车载总线 | 一文看懂五大汽车总线：CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太网

一、前言

随着汽车工业的发展，汽车各系统的控制逐步走向自动化和智能化转变，汽车电气系统变得错综复杂。传统电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然会形成庞大的布线系统。

据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达2000米，电气节点可达1500个，而且该数字大约每10年就将增加1倍。这进一步加剧了粗大线束与汽车上有限的可用空间之间的矛盾。无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都不能适用现代汽车的发展。

另外，为了满足各电子系统的实时性要求，须对汽车公共数据（如发动机转速、车轮转速、节气门踏板位置等信息）实行共享，而每个控制单元对实时性的要求又各不相同。因此，传统的电气网络已无法适应现代汽车电子系统的发展，于是新型汽车总线技术便应运而生。

目前汽车上普遍采用的汽车总线有局部互联协议LIN和控制器局域网CAN，正在发展中的汽车总线技术还有高速容错网络协议FlexRay、用于汽车多媒体和导航的MOST以及计算机网络兼容的蓝牙、无线局域网等无线网络技术。

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总线作为一种车辆网络拓扑结构，是车上所有的电子和电气部件的互联结构的线束表现，直接影响到控制器功能的分配、数据网络的规划。典型的拓扑结构有总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑、网状拓扑以及他们之间的各种组合形式。

二、车载总线的种类

车载总线种类繁多，就我目前了解到，有如下：CAN、CAN FD、LIN、MOST、FlexRay 和 Ethernet等

车载总线类型

1.CAN

1.1 CAN协议简介

CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是一种串行数据通信协议。最初，CAN 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置 ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入 CAN 控制装置。

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当时，为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要， 80 年代末，由德国 Bosch 公司最先提出。提出 CAN 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993 年，CAN 已成为国际标准 ISO11898(高速应用)和 ISO11519（低速应用）。

CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

CAN总线工作原理与其他总线一样，CAN总线的通信也是通过一种类似于“会议”的机制实现的，只不过会议的过程并不是由一方（节点）主导，而是每一个会议参加人员都可以自由的提出会议议题（多主通信模式）。

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CAN总线系统原理框图

1.2 CAN协议特点

可以多主通信模式工作，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。
采用非破坏性位仲裁总线机制，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）及全局广播几种传送方式接收数据。
直接通信距离最远可达10km（速率5Kbps以下）。
通信速率最高可达1MB/s（此时距离最长40m）。
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8byte。
每帧信息都有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。

2.CAN FD

2.1 CAN FD协议简介

随着汽车功能越来越多，数据传输对带宽的要求也越来越高，CAN总线由于带宽的限制，已经无法满足要求了，就推出了CAN FD，全称为“CAN with Flexible Data rate”。继承了CAN的主要特性，弥补了CAN的数据长度和带宽的限制，可简单认为就是CAN的升级版。

2011年，开始CAN FD协议的开发，2015年ISO11898-1进行了修订，将CAN FD加入其中。

2.2 CAN FD协议特点

传输速率不同。CAN FD的速率可变，从控制场中的BRS位到ACK场之前（含CRC分界符）为可变速率，最高速率可达到8Mbps。其他部分与CAN相同。

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传统CAN总线波形

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CAN FD总线波形

2.数据长度不同。CAN FD支持的最大数据长度为64byte。

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传统CAN数据段

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CAN FD的数据段

3.帧格式不同。CanFD新增了FDF、BRS、ESI位

3.LIN

3.1 LIN总线简介

LIN总线的全称为“Local Interconnect Network”，是面向汽车地段分布应用的低成本的串行通信网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN的目标是为现有汽车网络（例CAN总线网络）提供辅助功能，因此LIN总线是一种辅助的总线网络。应用场合有车门、方向盘、座椅、空调、照明、湿度传感器和交流发电机等。LIN的一大优点是成本低，但其最大传输速率为20Kbps。建议的通信速率如下，低速2400bps，中速9600bps，高速19200bps。

