车载网络系统的分析与检测研究

唐静娴

随着科学技术的快速发展，汽车对安全性、舒适性、尾气排放和燃料经济性的要求越来越高，这导致了汽车中各控制单元间的信息交互日益频繁，传感器和线路的数量也在不断地增加，使得车辆的电子器件越来越复杂。如果采用传统的通信方法，必然会形成一个庞大而又复杂的网络，一旦发生故障，就会造成难以维护，维护费用高昂等一系列问题。车载科技的迅速发展，使车辆技术和现代信息技术有机地结合起来，从而产生了车载网络。

车联网是指按照一定的通信协议连接起来的一些电子控制单元或智能设备，它们会发出控制信号和传感器信号，之后再利用网络将它们传输到目的系统。CAN（Controller Area Network），又称控制器局部网络，是在二十世纪八十年代初由德国Bosch公司开发的一种串口数据通信协议，用来解决现代汽车上大量的控制与探测装置之间的数据交换问题，它的作用是在车辆上的各个电子控制设备间进行信息交互，从而构成一个车辆联网系统，也就是所谓的CAN-BuS总线，其数据结构简单，全直线仲裁，通讯方式灵活，能满足实时、高可靠的需要。车载CAN的技术基础来自比较成熟的工业现场总线和计算机网络，所以它的可靠性高，抗干扰能力强。

车载系统是由数据传输和系统控制两部分组成的，二者之间有一定的联系，并且在工作过程中可以相互配合，对于整个控制系统的正常工作和对系统性能的合理调整都有着重要的影响，其组成结构如图1所示。

（一）车载网络控制器

车载网络控制器接收来自控制单元发来的数据，并将这些数据传送到车载网络收发器，与此同时，车载网络控制器接收到车载网络收发器所传送来的数据，并对这些数据进行处理，最终将其送到控制单元，控制器再将数据传送到车载收发器。

（二）车载网络收发器

车载网络收发器与电气控制系统相结合，具有接收、发送、转换等功能。该模块把车载网络控制器输出的电平值数据转换成电压值，然后在数据传输线上进行广播。该模块通过对数据传输线路上输出的电压信号进行采集和转换，并将其转换成电平值数据，再将其传送给车载网络控制器。

（三）车载网络的数据传输终端

车载网络的数据传输终端是一个电阻器，它的主要作用是防止数据在线端被反射，从而避免以回声形式返回的现象发生，从而保证数据的正常传输，提高数据传输质量。

（四）数据传输终线

为降低干扰，车载总线中的数据传输线路使用的是一条绞距20毫米、横截面为0.5平方毫米的双绞线，将这两条线路称为CAN高线（High）、CAN-Line（Lower line）。两根线上传输的数据是一样的，电压值是相互镜像的，因此，两根线的电压差维持一个常值，所产生的电磁场效应也会因极性相反而相互抵消。这样，可以使数据传输线路不受外部辐射影响；同时，当其向外部发出射线的时候，实际是保持中性（即无辐射）。

（一）车载网络系统的分类

汽车系统主要包括动力传输系统、车身系统、信息系统。在一般情况下，汽车上的操作系统有很多种，而每一个操作系统也都采用了不同的网络协议，这也就是一般所谓的"总线"，最主要的差异就是其速度。以传送率为标准，主要分为A，B，C三类。A型为最小传送率，采用传感器/执行器控制，通常不超过10kbit/s，用于汽车后视镜控制、电子天窗、车灯照明系统等；B级为在不同模块之间实现信息数据共享的中间网络，通常的信息传输速率为10～125kbit/s，主要适用于汽车电子舒适性系统、仪表盘等，一般使用于汽车CAN网；C级为高效、实时性可控的多通道数据传输网络，信息传输速度为每秒125～1Mbit/s，主要使用于汽车拖曳控制系统、先进发动机管理、防抱刹车等领域。

（二）LIN网络系统的结构特性

LIN又称“本地子网”，其特点是把所有的控制设备集中在一个空间内，是一种造价相对较低的串行通讯网络。该系统采用一主多从结构，只有三条线路。利用CAN总线，对车载LIN总线进行分析。LIN网络由一个或多个节点构成，所有的节点只有一个通信任务，而主要的节点只有一个发送任务。

（三）CAN网络系统的结构特征

CAN一般称为控制器局域網络，它的优点是能够在同一平台上进行数据的交换，同时还能对该平台上的各控制装置进行通信，使CAN总线成为一条信息交流的高速公路。CAN总线能够与各种不同的传输介质相配合，通常情况下，可以被分成高速CAN总线和低速CAN总线，各种类型的车辆其电控系统及控制装置有不同的要求。

（一）车载网络系统的功能

1.实现多路传输

多路传送是指在同一线路上同时传输多个信号，在通信系统中，信号的传输速率和通道的传输能力都非常强。如果只有一条线路，这是一种巨大的浪费。多路传送技术是将多个信号按照某种逻辑关系合并到一个通道中，然后在一个通道中进行传送。在信道上传输后，将这些信道上的多个信道进行分离，以达到一个信道同时传输多个信道的功能。目前三种常用的多路复用技术分别是频分多路复用、时分多路复用和码分多址。

