或反馈与主控单元相关的数据。

一般来说,典型的LIN网络总线最多可以有16个节点。

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LIN总线可以接收两种逻辑状态,一是逻辑0,显性电平0V;二是逻辑1,显性电平为电源电压,一般为12V。但在实际情况中,由于各车企和系统布线方式的不同以及信号干扰的存在,所以会出现一定的误差,但并不影响正常诊断。

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20世纪90年代末,汽车多媒体系统对复杂音频、导航、电话等影音娱乐的需求变得日益迫切,而这些应用对数据的传输量和传输速率都有很高的要求,其不仅要保证音质清晰,同时还要满足画面流畅的要求,而CAN总线显然无能为力。但这些系统对安全和实时处理要求较低,所以为了解决这一问题,16个汽车厂商、67个零部件供应商和工具供应商共同组成MOST联盟,特别开发了MOST光学传输总线,其目的就是实现音频和视频信号的数字化传输。

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MOST总线是多媒体数据传输的网络总线,属于信息总线的一种,而CAN总线和LIN总线则多用于控制和调节,一般属于控制总线的类型。MOST总线最大的特点除了光纤外,就是传输速率极快,最高一般可达22.5Mbit/s,被SAE划分为D类网络总线,在汽车四大总线中传输速度最快

MOST总线系统属于环形拓扑结构,也就是说它从A控制单元发出信号,经过B、C两个控制单元后,又会再次回到A,起点即终点。主要应用于音响、视频导航、车载电视、数字收音机等系统。

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FlexRay总线是继CAN线和LIN线之后的又一新型通信系统,目的是在电气与机械电子之间实现高效、可靠的实时数据传输。虽然它许多方面看似和CAN线有所重叠,但依旧有许多车企进行研究,并决定在将来逐步取代CAN线

这是因为FlexRay总线属于双信道传输,且每个通道具有独立的线路,因此可以实现冗余数据的传输,最大传输速率为10Mbit/s,而在非冗余的总线访问情况下,则可进行最高达20Mbit/s的传输。也就是说FlexRay总线的容错率、传输率以及可靠性都是高于CAN线的,这也是为何开发FlexRay总线的原因。

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另外,FlexRay总线拥有多个拓扑结构,既可以实现点对点直连,还支持总线拓扑、星型拓扑以及混合拓扑等结构,灵活性大大优于CAN线。在另一方面,CAN线的控制算法属于事件触发,发生一个事件就会传输数据。但当多个事件汇集在一起时,就可能出现信号延迟的现象,进而造成各系统控制性能变差。

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FlexRay总线除了具备事件算法外,还拥有时间算法,它可以在规定的时间段对特定的信息进行开放,至于一些时间要求不高的信息则采取事件事件算法控制,这就弥补了CAN线的缺陷。FlexRay总线主要运用于与安全相关的网络系统,如汽车转向系统、制动系统以及动态稳定系统等。

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总的来看,CAN线是目前运用最广泛的汽车总线;而LIN则是成本较低的总线,主要是用来取代低速CAN;MOST则是它们之中传输最快的总线,主要用于多媒体系统;最后的FlexRay总线则用于与安全相关的网络系统,并在将来有可能取代CAN线,成为汽车上应用最多的总线。

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