詳解寶馬總線系統

一、總線系統分析

1、系統分析

車輛中的電子控制單元通過一個網絡相互連接。中央網關模塊在這個系統網絡中起重要作用。中央網關模塊負責將信息從一個總線系統傳遞至另一個總線系統。發動機控制和底盤調節系統通過PT-CAN（或PT-CAN2）和FlexRay總線系統與ZOM連接。常用車輛電氣系統的控制單元通過K-CAN和K-CAN2連接。對於信息和通信技術範圍內的大部分控制單元來說在MOST用作信息載體使用。車輛診斷通過D-CAN連接通過訪問以太網進行車輛的編程／設碼。總網絡由保障各個控制單元之間通信的不同的總線系統構成。

2、總線系統概述

兩組總線系統原則上有所不同：

• 主總線系統：以太網、FlexRay、 K-CAN、 K-CAN2、 MOST、 PT-CAN和PT -CAN2；
• 子總線系統：BSD、 D-CAN（診斷CAN）、LIN、本地CAN；

3、車身CAN（K-CAN）

K-CAN用於部件的低數據傳輸率通信，K-CAN通過中央網關模塊也可與其他總線系統連接。一些K-CAN中的控制單元使用一根LIN總線作爲子總線，K-CAN的數據傳輸率爲100kBit/s，並採用雙絞線結構（兩根絞合的導線），K-CAN可在故障情況下作爲單線總線運行，車身CAN2 （K-CAN2） K-CAN2用於控制單元的高數據傳輸率通信，K-CAN2通過中央網關模塊也可與其他總線系統連接。一根LIN總線作爲子總線連接在K-CAN2內的所有控制單元上，K-CAN2的數據傳輸率爲500kBit/s，並採用雙絞線結構。

4、傳動系CAN （PT-CAN）

PT-CAN將發動機控制與變速器控制以及安全和駕駛者輔助系統範圍內的系統相連接，通過連接至各個系統的分支線構成線型結構，PT-CAN的數據傳輸率爲500kBit/s，並採用雙絞線結構，動力傳動系CAN2 （PT-CAN2） PT-CAN2是發動機控制範圍內的PT-CAN的一個冗餘，也用於將信號傳送至燃油泵控制，PT-CAN2的數據傳輸率爲500kBit/s，結構是雙導線配以輔助喚醒導線。

5、以太網

以太網是一種供應商中立的、通過電纜連接的網絡技術，使用TCP/IP （ TransmissionControl Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協議/互聯網絡協議）協議和UDP （User Datagramm Protocol，用戶數據報協議）協議作爲傳輸協議。

6、FlexRay

每個通道最大數據傳輸率高達10MBit/s、 FlexRay明顯快於今天在車輛中在車身和驅動機構／底盤範圍內使用的數據總線，中央網關模塊建立不同的總線系統和FlexRay之間的連接，根據車輛的裝備狀態在ZGM中有一個或兩個各帶有四個總線驅動器的星形藕合器，總線驅動器將控制單元的數據通過通信控制器傳輸至中央網關模塊（ZGM），受到限定的數據傳輸確保每條信息實時傳輸給定時控制的部件，實時表示在規定的時間內進行傳送。

7、MOST總線系統

MOST是一種用於多媒體應用的數據總線技術，MOST總線使用光脈衝用於數據傳輸，其結構爲環形結構，環形結構中的數據傳輸只沿一個方向進行，只有中央網關模塊才能實現MOST總線和其他總線系統之間的數據交換，車輛信息電腦用作主控制單元，其餘總線系統的網關是中央網關模塊。

8、總線系統中的故障可能

下列故障原因可能會導致總線故障：

• 總線導線短路；
• 總線導線斷路；
• 網關中出現故障；
• 控制單元發送和接收部件中出現故障；

二、總線結構的常見問題概述

1、爲什麼有如此多的總線？

對這個問題原則上有3個答案：

• 總線其實本不多，因爲：所有的CAN總線都源自最初的CAN總線PT-CAN和KCAN。PT-CAN的數據傳輸率較高；K-CAN的數據傳輸率較低；系統中的許多CAN總線（子總線）是根據這些系統命名的，因此產生了許多總線名稱，車身總線也與此類似：外圍設備總線和儀表總線在技術上與車身總線相同；

• 這些總線是爲不同的數據傳輸率而開發的:
  -數據傳輸率很高的總線：Byteflight （ BMW安全總線系統）、MOST總線和F1exRay；
  -中等數據傳輸率的總線：兩個CAN總線PT-CAN和K-CAN和類似的總線；
  -低數據傳輸率的總線：例如LIN總線；

