详解宝马总线系统

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一、总线系统分析

1、系统分析

车辆中的电子控制单元通过一个网络相互连接。中央网关模块在这个系统网络中起重要作用。中央网关模块负责将信息从一个总线系统传递至另一个总线系统。发动机控制和底盘调节系统通过PT-CAN(或PT-CAN2)和FlexRay总线系统与ZOM连接。常用车辆电气系统的控制单元通过K-CAN和K-CAN2连接。对于信息和通信技术范围内的大部分控制单元来说在MOST用作信息载体使用。车辆诊断通过D-CAN连接通过访问以太网进行车辆的编程/设码。总网络由保障各个控制单元之间通信的不同的总线系统构成。

2、总线系统概述

两组总线系统原则上有所不同:

主总线系统:以太网、FlexRay、 K-CAN、 K-CAN2、 MOST、 PT-CAN和PT -CAN2;
子总线系统:BSD、 D-CAN(诊断CAN)、LIN、本地CAN;

3、车身CAN(K-CAN)

K-CAN用于部件的低数据传输率通信,K-CAN通过中央网关模块也可与其他总线系统连接。一些K-CAN中的控制单元使用一根LIN总线作为子总线,K-CAN的数据传输率为100kBit/s,并采用双绞线结构(两根绞合的导线),K-CAN可在故障情况下作为单线总线运行,车身CAN2 (K-CAN2) K-CAN2用于控制单元的高数据传输率通信,K-CAN2通过中央网关模块也可与其他总线系统连接。一根LIN总线作为子总线连接在K-CAN2内的所有控制单元上,K-CAN2的数据传输率为500kBit/s,并采用双绞线结构。

4、传动系CAN (PT-CAN)

PT-CAN将发动机控制与变速器控制以及安全和驾驶者辅助系统范围内的系统相连接,通过连接至各个系统的分支线构成线型结构,PT-CAN的数据传输率为500kBit/s,并采用双绞线结构,动力传动系CAN2 (PT-CAN2) PT-CAN2是发动机控制范围内的PT-CAN的一个冗余,也用于将信号传送至燃油泵控制,PT-CAN2的数据传输率为500kBit/s,结构是双导线配以辅助唤醒导线。

5、以太网

以太网是一种供应商中立的、通过电缆连接的网络技术,使用TCP/IP ( TransmissionControl Protocol/Internet Protocol,传输控制协议/互联网络协议)协议和UDP (User Datagramm Protocol,用户数据报协议)协议作为传输协议。

6、FlexRay

每个通道最大数据传输率高达10MBit/s、 FlexRay明显快于今天在车辆中在车身和驱动机构/底盘范围内使用的数据总线,中央网关模块建立不同的总线系统和FlexRay之间的连接,根据车辆的装备状态在ZGM中有一个或两个各带有四个总线驱动器的星形藕合器,总线驱动器将控制单元的数据通过通信控制器传输至中央网关模块(ZGM),受到限定的数据传输确保每条信息实时传输给定时控制的部件,实时表示在规定的时间内进行传送。

7、MOST总线系统

MOST是一种用于多媒体应用的数据总线技术,MOST总线使用光脉冲用于数据传输,其结构为环形结构,环形结构中的数据传输只沿一个方向进行,只有中央网关模块才能实现MOST总线和其他总线系统之间的数据交换,车辆信息电脑用作主控制单元,其余总线系统的网关是中央网关模块。

8、总线系统中的故障可能

下列故障原因可能会导致总线故障:

总线导线短路;
总线导线断路;
网关中出现故障;
控制单元发送和接收部件中出现故障;

二、总线结构的常见问题概述

1、为什么有如此多的总线?

对这个问题原则上有3个答案:

总线其实本不多,因为:所有的CAN总线都源自最初的CAN总线PT-CAN和KCAN。PT-CAN的数据传输率较高;K-CAN的数据传输率较低;系统中的许多CAN总线(子总线)是根据这些系统命名的,因此产生了许多总线名称,车身总线也与此类似:外围设备总线和仪表总线在技术上与车身总线相同;

这些总线是为不同的数据传输率而开发的:
-数据传输率很高的总线:Byteflight ( BMW安全总线系统)、MOST总线和F1exRay;
-中等数据传输率的总线:两个CAN总线PT-CAN和K-CAN和类似的总线;
-低数据传输率的总线:例如LIN总线;

从历史来看,总线要么是跨制造商开发的,要么是由BMW自行开发的:
-跨制造商的总线标准有:CAN、 LIN总线、MOST和F1exRay;
-BMW自己的标准有:Byteflight (BMW安全总线系统)、车身总线和K - CAN;

2、CAN是什么?

