【文章內(nèi)容簡介】 享，便于集中實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的在線故障診斷 。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨 勢 在汽車應(yīng)用中迅速普及 短短幾年內(nèi)，汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展速度令人瞳目結(jié)舌，僅以上海大眾的兩款引進(jìn)車型為例，兩年前，人們還驚嘆作為中檔車的 PassatB5 采用了 CAN 總線控制技術(shù)，如今作為經(jīng)濟(jì)型轎車推出的 Pol。也己全面采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。從目前情況看，世界各大汽車公司的車身網(wǎng)絡(luò)控制和動力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)平臺均己基本建立，在新推出的車型中，全面采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)己成為可能?？梢詳嘌裕鼛啄陜?nèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車中的應(yīng)用將會迅速普及。 高速 、實(shí)時、容錯網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù) 線控概念 (xbywire)是 一種新的汽車工程概念，目前己有使用線控系統(tǒng)的概念車出現(xiàn)。 2020 年 1 月初在底特律舉行的北美國際車展上，展出的跑車 Autonomy 就首次在汽車中使用了 xbywire 技術(shù)。 xbywire 技術(shù)在未來將是十分重要的技術(shù)，該技術(shù)極大改善了汽車的可操縱性、安全性、設(shè)計(jì)的靈活度及總體結(jié)構(gòu)。駕駛員和方向盤之間將沒有任何機(jī)械部分的連接，使用這種技術(shù)使汽車的操縱系統(tǒng)、制動系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)能夠通過電子方式進(jìn)行控制，這就是說， 像 汽車內(nèi)的剛性傳動件將會被基于網(wǎng)絡(luò)控制的各種傳感器、控制器和電液式電動執(zhí)行器所組成的線控系統(tǒng)取而 代之。 xbywire 技術(shù)必將促進(jìn)高速、實(shí)時、容錯網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展。 多媒體、高帶寬的網(wǎng)絡(luò) 未來汽車網(wǎng)絡(luò)同時將是一個多媒體、高帶寬的網(wǎng)絡(luò)。它能使車主生活更輕松，并在某種程度上將辦公室移入車內(nèi)。若從長遠(yuǎn)來看，汽車甚至可以成為一個網(wǎng)站，人們可以下載軟件以提高汽車的性能。目前，此類技術(shù)尚處研發(fā)階段，與蜂窩移動電話技術(shù)相結(jié)合，如全球定位系統(tǒng) (GPS)和導(dǎo)航系統(tǒng)等少數(shù)技術(shù)己在高檔汽車中得到應(yīng)用。作為最早的汽車電子產(chǎn)品的汽車收音機(jī)，現(xiàn)在不止是一種娛樂工具，還可以適配導(dǎo)航系統(tǒng)、 RDS, DAB, ARI 和 RKE 等的接口。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 豐富的軟件設(shè)計(jì) 未來汽車將成為軟件產(chǎn)品，此斷言可能是一種幻想，因?yàn)楝F(xiàn)在無法想象除了機(jī)械之外，還有什么能使汽車運(yùn)動、關(guān)閉車窗和天窗、打開氣門或電動機(jī)。然而，這說明在未來的汽車中軟件主導(dǎo)硬件的趨勢是不可避免的，軟件在汽車設(shè)計(jì)中已無處不見，可以說未來汽車市場競爭的熱點(diǎn)之一就是軟件的競爭。這也正是 OSEK 產(chǎn)生的原因，使用 OSEK將大大縮短開發(fā)新型模塊的周期。將來 ，汽 車制造商必須與配件制造商、 芯片供應(yīng)商緊密協(xié)作，三方各盡所能以確保汽車工程項(xiàng)目的成功。在汽車設(shè)計(jì)過程中，軟件開發(fā)正變得與發(fā)動 機(jī)或者車身設(shè)計(jì)一樣重要。據(jù)估計(jì)，在不久的將來，會出現(xiàn)汽車專用軟件供應(yīng)商，現(xiàn)有零部件供應(yīng)商可能轉(zhuǎn)移研發(fā)的重點(diǎn)和方向。一方面，汽車軟件設(shè)計(jì)的分工會更明細(xì)和模塊化，另一方面，專用軟件的開發(fā)也是一個趨勢。 統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 目前 汽 車行業(yè)中存在許多網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，由于缺乏全世界統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上提高了汽車的制造成本。雖然建立一個統(tǒng)一的汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系是一件十分復(fù)雜和困難的工作，但在汽車制造商和供應(yīng)商之間己逐漸對這一問題達(dá)成一致 :A 類網(wǎng)絡(luò)使用 LIN。 