肖相春
(柳州市運(yùn)天運(yùn)運(yùn)輸有限公司,廣西 柳州 545002)
隨著汽車使用電氣設(shè)備越來越多,從發(fā)動(dòng)機(jī)控制到傳動(dòng)系統(tǒng)控制,從行駛、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制,到安全保證系統(tǒng)及儀表報(bào)警系統(tǒng),從電源管理到提高舒適性而作的各種努力,汽車電氣系統(tǒng)形成一個(gè)復(fù)雜的龐大系統(tǒng),而這些都要集中在駕駛室進(jìn)行集中控制。
此外,隨著近年ITS的來發(fā)展,以3G(GPS、GIS和GSM)為代表的新型電子通訊產(chǎn)品的出現(xiàn),對(duì)汽車的綜合布線和信息的共享交互,提出了更高的要求。從布線角度分析,傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式,相互之間少有聯(lián)系,這樣會(huì)造成龐大的布線系統(tǒng)。
據(jù)統(tǒng)計(jì),一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中,其導(dǎo)線長(zhǎng)度可達(dá)2000m,電氣節(jié)點(diǎn)達(dá)1500個(gè)。而根據(jù)統(tǒng)計(jì),該數(shù)字大約每10年增長(zhǎng)1倍。無論從材料成本還是工作效率看,傳統(tǒng)布線方法,都將不能適應(yīng)汽車的發(fā)展。
從信息共享角度分析,現(xiàn)代典型的控制單元有電控燃油噴射系統(tǒng)、電控傳動(dòng)系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)、防滑控制系統(tǒng)(ASR)、廢氣再循環(huán)控制、巡航系統(tǒng)和自動(dòng)恒溫空調(diào)系統(tǒng)。為了滿足各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,有必要對(duì)汽車公共數(shù)據(jù)實(shí)行共享,如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、油門踏板位置等。但每個(gè)控制單元對(duì)實(shí)時(shí)性的要求,是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期不同而不同,這就要求其數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先競(jìng)爭(zhēng)的模式,且本身具有較高的通信速率,CAN總線正是為滿足這些要求而設(shè)計(jì)的。
CAN總線又稱作汽車總線,其全稱為“控制器局域網(wǎng)”(CAN,Controller Area Network)。CAN總線是一種現(xiàn)場(chǎng)總線(區(qū)別于辦公室總線),是德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的電控模塊(ECU)之間的數(shù)據(jù)交換,而開發(fā)的一種串行通信協(xié)議。CAN總線的設(shè)計(jì),充分考慮了汽車上惡劣工作環(huán)境,可靠性高。因此CAN總線在諸多現(xiàn)場(chǎng)總線中獨(dú)占鰲頭,成為汽車總線的代名詞。
完善的汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖
CAN總線可有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制,通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖,其主要特點(diǎn)是:
(1)CAN總線為多主站總線,各節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,不分主從,通信靈活;
(2)CAN總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù),優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn),優(yōu)先傳送數(shù)據(jù),可滿足實(shí)時(shí)性要求;
(3)CAN總線具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能;
(4)CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu),每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個(gè),數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短,受干擾的概率低,重新發(fā)送的時(shí)間短。并有CRC及其他校驗(yàn)措施,數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?,適于在高干擾環(huán)境中使用;
(5)CAN總線上某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí),可自動(dòng)脫離總線,而總線上的其他操作不受影響;
(6)CAN總線系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí),可直接將新節(jié)點(diǎn)掛在總線上,因而走線少,系統(tǒng)擴(kuò)充容易,改型靈活。
(7)CAN總線最大傳輸速率可達(dá)1Mb/s(此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m),直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(速率5 kb/s以下)。
