車載網絡技術在寶馬汽車上的應用(上)

◆文/河南 牛本寬 牛賓強

當今汽車已經真正進入了電腦時代，相應的傳感器和執行器的數目也不斷增多，全車幾十個系統的車載電腦控制單元與各系統的傳感器、執行器等元件連接起來形成一個網絡，也就是所謂的車載網絡。

與其他車型相比，寶馬汽車的特點是電控集成度高，控制方式獨特，具有制造技術的延續性。寶馬汽車車型升級換代快，診斷設備昂貴，維修難度較大，維修資料很難收集，尤其是新款寶馬汽車實現了整車網絡化控制，從而給汽車維修帶來了一些難度，其相應的故障用以前常規的檢修方法往往無法排除。面對越來越多的網絡控制系統，大多數維修人員對如何正確檢修寶馬汽車還比較陌生，有時甚至感到茫然無措。因此，本文針對車載網絡技術在寶馬汽車上的應用作以闡述。

一、寶馬車載網絡的基本結構

在汽車中采用基于總線的網絡通信技術可以達到信息共享、減少布線、降低成本和提高總體可靠性的目的。通常，一輛汽車采用多種類型的總線，將不同功能要求的節點連接起來形成一個整體的網絡構架，然后通過網關服務器來進行網絡管理，實現整車信息共享。寶馬車在網絡主要由以下幾個系統組成。

1.車身系統

與車身控制模塊有關的控制系統大多采用低速電動機和開關類元件，這些控制系統對實時性要求低且數量多，因此可以采用低速總線將電控單元/模塊連接起來，與汽車的動力系統分開控制，這樣有利于保證動力系統通信的實時性。此外，采用低速總線還可增加傳輸距離，提高抗干擾能力，降低硬件成本。

2.動力傳動系統

動力傳動系統的受控對象直接關系到汽車的行駛狀態，對通信實時性有較高的要求，因此，需要使用高速總線連接動力/傳動系統的控制單元/模塊。傳感器類的各種狀態信息可以以電碼的形式傳送到高速總線上，各節點可以在同一時刻根據自身的功能需求獲取信息，以便最大限度地提高通信的實時性。

3.診斷系統

單獨的診斷總線可以使汽車的診斷功能通過網絡傳輸得以實現。診斷總線一般比較簡單，一端與網關模塊相連，另一端與診斷座相連。

4.車載娛樂系統

由于車載娛樂系統需要傳輸音頻和視頻信息，因此要求通信速度非常快，一般要達到 2Mb/s以上。目前采用的新型多媒體總線往往是基于光纖通信技術制作而成。

5.網關

網關是汽車網絡通信功能的核心部件，通過它可以實現各類總線信息的共享，完成汽車內部的網絡管理和故障診斷功能。

6.特殊總線

隨著技術的不斷發展，目前在寶馬汽車網絡中已采用針對于安全氣囊系統的安全總線(Byteflight)，像更高級的X by Wire等總線也將在未來的汽車中廣泛應用。

二、寶馬車載網絡的分類

寶馬汽車實現了整車網絡化控制，按其組成的不同，將整車網絡分成以儀表板控制模塊為網關的網絡系統、以安全和網關控制模塊為核心的網絡系統和以中央網關控制模塊為核心的網絡系統三大類。

1.以儀表板控制模塊為網關的網絡系統

(1)總線網絡的構架

以儀表板控制模塊為網關的總線網絡系統是一個用于交換數據信息的匯流總線系統，總線使主控模塊 (總站) 與大量獨立的控制模塊相連。E38、E39、E46、E53底盤車型的總線網絡系統的主控模塊是儀表板 (IKE 控制模塊)，總線上的控制模塊采用并聯的方式連接(見圖1)。

