汽車(chē)光纖多路傳輸控制系統(tǒng).doc

汽車(chē)光纖多路傳輸控制系統(tǒng)1前言隨著近年來(lái)電子技術(shù)的進(jìn)步，為提高汽車(chē)可靠性、降低油耗和空氣污染，車(chē)用電子控制系統(tǒng)、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量、電線數(shù)量不斷上升，同時(shí)因電子控制系統(tǒng)功能的加強(qiáng)、控制要求的精確化，多采用集成電路，其復(fù)雜性增加，數(shù)據(jù)傳輸速率也在不斷上升。所需汽車(chē)線束也就更多更復(fù)雜，一輛充滿電子學(xué)裝備的現(xiàn)代汽車(chē)上約計(jì)需1 200根單獨(dú)導(dǎo)線，因此，線束已成為必需解決的問(wèn)題。多路傳輸是解決汽車(chē)布線問(wèn)題的主要方法。多路傳輸系統(tǒng)與通常方式對(duì)用電設(shè)備的控制比較見(jiàn)圖1。圖1多路傳輸系統(tǒng)（串行分時(shí)通信）方式對(duì)用電設(shè)備的控制比較可見(jiàn)，多路傳輸系統(tǒng)可以大量減少電線數(shù)量、減小面線體積和質(zhì)量、縮短導(dǎo)線長(zhǎng)度、增加使用功能并使配件統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化，采用這種多路傳輸系統(tǒng)較易對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行安裝、調(diào)試、檢修和進(jìn)行故障診斷。與光纖多路復(fù)用傳輸系統(tǒng)相比，電線多路傳輸系統(tǒng)具有電磁兼容性和保密性差，對(duì)地環(huán)問(wèn)題和有缺陷的地回路敏感，抗電磁干擾能力較差等缺點(diǎn)。光纖在多路選通應(yīng)用方面的主要優(yōu)點(diǎn)是：頻帶寬度較大和多路、尺寸小、質(zhì)量輕；通過(guò)效率大、信號(hào)功率損失小、與頻率的關(guān)系減弱；超高絕緣、不存在短路和接地問(wèn)題；耐腐蝕、靈敏度高；能夠雙工傳輸信息、抗干擾性高(特別是對(duì)汽車(chē)車(chē)上電路的脈沖干擾)；光纖允許有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和較高的信噪比帶寬積，可適用于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)控制、車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)和通斷負(fù)載的開(kāi)關(guān)控制等要求。兩種光纖(塑料的和玻璃的)中，塑料光纖較為便宜和便于使用，在汽車(chē)中應(yīng)用較廣。光纖多路傳輸系統(tǒng)目前費(fèi)用已與電路系統(tǒng)不相上下，并可望更低，因此光纖多路傳輸系統(tǒng)是汽車(chē)多路傳輸系統(tǒng)的發(fā)展方向，是汽車(chē)線束的發(fā)展方向。按系統(tǒng)的復(fù)雜程度、信息量、必要的動(dòng)作響應(yīng)速度、可靠性要求等將多路傳輸系統(tǒng)分為低速(A)、中速(B)、高速(C)三類。表1示出了美國(guó)SAE委員會(huì)優(yōu)先推薦的多路傳輸系統(tǒng)的等級(jí)分類。表1 SAE推薦的汽車(chē)多路通信系統(tǒng)分類系統(tǒng)等級(jí)信號(hào)種類響應(yīng)速度，msA車(chē)身控制系統(tǒng)：燈具、繼電器、電動(dòng)門(mén)窗、電動(dòng)座椅等2050（低速）B動(dòng)態(tài)信息系統(tǒng)：導(dǎo)航、多信息、電話、故障診斷裝置等550（中速）C實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)：發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)15（高速）多路傳輸系統(tǒng)的通信方式主要有：美國(guó)Essex方法；聯(lián)邦德國(guó)Bosch公司CAN(Controller Area Network)三線系統(tǒng)；General Motors方法；英國(guó)GEC方法；日本電裝公司的SMN系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在豐田公司的安全實(shí)驗(yàn)樣車(chē)上；日本三菱電氣公司與日本東京工業(yè)公司協(xié)作研制的方法；日本日產(chǎn)公司方法。為用統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)連接汽車(chē)電動(dòng)和電子部件，ISO組織批準(zhǔn)采用的汽車(chē)多路傳輸系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議有三個(gè)：VAN(Vehicle Area Network)、CAN和SCP(J1850標(biāo)準(zhǔn))。2系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)及硬件框圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主、從式多機(jī)通訊，主機(jī)和從機(jī)的連接方式如圖2所示。