汽車電力載波總線系統的應用設計方案.docx

1、汽車電力載波總線系統的應用設計發(fā)布時間： 2008-4-8 22:42:01 發(fā)布人： admin 原出處：閱讀次數： 1444關鍵字： 系統總線 FSK 調制 汽車 載波 乘法器 壓控 信道模型 信道特性總線系統 網絡分析儀目前，現行的汽車總線標準很多，其中使用比較廣泛的有CAN 總線、 J1850 等。這些總線都要采用專門的數據線束，且汽車的 ECU 單元對數據傳輸的要求不一致，需要在汽車內同時布置幾個不同的數據網絡。另外，這些數據總線的實現又需要布置專用的數據通信線束，這樣增加了汽車內的線束、制造成本和維護難度，給汽車內的數據傳輸帶來不穩(wěn)定的因素。本文介紹一種新的汽車總線數據傳輸方式 汽

2、車電力載波總線數據通信技術，該方式在不增加汽車內線束的基礎上可實現汽車內各ECU 模塊之間的數據傳輸和共享。1 系統總線通信信道模型分析與低壓電網載波通信系統一樣，汽車電力線載波系統的負載也是復雜和時變的。各種類型的電器有時接通，有時斷開，使得導線的阻抗特性具有很大的波動性，系統的傳遞函數隨負載的變化隨時發(fā)生改變，是一個時變系統。圖 1 所示的時變通信信道模型，可以用來表述汽車電力線載波總線系統。圖中，除了噪聲干擾被表示為加性的隨機干擾過程外，系統中其他的部分都以相應的頻率響應函數表示。通信系統中的傳遞函數以及噪聲模型可以通過測量得到，也可以通過理論分析得到。這個系統模型比較全面地概括了通信系

3、統設計時所必須考慮的重要特性。圖 1 汽車 PLC 系統時變通信信道模型要進一步研究汽車電力線載波系統的特性，就要確定信道模型中傳輸特性的參數。本文使用美國Aglient 公司生產的矢量網絡分析儀 8712ES，其結構框圖如圖 2 所示。對于一個汽車系統，足夠地、精確地描述車載網絡的參數實際上是不可能的。這里采用實驗法研究其信道模型。實驗法是把系統看成一個黑箱，不需要精確知道箱內結構，只要通過實驗得到描述這個黑箱信號傳遞特性的傳遞函數就能表述這個系統。1 / 8圖 2 網絡分析儀結構框圖對于汽車電力線載波通信信道，其頻率響應是一個緩慢變化的隨機過程。這個隨機過程可以看成是一個方差為 2的白噪聲

4、經過一個因果穩(wěn)定濾波器的輸出。正確地選擇這個濾波器的系數，就能把這個隨機過程用有限的參數表示出來。把已經獲得的數據送入計算機處理、分析方差的變化開始變緩，可以確定系統頻率響應，用3 個系數和 1 個白噪聲的方差表示為:。根據模型系數的統計特性認為，通信信道的頻率響應應該是白噪聲隨機過程經過AR 模型系數所構成的濾波器后的輸出，可以通過計算機編制程序來產生信道的頻率響應。這里假定系數都是獨立的高斯隨機變量，仿真結果如圖 3 所示。圖 3 汽車電力線載波通信信道響應仿真結果本文在大量實驗測量的基礎上，在500 kHz 10 MHz 頻帶上對汽車電力線載波通信信道的傳輸特性進行了研究，并用隨機信號處

5、理方法建立了信道幅頻特性的3 階自回歸模型，得到以下結論: 汽車電力線載波通信信道不存在通常低壓電力線載波通信信道都會遇到的多孔徑傳輸的問題。 汽車電力線載波通信信道具有時變性，在頻域內，該時變性只發(fā)生在5 MHz 以下的頻率范圍內；在頻率高于 5 MHz 的頻率時，時變性不明顯。2 系統設計2 / 8圖 4 汽車載波通信的網絡拓撲結構原理框圖根據系統總線通信信道模型分析，汽車電力載波總線采用汽車載波通信標準和協議；同時，結合汽車內各電器對數據傳輸速率要求的實際情況，組建不同數據速率的汽車線束載波通信網絡。高速載波通信網絡將汽車內需要高數據傳輸速率的模塊連接在一起，而對速率要求不高的電器模塊則

6、使用低速通信網絡。這樣，汽車內的所有電器就可以通過很少的幾根電力線束分別連接在一起，組成幾個子系統。這些子系統之間通過網間連接器 ，是由美國Microchip 公司推出的單片機系列。3.1 主控制單元的具體實現下面以主控制單元中CPU 模塊的具體應用為主，介紹系統中CPU 的具體實現。圖7 所示為主控制單元CPU模塊的控制連接電路。主控制模塊沒有具體的負載控制要求。根據功能的不同，它可以分為內部系統及外部系統兩部分。外部系統方面，主要起與系統外部進行信息交流的作用，包括人機接口及 CAN 總線模塊。通過該部分，系統可以接收由外部發(fā)送過來的命令，同時也能夠將本系統的各個單元模塊狀態(tài)信息發(fā)送給外部