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LIN的部分应用

3.2 LIN总线特点

单主控器/多从设备的组网模式，无需仲裁机制，最多可连接16个节点（1主15从）
基于通用UART接口几乎所有微控制器都具备LIN必需的硬件
不需要单独的晶振，便能完成主、从节点的同步，硬件成本大幅降低。
信号传播时间可预先计算出来的确定性信号传播
仅使用一根信号线便可完成信息的传输，即所谓的单总线设备
传输速率最高可达20kb/s
不需要改变LIN从节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点
通常一个LIN上节点数目小于12个，共有64个标志符
极少的信号线即可实现国际标准ISO 9141的规定

奥迪A6L轿车LIN总线内部组成示意图

4. FlexRay

4.1 FlexRay简介

FlexRay是一种用于汽车的高速、可确定性的，具备故障容错能力的总线技术，它将事件触发和时间触发两种方式结合起来，具有高效的网络利用率和系统灵活性的特点，可作为新一代汽车内部网络的主干网络。

FlexRay总线是由宝马、飞利浦、飞思卡尔和博世等公司共同制定的一种新型通信标准，专为车内联网而设计，采用基于时间触发机制，推进了FlexRay的标准化，使其成为高级动力总成、底盘、线控系统的标准协议。主要用于线控操作，如，线控操作转向、防抱死制动系统(ABS)包括车辆稳定控制(VSC)和车辆稳定助手（VSA)等。

FlexRay联盟在2013年发布了ISO 17458标准规范。

第一款采用FlexRay的量产车于2006年在BMW X5中推出，应用在电子控制减震系统中。

4.2 FlexRay特点

高传输速率：FlexRay的每个信道具有10Mbps带宽。它不仅可以像CAN和LIN总线这样的单信道系统运行，而且还可以作为一个双信道系统运行，因此可以达到20Mbps的最大传输速率，是当前CAN最高运行速率的20倍；

同步时基：FlexRay中使用的访问方法是基于同步时基的。该时基通过协议自动建立和同步，并提供给应用。时基的精确度介于0.5μs和10μs之间（通常为1～2μs）；

确定性：通信是在不断循环的周期中进行的，特定消息在通信周期中拥有固定位置，因此接收器已经提前知道了消息到达的时间。到达时间的临时偏差幅度会非常小，并能得到保证；

高容错：强大的错误检测性能和容错功能是FlexRay设计时考虑的重要方面。FlexRay总线使用循环冗余校验CRC(Cyclic redundancy cheek)来检验通信中的差错。FlexRay总线通过双通道通信，能够提供冗余功能，并且使用星型拓扑可完全解决容错问题；

灵活性：在FlexRay协议的开发过程中，主要关注的是灵活性，反映在如下几个方面:

支持多种方式的网络拓扑结构，点对点连接、串级连接、主动星形连接、混合型连接等；信息长度可配置，可根据实际控制应用需求，为其设定相应的数据载荷长度；双通道拓扑既可用于增加带宽，也可用于传输冗余的信息；周期内静态、动态信息传输部分的时间都可随具体应用而改变。

可靠性：在汽车要求的工作环境下可靠工作，体现在下面几个方面：

满足汽车使用的温度环境要求在不使用外部滤波器条件下每个FlexRay产品满足汽车系统和法规要求的EMC指标直接与线束相连的总线控制器和通信控制器的输入/输出，满足汽车上电器系统的要求。

4.3 FlexRay拓扑

FlexRay的拓扑是多样的，有线型、星型和混合型三大类，再结合单通道和双通道的使用（FlexRay的两个通道可相互独立实现，所以两个通道可采用不同的拓扑结构，如一个通道为主动星型拓扑，另一个为总线拓扑结构），所以最终组合的结果可形成很多种。再例如既有点对点的线行结构和多节点的线性结构，还有增加冗余性的双通道星型拓扑结构等等。

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