(8)CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù),主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路。在標(biāo)準(zhǔn)幀(11位報(bào)文標(biāo)識(shí)符)可達(dá)110個(gè),而在擴(kuò)展幀(29位報(bào)文標(biāo)識(shí)符)其個(gè)數(shù)幾乎不受限制。
(9)CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(成組)及全局廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù);
(10)采用不歸零碼(NRZ,Non-Return-to-Zero)編碼/解碼方式,并采用位填充(插入)技術(shù)。
對(duì)于具有CAN總線接口的電噴發(fā)動(dòng)機(jī),其他電器可共享其提供的轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、油量瞬時(shí)流速等等,一方面可省去額外的水溫、油壓、油溫傳感器,另一方面可以將這些數(shù)據(jù)顯示在儀表上,便于司機(jī)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況,從而便于發(fā)動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)維護(hù)。
再比如,電渦流緩速器、空氣懸架、門控制及巡航定速控制,都用到車速數(shù)據(jù),結(jié)果這些電器都有一套車速處理電路,浪費(fèi)了資源。而采用總線技術(shù)后,都可以從總線上即可獲得車速數(shù)據(jù)。
由于采用總線技術(shù),模塊之間的信號(hào)傳遞,僅需要兩條信號(hào)線。布線局部化,車上除掉總線外,其他所有橫貫車身的線都不再需要了,節(jié)省了布線成本。另外,數(shù)據(jù)共享也節(jié)省了線路,還拿車速信號(hào)打比方,在沒有總線的情況,車速信號(hào)要接到電渦流緩速器、空氣懸架、門控制及電噴發(fā)動(dòng)機(jī)。有了總線后只要接到一處,其他電器可以通過總線共享數(shù)據(jù)。
發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制,點(diǎn)火時(shí)必須滿足下列條件:一是空檔;二是鑰匙處于ON檔,另外還需點(diǎn)火保護(hù)裝置。以往是靠一系列繼電器來實(shí)現(xiàn)這些功能,既不可靠又增大成本,而用軟件實(shí)現(xiàn),既可靠又無資金投入。軟件具有錯(cuò)誤診斷能力和自動(dòng)恢復(fù)能力,節(jié)省了生產(chǎn)維護(hù)成本。
對(duì)于總線內(nèi)部錯(cuò)誤,總線系統(tǒng)可以通過自身軟件進(jìn)行自動(dòng)恢復(fù)。而非總線車輛,一旦出現(xiàn)故障,第一,更依賴于人工;第二,往往需要對(duì)復(fù)雜線束逐根測(cè)量;第三,需要對(duì)相關(guān)電器依次測(cè)定。整個(gè)過程非常費(fèi)工時(shí),而且準(zhǔn)確率不高。
CAN節(jié)點(diǎn)幾乎可以在不改動(dòng)原有線束的情況下,增加新的組件,數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,CAN總線具有線間干擾小、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。由于VITI-CAN系統(tǒng)采用的是模塊化管理,各模塊按其功能,分散地?cái)[放在車內(nèi),簡(jiǎn)化了布線并縮短了線束的長(zhǎng)度,從而降低了耦合電流的產(chǎn)生,減小了線間干擾。
同時(shí)在軟件上,CAN總線采用短幀傳輸,這樣使總線數(shù)據(jù)報(bào)文在傳輸過程中有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN總線專為汽車量身訂做,可靠性有保障。CAN總線的設(shè)計(jì)充分考慮了汽車上惡劣工作環(huán)境,比如點(diǎn)火線圈點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大的反沖電壓,電渦流緩速器切斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)100℃左右的高溫。
CAN總線技術(shù)在汽車中的應(yīng)用,具有以下優(yōu)勢(shì):
采用CAN總線技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)各ECU之間的信息共享,減少不必要的線束和傳感器。例如具有CAN總線接口的電噴發(fā)動(dòng)機(jī),其他電器可共享其提供的轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、油量瞬時(shí)流速等,這樣一方面可省去額外的水溫、油壓、油溫傳感器,另一方面可以將這些數(shù)據(jù)顯示在儀表上,便于司機(jī)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況,從而便于發(fā)動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)維護(hù)。
