汽车总线系统 原书第5版

“标准的美妙之处在于其数量之多。”这句话出自 Andrew Tanenbaum 于 1981 年首次出版的关于计算机网络的著作。 它也完全适用于当今的汽车电子产品。
本书第1版于 2006 年问世时，汽车通信领域正经历着动荡的发展。几年之内，自 20世纪90年代以来已成功使用的 CAN和 K-Line接口得到了新的LIN、FlexRay和MOST概念的补充。用于乘用车诊断的 KWP 2000 和 OBD 以及用于商用车的 SAEJ1939 已成为传输协议。在软件领域，将OSEK/VDX 作为控制单元中的操作系统引入，闪存编程（在车辆使用寿命期间可以像备件一样更换控制单元软件）成为先进的技术。由于发展如此之快，是时候以新版书的形式介绍新概念了。
然而，当时任何相信汽车通信世界将会整合的人都错了，即便总线系统从那时起不断进化，软件领域也变得更加动荡。AUTOSAR的目标不仅是汽车通信标准，控制单元的整个架构都是其目标，这也是整个行业的主要关注点。 同时，ASAM试图不让越来越广泛的车辆诊断成本激增。软件组件方面的内容也在本书的后续版本中不断增加。另一方面，几乎不可能削减开支，因为汽车行业尽管有很多创新，有快速实施新解决方案的好习惯，但绝不会将久经考验的概念放弃，而是会继续关注。
今天，网络发展会出现盘整，还是会继续快速发展？当然是后者。 CAN FD和汽车以太网/IP 是两个可能引起轰动的新总线系统参与者。CAN FD 正准备与具有更高数据速率的FlexRay竞争，而高端的以太网可能会取代 MOST，以后甚至可能占领FlexRay的实时领域。
本版中对这两项新开发的网络的详细介绍与 AUTOSAR 4x 中的创新（现在占据了一整章）和 Open Test Sequence Exchange OTX（旨在进一步简化测试开发）中的创新方面的介绍一样详细。与之前的版本一样，对众所周知的系统 MOST 150、FlexRay 30 和 PSI5 等传感器-执行器总线以及 ASAM 标准的 ISO 版本、全球协调 OBD 和车车通信方面的进步进行了调整。同时，本版中时间分析也已扩展到传输协议。
我们的基本方法保持不变：本书旨在从作为车辆和控制单元开发人员的用户的角度提供概述，这些用户希望使用此类总线系统或开发相关汽车软件。本书重点是从标准文档中很难直接看出的概念和联系。任何必须自己实现协议或软件的人都无法避免详细研究实际的标准文档，但这本书应该会让他们更容易上手。这本书侧重于系统方面，硬件问题和EMC（电磁兼容性）基本上被忽略了。
在正文中，规范和标准文件自然经常被引用。由于数量众多，所有这些内容都没有明确说明来源。取而代之的是，在每章的末尾都有表格，其中包含相关的参考文献。本书在使用制造商和产品名称时也未明确提及注册品牌名称和商标权。
德国技术文献中一个不变的讨论点是英语术语的使用。由于原始文件几乎只有英文版，我们特意决定不将标准特定的技术术语翻译成德文。通常，在第一次提及时会给出德语翻译。在阅读本书之后翻阅英文原著时，使用原词可以更容易。细心的读者会注意到，这些术语经常与 IT 世界中建立的名称有所不同。汽车电子标准多年来一直在发展，并且通常由来自各种学科的工程师创建，而不考虑其他标准。虽然 IT 工程师理解它没有问题，但当 ECU 被称为服务器，而诊断测试仪被称为客户端时，车辆工程师可能会感到惊讶，并且在它们上运行的软件会生成调用诊断服务的对象实例。为了呈现联系，我们试图保持一致，但我们无法避免使用原始术语，即使原始术语并不总是符合明确、统一名称的学术要求。
这本书是基于 Wolfgang Schmid 的建议，如果没有他坚持不懈的敦促，我们几乎不可能完成这项具有挑战性的任务。
我们特别感谢本版和前一版的所有合著者，来自 Springer-Vieweg Verlag的Reinhard Dapper和Ewald Schmitt 及其同事，以及所有为本书做出贡献的未透露姓名的帮助者。
