中央?yún)f(xié)調(diào)器在汽車電器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用研究

孟祥剛 吳玲艷 嵇境凱 肖飛

【摘??要】汽車行業(yè)的發(fā)展推動我國整體經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展迅速，為我國人們的出行提供了更多的選擇。在汽車電器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用中央?yún)f(xié)調(diào)器能夠避免由于單一電器故障而引發(fā)的汽車運行停止的問題，有著較強的使用優(yōu)勢。傳統(tǒng)的汽車電器系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段汽車電器系統(tǒng)的實際要求。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，基于中央?yún)f(xié)調(diào)式的汽車電器網(wǎng)絡(luò)由于系統(tǒng)復(fù)雜程度較低，而受到了更多的關(guān)注。

【關(guān)鍵詞】中央?yún)f(xié)調(diào)器;汽車電器網(wǎng)絡(luò);應(yīng)用

引言

近年來，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，離不開國家經(jīng)濟和政策的扶持，才有今天的局面和規(guī)模。汽車電子電器網(wǎng)絡(luò)中的中央?yún)f(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)全車電器的協(xié)調(diào)控制。為了保證汽車電子電器系統(tǒng)的安全性，需要提高中央?yún)f(xié)調(diào)器的可靠度。

1汽車電器控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

汽車電器系統(tǒng)在應(yīng)用初期，實現(xiàn)的是點對點的導(dǎo)線連接控制，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，集成電路技術(shù)出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用，并朝著智能化邁向堅實的一步，微控制器能夠開展決策控制。到本世紀(jì)以來，汽車電子控制單元之間的連接方式發(fā)生了質(zhì)的飛躍，以電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接替代而來線束連接，實現(xiàn)了智能化、網(wǎng)絡(luò)化的控制管理，推動汽車電器區(qū)域集中控制系統(tǒng)的穩(wěn)步發(fā)展。現(xiàn)在主要研發(fā)的電器區(qū)域集中控制技術(shù)在汽車制造公司、汽車零部件公司、汽車制造技術(shù)研發(fā)機構(gòu)的重視越來越大，甚至在汽車的批量生產(chǎn)中開始嘗試運用某些電器區(qū)域集中控制技術(shù)，這在幾個大的汽車制造公司都有所體現(xiàn)。德國大陸汽車公司，他們生產(chǎn)的汽車的所有電器系統(tǒng)，均采用儀表總線、多用途總線來進(jìn)行連接，在車門模塊，車前、車中和車后電器模塊，車燈總成模塊，駕駛室模塊等等中都有所應(yīng)用;沃爾沃汽車公司最早采用汽車電器控制系統(tǒng)技術(shù)是在XC90型轎車，在這個系統(tǒng)中使用了車身電子總線、娛樂通信總線和傳動總線三條總線。在9300系列客車中，沃爾沃公司采用BEA客車電器構(gòu)造系統(tǒng)，數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)了汽車電器系統(tǒng)的整合，對各功能組件進(jìn)行有效監(jiān)控、錯誤診斷和恢復(fù)。NXP公司采用了最新的CAN-Bus現(xiàn)場總線技術(shù)，在燈控模塊、座椅控制模塊、門控模塊、以及傳功裝置控制模塊和儀表控制模塊方面利用CAN進(jìn)行連接，同樣，在雨刷控制模塊和天窗控制模塊，以及車窗控制模塊方面也是采用了LIN網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)。在NXP公司的電器系統(tǒng)中，主要是進(jìn)行分布式的控制實現(xiàn)，其劃分的主要依據(jù)是電器的具體位置，具體有駕駛座、乘員座、四個車門、天窗、副駕駛位、前后風(fēng)窗等十個模塊。在飛思卡爾公司，其汽車電子和電氣設(shè)備之間的整車連接網(wǎng)絡(luò)，主要通過三種類型的總線，實現(xiàn)連接，形成了整車電器智能控制系統(tǒng)的最初模式。奇瑞汽車公司在汽車電器控制系統(tǒng)中研究與開發(fā)，主要側(cè)重于高、低速CAN總線，K線以及LIN總線四個方向。在奇瑞應(yīng)用的系統(tǒng)中，包括了乘員門模塊、駕駛員側(cè)門模塊、溫控模塊、安全氣囊模塊、儀表盤模塊、后備箱門模塊等等，在整車電器控制技術(shù)方面的研發(fā)在國內(nèi)處于前列。國內(nèi)的各高校在相關(guān)方面也進(jìn)行了研究和開發(fā)，有代表性的主要有清華大學(xué)的智能電器系統(tǒng)，大連理工大學(xué)的車身電器控制系統(tǒng)，天津大學(xué)的基于CAN總線的車身智能控制系統(tǒng)等等。在清華大學(xué)的汽車電氣系統(tǒng)中，各個智能電器、信息網(wǎng)、供電網(wǎng)絡(luò)都是獨立存在的，不管是全車電器的故障診斷，還是網(wǎng)絡(luò)操作，或者是報警，都有很好的實現(xiàn)效果。大連理工大學(xué)的研發(fā)主要應(yīng)用于小型客車，對車輛的安保系統(tǒng)、遠(yuǎn)程解鎖、車輛定位、后視鏡控制、座椅、照明以及車窗等方面實現(xiàn)了電器控制。

2三級串聯(lián)中央?yún)f(xié)調(diào)在汽車電器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

