车载信息第一章-概论课件.ppt

1、第一章 概 论概 论车载网络与信息技术是计算机网络通信、嵌入式系统、以及信息安全理论与技术在车辆工程中的应用，是社会信息化发展在交通和汽车领域的体现。2第一节 汽车通信及信息技术一、汽车通信及信息技术的发展一、汽车通信及信息技术的发展传统上汽车是一个机械系统，随着信息技术的发展以及应用的不断深入，汽车上使用了越来越多的电子与信息技术。越来越多的车载电子与信息系统催生了车载网络通信技术，而基于互联网络的物连网的发展，必然产生实现车-车、车-路、车-人、车-服务中心等互联的车联网络，使得一辆汽车已经是全球互联网络中的一个移动网络部分，如图1-1。34图1-1 车联网络示意图第一节 汽车通信及信息技

2、术1.车载网络技术发展随着汽车电子技术的不断发展，汽车上电子装置越来越多，而且增长很快。随着电子部件价格的降低，电子技术向低档车延伸的速度也很快。另一方面，随着汽车电子化的深入，以网络通讯为基础的线控技术（CBW，Control-By-Wire）将在车上普遍应用。5第一节 汽车通信及信息技术图1-2是线控系统的基本结构原理，操纵意图通过人机接口转换为电信号传到执行机构，由执行机构控制功能装置；传感器感知功能装置状态，通过电信号传给人机接口，反馈给驾驶人员。6图1-2 线控过程示意图第一节 汽车通信及信息技术2.车载信息技术发展车载信息系统（In-vehicle Infotainment）是基于

3、计算机、卫星定位、网络通讯、电子及控制等技术，为汽车提供安全、环保及舒适及娱乐性功能和服务的软硬件系统。车载信息系统可以划分成4个层面，从高到低依次是客户层、服务层、通讯层和车载层。当前电子信息技术在车辆上主要用于车辆安全系统、网络、通讯、导航系统和移动多媒体系统、人机交互等方面。7第一节 汽车通信及信息技术车辆安全系统车辆安全系统1）自适应巡航控制系统2）防撞警告系统和撞车通告系统3）集成安全系统。4）被盗车辆寻回系统8第一节 汽车通信及信息技术网络、通讯、导航系统网络、通讯、导航系统1）网络通讯系统2）电子导航系统3）实时交通信息咨询系统9第一节 汽车通信及信息技术移动多媒体系统移动多媒体

4、系统后排座娱乐系统：移动多媒体技术主要开发的后排座娱乐系统，这种后排座音响-图像技术包括全彩屏幕、游戏设备、DVD播放机、电源、CD机、录像机、DVD机和放唱机。10第一节 汽车通信及信息技术人机交互系统人机交互系统最经典的车上人机交互系统就是汽车仪表和各种车上装置的操控系统。随着车辆信息化的不断提高，驾驶人员获得的信息和获得信息的方式都有很大变化，基于各种新的数字显示技术的仪表总成和新的信息推送方式在车上不断涌现。操控方式也由原来的各种开关按钮发展出触摸屏、语音等方式。11第一节 汽车通信及信息技术二、车载网络介绍二、车载网络介绍SAE（Society of Automotive Engin

5、eers，汽车工程师协会）按着汽车载网络系统的性能由低到高划分为A级、B级、C级网络，近年来，随着导航、多媒体、安全系统在汽车上的应用，对网络的可靠性和带宽提出了更高的要求，又发展了D级、E级网络，如表1-1所示。12表1-1 车载网络分类网络分类网络分类位传输速率位传输速率应用范围应用范围主流协议主流协议A级级 20 kb/s只需传输少量数据的场合如刮水器的开闭控制LINB级级20 150 kb/s信号多实时性低的单元如车灯、车窗控制低速CANC级级0.125 25Mb/s实时性高的控制单元如发动机、ABS等高速CAND级级25 150 Mb/s数据量大、对带宽要求高如导航、多媒体系统IDB

6、-139、MOST、车载以太网AVBE级级10Mb/s实时性要求非常高的系统如安全气囊FlexRay、车载以太网TTE13第一节 汽车通信及信息技术局部互连网络（LIN，Local Interconnect Network）是在1998年由汽车生产商Audi、BMW、DaimlerChrysler、Volvo和Volkswagen与元器件生产厂Motorola以及开发工具公司VCT(Volcano Communications Technologies)联合发起的一个汽车低端网络协议。LIN标准中不仅定义了通信协议，而且定义了开发工具接口和应用软件接口（API）。它的目标是提供廉价的底层传感器

