控制器局域網(wǎng)技術(shù)在汽車中的應(yīng)用研究！

www.guilinhy.com 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：laoyeche 類別：汽車電器維修時間：2008-06-23

控制器局域網(wǎng)技術(shù)在汽車中的應(yīng)用研究

    1.引言

  隨著計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以全數(shù)字式現(xiàn)場總線為代表的現(xiàn)場控制儀表、設(shè)備大量應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制技術(shù)及現(xiàn)場控制設(shè)備發(fā)生了巨大的變化。繁瑣的現(xiàn)場連線被單一簡潔的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)所代替，系統(tǒng)設(shè)計靈活，設(shè)備維護(hù)簡單，信號傳輸質(zhì)量也大大提高，為工業(yè)現(xiàn)場控制用戶帶來巨大好處。經(jīng)過長時間發(fā)展，已形成Hart、Lonworks、Profibus、Bitbus及CAN等多種現(xiàn)場總線協(xié)議。

  隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展和在汽車上的廣泛應(yīng)用，汽車電子化程度越來越高，特別是微控制器進(jìn)入汽車控制領(lǐng)域后，給汽車發(fā)展帶來了劃時代的變化，汽車的動力性、操作穩(wěn)定性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性、對環(huán)境的友好性都得到了大幅提升。

  電子設(shè)備的大量應(yīng)用，必然導(dǎo)致車身布線愈長愈復(fù)雜、運行可靠性降低、故障維修難度增大。特別是電子控制單元的大量引入，為了提高信號的利用率，要求大批的數(shù)據(jù)信息能在不同的電子單元中共享，汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號也需要實時交換，傳統(tǒng)線束已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這種需求。針對上述問題，就選擇了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在借鑒計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)場控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了各種適用于汽車環(huán)境的汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

  和其它控制現(xiàn)場相比，汽車內(nèi)溫度變化范圍大(-45-100℃)，電磁干擾和其它電子噪聲強(qiáng)，環(huán)境惡劣，網(wǎng)絡(luò)在車內(nèi)的運行可靠性尤為重要，這不但體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自身的容錯能力和抗干擾能力上，而且也體現(xiàn)在信號的編碼方式和傳輸方式上。汽車局域網(wǎng)無一例外地都采用了同步串行傳輸方式，數(shù)據(jù)信號多采用PWM和NRZ編碼，通常位速率高于100kbps采用NRZ編碼，低于100kbps采用PWM編碼方式。

  眾多國際知名汽車公司早在80年代就積極致力于汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究及應(yīng)用。迄今為止，已有多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，如SAE的J1850、德國大眾的ABUS、博世的CAN、美國商用機(jī)器的AutoCAN、ISO的VAN、馬自達(dá)的PALMNET等。

  按照我國汽車電子技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，進(jìn)入21世紀(jì)后轎車電子技術(shù)可達(dá)國外90年代水平，屆時也將會有大量智能電子控制單元被引入。為縮短同國外轎車技術(shù)水平，提高自身的競爭力，單純靠技術(shù)引進(jìn)不利于長期發(fā)展，消化、吸收、研究和開發(fā)自己的汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)已勢在必行。

    2.汽車中的信息多路傳輸與控制器局域網(wǎng)

  目前存在的多種汽車網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其側(cè)重的功能有所不同，為方便研究和設(shè)計應(yīng)用，SAE車輛網(wǎng)絡(luò)委員會將汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)劃分為A、B、C三類。

    A類

  面向傳感器/執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸位速率通常只有1-10kbps。主要應(yīng)用于電動門窗、座椅調(diào)節(jié)、燈光照明等控制。

    B類

  面向獨立模塊間數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡(luò)，位速率一般為10-100kbps。主要應(yīng)用于電子車輛信息中心、故障診斷、儀表顯示、安全氣囊等系統(tǒng)，以減少冗余的傳感器和其它電子部件。

    C類

  面向高速、實時閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)，最高位速率可達(dá)1Mbps，主要用于懸架控制、牽引控制、先進(jìn)發(fā)動機(jī)控制、ABS等系統(tǒng)，以簡化分布式控制和進(jìn)一步減少車身線束。到目前為止，滿足C類網(wǎng)要求的汽車控制局域網(wǎng)只有CAN協(xié)議。

  三類網(wǎng)絡(luò)功能均向下涵蓋，即B類支持A類網(wǎng)的功能，C類網(wǎng)能同時實現(xiàn)B類和A類網(wǎng)功能。下面以

  CAN為例分別介紹三類汽車局域網(wǎng)的典型應(yīng)用方案。

   典型的A類網(wǎng)應(yīng)用如圖1所示的汽車防盜報警系統(tǒng)。由于車門開關(guān)及行李箱開關(guān)等信號只在一定的情況下產(chǎn)生，正常時沒有信號，所以對數(shù)據(jù)傳輸速率要求極低，低速A類網(wǎng)就能充分滿足系統(tǒng)要求，并且和傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計相比，車身線束大大減少，設(shè)計更為簡單方便。

