汽车计算机控制系统研究

李 磊 李 敏

摘要在借鉴计算机网络技术和现场总线技术的基础上,人们开发出了适用于汽车内部、外部环境的汽车网络技术。目前,汽车已成为机械、电子、信息交换一体化的装置。车载网络无疑是汽车电控系统中的一个重要组成部分,它可以使大批的数据信息在不同的电子单元中共享。它也是汽车发展史上的一个里程碑,同时也是汽车电子技术中最活跃的领域。其中CAN总线网络作为一种极具潜力的控制器局域网,在汽车计算机控制系统中有着广阔的应用前景。

关键词汽车CAN计算机网络技术SAEJ1939

中图分类号:TP3文献标识码:A

现代汽车电控单元众多。汽车计算机控制涉及到汽车自身的动力性、经济性、安全性、可靠性、净化性和舒适性等诸多方面,具体包括发动机控制,自动变速器控制、巡行控制、抱死制动控制、照明控制、空调控制、驱动防滑控制、仪表管理系统、防盗等计算机控制单元(ECU),而且各种控制系统的电控单元相互联系紧密,需要随时进行实时数据通信。且各控制单元要求系统响应的时间不太一样。即数据交换网是基于优先权竞争的模式。如制动防抱死系统、安全气囊装置等对实时性要求很高。系统指令发出以后,如果执行器不能及时作用,就可能造成严重后果。另外有些系统如灯光照明、座椅调节等对系统的响应时间的要求就相对较低。通过分别构造高、低速CAN网络,对实时性要求高的计算机控制单元采用高速CAN网络传输;其它采用低速CAN网络传输,并采用DSP微控制器兼作网关。使得传输线束大大简化,可靠性大大提高。下面简要介绍几种用于汽车的网络技术。

1 CAN

CAN,全称为“Controller Area Network”,即控制器局域网,是由ISO定义的串行通讯总线,主要用来实现车载各电控单元之间的信息交换,形成车载网络系统,CAN数据总线又称为CAN—BUS总线。CAN协议中每一帧的数据量都不超过8个字节,以短帧多发的方式实现数据的高实时性;CAN总线的纠错能力非常强,从而提高数据的准确性;同时CAN总线的速率可达到1M bit/s,是一个真正的高速网络。它的非破坏性总线性仲裁技术以及灵活的通讯方式,适应了汽车的实时性和可靠性要求。特别适用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。其通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。

汽车CAN总线的技术背景来源于工业现场总线和计算机局域网这样成熟的技术,因此具有很高的可靠性和抗干扰性。CAN总线应用于这些计算机控制系统,取代传感器、电控单元和执行器之间以及电控单元之间的专线联系方式,构成了基于CAN总线的汽车控制系统网络。

通常,该网络包括发动机控制、传动系控制、车身控制和仪器仪表等四个功能独立的CAN总线网络。我们通过网关将这四个CAN总线网络联系起来。网关通过对CAN总线间待传数据信息的智能化处理,确保只有某类特定的信息才能够在网络间传输。例如,车身CAN总线网络要从发动机CAN总线网络索要某一信息时,网关计算机就从后者中取得有关的信息并按要求作一定的处理后再进行传输。这种方式可将不同的信息分开,减轻了各网络总线上的负载。CAN总线应用到汽车计算机控制系统后,所有ECU都连到CAN总线上,极大地简化了汽车计算机控制系统的线路连接。

目前,汽车上的网络连接方式主要是采用两条CAN总线。一条是用于驱动系统的高速CAN,速率达到500kb/s;另一条是用于车身系统的低速CAN,速率是100kb/s。驱动系统的高速CAN的主要连接对象是发动机控制器、ABS及ASR控制器、安全气囊控制器、组合仪表等。它们的基本特征相同,都是控制与汽车行驶直接相关的系统。关系车体安全性等。车身系统的低速CAN的主要连接对象是车门的中控门锁与防盗控制开关、电动车窗、后视镜和车厢内照明灯等。另外,我们还设置“网关”,在各个CAN总线之间搭桥,以实现信息共享。