Joachim Tauscher (Smart In Ovation)、Wolfgang Neu (Smart Testsolutions)、Ewald Hartmann (Samtec Automotive Software & Electronics)、Dieter Schaller、Hans-Dieter Kübler (前身为 Samtec Automotive)、Thomas Riegraf (Vector Informatik)、Jrg Supke（emotive）和 Michael Kirschner（博世工程部门负责人）和我们是多年的朋友，在本书编写期间，我们从他们和他们的员工上获得了专业知识，在此我们表示感谢。同时还要感谢我们在戴姆勒股份公司、罗伯特博世有限公司、STZ 计算机和埃斯林根应用科学大学的同事。同样重要的是，感谢我们的家人！

本书源自德文第5版Bussysteme in der Fahrzeugtechnik，书中讲解了车辆中*为重要的总线系统和协议，介绍了总线系统常用的协议标准，总线系统的物理层和数据链路层、应用层的诊断协议等，重点讲解了总线系统的应用层。本书内容包括总线系统和协议的应用，基本概念和基本车辆总线系统，车辆总线系统——物理层和数据链路层，传输协议，诊断协议-应用层，在测量、标定和诊断中的应用 (ASAM AE MCD)，软件标准OSEK 和 HIS，汽车开放式系统架构（AUTOSAR），工具、实例与应用领域，车辆之间的通信交互。
本书可供汽车电子系统技术人员使用，也可供高校车辆工程专业师生参考。

第5版前言
编辑的话
第1章总线系统和协议的应用1
1.1概述2
1.2汽车总线系统、协议和标准5
1.3在汽车总线系统以及软件中的标准化7
1.4未来发展8
参考文献10
第2章基本概念和基本车辆总线系统11
2.1基本原理11
2.1.1电气基本原理11
2.1.2总线系统的拓扑和耦合14
2.1.3报文、协议栈、服务16
2.1.4通信模型及寻址17
2.1.5基于字符和比特流的传输、用户数据速率20
2.1.6总线访问程序、检错和纠错22
2.1.7数据传输中的抖动和延迟24
2.1.8电气/电子架构24
2.2符合ISO 9141和ISO 14230的K-Line26
2.2.1K-Line和KWP 2000的开发26
2.2.2K-Line总线拓扑和物理层27
2.2.3数据链路层29
2.2.4排放相关部件的限制（OBD）32
2.2.5软件与通信控制器之间的接口32
2.2.6较早的K-Line变体32
2.2.7K-Line总结-第1层和第2层33
2.3SAE J185033
2.4传感器-执行器总线系统36
2.4.1SENT-根据SAE J2716的单边半字节传输36
2.4.2PSI 5-外围传感器接口537
2.4.3ASRB 2.0-汽车安全约束总线（ISO 22898）39
2.4.4DSI-分布式系统接口41
2.5规范与标准43
参考文献44
第3章汽车总线系统——物理层与数据链路层45
3.1ISO 11898描述的控制器局域网45
3.1.1CAN的发展45
3.1.2总线拓扑结构和物理层46
3.1.3CAN的数据链路层48
3.1.4错误处理49
3.1.5CAN的更高级协议50
3.1.6协议软件和CAN控制器间的接口51
3.1.7CAN系统的时间特性以及报文优先级的选择53
3.1.8时间触发CAN（TTCAN）确定性的总线获取56
3.1.9节能措施：唤醒和局部网络59
3.1.10更高的数据速率：CAN灵活速率CAN FD60
3.1.11CAN总结-第1层和第2层61
3.2局域互联网络62
3.2.1概述62
3.2.2数据链路层63
3.2.3LIN 2.0版本里的新报文类型66
3.2.4LIN传输层和通过LIN进行ISO诊断66
3.2.5LIN配置语言68
3.2.6LIN从节点控制器的动态配置71
3.2.7LIN应用编程接口（API）73
3.2.8LIN系统的时间特性74
3.2.9LIN总结-第1层和第2层75
3.3FlexRay76
3.3.1总线拓扑结构和物理层77
3.3.2数据链路层78
3.3.3网络启动和时钟同步81
3.3.4错误处理、总线监视器82
3.3.5配置和上层协议83
3.3.6FlexRay系统的时间特性，以及配置示例84
3.3.7与FlexRay控制器的接口88
3.3.8进一步的发展FlexRay 3.x91
