浅析现代汽车的微机网络技术

浅析现代汽车的微机网络技术湖南株洲第一职业中专学校陈铸华【摘要】首先对现代汽车电器网络化技术进行了简要介绍，然后对汽车网络设计中的相关概念和技术特点进行了分析，对现代汽车网络技术的运用与发展作了阐叙。进一步推动我国汽车网络技术的开发工作，将会有效地提高汽车的装配效率及维修水平。主题词：微机网络技术电控系统应用1、概述近年来，全世界对汽车的外观设计、安全设计、人机工程设计等都提出了更高的要求，对加强汽车电子控制技术的要求日渐增长，但是，在电控装置ECU（汽车微机控制系统）增加的同时，电器配线和各种信号配线也愈来愈多，许多汽车的线束重量和线束直径已分别达到甚至超过了40公斤和12厘米，车内电线总长度可能超过8千米。由于导线太多，严重地干扰发汽车零部件的设计、布局和制造，另外，对汽车的维修也带来许多不便，反过来制约了电子控制技术在汽车上的广泛应用。在这种情况下，将计算机网络设计中的多路复用通信技术应用到汽车中，即汽车的微机网络开发和应用，使几个ECU中的各种数据进行交换，从而促成对汽车性能的精确、高速控制和减少配线。针对汽车运行、安全和经济性能的改善，将电子燃油喷射、防抱死制动系统和悬挂系统ECU等进行综合控制，包括连接到通信集成电路总线上的多个ECU的接口，是汽车网络设计的关键技术。如奔驰公司生产的600SEL汽车（1991）的网络，主要是CAN通信协议的分布式（电控）网络技术，1993年型的日产无限汽车，主要应用了IVMS通信协议的集中式（电控）网络技术。图1为奔驰公司某汽车局域网的功能系统框图。动力控制防抱死制动乘员安全空气悬架/点火控制模块PCMABS及牵引系统PSS电子助力转模块ICM力控制TCS向ASE网络总线仪表板显示行程计算机巡行控制气侯控制系统ICD故障诊断系系统CCS模块CCM统TCD图1奔驰汽车功能系统框图2、汽车微机网络技术的特点80年代计算机局域网技术达到实用化，这为汽车网络技术的发展提供了成熟的技术样版。汽车网络技术中的设计目标、网络拓扑结构以及通信协议等都与计算机网络技术有许多相似之处。同时集成电路技术和功率驱动器件的发展也推动了汽车网络技术的进步，丰富的硬件资源为工程师设计网络系统提供了方便。2.1汽车多路复用系统通信协议目前汽车上应用的典型通信协议版本有8种。汽车网络中电器元件的工作环境比较恶劣。为确保各ECU系统中信息能可靠传输，汽车网络系统需要对数字信号进行相应的编码。这些编码是一种具有CSMA/CD+NDA（碰撞检测功能的载波感知多路存取和非破坏性仲裁优先级控制）的分布式控制车内局域网（LAN）。其总线传输速率通过20m长度的上限约为1Mbps。随着现代汽车中信息量的增加，对于汽车底盘控制系统要求传输速率约几百kbps。根据ISO的定义，达到125kbps传输速率的定义为中、低速率，达到1Mbps的定义为高速率。高的通信速率不可避免地出现电磁辐射等干扰。一般采用金属线芯制成的双绞线作通信媒体，并且作屏蔽处理，或者采用光纤传输系统进行数据通信，从而有效地降低信号的干扰。2.2汽车微机网络LAN拓扑形式汽车内微机网络一般以LAN的3种结构（点到点式、集中式、分布式）出现。其中分布式应用得比较广泛，而应用点到点和集中式网络的车型也不少。实用的汽车局域网是总线型网络。该网络形式简单，易于扩充，要增加新节点，只需在总线上增加一个分支接头即可。由于共用一条信道，节点增多时，冲突是不可避免的。因此，这类汽车的局域网络介质访问控制方式多采用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）控制，避免多个节点发送信息时出现冲突。