1.引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以全數(shù)字式現(xiàn)場(chǎng)總線為代表的現(xiàn)場(chǎng)控制儀表、設(shè)備大量應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備發(fā)生了巨大的變化。繁瑣的現(xiàn)場(chǎng)連線被單一簡(jiǎn)潔的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)所代替，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單，信號(hào)傳輸質(zhì)量也大大提高，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制用戶(hù)帶來(lái)巨大好處。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展，已形成Hart、Lonworks、Profibus、Bitbus及CAN等多種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。
隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展和在汽車(chē)上的廣泛應(yīng)用，汽車(chē)電子化程度越來(lái)越高，特別是微控制器進(jìn)入汽車(chē)控制領(lǐng)域后，給汽車(chē)發(fā)展帶來(lái)了劃時(shí)代的變化，汽車(chē)的動(dòng)力性、操作穩(wěn)定性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性、對(duì)環(huán)境的友好性都得到了大幅提升。
電子設(shè)備的大量應(yīng)用，必然導(dǎo)致車(chē)身布線愈長(zhǎng)愈復(fù)雜、運(yùn)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(hào)的利用率，要求大批的數(shù)據(jù)信息能在不同的電子單元中共享，汽車(chē)綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號(hào)也需要實(shí)時(shí)交換，傳統(tǒng)線柬已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足這種需求。針對(duì)上述問(wèn)題，就選擇了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在借鑒計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了各種適用于汽車(chē)環(huán)境的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
和其它控制現(xiàn)場(chǎng)相比，汽車(chē)內(nèi)溫度變化范圍大(-45-100℃)，電磁干擾和其它電子噪聲強(qiáng)，環(huán)境惡劣，網(wǎng)絡(luò)在車(chē)內(nèi)的運(yùn)行可靠性尤為重要，這不但體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自身的容錯(cuò)能力和抗干擾能力上，而且也體現(xiàn)在信號(hào)的編碼方式和傳輸方式上。汽車(chē)局域網(wǎng)無(wú)一例外地都采用了同步串行傳輸方式，數(shù)據(jù)信號(hào)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(guó)際知名汽車(chē)公司早在80年代就積極致力于汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究及應(yīng)用。迄今為止，已有多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，如SAE的J1850、德國(guó)大眾的ABUS、博世的CAN、美國(guó)商用機(jī)器的AutoCAN、ISO的VAN、馬自達(dá)的PALMNET等。
按照我國(guó)汽車(chē)電子技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，進(jìn)入21世紀(jì)后轎車(chē)電子技術(shù)可達(dá)國(guó)外90年代水平，屆時(shí)也將會(huì)有大量智能電子控制單元被引入。為縮短同國(guó)外轎車(chē)技術(shù)水平，提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力，單純靠技術(shù)引進(jìn)不利于長(zhǎng)期發(fā)展，消化、吸收、研究和開(kāi)發(fā)自己的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)已勢(shì)在必行。
2.汽車(chē)中的信息多路傳輸與控制器局域網(wǎng)
目前存在的多種汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其側(cè)重的功能有所不同，為方便研究和設(shè)計(jì)應(yīng)用，SAE車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)委員會(huì)將汽車(chē)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)劃分為A、B、C三類(lèi)。
A類(lèi)
面向傳感器/執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸位速率通常只有1-10kbps。主要應(yīng)用于電動(dòng)門(mén)窗、座椅調(diào)節(jié)、燈光照明等控制。
B類(lèi)
面向獨(dú)立模塊間數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡(luò)，位速率一般為10-100kbps。主要應(yīng)用于電子車(chē)輛信息中心、故障診斷、儀表顯示、安全氣囊等系統(tǒng)，以減少冗余的傳感器和其它電子部件。
C類(lèi)
面向高速、實(shí)時(shí)閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)，最高位速率可達(dá)1Mbps，主要用于懸架控制、牽引控制、先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制、ABS等系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化分布式控制和進(jìn)一步減少車(chē)身線束。到目前為止，滿(mǎn)足C類(lèi)網(wǎng)要求的汽車(chē)控制局域網(wǎng)只有CAN協(xié)議。
三類(lèi)網(wǎng)絡(luò)功能均向下涵蓋，即B類(lèi)支持A類(lèi)網(wǎng)的功能，C類(lèi)網(wǎng)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)B類(lèi)和A類(lèi)網(wǎng)功能。下面以CAN為例分別介紹三類(lèi)汽車(chē)局域網(wǎng)的典型應(yīng)用方案。
