引言
20 世紀90 年代以來,隨著人們對汽車動力性、舒適性、經濟性要求的提高,汽車上的電控系統的數量越來越多,增加的ECU 及其通信設備使汽車電路復雜程度增加,相應地降低了汽車的可靠性。這就要求必須采用能夠滿足高速、多路的復用通信網絡,以共享的方式傳送多種控制信息。
目前汽車上普遍采用的汽車網絡有: 局部互聯網絡L IN (Local interconnect network) 、控制器局域網CAN(Controller area network 或稱現場控制總線) 。正在發展中的汽車網絡技術還有高速容錯網絡協議FlexRay ,用于汽車多媒體和導航的MOST ,以及與計算機網絡兼容的藍牙、無線局域網等無線網絡技術。文中主要側重于已得到眾多汽車制造商推崇的網絡技術———CAN 總線和L IN 總線技術。
CAN總線、LIN總線簡介及各自通信協議
CAN總線及LIN總線簡介
CAN 網絡屬于總線式串行通信網絡。其最高速率可達1Mbps(40m) ,以多種方式工作。與一般的通信總線相比,CAN 總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性,是目前使用最廣泛的一種汽車網絡。
L IN 網絡是一種低成本的串行通訊網絡,用于實現汽車中的分布式電子系統控制。L IN 的目標是為現有汽車網絡(例如CAN 總線) 提供輔助功能。因此,L IN 總線是一種輔助的總線網絡。在不需要CAN 總線的帶寬和多功能的場合,比如智能傳感器和制動裝置之間的通訊使用L IN 總線可大大節省成本(為CAN 總線所需成本的1/ 3～1/ 2) 。目前L IN 已經成為國際標準,被多數整車廠商和配件廠商所接受。
L IN 的主要特點如下: 低成本、基于通用UART 接口;傳輸速率最高可達20kbps ;單主控制器/ 多從設備模式,無需仲裁機制;從節點不需晶振或陶瓷震蕩器就能實現自同步,節省了從設備的硬件成本;保證信號傳輸的延遲時間;不需要改變L IN 從節點的硬件和軟件就可以在網絡上增加節點。通常一個L IN 網絡上節點數目小于12個,共有64 個標志符。
CAN總線通信協議———J1939 通信協議
J1939 協議以CAN 2. 0B 為基礎,是CAN 總線的應用層協議。J1939 協議將CAN 標識符劃分為如下幾個部分:優先級( P) 、數據頁( PGN) 、協議數據單元( PDU) 格式、PDU 特定域(PS) 和源地址(SA) 。J1939/ 71 應用層文檔定義了車輛控制的各種參數及命令的PGN。表1 為J1939 的報文格式。
表1 J1939 協議報文格式
LIN總線通信協議
L IN 協議是一種建立在通用的SCI 或UART 硬件接口上、用于將車輛中分布的智能傳感器和執行器連接到車內主控制器的單總線(12V) 串行通信協議。
通過L IN 總線傳輸的實體為幀。一個報文幀由幀頭以及回應(數據) 部分組成。在一個激活的L IN 網絡中,通訊通常由主節點啟動,主節點任務發送包含有同步間隙的報文頭、同步字節以及報文標志符( ID) 。一個從節點的任務通過接收并過濾標志符被激活,并啟動回應報文的傳送。回應中包含了1 到8 個字節的數據以及一個字節的校驗碼。圖1 為L IN 協議幀結構 。
總體通信網絡設計
整車通信網絡設計
汽車內ECU 間的數據傳輸特征主要差別在于數據傳輸頻率,美國汽車工程師協會(SAE) 將汽車網絡根據速率劃分為A ( 低速: 1kbps ～ 10kbps) 、B ( 中速: 10kbps ～100kbps) 、C(高速:最高位速率可達1Mbps) 3 個等級。在一個完善的汽車電子控制系統中,許多動態信息必須與車速同步,每個ECU 對實時性的要求是因數據的更新速率和控制周期的不同而不同的。例如:一個8 缸的柴油機運行速度為2400r/ min ,電控單元控制兩次噴射的時間間隔為6. 25ms ,其中,噴射持續時間為30°的曲軸轉角(2ms) ,在剩余4ms 內需完成轉速測量、油量測量、A/ D 轉換、執行器的控制等一系列過程,這就意味著數據發送與接收必須在1ms 內完成,才能達到柴油機電控的實時性要求。同時,這也就要求其數據通信網是基于優先權競爭的模式,且本身具有極高的通信速率。CAN 總線技術正是為滿足這些要求而設計的。