用一個(gè)89C2051系統(tǒng)作為主機(jī)，用4個(gè)89C2051系統(tǒng)作為從機(jī)，以TTL電平(邏輯“1”是2.4 V5 V，邏輯“0”是0 V0.4 V)通信。主機(jī)接收4組控制信號(hào)，每組控制信號(hào)有8位。每組的8位信號(hào)通過(guò)一個(gè)三態(tài)邏輯器件74LS244(八緩沖器/驅(qū)動(dòng)器/線接收器)，送往主機(jī)的P1口(P1.0P1.7)。4個(gè)三態(tài)邏輯器件74LS244各自的控制端分別與主機(jī)的端口P3.3、P3.4、P3.5、P3.7相連，以實(shí)現(xiàn)4組控制信號(hào)的按鈕分時(shí)順序讀入，從而得到與4組共32個(gè)終端用電器一一對(duì)應(yīng)的32路控制信號(hào)。每一位控制信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)用電器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，每組控制信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)從機(jī)，每個(gè)從機(jī)可控制8個(gè)用電器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖2 所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主從式多機(jī)通信結(jié)構(gòu)圖3是系統(tǒng)的硬件框圖。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由控制信號(hào)獲取、光發(fā)射模塊、三根總線(電力線、光纖信號(hào)線、系統(tǒng)電力回線)光接收模塊、終端用電器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。用電器電力回線為車(chē)殼，兩地線分開(kāi)以免產(chǎn)生干擾信號(hào)。光發(fā)射模塊由控制開(kāi)關(guān)、光電隔離器5214、晶振、89C2051主機(jī)、813看門(mén)狗、485電路(單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端輸出)、紅外電光轉(zhuǎn)換發(fā)射電路及DCDC直流隔離變換器(12 V5 V)組成。光接收模塊由PIN光電轉(zhuǎn)換接受電路、信號(hào)放大整形電路、晶振、89C2051從機(jī)、813看門(mén)狗、光電隔離器5214、大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率開(kāi)關(guān)IRF540、DCDC直流隔離變換器(1212 V、12 V5 V)組成。整個(gè)系統(tǒng)由車(chē)用12 V蓄電池供電。為穩(wěn)定電源電壓(點(diǎn)火系工作時(shí)電源電壓波動(dòng)很大)，光發(fā)射模塊及光接收模塊內(nèi)都有自己的DCDC直流隔離變換器，以提供穩(wěn)定的5 V及12 V電源。圖3 汽車(chē)光纖多路傳輸控制系統(tǒng)的硬件框圖系統(tǒng)的工作過(guò)程設(shè)計(jì)為：首先是獲與終端用電器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)；然后信號(hào)經(jīng)光電隔離后送主機(jī)(主機(jī)有自己的晶振和看門(mén)狗電路以保證發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)能自動(dòng)重新復(fù)位，從而避免了死機(jī))；主機(jī)在發(fā)送從機(jī)地址五次(此時(shí)發(fā)送的第九位數(shù)據(jù)TB8是1)后，再五次發(fā)送脈沖編碼的數(shù)據(jù)(此時(shí)發(fā)送的第九位數(shù)據(jù)TB8是1)后，再五次發(fā)送脈沖編碼的數(shù)據(jù)(此時(shí)TB8置0)；電脈沖信號(hào)經(jīng)485電路后，進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，變?yōu)榫哂幸欢üβ实慕?jīng)外光脈沖信號(hào)；光脈沖信號(hào)經(jīng)塑料光纖按分時(shí)復(fù)用方式傳至光接收機(jī)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大整形后，送從機(jī)(從機(jī)也有自身的晶振和813看門(mén)狗電路)；從機(jī)首先五次判斷主機(jī)發(fā)送的地址是否與自己的地址相符，若有一次不一致則放棄并重新接受信號(hào)，若五次確認(rèn)一致，則在置從機(jī)的多機(jī)通信標(biāo)志SM2=0后繼續(xù)接受信號(hào)，若接收的信號(hào)是地址，則放棄并重新接受信號(hào)，若接收的信號(hào)是數(shù)據(jù)，則進(jìn)行五次確認(rèn)，若有一次不同則放棄并重新接受信號(hào)，若五次確認(rèn)都一致，則將數(shù)據(jù)輸出；數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)光電隔離器5214，大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率開(kāi)關(guān)IRF540控制終端用電器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。