车载网络技术主要包含CAN数据总线、LIN总线系统、VAN系统、LAN系统、MOST数据总线和车载蓝牙系统。

车载网络总线按照通信速率进行分类，如表1-1-1所示。

表1-1-1 车载网络总线分类

由于汽车上不同区域的总线的速率和识别代号不同，因此一个信号要从一个总线进入另一个总线区域，必须把它的识别信号和速率进行改变，使其能够让另一个系统接受，这个任务由网关（gateway）来完成。在车载网络系统的设计中，有一个模块往往在完成控制自身的控制任务之外，同时还具备网关的功能。

1.1.1 CAN总线（CAN-bus）

CAN总线是德国Robert Bosch公司在20世纪80年代初为汽车业开发的一种串行数据通信总线。它是一种保密性很高，有效支持分布式控制或实时控制的现场串行通信网络。在目前众多的现场总线标准中，CAN-bus是唯一被ISO认证（ISO11898）批准为国际标准的现场总线，它已发展成为应用最广泛、支撑技术和元器件最丰富的现场总线标准之一，被誉为最有前途的现场总线。

如图1-1-1所示，CAN总线的基本系统由多个控制单元和两条数据线组成，这些控制单元通过所谓收发器（发射-接收放大器）并联在传输总线上。数据传输总线负责系统数据的传输工作，它通过双向数据传输，实现了信息数据的大容量、高速度传输。其中，CAN控制器的作用是接收控制单元中微处理器发出的数据，处理数据并传给CAN收发器；同时，CAN控制器也接收CAN收发器收到的数据，处理数据并传给微处理器。在数据总线两端都装有数据传输终端。

图1-1-1 CAN总线的通信原理

各个CAN系统的所有控制单元都并联在CAN数据总线上。如图1-1-2所示，CAN数据总线的两条导线分别叫CAN高线（CAN-High线，CAN-H线）和CAN低线（CAN-Low线，CAN-L线）。这两条导线缠绕在一起，称为双绞线。

图1-1-2 双绞线示意图

在大众车系中，CAN导线的基色为橙色。对于驱动数据总线来说，CAN-High线上还多加了黑色作为标志色；对于舒适系统CAN数据总线来说，CAN-High线上的标志色为绿色；对于信息系统CAN数据总线来说，CAN-High线上的标志色为紫色；而所有CAN-Low线的标志色都是棕色。为了易于识别，并与大众车系及VAS 5051诊断仪相适应，CAN导线分别用黄色和绿色来表示，CAN-High线为黄色，CAN-Low线为绿色。

控制单元之间的数据交换就是通过这两条导线来完成的，这些数据可能是发动机转速、油箱油面高度及车速等。图1-1-3给出的是大众车系各个系统双绞线的外形。

图1-1-3 双绞线外形图

图1-1-4和图1-1-5所示的CAN-High线和CAN-Low线上的电位是相反的，如果一条线的电压是高位，另一条线就是低位。在显性状态时，CAN-High线上的电压值会升高一个预定值（对CAN驱动数据总线来说，这个值至少为1 V）。而CAN-Low线上的电压值会降低一个同样值（对CAN驱动数据总线来说，这个值至少为1 V）。于是在CAN驱动数据总线上，CAN-High线就处于激活状态，其电压不低于3.5 V（2.5 V+1 V=3.5 V），而CAN-Low线上的电压值最多可降至1.5 V（2.5 V-1 V=1.5 V）。这样，根据两条线上的电位差自动判读出显性（1）和隐性（0）状态，这样的方法被称为差分法。

图1-1-4 CAN总线通信原理

图1-1-5 舒适系统/显示（信息娱乐）系统CAN总线的理论电压

CAN总线采用双绞线是为了防止和避免外界电磁波的干扰和向外辐射。如图1-1-6所示，当外界的干扰同时作用于两根导线时，产生的电磁波辐射信号相互抵消，通过这种办法可以使总线数据在传送中免受干扰影响。

控制单元间的数据交换都在同一平台上进行，这个平台称为协议，CAN总线起到数据交换“高速公路”的作用。汽车电控系统的控制单元、CAN模块和CAN数据总线，再加上诊断K线就构成了CAN-bus多路信息传输系统的一个功能单元，如图1-1-7所示。

车载网络系统数据交换原理如图1-1-8所示。

由于CAN总线系统实现了全车数据共享，让整车成为一个智能化的整体，从而具有自我调节能力。例如，当点火开关关闭一定时间之后，CAN总线的舒适系统将自动处于休眠状态，整个系统处于最低耗电状态，从而节省了能源的消耗。一旦接收到车门开启信号，无需启动发动机，系统立即被唤醒激活，开始接受各处节点传递的信息，将整车调整到最佳工作状态。