• 從歷史來看，總線要麼是跨製造商開發的，要麼是由BMW自行開發的：
  -跨製造商的總線標準有：CAN、 LIN總線、MOST和F1exRay；
  -BMW自己的標準有：Byteflight （BMW安全總線系統）、車身總線和K - CAN；

2、CAN是什麼？

CAN（控制器區域網絡）是一個總線標準，CAN是在80年代由Robert Bosch GmbH（與高校合作）開發的，目標是驅動機構和底盤範圍內的控制單元的聯網。爲了控制單元能夠相互通信，必須規定一個總線標準，此總線標準規定，在控制單元之間以何種方式發送哪些信息，一個CAN信息的組成部分有：SOF、CRC、ID、DEL、ACK、KBT、EOF、IFS。

a、SOF表示“幀起始”（也就是信息的開始）；
b、CRC表示“循環冗餘檢查”（即校驗和比較）；
c、ID表示“識別標誌”；
d、DEL表示“定界符”；
e、ACK表示“確認”（信息無故障）；
f、KBT表示“校驗位”；
g、EOF表示“幀結束”；
h、IFS表示“幀間空間”；

CAN目前是BMW最常用的總線標準，CAN是一種雙線總線，在每部車輛中都有多個具有不同數據傳輸率的CAN總線，具有不同數據傳輸率的CAN總線通過網關（即數據接口）相互連接。

3、“高速”和“低速”或“高”和“低”在CAN總線上有何含義？

“高速”和“低速”表示CAN總線的數據傳輸率。BMW有2種不同的CAN總線數據傳輸率：

• 100kBit/s：K-CAN；
• 500kBit/s：PT-CAN、F-CAN；

“高”和“低”是一個雙線總線的兩條導線的表述。例如：

• CAN- H，即CAN高是較高電壓值信號的數據導線；
• CAN- L，即CAN低是較低電壓值信號的數據導線；

4、如何理解數據總線的“環形”、“星形”和“總線”？

在一條數據總線上的各個控制單元可以有不同的排列：

• 當控制單元在總線上一個挨一個排列時，就是：“線形”
• 當控制單元從一箇中央控制單元開始呈放射狀排列時，就是：“星形”
• 如果控制單元排列成圓形，就是：“環形”

控制單元線形排列CAN總線具有此種結構。

• 優點：接線簡單，並可通過其他控制單元擴充總線結構；
• 缺點：如果過多的控制單元在該總線上發送信息，則產生問題，此總線結構只允許最高約30％的負荷利用率，因此常常附加“子總線”；

控制單元呈環形排列BMW的MOST總線具有此種結構，M-ASK或CCC是其他總線的網關。

• 優點：前面和後面的控制單元已明確規定；
• 缺點：必須有抵禦某個控制單元失靈的保險裝置；

控制單元呈星形排列的在BMWE65， E66上，ISIS具有此種結構（ISIS：智能安全集成系統），SGM（安全和網關模塊）是星形結構中的中央控制單元，在最早的E65和E66上，SIM（安全信息模塊）是星形結構的中央控制單元。

• 優點：數據傳輸率高，安全性高：如果某個控制單元失靈，不會影響其他控制單元；
• 缺點：接線複雜；

5、何謂：“子總線”、“主控單元”和“副控制單元”？

“子總線”是從屬的總線。子總線通常存在於CAN總線上，以便無須通過CAN總線傳輸過多的數據。如果多個控制單元或部件屬於一個系統，則爲該系統加一個專用總線分支。接在其他數據總線的數據接口上的控制單元常被稱爲“主控單元”，子總線上的控制單元是“副控制單元”，主控單元和副控制單元之間發送的數據量只加在子總線上，上級總線保持空閒。

子總線有多個名稱：“本地CAN”，“專用CAN”。這些名稱已經表明這是一個子總線。MOST總線上也有“主控元”和“副控制單元”：一個上級控制單元就是主控單元。主控單元控制所有功能，“副控制單元”只執行功能，在診斷時BMW診斷系統也起“主控單元”的作用。診斷期間車輛中的所有控制單元都是“副控制單元”。這些控制單元向BMW診斷系統發送數據。在診斷期間BMW診斷系統是”主控單元”。

6、“車身總線”和“外圍設備總線”是哪種總線標準？

車身總線和外圍設備總線是BMW自己開發的專用總線標準，外圍設備總線是基本模塊和活動天窗範圍內的車身總線。因爲車身總線已經滿負荷（E38），所以開發了外圍設備總線。

