车载网络总线大揭秘

以下文章来源于智驾杂货铺，作者蟑螂小强

在当今智能汽车飞速发展的时代，车载网络总线就如同汽车的 “神经网络”，负责实现各个零部件之间的信息传输与交互。不同的车载网络总线协议各有特点，它们共同构建起汽车内部复杂且高效的通信系统 。接下来，让我们走进这些关键的车载网络总线技术。

图1 不同的车载网络总线

1 CAN总线

控制器局域网络（Controller Area Network）简称CAN总线，它是当前国内外应用最普遍的网络总线之一。汽车CAN总线由德国BOSCH公司开发，用以解决汽车电控系统中不同控制单元相互之间交换信息的问题。在CAN总线通信系统中，节点之间是线型连接，全部的节点都并联在总线上。

CAN总线协议有ISO 11898标准和ISO 11519-2标准2种，分别对应高速CAN总线和低速CAN总线。高速CAN总线的传输速率最高为1 Mbit/s，支持的传输最长距离为40 m；低速CAN总线又叫容错CAN总线，总线上1根数据传输线失效时总线依然能够通信，它的传输速率不超过125 kbit/s。在高速CAN总线中，为了提高数据通信的抗干扰性和信号质量，通常在网络两端均端接1个终端电阻（终端电阻通常为120 Ω），而在低速CAN总线中，不加终端电阻。

CAN总线可通过双绞线、同轴电缆或光纤传输数据。由于CAN总线采用差分电压信号传输数据，需要用2根电缆（CAN高线和CAN低线）连接设备，为了提高CAN总线的抗干扰能力，通常将2根电缆缠绕在一起，形成双绞线。

图2 ISO11898、ISO11519-2的物理层特征

CAN总线通信接口对其物理层及数据链路层做了功能定义，可完成包括位填充、数据块编码、循环冗余校验（CRC）、优先级判别等工作。CAN总线中有数据帧、远程帧、错误帧、过载帧及帧间空间等，通常情况下只使用数据帧，数据帧包含帧起始、仲裁部分、控制部分、数据部分、CRC部分、响应部分及帧结束等。CAN总线报文格式除了标准格式外，还有扩展格式，两者唯一的区别是前者标识符长度是11位，后者的标识符长度是29位。

图3 can数据帧格式

CAN总线上的节点能够进行自诊断，并且为保证总线上别的节点免受影响，在诊断出错时，会自动关闭其与总线的联系。此外，在实际使用中，CAN总线一般将其负载率控制在30%以下，否则错误帧、信号延迟等将会出现，设备连接的稳定性也可能出问题。CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量，实时性要求比较高，在多主、多从或者各个节点平等的现场中使用。

2 CANFD总线

CAN-FD（Fexible Data Rate），是一种增强版的CAN协议，具有更高的数据传输速率和更大的数据包大小。CAN协议的传输速率通常被限制在1Mbps，数据包大小为8字节。而CANFD协议可以支持更高的传输速率，可达到10Mbps，同时支持更大的数据包大小，可以达到64字节。此外，CANFD协议还支持灵活的速率调整，可以在不同的数据传输速率之间进行动态切换，从而更好地满足不同应用的需求。

然而，CANFD协议相对于CAN协议来说，需要更高的硬件和软件支持，因此在一些应用场景下可能不适用。CAN-FD总线采用与CAN通信相同的事件触发模式，软件容易开发和移植；最高数据传输速率达5Mbit/s，更好地满足要求高实时性高数据传输速率的应用；每帧报文有效数据场为64字节，占整帧报文信息超过70%；相比Ethernet等新兴总线成本更低。

图4 CANFD数据帧格式

3 LIN总线

LIN（Local Interconnect Network）总线是一种开放式的单线（总线电压12 V）串行通讯网络，适用于对传输速率、带宽和容错等要求不高，同时又希望降低成本的系统。

LIN总线通信基于SCI（UART）数据格式，采用单主多从通信模式，LIN总线在40 m长的总线上支持高达19.2 kbit/s的通信，LIN总线也被称为“局域网子系统”，通过CAN总线实现汽车LIN总线系统内的数据交换，是CAN总线的辅助总线，它普遍应用在汽车车身控制系统，如汽车后视镜、座椅调节、电动车窗及车内灯等。

图5 LIN总线拓扑

LIN总线采用星型拓扑结构，节点数一般不超过16个。LIN总线由1个主控单元及若干个从控单元构成，从控单元通常不超过15个，主控单元除包含1个主控任务外，还包含1个接发的从控任务。在LIN总线中，主控单元控制总线并发起全部的通信，根据任务进度表确认当前所要传输的通信内容，然后由主控单元发出帧头，从控单元根据接收到的帧头，给出相应的响应。

LIN总线的报文由起始部分和响应部分组成，同步间隔域、同步域、标识符域（受保护ID）、数据域、校验和域构成了LIN总线完整的信息帧，其中同步间隔域、同步域和标识符域构成起始部分，数据域、校验和域构成响应部分。LIN总线由于采用单线通信，具有成本相对较低；单主多从结构，无需总线仲裁；在无晶振或陶瓷震荡器的情况下，就可实现主、从节点的同步；改动其中的1个或多个节点时，其他节点无需做任何改动等特点。

图6 LIN数据帧结构

4 FlexRay总线

随着车辆安全性、功能性及舒适性要求逐渐提高，对车载数据传输带宽、可靠性等的要求也越来越高，传统的CAN总线和LIN总线已经力不从心，由此FlexRay总线应运而生。