  當(dāng)大量共享數(shù)據(jù)需要在車輛各智能模塊間進(jìn)行交換時，A類網(wǎng)不再勝任，可采用B類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由控制器局域網(wǎng)CAN組成的典型B類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖2所示。車輛信息中心和儀表組單元無須單獨掛接液位、溫度、車燈、車門及安全帶等信號傳感器，就能從總線上獲取上述信息，大大地減少了傳感器和其它電子部件數(shù)量，有效地節(jié)約了安裝空間和系統(tǒng)成本。

  通常A類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不單獨使用，而是和B類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合使用。本文給出的組合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖3所示，圖中沒有摒棄A類網(wǎng)，而是通過車身計算機(jī)連接到CAN 總線組成的B類網(wǎng)中，使得該A類網(wǎng)系統(tǒng)成為CAN總線的一個節(jié)點，這樣無須在各傳感器/執(zhí)行器部件安裝CAN控制器件就能使得信號在CAN總線上傳輸，有效地利用了A類網(wǎng)低成本的優(yōu)點。

  在上述的應(yīng)用中，都未充分發(fā)揮CAN總線高速大容量的特點。為進(jìn)一步減少車身線束，方便故障診斷，滿足主要電子單元或系統(tǒng)間大量數(shù)據(jù)信息實時交換需要，使汽車各方面性能趨于最佳狀態(tài)，則需建立基于CAN總線的C類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。圖4所示的C類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案中，CAN總線有效地將發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動防滑系統(tǒng)及自動巡航系統(tǒng)等連接成為一個綜合控制系統(tǒng)，整車性能得到大幅度提高。

  目前B類汽車局域網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛，A類網(wǎng)趨于淘汰，C類網(wǎng)應(yīng)用日益廣泛。按發(fā)展趨勢，在不久的將來C類網(wǎng)將占據(jù)主導(dǎo)地位。

    3.CAN協(xié)議及其支持器件

    控制器局域網(wǎng)CAN是80年代初博世公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制單元、測試儀器之間的實時數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行通信協(xié)議，經(jīng)多次修訂，于1991年9月形成技術(shù)規(guī)范2.0版本。該版本包括2.0A和2.0B兩部分。其中2.0A給出了報文標(biāo)準(zhǔn)格式，2.0B給出了報文的標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展兩種格式[呵。推出2.0B是為了滿足美國汽車制造商對C類網(wǎng)應(yīng)用的要求。隨后，SAE的貨車客車控制和通信網(wǎng)絡(luò)委員會J1939投票通過了將CAN作為C類數(shù)據(jù)交換網(wǎng)應(yīng)用于客車、貨車、農(nóng)業(yè)及建筑車輛。

    CAN是一種多主競爭總線形式，廢除傳統(tǒng)的站地址編碼方式，代之以對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼，最多可標(biāo)識2032(2.0A)或5億(2.0B)多個數(shù)據(jù)塊。協(xié)議采用總線(BUS)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要是利用了總線結(jié)構(gòu)電纜長度短、布線容易、可靠性高、易于擴(kuò)充等優(yōu)點。數(shù)據(jù)信號采用NRZ編碼，通訊速率最大可達(dá)1Mbps(距離40m)，能充分滿足汽車發(fā)動機(jī)控制、牽引控制、防抱死制動控制等單元間實時信息交換的需要。短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最長8個字節(jié)，占用總線時間很短，從而保證了通訊的實時性。CAN協(xié)議采用了15位CRC校驗、位填充技術(shù)及完善的差錯處理機(jī)制，有力地保證了數(shù)據(jù)通訊的可靠性。通訊價質(zhì)可采用廉價的雙絞線、性價比較高的同軸電纜或高品質(zhì)的光纖。

    由于其良好的運行特性、極高的可靠性和獨特的設(shè)計，不但特別適合現(xiàn)代汽車各電子控制單元之間的互連通訊，而且也越來越受到其它業(yè)界的歡迎，并被公認(rèn)為最有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線之一。在國外，尤其是美國和歐洲，CAN已被廣泛應(yīng)用于汽車(奔馳、寶馬、勞斯萊斯、美洲豹等)、火車、船舶、機(jī)器人、樓宇自動化、機(jī)械制造、醫(yī)療器械、消防管理、電力自動化等領(lǐng)域。目前，支持CAN協(xié)議的有INTEL、MOTOROLA、PHILIPS、SIEMENS、NEC、HONEYWELL等百余家國際著名公司，其中CAN應(yīng)用器件也琳瑯滿目、層出不窮，已經(jīng)逐步形成產(chǎn)品系列。