CAN总线使得各汽车计算机控制单元能够通过CAN总线共享所有信息和资源。达到简化布线,减少传感器数量,避免控制功能重复,提高系统可靠性和维护性,降低成本,更好地匹配和协调各个控制系统的目的。

当然,CAN网络技术还需要进一步完善。比如说,在手动挡汽车中,驾驶员的换挡是依照经验来进行的,有可能发生应该加高挡位而没能及时加挡的情况,即所谓的低档高速行驶。这样既不利于降低油耗,又容易造成汽车传动部件磨损。如果能实现自动换挡的主动提示,车辆就能始终保持在经济时速行驶;还有就是总线标准应该统一,通信协议应该兼容。

2 SAE J1939

SAE J1939是在CAN的基础上扩展、完善形成的,它可以达到250Kbit/s的通讯速率。包括双绞线物理层规范,网络层、网络管理规范、车辆应用层、虚拟终端应用层、诊断应用及诊断连接器等部分。适用于卡车、公共汽车的控制与通信网络。它采用PDU( Protocol Data Unit协议数据单元)传送信息,每个PDU相当于CAN协议中的一帧。由于每个CAN帧最多可传输8个字节数据,因此PDU的传输具有很高的实时性。利用CAN2.0B扩展帧格式的29位标志符定义每一个PDU的含义以及该PDU的优先级。J1939协议主要作为汽车中应用的通讯协议,对汽车中应用到的各类参数 (下转第130页)(上接第128页)都进行了规定。参数的规定符合ISO11992标准。

3 FlexRay

FlexRay是为高速率数据传输和高级控制应用而设计的故障容错协议。基于FTDMA 的确定性访问方式,具有容错功能及确定的通信消息传输时间,同时支持事件触发与时间触发通信,具备高速率通信能力。

它的出现,首先是满足了可靠性要求。该系统是由两条总线和两个网络控制单元构成的一个完整网络,每个ECU分别和两条总线相连,正常情况下可以利用双通道进行数据传递,当其中一个网络发生故障时也可以由另一个备份网络承担通讯任务。其次,FlexRay还必须满足速率传输要求。如发动机、制动控制和方向控制等有很强的实时特征性,必须要求有很高的数据传输率才能满足。FlexRay采用时分多路访问(TDMA),将总线划分成很多时隙,各设备按照优先级占用不同的时隙实现对总线的复用。同时FlexRay支持星型连接和总线连接,对高速设备可以采用点对点方式与FlexRay总线控制器连接,构成星型结构;对低速网络可以采用类似CAN总线的方式连接。符合下一代汽车 X-by-Wire 系统的应用需求。

4 LIN

LIN全称为“Local Interconnect Network”,是用于连接智能传感器、执行器的低成本串行通信总线。在主从设备之间只需要一根12V的信号线。数据传输速率为20Kbps,这是因电磁干扰原因受限等许多应用条件可接受的速度。LIN基于SCI(串行通信接口)/UART(通用异步接收发送)硬件接口。属于低速、单线总线通信系统。在汽车内部构成分布式系统,用于汽车座椅、门锁、顶蓬、雨刷、门镜等设备之间的数据传输。以门窗控制为例,在车门上有门锁,车窗玻璃开关,车窗升降电机,操作按钮等,只需要一个LIN网络还可以和汽车其他系统进行信息交换,实现更丰富的功能。LIN的主从式结构不会因为一个从设备的故障而破坏整个网络,例如小偷不可能通过破坏电控后视镜而达到破坏整个防盗系统的目的。

现代汽车是一个智能化网络计算平台。将车内的控制网络与信息网络如故障信息检测系统,车况自动纪录系统。实时驾驶信息显示系统(智能化数字仪表)与嵌入式因特网互连,使每个汽车有一个Web网页,是今后车载计算机网络平台的关键核心技术。