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车联网技术与应用能力模块二车联网系统架构任务二车载网络通信系统认知导入近几年里，智能驾驶和智能网联汽车始终是汽车行业的一个热门方向。而在这个方向中，车辆网技术是其中非常重要的一个环节。为了做好车路协同，我们必须要了解各类车载网络通信技术原理与应用，这是车联网的基础组成部分，也是车路协同里面最重要的部分，同时可以帮助我们更好的在行业的发展中找到前进的方向。新授Newteaching1目录一、CAN通信技术二、以太网通信技术三、CAN-FD通信技术四、FlexRay通信技术一、CAN通信技术（一）CAN总线的定义
CAN是ControllerAreaNetwork的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，在欧洲已是汽车网络的标准协议。 CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。一、CAN通信技术
目前CAN总线通信协议仅仅包括OSI七层互联参考模型中的数据链路层和物理层。CAN总线的优先权由发送数据报文中的标识符决定报文占用总线的优先权。CAN总线的仲裁机制：只要总线空闲，任何节点都可以向总线发送报文。
CAN总线接收节点可以通过远程数据，请求发送远程帧。CAN总线没有主从节点之分，所有CAN总线上的节点都是地位等价的。（二）CAN总线的工作原理一、CAN通信技术（三）CAN总线报文错误帧：任何单元检测到一总线远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。2数据帧：从发射端携带数据到接收端。1过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供附加的延时。4CAN协议的报文传输主要由下面的4种帧来实现：一、CAN通信技术（三）CAN总线报文数据帧
（1）帧起始是数据帧和远程帧开始的标志，它是一个显性位。一个CAN节点只有在总线处于空闲状态时才可以发送帧起始一、CAN通信技术（三）CAN总线）仲裁场在帧起始之后，控制场之前，共12位（注：协议的讲解以CAN2.0A为基础，CAN2.0B版本的仲裁场为32位），分为两部分11位的标识符和1位的远程发送请求位（RTR）。在数据帧中RTR为显性，在远程帧中RTR为隐性。所以如果相同标识符的数据帧与远程帧发生冲突，数据帧优先一、CAN通信技术（三）CAN总线）仲裁场之后便是控制场。控制场的头两位为保留位，为隐性。后面是数据长度代码（DataLengthCode）。数据长度代码指示了数据场中字节的个数。一、CAN通信技术（三）CAN总线）数据场在控制场之后，传输数据的长度由DLC决定。如果DLC为0，则没有数据场。数据场中高位先传输。
（5）CRC场在控制场和数据场之后，由CRC序列和界定符组成。CRC序列是帧起始，仲裁场，控制场和数据场组成的位流的CRC校验值。其中CRC校验的生成多项式为X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1。CRC序列之后是一个“隐性”CRC结束符。一、CAN通信技术（三）CAN总线）CRC场之后便是应答场。应答场由2个位组成，应答位和应答结束符。发射单元会发送“隐性”的应答位和应答结束符至总线上。而接收单元如果接收到的数据都是有效的，会在发射单元发送应答位的同时发送一个“显性”位至总线上，所以一个有效的数据帧，应答位在总线上应该表现为“显性”。（7）数据帧的最后为帧结尾，有7个连续的“隐性”位组成。一、CAN通信技术（三）CAN总线报文
远程帧的主要作用是向其他的CAN节点发送数据请求，发送相同标识符的数据帧。与数据帧相比，远程帧的RTR位是隐性的，而且没有数据场。DLC中的值是数据帧的数据长度。远程帧一、CAN通信技术（三）CAN总线报文
错误帧由错误标志的叠加和结束符组成。错误标志有主动错误标志与被动错误标志。主动错误标志为6个显性位，被动错误标志为6个隐性位。错误帧一、CAN通信技术（三）CAN总线报文过载帧是由过载标志的叠加和过载结束符组成。有两种情况可以触发过载帧：
过载帧与主动错误帧非常类似，特别是位的组成和全局化的过程。主要的差别在于错误帧发生着数据帧，远程帧期间。而过载帧发生于间歇字段期间。过载帧
（1）CAN节点的内部需求，例如需要时间准备数据帧的数据。这种情况下过载帧只允许起始于帧间隔的第一个位。
（2）在帧间隔内侦测到显性位。这种情况下，过载帧起始于检测到显性位的后一位。一、CAN通信技术（三）CAN总线报文过载帧
过载标志由6个显性位组成，过载帧破坏了间歇字段的结构从而导致了过载帧的全局化。发完过载标志后，CAN节点会往总线发送隐性位，并监控总线直至出现隐性位。然后再发送7个隐性位。一、CAN通信技术（三）CAN总线）在帧间隔内侦测到显性位。这种情况下，过载帧起始于检测到显性位的后一位。
过载标志由6个显性位组成，过载帧破坏了间歇字段的结构从而导致了过载帧的全局化。发完过载标志后，CAN节点会往总线发送隐性位，并监控总线直至出现隐性位。然后再发送7个隐性位。一、CAN通信技术