然而在A 類通信網絡中,進氣溫度的參數允許響應時間為20s ,冷卻溫度的參數允許響應時間1min ,燃油溫度的參數允許響應時間約10min ( 上述3 個信號每隔100ms 或1min 采樣一次就完全足夠了) ,前后車燈開關、座椅調節、車門開閉的傳輸延遲為10～100ms ,如將這些較為簡單的ECU 節點掛在L IN 總線上,則既實現了網絡分級控制,同時也降低了車輛電子系統的開發、生產和服務的成本。
如圖2 所示,文中將數據傳輸速率較高的CAN 總線(1Mbps) 用于B、C 類網絡,其控制對象為:發動機控制器、自動變速器、驅動防滑系統、牽引力控制系統、ABS/ ASR、安全氣囊控制器及組合儀表信號的采集系統等。L IN 總線用于A 類系統,最高傳輸速率可達20kbps。其控制對象主要為:前后車燈控制開關、電動座椅開關、中央門鎖與防盜控制開關、后視鏡、空調、車窗控制開關等。這些控制對象對信息傳輸的實時性要求不高,但數量較多。采用L IN 總線可提高抗干擾能力、增加總線傳輸距離、降低成本。以門窗控制為例,在車門上有門鎖、車窗玻璃開關、車窗升降電機、操作按鈕等,只需一個L IN 網絡就可以實現。
CAN 總線和L IN 總線相互獨立,通過中央控制器實現資源共享并進行數據交換。中央控制器是整車管理系統的核心,它同時也是CAN 總線和L IN 總線的網關服務器,它的主要功能就是對各種信息進行分析處理并發出指令,協調汽車各控制單元及電器設備的工作。
接口設計
整車通信網絡是由許多CAN 節點和L IN 節點通過CAN 總線和L IN 總線連接組成的一個局域網,因此接口設計十分重要。
圖3 為中央控制器與CAN 總線、L IN 總線接口設計。中央控制器內包括了一個CAN 的控制器和一個SCI 接口。CAN 智能節點一般由MCU ,CAN 控制器和CAN 收發器組成。
目前從事CAN 總線及L IN 總線芯片開發和制造的廠商很多,如PHIL IPS ,FREESCAL E ,ONSEMI , TI 等,設計人員可以根據自身需要選擇不同的芯片組合。這里中央控制器選擇了FREESCAL E 的MC68HC908AZ60 芯片。該芯片是專為汽車電子應用設計的功能強大的8 位單片機,內部集成了低速CAN 控制器,支持CAN2. 0A/ 2. 0B ,具有一個SCI 模塊。該芯片除了完成L IN 網絡與CAN網絡的通信連接外,還兼有其它的控制功能。
L IN 節點選擇了FREESC2AL E 的器件。其中L IN 節點收發器采用MC33399 ; L IN 節點MCU 選擇MC68HC805 PV8 。由于汽車上的電磁干擾較大,為提高系統的抗干擾能力,在CAN 控制器和CAN 收發器以及L IN 控制器和L IN 收發器之間增加了由6N137 構成的光電隔離電路。
CAN 智能節點選擇PHIL IPS 器件: PCA82C250 作為CAN 收發器; CAN 節點的MCU 選用P89C591 , 因P89C591 內部集成有CAN 控制器(有PeliCAN 接口) ,所以沒有再選擇CAN 控制器,其連接圖如圖4 所示。設計人員也可以選用微控制器+ 外接CAN 控制器這樣的連接法。
PCA82C250 提供對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力。在低速和總線長度較短時,一般采用斜率控制方式,以限制上升和下降斜率,降低射頻干擾,斜率可通過調節由引腳8 至地連接的電阻進行控制。通信信號傳輸到導線的端點時會發生反射,反射信號會干擾正常信號的傳輸,因而總線兩端需接終端電阻,以消除反射信號。其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。
總結
基于CAN 總線A 類車身控制在汽車上已有廣泛應用。隨著車上總線節點的增加及高性能系統向中、低檔汽車的發展,CAN 總線相對較高的實現成本就成為一種障礙。與CAN 相比,L IN 節點的通信成本是CAN 的1/ 3～1/ 2 ,具有較明顯的成本優勢。文中的汽車通信網絡將L IN 應用于車身系統,既實現了應有的網絡控制功能,又降低了開發、生產、服務的成本,具有較高的實用性。