現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)在純電動汽車控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

引言
 
    當今汽車的保有量和使用量的飛速增加使得大氣環(huán)境污染問題日益嚴重，加上石油資源危機，使得以電能作為驅(qū)動的汽車技術(shù)成為世界各汽車廠商技術(shù)競爭的熱點。但是電動汽車的產(chǎn)業(yè)化還處于初期的準備階段，與之相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品尚未形成工業(yè)體系。在這一新的領(lǐng)域我國與國外處于相近的水平，為此科技部在十?五“863”計劃專門設(shè)立了電動汽車重大專項，以進一步推動電動汽車的產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)我國汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展。
 
    現(xiàn)代汽車工業(yè)和電子技術(shù)飛速發(fā)展，汽車上的電子裝置越來越多。一輛高檔汽車的電氣節(jié)點數(shù)已達上千個，如果采用傳統(tǒng)的方法進行布線，連線的數(shù)量非常驚人而且有極大的故障隱患。為了解決這一問題，各大汽車廠商從上世紀70年代開始了車用網(wǎng)絡(luò)的研究，并取得了很大的發(fā)展，形成了多種適合不同傳輸速率及特殊用途的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如：CAN總線、LIN總線、用于診斷的KWP2000、用于X-by-wire 的TTP、多媒體應(yīng)用的MOST協(xié)議等。其中CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）是BOSCH公司于上世紀80年代提出的。為解決現(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)通信協(xié)議，可以很好的解決上述的問題?，F(xiàn)在世界上許多汽車公司，如奔馳、寶馬、大眾等公司已采用CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信。
 
    我國對車用網(wǎng)絡(luò)、總線、通訊協(xié)議的研究起步比較晚，但近年來發(fā)展比較快，尤其在電動汽車項目中總線網(wǎng)絡(luò)得到廣泛的應(yīng)用。
 
2  汽車總線的技術(shù)特征
 
    汽車總線傳輸必須確保以下幾點：保證信息能夠準確的傳送；總線節(jié)點能夠隨時訪問總線；節(jié)點根據(jù)預(yù)先確定的優(yōu)先權(quán)進行總線訪問；具有根據(jù)信息內(nèi)容解決總線訪問競爭的能力和競爭解決后獲勝站點能夠訪問總線且繼續(xù)傳輸信息；節(jié)點在盡量短的時間內(nèi)成功訪問總線；最優(yōu)化的傳輸速率（波特率）；節(jié)點的故障診斷能力；總線具有一定的可擴充性等等。
 
2.1  數(shù)字信號的編碼
    為了保證信息傳輸?shù)目煽啃?，對?shù)字信號正確編碼非常重要。汽車局域網(wǎng)數(shù)據(jù)信號多采用脈寬調(diào)制（PWM）和不歸零制（NRZ）。PWM作為編碼方案時，波特率上界為3×105Kbps，用于傳輸速率較低的場合。采用NRZ進行信息傳輸，可以達到1Mbps，用于傳輸速率較高的場合。
 
2.2  網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
    實用的汽車局域網(wǎng)是總線拓撲結(jié)構(gòu)，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等，其優(yōu)點是：電纜短，布線容易；總線結(jié)構(gòu)簡單，又是無源元件，可靠性高；易于擴充，增加新節(jié)點只需在總線的某點將其接入，如需增加長度可通過中繼器加入一個附加段。
 
2.3  總線訪問協(xié)議
    汽車總線的訪問協(xié)議一般為爭用協(xié)議，每個節(jié)點都能獨立決定信息幀的發(fā)送。如果同時有兩個或兩個以上的節(jié)點發(fā)送信息，就會出錯，這就要求每個節(jié)點有能力判斷沖突是否發(fā)生，發(fā)生沖突時按某個規(guī)律等待隨機時間間隔后重發(fā)，以避免再發(fā)生沖突。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所使用的防沖突監(jiān)聽措施多為載波監(jiān)聽多路訪問，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等都采用的是載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測+無損仲裁（C***A/CD+NDA）。
 
3  CAN總線的特點
 
    CAN總線通信協(xié)議是在考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的背景下制訂的，它采用了國際標準化組織 ISO制訂的開放系統(tǒng)互連ISO-OSI模型中的三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。CAN總線規(guī)范已被國際標準化組織制訂為國際準ISO11898，并被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。得到 MOTOROLA、PHILIPS、Intel、SIEMENS等著名半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠家的支持，進而迅速推出了各種集成CAN協(xié)議的產(chǎn)品。與一般的總線相比，CAN 總線具有可靠、靈活、實時性強的優(yōu)點。
    (1)  CAN 總線采用多主結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的任一節(jié)點可在任意時刻向其他節(jié)點發(fā)送信息，通訊方式靈活。
    (2)  網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點根據(jù)對總線訪問優(yōu)先級的不同（取決于報文標識符），最快可在134μs內(nèi)得到響應(yīng)。
    (3)  采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，可以大大節(jié)省總線沖突仲裁時間，網(wǎng)絡(luò)在擁擠的情況下也不會癱瘓。
    (4)  CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而是對通信數(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，可以方便的實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等方式的傳送接收數(shù)據(jù)，容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。
    (5)  CAN采用NRZ編碼，直接通信距離最遠可達10km（速率5Kbps），通信速率最高可達1Mbps（此時通信距離最長為40m）。
    (6)  采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低。CAN的每幀信息都有CRC效驗及其他檢錯措施，保證數(shù)據(jù)出錯率極低。
    (7)  通訊介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。
    (8)  CAN節(jié)點在錯誤嚴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)點的操作不受影響。
 
