摘 要：本文主要介绍了汽车网络拓扑的设计原则，及对各个拓扑优缺点进行了介绍及总结，对从事汽车网络拓扑设计人员具有一定参考意义。
关键词：汽车 网络拓扑 原则 设计
1 引言
随着汽车电子技术的发展，越来越多的智能控制系统应用于汽车，现在应用较成熟的通信技术是CAN总线技术，即所有模块遵循统一CAN通讯规范实现互相之间的通讯，较高配置的汽车会配有上百个模块，如何将这些模块合理的布局在CAN总线上，实现较高的通讯效率，此文着重对如何布置出合理的CAN网络拓扑给出一定的建议。
2 CAN网络拓扑的布局形式
网络拓扑的设计对于汽车通信系统来说显得十分重要，它直接关系到汽车通信系统的稳定性、可扩展性等，进而关系到整车的质量、安全与开发成本等。目前主要有以下几种网络拓扑：总线型、星型、环形，见图1。
2.1 总线型
汽车设计网 总线型网络拓扑是在汽车拓扑布局中最常见的一种，采用总分结构。
在CAN通讯模块数量较少且网络负载率在设计阈值范围内，通常采用单路CAN总线拓扑结构，即一条CAN双绞线主干线，各分支线分别与CAN主干线连接。布局如图2。通常在线束最远端的两个模块内部设计有终端电阻，终端阻值在120±3Ω，信号在传输介质上传输，如果其所感受的传输介质的瞬态阻抗一致，则信号将保持原来的形状传输下去，但假如在任何一处所受到的瞬态阻抗发生变化，信号在该处会形成信号反射，一部分信号被反射回去，而另一部分继续传播，但信号已经发生失真，终端电阻的目的是降低信号反射造成的信号传输失真问题，当终端电阻阻值超过一定范围后也会造成信号传输的失真。节点的支线长度一般要求1米以内。负载率一般要求（30±5%）比较合理，总线负载率过高会令各节点忙于应付总线消息的收发，导致ECU执行效率降低，而负载率过高则没有充分利用网络带宽，浪费资源。
网络负载的计算：总线上实际数据传输速率比上理论最大数据传输速率。
最大数据传输率：例如速率为500kb/s 高速CAN总线的最大数据传输速率为每秒可以传输500，000Bit的串行数据。实际数据传输率：假设现在总线中只有一帧数据长度为8字节周
期为20ms的报文，周期20ms表示一秒内有50次该报文被发送。则根据CAN 2.0标准定义，CAN标准帧的长度为111Bit（未考虑连续隐形电平时自动插入一高电平位）。
计算公式=实际数据传输率/最大数据传输率=111bit* 50次/500，000bit=1.11%。当然总线的负载也可通过一些仿真软件进行模拟分析，如CANoe，更加方便快捷。
当CAN通讯模块数量较多且总线负载超过设计阈值，需要设计多路CAN总线。各路CAN总线之间需要交互的信号通过网关路由进行转发，同时网关路由可以过滤掉不符合规则的网络ID报文，减少网络不合理的负载，多路CAN总线如图3所示。
多路CAN总线设计需要统筹规划，如何分配各个模块所在的CAN总线有以下原则：
1）信号交互较多的模块放置在同一路CAN，这样可以提高模块响应速度，利于模块短时间做出响应。例如车身稳定控制模块ESC、电动助力转向模块EPS、智能驾驶控制模块RSM与ESC和EPS 交互非常频繁，在开启紧急制动、车道保持等功能时需要实时控制制动和转向，且ESC和EPS要实时反馈执行的情况，故将这三个模块放置在一路CAN网络，三者之间的交互不需要通过网关转发，提高了信息实时处理效率。
2）具有远程通讯的模块单独放置一路CAN，因为具有远程通讯的模块会更容易受到外部攻击，故单独放置在一路CAN，且网关路由在中间可以起到防火墙隔离作用。例如本拓扑将远程通讯模块T-ICE放置在单独的一路CAN网络上。
3）各个CAN总线的终端电阻布局在各路CAN总线距离网关最远端模块内部，模块集成电阻120Ω，同时除诊断接口每路CAN网关端口设计120Ω电阻，CAN网关诊断端口电阻为60Ω。如果模块内部不集成终端电阻，也可将终端电阻设计在每路CAN双绞线上距离网关最远端处。
4）与两路CAN都有频繁信号交互的模块可以横跨在两路CAN上，例如混合动力汽车控制器HCU可以横跨在动力CAN与新能源CAN，信息处理实时性更高，同时接入两路CAN的模块需要有两路CAN接口，同理如果与3路或N路CAN都有频繁交互的模块可以同时跨越几路CAN，现实中同时接入3路CAN的模块较少。
总线型拓扑的優点：
1）总线型结构所需要的电缆长度小;
2）总线型结构简单。
总线型拓扑的缺点：
1）支线与干线连接处需要将线束外皮拨开再进行焊接融合，工艺复杂，且报废率较高;
2）支线长度限制严格，不利于线束布置，拓展性较差，且存在支线反射;
3）总的线束长度有要求，不大于40米。
2.2 星型
星型网络拓扑也越来越多的应用于汽车网络拓扑中，即所有模块最终汇集于一点，再通过集线器接在一起，所有模块之间的通讯都需要经过中心点，如图4如所示是一款汽车的星型网络拓扑。
在星型网络拓扑中，每个模块通过点对点连接到中央点，任何两站之间通信都通过中央点进行。和总线型拓扑一样，由于CAN总线是个多主站结构的通信网络，只要总线是空闲的，任何一个端接节点都可以发送数据，CAN总线采用星型网络拓扑将有很多方面的优点，
如：
（1）系统没有支线的概念，不存在支线反射现象;
（2）网络布线简单，连接工艺简单，不存在焊接造成的线束缺陷;
（3）不考虑集线器端口数量的情况下，总的线束长度不受限制;
（4）易于拓展，在原有线束上增加CAN通讯模块，无需更改原有CAN双绞线;
（5）支线长度没有严格限制，最长可达15米。
星型网络拓扑缺点如下，如：
（1）所需的线束长度较长;
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