由圖1可以看出，與儀表板直接相連的總線有診斷總線 (D Bus總線)、車身總線 (K CAN總線)、儀表板總線(I Bus總線)、動力總線(CAN總線)等，這些總線屬于全車總線網絡系統，各類總線的數據信息靠儀表板IKE控制模塊進行調制和解碼，同時進行傳輸和共享，不設置獨立的網關。另外還有兩個總線網絡系統車身外圍總線(P Bus)和空調內部局域總線(M Bus)，它們分別與中央車身電子系統(ZKE)外圍總線控制模塊和自動空調控制模塊(IHKA)相連，因此屬于系統內部的局域網。

①診斷總線和診斷數據線

通過診斷總線(D總線)和診斷數據線(TXD數據線)，在檢測儀與車輛控制模塊之間進行數據傳輸和執行相關的診斷功能。檢測儀向控制模塊發送一個診斷電碼，可以選擇進行診斷的控制模塊。控制模塊能夠根據檢測儀的問詢指令傳送狀態信息和故障碼內容，或者激活控制模塊的終端執行元件。

與診斷總線相連的控制模塊包括儀表板、轉向角傳感器、ABS/ASC/DSC控制模塊等。

②儀表總線

儀表總線的主要功能是進行儀表顯示和音頻系統的數據傳輸，例如照明檢查控制模塊、旅程電腦、IKE顯示器、多功能信息顯示器、導航電腦、收音機和車載電話的數據信息都需要通過儀表總線進行傳送。另外，停車距離報警(PDC)控制模塊和燈光檢查控制模塊(LCM控制模塊)也連接在儀表總線上，它們也檢查有關的控制信息。

③車身總線

車身總線承擔著交叉電碼的數據交換任務。中央車身電子系統控制模塊和IHKA自動冷暖空調控制模塊等均連接在車身總線上。從技術角度講，車身總線可涵蓋儀表板總線的整個功能。

與車身總線相連的控制模塊和部件包括儀表板、中央車身電子系統控制模塊、自動冷暖空調控制模塊、雨水傳感器、安全氣囊控制模塊 (MRS控制模塊)、電子禁止啟動防盜控制模塊(EWS控制模塊)、輪胎壓力監測控制模塊(RDC控制模塊)、轉向柱開關中心、停車輔助加熱裝置等。

④CAN總線

CAN總線是雙線制總線，傳輸性能可滿足高效性和高可靠性。在以儀表板為網關的寶馬總線系統中，雙線制總線連接的控制模塊均屬于動力傳動系統或底盤系統的控制模塊。

與CAN總線相連的控制模塊和部件包括自動變速器控制模塊(AGS/EGS控制模塊)、發動機控制模塊(DME/DDE控制模塊)、ABS/ASC/DSC控制模塊、單軸空氣懸架控制模塊(EHC控制模塊)、轉向角傳感器等。

(2)控制模塊響應條件

在使用檢測儀進行故障診斷時，打開點火開關之后，通常總線上的所有控制模塊都會響應。通過儀表板控制模塊，各類總線之間能夠彼此交換數據信息。儀表板控制模塊還包括用于儀表板和旅程電腦的所有數據運算處理器。因此，從這個角度來說，儀表板控制模塊是儀表板總線和車身總線的主控模塊。

對于診斷總線而言，儀表板控制模塊作為網關模塊，將儀表板總線和車身總線的電碼形式轉換為診斷總線可識讀的電碼形式，發送并接收所有通過總線與儀表板控制模塊相連的控制模塊數據信息，從而實現總線信息的控制功能。例如在多功能信息顯示器(MID)控制面板上激活停車通風功能，數據電碼必須先通過儀表板總線傳送至儀表板控制模塊，儀表板控制模塊再通過車身總線傳送到自動空調控制模塊，最后由自動空調控制模塊輸出執行指令，控制終端執行元件。

(3)總線測試

使用GT1 檢測儀(包括ModicⅢ、DIS診斷功能)，可以對總線性能進行測試。

表1 圖2中的元件標號和術語功能含義

①測試前提條件

在進行模塊測試前，需確保診斷導線和檢測儀正常。如果有必要的話，可先在其他車輛上進行診斷或者通過自檢檢測診斷導線。用自檢診斷導線(在管理程序中選擇)檢查GT1檢測儀的診斷導線和診斷接口是否正常。診斷導線必須連接在GT1檢測儀背面的測試插座上。

