汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研究

摘要在借鑒計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，人們開(kāi)發(fā)出了適用于汽車內(nèi)部、外部環(huán)境的汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前，汽車已成為機(jī)械、電子、信息交換一體化的裝置。車載網(wǎng)絡(luò)無(wú)疑是汽車電控系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它可以使大批的數(shù)據(jù)信息在不同的電子單元中共享。它也是汽車發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，同時(shí)也是汽車電子技術(shù)中最活躍的領(lǐng)域。其中CAN總線網(wǎng)絡(luò)作為一種極具潛力的控制器局域網(wǎng)，在汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞汽車CAN計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)SAEJ1939

中圖分類號(hào):TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

現(xiàn)代汽車電控單元眾多。汽車計(jì)算機(jī)控制涉及到汽車自身的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、凈化性和舒適性等諸多方面，具體包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制，自動(dòng)變速器控制、巡行控制、抱死制動(dòng)控制、照明控制、空調(diào)控制、驅(qū)動(dòng)防滑控制、儀表管理系統(tǒng)、防盜等計(jì)算機(jī)控制單元(ECU)，而且各種控制系統(tǒng)的電控單元相互聯(lián)系緊密，需要隨時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。且各控制單元要求系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間不太一樣。即數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的模式。如制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、安全氣囊裝置等對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高。系統(tǒng)指令發(fā)出以后，如果執(zhí)行器不能及時(shí)作用，就可能造成嚴(yán)重后果。另外有些系統(tǒng)如燈光照明、座椅調(diào)節(jié)等對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間的要求就相對(duì)較低。通過(guò)分別構(gòu)造高、低速CAN網(wǎng)絡(luò)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的計(jì)算機(jī)控制單元采用高速CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸;其它采用低速CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸，并采用DSP微控制器兼作網(wǎng)關(guān)。使得傳輸線束大大簡(jiǎn)化，可靠性大大提高。下面簡(jiǎn)要介紹幾種用于汽車的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

1 CAN

CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是由ISO定義的串行通訊總線，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)車載各電控單元之間的信息交換，形成車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，CAN數(shù)據(jù)總線又稱為CAN—BUS總線。CAN協(xié)議中每一幀的數(shù)據(jù)量都不超過(guò)8個(gè)字節(jié)，以短幀多發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高實(shí)時(shí)性;CAN總線的糾錯(cuò)能力非常強(qiáng)，從而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;同時(shí)CAN總線的速率可達(dá)到1M bit/s，是一個(gè)真正的高速網(wǎng)絡(luò)。它的非破壞性總線性仲裁技術(shù)以及靈活的通訊方式，適應(yīng)了汽車的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。特別適用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。其通訊介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。

汽車CAN總線的技術(shù)背景來(lái)源于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線和計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)這樣成熟的技術(shù)，因此具有很高的可靠性和抗干擾性。CAN總線應(yīng)用于這些計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，取代傳感器、電控單元和執(zhí)行器之間以及電控單元之間的專線聯(lián)系方式，構(gòu)成了基于CAN總線的汽車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

通常，該網(wǎng)絡(luò)包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制、傳動(dòng)系控制、車身控制和儀器儀表等四個(gè)功能獨(dú)立的CAN總線網(wǎng)絡(luò)。我們通過(guò)網(wǎng)關(guān)將這四個(gè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái)。網(wǎng)關(guān)通過(guò)對(duì)CAN總線間待傳數(shù)據(jù)信息的智能化處理，確保只有某類特定的信息才能夠在網(wǎng)絡(luò)間傳輸。例如，車身CAN總線網(wǎng)絡(luò)要從發(fā)動(dòng)機(jī)CAN總線網(wǎng)絡(luò)索要某一信息時(shí)，網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)就從后者中取得有關(guān)的信息并按要求作一定的處理后再進(jìn)行傳輸。這種方式可將不同的信息分開(kāi)，減輕了各網(wǎng)絡(luò)總線上的負(fù)載。CAN總線應(yīng)用到汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)后，所有ECU都連到CAN總線上，極大地簡(jiǎn)化了汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的線路連接。

目前，汽車上的網(wǎng)絡(luò)連接方式主要是采用兩條CAN總線。一條是用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速CAN，速率達(dá)到500kb/s;另一條是用于車身系統(tǒng)的低速CAN，速率是100kb/s。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速CAN的主要連接對(duì)象是發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、ABS及ASR控制器、安全氣囊控制器、組合儀表等。它們的基本特征相同，都是控制與汽車行駛直接相關(guān)的系統(tǒng)。關(guān)系車體安全性等。車身系統(tǒng)的低速CAN的主要連接對(duì)象是車門(mén)的中控門(mén)鎖與防盜控制開(kāi)關(guān)、電動(dòng)車窗、后視鏡和車廂內(nèi)照明燈等。另外，我們還設(shè)置“網(wǎng)關(guān)”，在各個(gè)CAN總線之間搭橋，以實(shí)現(xiàn)信息共享。

CAN總線使得各汽車計(jì)算機(jī)控制單元能夠通過(guò)CAN總線共享所有信息和資源。達(dá)到簡(jiǎn)化布線，減少傳感器數(shù)量，避免控制功能重復(fù)，提高系統(tǒng)可靠性和維護(hù)性，降低成本，更好地匹配和協(xié)調(diào)各個(gè)控制系統(tǒng)的目的。