7、和执行器级的局部网络标准。14第一节 汽车通信及信息技术由Bosch提出的CAN标准最早在欧洲汽车上被广泛采用。后来，包括美国、日本的汽车公司也使用它作为B级或C级车载网络。CAN是目前应用最广泛的汽车网络标准。它也被很多其它行业采用。15第一节 汽车通信及信息技术MOST和车载以太网AVB是面向车载多媒体系统连接的标准。由于媒体信息音像的传输数据量大，所以比车上控制网络要求更高的传输速度（带宽），一般要求光纤或同轴电缆作为物理层媒介，考虑到成本等因素也大量使用双绞线。16第一节 汽车通信及信息技术FlexRay和车载以太网TTE标准提供了时间触发车载网络标准，从实时性和安全性上更适合车载线控

8、系统。17表1-2 车载网络标准协议机构应用领域介质访问方式数据域长度/bit位 速 率/KbpsABUSVW控制单线竞争16500APCFord媒体双绞线 CSMA/CA649.6AUTOLANGeneral Inst控制双绞线 主/从0-644000BEANToyota控制单线CSMA/CD8-8810CANBosch控制双绞线 竞争0-641000CCDCrysler传 感 器 总线双绞线 CSMA/CR无限制7.8DANAlfa Romeo仪表板双绞线 主/从89.618协议机构应用领域介质访问方式数据域长度/bit位 速 率/KbpsDSIMotorola传 感 器 总线双线主/从1

9、65IVMSNissan控制双绞线Polling1627.8KJ1850 PWMSAE控制双线CSMA/CR8-6441.6J1850 VPWSAE控制单线CSMA/CR8-6410.4J1939SAE控制双绞线竞争0-641000MMLDelphi多媒体光纤主/从2048110000MOSTMost Co-op多媒体光纤TDMA480150000PALMNETMazda控制双绞线竞争32或64100019TTETTTech实时控制双通道 TDMA1282000(未来4000)VANRenault&PSA控制双绞线 竞争0-64250FlexRay协议联合体控制双通道 FTDMA9610000

10、车载以太网O P E N Alliance SIG多媒体双绞线、光纤等CSMA/CD12000100000020第一节 汽车通信及信息技术三、车载网络及信息系统特点三、车载网络及信息系统特点汽车要求安全、使用方便、操作简捷、性能可靠，对价格敏感；汽车又是应用环境最坏的设备，所有可能的道路、电磁以及气候环境几乎都可以遇到。根据汽车的这些使用要求和使用环境，汽车上的系统设计应当考虑这样一些因素：温度，油、水、盐雾、尘土以及可能遇到的化学腐蚀物质的影响，机械震动、颠簸、冲击的影响，电磁兼容问题，环境保护问题，可能的故障，安全措施，可靠性，成本价格。21第一节 汽车通信及信息技术车载网络系统还应当考虑

11、以下因素：节点与总线的连接接头的电气与机械特性以及连接头数量网络系统和应用系统的评估与性能检测方法容错和故障恢复问题实时控制网络的时间特性网络布线的生产工艺性和使用维护过程中的安全性网上节点的增加与软硬件更新（可扩展性）还要考虑通信协议及信息安全22第二节 计算机网络与通讯技术介绍一、计算机网络基础知识一、计算机网络基础知识 1.计算机网络计算机网络计算机网络是具有资源共享和通讯功能的计算机系统的集合体。随着计算机科学技术与计算机应用的发展，资源共享和网络通讯的含义也在不断丰富，如资源共享由数据资源共享、存储系统共享发展到分布计算以及协同工作。23第二节 计算机网络与通讯技术介绍2.计算机网络

12、分类计算机网络分类 计算机网络有多种分类方法。（1）按网络范围或网络上终端的距离，计算机网络分为广域网和局域网（2）按用途，计算机网络分为公共网络和专用网络。（3）按网络拓扑结构，计算机网络分为星型网、总线网、环型网和混合网络。24第二节 计算机网络与通讯技术介绍二、计算机网络协议二、计算机网络协议1.通讯协议与功能通讯协议与功能在通信中，任何一个可以作为信息发送或接收的个体称为通信的实体，如终端、用户程序等。一个系统，如一个电控单元，可以包含一个或多个通信实体。当两个实体进行通信时，为了能够互相理解对方，必须按着一定的约定或规则进行信息交换。25第二节 计算机网络与通讯技术介绍2.计算机网络

13、协议分层结构计算机网络协议分层结构20世纪70年代开始，随着计算机通信网络技术和应用的发展，网络标准化的要求越来越强烈。1983年ISO推出了网络开放系统（OSI）基本参考模型的国际标准ISO7498。26第二节 计算机网络与通讯技术介绍如图1-3，ISO7498把网络通信系统按功能划分为七个层次。27第二节 计算机网络与通讯技术介绍三、局域网络三、局域网络(LAN)1.局域网络概念局域网络概念局域网是在一个有限区域内连接的计算机网络，一般这个区域具有特定的职能，通过这个网络实现这个系统内的资源共享和信息通讯。汽车上的网络应当是局域网与现场总线（Field Bus）之间的一种结构。数据传输速度

