第三章汽车队列的车间网络设计
3.2网络拓扑结构
一个网络的拓扑结构决定了这个网络的整体规划，直接决定着网络中各个数据传 输能力。
网段数量的划分一般遵循如下原则：当ECU数量较少的时候，则整个网络为一 个网段。当ECU数量比较多的时候则把网络分为两个网段和一个网关的网络结构； 在这种结构中，往往把动力安全划为一个网段，车身舒适系统和车身娱乐系统划分为 一个网段，两个网段之间的数据传递通过网关完成[3)】。
这样规划网络拓扑结构能确保数据传输实时性，防止了各个数据之间的数据干 扰，降低了总线负载。当选择三个网段的时候一般采用的布局方式是动力安全、车身 舒适系统、信息娱乐系统各占一个网段。
在设计网络拓扑结构时往往会把仪表作为一个单独的网段，之所以这样设计是基 于以下几点考虑：仪表接收很多ECU发出的信号，例如EMS、TCU、BCM、TPMS 等，这些节点位于不同的网段；如果把仪表放到任何一个网段，例如：把仪表放入动 力网段中，则网关就要将别的网段中仪表需要显示的数据转发到动力网段，这些报文 对于动力网上的节点是无用的，同时，会导致网络负载的增大。
诊断接口的连接方式一般有两种：一种是多个网段直接相连，这种连接方式的优 点是诊断服务不需要网关转发，其缺点是扩展性比较差，增加网段时需要增加诊断设 备工作量；第二种是与网关相连优点是扩展性比较好，后续只需要修改软件而且不同 协议间可以转换，缺点是网关的工作量增加，需要转发诊断服务。
选择独立网关还是集成网关是网络组建中必须考虑的问题。当网络是由两个或者 多个网段构成时，必须需要网关转发报文。两个网段构成的网络，转发报文数量比较 少，对产品成本和性能比较高时，则使用集成网关。当网络是由多个网段构成时，转 发的报文数据多，同时网关功能复杂，集成方案效率低再加上需要网络的扩展性比较 好则选用独立网关。
冗余设计是汽车安全中经常考虑的一个现实问题，冗余性设计毫无疑问提高了网 络系统的安全性，但是增加了成本，两套线束、两组硬件电路，接插件和管脚的增加 而且实现起来比较复杂，每个ECU需要进行两组CAN总线之间控制策略，这样就增 加了网络成本。因为CAN总线用特有的物理层信号进行差分传输，所以信号的误码 率很低。统计发现，网络上真正发生断线的情况比较少，冗余设计的必要性不是很高。
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万方数据汽车队列中发动机转速控制系统的设计与实现
3.3各层协议遵循的标准说明
3.3.1物理层
本规范遵循SAE J1939-15[31]标准(简化的物理层，非屏蔽双绞线)，SAEJ1939-15给出了物理层为非屏蔽双绞线时的网络物理描述、功能描述、电气规范、网
络拓扑结构等。网络拓扑采用的是含两个II型的ECU的拓扑结构。ECU、接口和导 线之间的安装关系和如图17所示。
图17网络连接结构示意图图中的各项参数设置如表3。
表3:参数列表
参数总线长度
节点分支长度诊断分支长度
诊断工具电缆长 度
总线主干分支之 间的距离
分支与负载电阻 之间的距离负载电阻线束说明
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符号LSSdStdd0
最大 最小值值4003
2.66
单
位MMMMMM
条件
负载电阻之间或任意两个节点（包括诊 断工具）之间的距离，不得超过40m。
000
540
0.1
总干线上节点之间的距离
负载电阻可以内置在ECU中，但ECU 必须是有标记的J1939-15中提到的类 型二的ECU.