當(dāng)然，CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還需要進(jìn)一步完善。比如說(shuō)，在手動(dòng)擋汽車中，駕駛員的換擋是依照經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的，有可能發(fā)生應(yīng)該加高擋位而沒(méi)能及時(shí)加擋的情況，即所謂的低檔高速行駛。這樣既不利于降低油耗，又容易造成汽車傳動(dòng)部件磨損。如果能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋的主動(dòng)提示，車輛就能始終保持在經(jīng)濟(jì)時(shí)速行駛;還有就是總線標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該統(tǒng)一，通信協(xié)議應(yīng)該兼容。

2 SAE J1939

SAE J1939是在CAN的基礎(chǔ)上擴(kuò)展、完善形成的，它可以達(dá)到250Kbit/s的通訊速率。包括雙絞線物理層規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范、車輛應(yīng)用層、虛擬終端應(yīng)用層、診斷應(yīng)用及診斷連接器等部分。適用于卡車、公共汽車的控制與通信網(wǎng)絡(luò)。它采用PDU( Protocol Data Unit協(xié)議數(shù)據(jù)單元)傳送信息，每個(gè)PDU相當(dāng)于CAN協(xié)議中的一幀。由于每個(gè)CAN幀最多可傳輸8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，因此PDU的傳輸具有很高的實(shí)時(shí)性。利用CAN2.0B擴(kuò)展幀格式的29位標(biāo)志符定義每一個(gè)PDU的含義以及該P(yáng)DU的優(yōu)先級(jí)。J1939協(xié)議主要作為汽車中應(yīng)用的通訊協(xié)議，對(duì)汽車中應(yīng)用到的各類參數(shù) (下轉(zhuǎn)第130頁(yè))(上接第128頁(yè))都進(jìn)行了規(guī)定。參數(shù)的規(guī)定符合ISO11992標(biāo)準(zhǔn)。

3 FlexRay

FlexRay是為高速率數(shù)據(jù)傳輸和高級(jí)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的故障容錯(cuò)協(xié)議?；贔TDMA 的確定性訪問(wèn)方式，具有容錯(cuò)功能及確定的通信消息傳輸時(shí)間，同時(shí)支持事件觸發(fā)與時(shí)間觸發(fā)通信，具備高速率通信能力。

它的出現(xiàn)，首先是滿足了可靠性要求。該系統(tǒng)是由兩條總線和兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制單元構(gòu)成的一個(gè)完整網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)ECU分別和兩條總線相連，正常情況下可以利用雙通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，當(dāng)其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)也可以由另一個(gè)備份網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)通訊任務(wù)。其次，F(xiàn)lexRay還必須滿足速率傳輸要求。如發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)控制和方向控制等有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)特征性，必須要求有很高的數(shù)據(jù)傳輸率才能滿足。FlexRay采用時(shí)分多路訪問(wèn)(TDMA)，將總線劃分成很多時(shí)隙，各設(shè)備按照優(yōu)先級(jí)占用不同的時(shí)隙實(shí)現(xiàn)對(duì)總線的復(fù)用。同時(shí)FlexRay支持星型連接和總線連接，對(duì)高速設(shè)備可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式與FlexRay總線控制器連接，構(gòu)成星型結(jié)構(gòu);對(duì)低速網(wǎng)絡(luò)可以采用類似CAN總線的方式連接。符合下一代汽車 X-by-Wire 系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

4 LIN

LIN全稱為“Local Interconnect Network”，是用于連接智能傳感器、執(zhí)行器的低成本串行通信總線。在主從設(shè)備之間只需要一根12V的信號(hào)線。數(shù)據(jù)傳輸速率為20Kbps，這是因電磁干擾原因受限等許多應(yīng)用條件可接受的速度。LIN基于SCI(串行通信接口)/UART(通用異步接收發(fā)送)硬件接口。屬于低速、單線總線通信系統(tǒng)。在汽車內(nèi)部構(gòu)成分布式系統(tǒng)，用于汽車座椅、門(mén)鎖、頂蓬、雨刷、門(mén)鏡等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。以門(mén)窗控制為例，在車門(mén)上有門(mén)鎖，車窗玻璃開(kāi)關(guān)，車窗升降電機(jī)，操作按鈕等，只需要一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)還可以和汽車其他系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)更豐富的功能。LIN的主從式結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)從設(shè)備的故障而破壞整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，例如小偷不可能通過(guò)破壞電控后視鏡而達(dá)到破壞整個(gè)防盜系統(tǒng)的目的。

現(xiàn)代汽車是一個(gè)智能化網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)。將車內(nèi)的控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)如故障信息檢測(cè)系統(tǒng)，車況自動(dòng)紀(jì)錄系統(tǒng)。實(shí)時(shí)駕駛信息顯示系統(tǒng)(智能化數(shù)字儀表)與嵌入式因特網(wǎng)互連，使每個(gè)汽車有一個(gè)Web網(wǎng)頁(yè)，是今后車載計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的關(guān)鍵核心技術(shù)。