CAN(控制器区域网络)是一个总线标准,CAN是在80年代由Robert Bosch GmbH(与高校合作)开发的,目标是驱动机构和底盘范围内的控制单元的联网。为了控制单元能够相互通信,必须规定一个总线标准,此总线标准规定,在控制单元之间以何种方式发送哪些信息,一个CAN信息的组成部分有:SOF、CRC、ID、DEL、ACK、KBT、EOF、IFS。

a、SOF表示“帧起始”(也就是信息的开始);
b、CRC表示“循环冗余检查”(即校验和比较);
c、ID表示“识别标志”;
d、DEL表示“定界符”;
e、ACK表示“确认”(信息无故障);
f、KBT表示“校验位”;
g、EOF表示“帧结束”;
h、IFS表示“帧间空间”;

CAN目前是BMW最常用的总线标准,CAN是一种双线总线,在每部车辆中都有多个具有不同数据传输率的CAN总线,具有不同数据传输率的CAN总线通过网关(即数据接口)相互连接。

3、“高速”和“低速”或“高”和“低”在CAN总线上有何含义?

“高速”和“低速”表示CAN总线的数据传输率。BMW有2种不同的CAN总线数据传输率:

100kBit/s:K-CAN;
500kBit/s:PT-CAN、F-CAN;
“高”和“低”是一个双线总线的两条导线的表述。例如:

CAN- H,即CAN高是较高电压值信号的数据导线;
CAN- L,即CAN低是较低电压值信号的数据导线;

4、如何理解数据总线的“环形”、“星形”和“总线”?

在一条数据总线上的各个控制单元可以有不同的排列:

当控制单元在总线上一个挨一个排列时,就是:“线形”
当控制单元从一个中央控制单元开始呈放射状排列时,就是:“星形”
如果控制单元排列成圆形,就是:“环形”
控制单元线形排列CAN总线具有此种结构。

优点:接线简单,并可通过其他控制单元扩充总线结构;
缺点:如果过多的控制单元在该总线上发送信息,则产生问题,此总线结构只允许最高约30%的负荷利用率,因此常常附加“子总线”;
控制单元呈环形排列BMW的MOST总线具有此种结构,M-ASK或CCC是其他总线的网关。

优点:前面和后面的控制单元已明确规定;
缺点:必须有抵御某个控制单元失灵的保险装置;
控制单元呈星形排列的在BMWE65, E66上,ISIS具有此种结构(ISIS:智能安全集成系统),SGM(安全和网关模块)是星形结构中的中央控制单元,在最早的E65和E66上,SIM(安全信息模块)是星形结构的中央控制单元。

优点:数据传输率高,安全性高:如果某个控制单元失灵,不会影响其他控制单元;
缺点:接线复杂;

5、何谓:“子总线”、“主控单元”和“副控制单元”?

“子总线”是从属的总线。子总线通常存在于CAN总线上,以便无须通过CAN总线传输过多的数据。如果多个控制单元或部件属于一个系统,则为该系统加一个专用总线分支。接在其他数据总线的数据接口上的控制单元常被称为“主控单元”,子总线上的控制单元是“副控制单元”,主控单元和副控制单元之间发送的数据量只加在子总线上,上级总线保持空闲。

子总线有多个名称:“本地CAN”,“专用CAN”。这些名称已经表明这是一个子总线。MOST总线上也有“主控元”和“副控制单元”:一个上级控制单元就是主控单元。主控单元控制所有功能,“副控制单元”只执行功能,在诊断时BMW诊断系统也起“主控单元”的作用。诊断期间车辆中的所有控制单元都是“副控制单元”。这些控制单元向BMW诊断系统发送数据。在诊断期间BMW诊断系统是”主控单元”。

6、“车身总线”和“外围设备总线”是哪种总线标准?

车身总线和外围设备总线是BMW自己开发的专用总线标准,外围设备总线是基本模块和活动天窗范围内的车身总线。因为车身总线已经满负荷(E38),所以开发了外围设备总线。

7、为什么存在“日规仪表总线”?