典型的A類(lèi)網(wǎng)應(yīng)用汽車(chē)防盜報(bào)警系統(tǒng)。由于車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)及行李箱開(kāi)關(guān)等信號(hào)只在一定的情況下產(chǎn)生，正常時(shí)沒(méi)有信號(hào)，所以對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求極低，低速A類(lèi)網(wǎng)就能充分滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，并且和傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，車(chē)身線束大大減少，設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單方便。
當(dāng)大量共享數(shù)據(jù)需要在車(chē)輛各智能模塊間進(jìn)行交換時(shí)，A類(lèi)網(wǎng)不再勝任，可采用B類(lèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由控制器局域網(wǎng)CAN組成的典型B類(lèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。車(chē)輛信息中心和儀表組單元無(wú)須單獨(dú)掛接液位、溫度、車(chē)燈、車(chē)門(mén)及安全帶等信號(hào)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(shù)量，有效地節(jié)約了安裝空間和系統(tǒng)成本。
通常A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不單獨(dú)使用，而是和B類(lèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合使用。本文給出的組合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，沒(méi)有摒棄A類(lèi)網(wǎng)，而是通過(guò)車(chē)身計(jì)算機(jī)連接到CAN 總線組成的B類(lèi)網(wǎng)中，使得該A類(lèi)網(wǎng)系統(tǒng)成為CAN總線的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣無(wú)須在各傳感器/執(zhí)行器部件安裝CAN控制器件就能使得信號(hào)在CAN總線上傳輸，有效地利用了A類(lèi)網(wǎng)低成本的優(yōu)點(diǎn)。
在上述的應(yīng)用中，都未充分發(fā)揮CAN總線高速大容量的特點(diǎn)。為進(jìn)一步減少車(chē)身線束，方便故障診斷，滿(mǎn)足主要電子單元或系統(tǒng)間大量數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)交換需要，使汽車(chē)各方面性能趨于最佳狀態(tài)，則需建立基于CAN總線的C類(lèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。C類(lèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案中，CAN總線有效地將發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)及自動(dòng)巡航系統(tǒng)等連接成為一個(gè)綜合控制系統(tǒng)，整車(chē)性能得到大幅度提高。
目前B類(lèi)汽車(chē)局域網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛，A類(lèi)網(wǎng)趨于淘汰，C類(lèi)網(wǎng)應(yīng)用日益廣泛。按發(fā)展趨勢(shì)，在不久的將來(lái)C類(lèi)網(wǎng)將占據(jù)主導(dǎo)地位。
協(xié)議及其支持器件
控制器局域網(wǎng)CAN是80年代初博世公司為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多控制單元、測(cè)試儀器之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行通信協(xié)議，經(jīng)多次修訂，于1991年9月形成技術(shù)規(guī)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(bào)文標(biāo)準(zhǔn)格式，2.0B給出了報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展兩種格式[呵。推出2.0B是為了滿(mǎn)足美國(guó)汽車(chē)制造商對(duì)C類(lèi)網(wǎng)應(yīng)用的要求。隨后，SAE的貨車(chē)客車(chē)控制和通信網(wǎng)絡(luò)委員會(huì)J1939投票通過(guò)了將CAN作為C類(lèi)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)應(yīng)用于客車(chē)、貨車(chē)、農(nóng)業(yè)及建筑車(chē)輛。
CAN是一種多主競(jìng)爭(zhēng)總線形式，廢除傳統(tǒng)的站地址編碼方式，代之以對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼，最多可標(biāo)識(shí)2032(2.0A)或5億(2.0B)多個(gè)數(shù)據(jù)塊。協(xié)議采用總線(BUS)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要是利用了總線結(jié)構(gòu)電纜長(zhǎng)度短、布線容易、可靠性高、易于擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)信號(hào)采用NRZ編碼，通訊速率最大可達(dá)1Mbps(距離40m)，能充分滿(mǎn)足汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制、牽引控制、防抱死制動(dòng)控制等單元間實(shí)時(shí)信息交換的需要。短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最長(zhǎng)8個(gè)字節(jié)，占用總線時(shí)間很短，從而保證了通訊的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用了15位CRC校驗(yàn)、位填充技術(shù)及完善的差錯(cuò)處理機(jī)制，有力地保證了數(shù)據(jù)通訊的可靠性。通訊價(jià)質(zhì)可采用廉價(jià)的雙絞線、性?xún)r(jià)比較高的同軸電纜或高品質(zhì)的光纖。
