汽車網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

張晶

摘 要：本文主要介紹了汽車網(wǎng)絡(luò)拓撲的設(shè)計原則，及對各個拓撲優(yōu)缺點進行了介紹及總結(jié)，對從事汽車網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計人員具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：汽車 網(wǎng)絡(luò)拓撲 原則 設(shè)計

1 引言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能控制系統(tǒng)應(yīng)用于汽車，現(xiàn)在應(yīng)用較成熟的通信技術(shù)是CAN總線技術(shù)，即所有模塊遵循統(tǒng)一CAN通訊規(guī)范實現(xiàn)互相之間的通訊，較高配置的汽車會配有上百個模塊，如何將這些模塊合理的布局在CAN總線上，實現(xiàn)較高的通訊效率，此文著重對如何布置出合理的CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲給出一定的建議。

2 CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲的布局形式

網(wǎng)絡(luò)拓撲的設(shè)計對于汽車通信系統(tǒng)來說顯得十分重要，它直接關(guān)系到汽車通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴展性等，進而關(guān)系到整車的質(zhì)量、安全與開發(fā)成本等。目前主要有以下幾種網(wǎng)絡(luò)拓撲：總線型、星型、環(huán)形，見圖1。

2.1 總線型

總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲是在汽車拓撲布局中最常見的一種，采用總分結(jié)構(gòu)。

在CAN通訊模塊數(shù)量較少且網(wǎng)絡(luò)負載率在設(shè)計閾值范圍內(nèi)，通常采用單路CAN總線拓撲結(jié)構(gòu)，即一條CAN雙絞線主干線，各分支線分別與CAN主干線連接。布局如圖2。通常在線束最遠端的兩個模塊內(nèi)部設(shè)計有終端電阻，終端阻值在120±3Ω，信號在傳輸介質(zhì)上傳輸，如果其所感受的傳輸介質(zhì)的瞬態(tài)阻抗一致，則信號將保持原來的形狀傳輸下去，但假如在任何一處所受到的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，信號在該處會形成信號反射，一部分信號被反射回去，而另一部分繼續(xù)傳播，但信號已經(jīng)發(fā)生失真，終端電阻的目的是降低信號反射造成的信號傳輸失真問題，當(dāng)終端電阻阻值超過一定范圍后也會造成信號傳輸?shù)氖д?。?jié)點的支線長度一般要求1米以內(nèi)。負載率一般要求（30±5%）比較合理，總線負載率過高會令各節(jié)點忙于應(yīng)付總線消息的收發(fā)，導(dǎo)致ECU執(zhí)行效率降低，而負載率過高則沒有充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，浪費資源。

網(wǎng)絡(luò)負載的計算：總線上實際數(shù)據(jù)傳輸速率比上理論最大數(shù)據(jù)傳輸速率。

最大數(shù)據(jù)傳輸率：例如速率為500kb/s 高速CAN總線的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒可以傳輸500，000Bit的串行數(shù)據(jù)。實際數(shù)據(jù)傳輸率：假設(shè)現(xiàn)在總線中只有一幀數(shù)據(jù)長度為8字節(jié)周期為20ms的報文，周期20ms表示一秒內(nèi)有50次該報文被發(fā)送。則根據(jù)CAN 2.0標準定義，CAN標準幀的長度為111Bit（未考慮連續(xù)隱形電平時自動插入一高電平位）。

計算公式=實際數(shù)據(jù)傳輸率/最大數(shù)據(jù)傳輸率=111bit* 50次/500，000bit=1.11%。當(dāng)然總線的負載也可通過一些仿真軟件進行模擬分析，如CANoe，更加方便快捷。

當(dāng)CAN通訊模塊數(shù)量較多且總線負載超過設(shè)計閾值，需要設(shè)計多路CAN總線。各路CAN總線之間需要交互的信號通過網(wǎng)關(guān)路由進行轉(zhuǎn)發(fā)，同時網(wǎng)關(guān)路由可以過濾掉不符合規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)ID報文，減少網(wǎng)絡(luò)不合理的負載，多路CAN總線如圖3所示。