CAN总线系统的设计也提高了汽车的安全性。首先，确认钥匙合法性的校验信息通过CAN进行传递，改进了加密算法，其校验的信息比以往的防盗系统更丰富；其次，车钥匙、防盗控制器和发动机控制器相互储存对方信息，而且在校验码中掺杂随机码，无法进行破译，大大提高了防盗系统的安全性。

图1-1-6 双绞线的抗干扰原理

图1-1-7 CAN总线的结构

图1-1-8 网络数据交换原理

CAN总线系统提高了对汽车故障的诊断能力，由于每一个电子模块被网络连接到一起，通过诊断系统，可以将各个故障代码保存在存储器之中并且通过标准的汽车诊断第二代系统（OBDII）端口读出。

CAN总线系统具有以下的特点：

● 可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活；

●网络上的节点（信息）可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求；

● 采用非破坏性位仲裁总线结构机制，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据；

●可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播等几种传送方式接收数据；

●直接通信距离最远可达10 km（速率5 kb/s以下）；

●通信速率最高可达1 Mb/s（此时距离最长40 m）；

●节点数实际可达110个；

●采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个；

●每帧信息都有循环冗余校验码（CRC）校验及其他检错措施，数据出错率极低；

●通信介质可采用双绞线、同轴电缆和光导纤维，一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求；

● 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。

目前，驱动系统CAN和舒适系统是两条独立的总线系统，为实现在各CAN之间的资源共享，设计网关使二者相连，并将各个数据总线的信息反馈到仪表板上。驾车者只要看看仪表板，就可以知道各个电控装置是否正常工作，从而实现信息的共享。

1.1.2 LIN总线

LIN（Local Interconnect Network）总线是用于汽车分布式电控系统的一种新型低成本串行通信系统。它是一种基于通用异步接收/发送装置（UART）的数据格式、主从结构的单线12 V的总线通信系统，主要用于智能、传感器和执行器的串行通信，而这正是CAN总线的带宽和功能所不要求的部分。

由奥迪、宝马等7家汽车制造商及Motorola集成电路制造商联合提出的LIN协议是一种廉价的局部互连的串行通信网络协议。LIN是用于汽车分布式电控系统的一种新型低成本串行总线，LIN总线系统的突出特点是单线式总线，仅靠一根导线传输数据，将开关、显示器、传感器及执行器等简单控制设备连接起来，通过廉价、单线、串行通信网络协议组成一个系统。LIN总线是一种辅助的总线网络，使用LIN总线可大大节省成本。在低速车身控制条件下，与CAN总线相比较，LIN总线控制方案成本较低是最大的优势。

LIN采用低成本的单线连接，传输速率最高可达20 kb/s。对于低端的大多数应用对象来说，这个速率是可以接受的，它的媒体访问采用单主、多从的机制，不需要进行仲裁。从节点中不需要晶体振荡器而能进行自同步，这极大地减少了硬件平台的成本。

在LIN数据总线系统内，有一个主节点、多个从节点（主控制单元）。主节点可以执行主任务（引起LIN网络通信），也可以执行从任务，总线上的信息传送由主节点控制。主控制单元同时还在LIN数据总线与CAN数据总线之间起到沟通作用，它是LIN总线系统中唯一与CAN数据总线相连的控制单元。图1-1-9为奥迪A6L轿车CAN，LIN总线与从控制器的示意图。

单个控制单元（如新鲜空气鼓风机）或传感器及执行元件（如水平传感器及防盗警报蜂鸣器）都可看作是LIN的从控制。

在丰田卡罗拉轿车上，LIN总线用来控制车身系统电子控制单元（又称“行车电脑”，Electronic Control Unit, ECU）之间的通信，主要包括车门系统LIN通信系统、认证系统LIN通信系统、空调LIN通信系统。

一、 LIN总线与CAN总线的比较

LIN总线与CAN总线的比较如下：

图1-1-9 奥迪A6L轿车CAN，LIN总线与从控制器示意图

●工作方式：LIN总线为单主/多从方式，CAN总线为多主或主/从方式；

●数据传输形式：LIN总线为单线传输，CAN总线为双线传输；

●网络工作电压：LIN总线为12 V，CAN总线为5 V；

● 传输速率：LIN总线最高传输速率为20 kb/s，属于低速总线（A类），CAN总线传输速率为 1 Mb/s，应用于汽车上的属于中速（B类）和高速（C类）；

●理论传输距离：LIN总线最长为40 m，CAN总线最长为10 km；

●节点数：LIN总线一般不超过16个；CAN总线最多110个；(www.daowen.com)