1.基本功能協(xié)調(diào)，在三級串聯(lián)中央?yún)f(xié)調(diào)的基本功能協(xié)調(diào)中，主要實現(xiàn)了對汽車電器網(wǎng)絡(luò)總用開關(guān)的控制，同時對駕駛員的直接操作命令進(jìn)行響應(yīng)，確保非駕駛員直接控制的智能電器的正常運行。在法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣間聯(lián)動互斥中，主要包括車外照明的依賴與排斥關(guān)系、車外標(biāo)志燈的同步關(guān)系、車門開閉對應(yīng)的門泵與照明的控制邏輯等。具體包含著遠(yuǎn)近光等的互斥關(guān)系、遠(yuǎn)近光燈與小燈的依賴關(guān)系、制動塔板與制動燈的同步、各轉(zhuǎn)向標(biāo)志燈的同步等等。2.智能化與故障協(xié)調(diào)，汽車電器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在智能化與故障協(xié)調(diào)中，其能夠改善汽車駕駛員與乘客的駕乘體驗。在智能化與故障協(xié)調(diào)中，主要對電控空氣懸架、車內(nèi)照明燈光與車門開閉的自動聯(lián)動等進(jìn)行了協(xié)調(diào)控制。同時能夠?qū)崿F(xiàn)鑰匙開關(guān)位置與車門開關(guān)情況的聯(lián)動與警告等等。

3中央?yún)f(xié)調(diào)器的余度等級

1.對于汽車電子電器網(wǎng)絡(luò)中的中央?yún)f(xié)調(diào)器，應(yīng)要求在一次故障后仍能正常工作，以給駕駛員留出維修更換的時間。因此，中央?yún)f(xié)調(diào)器的容錯能力準(zhǔn)則應(yīng)為至少一次故障-工作，即應(yīng)保證余度數(shù)n≥2。另外，余度數(shù)也并非越高越好。系統(tǒng)余度數(shù)越高，則任一元器件故障的可能性越高，相應(yīng)地維修任務(wù)增加。因此，在滿足容錯能力準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，應(yīng)選擇盡可能小的余度數(shù)。本文選擇余度數(shù)n=2，兩個中央?yún)f(xié)調(diào)器均連接至骨干CAN總線，均可以接收總線上的狀態(tài)信息，也都可以發(fā)出指令信息。2.中央?yún)f(xié)調(diào)器的主控輔助余度型式本文提出一種主控輔助的全等雙余度中央?yún)f(xié)調(diào)器系統(tǒng)。主控協(xié)調(diào)器發(fā)出控制指令，輔助協(xié)調(diào)器不發(fā)出控制指令。主控協(xié)調(diào)器和輔助協(xié)調(diào)器都接收并存儲總線上的狀態(tài)信息，在一個協(xié)調(diào)器出現(xiàn)故障時，另一個協(xié)調(diào)器可以及時接管工作。在這種主控輔助型全等雙余度中央?yún)f(xié)調(diào)器系統(tǒng)中，每個中央?yún)f(xié)調(diào)器都有5種狀態(tài)，分別為：仲裁狀態(tài)、主控狀態(tài)、輔助狀態(tài)、獨立狀態(tài)、故障。

4基于冗余備份的中央?yún)f(xié)調(diào)器的設(shè)計與實現(xiàn)

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計，在汽車電器網(wǎng)絡(luò)中，使用了全分布式的電器控制結(jié)構(gòu)。在這樣的結(jié)構(gòu)支持下，當(dāng)某一智能電器產(chǎn)生故障時，汽車電器網(wǎng)絡(luò)中的其他電器運行并不會受到影響，依舊保持正常運行的狀態(tài)。這意味著，中央?yún)f(xié)調(diào)器是汽車電器網(wǎng)絡(luò)中唯一具有中央?yún)f(xié)調(diào)功能的集中控制部件。所以，中央?yún)f(xié)調(diào)器的可靠程度直接影響著汽車電器網(wǎng)絡(luò)的運行穩(wěn)定。為了進(jìn)一步提升中央?yún)f(xié)調(diào)器的可靠性，避免由于其功能失效而造成的汽車電器網(wǎng)絡(luò)停止正常運行的后果，必須要對中央?yún)f(xié)調(diào)器進(jìn)行在線備份。2.基于冗余備份的中央?yún)f(xié)調(diào)器的實現(xiàn)，在普通模式下，兩個中央?yún)f(xié)調(diào)器會以完全獨立的方式完成工作;在備份模式下，處于運行狀態(tài)的協(xié)調(diào)器會對汽車電器網(wǎng)路上的中央?yún)f(xié)調(diào)指令進(jìn)行監(jiān)視。若是汽車電器網(wǎng)絡(luò)中存在中央?yún)f(xié)調(diào)指令，則備份協(xié)調(diào)機僅會向主協(xié)調(diào)器發(fā)出“備份協(xié)調(diào)器具有有效性”的通知，并不會參與實際的中央?yún)f(xié)調(diào)工作。當(dāng)汽車電器網(wǎng)絡(luò)上的中央?yún)f(xié)調(diào)指令消失了一段時間后，備份協(xié)調(diào)其會進(jìn)入單協(xié)調(diào)器模式，接管中央?yún)f(xié)調(diào)的工作，同時發(fā)送“協(xié)調(diào)器失效”的警告消息。

結(jié)語

綜上所述，中央?yún)f(xié)調(diào)器在汽車電器網(wǎng)絡(luò)中有著較好的使用優(yōu)勢。通過基于基本功能協(xié)調(diào)、智能化與故障協(xié)調(diào)、電源管理協(xié)調(diào)的三級串聯(lián)中央?yún)f(xié)調(diào)，結(jié)合基于冗余備份的中央?yún)f(xié)調(diào)器的使用，提升了駕駛員與乘客的駕乘體驗，降低了由于單個電器故障引發(fā)汽車整體運行停止的概率。

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（作者單位：山東汽車制造有限公司）