7、系統。內部系統方面，主控制單元的任務是將外部來的命令轉化為具體的控制內容，發(fā)送給系統內的各個從控制單元，以及接收各個從控制單元發(fā)送上來的狀態(tài)信息，并對整個系統的運行起管理控制作用。4 / 8圖 7 主控制單元CPU 模塊控制連接電路主控制模塊外部系統任務的實現是通過它與外部系統的接口來實現的。如圖6 所示，系統擴展的CAN 總線接口用于與汽車內的其他子系統的信息交流，以實現汽車內各子系統的信息共享，使它們能夠協同動作，實現汽車的智能控制。主控制模塊擴展的鍵盤模塊用于接收操作人員的控制命令。總線系統內部信息的交流是通過載波耦合模塊來實現的。根據上述分析可知，系統的信號耦合模塊包含發(fā)送、接收兩個部

8、分。將發(fā)送、接收耦合輸出分開，可以避免系統內部的信息傳輸混亂。另外，主控制單元還擴展了一個系統狀態(tài)信息顯示模塊，該模塊通過一系列LED 來顯示系統內各從控制單元的運行狀態(tài)。由于主控制單元的接口較多，所以采用了具有33 個輸入 /輸出引腳的作為主控制單元控制CPU 。對于各個從控制單元，由于它們不需要與系統外部的模塊進行信息交流，不需要有太多的外部接口，所以選用了具有較少 21 個輸入 /輸出引腳的 PIC16F873 單片機作為從控制單元控制 CPU ，以節(jié)約成本。從控制單元包括 CPU 模塊、載波通信模塊以及控制負載的電力電子模塊。3.2 FSK 調制、解調的實現在載波通信系統中，從 CPU

9、 模塊出來的信號是經過編碼處理的二進制數據序列。本系統采用的信號調制、解調過程分為兩層，即 FSK 調制解調以及擴頻調制解調。本系統中， FSK 調制策略的實現是通過使用兩個集成芯片來完成的：一個作為調制芯片，另一個作為解調芯片。系統的FSK 調制是通過使用壓控晶振(VCO 芯片實現的。該芯片產生一個正弦波，其輸出信號的頻率與加到該芯片的直流電壓成正比。通過改變VCO 芯片的給定電壓，就可以改變其輸出交流信號波形的頻率，然后利用這個交流正弦波進行FSK 調制。具體電路如圖8 所示。從圖中可以看出，系統采用了信號發(fā)生器芯片XR2206 。5 / 8該芯片是一個多用途電壓控制晶振器，特別適用于FS

10、K 信號調制。芯片只需要很少的外圍器件就能夠正常工作。芯片引腳 7 及引腳 8 處的電阻與引腳6 處的電容一起決定了設備在邏輯1”及邏輯 “0”處的信號頻率。引腳3 處的分壓電路用來對芯片的輸出正弦信號進行整形。，其載波一般采用中頻波段，然后進入跳頻系統的“變頻器”(乘法器 ，與受控于PN 碼的 “頻率合成器 ”所提供的隨機改變其頻率值的另一射頻，作為載波與之相“混頻 ”6 / 8后，由帶通濾波器輸出發(fā)送信號，構成擴頻調制系統發(fā)送模塊。而在接收端，進行與此相反的一個過程。信號調制是用來提高在強干擾條件下基本通信系統的性能的，使得系統能夠識別并且避免有強干擾存在的頻段。圖 10 跳頻擴頻信號調制

11、電路跳頻擴頻信號調制是使用集成芯片來實現的，如圖10 所示。具體的流程：壓控芯片MAX8038 提供的高頻擴頻載波信號被發(fā)送到集成芯片 MC1496 ，由該芯片完成載波信號與 FSK 調制信號的幅度調制操作。芯片 MC1496 是一種乘法器，它工作在抑制載波幅值調制模式。在抑制載波幅度調制模式下，載波頻率沒有被傳輸，這樣就能夠得到更大的傳輸效率。高頻載波信號產生芯片MAX8038 是一種壓控信號發(fā)生器，信號的頻率為10 kHz 20MHz 。跳頻擴頻信號的解調原理與調制過程是相似的，調制后的高頻擴頻信號被發(fā)送到MC 14% 乘法器芯片，與前面過程同頻的載波信號相乘進行幅度解調操作，就可以得到跳

12、頻擴頻信號的解調信號。4 總線系統通信性能測試為了對系統的性能進行評估，實驗測試了系統在不同的數據傳輸速率下的各個控制端口接收、發(fā)送的數據傳輸誤碼率情況。實驗測試是以在某個固定數據傳輸速率下，先測試主控制單元，后測試每個從控制單元的順序進行的。實驗可以通過編程設置相應按鈕的功能來實現測試的要求，比如，如果需要測試主控制單元發(fā)送信號時，各從控制單元接收信號的誤碼率，可以直接按下事先設置好的按鈕，使系統中的主控制單元進行發(fā)送數據狀態(tài)，直到該控制按鈕被再次按下時為止。實驗發(fā)送的數據被設置為從 00H 到 FFH 的循環(huán)，這樣在接收端通過接收到的數據值與事先設置好的值比較，就可以知道數據發(fā)送的正確與否。如果接收到的數據與事先設置的數據不