● LIN总线无需仲裁；CAN总线采用非破坏性仲裁技术；

● 传输的数据长度：LIN总线一帧信息中数据长度为2，4或8字节；CAN总线一帧信息中数据长度为0～8字节。

二、 LIN总线系统的特点

LIN总线系统具有以下的特点：

●在LIN系统中加入新节点时，不需要其他从节点作任何软件或硬件的改动；

● 整个网络的配置信息只包含在主节点中，从节点可以自由地接入或脱离网络，而不会影响网络中通信LIN的网络结构；

●从节点不需振荡器就能实现同步，节省了多从控制器部件的硬件成本；

●基于通用UART接口，几乎所有微控制器都具备LIN必需的硬件，价格低廉、结构简单；

●可以基于普通单片机的通用串口等硬件资源以软件方式实现，成本低廉；

●通信量小、配置灵活，通信速率最大可达20 kb/s；

● LIN的协议是开放的，任何组织及个人无需支付费用即可获取。

图1-1-10中，显性位时电平接近0 V，而隐性位时电平接近12 V。从图1-1-10可以看出，如果没有信号发送到LIN数据总线上或者发送到总线上的是一个隐性电平时，数据总线上的电压就是蓄电池电压。反之，当传输显性电平时，发送控制单元内的收发器将LIN数据总线接地。因为电平是以“搭铁”为参考点的，所以显性和隐性电平将有接近蓄电池电压的电位差，在设计中将隐性电平的最低电平确定为80％的电源电压，将显性电平的最高电平确定为20％的电源电压。这样就为数据传输的抗干扰性提供了保证。

三、 LIN总线的应用

汽车上LIN总线的应用属于刚刚起步阶段，从某种意义上讲，LIN是CAN的经济版的通信网络应用。典型的LIN总线应用是汽车中的联合装配单元，如门、方向盘、座椅、空调、照明灯、湿度传感器、交流发电机等，如图1-1-11所示。对于这些成本比较敏感的单元，LIN可以使那些机械元件，如智能传感器制动器或光敏器件得到较广泛的使用。这些元件可以很容易地连接到汽车网络中，并得到十分方便的维护和服务。在LIN实现的系统中，通常将模拟信号量用数字信号量所替换，这将使总线性能优化。尽管LIN最初的设计目的是用于汽车电子控制系统，但LIN也可广泛应用于工业自动化传感器总线大众消费电子产品中。

图1-1-10 LIN总线上的波形

图1-1-11 LIN总线应用方案

1.1.3 MOST总线

MOST是Media Oriented Systems Transport的简称，意为面向媒体的系统传输。

低速用于远程通信、诊断及通用信息传送，IDB-C按CAN总线的格式以250 kb/s的通信速率进行信息传送。

高速主要用于实时的音频和视频通信，如MP3，DVD和CD等的播放，所使用的传输介质是光纤，主要的IDB-M有D2B，MOST和IEEE1394。

D2B是用于汽车多媒体和通信的分布式网络，通常使用光纤作为传输介质，可连接CD播放器、语音控制单元、电话和因特网。D2B技术已使用于奔驰公司多款S级轿车中。

MOST系统可连接汽车音响系统、视频导航系统、车载电视、高保真音频放大器、车载电话、多碟CD播放器等模块，其数据传输速率最高可达22.5 Mb/s，而且没有电磁干扰。在车载多媒体影音娱乐系统中，海量的视频和音频数据是由MOST总线来传输的，而CAN总线只能用来传输控制信号。

MOST总线系统采用环形拓扑结构，如图1-1-12所示。控制单元通过光导纤维沿环形方向将数据发送到下一个控制单元。这个过程一直在持续进行，直至首先发出数据的控制单元又接收到这些数据为止。可以通过数据总线自诊断接口和诊断CAN总线来对MOST系统进行故障诊断。