由于其良好的運(yùn)行特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，不但特別適合現(xiàn)代汽車(chē)各電子控制單元之間的互連通訊，而且也越來(lái)越受到其它業(yè)界的歡迎，并被公認(rèn)為最有發(fā)展前景的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。在國(guó)外，尤其是美國(guó)和歐洲，CAN已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)(奔馳、寶馬、勞斯萊斯、美洲豹等)、火車(chē)、船舶、機(jī)器人、樓宇自動(dòng)化、機(jī)械制造、醫(yī)療器械、消防管理、電力自動(dòng)化等領(lǐng)域。目前，支持CAN協(xié)議的有INTEL、MOTOROLA、PHILIPS、SIEMENS、NEC、HONEYWELL等百余家國(guó)際著名公司，其中CAN應(yīng)用器件也琳瑯滿(mǎn)目、層出不窮，已經(jīng)逐步形成產(chǎn)品系列。
目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的CAN總線產(chǎn)品有PHILIPS的PCA82C200、SJA1000、P8XC591、P8XC592、PCA82C250等。其中SJA1000和PCA82C200為獨(dú)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(fā)器，用于CAN器件與物理總線的連接。
在獨(dú)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(yīng)用模式：標(biāo)準(zhǔn)模式和Peli模式。標(biāo)準(zhǔn)模式符合CAN協(xié)議的2.0A標(biāo)準(zhǔn)，能實(shí)現(xiàn)PCA82C200的所有功能，接收緩沖器也增至64個(gè)字節(jié)；Peli模式符合2.0B標(biāo)準(zhǔn)，能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展數(shù)據(jù)格式，增加了仲裁丟失捕獲、錯(cuò)誤代碼讀取等功能，設(shè)計(jì)更為靈活方便。SJA1000內(nèi)部邏輯框圖及外部接口如圖5所示，接口管理羅輯負(fù)責(zé)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(shí)、數(shù)據(jù)收發(fā)及錯(cuò)誤管理等功能。
SJA1000的總線驅(qū)動(dòng)能力有限，不直接與總線連接，中間需經(jīng)CAN收發(fā)器和總線連接。給出了SJA1000經(jīng)PCA82C250與總線連接的原理圖。
控制器局域網(wǎng)中，只要將獨(dú)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(shè)置控制命令參數(shù)，即可組成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)掛接到總線上。集成了SJA1000的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部邏輯如圖7所示，系統(tǒng)中傳輸介質(zhì)選用價(jià)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(tǒng)中數(shù)據(jù)信息量非常大，有快速變化信號(hào)，有漸變信號(hào)。為保證總線上交通暢通，重要信息在發(fā)生總線訪問(wèn)沖突時(shí)優(yōu)先發(fā)送，合理地安排數(shù)據(jù)信息總線訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)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(shí)間延遲是決定數(shù)據(jù)訪問(wèn)總線優(yōu)先級(jí)的最主要因素。對(duì)轉(zhuǎn)矩、車(chē)速及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等快速變化的信號(hào)必須進(jìn)行高速采樣，并以相應(yīng)的速率在總線上傳輸，數(shù)據(jù)的總線訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)也高。對(duì)進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、燃油溫度等變化較慢的信號(hào)每隔100ms或1min采樣一次就完全足夠，數(shù)據(jù)的總線訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)相應(yīng)地就很低。
同樣如果一個(gè)參數(shù)信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)的正常工作顯得非常重要，也可獲得較高的優(yōu)先級(jí)。值得注意的是，數(shù)據(jù)的總線訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)的設(shè)定不是固定不變的，而是隨著各種外部參數(shù)和汽車(chē)的駕駛情況變化而不斷變化的。如發(fā)動(dòng)機(jī)控制，無(wú)論是點(diǎn)火時(shí)間控制，還是燃油噴射控制，都必須和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速同步，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，控制信號(hào)的總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)提高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，控制信號(hào)的總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)相應(yīng)降低。
4.結(jié)束語(yǔ)
隨著電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制芯片性能逐步提高，體積逐步減小，價(jià)格進(jìn)一步降低，為汽車(chē)局域網(wǎng)的普及推廣創(chuàng)造了良好的條件。智能芯片價(jià)格的下降使得各種汽車(chē)局域網(wǎng)的成本相差無(wú)幾，性能成為影響網(wǎng)絡(luò)選擇的最主要因素。CAN以其優(yōu)異的品質(zhì)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到業(yè)界的歡迎。CAN總線在汽車(chē)上的廣泛應(yīng)用將使汽車(chē)的動(dòng)力性、操作穩(wěn)定性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性都上升到新的高度，給汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。按汽車(chē)局域網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)，在不久的將來(lái)基于CAN的C類(lèi)網(wǎng)將逐步普及并占據(jù)主導(dǎo)地位。
（轉(zhuǎn)載）
