控制器局域網技術在汽車中的應用研究！

m.d8txt.com 來源：互聯網作者：laoyeche 類別：汽車電器維修時間：2008-06-23

控制器局域網技術在汽車中的應用研究

    1.引言

  隨著計算機技術、通訊技術、集成電路技術的飛速發展，以全數字式現場總線為代表的現場控制儀表、設備大量應用，使得傳統的現場控制技術及現場控制設備發生了巨大的變化。繁瑣的現場連線被單一簡潔的現場總線網絡所代替，系統設計靈活，設備維護簡單，信號傳輸質量也大大提高，為工業現場控制用戶帶來巨大好處。經過長時間發展，已形成Hart、Lonworks、Profibus、Bitbus及CAN等多種現場總線協議。

  隨著電子技術的迅速發展和在汽車上的廣泛應用，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域后，給汽車發展帶來了劃時代的變化，汽車的動力性、操作穩定性、安全性、燃油經濟性、對環境的友好性都得到了大幅提升。

  電子設備的大量應用，必然導致車身布線愈長愈復雜、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，要求大批的數據信息能在不同的電子單元中共享，汽車綜合控制系統中大量的控制信號也需要實時交換，傳統線束已遠遠不能滿足這種需求。針對上述問題，就選擇了網絡技術，在借鑒計算機網絡技術和現場控制技術的基礎上，開發出了各種適用于汽車環境的汽車網絡技術。

  和其它控制現場相比，汽車內溫度變化范圍大(-45-100℃)，電磁干擾和其它電子噪聲強，環境惡劣，網絡在車內的運行可靠性尤為重要，這不但體現在網絡結構自身的容錯能力和抗干擾能力上，而且也體現在信號的編碼方式和傳輸方式上。汽車局域網無一例外地都采用了同步串行傳輸方式，數據信號多采用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絡技術的研究及應用。迄今為止，已有多種網絡標準，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PALMNET等。

  按照我國汽車電子技術發展規劃，進入21世紀后轎車電子技術可達國外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水平，提高自身的競爭力，單純靠技術引進不利于長期發展，消化、吸收、研究和開發自己的汽車網絡應用系統已勢在必行。

    2.汽車中的信息多路傳輸與控制器局域網

  目前存在的多種汽車網絡標準，其側重的功能有所不同，為方便研究和設計應用，SAE車輛網絡委員會將汽車數據傳輸網劃分為A、B、C三類。

    A類

  面向傳感器/執行器控制的低速網絡，數據傳輸位速率通常只有1-10kbps。主要應用于電動門窗、座椅調節、燈光照明等控制。

    B類

  面向獨立模塊間數據共享的中速網絡，位速率一般為10-100kbps。主要應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，以減少冗余的傳感器和其它電子部件。

    C類

  面向高速、實時閉環控制的多路傳輸網，最高位速率可達1Mbps，主要用于懸架控制、牽引控制、先進發動機控制、ABS等系統，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類網要求的汽車控制局域網只有CAN協議。

  三類網絡功能均向下涵蓋，即B類支持A類網的功能，C類網能同時實現B類和A類網功能。下面以

  CAN為例分別介紹三類汽車局域網的典型應用方案。

   典型的A類網應用如圖1所示的汽車防盜報警系統。由于車門開關及行李箱開關等信號只在一定的情況下產生，正常時沒有信號，所以對數據傳輸速率要求極低，低速A類網就能充分滿足系統要求，并且和傳統的系統設計相比，車身線束大大減少，設計更為簡單方便。

  當大量共享數據需要在車輛各智能模塊間進行交換時，A類網不再勝任，可采用B類網絡系統。由控制器局域網CAN組成的典型B類網絡系統如圖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量，有效地節約了安裝空間和系統成本。

  通常A類網絡系統不單獨使用，而是和B類網絡系統結合使用。本文給出的組合網絡系統如圖3所示，圖中沒有摒棄A類網，而是通過車身計算機連接到CAN 總線組成的B類網中，使得該A類網系統成為CAN總線的一個節點，這樣無須在各傳感器/執行器部件安裝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類網低成本的優點。

  在上述的應用中，都未充分發揮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間大量數據信息實時交換需要，使汽車各方面性能趨于最佳狀態，則需建立基于CAN總線的C類網絡系統。圖4所示的C類網絡系統方案中，CAN總線有效地將發動機控制系統、驅動防滑系統及自動巡航系統等連接成為一個綜合控制系統，整車性能得到大幅度提高。