    目前市場上最常見的CAN總線產(chǎn)品有PHILIPS的PCA82C200、SJA1000、P8XC591、P8XC592、PCA82C250等。其中SJA1000和PCA82C200為獨立的CAN控制器，P8XC591和P8XC592將微控制器和CAN通訊控制器集成為一體，82C250是CAN總線收發(fā)器，用于CAN器件與物理總線的連接。

   在獨立的CAN控制器中，PHILIPS公司首推新一代功能更為完善的SJA1000。SJA1000有兩種應(yīng)用模式：標(biāo)準(zhǔn)模式和Peli模式。標(biāo)準(zhǔn)模式符合CAN協(xié)議的2.0A標(biāo)準(zhǔn)，能實現(xiàn)PCA82C200的所有功能，接收緩沖器也增至64個字節(jié)；Peli模式符合2.0B標(biāo)準(zhǔn)，能實現(xiàn)擴(kuò)展數(shù)據(jù)格式，增加了仲裁丟失捕獲、錯誤代碼讀取等功能，設(shè)計更為靈活方便。SJA1000內(nèi)部邏輯框圖及外部接口如圖5所示，接口管理羅輯負(fù)責(zé)CAN控制器與微控制器的相互通訊，CAN核心塊集成了位流處理、位定時、數(shù)據(jù)收發(fā)及錯誤管理等功能。

    SJA1000的總線驅(qū)動能力有限，不直接與總線連接，中間需經(jīng)CAN收發(fā)器和總線連接。圖6給出了SJA1000經(jīng)PCA82C250與總線連接的原理圖。

    在圖4所示的控制器局域網(wǎng)中，只要將獨立CAN控制器和PCA82C250總線接口作為外圍器件與原有的微控制器連接在一起，重新設(shè)置控制命令參數(shù)，即可組成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點掛接到總線上。集成了SJA1000的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點內(nèi)部邏輯如圖7所示，系統(tǒng)中傳輸介質(zhì)選用價格低廉、安裝方便的雙絞線，也可以選用性能更高的塑料光纖。

    該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息量非常大，有快速變化信號，有漸變信號。為保證總線上交通暢通，重要信息在發(fā)生總線訪問沖突時優(yōu)先發(fā)送，合理地安排數(shù)據(jù)信息總線訪問優(yōu)先級顯得尤為重要。各電子控制單元正常工作所能容許的最大時間延遲是決定數(shù)據(jù)訪問總線優(yōu)先級的最主要因素。對轉(zhuǎn)矩、車速及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等快速變化的信號必須進(jìn)行高速采樣，并以相應(yīng)的速率在總線上傳輸，數(shù)據(jù)的總線訪問優(yōu)先級也高。對進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、燃油溫度等變化較慢的信號每隔100ms或1min采樣一次就完全足夠，數(shù)據(jù)的總線訪問優(yōu)先級相應(yīng)地就很低。

    同樣如果一個參數(shù)信號對控制系統(tǒng)的正常工作顯得非常重要，也可獲得較高的優(yōu)先級。值得注意的是，數(shù)據(jù)的總線訪問優(yōu)先級的設(shè)定不是固定不變的，而是隨著各種外部參數(shù)和汽車的駕駛情況變化而不斷變化的。如發(fā)動機(jī)控制，無論是點火時間控制，還是燃油噴射控制，都必須和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速同步，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，控制信號的總線訪問優(yōu)先權(quán)提高，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時，控制信號的總線訪問優(yōu)先權(quán)相應(yīng)降低。

    4.結(jié)束語

    隨著電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制芯片性能逐步提高，體積逐步減小，價格進(jìn)一步降低，為汽車局域網(wǎng)的普及推廣創(chuàng)造了良好的條件。智能芯片價格的下降使得各種汽車局域網(wǎng)的成本相差無幾，性能成為影響網(wǎng)絡(luò)選擇的最主要因素。CAN以其優(yōu)異的品質(zhì)具有明顯的優(yōu)勢，越來越受到業(yè)界的歡迎。CAN總線在汽車上的廣泛應(yīng)用將使汽車的動力性、操作穩(wěn)定性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性都上升到新的高度，給汽車技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。按汽車局域網(wǎng)發(fā)展趨勢，在不久的將來基于CAN的C類網(wǎng)將逐步普及并占據(jù)主導(dǎo)地位。