在日本规格的E65, E66上,、JNAV和TEL不能与MOST总线相匹配(由于技术方面的原因),这.两个控制单元连接在日规仪表总线上,并通过FBI与MOST总线相连(FBI:柔性总线接口)。

8、为什么仪表总线和车身总线也可能是子总线?

原则上每一种总线都可变为另一种总线的子总线,前提是,子总线通过一个网关(数据接口)连接到上级总线上。2个例子:

仪表总线在E87上是一个子总线,此仪表总线连接MRS控制单元和TCU控制单元;
车身总线在E87和E90上是一个从CAS至TAGE的子总线,E83、E85、E86、E87、E90:车身总线是一个从DWA至SINE的子总线;

9、什么是MOST总线上的同步或异步信道?

MOST总线在光缆中有用于数据传输的不同信道:

同步数据传输:TV(数字音频信号的数据传输)、CD光盘、DVD光盘;
异步数据传输:NAV和TV(例如视频文本信息和电台列表的传输);
控制数据的传送:网关的状态、诊断、信息;

10、Byteflight (BMW安全总线系统)的“同步和异步”有何含义?

Byteflight (BMW安全总线系统)将同步和异步数据传输相组合,因此能够确保随时传输重要的安全数据量:

PT-CAN需要一条唤醒导线,没有唤醒导线则PT-CAN不能工作,唤醒导线(总线端KL 15唤醒)已部分集成到PT-CAN的扁平导线中(3芯扁平导线)。在E90上唤醒导线在局部也单独敷设,不在PT-CAN的扁平导线中,在本Si技术(SBT)中的系统一览上,唤醒导线作为直线标于PT一CAN的两条导线之间:PT-CAN高和PT一CAN低。

同步数据传输:各个控制单元周期性地(定期地)发送信息
异步数据传输:除了同步数据传输外,也可发送受事件控制的信息
Byteflight (BMW安全总线系统)上这种同步和异步数据传输组合的优点:
所有控制单元定期地发送数据,而不会使Byteflight (BMW安全总线系统)过载(过载是同步数据传输可能存在的缺点),紧急信息始终可用较高的优先权发送。

11、何谓唤醒导线?

PT-CAN需要一条唤醒导线,没有唤醒导线则PT-CAN不能工作,唤醒导线(总线端KL 15唤醒)已部分集成到PT-CAN的扁平导线中(3芯扁平导线)。在E90上唤醒导线在局部也单独敷设,不在PT-CAN的扁平导线中,在本Si技术(SBT)中的系统一览上,唤醒导线作为直线标于PT一CAN的两条导线之间:PT-CAN高和PT一CAN低。

12、为什么在一些车型系列上PT-CAN有唤醒导线,而在其他车型系列上没有?

带车载网络2000的车辆通常有一根用于PT-CAN上的控制单元的唤醒导线,在这些车辆上,总线端KL 15一接通,CAS(便捷进入及启动系统)就通过一个唤醒信号唤醒PT-CAN上的其他控制单元,以前的车型系列具有不带唤醒导线的PT-CAN,因为:在以前的车型系列(例如E85)上,每个控制单元都有一个总线端KL 15的专用输入端,因此总线端KL 15一接通,每个控制单元都被通过总线端KL 15的输入端”唤醒”,所以不需要一根专用唤醒导线。

13、终端电阻有什么用途?

为了防止信息反射,总线需要使用终端电阻。如果没有终端电阻,则信息和信号会在数据总线上反射乙终端电阻损坏的后果是,总线上的数据传输有故障。终端电阻设计成与相应的数据总线匹配:PT-CAN需要的终端电阻就与F-CAN不一样。根据装备情况,在不同控制单元中有终端电阻。

14、“K-Line”、“TxD1”和“TxD2”有何含义?

这3个名称表示下列不同的诊断导线:

