車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分析與檢測(cè)研究

唐靜嫻

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，汽車對(duì)安全性、舒適性、尾氣排放和燃料經(jīng)濟(jì)性的要求越來越高，這導(dǎo)致了汽車中各控制單元間的信息交互日益頻繁，傳感器和線路的數(shù)量也在不斷地增加，使得車輛的電子器件越來越復(fù)雜。如果采用傳統(tǒng)的通信方法，必然會(huì)形成一個(gè)龐大而又復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，一旦發(fā)生故障，就會(huì)造成難以維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用高昂等一系列問題。車載科技的迅速發(fā)展，使車輛技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，從而產(chǎn)生了車載網(wǎng)絡(luò)。

車聯(lián)網(wǎng)是指按照一定的通信協(xié)議連接起來的一些電子控制單元或智能設(shè)備，它們會(huì)發(fā)出控制信號(hào)和傳感器信號(hào)，之后再利用網(wǎng)絡(luò)將它們傳輸?shù)侥康南到y(tǒng)。CAN（Controller Area Network），又稱控制器局部網(wǎng)絡(luò)，是在二十世紀(jì)八十年代初由德國(guó)Bosch公司開發(fā)的一種串口數(shù)據(jù)通信協(xié)議，用來解決現(xiàn)代汽車上大量的控制與探測(cè)裝置之間的數(shù)據(jù)交換問題，它的作用是在車輛上的各個(gè)電子控制設(shè)備間進(jìn)行信息交互，從而構(gòu)成一個(gè)車輛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，也就是所謂的CAN-BuS總線，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全直線仲裁，通訊方式靈活，能滿足實(shí)時(shí)、高可靠的需要。車載CAN的技術(shù)基礎(chǔ)來自比較成熟的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，所以它的可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。

車載系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)控制兩部分組成的，二者之間有一定的聯(lián)系，并且在工作過程中可以相互配合，對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)的正常工作和對(duì)系統(tǒng)性能的合理調(diào)整都有著重要的影響，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（一）車載網(wǎng)絡(luò)控制器

車載網(wǎng)絡(luò)控制器接收來自控制單元發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送到車載網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，與此同時(shí)，車載網(wǎng)絡(luò)控制器接收到車載網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器所傳送來的數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終將其送到控制單元，控制器再將數(shù)據(jù)傳送到車載收發(fā)器。

（二）車載網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器

車載網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器與電氣控制系統(tǒng)相結(jié)合，具有接收、發(fā)送、轉(zhuǎn)換等功能。該模塊把車載網(wǎng)絡(luò)控制器輸出的電平值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓值，然后在數(shù)據(jù)傳輸線上進(jìn)行廣播。該模塊通過對(duì)數(shù)據(jù)傳輸線路上輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，并將其轉(zhuǎn)換成電平值數(shù)據(jù)，再將其傳送給車載網(wǎng)絡(luò)控制器。

（三）車載網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸終端

車載網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸終端是一個(gè)電阻器，它的主要作用是防止數(shù)據(jù)在線端被反射，從而避免以回聲形式返回的現(xiàn)象發(fā)生，從而保證數(shù)據(jù)的正常傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

（四）數(shù)據(jù)傳輸終線

為降低干擾，車載總線中的數(shù)據(jù)傳輸線路使用的是一條絞距20毫米、橫截面為0.5平方毫米的雙絞線，將這兩條線路稱為CAN高線（High）、CAN-Line（Lower line）。兩根線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是一樣的，電壓值是相互鏡像的，因此，兩根線的電壓差維持一個(gè)常值，所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)效應(yīng)也會(huì)因極性相反而相互抵消。這樣，可以使數(shù)據(jù)傳輸線路不受外部輻射影響；同時(shí)，當(dāng)其向外部發(fā)出射線的時(shí)候，實(shí)際是保持中性（即無輻射）。

（一）車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分類

汽車系統(tǒng)主要包括動(dòng)力傳輸系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、信息系統(tǒng)。在一般情況下，汽車上的操作系統(tǒng)有很多種，而每一個(gè)操作系統(tǒng)也都采用了不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這也就是一般所謂的"總線"，最主要的差異就是其速度。以傳送率為標(biāo)準(zhǔn)，主要分為A，B，C三類。A型為最小傳送率，采用傳感器/執(zhí)行器控制，通常不超過10kbit/s，用于汽車后視鏡控制、電子天窗、車燈照明系統(tǒng)等；B級(jí)為在不同模塊之間實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)共享的中間網(wǎng)絡(luò)，通常的信息傳輸速率為10～125kbit/s，主要適用于汽車電子舒適性系統(tǒng)、儀表盤等，一般使用于汽車CAN網(wǎng)；C級(jí)為高效、實(shí)時(shí)性可控的多通道數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，信息傳輸速度為每秒125～1Mbit/s，主要使用于汽車拖曳控制系統(tǒng)、先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)管理、防抱剎車等領(lǐng)域。