14、一般在10103 K bps范围，传输距离在几十米范围。28第二节 计算机网络与通讯技术介绍2.局域网络结构局域网络结构物理层的信号传输介质、网络的拓扑结构和介质访问控制协议决定了一个局域网的性质和功能。信号传输介质和网络拓扑结构在很大程度上决定了局域网的数据传输速度、传输距离以及节点数等指标。局域网络一般采用总线结构、环型结构和星型结构。29第二节 计算机网络与通讯技术介绍3.局域网络分类局域网络分类局域网一般被划分为三大类，即一般局域网(LAN)、高速局域网(HSLN)和计算机化分组交换机（CBX），主要特性如表1-3。30第二节 计算机网络与通讯技术介绍特性一般局域网高速局域网计算机化分

15、组交换机传输介质双绞线、同轴电缆、光纤CATV同轴电缆双绞线拓扑结构总线、星型、环型总线星型传 输 速 度/Mbps120509.664传输距离/Km2511转接技术报文分组报文分组线路转接节点数1001000101001000网络费用/$500500045万250100031表1-3 局域网分类与主要特性第二节 计算机网络与通讯技术介绍四、无线网络四、无线网络无线网络是指使用无线电技术进行信号传输的计算机网络，无线网络与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同。无线网络消除了有线网络对接入设备空间位置的限制，同时也节省了光纤、电缆等有线传输介质的铺设成本。32第二节 计算机网络与

16、通讯技术介绍1.无线网络的基本组成元素无线网络的基本组成元素无线网络既包括允许用户建立远距离无线连接的数据网络，也包括用于近距离信息传输的局域网、广域网。无论是哪种网络，都是由以下三种基本元素组成。（1）无线网络用户（2）无线连接（3）基站33第二节 计算机网络与通讯技术介绍2.无线网络的分类无线网络的分类依据无线网络的覆盖范围及使用协议的不同，无线网络一般分为4类：（1）无线广域网（Wireless Wide Area Networks）（2）无线城域网（Wireless Metropolitan Area Networks）（3）无线局域网（Wireless Local Area Netw

17、orks）（4）无线个人局域网34第二节 计算机网络与通讯技术介绍五、计算机网络通讯中的一些基本概念五、计算机网络通讯中的一些基本概念1.节点、介质、协议节点、介质、协议网络上的节点（Node）是网络活动的核心组成部分，包括终端节点和中间节点。终端节点一般是网络连接的应用系统或设备，它们利用网络发送或接收信息；中间节点一般提供信息的转送服务、信息流量控制等网络服务功能。35第二节 计算机网络与通讯技术介绍2.信息传送过程与调制信息传送过程与调制数字信息的传送可以按“0”和“1”的某种电平定义直接传送，也可以转化（调制）为模拟信号传送。通过模拟信号传送的基本过程如图1-4所示36第二节 计算机网

18、络与通讯技术介绍常用调制方式有以下几种：（1）调幅：传输的数据中“0”和“1”位由信号的幅值表示，如在一个位的时间中幅值小表示“0”，大的表示“1”，如图1-5(a)；（2）调频：“0”和“1”由信号的频率表示，如在一个位的时间中低频率表示“0”，高频率表示“1”，如图1-5(b)；（3）调相：“0”和“1”由信号的相位表示，如在一个位的时间中信号相位为-180度表示“0”，相位为0度表示“1”，如图1-5(c)。37第二节 计算机网络与通讯技术介绍发送端由要发送的位产生调制的信号，接收端根据信号的状态恢复为“0”或“1”。3839 图图1-5 信号调制方式信号调制方式(a)调幅方式调幅方式

19、(b)调频方式调频方式 (c)调相方式调相方式第二节 计算机网络与通讯技术介绍3.编码和传输速度编码和传输速度数字网络中传输的是“0”和“1”的序列。信息由“0”和“1”的一定组合表示，这就是编码；如ASCII码用7位二进制对常用符号编码，传送一个符号就是传送对应的一个7位二进制码。单位时间传输的信息表明网络传输的速度，一般用单位时间传输的二进制位数表示。单位时间传输的二进制位数称为比特率（Bit rate），单位为bps(bit per second)。40第二节 计算机网络与通讯技术介绍4.同步与异步串行通讯同步与异步串行通讯串行通讯有同步和异步两种基本方式。异步传输方式中，每一个字符（或