K-Line是诊断导线的正式国际有效名称,带车载网络2000的车辆有一个中央网关和1根诊断导线(例如BMW7系自2000年起、BMW5系和BMW6系)。在网关上,诊断导线连接在诊断插座的线脚Pin?上,诊断导线把所有控制单元与BMW诊断系统连接(通过中央网关),为车载网络2000开发了一个新的诊断记录:BMW Fast Protocol-Fast Accessfor Service and Testing,该诊断记录被以115MBit的数据传输率发送至所有控制单元,OBD记录触发所有与排气相关的控制单元,所有对遵守废气排放标准有影响的控制单元都与排气相关,网关根据OBD记录识别扫描工具,当某个扫描工具连接在诊断插座上时,网关将OBD记录发送到PT-CAN上,仅与排气相关的控制单元应答。
TxD1和TxD2是用于诊断不带中央网关(数据接口)的车型系列的数据线。
TxD1是用于驱动系(英语“Powertrain”)的所有与排气无关的控制单元的诊断导线;
TxD2是用于驱动系的所有与排气相关的控制单元的诊断导线,TxD2向测试仪的扫描工具发送OBD记录的所有官方规定数据;
所有其他控制单元将通过网关控制单元(例如KOMBI)诊断。这两根TO导线的技术背景是:通过诊断插座只读取与排气相关的控制单元,因此排除了其他控制单元可能发生的故障。在BMW诊断系统的诊断插座中已将这两根导线跨接,因此,BMW诊断系统能够同时读取和分析这两根TxD导线。

15、“BSD”:串行数据接口有何含义?

BSD表示“串行数据接口”,因为各个位不是并行,而是串行发送和接收,相应的发动机控制单元通过串行数据接口与下列部件通信(视车型系列、发动机和装备而定):

发电机,调节发电机电压
串行数据接口按如下方式支持发电机电压调节:在每次发动机启动时,发动机控制单元都通过BSD查询发电机。发电机向发动机控制单元发送有关型号、功率和制造商的数据。
发动机控制单元由此计算出发电机运行的额定值。

充电指示灯
在带BSD的车辆上,发电机不直接与充电指示灯连接,发电机只向发动机控制单元发送数据,充电指示灯通过发动机控制单元接通。信道:发电机*BSD->DME或DDE一中央网关(SGM或ZGM) →KOMBI。

电动冷却液泵
仅与发动机N52配合,发动机N52有一个电动冷却液泵(不再由多楔三角皮带以机械方式驱动),此电动冷却液泵由发动机控制单元(通过BSD)按需调节。

机油状态传感器
机油状态传感器探测发动机机油的质量、油位和温度(英语“Quality, Level; Tempera-Ture”),这些数据BSD发送至发动机控制单元,发动机控制单元分析这些数据。

16、何谓“D-CAN”:Diagnose-on-CAN (CAN上的诊断)?

D-CAN (CAN上的诊断)在全世界代替以前的诊断接口,转换的背景是美国的一项新的法律规定,按照该规定,自2008年款起的所有车辆都必须装备D-CAN。 D-CAN的数据传输率为 500kBit/s,采用2线结构,因为诊断收发器没有D-CAN接口,所以进行诊断时需要一个光学编程系统(OPS)或一个光学检测和编程系统(OPPS)以及1根新的适配导线(导线带绿色标记和“CANincluded”说明)。

17、为什么存在“S-CAN”:传感器CAN?

传感器CAN连接纵向动态管理控制单元与远距离传感器和近距离传感器。由于雷达传感器的大数据量,必须要用S-CAN,否则这个数据量会超过现有总线系统的空闲传输容量。

18、何谓”FlexRay”:FlexRay总线系统?

FlexRay是一个新的通信系统,并且满足车辆中目前和未来的创新功能未来联网的高要求。对车辆中用于控制单元联网的通信系统的技术要求不断增长,并且人们认识到必须为基础设施系统寻找一个开放的标准化解决方案,是开发FlexRay的真正原因。为共同开发FlexRay成立了一个FlexRay联合组织,在此期间全世界几乎所有著名汽车制造商和供货商以及半导体制造商和来自通信技术行业的系统专家参与其中。FlexRay在车辆的电气和机械电子组件之间提供实时和非常高效的数据传输,数据传输率高达10MBit/s, FlexRay明显快于今天在车辆中在车身和驱动机构/底盘范围内使用的数据总线。

FlexRay的优点:

带宽高;
-数据传输率10MBit/s(比较CAN:0. 5 MBit/s);
-循环时间短2. 5 ms(比较CAN:10ms);
-能够实现简明扼要的总线结构(例如避免网关);

时间上确定的、可输写的功能方式(决定论方式);
-有保证的信息实时传输(比较CAN:无实时能力);
-控制单元同步在一个空间上分散的控制系统中,能够同时采用不同控制单元的标准值;

可用性和安全性高;
◇通过决定论方式和可选装的第2个通道(第2个通道用于冗余数据传输);

系统集成简单;

肖师傅
  • 本文由 肖师傅 发表于 2023年7月22日01:05:04
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