（二）LIN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性

LIN又稱“本地子網(wǎng)”，其特點(diǎn)是把所有的控制設(shè)備集中在一個(gè)空間內(nèi)，是一種造價(jià)相對(duì)較低的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)采用一主多從結(jié)構(gòu)，只有三條線路。利用CAN總線，對(duì)車載LIN總線進(jìn)行分析。LIN網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，所有的節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)通信任務(wù)，而主要的節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)發(fā)送任務(wù)。

（三）CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征

CAN一般稱為控制器局域網(wǎng)絡(luò)，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠在同一平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，同時(shí)還能對(duì)該平臺(tái)上的各控制裝置進(jìn)行通信，使CAN總線成為一條信息交流的高速公路。CAN總線能夠與各種不同的傳輸介質(zhì)相配合，通常情況下，可以被分成高速CAN總線和低速CAN總線，各種類型的車輛其電控系統(tǒng)及控制裝置有不同的要求。

（一）車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能

1.實(shí)現(xiàn)多路傳輸

多路傳送是指在同一線路上同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)，在通信系統(tǒng)中，信號(hào)的傳輸速率和通道的傳輸能力都非常強(qiáng)。如果只有一條線路，這是一種巨大的浪費(fèi)。多路傳送技術(shù)是將多個(gè)信號(hào)按照某種邏輯關(guān)系合并到一個(gè)通道中，然后在一個(gè)通道中進(jìn)行傳送。在信道上傳輸后，將這些信道上的多個(gè)信道進(jìn)行分離，以達(dá)到一個(gè)信道同時(shí)傳輸多個(gè)信道的功能。目前三種常用的多路復(fù)用技術(shù)分別是頻分多路復(fù)用、時(shí)分多路復(fù)用和碼分多址。

2.系統(tǒng)故障保護(hù)

為了保證該系統(tǒng)能夠更好地為汽車提供服務(wù)，需要在汽車聯(lián)網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，能夠進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)。這一自我處理功能包含軟件和硬件的自我處理功能。所謂軟件的故障保護(hù)功能，是指當(dāng)系統(tǒng)中某一控制裝置發(fā)生故障時(shí)，將觸發(fā)故障保護(hù)，相應(yīng)的電子控制裝置將不會(huì)接收到該裝置的任何信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的自我保護(hù)；所謂硬件故障保護(hù)，就是在ECU出現(xiàn)故障時(shí)，通過對(duì)其進(jìn)行硬件保護(hù)，使其以系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的固定信號(hào)進(jìn)行輸出，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.系統(tǒng)“休眠”和“喚醒”

該功能用來降低車輛熄火時(shí)對(duì)全系統(tǒng)電池的損耗，當(dāng)系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)時(shí)，信道將不再向外界發(fā)送信號(hào)，從而節(jié)省能量；在有動(dòng)作的情況下，立即將該系統(tǒng)喚醒，并隨時(shí)發(fā)出信號(hào)。

4.故障自診斷

當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)打開時(shí)，啟動(dòng)電源，首先實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。當(dāng)無任何缺陷時(shí)，可使車輛的工作性能正常運(yùn)轉(zhuǎn)；如果有一項(xiàng)功能失效，這個(gè)儀表就會(huì)發(fā)出不合格的信號(hào)。不僅能夠?qū)旊娋€路進(jìn)行故障檢測(cè)，而且還能夠?qū)ο嚓P(guān)的電氣控制部件進(jìn)行故障檢測(cè)。

（二）車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

通過數(shù)據(jù)總線將各個(gè)功能模塊或ECU連接在一起，從而完成車聯(lián)網(wǎng)信號(hào)的傳輸。其中，控制信號(hào)及傳送資料的功能模組，對(duì)信號(hào)及資料進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)譯，并傳送至總線。接收到的信息部分對(duì)其進(jìn)行譯碼，得到對(duì)應(yīng)的指令及數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的傳輸優(yōu)勢(shì)如下：

（1） 用兩條線路取代多條線路，從而有效地解決線束又粗又長(zhǎng)、占用零件多的問題；

（2） 通過將具有不同功能的控制器連接在一起，使得信息的傳遞更加方便和可靠；

（3） 與傳統(tǒng)點(diǎn)到點(diǎn)的傳送方法相比，局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的資源信號(hào)的共享速度要快得多，因此可以增加汽車的對(duì)應(yīng)速度，并可以更有效地為乘客提供服務(wù)；