对于该协议，要求所有的节点都具有碰撞检测能力。如马自达汽车公司采用的PALMNET协议、德国波许公司的CAN、SAEJ1850协议等均是采用的CSMA/CD＋NDA。3、汽车微机网络的开发与运用汽车局域网技术要走出现在的高、中档轿车实现普及应用，首先就要降低网络的造价。为此，众多汽车公司和电子制造厂家都开发了各自的普及型产品，如日本丰田公司开发了根据SAEJ1850为标准的脉宽调制（PWM）编码通信协议及相应的两种集成电路产品，德国波许（BOSCH）公司为奔驰公司开发的CAN协议产品等。J1850－PWM采用非破坏性位仲裁。位仲裁的典型电路原理图如图3所示。在图4中，各节点通过检测Rx接收到的波形与Tx发送的波形比较，判断总线传输的数据是否有冲突。Bit”1”发送节点1Bit”0”发送节点2Bit”0”总线上的信号图4在J1850－PWM总线上的位仲裁丰田公司在汽车LAN网络中用一根带屏蔽的双绞线电缆作为通信总线，通信总线设计成环形网络结构，将5个汽车微机控制系统（ECU）当作节点与其相连接。ECU中的发动机转速、汽车车速等数据都经由环形总线进行传输。将通信控制和驱动器/接收器IC开发作为汽车多路复用通信的核心控制块，由其构成的LAN对汽车的操纵性、抑制无线电噪声及减少汽车配线（线束）等方面，较传统的电子控制系统要进步得多。LAN是微机网络中的一种类型，如按SAE－J1850－PWM编码的丰田皇冠汽车，其信号传输速率只达41.6kbps，属中、低速网络系统。随着电子信息系统特别是视频技术引入到汽车设计中，汽车网络通信要求具有更高的传输速率。ISO11898标准定义以125kbits/s位速率来区别高速与中、低速网络。由德国波许（BOSCH）公司和奔驰公司开发的CAN协议，是LAN中高速网络协议之一。CAN允许40m总线长度的数据传输速率可以达1Mbps，它实际上已成为最有代表性的汽车高速网络协议。目前CAN芯片的制造厂商有英特尔、摩托罗拉、NEC、飞利浦、西门子和国家半导体等公司，在市场上很容易购到，因此CAN技术被广泛应用在汽车、飞机、轮船以及工业控制等领域。针对于汽车灯光、刮水器、电动窗、照后镜、中央门锁、加热－通风－空调以及其它低速数据的通信系统，沃威克大学先进技术中心与飞利浦公司通过对CAN技术的改进和发展，共同开发了串行链路输入/输出控制器区域网（SLIOCAN），它能以低成本的造价满足低速车身控制系统的应用。目前的SLIOCAN车身控制系统如图6所示。CAN总线子网站子网站物理层物理层功率驱动器功率驱动器局部线束灯螺线管电机和传感器灯螺线管电机和传感器图6SLIOCAN车身控制系统该系统将灯群集器上的SLIO、功率驱动器以及传感器或使动器（灯、螺线管、电机）组合制成单个的“即插即用”的标准组件，各标准组件不用局部线束，而是直接连通在CAN总线上，这种模块化设计提高了系统的工作可靠性和产品质量，改善了电磁兼容性，方便了维修。4、汽车微机网络的发展汽车网络技术目前已经历了研究和开发阶段，各大汽车公司纷纷推出自己的网络技术协议和相应的硬件产品，网络协议没有实现如INTERNET网络协议类似的标准化，这将会对汽车网络进一步发展和普及带来许多问题。微电子技术的飞速发展为汽车局域网的发展提供了巨大的推动力。伴随着汽车网络协议的标准化进程，汽车网络化将能更有效地提高汽车电器的总成装配效率、增进汽车的售后服务水平、简便故障诊断和维修操作。汽车网与INTERNET网携手共进，通过发展电感遥测及高速信息网联等技术，相信末来的汽车网络将会成为汽车科技高速发展强有力的一支推进器。