2.系统故障保护

为了保证该系统能够更好地为汽车提供服务，需要在汽车联网发生故障时，能够进行自动修复。这一自我处理功能包含软件和硬件的自我处理功能。所谓软件的故障保护功能，是指当系统中某一控制装置发生故障时，将触发故障保护，相应的电子控制装置将不会接收到该装置的任何信息，以实现对其的自我保护；所谓硬件故障保护，就是在ECU出现故障时，通过对其进行硬件保护，使其以系统内设置的固定信号进行输出，从而保证系统的正常运行。

3.系统“休眠”和“唤醒”

该功能用来降低车辆熄火时对全系统电池的损耗，当系统处于睡眠状态时，信道将不再向外界发送信号，从而节省能量；在有动作的情况下，立即将该系统唤醒，并随时发出信号。

4.故障自诊断

当点火开关打开时，启动电源，首先实现整个系统的自动监测。当无任何缺陷时，可使车辆的工作性能正常运转；如果有一项功能失效，这个仪表就会发出不合格的信号。不仅能够对输电线路进行故障检测，而且还能够对相关的电气控制部件进行故障检测。

（二）车载网络系统的优势

通过数据总线将各个功能模块或ECU连接在一起，从而完成车联网信号的传输。其中，控制信号及传送资料的功能模组，对信号及资料进行编码转译，并传送至总线。接收到的信息部分对其进行译码，得到对应的指令及数据。该系统的传输优势如下：

（1） 用两条线路取代多条线路，从而有效地解决线束又粗又长、占用零件多的问题；

（2） 通过将具有不同功能的控制器连接在一起，使得信息的传递更加方便和可靠；

（3） 与传统点到点的传送方法相比，局域网络内的资源信号的共享速度要快得多，因此可以增加汽车的对应速度，并可以更有效地为乘客提供服务；

（4） 该系统具有很高的机动性，可以由系统软件直接完成对该系统的功能的更新；

（5） 通过检错口可使检错器对系统的每一项功能进行检错，提高维修人员的工作效率。

（一）汽车线路的检测

在进行维护时，不同的数据总线所发挥的功能也不相同，因此，当车辆网络出现异常时，必须仔细地查找，找出问题的线路。由于每一条数据总线都是不一样的，在车辆网络中扮演着不同的角色，如果混为一谈，就会导致整个网络的崩溃。因此，在对车辆装载的网络系统进行具體测试时，可以将其分为两个环节。首先是对车辆中的电气通信状况进行检测；然后是针对汽车的控制通信进行检测。因为两者有很大的不同，所以能够有效地防止出现混乱的情形。

（二）检测车载网络的系统故障

一般情况下，都是要特别重视对汽车装载的网络系统故障检测。这些隐患不会出现在明面上，但在某些情况下却会突然发生，进而造成车载网络的瘫痪。因此，在对车载的网络进行测试时，必须将网络系统完全关闭，然后再对电阻进行正确测量。需要注意的是，系统关闭一分钟后，才可以继续进行检测，否则很容易因为高温造成电阻的测量发生变化，从而导致测量结果产生偏差。在此步骤中，当测量到的电阻为0时，表示此步骤中的电网没有发生故障；如果测量值与以前相差很大，那么就表明存在着短路或断路，可以对电阻值进行进一步的测量，从而让专业的技术人员能够准确地找出断路或短路的具体位置，并做出正确的处理。

（三）检测计算机的控制单元

将计算机控制装置安装到车载上，可以大幅降低传感器的安装数目，简化电路的连接，并在某种程度上降低了控制功能的重复性，从而增加系统的可靠性、实时性。在此基础上，可使设备的配置费用大幅度减少，同时可实现数据的共享。计算机控制单元的优点，就是使汽车网络系统越来越被人们所关注和使用。随着我国科学技术的飞速发展，汽车行业中应用的电子技术也在不断拓展，汽车网络中所搭载的总线和通信仪器科技水平都有一定的提升，能够最大地体现出汽车车载网络在应用中的优势。

（四）节点故障检测

在车载多通道通信系统中，节点失效会导致电气控制模块失效，造成传输协议或软件出现错误。这样的故障通常是以批量的方式发生的，并且是不可修复的。硬件故障通常是因为通信IC芯者出现问题，导致车载多通道数据传送系统不能正常工作。在对车联网传输系统进行检测之前，需要对各个节点的运行状态进行检测，以确定其是否有功能缺陷。若存在功能性故障，应及时排除。传感器有无功能故障，可根据其电压值、电阻值等进行判断。

综上所述，随着汽车制造技术和计算机技术的不断发展与进步，车辆网络系统将会被更多地使用。通过本项目的研究，可以有效地实现数据的有效利用，同时也可以有效地降低数据传输中所需的数据量和复杂度，增强其安全可靠性。同时，该系统的应用也有助于减少维护费用，增强各个控制体系之间的关联性。随着车载电子技术的发展与进步，车载网络系统将会得到进一步更新，它将具有更高的灵活性、可扩充性、抗干扰性、更好的纠错能力。在具体的线路故障诊断与排除工作中，要仔细分析，透彻了解总线图，利用专业的辅助仪器设备，按照相关的方法与步骤对线路进行全面的检测，才能及时发现问题并加以处理，使之一直处于良好的状况，为车辆的正常运行与运行奠定良好的基础。

作者单位：江苏省淮阴商业学校