②測試過程

在對總線(儀表板總線、車身總線、診斷總線)進行模式測試時，以下控制模塊有反應：發動機控制模塊、動態穩定控制模塊、組合儀表控制模塊、自動空調控制模塊、中央車身電子系統控制模塊、收音機控制模塊、車載顯示器控制模塊、燈光控制模塊。GT1檢測儀對各控制模塊進行識別。

若數據傳送正常，則表明總線的功能均正常。如果一些控制模塊未被識別到，則表明總線連接裝置(插頭、導線)或電源可能斷開。若控制模塊失靈或未安裝控制模塊，則也會出現同樣的現象。在每次測試結束后，GT1檢測儀會對測試的控制模塊進行評估。若不能與車輛建立聯系，則表明D診斷總線存在數據傳送中斷故障。遇到這種情況時不應在診斷總線上進行故障查詢，故障可能是對地短路、對正極短路或斷路引起的，導致數據不能在控制模塊之間傳送。若在進行模塊測試時未識別到控制模塊且在快速測試時也未識別到控制模塊，則故障可能是由儀表板總線、車身總線引起的，在這種情況下可對總線的連接狀況進行檢測。常規的測量方法包括電阻測量法、直流電壓測量法、示波器測量法。

2.以安全和網關控制模塊為核心的網絡系統

(1)總線網絡的構架

與早期的寶馬5系車型相比，新5系E60/E61底盤車型的總線網絡系統已經改進為整車網絡構架，增加了傳動總線PT CAN、安全總線Byteflight、娛樂總線MOST等新型總線。網關元件也由原來的儀表板改為獨立的安全和網關控制模塊(SGM控制模塊)。新5系E60/E61底盤車型總線網絡構架如圖2所示，圖2中的元件標號和術語功能含義見表1。

從圖2中可以看出，與安全和網關控制模塊連接的總線包括傳動總線、車身總線、診斷總線等。這些總線均通過獨立的網關控制模塊并聯連接。需要說明的是，安全和網關控制模塊也與安全氣囊系統的Byteflight總線相連。

(2)CAN總線傳輸特征

CAN總線系統是一種線性總線系統，具有以下傳輸特征：信號雙向傳輸；信號被所有用戶接收，每個用戶可自行決定是否利用該信息；通過簡單的并聯方式可添加新的用戶；總線系統是一個多主控模塊的網絡結構；每個用戶可以是主控模塊，也可以是副控模塊，這取決于用戶是信號的發射模塊還是接收模塊；傳輸媒介為兩根雙線數據線，名稱為CAN Low和CAN High；當系統檢測到某個用戶有故障時，可自行切斷該用戶。

原則上，每個用戶可以通過總線與其他所有用戶進行通信聯系。車身總線和傳動總線的主要區別在于車身總線的傳輸速度為100kb/s，能進行單線傳輸；傳動總線的傳輸速度為500kb/s，不能進行單線傳輸。

在通信過程中，由主控模塊發出主動數據信息。主控模塊控制著總線資源和通信狀況，它能夠在總線網絡中向被動用戶(副控模塊)發送信息，并從被動用戶處接收信息。副控模塊是一個被動式通信用戶，它能接收和發送信息。

在一個多主控模塊的網絡系統中，所有的通信用戶在某個時間段內都能夠擔當主控模塊或副控模塊的角色(因為CAN總線為多主結構)。

(3)MOST總線傳輸特征

MOST總線屬于多媒體傳輸系統的總線，通過環形結構實現控制模塊之間的數據交換，信號傳輸是通過光纖技術實現的。MOST總線的傳輸特征如下：在環形光纖中只能向一個方向進行信號傳輸，只有在MOST環形結構封閉且功能良好的情況下，信息才能在光纖中傳輸。