（4） 該系統(tǒng)具有很高的機(jī)動(dòng)性，可以由系統(tǒng)軟件直接完成對(duì)該系統(tǒng)的功能的更新；

（5） 通過檢錯(cuò)口可使檢錯(cuò)器對(duì)系統(tǒng)的每一項(xiàng)功能進(jìn)行檢錯(cuò)，提高維修人員的工作效率。

（一）汽車線路的檢測(cè)

在進(jìn)行維護(hù)時(shí)，不同的數(shù)據(jù)總線所發(fā)揮的功能也不相同，因此，當(dāng)車輛網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)，必須仔細(xì)地查找，找出問題的線路。由于每一條數(shù)據(jù)總線都是不一樣的，在車輛網(wǎng)絡(luò)中扮演著不同的角色，如果混為一談，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的崩潰。因此，在對(duì)車輛裝載的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行具體測(cè)試時(shí)，可以將其分為兩個(gè)環(huán)節(jié)。首先是對(duì)車輛中的電氣通信狀況進(jìn)行檢測(cè)；然后是針對(duì)汽車的控制通信進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)閮烧哂泻艽蟮牟煌阅軌蛴行У胤乐钩霈F(xiàn)混亂的情形。

（二）檢測(cè)車載網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)故障

一般情況下，都是要特別重視對(duì)汽車裝載的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障檢測(cè)。這些隱患不會(huì)出現(xiàn)在明面上，但在某些情況下卻會(huì)突然發(fā)生，進(jìn)而造成車載網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。因此，在對(duì)車載的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，必須將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完全關(guān)閉，然后再對(duì)電阻進(jìn)行正確測(cè)量。需要注意的是，系統(tǒng)關(guān)閉一分鐘后，才可以繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)，否則很容易因?yàn)楦邷卦斐呻娮璧臏y(cè)量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。在此步驟中，當(dāng)測(cè)量到的電阻為0時(shí)，表示此步驟中的電網(wǎng)沒有發(fā)生故障；如果測(cè)量值與以前相差很大，那么就表明存在著短路或斷路，可以對(duì)電阻值進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)量，從而讓專業(yè)的技術(shù)人員能夠準(zhǔn)確地找出斷路或短路的具體位置，并做出正確的處理。

（三）檢測(cè)計(jì)算機(jī)的控制單元

將計(jì)算機(jī)控制裝置安裝到車載上，可以大幅降低傳感器的安裝數(shù)目，簡(jiǎn)化電路的連接，并在某種程度上降低了控制功能的重復(fù)性，從而增加系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性。在此基礎(chǔ)上，可使設(shè)備的配置費(fèi)用大幅度減少，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。計(jì)算機(jī)控制單元的優(yōu)點(diǎn)，就是使汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)越來越被人們所關(guān)注和使用。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車行業(yè)中應(yīng)用的電子技術(shù)也在不斷拓展，汽車網(wǎng)絡(luò)中所搭載的總線和通信儀器科技水平都有一定的提升，能夠最大地體現(xiàn)出汽車車載網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

（四）節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)

在車載多通道通信系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)失效會(huì)導(dǎo)致電氣控制模塊失效，造成傳輸協(xié)議或軟件出現(xiàn)錯(cuò)誤。這樣的故障通常是以批量的方式發(fā)生的，并且是不可修復(fù)的。硬件故障通常是因?yàn)橥ㄐ臝C芯者出現(xiàn)問題，導(dǎo)致車載多通道數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)不能正常工作。在對(duì)車聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)之前，需要對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以確定其是否有功能缺陷。若存在功能性故障，應(yīng)及時(shí)排除。傳感器有無功能故障，可根據(jù)其電壓值、電阻值等進(jìn)行判斷。

綜上所述，隨著汽車制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將會(huì)被更多地使用。通過本項(xiàng)目的研究，可以有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效利用，同時(shí)也可以有效地降低數(shù)據(jù)傳輸中所需的數(shù)據(jù)量和復(fù)雜度，增強(qiáng)其安全可靠性。同時(shí)，該系統(tǒng)的應(yīng)用也有助于減少維護(hù)費(fèi)用，增強(qiáng)各個(gè)控制體系之間的關(guān)聯(lián)性。隨著車載電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將會(huì)得到進(jìn)一步更新，它將具有更高的靈活性、可擴(kuò)充性、抗干擾性、更好的糾錯(cuò)能力。在具體的線路故障診斷與排除工作中，要仔細(xì)分析，透徹了解總線圖，利用專業(yè)的輔助儀器設(shè)備，按照相關(guān)的方法與步驟對(duì)線路進(jìn)行全面的檢測(cè)，才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并加以處理，使之一直處于良好的狀況，為車輛的正常運(yùn)行與運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。

作者單位：江蘇省淮陰商業(yè)學(xué)校