控制器局域網(wǎng)技術(shù)在汽車中的應(yīng)用研究

1、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

2、動力性、操作穩(wěn)定性、安全性、燃油經(jīng)濟性、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)線柬已遠遠不能滿足這種需求。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- 100C)，電磁干擾 和其它電子噪聲強，環(huán)境惡劣，網(wǎng)絡(luò)在車內(nèi)的運行可靠性尤為重要，

3、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口 NRZ編碼，通常位速率高于100kbps采用NRZ編碼，低于 100kbps采用PW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美國商用機器的 AutoCAN ISO的VAN馬自達的PALMNE等。 按照我國汽車電子技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，進入 21 世紀(jì)后轎車電子技術(shù)可達國 外 90 年代水平，屆時也將會有大量智能

4、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。 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

5、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1Mbps主要 用于懸架控制、牽引控制、先進發(fā)動機控制、ABS等系統(tǒng)，以簡化分布式控制 和進一步減少車身線束。到目前為止，滿足 C類網(wǎng)要求的汽車控制局域網(wǎng)只有 CANW 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)用如圖丄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

6、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

7、在各傳感器/執(zhí)行器部件安裝CANg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.

8、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)信息進行編碼，最多可標(biāo)識 2

9、032(2.0A)或5億(2.0B)多個數(shù)據(jù)塊。協(xié)議采 用總線(BUS)型拓撲結(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、易于擴充等優(yōu)點。數(shù)據(jù)信號采用NRZ編碼，通訊速率最大可達1Mbps(距 離40m),能充分滿足汽車發(fā)動機控制、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CR(校驗、位填充技術(shù)及完善的差錯 處理機制，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

10、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、機器 人、樓宇自動化、機械制造、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、MOTOROLAPHILIPS、SIEMENS NEC HONEYWE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 P8XC5

11、92 PCA82C25等。其中 SJA1000和 PCA82C20為獨 立的CAN控制器，P8XC591和P8XC592各微控制器和CAN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 SJA100Q 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勺所有功能，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。SJA100

12、0內(nèi)部邏輯框圖及外部接口 如圖5所示，接口管理羅輯負責(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攵發(fā) 器和總線連接。圖6給出了 SJA1000經(jīng)PCA82C25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空制器和PCA82C25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

13、 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)動機轉(zhuǎn)速 等快速變化的信號必須進行高速采樣，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)動機的轉(zhuǎn)速同步， 發(fā)動機轉(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，