负载电阻推荐值120
0
RL132108
欧姆
万方数据第三章汽车队列的车间网络设计
(1)线径：0.5 mm2;
(2)最大双绞间距：25 twists / m，即每隔40 mm绞一个结；(3)线延迟小于5 ns/m;
(4)总线最多不超过30个ECU，且ECU与ECU间最小要相隔0.1 m；
车辆的转速控制器不仅仅是控制器，而且还是一个CAN网桥，有两路CAN，既 能采集车辆高速CAN的数据，也能向低速CAN网段发送本车的转速数据。低速的 网段实现队列车辆间的数据传递。使各个车辆间实现速度匹配。
测试被控车辆的物理层数据如下。用虚拟示波器两个通道测试CAN总线的物理 信号。由于CAN总线在车内都是双绞线。先用针刺法在节点处刺进可能的CAN总 线的电缆。通道1和通道2接在CANH和CANL上。测得的示波器的波形如图18 所示。
图18单个CAN帧的信号波形
由物理信号可知，此信号为高速CAN信号。CAN高的信号的电平范围为2.5V 到3.5V; CAN低的信号的电平范围为1.5V到2.5V。每帧的开始是以异常信号开头， 用异常信号来区别不同帧。CAN总线的速率是通过最窄的信号测量粗略得到。然后 利用CAN分析仪测量总线的速率和网络负载率。如图19所示。
图19测量最窄信号的周期
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由图中信息可知，最窄信号的宽度为4^，则CAN总线的速率为250kbps。由CAN 分析仪测得的网络负载率，最大的时候是28.6%。最小的时候为23.1%。用游标卡尺 测量计算得线径为0.5mm2。对于双绞线，40mm —个节。
网络拓扑结构如下图20所示，每辆车的速度控制器从车内的CAN网络上采集本 辆车的转速数据，作为控制器的反馈信号。从车上的CAN网络采集数据既能获得精 确的转速数据又能充分的利用车上的资源。车辆间网段的数据传输速率为125kbps， 第2，3，4辆车从车间网络上获得第一辆车的数据。
车辆I本身高速CAN网络
250kbps
车辆3本身高速CAN网络
250kbps
车辆4转速控制器
车辆2本身高速CAN网络
250kbps
车辆4本身高速CAN网络
250kbps
图2
0
汽车队列的网络拓扑结构
3.3.2数据链路层
数据链路层为物理层信号之间的传输提供了可靠的规范。数据链路层包括CAN 数据帧的同步、流控制、出错控制和顺序控制。统一的CAN帧是流控制实现的数据 形式。数据链路层遵循CAN2.0B和SAE J1939/21[32]o为了防止多个节点使用同一 个标识符（ID)，本标准定义了网络寻址方式为节点地址寻址。消息格式包括标准帧 和数据帧两种格式，并且对扩展帧定义了一套完整的通讯策略。设备所有的消息传输 格式都是采用的扩展帧传输数据。
CAN数据帧被分成了不同的位域。CAN扩展帧和CAN标准帧格式消息的区别
是仲裁域和控制域的位数和识别位域的方法不同。CAN标准帧的仲裁段是12位，包 含11位标识符和远程传输请求位（RTR);控制段包含4位数据长度码（DLC)、标志 符扩展位（IDE)和一个保留位R0。扩展帧的仲裁段是32位，包含标识符11位、标 识符扩展18位、代用远程请求（SRR) —位、标识符扩展位（IDE)—位和远程传输 请求位（RTR)。控制段是六位，包含位数据长度码（DLC)两个保留位R0和R1。 通过比较可知：扩展帧的标识符是29位，并且多了代用传输请求位把标识符扩展位 从控制段移到了仲裁段。在控制段多了一位保留位。
通过表4可以清晰的知道扩展帧和标准帧的仲裁域和控制域的区别。
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29位标识符 CANSOFID28ID27ID26ID25ID24ID23ID22ID21ID20ID19ID18SRR(r)IDE(r)ID17ID16ID15ID14ID13ID12ID11ID10ID9ID8ID7ID6ID5ID4ID3ID2ID1ID0RTR(x)r1r0
DLC4DLC3DLC2DLC1
下表4 CAN的标准帧和扩展帧的位对照表
29位标识符本标 11位标识符
11位标识符本标准帧位位置
CAN准
SOF1SOFSOFP32ID11P3P23ID10P2P14ID9P1R15ID8SA8DP6ID7SA7PF87ID6SA6PF78ID5SA5PF69ID4SA4PF510ID3SA3PF411ID2SA2PF312ID1SA1SRR213RTR(x)IDE214IDE(x)RTRPF215r0IDE2PF116DLC4DLC4PS817DLC3DLC3PS718DLC2DLC2PS619DLC1DLC1PS520PS421PS322PS223
24PS1
SA825SA726SA627SA528SA429SA330SA231SA132RTR33r134r035DLC436DLC337DLC238
39DLC1
(1)参数组编号PGN
在总裁段的32位数据中，由2位保留位（r0r1)、1位数据页位（DP)
、8
位PDU
格式位、组扩展域8位（特定协议数据单元PS)以及5位填充位0构成了 24位的参 数组编号（PGN)。24位数据的排列方式如21所示。
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万方数据