多路CAN總線設(shè)計需要統(tǒng)籌規(guī)劃，如何分配各個模塊所在的CAN總線有以下原則：

1）信號交互較多的模塊放置在同一路CAN，這樣可以提高模塊響應(yīng)速度，利于模塊短時間做出響應(yīng)。例如車身穩(wěn)定控制模塊ESC、電動助力轉(zhuǎn)向模塊EPS、智能駕駛控制模塊RSM與ESC和EPS 交互非常頻繁，在開啟緊急制動、車道保持等功能時需要實時控制制動和轉(zhuǎn)向，且ESC和EPS要實時反饋執(zhí)行的情況，故將這三個模塊放置在一路CAN網(wǎng)絡(luò)，三者之間的交互不需要通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)，提高了信息實時處理效率。

2）具有遠程通訊的模塊單獨放置一路CAN，因為具有遠程通訊的模塊會更容易受到外部攻擊，故單獨放置在一路CAN，且網(wǎng)關(guān)路由在中間可以起到防火墻隔離作用。例如本拓撲將遠程通訊模塊T-ICE放置在單獨的一路CAN網(wǎng)絡(luò)上。

3）各個CAN總線的終端電阻布局在各路CAN總線距離網(wǎng)關(guān)最遠端模塊內(nèi)部，模塊集成電阻120Ω，同時除診斷接口每路CAN網(wǎng)關(guān)端口設(shè)計120Ω電阻，CAN網(wǎng)關(guān)診斷端口電阻為60Ω。如果模塊內(nèi)部不集成終端電阻，也可將終端電阻設(shè)計在每路CAN雙絞線上距離網(wǎng)關(guān)最遠端處。

4）與兩路CAN都有頻繁信號交互的模塊可以橫跨在兩路CAN上，例如混合動力汽車控制器HCU可以橫跨在動力CAN與新能源CAN，信息處理實時性更高，同時接入兩路CAN的模塊需要有兩路CAN接口，同理如果與3路或N路CAN都有頻繁交互的模塊可以同時跨越幾路CAN，現(xiàn)實中同時接入3路CAN的模塊較少。

總線型拓撲的優(yōu)點：

1）總線型結(jié)構(gòu)所需要的電纜長度小;

2）總線型結(jié)構(gòu)簡單。

總線型拓撲的缺點：

1）支線與干線連接處需要將線束外皮撥開再進行焊接融合，工藝復(fù)雜，且報廢率較高;

2）支線長度限制嚴格，不利于線束布置，拓展性較差，且存在支線反射;

3）總的線束長度有要求，不大于40米。

2.2 星型

星型網(wǎng)絡(luò)拓撲也越來越多的應(yīng)用于汽車網(wǎng)絡(luò)拓撲中，即所有模塊最終匯集于一點，再通過集線器接在一起，所有模塊之間的通訊都需要經(jīng)過中心點，如圖4如所示是一款汽車的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲。

在星型網(wǎng)絡(luò)拓撲中，每個模塊通過點對點連接到中央點，任何兩站之間通信都通過中央點進行。和總線型拓撲一樣，由于CAN總線是個多主站結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，只要總線是空閑的，任何一個端接節(jié)點都可以發(fā)送數(shù)據(jù)，CAN總線采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲將有很多方面的優(yōu)點，如：

（1）系統(tǒng)沒有支線的概念，不存在支線反射現(xiàn)象;

（2）網(wǎng)絡(luò)布線簡單，連接工藝簡單，不存在焊接造成的線束缺陷;

（3）不考慮集線器端口數(shù)量的情況下，總的線束長度不受限制;

（4）易于拓展，在原有線束上增加CAN通訊模塊，無需更改原有CAN雙絞線;

（5）支線長度沒有嚴格限制，最長可達15米。

星型網(wǎng)絡(luò)拓撲缺點如下，如：

（1）所需的線束長度較長;

（2）需要增加集線器;