图1-1-12 MOST总线

MOST利用低价的光纤网络，可以传输以下3种数据：

●同步数据，主要指音频、视频等流动型数据；

●异步数据，传输网络和数据库访问时的数据包；

●控制数据，传送控制报文和控制整个网络的数据。

图1-1-13 奥迪A8汽车的信息及娱乐多媒体系统

目前德国宝马、奔驰、奥迪等高端车已大规模使用MOST构建汽车多媒体信息系统。图1-1-13为奥迪A8汽车的信息及娱乐多媒体系统。

MOST具有以下几个特点：

●保证低成本的条件下，达到24.8 Mb/s的数据传输速率；

●无论是否有主控计算机都可以工作；

●使用塑料光缆（POF, plastic optical fiber）优化信息传送质量；

●支持声音和压缩图像的实时处理；

●支持数据的同步和异步传输；

●发送/接收器嵌有虚拟网络管理系统；

●方便简洁的应用系统界面。

通过采用MOST，不仅可以减少连接各部件线束的数量、降低噪声，而且可以减轻系统开发技术人员的负担，实现车上各种设备的集中控制。

MOST的系统管理器负责控制系统状态、发送总线信息和管理传输容量。由系统管理器和诊断管理器共同负责MOST总线内部的系统管理。

MOST总线系统具有工作模式、备用模式和休眠模式3种状态。休眠模式时，静态工作电流降至最小，系统内部没有数据交换，处于待命状态。备用模式状态下，MOST转入后台运行，各设备不再向用户提供服务（看起来好像关机状态）。在有外界触发的情况下（如车门锁打开、车钥匙插入点火开关、发动机启动或者蓝牙电话进入等）相关设备自动激活，进入原先的工作状态（如收音机自动开启、DVD自动播放、GPS自动进入等）。

1.1.4 CAN-FD总线

CAN-FD（Flexible Data rate，灵活数据传输率）是CAN总线的升级换代设计，它继承了CAN总线的主要特性。2011年，Bosch公司发布了CAN-FD 1.1版。CAN-FD 1.1版增加了可变速的传送方式、更长的数据域长度、新的CRC校验办法等。

为了满足现代汽车电子设备种类、功能方面的要求，越来越多的电子控制系统被加入到汽车控制中。但是，由于CAN总线的设计最高传输速率为1 Mb/s（汽车CAN系统的实际使用速率最高为500 kb/s），ECU数量的大量增加使总线的负载率快速增加而导致网络传输速度的降低，影响信息传输的可靠性和实时性。

面对总线负载率的不断增长，现有的CAN总线具有两大不足：

● 传播延时（Propagation Delay）：CAN通信与带宽会受到总线系统的长度或者传播的距离所影响。在CAN 协议里面，仲裁区域（Arbitration）和应答区域（Acknowledgment）会是首当其冲被传播延时影响的地方。传播的距离越长，有效的带宽就会越窄，传播速率越慢。

● 数据区域的效率（Data Efficiency）：现有的CAN协议机制里面，一个完整的CAN报文的有效载荷最多只能为8个字节，在标准帧的报文里面，数据大约占58%，而在扩展帧里数据只占49%左右。由此可见数据效率一般。

为了解决带宽和可靠性的需求，有人提出使用新的总线需要取代现有的CAN系统协议，例如Flex Ray总线、Most总线，但是这就同时需要重新开发控制器软硬件、重新设计车载网络系统，这无疑会增加汽车制造商的开发成本、降低市场的竞争力。

在CAN-FD模式下，具有与CAN总线相似的控制器接口，总线的带宽有显著的提升，能够支持更高的数据负载，数据区域的提速并不会受到传播延时影响。在相同的仲裁区域速率的情况下，CAN-FD报文能够在相同的时间内发送更多的数据。这种相似性使ECU开发商不需要对ECU的软件部分做大规模的修改，降低了开发难度和成本。

CAN-FD是CAN总线系统的升级换代设计，它继承了CAN总线的主要特性，提高了CAN总线的网络通信带宽，改善了错误帧漏检率，同时可以保存网络系统大部分硬件特别是物理层不变。在现有车载网络系统中应用CAN-FD协议时，需要加入CAN-FD控制器。但是CAN-FD也可以参与到原来的CAN总线系统之中，提高了网络系统的兼容性。

CAN-FD可以有效提高车载网络系统的数据传输速率，并且保持现有软硬件不做大的改变。当仲裁段位选定1 Mb/s、数据场长度为64 b、数据段的通信速率为8 Mb/s时，CAN-FD总线的带宽可以提高到5 Mb/s以上，这样的性能提高是相当可观的。

CAN-FD是一种新协议，它保持了CAN协议的核心特征，并且拥有更高的带宽和更长的数据长度。CAN-FD在车载网络系统中可以沿用CAN总线的收发器，它保留了CAN网络的物理层和拓扑结构，能够提供CAN总线网络的无缝升级。当采用CAN总线收发器时，其传输速率期望值为2.5 Mb/s，这些优越性为CAN-FD提供了良好的发展前景。