汽車網絡拓撲設計

張晶

摘 要：本文主要介紹了汽車網絡拓撲的設計原則，及對各個拓撲優缺點進行了介紹及總結，對從事汽車網絡拓撲設計人員具有一定參考意義。

關鍵詞：汽車 網絡拓撲 原則 設計

1 引言

隨著汽車電子技術的發展，越來越多的智能控制系統應用于汽車，現在應用較成熟的通信技術是CAN總線技術，即所有模塊遵循統一CAN通訊規范實現互相之間的通訊，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，實現較高的通訊效率，此文著重對如何布置出合理的CAN網絡拓撲給出一定的建議。

2 CAN網絡拓撲的布局形式

網絡拓撲的設計對于汽車通信系統來說顯得十分重要，它直接關系到汽車通信系統的穩定性、可擴展性等，進而關系到整車的質量、安全與開發成本等。目前主要有以下幾種網絡拓撲：總線型、星型、環形，見圖1。

2.1 總線型

總線型網絡拓撲是在汽車拓撲布局中最常見的一種，采用總分結構。

在CAN通訊模塊數量較少且網絡負載率在設計閾值范圍內，通常采用單路CAN總線拓撲結構，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部設計有終端電阻，終端阻值在120±3Ω，信號在傳輸介質上傳輸，如果其所感受的傳輸介質的瞬態阻抗一致，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阻抗發生變化，信號在該處會形成信號反射，一部分信號被反射回去，而另一部分繼續傳播，但信號已經發生失真，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，當終端電阻阻值超過一定范圍后也會造成信號傳輸的失真。節點的支線長度一般要求1米以內。負載率一般要求（30±5%）比較合理，總線負載率過高會令各節點忙于應付總線消息的收發，導致ECU執行效率降低，而負載率過高則沒有充分利用網絡帶寬，浪費資源。

網絡負載的計算：總線上實際數據傳輸速率比上理論最大數據傳輸速率。

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

計算公式=實際數據傳輸率/最大數據傳輸率=111bit* 50次/500，000bit=1.11%。當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CAN通訊模塊數量較多且總線負載超過設計閾值，需要設計多路CAN總線。各路CAN總線之間需要交互的信號通過網關路由進行轉發，同時網關路由可以過濾掉不符合規則的網絡ID報文，減少網絡不合理的負載，多路CAN總線如圖3所示。

多路CAN總線設計需要統籌規劃，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速度，利于模塊短時間做出響應。例如車身穩定控制模塊ESC、電動助力轉向模塊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向，且ESC和EPS要實時反饋執行的情況，故將這三個模塊放置在一路CAN網絡，三者之間的交互不需要通過網關轉發，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，且網關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網絡上。

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

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，現實中同時接入3路CAN的模塊較少。

總線型拓撲的優點：

1）總線型結構所需要的電纜長度小;

2）總線型結構簡單。

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

星型網絡拓撲也越來越多的應用于汽車網絡拓撲中，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過中心點，如圖4如所示是一款汽車的星型網絡拓撲。

在星型網絡拓撲中，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總線是個多主站結構的通信網絡，只要總線是空閑的，任何一個端接節點都可以發送數據，CAN總線采用星型網絡拓撲將有很多方面的優點，如：

（1）系統沒有支線的概念，不存在支線反射現象;

（2）網絡布線簡單，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。

星型網絡拓撲缺點如下，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

混合型網絡拓撲即融合了星型和總線型兩者，示意圖如圖5所示。

混合型網絡拓撲融合了兩者的優點和缺點，具體布置網絡拓撲時要根據實際情況進行適當的調整以達到高效合理的網絡拓撲。例如如果總體雙絞線長度無法保證40米以內就不能單純的采用總線型，但又出于低成本的考慮，可以采用混合型網絡拓撲。

2.4 環形網絡拓撲

將所有模塊依次連接在一起，每個模塊即需要負責各自的通訊，同時也要承擔整個網絡通訊的需求，如果一個模塊出了問題，會導致整個網絡癱瘓，目前汽車上很少應用這種拓撲結構。

信號傳輸介質。通常汽車高速CAN網絡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網絡主節點進行網絡通訊的，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接口通常可以設計在動力CAN上，同時也跨幾路CAN網絡，或者單獨連接網關，單獨連網關的設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 汽車網絡拓撲發展規劃

3.1 平臺化

主機廠發展趨勢是基于平臺化的網絡拓撲設計。即根據每個模塊的功能定義及網絡通訊策略，每個模塊應在CAN拓撲應該有最優位置，避免經常性的變動各個模塊在網絡拓撲上的位置，造成拓撲通訊矩陣的混亂，不利于網絡通信策略規劃及診斷策略規劃。平臺化網絡拓撲設計同時也可以實現各模塊硬件最大平臺化應用，從長遠角度來講，對主機廠及供應商都有一定的好處。

3.2 可拓展性強

未來網絡拓撲規劃要有較強的拓展性。當增加相應的電子模塊后，原有的拓撲可以包容增加的電子模塊而保證整個網絡拓撲不發生較大改變，只改變局部的拓撲結構即可。這需要在設計拓撲時參考未來行業發展趨勢，預測在哪路CAN網絡上需要預留較大的網絡帶寬。

3.3 高速

CAN通訊在汽車上應用已經幾十年了，目前及在很長的一段時間內是可以滿足汽車通訊需求，但隨著汽車智能化發展，尤其是針對未來可能實現的無人駕駛等技術在汽車上的應用，對信息實時處理速度要求非常高，對網絡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用，整車控制器會更多的進行融合優化，基于控制模塊的減少整車網絡拓撲設計會趨于簡單化，整車會使用較少的線束，信號將更多的依賴于模塊內部的處理，實時性會大大提高。

4 總結

汽車拓撲設計就好比排兵布陣，合理的網絡拓撲設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劃，通過對模塊功能、信號需求、實際布線長度、診斷策略、網絡拓撲結構合理設計網絡拓撲。

參考文獻：

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