B 類 網(wǎng) 絡(luò) 使 用 低 速 CAN,C 類網(wǎng)絡(luò)使用高速 CAN 己作 為事實(shí)上的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 。在采用xbywire 技術(shù)的下一代汽車中， TTP 或者 FIexRay 協(xié)議將是一種必然的選擇。此 外 ， 大多數(shù)汽車公司和零配件廠商對統(tǒng)一開發(fā)環(huán)境常感興趣?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，各類網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)將被合并成為一個。若真的形成這種天下一統(tǒng)的局面，那么汽車及其相關(guān)工業(yè)將受益匪淺，從而大大加快汽車技術(shù)的發(fā)展 。 車用網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在汽車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，常見的結(jié)構(gòu)有總線型網(wǎng)絡(luò)、星型網(wǎng)絡(luò)以及環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。 總線拓?fù)? 在總線拓?fù)渲?，傳輸介質(zhì)為一條總線，節(jié)點(diǎn)通過相應(yīng)的硬件接口接至總線上。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息時，其他節(jié)點(diǎn)均可接收該消息。由于所有的節(jié)點(diǎn)共享同一個信道。因此任一時刻只允許一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息。該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔仨毷褂每偩€訪問機(jī)制，這樣當(dāng)兩個或湖北汽車工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 多個節(jié)點(diǎn)同時準(zhǔn)備發(fā)送消息時，能確定哪個節(jié)點(diǎn)優(yōu)先獲得總線的訪問權(quán)。目前在汽車控制網(wǎng)絡(luò)中使用最多的是總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 如圖 所示。 圖 總線拓?fù)? 星型拓?fù)? 在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個節(jié)點(diǎn)通過點(diǎn)對點(diǎn)的方式連接到中央節(jié)點(diǎn)，因此任何兩個節(jié)點(diǎn)之間的通信都必須通過中央節(jié)點(diǎn)。 如圖 所示。 圖 星型拓?fù)? 環(huán)形拓?fù)? 在環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中， 有許多中繼器進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路連接，使整個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個封閉式的環(huán)路。 如圖 所示。 圖 環(huán)形拓?fù)? 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 湖北汽車工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 汽車 CAN 總線 CAN 總線是德國 BOSCH 公司在 20 世紀(jì) 80 年代初，為了解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。它的短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非破壞性總線性仲裁技術(shù)以及靈活的通訊方式適應(yīng)了汽車的實(shí)時性和可靠性 要求。 汽車 CAN 總線的技術(shù)背景來源于工業(yè)現(xiàn)場總線和計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)這樣非常成熟的技術(shù)，因此具有很高的可靠性，抗干擾性。 CAN 總線的特點(diǎn) CAN 作為一種多主總線，支持分布式實(shí)時控制的通訊網(wǎng)絡(luò)。其通訊介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。在汽車發(fā)動機(jī)控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，總線的位速率最大可達(dá) 1Mbit/s。 CAN 總線屬于總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)，由于其采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通訊總線相比， CAN 總線的數(shù)據(jù)通訊具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性。