若MOST環形結構損壞，則只能使用檢測儀與儀表板和控制顯示器進行通信，這是因為兩個控制模塊直接連在車身總線上。新5系E60/E61底盤車型的MOST總線網絡控制顯示器就是多音頻系統控制器(MASK)。

若某個控制模塊的MOST電源裝置或二極管損壞，那么儀表板和多音頻系統控制器就不能再與MOST總線上的其他控制模塊進行通信，但仍可以通過車身總線與其他總線的控制模塊進行通信，傳送的不是多媒體系統的音頻和視頻信息。

MOST數據信息的傳輸方向如下：數據從控制顯示器傳送至CD光盤轉換盒、儀表板，再依次回到其他的控制模塊。作為MOST總線和車身總線之間的通信接口，控制顯示器被分成CD GW控制顯示網關和CD控制顯示功能裝置兩部分。

在具體故障檢測工作中，若需要繼續查詢和控制顯示故障(讀取故障碼)，則必須在GT1檢測儀中選擇名稱為“CD GW”的診斷項目。

3.以中央網關控制模塊為核心的網絡系統

(1)總線網絡的構架

在目前生產的寶馬車中，寶馬7系E65/E66底盤車型的總線網絡系統是最為龐大和復雜的，整個網絡系統以中央網關控制模塊為核心，其他各類總線系統直接或間接與它連在一起。寶馬7系E65/E66底盤車型的總線網絡構架如圖3所示，圖3中的術語功能含義見表2。

從圖3可以清楚地看出，整個網絡系統共有6種總線，分別是診斷總線(D Bus總線)、車身外圍總線(K CAN P總線)、車身系統總線(K CAN S總線)、娛樂總線(MOST總線)、安全總線(Byteflight總線)、傳動總線(PT CAN總線)。與中央網關控制模塊直接相連的總線有4種：診斷總線、車身系統總線、安全總線、傳動總線。

①診斷總線

診斷總線是診斷設備與車輛電控系統之間的數據診斷連接線。在E65/E66底盤車型中，各類控制模塊的診斷信息都是通過中央網關控制模塊傳送至診斷設備的。如果診斷總線連接中斷或中央網關控制模塊損壞，那么所有電控系統的診斷功能都無法實現。因此對于診斷總線來說，中央網關控制模塊就是它的網關模塊。

②車身系統總線

從圖3可以看出，車身系統總線連接的控制模塊最多。由于有車身外圍總線和娛樂總線的存在，車身系統總線上的控制模塊可分為3個組群：以CAS車輛訪問系統控制模塊為主控模塊的車身外圍總線組群、以車載顯示器CD為主控模塊的娛樂總線組群、直接掛接在車身系統總線上的組群。對于直接掛接在車身系統總線上的控制模塊，如拖車控制模塊(AHM)、停車距離控制模塊(PDC)等控制模塊，可直接與中央網關控制模塊進行通信聯系。

③車身外圍總線

如圖3所示，除了CAS車輛訪問系統控制模塊以外，車身外圍總線上掛接的控制模塊基本上都位于車輛易碰撞的區域。當車輛發生碰撞時，某個控制模塊就容易損壞或其連接線路容易發生短路/斷路故障，但CAS控制模塊的存在不會影響到其他總線系統的工作狀態，這也是設計車身外圍總線的目的。

CAS控制模塊屬于車身外圍總線和車身系統總線之間的網關模塊。車身外圍總線上控制模塊的數據信息必須通過CAS控制模塊進行解碼/調制才能傳送至中央網關控制模塊。

④娛樂總線

娛樂總線屬于光纖類總線，所有娛樂總線上的控制模塊形成一個閉合的環路連接在一起。這個光纖環路中的主控模塊就是車載顯示器(CD)，它將光信號轉換為電信號，然后再將信號通過車身系統傳送至中央網關控制模塊。因此，車載顯示器屬于娛樂總線與車身系統總線之間的網關模塊。