7、爲什麼存在“日規儀表總線”？

在日本規格的E65， E66上，、JNAV和TEL不能與MOST總線相匹配（由於技術方面的原因），這．兩個控制單元連接在日規儀表總線上，並通過FBI與MOST總線相連（FBI：柔性總線接口）。

8、爲什麼儀表總線和車身總線也可能是子總線？

原則上每一種總線都可變爲另一種總線的子總線，前提是，子總線通過一個網關（數據接口）連接到上級總線上。2個例子：

• 儀表總線在E87上是一個子總線，此儀表總線連接MRS控制單元和TCU控制單元；
• 車身總線在E87和E90上是一個從CAS至TAGE的子總線，E83、E85、E86、E87、E90：車身總線是一個從DWA至SINE的子總線；

9、什麼是MOST總線上的同步或異步信道？

MOST總線在光纜中有用於數據傳輸的不同信道：

• 同步數據傳輸：TV（數字音頻信號的數據傳輸）、CD光盤、DVD光盤；
• 異步數據傳輸：NAV和TV（例如視頻文本信息和電臺列表的傳輸）；
• 控制數據的傳送：網關的狀態、診斷、信息；

10、Byteflight （BMW安全總線系統）的“同步和異步”有何含義？

Byteflight （BMW安全總線系統）將同步和異步數據傳輸相組合，因此能夠確保隨時傳輸重要的安全數據量：

• 同步數據傳輸：各個控制單元週期性地（定期地）發送信息
• 異步數據傳輸：除了同步數據傳輸外，也可發送受事件控制的信息

Byteflight （BMW安全總線系統）上這種同步和異步數據傳輸組合的優點：
所有控制單元定期地發送數據，而不會使Byteflight （BMW安全總線系統）過載（過載是同步數據傳輸可能存在的缺點），緊急信息始終可用較高的優先權發送。

11、何謂喚醒導線？

PT-CAN需要一條喚醒導線，沒有喚醒導線則PT-CAN不能工作，喚醒導線（總線端KL 15喚醒）已部分集成到PT-CAN的扁平導線中（3芯扁平導線）。在E90上喚醒導線在局部也單獨敷設，不在PT-CAN的扁平導線中，在本Si技術（SBT）中的系統一覽上，喚醒導線作爲直線標於PT一CAN的兩條導線之間：PT-CAN高和PT一CAN低。

12、爲什麼在一些車型系列上PT-CAN有喚醒導線，而在其他車型系列上沒有？

帶車載網絡2000的車輛通常有一根用於PT-CAN上的控制單元的喚醒導線，在這些車輛上，總線端KL 15一接通，CAS（便捷進入及啓動系統）就通過一個喚醒信號喚醒PT-CAN上的其他控制單元，以前的車型系列具有不帶喚醒導線的PT-CAN，因爲：在以前的車型系列（例如E85）上，每個控制單元都有一個總線端KL 15的專用輸入端，因此總線端KL 15一接通，每個控制單元都被通過總線端KL 15的輸入端”喚醒”，所以不需要一根專用喚醒導線。

13、終端電阻有什麼用途？

爲了防止信息反射，總線需要使用終端電阻。如果沒有終端電阻，則信息和信號會在數據總線上反射乙終端電阻損壞的後果是，總線上的數據傳輸有故障。終端電阻設計成與相應的數據總線匹配：PT-CAN需要的終端電阻就與F-CAN不一樣。根據裝備情況，在不同控制單元中有終端電阻。

14、“K-Line”、“TxD1”和“TxD2”有何含義？

這3個名稱表示下列不同的診斷導線：

• K-Line是診斷導線的正式國際有效名稱，帶車載網絡2000的車輛有一箇中央網關和1根診斷導線（例如BMW7系自2000年起、BMW5系和BMW6系）。在網關上，診斷導線連接在診斷插座的線腳Pin?上，診斷導線把所有控制單元與BMW診斷系統連接（通過中央網關），爲車載網絡2000開發了一個新的診斷記錄：BMW Fast Protocol-Fast Accessfor Service and Testing，該診斷記錄被以115MBit的數據傳輸率發送至所有控制單元，OBD記錄觸發所有與排氣相關的控制單元，所有對遵守廢氣排放標準有影響的控制單元都與排氣相關，網關根據OBD記錄識別掃描工具，當某個掃描工具連接在診斷插座上時，網關將OBD記錄發送到PT-CAN上，僅與排氣相關的控制單元應答。
• TxD1和TxD2是用於診斷不帶中央網關（數據接口）的車型系列的數據線。
  • TxD1是用於驅動系（英語“Powertrain”）的所有與排氣無關的控制單元的診斷導線；
  • TxD2是用於驅動系的所有與排氣相關的控制單元的診斷導線，TxD2向測試儀的掃描工具發送OBD記錄的所有官方規定數據；