其特點(diǎn)可以概括如下： CAN 為多主方式工 作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。利用這一點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。 CAN 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實(shí)時要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在 134us 內(nèi)得到傳輸。 CAN 采用非破壞性總線性仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況（以太網(wǎng)則可能）。 CAN 只需通過幀濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接受數(shù)據(jù)，無需專門的 “調(diào)度 ”。 CAN 采用 NRZ 編碼，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10km（速率 5kbps）；通信速率最高可達(dá) 1Mbps(此時通信距離最長為 40m)。 CAN 上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達(dá) 110 個；標(biāo)示符可達(dá) 2032 種（ ） ,而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn) ()的標(biāo)示符幾乎不受限制。 采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 CAN 的每幀信息都有 CRC 效驗(yàn)及其他檢錯措施，保證數(shù)據(jù)出錯率極低。 CAN 的 通信介質(zhì)可為雙鉸線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。 CAN 節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。 CAN 總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 國內(nèi)汽車品牌中已經(jīng)有幾款車型應(yīng)用了總線技術(shù)，這些技術(shù)完全來自國外。目前應(yīng)用總線的國產(chǎn)車中大多采用兩套獨(dú)立的 CAN 總線：一套是動力 CAN 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，另一套是舒適 CAN 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。 使用 CAN 總線后，對其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，得出以下結(jié)論： 1) 如果數(shù)據(jù)擴(kuò)展以增加新的信息，只需升級軟件即可。 2) 控制單元對所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行實(shí)時檢測，檢測 到故障后存儲故障碼。 3) 使用小型控制單元及小型控制單元插孔可節(jié)省空間。 4) 使傳感器信號線減至最少，控制單元可做到高速數(shù)據(jù)傳輸。 5) CAN 總線符合國際標(biāo)準(zhǔn)，因此可應(yīng)用不同型號控制單元間的數(shù)據(jù)傳輸。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 三 章 方案對比 這次設(shè)計(jì)的主要目的是 在選定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠A(chǔ)上，通過一種選定的通信介質(zhì)完成汽車通信網(wǎng)絡(luò)的組建，有以下幾種方案： ， WireCAN WireLIN 本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN)是一個低成本、單線串行總線，能執(zhí)行全雙工串行通信 。 LIN 用在汽車的分布式電子系統(tǒng)中，例如與智能傳感器和傳動器的通信。 LIN 協(xié)議能采用低成本的 UART/SCI 接口來實(shí)現(xiàn)，幾乎所有的微控制器都提供這些接口。 LIN 網(wǎng)絡(luò)由一個主控和多個從器件組成，主控器件發(fā)起所有的通信。 所有節(jié)點(diǎn)執(zhí)行包括發(fā)送和接收任務(wù)在內(nèi)的從屬通信任務(wù)。此外，主節(jié)點(diǎn)執(zhí)行主控發(fā)送任務(wù)，主控任務(wù)能決定什么時候、哪一個幀將在總線上傳輸。在該方式中，沒有總線仲裁，并且在最壞情況下每個消息的時間很容易計(jì)算。當(dāng)一個消息幀發(fā)送時，在接收和過濾標(biāo)識符后，僅有一個從器件得到激活。 如圖 所示。 總線上的所 有消息以幀的形式發(fā)送，幀由一個幀頭和響應(yīng)字段(response field)組成。