表2 圖3中的術語功能含義

在娛樂總線環路中，儀表板是一個較為特殊的部件，它可以直接與車身系統總線進行通信聯系，因而儀表板既是娛樂總線上的用戶，又是車身系統總線上的用戶，這也說明了儀表板的重要性。由此可知，如果娛樂總線出現故障，那么診斷設備依然可以識別儀表板和車載顯示器，但無法搜索到娛樂總線上的其他用戶。

⑤安全總線

安全總線也屬于光纖類總線，該總線與安全氣囊系統有關，所有安全氣囊系統中的衛星式傳感器和控制模塊都通過安全總線連接在一起。

在安全總線系統中，安全和信息控制模塊屬于主控模塊，其他所有的衛星式傳感器和控制模塊都通過安全總線與安全和信息控制模塊直接相連，因此形成了星形網絡構架。

由于安全總線直接與中央網關控制模塊相連，因此中央網關控制模塊即是安全總線的網關模塊。

⑥傳動總線

傳動總線又稱為動力傳輸總線，與之相連的控制模塊都屬于動力系統和底盤系統的控制模塊。與這些控制模塊相對應的電控系統都直接關系到車輛的動力傳輸和行駛安全性。因此在數據傳輸方面，傳動總線不僅要保證高度的可靠性，而且還要滿足傳輸速度和容量。

由于傳動總線直接與中央網關控制模塊相連，因此中央網關控制模塊就是傳動總線的網關模塊。

(2)安全氣囊控制系統和安全總線

①安全總線的構架

安全氣囊控制系統具有斷開蓄電池、觸發安全氣囊、觸發安全帶、識別座椅等功能。在安全氣囊控制系統中配置有光纖式的安全總線網絡，總線的網關模塊為安全和信息控制模塊或中央網關控制模塊。

安全總線具有星形排列的網絡構架，在總線上連接有若干個衛星式傳感器和不帶傳感器功能的控制模塊。這些傳感器和控制模塊通過光纜與一個星形耦合器 (安全和信息控制模塊或中央網關控制模塊) 相連。星形耦合器是安全和信息控制模塊還是中央網關控制模塊，取決于車型配置。

在E65/E66/E63/RR01底盤車型中，星形耦合器為安全和信息控制模塊；在E85底盤車型中，星形耦合器為安全和信息控制模塊；在E60/E61/E63/E64底盤車型中，星形耦合器為中央網關控制模塊。

②安全氣囊觸發功能

若安全氣囊系統識別到一個比較嚴重的碰撞將會觸發安全氣囊。安全氣囊內部設有一個模塊裝置，該模塊裝置由引爆裝置、氣體發生器和氣囊組成。

引爆裝置用于觸發安全氣囊。引爆裝置由一個帶兩根引線的玻璃管構成，引線接腳安裝在玻璃管座的內部，通過電阻絲連接在一起。電阻絲外部包有一層炸藥(初級炸藥)。

引爆裝置從相應的控制模塊(衛星式傳感器)處獲得一個電脈沖信號，這個電脈沖信號使引爆裝置內的電阻絲被加熱，產生的熱量將引爆炸藥。

氣體發生器有兩種類型。氣體發生器的觸發過程如下：引爆裝置的初級炸藥將氣體發生器內的次級炸藥引爆，產生的氣體充入氣囊中；此時發生器內含有壓縮氣體，引燃的炸藥炸開一個隔膜層，這樣壓縮氣體便可充入氣囊中。

按照引爆功能要求，氣囊分為兩種：一種是排空較快的氣囊，如駕駛員安全氣囊、前排乘客安全氣囊、胸部安全氣囊和膝部安全氣囊等，其具有快速排空的特點；另一種是能夠保持充氣狀態的氣囊，如頭部安全氣囊，它可提供靜態的支撐保護。這種以一般速度排空的安全氣囊可阻止乘客移動并在其后一定時間內收縮。(未完待續)