多个单元在总线空闲都可以发送消息。在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息（多主控制）。最先访问总线的单元可获得发送权（CSMA/CA方式）。多个单元同时开始发送时，发送高优先级ID消息的单元可获得发送权。多主控01
在CAN协议中，所有的消息都以固定的格式发送。两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（Identifier以下称为ID）决定优先级。消息发送02（四）CAN的主要特点一、CAN通信技术
总线添加单元时，连接在总线上的其他单元的软硬件及应用层都不需要改变。系统柔软性03
同一网络中，所有单元必须设定成统一的通信速度（根据规模选择速度）。通讯速度04（四）CAN的主要特点一、CAN通信技术远程数据请求
错误恢复功能：正在发送消息的单元一旦检测出错误，会强PA视讯官方网站制结束当前的发送。强制结束发送的单元会不断反复地重新发送，直到消息成功发送为止。错误检测、通知、恢复功能06（四）CAN的主要特点一、CAN通信技术CAN可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线CAN总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。连接08（四）CAN的主要特点二、以太网通信技术（一）以太网的定义
最初的以太网采用无源传输媒体--同轴电缆作为总传输信息，20世纪70年代，美国Xerox（施乐）公司、Intel公司和DEC公司共同研制开发一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体、介质访问控制（MAC，MediumAccessControl）方法，采用CSMA/CD机制，使得数据传输速率达到10Mbit/s。随后，美国电器电子工程师学制定了IEEE802标准。二、以太网通信技术
该标准描述了局域网体系结构，广泛使用于以太网、令牌环、无线个标PA视讯官方网站准。标准编号标准内容802.1LAN概述、体系结构、网络互连、网络管理802.2逻辑链路控制子层（LLC）定义与服务802.3载波多路访问和冲突检测（CSMA/CD）规范802.4令牌总线令牌环（TOKENRING）802.6城域网（MAN）802.7宽带技术802.8光纤技术802.9语音与数据综合局域网（IVDLAN）802.10可互操作的局域网安全标准802.11无线需求优先的介质访问控制协议802.14线缆调制解调器交互式电视网（CableModem）802.15蓝牙802.16宽带无线宽带无线多重虚拟局域网共存技术802.20移动宽带无线接入（MBWA）二、以太网通信技术（二）载波多路访问和冲突检测通信原理
侦听信号上是否有信号在传输。如果有，表示信道处于忙状态，继续侦听，直到信道空闲为止；
传输数据时继续监听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后回到步骤1；
若未发现冲突，则发送成功，在下一次数据发送前需等待9.6微秒。二、以太网通信技术（二）载波多路访问和冲突检测通信原理
如果接受地址为本节点地址，就保留该信息帧，否则丢弃该帧。如果网络内节点较少（负载轻），节点能够及时地访问媒体，实时性相对高3网络维护方便，增删节点容易2各节点采用竞争的方式抢占对共享媒体的访问权力1如果负载比较重，节点的冲突的机会则会大大增加，通信的实时性不强，通常被应用在网络变更比较频繁、节点数比较少且实时性要求不高的应用环境中4二、以太网通信技术（二）载波多路访问和冲突检测通信原理2.CSMA/CD的特点：二、以太网通信技术（三）以太网的帧结构 IEEE802.3标准定义了以太网（采用CSMA/CD方式）的数据帧结构标准，其帧结构包括8个字段：
前序字段由7个（TEEE802.3）字节的交替的1和0组成（10101010），用于指示帧的开始，使得网络中的所有接收器均能与到达帧同步，同时确保与帧起始定界符一起控制各帧之间用于错误检测和恢复操作的时间间隔不小于9.6毫秒。
作为前序字段的延续，帧起始定界符沿用前序字段的组成方式，占1个字节，由10101011组成，前6个比特位置由交替的1和0构成，最后两个比特位置为11，同步消息提醒接受后面跟随的是帧数据，指明数据帧的开始。当控制器将接受帧送入其缓冲器时，前序字段和帧起始定界符均被去除。前序字段：帧起始定界符字段：（三）以太网的帧结构二、以太网通信技术
目的地址字段确定帧的接受者，有2字节和6字节的两种不同字段，对于IEEE802.3设备，通常选择6个字节的源地址和目的地址字段，用于指明帧被传送的一个或多个目的。
源地址字段标识发送帧的源站点，与目的地址字段类似，源地址字段的长度同样也可以是两个或者六个字节，更广泛使用六个字节的源地址字段时，前三个字节表示由IEEE分配给厂商的地址，将烧录在每一块网络接口卡的ROM中，而制造商通常为其每个网络接口卡分派后三个字节。目的地址字段：源地址字段：（三）以太网的帧结构二、以太网通信技术
用于IEEE802.3的长度字段定义了数据字段包含的字节数，占2个字节。
数据字段，包括了从源站到目的站传输的数据，最多包含1500字节。如果长度字段小于46字节，那么需要使用到后面的填充字段进行数据填充，以确保帧长至少为64字节（从前序字段到FCS字段），从而保证有足够的传输时间用于以太网网络接口卡精确地检测冲突。长度字段：数据字段：（三）以太网的帧结构二、以太网通信技术