主控器件始終在總線上發(fā)送幀頭，幀頭至少由一個 13 位字段、一個同步字節(jié)和一個 6 位標(biāo)識符組成，該標(biāo)識符的范圍為 0 到 63。響應(yīng)字段由兩個、四個和八個數(shù)據(jù)字節(jié)和具有倒置 8 位和的校驗(yàn)和字段，以及所有的數(shù)據(jù)字節(jié)和標(biāo)識符組成。 圖 顯示了在一個消息幀上所有字段的排列順序 只有很少微控制器集成有專用的 LIN 硬件，大多數(shù)供應(yīng)商用 SCI 或 UART 來提供支持。因?yàn)?LIN 物理層是一個從汽車自診斷用 ISO9141 標(biāo)準(zhǔn)引出的單線 12V 總線，所 以需要一個外部 LIN 收發(fā)器來轉(zhuǎn)換電平。例如當(dāng)前市場上已有供貨的摩托羅拉 IMC33689 LIN 和英飛凌公司的 TLE62592G 收發(fā)器。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 WireCAN 在傳統(tǒng)的 CAN 總線系統(tǒng)中 主要采用微處理器、 CAN 控制器和 CAN 總線驅(qū)動器模式，如圖 所示。 圖 基本電路 SJA1000 的 AD0~AD7 連接到微處理器 8051 的 P0 口， CS 連接到 8051 的 。 為 0 時 CPU 片外存儲器地址可選中 SJA1000， CPU 通過這些地址可對 SJA1000 執(zhí)行相應(yīng)的讀 /寫操作。 SJA1000 的 RD、 WR、 ALE 分別與 8051 的對應(yīng)的引腳相連， INT 接8051 的 INT0， 8051 頁可以通過中斷方式訪問 SJA1000。 為了增強(qiáng) CAN 總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力， SJA1000 的 TX0 和 RX0 并不直接與 82c250相連，而是通過高速光耦 6N137 后與 82C250 相連，這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線上的各CAN 節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。不過，應(yīng)該特別說明的一點(diǎn)是，光耦部分電路所采用的兩個電源 VCC 和 VDD 必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離可采用小功率的電源隔離模塊或帶多 5V 隔離輸出的開關(guān)電源模塊 實(shí)現(xiàn)。這些部分雖然增加了接口電路的復(fù)雜性，但是卻踢過了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。 82C250 與 CAN 總線的接口部分野采用了一定的安全和抗干擾措施。 82C250 的CANH 和 CANL 引腳各自通過一個 5 歐的電阻與 CAN 總線相連，電阻 起到了一定的限流的作用，保護(hù) 82C250 免受過流的沖擊。 CANH 和 CANL 與地之間并聯(lián)了兩個 30pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。為了減少反射，在總線的兩端加了 120 歐的電阻已達(dá)到阻抗匹配 的目的 。 82C250 的 Rs 腳 上接有一個斜率電阻，電阻的大小可根據(jù)總 線的通信速率適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，一般在 16~140K 歐之間。 FiberCAN 在現(xiàn)代通訊網(wǎng)中為了解決大容量．高速率、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸問題，產(chǎn)生了光纖通訊湖北汽車工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 網(wǎng)。與雙絞線和同軸電纜相比， 光纜還具有不輻射 、不導(dǎo)電、不存在光信號相互干擾的影響，也不會有在線路 “接頭處 ”感應(yīng)耦合導(dǎo)致的安全問題。目前光纖的另一優(yōu)越性能——強(qiáng)大的抗 EMI 能力， 引起人們的關(guān)注． 所以為進(jìn)一步提高 CAN 網(wǎng)絡(luò)的性能， 采用光纖作傳輸介質(zhì)十分必要。 FiberCAN 節(jié)點(diǎn) FiberCAN的節(jié)點(diǎn)連接方式和 WireCAN大致相同， 只是物理數(shù)據(jù)發(fā)送 的介質(zhì)是 光纖，發(fā)送器為 光電轉(zhuǎn)換器。 其原理圖 如圖 。 圖 CAN接口原理圖 光纖的選擇 塑料光纖 (POF)具備了有利于大量生產(chǎn)的若干優(yōu)點(diǎn)。首先，它是柔韌的并能在行車車輛中承受振動。其次， 因?yàn)?POF是大直徑光纖，它能傳輸?shù)墓馔?量 大。另外，這種光纖可允許中心軸線錯位，不需要高度精密的接頭，能容易與光源連接。第 ， POF易于切斷和加工。 汽車工程師們發(fā)現(xiàn)，選擇最適用于汽車內(nèi)部環(huán)境的光纖類型是更可取的， 而不是在汽 車中信號傳輸網(wǎng)絡(luò)中僅采用單一種類的光纖。目前有兩種類型的塑料光纖： PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯 )和 PC(聚碳酸酯