July：自动驾驶汽车技术入门（九）——介绍汽车通信总线

hwyzw

   

    July：自动驾驶汽车技术入门（九）——平台技术基础
    在文章中，我们已提及自动驾驶系统不仅需对感知传感器实时采集的数据进行处理并作出决策，还需对车辆的动力系统以及相关机械部件进行协同控制，以执行驾驶操作。为此，必须确保有一个稳定且可靠的线控车辆平台。通常情况下，线控车辆平台涵盖了车辆的线控系统以及通信总线。本文将着重介绍汽车通信总线的内容。
    汽车内部导线通过总线控制的技术被称为汽车总线技术，也常简称为汽车总线。得益于电子技术的迅猛进步和在汽车领域的广泛运用，汽车的电子化水平持续提升。这一技术不仅应用于发动机控制系统，还涵盖了传动系控制系统，以及涉及行驶、制动、转向等控制系统的复杂大系统。此外，它还包括了安全保障系统和仪表报警系统。目前，美国汽车工程师协会SAE的汽车网络委员会依据协议特性，将车用总线技术划分为A、B、C、D四类。

    一、LIN总线
    LIN（局域互联协议）这一汽车底层网络协议，由Audi、BMW、VCT通信技术公司、大众以及Volvo等企业及部门共同提出，属于一种新兴的汽车子总线系统。其主要目标是提供一种成本低廉且性能稳定的低速网络，旨在汽车网络层次结构中充当低端网络的通用协议，并逐步替代现有的众多低端总线系统。该标准及其配套的开发、测试与维护平台的应用，将有助于减少车辆电子系统的开发、生产、使用及维护成本。
    1.LIN总线的通信系统
    LIN系统由一个主节点以及一个或多个从节点组成。每个节点均具备一个负责发送与接收信息的从节点通信任务，而主节点则额外拥有一个主发送任务。在实时LIN通信过程中，主任务始终是通信的发起者。在LIN网络中，除了对主节点的命名外，其他节点均不依赖任何与系统配置相关的信息。在不影响其他从属节点硬件与软件配置的前提下，可以向LIN系统中添加新的节点。主机节点会发送一个包含同步中断、同步字节以及消息识别码的报头信息。当从属任务接收到并筛选出识别码后，便会启动并开始传输消息响应。这些响应通常包含2个、4个或8个数据字节，以及一个用于验证的字节。报头和响应部分共同构成了一个完整的信息帧。LIN总线上的通信均由宿主节点的主机任务启动，该任务依据进度表来决定通信的具体内容，随后发送对应的帧头，并为报文帧指定帧通道。从属节点在接收到帧头后，会解析标识符来判断是否需要对当前的通信进行响应，以及如何响应。采用这种报文筛选技术，LIN协议能够支持多样化的数据传输形态，并且单条报文帧能够被多个网络节点共同接收和利用。