（3）對中央及集線點通訊能力要求較高。

2.3 混合型

混合型網(wǎng)絡(luò)拓撲即融合了星型和總線型兩者，示意圖如圖5所示。

混合型網(wǎng)絡(luò)拓撲融合了兩者的優(yōu)點和缺點，具體布置網(wǎng)絡(luò)拓撲時要根據(jù)實際情況進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以達到高效合理的網(wǎng)絡(luò)拓撲。例如如果總體雙絞線長度無法保證40米以內(nèi)就不能單純的采用總線型，但又出于低成本的考慮，可以采用混合型網(wǎng)絡(luò)拓撲。

2.4 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲

將所有模塊依次連接在一起，每個模塊即需要負責(zé)各自的通訊，同時也要承擔(dān)整個網(wǎng)絡(luò)通訊的需求，如果一個模塊出了問題，會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，目前汽車上很少應(yīng)用這種拓撲結(jié)構(gòu)。

信號傳輸介質(zhì)。通常汽車高速CAN網(wǎng)絡(luò)采用雙絞線進行通訊，如圖6所示，雙絞線有屏蔽式和非屏蔽式兩種，一般傳統(tǒng)燃油汽車上通常使用是非屏蔽式雙絞線。針對新能源或者混合動力汽車，因為高壓部件自身屏蔽設(shè)計不合理會使CAN總線上具有很大的電磁干擾，因此通常會使用屏蔽式雙絞線以減少電磁干擾的影響。

LIN通訊主要是基于CAN網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點進行網(wǎng)絡(luò)通訊的，通常LIN通訊針對實時性要求不高的模塊，如車身上天窗、氛圍燈等。

診斷OBD接口通常可以設(shè)計在動力CAN上，同時也跨幾路CAN網(wǎng)絡(luò)，或者單獨連接網(wǎng)關(guān)，單獨連網(wǎng)關(guān)的設(shè)計通常是需要通過特定的安全訪問才能讀到整車報文，目的是起到一定的安全訪問限制。

3 汽車網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)展規(guī)劃

3.1 平臺化

主機廠發(fā)展趨勢是基于平臺化的網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計。即根據(jù)每個模塊的功能定義及網(wǎng)絡(luò)通訊策略，每個模塊應(yīng)在CAN拓撲應(yīng)該有最優(yōu)位置，避免經(jīng)常性的變動各個模塊在網(wǎng)絡(luò)拓撲上的位置，造成拓撲通訊矩陣的混亂，不利于網(wǎng)絡(luò)通信策略規(guī)劃及診斷策略規(guī)劃。平臺化網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計同時也可以實現(xiàn)各模塊硬件最大平臺化應(yīng)用，從長遠角度來講，對主機廠及供應(yīng)商都有一定的好處。

3.2 可拓展性強

未來網(wǎng)絡(luò)拓撲規(guī)劃要有較強的拓展性。當(dāng)增加相應(yīng)的電子模塊后，原有的拓撲可以包容增加的電子模塊而保證整個網(wǎng)絡(luò)拓撲不發(fā)生較大改變，只改變局部的拓撲結(jié)構(gòu)即可。這需要在設(shè)計拓撲時參考未來行業(yè)發(fā)展趨勢，預(yù)測在哪路CAN網(wǎng)絡(luò)上需要預(yù)留較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

3.3 高速

CAN通訊在汽車上應(yīng)用已經(jīng)幾十年了，目前及在很長的一段時間內(nèi)是可以滿足汽車通訊需求，但隨著汽車智能化發(fā)展，尤其是針對未來可能實現(xiàn)的無人駕駛等技術(shù)在汽車上的應(yīng)用，對信息實時處理速度要求非常高，對網(wǎng)絡(luò)通訊速度提出了更高的要求。

3.4 簡約化

隨著域控制器在汽車上應(yīng)用，整車控制器會更多的進行融合優(yōu)化，基于控制模塊的減少整車網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計會趨于簡單化，整車會使用較少的線束，信號將更多的依賴于模塊內(nèi)部的處理，實時性會大大提高。

4 總結(jié)

汽車拓撲設(shè)計就好比排兵布陣，合理的網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計可以讓汽車有更安全更卓越的電氣性能，因此工程師在布局時要全面多角度進行規(guī)劃，通過對模塊功能、信號需求、實際布線長度、診斷策略、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)合理設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲。

參考文獻：

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