該系統(tǒng)的1個(gè)光發(fā)射模塊可控制4個(gè)光接收模塊，1個(gè)光接收模塊可直接控制8個(gè)終端用電器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即1個(gè)光發(fā)射模塊可控制32個(gè)終端用電器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。同時(shí)該系統(tǒng)還可根據(jù)具體需要進(jìn)行擴(kuò)展，既可擴(kuò)展成一個(gè)光發(fā)射模塊控制多個(gè)光接收模塊的中央控制式系統(tǒng)，也可擴(kuò)展成一個(gè)光發(fā)射模塊控制一個(gè)或幾個(gè)光接收模塊含有多個(gè)光發(fā)射模塊的分散控制式系統(tǒng)。因而，不管終端用電器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量多少，都可應(yīng)用該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。光纖傳送信息的方法概括而言有三種：時(shí)分復(fù)用(OTDM)、波分復(fù)用(WDM)、頻分復(fù)用(FDM)。所設(shè)計(jì)的汽車(chē)光纖多路傳輸控制系統(tǒng)采用的是光脈沖的串行時(shí)分復(fù)用通訊方式。采用LED發(fā)光二極管階躍折射率光纖PIN光電二極管檢測(cè)器的系統(tǒng)最適合于距離較短且數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)低的監(jiān)視和控制場(chǎng)合。系統(tǒng)的硬件電路包括光發(fā)射模塊、光接收功能模塊2個(gè)部分，每個(gè)部分里都含有一個(gè)直流電源變換器。采用的硬件抗干擾措施有：采用直流隔離電源、濾波電容，以抑制電源串?dāng)_、共模噪聲、差模噪聲及瞬態(tài)過(guò)電壓干擾；光電隔離；監(jiān)控電路813集成芯片的使用；485電路的使用；用光纖系統(tǒng)傳輸信號(hào)；晶體管轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的使用。系統(tǒng)軟件中采用的抗噪聲干擾措施主要有：冗余指令；看門(mén)狗技術(shù)；陷阱技術(shù)；信號(hào)的多次判定；微機(jī)的并聯(lián)動(dòng)作；寄存器再設(shè)定；禁止對(duì)開(kāi)始地址的分割。3抗干擾試驗(yàn)車(chē)用微機(jī)系統(tǒng)所受的來(lái)自系統(tǒng)外部的干擾主要有外部的電磁輻射和車(chē)載電器設(shè)備產(chǎn)生的干擾，如點(diǎn)火系高壓電源線與光纖信號(hào)線的耦合干擾，來(lái)自電源的瞬態(tài)過(guò)電壓干擾及電源串?dāng)_等。所做的抗干擾試驗(yàn)主要有：系統(tǒng)抗電源噪聲試驗(yàn)；抗點(diǎn)火系電磁輻射試驗(yàn)；點(diǎn)火系高壓電源線與光纖信號(hào)線的耦合干擾試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將所設(shè)計(jì)的汽車(chē)光纖多路傳輸系統(tǒng)與點(diǎn)火系模擬裝置并聯(lián)接在12 V蓄電池的正、負(fù)極間，將點(diǎn)火頻率在4 500次/min41 600次/min間連續(xù)調(diào)節(jié)，觀察系統(tǒng)能否正常工作。即用示波器測(cè)試光發(fā)射模塊中485電路及光接收功能模塊中光纖接收端的跟隨器、第一級(jí)放大器及比較器等的輸出信號(hào)，用以分析發(fā)送和接收的信號(hào)是否一致，從而評(píng)價(jià)系統(tǒng)的抗干擾能力及工作可靠性。點(diǎn)火系模擬裝置見(jiàn)圖4所示。圖中脈沖信號(hào)發(fā)生器的頻率可在4 500 Hz41 600 Hz間變化，即模擬點(diǎn)火頻率可達(dá)4 500 次/min41 600 次/min(一般單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率3 000 次/min、6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率3 0006=18 000 次/min)。圖4 點(diǎn)火系統(tǒng)模擬裝置試驗(yàn)結(jié)果如下。(1)發(fā)送和接收到的信號(hào)的數(shù)據(jù)格式與設(shè)定的11位數(shù)據(jù)格式一致。(2)控制信號(hào)的加載位置與用示波器觀察到的相應(yīng)信號(hào)的波形格式具有正確的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。(3)系統(tǒng)光發(fā)射模塊發(fā)送的信號(hào)與光接收模塊接收到的信號(hào)一致。這說(shuō)明在三個(gè)抗干擾試驗(yàn)中，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，工作可靠性較高。4結(jié)論所設(shè)計(jì)的汽車(chē)光纖多路傳輸系統(tǒng)以三根總線(電源線、地線、光纖信號(hào)線)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多根點(diǎn)點(diǎn)并行電線，