    LIN Bus系统结构2.LIN总线特点
    传输过程稳定可靠，信号传递的时效性得到保障；采用LIN总线进行数据传输，其速率十分迅速，最高传输速度可达20Kb/s；在主控器与多个从设备协同工作时，无需复杂的仲裁机制。
    LIN总线所采用的信号线数量较少，符合国际标准的相关规定；在各个节点上，无需安装陶瓷振荡器或晶振即可实现自同步功能，从而显著降低了使用成本。
    在不需对其他从属节点进行硬件或软件调整的前提下，可以向LIN系统中添加新的节点。
    3.LIN总线的应用
    LIN总线在汽车领域得到了广泛的应用，涵盖了方向盘相关组件、座椅控制、车门控制以及车载传感器等多个方面。它能够轻松地与汽车网络中的智能传感器、制动系统或光敏元件等设备相连接，同时为维护和服务提供了极大的便利。通过使用数字信号量替代模拟信号量，LIN总线在性能上得到了显著提升。
    二、CAN总线
    CAN总线遵循ISO国际制定的串行通信规范。在汽车领域，为了满足对安全、舒适、便捷、环保和成本效益的需求，众多电子控制系统相继问世。鉴于这些系统间通信所需的数据类型和可靠性要求各异，常常需要多条总线协同工作，从而导致线束数量显著增加。为了满足降低线束数量、借助多个局域网实现大量数据快速传输的需求，CAN总线技术应运而生。
    1.CAN总线的通信
    各个节点的CAN总线均支持相互间的无障碍交流；CAN总线采用多主竞争式结构，其通信的一大特色；在此结构下，总线上的任何节点都能在任何时间主动向网络中的其他节点传输信息，不受主次之分；同时，节点之间能够实现无限制的通信。
    传统的站点地址编码已被CAN总线协议所废弃，同时，对通信数据模块进行编码的做法展现出其独特优势，即理论上CAN总线在网络中的节点数量不受限制。数据模块的编码标识符由29位或11位二进制数构成，因此可以定义出2个或超过2个不同的数据块。这种编码方式还允许相同的数据被多个节点同时接收，这在分布式控制系统中被广泛采用。为了确保通信的实时性，数据段的长度被限制在最多8字节，且8字节的数据传输不会导致总线时间过长。为确保数据传输的稳定性，CAN协议引入了循环冗余校验机制，并配备了相应的错误处理手段。鉴于CAN总线具备卓越的性能，其在行业内的影响力持续增强。
    2.CAN总线的特点
    CAN总线在进行数据通讯的过程中，不存在主从节点之分，任何一个节点均有权向其他任意节点（不论是一个还是多个）发起数据通讯请求，而通信的顺序则是由各节点所携带的信息优先级的高低来决定的。
    在CAN总线上进行通信时，若多个节点同时启动通信，优先级较高的节点将优先进行通信，而优先级较低的节点则会及时让行，因此，通信通道得以保持畅通，不会出现拥堵现象。
    CAN总线通过两根导线相互连接，这一设计有效减少了信号干扰，从而确保了信号传输的稳定性与可靠性。
    若在通信过程中某个节点遭遇了严重的故障，该节点具备自动脱离总线的功能。
    CAN总线采用双绞线作为传输介质，其对于实时性的需求较为严格，因此特别适合于大数据量在短距离内的传输，或是长距离传输中的小数据量需求。
    3.CAN总线在设备的应用
    CAN总线可划分为高速CAN与低速CAN两种类型，其中高速CAN的传输速率达到500Kb/s，主要负责ECU、ABS等模块信号的传输；而低速CAN的传输速率则为125Kb/s，主要用于控制仪表、防盗系统等。

    汽车中CAN总线的应用三、总线发展与自动驾驶
    目前，多数在生产的汽车依旧采用成熟的CAN总线作为核心及分支结构，同时亦包含部分采用LIN总线进行简单部件控制的车辆。
    2010年，欧洲某汽车制造厂提出了对CAN总线进行升级的要求。当时，为单个ECU编写程序并进行烧写需耗时长达八小时。为了缩短ECU升级所需的时间，有必要对CAN总线进行升级。升级后的CAN总线将数据传输的字节数从8个提升至64个，波特率也提升了5兆，从而诞生了CAN FD技术。
    面对当下自动驾驶及主动安全技术的需求，即便CAN FD技术得到提升，依旧无法满足需求，因此必须进一步升级至车载以太网。
    因此，目前的高级辅助驾驶车辆通过车载以太网实现各部件（功能域）的互联，扩大了CAN总线容量，确保激光雷达、自动驾驶控制器以及与用户进行交互的大屏幕之间的信息流通。同时，还必须控制成本不上升，因此仅将核心部分升级为以太网技术，而各个域内依然继续使用原有的CAN和CAN FD总线。毫米波雷达、域控制器以及底盘至自动驾驶控制器所使用的通信总线为CAN FD，至于安全气囊和安全带等设备，仅需继续使用CAN总线即可。
    探讨车载总线技术的革新：在自动驾驶时代的序曲中，揭示空降芯片领域的虚实交织
    参考书籍：