20、信息单位）的传送与其它字符（或信息单位）无关，在开始时有一个启始发送标志位，结束时有一个终止标志位。异步传输方式的控制比较简单，传输速度比较低。同步传输方式中，数据传输前先通过同步措施建立发送和接收端的时间同步，然后连续发送数据块。同步传输方式速度高，传输控制比较复杂。41第二节 计算机网络与通讯技术介绍5.介质的多路复用介质的多路复用介质多路复用是多个用户使用一条介质线路时，线路资源的分配方式。有频分方式（FDM，Frequency Division Multiplexer）、时分方式（TDM，Time Division Multiplexer）和码分方式(CDM，Code Division

21、 Multiplexer)。42第二节 计算机网络与通讯技术介绍6.计算机网络信息传送计算机网络信息传送方式方式计算机网络信息的传送分为电路交换、报文交换和分组交换三种方式。电路交换方式电路交换是两台在通信的计算机使用一条实际的物理链路传输信息，在整个通信中始终使用这条线路，其它机器在这期间不能使用这个信道。这种通信方式与公共电话的通信方式是一样的。43第二节 计算机网络与通讯技术介绍报文交换方式报文交换方式是，当发送方有数据发送时，就将数据按一定格式构成一个数据块（数据报或报文）发送出去，相邻的转接交换机收到这个报文后先存储这个报文，当这个报文传输所需要的链路空闲时就将它转发出去，直到这个报

22、文到达接收端。44第二节 计算机网络与通讯技术介绍分组交换方式分组交换的基本过程与报文交换一样。只是在发送时，把要传送的数据划分为一些小的数据块（分组），把这些小数据块按一定格式包装后发送出去。接收端收到这些数据后再把它们组合到一起恢复原来的数据报文。45第二节 计算机网络与通讯技术介绍7.网络介质访问方式网络介质访问方式网络介质访问方式指网络上节点获取传输介质使用权的方式。（1）载波监听多路访问（CSMA，Carrier Sense Multiple Access）（2）令牌环方式（Token Ring）46第二节 计算机网络与通讯技术介绍8.网络访问的触发方式网络访问的触发方式按着节点访问

23、网络的触发方式，网络协议可以分为：（1）时间触发协议（TTP，Time Triggered Protocol）（2）事件触发协议（ETP，Event Triggered Protocol）中，47第二节 计算机网络与通讯技术介绍9.信号传输介质信号传输介质传输介质有有线和无线两种基本类型。目前车上使用的都是有线网络，无线网络只在探索中。表1-4给出了一些传输介质的参数。48第二节 计算机网络与通讯技术介绍媒体信号类型最大数据传输率/Mbps最大传输距离 /km网络节点数双绞线数字120.1几十同轴电缆数字10 几百同轴电缆（75）数字501几十同轴电缆（75）FOM模拟2010几千同轴电缆（7

24、5）单信道模拟501几十光纤模拟1001几十49表1-4 网络传输媒体第三节 车载嵌入式系统车载的电子控制和信息系统，尤其是基于嵌入式操作系统的车载信息系统，是典型的嵌入式计算机系统。设计及应用上，具有一般嵌入式系统专用、小型等性质，又具有车载系统移动、可靠等特点。50第三节 车载嵌入式系统一、嵌入式系统一、嵌入式系统车载电子控制以及车载信息系统是典型的嵌入式系统。通用的嵌入式系统定义是：控制、监视或者辅助设备运行，完成既定功能的软硬件系统。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。无论是哪种定义，都说明

25、了嵌入式系统是软件和硬件的结合体。51第三节 车载嵌入式系统相比一般通用计算机系统，嵌入式系统有如下几个显著特点：系统内核小专用性强系统精简高实时性的系统软件 嵌入式系统开发需要开发工具和环境52第三节 车载嵌入式系统二、车载嵌入式系统设计一般步骤二、车载嵌入式系统设计一般步骤车载嵌入式系统包括控制系统和信息系统，目前几乎都是连接在车载网络上的网络化嵌入式系统。基于网络的控制系统的设计，不仅要考虑每个控制单元的自身控制功能，而且要考虑单元之间的通信问题，其一般设计步骤包括：需求分析、系统描述与仿真、局部设计、软件设计、系统集成和系统测试。53第三节 车载嵌入式系统三、车载总线网络设计开发基本过程三、车载总线网络设计开发基本过程车载总线是连接车载电子与信息系统的通信网络。整车车载电子与信息系统的设计包括网络结构设计，以及作为网络节点的电子信息单元支持网络连接的软硬件设计。（1）网络设计和仿真（2）节点设计实现（3）网络集成54