CAN、LIN、車用乙太網路的差異:速度、配線、節點構成、成本、用途比較

在汽車中,會依所需的速度與成本,分別使用多種網路。LIN 以 1 條訊號線、最高約 20 kbit/s 通訊,是便宜的網路,用來連接開關、馬達等車身系統的零件。CAN 以 2 條線的差動訊號,讓 ECU 之間依優先順序通訊,是最高 1 Mbit/s(CAN FD 的資料部分為數 Mbit/s)的高可靠性網路,用於引擎、煞車等的控制。車用乙太網路以 1 對雙絞線傳送 100 Mbit/s 以上,負責攝影機等的大量資料,以及連接 ECU 之間的骨幹網路。

項目LINCAN車用乙太網路
最高通訊速度(參考值)約 20 kbit/s傳統 CAN 最高 1 Mbit/s(實際上常用 500 kbit/s)。CAN FD 的資料部分為數 Mbit/s100 Mbit/s(100BASE-T1)、1 Gbit/s(1000BASE-T1)。也有更快的規格
配線1 條訊號線與接地以 2 條線絞合而成的雙絞線(CAN_H 與 CAN_L)傳送差動訊號。兩端各有 120 Ω 的終端電阻以 1 對雙絞線進行全雙工通訊
節點構成1 個主節點與多個從節點所有節點對等的多主控匯流排以交換器為中心點對點連接的星狀或樹狀(也有 10 Mbit/s 的匯流排型規格)
決定傳送順序的方式主節點依排程傳送,從節點回應主節點的呼叫以 ID 仲裁。ID 越小優先順序越高,勝出的訊框不會損壞由交換器轉送。需要在固定時間內送達的通訊,以 TSN 管理時間與頻寬
一次傳送的資料最多 8 位元組傳統 CAN 最多 8 位元組,CAN FD 最多 64 位元組每個訊框最多約 1,500 位元組
錯誤偵測檢查和CRC、接收確認(ACK)、依錯誤次數將節點隔離CRC。由上層協定進行重傳等
每個節點的成本最便宜。從節點不需要石英振盪器也能運作中等。許多車用微控制器內建控制器較高。需要 PHY 與交換器,但以每位元計算較便宜
主要用途車身系統。電動窗、後視鏡、座椅、開關、雨刷、雨滴感測器等控制系統。引擎、變速箱、煞車、轉向、車身系統 ECU 之間的通訊、故障診斷攝影機與雷達的資料、資訊娛樂系統、連接 ECU 之間的骨幹網路、軟體更新

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

LIN
將不需要速度、以便宜為最優先的開關、馬達、感測器連接到鄰近的 ECU 時。作為 CAN 的子網路使用。
CAN
想依優先順序確實地交換控制資料時。需要以 1 條匯流排連接大量 ECU,並具備抗雜訊能力的通訊時。資料量增加時則使用 CAN FD。
車用乙太網路
攝影機與感測器的大量資料、軟體更新,以及在區域架構中連接中央電腦與區域 ECU 的骨幹網路等,需要 100 Mbit/s 以上頻寬時。

常見問題

在 CAN 中,2 個節點同時開始傳送會怎樣?

各節點一邊傳送 ID 的位元一邊監視匯流排的狀態,只有正在傳送優先順序較高(ID 值較小)之訊框的節點會繼續傳送。落敗的節點停止傳送並稍後重傳,因此勝出的訊框能完整送達。這稱為非破壞性仲裁。

為什麼 LIN 便宜?

因為只需要 1 條訊號線,且通訊時序由主節點決定,從節點的電路很簡單。從節點依主節點送出的同步訊號對準時脈,因此即使使用沒有石英振盪器的振盪電路也能運作。

車用乙太網路與辦公室等一般的乙太網路有什麼不同?

只以 1 對雙絞線進行全雙工通訊,使配線更輕、更便宜。此外,其設計能承受車內強烈的雜訊與寬廣的溫度範圍,對需要在固定時間內送達的通訊,則以 TSN 規格管理時間與頻寬。

車用乙太網路增加後,CAN 與 LIN 會消失嗎?

不會馬上消失。高速骨幹網路與攝影機等會使用乙太網路,但開關、馬達、控制資料這類資料量少且重視可靠性的通訊,仍會繼續使用便宜且實績豐富的 CAN 與 LIN。

理解度檢測

下列何者是車載網路LIN的正確特徵?