最初以太网标准定义最小帧为64字节，最大帧为1518字节，包含从目的MAC地址字段到帧校验字段的所有字节，帧前序和帧起始定界符字段不包含在内。帧校验字段：（三）以太网的帧结构二、以太网通信技术CAN-FD协议极大扩充了速率范围，采用了可变速率，最高速率可达到8Mb/s，而CAN协议只有1Mb/s。CAN-FD协议支撑的负载量更大，在单个数据框架中传输率可达到64字节，大大提升了通信速率。
协议具有更好的可靠性，采用了循环冗余校验（CRC）和“受保护的填充位计数器”，从而降低了未被检测出的错误风险。（一）CAN-FD的概念CAN-FD的优势
相比于“传统”的CAN协议，CAN-FD协议具有三大优势：三、CAN-FD通信技术（一）CAN-FD的概念CAN-FD的特点 CAN-FD报文通信时，在仲裁段和紧接着的数据控制段都是使用标准的通信波特率，当来到数据段时，CAN-FD总线的通信波特率就会切换到更高的通信波特率。 CAN-FD新的功能是减少控制位的开销。目前CAN2.0标准最大8个字节的数据，CAN-FD数据位最大的字节数提高至64位，CAN-FD具有更高的有效传输负载。三、CAN-FD通信技术（二）CAN-FD与CAN的区别CAN-FD的特点 CAN-FD与CAN总线协议帧格式如下所示。三、CAN-FD通信技术（二）CAN-FD与CAN的区别CAN-FD的特点 CAN-FD与CAN的主要区别体现在传输速率、数据长度、帧格式、ID长度上。区别CAN-FDCAN传输速率数据比特率最高8Mbps，仲裁比特率最高1Mbps最大传输速率1Mbps数据长度一帧数据最长64字节一帧数据最长8字节帧格式新增了FDF、BRS、ESI位数据帧、远程帧、错误帧、过载帧、帧间隔五类ID长度标准帧ID长度可扩展到12bit标准帧ID长度最长11bit三、CAN-FD通信技术（三）CAN-FD帧结构 CAN-FD的帧结构同样包含帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、ACK场以及帧结束七大部分。四、FlexRay通信技术FlexRay（一）FlexRay基础介绍 FlexRay名称起源于“X-by-wire”技术，在2000年以宝马、戴姆勒、BOSCH等几个大核心技术厂商成立了FlexRay联盟后得到阶段性的发展。该联盟推动了FlexRay作为下一代高速通信协议的标准化，促进FlexRay在线控驱动（线控启动、线控制动）和汽车高级设备辅助系统的发展应用。四、FlexRay通信技术（二）FlexRay的特点FlexRay
作为一种应用于车内网络的高速汽车总线系统，FlexRay具有高速、安全可靠的特点。FlexRay协议标准中简化了车载通信系统的架构，有助于汽车电子单元获得更高的稳定性和持续使用性。 FlexRay具有物理层双通道冗余通信能力，可以实现通过硬件完全复制网络配置，进行进度的检测，拥有独立的总线监听功能与基于容错算法的始终同步机制，进而实现更强的网络可靠性。四、FlexRay通信技术（三）FlexRay的架构1.CAN-FD的特点
FlexRay节点的核心是ECU（ElectronicControlUnit），是接入车载网络中的独立完成相应功能的控制单元。扩展阅读：
ECU，即节点node，是接入车载网络中的独立完成相应功能的控制单元。主要由：电源供给系统(PowerSupply)主处理器(Host)固化可选的总线监控器(BusFlexRay通信控制器(CommunicationController)Guardian)总线动器(BusDriver)组成。四、FlexRay通信技术（三）FlexRay的架构 1.FlexRay网络：网络拓扑结构主要分为3种：总线型、星型、总线-星型混合型。总线型网络拓扑星型网络拓扑总线-星型混合型网络拓扑四、FlexRay通信技术（四）FlexRay协议
目前，FlexRay联盟只规定了数据链路层和物理层的协议。在协议通信中，数据帧由帧头（HeaderSegment）、有效数据段（PayloadSegment），以及帧尾（TrailerSegment）三部分组成。FlexRay帧格式四、FlexRay通信技术（四）FlexRay协议
传递起动序列（TSS），帧起动序列（FSS），字节起动序列（BSS），用于向接收设备提供位流的计时信息，帧结束序列（FES）。FlexRay帧编解码四、FlexRay通信技术（四）FlexRay协议
解码过程中，对于静态帧和动态帧，都需要注意到将字节起动序列（BSS）后的字节提取组合成帧和CRC校验码，根据CRC校验码判断接受是否正确。
解码动作中的主要内容除开上述编码过程中的内容，还包括信道空闲界定符（CID，ChannelIdleDelimiter）。FlexRay帧编解码随堂讨论Practiceontheclass2随堂讨论1、请简单描述CAN-FD的技术特点。2、请查阅FlexRay帧编解码过程，并简要概括。1.各组派代表阐述资料查询结果。2.各组就各自的查询结果进行交流，并分享技巧。任务实施Practiceontheclass3任务实施正确描述四大通信技术的特点，对优缺点进行比较。
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2026人教版六年级数学上册第一单元第2课《用方向和距离确定位置》课件