3.3.9FlexRay总结-第1层和第2层93
3.4面向媒体的系统传输94
3.4.1总线拓扑结构和物理层95
3.4.2数据链路层96
3.4.3通信控制器100
3.4.4网络服务和功能模块102
3.4.5网络管理104
3.4.6更高级的协议层106
3.4.7系统启动和音频连接示例106
3.4.8MOST总结108
3.5车载以太网108
3.5.1IEEE 802.3中的以太网标准109
3.5.2适用于汽车领域的物理层BroadR-Reach111
3.5.3IEEE 802.1 音频视频桥接AVB协议的实时性111
3.5.4更高级别的协议层 IP、TCP和UDP114
参考文献117
第4章传输协议118
4.1根据ISO 15765-2的CAN的ISO TP传输协议118
4.1.1报文结构119
4.1.2流量控制、时间监控和错误处理120
4.1.3应用层服务121
4.1.4协议扩展123
4.1.5使用KWP 2000/UDS寻址-CAN标识符分配123
4.1.6CAN的ISO TP带宽123
4.2根据ISO 10681-2的FlexRay传输协议125
4.2.1报文结构和地址125
4.2.2连接类型和传输过程126
4.2.3带宽控制127
4.2.4错误处理和执行说明128
4.2.5FlexRay传输协议的带宽129
4.3CAN传输协议TP 2.0131
4.3.1寻址和CAN报文标识符131
4.3.2广播报文131
4.3.3动态信道设置和连接管理132
4.3.4数据传输134
4.4CAN的传输协议TP 1.6136
4.4.1报文结构136
4.4.2动态信道结构136
4.4.3数据传输和数据方向更改137
4.5适用于CAN的传输协议SAE J1939/21138
4.5.1传输类型、寻址和CAN报文标识符138
4.5.2分段数据传输（多数据包）141
4.6根据ISO 13400的DoIP传输协议142
4.7CAN FD的传输协议145
4.8规范与标准145
参考文献146
第5章诊断协议-应用层147
5.1诊断协议 KWP 2000（ISO 14230-3）149
5.1.1概述149
5.1.2诊断会话（诊断管理）151
5.1.3根据KWP 2000和UDS对控制器进行寻址153
5.1.4总线相关服务（网络层协议控制）154
5.1.5故障存储器的读取和删除（存储数据传输）155
5.1.6数据的读取和写入（数据传输）、控制器的输入和输出（输入/输出控制）155
5.1.7数据块的读取与存储（上传、下载）156
5.1.8控制器的程序启动（程序例程远程激活）157
5.1.9扩展服务157
5.2统一诊断协议（ISO 14229/15765-3）158
5.2.1与KWP 2000协议的差异158
5.2.2UDS诊断协议概要158
5.2.3事件响应服务163
5.3车载诊断OBD（ISO 15031/SAEJ1979）165
5.3.1OBD诊断服务概要166
5.3.2读取故障存储器及控制器值167
5.3.3查询尾气排放相关零部件诊断结果169
5.3.4OBD故障码169
5.3.5数据链路安全171
5.3.6直通式编程171
5.3.7举例172
5.4诊断的进一步发展174
5.5规范与标准177
参考文献178
第6章在测量、标定和诊断中的应用(ASAM AE MCD)179
6.1引言179
6.2应用任务中的总线协议(ASAM AE MCD 1MC)182
6.2.1CAN标定协议CCP183
6.2.2扩展标定协议XCP189
6.2.3XCP和CCP协议的AML配置文件199
6.2.4总线系统和应用系统之间接口ASAM MCD 1b200
6.3现场总线交换格式204
6.4ASAM AE MCD 2和MCD 3的概述212
6.5基于ASAM MCD 2 MC的标定数据项214
6.5.1ASAP2/A2L-标定数据项214
6.5.2标定数据格式CDF和元数据交换MDX217
6.6基于ASAM AE MCD 2D的ODX诊断数据项218
6.6.1ODX数据模型结构219
