自动驾驶汽车技术入门（十一）

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文章中我们提到了自动驾驶系统中除了根据感知传感器实时获取的数据进行处理与决策，最终还要完成车辆动力系统及相关机械器件的配合控制实现驾驶操作的执行，这就需要提供稳定可靠的线控车辆平台。通常来说，线控车辆平台包括车辆线控和通信总线。这一篇就来介绍一下汽车通信总线。

汽车总线技术是指汽车内部导线采用总线控制的一种技术，通常称为汽车总线或汽车总线技术。随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用，汽车电子化程度越来越高。从发动机控制系统到传动系控制系统，从行驶、制动、转向控制系统到安全保证系统以及仪表报警系统渐渐形成了一个复杂的大系统。目前，车用总线技术被美国汽车工程师协会SAE下属的汽车网络委员会按照协议特性分为A、B、C、D 4类。

LIN(Local Interconnect Network,局域互联协议）是由Audi、BMW、Daimler-Chrysler、Motorola、Volcano Communications Technologies(VCT通信技术公司）、Volkswagen(大众）和Volvo等公司和部门（LIN联合体）提出的一个汽车底层网络协议，是一种新发展的汽车子总线系统，其目的是给出一个价格低廉、性能可靠的低速网，在汽车网络层次结构中作为低端网络的通用协议，并逐渐取代目前各种各样的低端总线系统。这个标准与其相应的开发、测试以及维护平台的应用，将会降低车上电子系统开发、生产、使用和维护的费用。

LIN包含一个宿主节点（Master)和一个或多个从属节点（Slave)。所有节点都包含一个被分解为发送和接收任务的从属通信任务，而宿主节点还包含一个附加的宿主发送任务。在实时LIN中，通信总是由宿主任务发起的。除了宿主节点的命名外，LIN网络中的节点不使用有关系统设置的任何信息。可以在不要求其他从属节点改变硬件和软件的情况下向LIN中增加节点。宿主节点发送一个包含同步中断、同步字节和消息识别码的消息报头，从属任务在收到和过滤识别码后被激活并开始消息响应的传输。响应包含2个、4个或8个数据字节和一个检查（checksum)字节。报头和响应部分组成一个消息帧。LIN总线上的所有通信都由宿主节点中的主机任务发起，主机任务根据进度表确定当前的通信内容，发送相应的帧头，并为报文帧分配帧通道。总线上的从属节点接收帧头之后，通过解读标识符确定自己是否应该对当前通信做出响应、做出何种响应。基于这种报文滤波的方式，LIN可实现多种数据传输模式，且一个报文帧可以同时被多个节点接收利用。

(1)可靠传输。信号传输时间可靠；LIN总线传输速率很高，最高速率可以达到20Kb/s;一个主控器和多个从设备模式不需要仲裁机制。

(2)低成本。LIN总线较少的信号线符合国际标准的相关规定；在节点处无需陶瓷振荡器或晶振就可以实现自同步，大大降低使用成本。

(3)可以在不要求其他从属节点改变硬件和软件的情况下向LIN中增加节点。

LIN总线在汽车上得到广泛应用，如汽车的方向盘相关部件、汽车座椅控制、车门控制系统和车载传感器等。LIN可以很容易地连接到汽车网络中的智能传感器、制动器或光敏器件等，并且得到十分方便的维护和服务。LIN总线的系统用数字信号量将模拟信号量替换，使得LIN总线性能提升很大。

CAN总线是ISO国际标准化的串行通信协议。在汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。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，CAN总线应运而生。

在各节点的CAN总线均可以实现互相自由通信：多主竞争式总线结构是CAN总线的通信特点，CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次，并且可在各个通信节点之间自由通信。

传统的站地址编码被CAN总线协议废除了，而对通信数据模块进行编码，这种方法的优点是可以使CAN总线的节点个数理论上在网络内没有限制。数据模块编码的标识符可以由29或11位二进制数组成，因而有2或2个以上不同的数据块可以被定义，这种数据块编码的方式，还可以使相同的数据被不同的节点同时接收到，这一方式在分布式控制系统中普遍使用。为了保证通信的实时性，使得数据段长度最多为8字节，并且8字节不会占用总线时间过长。为了保证数据通信的可靠性，CAN协议采用了CRC检验并可提供相应的错误处理功能。因为CAN总线的功能强大，所以越来越受到行业的重视。

(1)CAN总线在数据通信传输时没有主从之分，任意一个节点都可以向其他任何节点(一个或多个）发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序。

(2)对于CAN总线上的通信，在多个节点同时发起通信时，优先级高的先通信，优先级低的及时避让，因而通信线路不会拥堵。

(3)CAN总线是两根导线较接连接，可以避免信号干扰，使得信号传输更加可靠。

(4)如果某个节点在通信时发生了严重错误，节点通信能够自动离开总线的功能。

(5)CAN总线是双绞线。CAN总线的实时性要求比较高，因而CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量通信。

CAN总线可以分为高速CAN和低速CAN,高速CAN系统传输速率为500Kb/s,主要控制ECU、ABS等模块的信号传输；低速CAN系统传输速率为125Kb/s,主要控制仪表、防盗等。

当前大部分在产车辆还是以成熟CAN总线为主干与分支架构，还有一些LIN总线控制简单部件;

2010年欧洲的一个车厂提出CAN总线的升级需求。那时给一个ECU做程序烧写需要八个小时。为了解决ECU升级时间太长的问题，需要对CAN总线进行升级。升级后的CAN总线由8个字节提升到64个字节，波特率提高5兆，产生了CAN FD。

在当前自动驾驶和主动安全的需求之下，即使升级到了CAN FD，还是不够用，只能升级到车载以太网。

所以当前高阶辅助驾驶的车辆通过车载以太网连接各零部件（功能域），拓宽CAN总线，保证激光雷达、自动驾驶控制器到和用户交互的大屏的信息传输。在此同时又要求成本不能增加，所以只将主干升级为以太网，域里使用的还是CAN跟CAN FD原来的总线。比如毫米波雷达、域控制器、底盘到自动驾驶控制器采用的为CAN FD总线，而安全气囊、安全带等到域控制器只需要保持采用CAN总线即可。

参考链接：空降芯片圈的幻实：自动驾驶时代的前奏——车载总线升级

参考书籍：