新型電子通訊產(chǎn)品的出現(xiàn),對(duì)汽車的綜合布線和信息的共享交互,提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng),大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式,相互之間少有聯(lián)系,這樣必然造成龐大的布線系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì),一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中,其導(dǎo)線長(zhǎng)度可達(dá)2000m,電氣節(jié)點(diǎn)達(dá)1500個(gè),而且該數(shù)字大約每10年增長(zhǎng)1倍。這種傳統(tǒng)布線方法,不能適應(yīng)汽車的發(fā)展。CAN總線可有效減少線束,節(jié)省空間。例如某車門-后視鏡、搖窗機(jī)、門鎖控制等的傳統(tǒng)布線,需要20~30根,應(yīng)用總線CAN則只需要2根。
在一定事故下,需要對(duì)各ECU進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制,而這是傳統(tǒng)汽車控制方法難以完成的。CAN總線技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)多ECU的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)控制。在發(fā)生碰撞事故時(shí),汽車上的多個(gè)氣囊可通過CAN協(xié)調(diào)工作,它們通過傳感器感受碰撞信號(hào),通過CAN總線將傳感器信號(hào)傳送到一個(gè)中央處理器內(nèi),控制各安全氣囊的啟動(dòng)彈出動(dòng)作。
此方案是一個(gè)完整的分布式汽車電子控制系統(tǒng),其采用多子網(wǎng)結(jié)構(gòu),將信息交換比較密切的系統(tǒng)放在一個(gè)子網(wǎng)中,使整個(gè)系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性,不同子網(wǎng)之間,根據(jù)不同的應(yīng)用特點(diǎn),采用不同的物理層接口,以及通信速率,優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如圖2所示。
圖2 CAN總線應(yīng)用方案一
該方案簡(jiǎn)化了各個(gè)CAN子網(wǎng)的設(shè)計(jì)難度,但是整車的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及總線通信協(xié)議比較復(fù)雜,硬件上對(duì)網(wǎng)關(guān)的要求比較高,需要有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,而且系統(tǒng)成本比較高,適合于中高檔轎車采用。
圖3 CAN總線應(yīng)用方案二
整車的CAN總線網(wǎng)絡(luò),分為高速網(wǎng)絡(luò)和低速網(wǎng)絡(luò)兩部分,高速網(wǎng)采用雙線式高速CAN總線(1Mb/s),低速網(wǎng)采用雙線式CAN總線(125 kb/s)。儀表顯示模塊作為網(wǎng)關(guān)完成兩部分?jǐn)?shù)據(jù)之間的傳輸。CAN總線應(yīng)用方案二如圖3所示。
整個(gè)系統(tǒng)分為高速和低速兩部分,動(dòng)力傳動(dòng)總線和安全總線合并成高速總線。這樣做,降低了通信的實(shí)時(shí)性,但是考慮到傳動(dòng)系總線中一般是周期性的數(shù)據(jù),而安全總線中一般是突發(fā)性的數(shù)據(jù),只要選擇合適的幀優(yōu)先級(jí),就可以彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)。舒適總線和信息總線合并為低速總線,這兩部分中對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高,125 kb/s的速率完全可以滿足需求。
CAN總線作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線,已開始在先進(jìn)的汽車上得到應(yīng)用,使得各汽車計(jì)算機(jī)控制單元,能夠通過CAN總線共享所有的信息和資源,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)可靠性和可維護(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。這樣使得汽車的動(dòng)力性、操作穩(wěn)定性、安全性都上升到新的高度。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展,具有高度靈活性、簡(jiǎn)單的擴(kuò)展性、優(yōu)良的抗干擾性和處理錯(cuò)誤能力的CAN總線通信協(xié)議,必將在汽車電控系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。
在國(guó)外,汽車總線技術(shù)已經(jīng)基本形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),硬件接口也已統(tǒng)一,芯片也已定型、量產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)許多汽車電子廠商都在開發(fā)CAN總線系統(tǒng),各個(gè)產(chǎn)品正在陸續(xù)推出。就中國(guó)而言,汽車總線更是一項(xiàng)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè),有著無限的前景;目前在進(jìn)入家庭的10萬元車型中,廣本飛度、POLO勁取已經(jīng)采用CAN線技術(shù),汽車電氣維修率低,市場(chǎng)反映良好,相信總線系統(tǒng)在中國(guó)汽車工業(yè)的普及應(yīng)用,已經(jīng)為期不遠(yuǎn)。
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