所有其他控制單元將通過網關控制單元（例如KOMBI）診斷。這兩根TO導線的技術背景是：通過診斷插座只讀取與排氣相關的控制單元，因此排除了其他控制單元可能發生的故障。在BMW診斷系統的診斷插座中已將這兩根導線跨接，因此，BMW診斷系統能夠同時讀取和分析這兩根TxD導線。

15、“BSD”：串行數據接口有何含義？

BSD表示“串行數據接口”，因爲各個位不是並行，而是串行發送和接收，相應的發動機控制單元通過串行數據接口與下列部件通信（視車型系列、發動機和裝備而定）：

• 發電機，調節發電機電壓
  串行數據接口按如下方式支持發電機電壓調節：在每次發動機啓動時，發動機控制單元都通過BSD查詢發電機。發電機向發動機控制單元發送有關型號、功率和製造商的數據。
  發動機控制單元由此計算出發電機運行的額定值。

• 充電指示燈
  在帶BSD的車輛上，發電機不直接與充電指示燈連接，發電機只向發動機控制單元發送數據，充電指示燈通過發動機控制單元接通。信道：發電機＊BSD->DME或DDE一中央網關（SGM或ZGM） →KOMBI。

• 電動冷卻液泵
  僅與發動機N52配合，發動機N52有一個電動冷卻液泵（不再由多楔三角皮帶以機械方式驅動），此電動冷卻液泵由發動機控制單元（通過BSD）按需調節。

• 機油狀態傳感器
  機油狀態傳感器探測發動機機油的質量、油位和溫度（英語“Quality， Level； Tempera-Ture”），這些數據BSD發送至發動機控制單元，發動機控制單元分析這些數據。

16、何謂“D-CAN”：Diagnose-on-CAN （CAN上的診斷）？

D-CAN （CAN上的診斷）在全世界代替以前的診斷接口，轉換的背景是美國的一項新的法律規定，按照該規定，自2008年款起的所有車輛都必須裝備D-CAN。 D-CAN的數據傳輸率爲 500kBit/s，採用2線結構，因爲診斷收發器沒有D-CAN接口，所以進行診斷時需要一個光學編程系統（OPS）或一個光學檢測和編程系統（OPPS）以及1根新的適配導線（導線帶綠色標記和“CANincluded”說明）。

17、爲什麼存在“S-CAN”：傳感器CAN?

傳感器CAN連接縱向動態管理控制單元與遠距離傳感器和近距離傳感器。由於雷達傳感器的大數據量，必須要用S-CAN，否則這個數據量會超過現有總線系統的空閒傳輸容量。

18、何謂”FlexRay”：FlexRay總線系統？

FlexRay是一個新的通信系統，並且滿足車輛中目前和未來的創新功能未來聯網的高要求。對車輛中用於控制單元聯網的通信系統的技術要求不斷增長，並且人們認識到必須爲基礎設施系統尋找一個開放的標準化解決方案，是開發FlexRay的真正原因。爲共同開發FlexRay成立了一個FlexRay聯合組織，在此期間全世界幾乎所有著名汽車製造商和供貨商以及半導體製造商和來自通信技術行業的系統專家參與其中。FlexRay在車輛的電氣和機械電子組件之間提供實時和非常高效的數據傳輸，數據傳輸率高達10MBit/s， FlexRay明顯快於今天在車輛中在車身和驅動機構／底盤範圍內使用的數據總線。

FlexRay的優點：

• 帶寬高；
  -數據傳輸率10MBit/s（比較CAN：0. 5 MBit/s）；
  -循環時間短2. 5 ms（比較CAN:10ms）；
  -能夠實現簡明扼要的總線結構（例如避免網關）；

• 時間上確定的、可輸寫的功能方式（決定論方式）；
  -有保證的信息實時傳輸（比較CAN：無實時能力）；
  -控制單元同步在一個空間上分散的控制系統中，能夠同時採用不同控制單元的標準值；

• 可用性和安全性高；
  ◇通過決定論方式和可選裝的第2個通道（第2個通道用於冗餘數據傳輸）；

• 系統集成簡單；