  目前B類汽車局域網應用最為廣泛，A類網趨于淘汰，C類網應用日益廣泛。按發展趨勢，在不久的將來C類網將占據主導地位。

    3.CAN協議及其支持器件

    控制器局域網CAN是80年代初博世公司為解決現代汽車中眾多控制單元、測試儀器之間的實時數據交換而開發的一種串行通信協議，經多次修訂，于1991年9月形成技術規范2.0版本。該版本包括2.0A和2.0B兩部分。其中2.0A給出了報文標準格式，2.0B給出了報文的標準和擴展兩種格式[呵。推出2.0B是為了滿足美國汽車制造商對C類網應用的要求。隨后，SAE的貨車客車控制和通信網絡委員會J1939投票通過了將CAN作為C類數據交換網應用于客車、貨車、農業及建筑車輛。

    CAN是一種多主競爭總線形式，廢除傳統的站地址編碼方式，代之以對數據信息進行編碼，最多可標識2032(2.0A)或5億(2.0B)多個數據塊。協議采用總線(BUS)型拓撲結構，主要是利用了總線結構電纜長度短、布線容易、可靠性高、易于擴充等優點。數據信號采用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。短幀數據結構最長8個字節，占用總線時間很短，從而保證了通訊的實時性。CAN協議采用了15位CRC校驗、位填充技術及完善的差錯處理機制，有力地保證了數據通訊的可靠性。通訊價質可采用廉價的雙絞線、性價比較高的同軸電纜或高品質的光纖。

    由于其良好的運行特性、極高的可靠性和獨特的設計，不但特別適合現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界的歡迎，并被公認為最有發展前景的現場總線之一。在國外，尤其是美國和歐洲，CAN已被廣泛應用于汽車(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、醫療器械、消防管理、電力自動化等領域。目前，支持CAN協議的有INTEL、MOTOROLA、PHILIPS、SIEMENS、NEC、HONEYWELL等百余家國際著名公司，其中CAN應用器件也琳瑯滿目、層出不窮，已經逐步形成產品系列。

    目前市場上最常見的CAN總線產品有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有兩種應用模式：標準模式和Peli模式。標準模式符合CAN協議的2.0A標準，能實現PCA82C200的所有功能，接收緩沖器也增至64個字節；Peli模式符合2.0B標準，能實現擴展數據格式，增加了仲裁丟失捕獲、錯誤代碼讀取等功能，設計更為靈活方便。SJA1000內部邏輯框圖及外部接口如圖5所示，接口管理羅輯負責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、數據收發及錯誤管理等功能。

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

    在圖4所示的控制器局域網中，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，重新設置控制命令參數，即可組成網絡節點掛接到總線上。集成了SJA1000的網絡節點內部邏輯如圖7所示，系統中傳輸介質選用價格低廉、安裝方便的雙絞線，也可以選用性能更高的塑料光纖。

    該系統中數據信息量非常大，有快速變化信號，有漸變信號。為保證總線上交通暢通，重要信息在發生總線訪問沖突時優先發送，合理地安排數據信息總線訪問優先級顯得尤為重要。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據訪問總線優先級的最主要因素。對轉矩、車速及發動機轉速等快速變化的信號必須進行高速采樣，并以相應的速率在總線上傳輸，數據的總線訪問優先級也高。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，數據的總線訪問優先級相應地就很低。

    同樣如果一個參數信號對控制系統的正常工作顯得非常重要，也可獲得較高的優先級。值得注意的是，數據的總線訪問優先級的設定不是固定不變的，而是隨著各種外部參數和汽車的駕駛情況變化而不斷變化的。如發動機控制，無論是點火時間控制，還是燃油噴射控制，都必須和發動機的轉速同步，發動機轉速較高時，控制信號的總線訪問優先權提高，發動機轉速較低時，控制信號的總線訪問優先權相應降低。

    4.結束語

    隨著電子技術和大規模集成電路的迅速發展，網絡控制芯片性能逐步提高，體積逐步減小，價格進一步降低，為汽車局域網的普及推廣創造了良好的條件。智能芯片價格的下降使得各種汽車局域網的成本相差無幾，性能成為影響網絡選擇的最主要因素。CAN以其優異的品質具有明顯的優勢，越來越受到業界的歡迎。CAN總線在汽車上的廣泛應用將使汽車的動力性、操作穩定性、安全性、燃油經濟性都上升到新的高度，給汽車技術的發展注入新的活力。按汽車局域網發展趨勢，在不久的將來基于CAN的C類網將逐步普及并占據主導地位。