  1. A以2條差動訊號線進行最高10 Mbit/s通訊的高速方式,用於煞車或轉向等安全上重要的控制
  2. B以1對雙絞線進行1 Gbit/s通訊的方式,用於攝影機影像或顯示器顯示資料的傳輸
  3. C在1條訊號線上連接1個主節點與多個從節點的低速(最高約20 kbit/s)、低成本方式,用於電動窗或後視鏡的控制等
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正確答案:C. 在1條訊號線上連接1個主節點與多個從節點的低速(最高約20 kbit/s)、低成本方式,用於電動窗或後視鏡的控制等

LIN(Local Interconnect Network)使用1條訊號線,以主節點決定的順序讓從節點傳送,最高約20 kbit/s,屬於低速。可用接近UART的簡單通訊電路實現,從節點即使沒有高精度的振盪器也能同步,因此成本低。它作為CAN的子網路,連接電動窗、後視鏡、座椅、開關類等不需要速度的部分。10 Mbit/s的方式是FlexRay,1 Gbit/s的方式則是車載乙太網路的說明。

在CAN中,2個節點同時開始傳送訊框時,正確的動作是下列何者?

  1. A2個訊框碰撞而兩者都損毀,因此兩個節點都等待隨機的時間後再重新傳送
  2. BID值小(優先度高)的訊框繼續傳送,落敗的節點停止傳送並稍後重新傳送,因此獲勝的訊框不會損毀
  3. CID值大的訊框優先,ID值小的訊框被丟棄而不會重新傳送
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正確答案:B. ID值小(優先度高)的訊框繼續傳送,落敗的節點停止傳送並稍後重新傳送,因此獲勝的訊框不會損毀

在CAN的匯流排上,0(顯性)與1(隱性)同時輸出時,0會勝出。傳送中的節點逐位元比較自己輸出的位元與匯流排的狀態,若輸出1卻看到0,便判斷仲裁落敗而停止傳送。ID從開頭傳送,因此ID值越小優先度越高,獲勝的訊框不會損毀而直接送達。這稱為非破壞性仲裁。碰撞後等待隨機時間是早期乙太網路CSMA/CD的方式。

在兩端裝有120 Ω終端電阻的CAN匯流排上,於電源關閉的狀態下量測CAN_H與CAN_L之間的電阻。正常時最接近的值是下列何者?

  1. A120 Ω
  2. B240 Ω
  3. C60 Ω
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正確答案:C. 60 Ω

為防止訊號反射,CAN匯流排的兩端各裝有120 Ω的終端電阻。從CAN_H與CAN_L之間看,2個120 Ω為並聯,因此為120 × 120 / (120 + 120) = 60 Ω。若量測值為120 Ω,可能是其中一個終端電阻沒裝;若為40 Ω左右,則可能是裝了3個終端電阻等配線錯誤。240 Ω是誤將2個電阻視為串聯的結果。

  1. 下列何者是CAN FD的正確特徵?
  2. 下列何者是車載乙太網路(100BASE-T1或1000BASE-T1等)的正確特徵?
  3. 下列何者是對汽車電子系統中正在推進之「區域架構」轉移的正確說明?

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相關名詞的解說

CAN 匯流排
Controller Area Network 的縮寫,以 2 條線的差動訊號連接 ECU 之間的車載網路。ID 值越小優先權越高,即使同時開始傳送,也會透過非破壞性仲裁只留下 1 個訊框。傳統 CAN 最高 1 Mbit/s,CAN FD 可將資料部分提高到數 Mbit/s。
ECU(電子控制單元)
控制引擎、煞車、車門等,以微控制器為核心的車載控制裝置。隨功能而增加,一輛車有時超過 100 個,目前正透過區域架構等進行整合。
區域架構(Zonal architecture)
由配置在車輛各區域的區域 ECU 連接附近的感測器與致動器,並將控制處理集中到中央高效能電腦的電子系統構成。比起依功能設置 ECU 的傳統方式,可使線束更短、更輕。
差動訊號(Differential signaling)
在兩條線上傳送反向的訊號,以電壓差表示 0 與 1 的方式。兩條線上同樣疊加的雜訊會被抵消,因此能以較小的振幅高速傳送。

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