FlexRay总线是一种用于汽车的传输速率快、容错性和确定性好的汽车网络总线技术，FlexRay总线之所以传输速率更快、数据处理灵活性更强、拓扑结构更全面、容错性更好，是因为它结合了时间触发和事件触发2种方式。

FlexRay总线主要应用在对误差容限和时间确定性要求极高的线控（X-By -Wire）领域，如线控驱动、转向、制动等。FlexRay总线采用的拓扑结构有总线型、星型及混合型，实际使用中往往采用总线型和星型混合的连接形式。

图7 FlexRay拓扑

FlexRay总线基于差分信号传输，使用双绞线进行通信，可支持2条相互独立的通信通道（每条通道都有1对双绞线），使用单通道系统时，数据传输速率能够达到10 Mbit/s，明显高于CAN总线的传输速率；当使用双通道系统时，传输速率更可高达20 Mbit/s。

FlexRay总线联盟引入了FlexRay通讯协议，其数据帧由起始部分、有效负载部分和结束部分构成。帧的识别及触发优先级的确认由起始部分完成，起始部分包含5个字节共40位，有效负载部分包含最大255个字节的有效传输数据，结束部分有3个字节24位的校验域用来检测错误，包含起始部分CRC与有效负载部分CRC。

图8 FlexRay数据帧格式

与CAN总线相比，FlexRay总线有着更高的安全性和可靠性，但FlexRay总线成本较高，所用的设施也更复杂，很难代替其他主要应用的车载网络总线，目前只在欧洲车系的一些高端车型上使用，如BMW车系F01/F02车型、奥迪A8L等。

5 车载以太网

近些年，随着汽车“新四化”（电动化、智能化、网联化、共享化）的高速发展，尤其是汽车先进驾驶辅助系统（ADAS）、车载影音娱乐系统、自动驾驶、OTA远程升级、云数据、V2X通信等技术的发展，汽车通讯数据量直线上升，传统的CAN总线或FlexRay总线等车载网络已经无法满足新形势下的通信需求，这使以太网与汽车产生了深度的结合，形成了车载以太网。

车载以太网的传输速率非常高，可实现100 Mbit/s甚至1 Gbit/s的数据传输速率，又由于车载以太网传输数据使用非屏蔽双绞线及小型的线束连接器，在满足汽车电磁兼容要求的同时，还能大大降低车内连接成本和车内线束重量。车载以太网可同时支持TCP / IP、DOIP等多种协议。此外，车载以太网1 Gbit/s传输速率通信标准还支持POE（Power Over Ethernet）功能，终端不需要额外的外接电源线束，从而节省成本，降低供电的复杂度。

车载以太网以其卓越的性能、更高的传输速率将极大加快汽车引入的进度，也将在自动驾驶和智能交通时代为V2X通信提供巨大帮助。车载以太网完全能够满足先进驾驶辅助系统、娱乐影音系统、车联网、大数据等所要求的传输速率，同时能够满足自动驾驶大量数据的传输。未来随着车载以太网的发展和成熟，车载网络将会发展成为基于域控制器的混合车载网络架构，车载以太网将成为主干网络，传统CAN总线、LIN总线不会消失，将继续在低容量通讯场景下使用。

图9 车载以太网拓扑

车载以太网的帧结构是其实现高效数据传输的关键基础。车载以太网帧主要由前导码、帧起始定界符、目的MAC地址、源MAC地址、长度/类型字段、数据载荷、帧校验序列等部分组成。

前导码由7个字节的交替“0”和“1”组成，其作用是让接收方的时钟与发送方的时钟同步，为后续数据的准确接收做好准备。帧起始定界符为1个字节，标志着帧的真正开始。目的MAC地址和源MAC地址分别用于标识数据的接收方和发送方，长度均为6个字节，确保数据能够准确无误地传输到目标设备。长度/类型字段用于指示后续数据载荷的长度或者所使用的协议类型，这使得接收方能够正确解析数据。

数据载荷部分承载着实际要传输的信息，其长度可以根据具体的应用需求进行调整，但通常有一定的范围限制。帧校验序列（FCS）为4个字节，采用循环冗余校验（CRC）算法对帧的内容进行校验，以检测数据在传输过程中是否发生错误，保证数据的完整性和准确性。

这种严谨的帧结构设计，使得车载以太网能够在复杂的汽车环境中，稳定、高效地完成大量数据的传输任务，满足汽车先进驾驶辅助系统、娱乐影音系统、车联网等众多应用对数据传输的高要求。

图10 车载以太网帧格式

06 结语

综上所述，不同类型的车载网络总线在汽车的发展中都有着不可替代的作用。

  · CAN总线作为目前最常用的车载网络总线，广泛应用于汽车电控系统；

  · CANFD总线在CAN总线的基础上进行了升级，提高了数据传输速率和数据包大小；

  · LIN总线作为CAN总线的辅助总线，在车身电子控制系统中发挥着重要作用；

  · FlexRay总线则在对安全性和可靠性要求极高的线控领域得到应用；

  · 车载以太网以其高速的传输速率和卓越的性能，将成为未来车载网络的主干网络。

随着汽车技术的不断进步，车载网络总线也将不断发展和完善，以满足汽车日益增长的通信需求。未来，车载网络将会朝着更加高速、可靠、智能的方向发展，为汽车的智能化和网联化提供有力的支持。

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