6.6.2DIAG-LAYER：分层诊断描述221
6.6.3VEHICLE-INFO-SPEC：汽车网络入口和总线拓扑结构224
6.6.4COMPARAM-SPEC和COMPARAM-SUBSET：总线报文226
6.6.5DIAG-COMM和DIAG-SERVICE：诊断服务229
6.6.6简单化以及复杂化数据对象233
6.6.7SINGLE-ECU-JOB和MULTIPLE-ECU-JOB:诊断流程240
6.6.8STATE-CHART:诊断会议242
6.6.9ECU-CONFIG:控制器配置的描述242
6.6.10ECU-MEM：对闪存烧写的描述243
6.6.11FUNCTION-DICTIONARY:功能导向的诊断245
6.6.12Packaged ODX和ODX编辑工具246
6.6.13ODX Version 2.2和ISO 22901247
6.7ASAM AE MCD 3-Server247
6.7.1功能组 M-测量248
6.7.2功能组C-标定249
6.7.3功能组D-诊断250
6.8依据ISO 22900为诊断测试仪而设计的MVCI接口251
6.9依据标准ISO 13209的关于测试流程的OTX描述254
6.9.1OTX构造的基本设计254
6.9.2OTX核心数据模型256
6.9.3OTX核心程序元素258
6.9.4OTX扩展260
6.10规范与标准262
参考文献263
第7章软件标准：OSEK和HIS264
7.1概述264
7.2OSEK/VDX 266
7.2.1事件驱动的操作系统内核267
7.2.2通信OSEK/VDX COM 274
7.2.3网络管理OSEK/VDXNM277
7.2.4时间驱动操作系统内核OSEK Time、故障冗余OSEK FTCOM和保护机制OSEK280
7.2.5OSEK OS 和AUTOSAR OS调度单元、进程优先级和时间行为282
7.3硬件输入和输出（HIS IO库、IO驱动）284
7.4HIS CAN通信控制器的硬件驱动286
7.5HIS串口烧录286
参考文献286
第8章AUTOSAR-汽车开放式系统架构287
8.1概述287
8.2AUTOSAR基础软件层289
8.3AUTOSAR OS操作系统296
8.4通信AUTOSAR COM、诊断DCM299
8.5AUTOSAR网络管理器308
8.6虚拟功能总线(VFB)、运行实时环境(RTE)和软件组件311
8.7AUTOSAR实例应用315
8.8总结317
参考文献319
第9章工具、实例与应用领域320
9.1板上通信的设计和测试320
9.1.1使用维克多公司CANoe的开发流程320
9.1.2使用Network Designer进行网络设计321
9.1.3在CANoe里进行系统仿真325
9.1.4作为控制器的开发环境的总线环境仿真326
9.1.5系统的整体集成327
9.2控制器的系统和软件设计328
9.2.1用Vector Informatik的PREEvision设计系统329
9.2.2在AUTOSAR流程里开发应用软件330
9.2.3系统测试和应用331
9.3进行控制器应用的工具332
9.4对控制器闪存的编程335
9.4.1边界条件336
9.4.2闪存338
9.4.3闪存烧写过程340
9.4.4擦写加载器举例：SMART INOVATION公司的ADLATUS346
9.4.5擦写加载器和总线协议的软件测试350
9.5开发和制造中的诊断工具353
9.6诊断数据的编辑工具364
9.7诊断运行时系统和OTX诊断序列366
9.8控制器通信的实时特性371
9.8.1实时性的特征值371
9.8.2利用Symtavision公司的SymTA/S进行实时性分析373
参考文献374
第10章车辆之间的通信交互375
10.1交通收费系统375
10.2Car2Car联盟和Vehicle2X通信376
10.3规范与标准379
参考文献380

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德国高版次技术图书
对LIN，CAN，MOST等车载总线系统都有深入介绍