4  CAN總線在純電動汽車中的應(yīng)用
 
    純電動汽車與傳統(tǒng)汽車最大的區(qū)別就是用電能來驅(qū)動，即用電池和電機的組合來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)動機。這樣對電機的驅(qū)動控制和對電池的管理就成為電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)。另外純電動汽車的控制系統(tǒng)還包括助力轉(zhuǎn)向控制、車身系統(tǒng)控制、組合儀表等部分，每個部分都有獨立的控制單元(ECU)，一些先進的汽車上還裝備了防抱死制動控制系統(tǒng)(ABS)、安全氣囊控制系統(tǒng)(SRS)、巡行控制系統(tǒng)、驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)(ASR)、懸架控制、空調(diào)控制、防盜及其他控制等控制單元。另外，各種舒適性控制裝置和通訊系統(tǒng)也不斷增多，而且各ECU 之間有著密切的聯(lián)系，構(gòu)成了基于CAN 總線的汽車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。
 
    純電動汽車的整車控制系統(tǒng)是由兩條總線構(gòu)成，即高速CAN總線和低速總線。高速CAN總線和低速總線是兩個獨立的總線系統(tǒng)。為了便于汽車所有功能的管理，通過網(wǎng)關(guān)將這兩個總線網(wǎng)絡(luò)連接起來，不同總線間的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。這樣兩個總線分別獨立運行，只有需要在兩種總線間交換的數(shù)據(jù)才通過網(wǎng)關(guān)進行傳輸。這種方式可將不同類型的信息分開，減輕了各網(wǎng)絡(luò)總線上的負擔。高速CAN總線主要連接電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，由驅(qū)動系統(tǒng)各個子系統(tǒng)和故障分析記錄系統(tǒng)節(jié)點組成，可以實現(xiàn)對電機、電池、轉(zhuǎn)向、制動等關(guān)鍵系統(tǒng)的快速控制。
 
    低速總線主要用于連接車身系統(tǒng)，連接對象主要為汽車中的聯(lián)合裝配單元，如門窗、照明、空調(diào)、濕度傳感器、中央集控鎖等，并通過網(wǎng)關(guān)作為子網(wǎng)接入高速CAN總線，組成一個統(tǒng)一的多元網(wǎng)絡(luò)。車身中位置比較近的元件連接到一個ECU，元件的狀態(tài)和控制信號可以通過與其連接的ECU與總線進行通訊。每一個ECU自成系統(tǒng)，可以根據(jù)本地信號和總線上的信號，控制本地執(zhí)行機構(gòu)的動作，同時將與其他節(jié)點共享的信號發(fā)送到低速總線上。目前，在汽車中應(yīng)用較多的低速總線有兩種。一種是低速CAN總線，是按照ISO 11519-2、J1939以及J2284組建低速容錯CAN總線。另一種是LIN總線，即局域互連網(wǎng)絡(luò)(Local Interconnect Network)，是按照ISO 9141 標準[2]來建立，能有效的支持汽車中分布式機械電子節(jié)點的控制。LIN總線具有成本低、可靠性高的特點，可以很容易的將一些成分比較敏感的元件，如智能傳感器、舒適性設(shè)備等，連接到汽車網(wǎng)絡(luò)中，在汽車應(yīng)用中有望成為低速網(wǎng)絡(luò)的主流。
  
圖1  純電動汽車中控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
    整車控制ECU是整個汽車控制的中心。司機的鑰匙信號、加速信號、制動信號都進入到整車控制ECU，整車控制ECU通過對這些信號的分析并綜合檢測傳感器的狀態(tài)，產(chǎn)生各個節(jié)點的操作信號，并通過CAN總線將控制指令送到相應(yīng)的節(jié)點。電機控制ECU和轉(zhuǎn)向、制動ECU根據(jù)整車控制ECU的控制指令，操縱汽車按照要求行駛。高速CAN總線上還設(shè)置故障診斷ECU，負責整車故障信息的診斷和存儲，并控制故障信號顯示，還可以通過無線通訊系統(tǒng)和外部的故障診斷系統(tǒng)進行通訊。另外高速CAN總線上設(shè)置了車載記錄儀，其作用類似飛機的“黑匣子”，用于記錄行車數(shù)據(jù)，分析記錄整車系統(tǒng)的運行情況。控制網(wǎng)絡(luò)的低速總線采用LIN總線。LIN總線是單主機節(jié)點和一組從機節(jié)點多點總線，主控制器為主站，其它車身系統(tǒng)為從站，主控制器同時作為LIN總線和高速CAN總線的網(wǎng)關(guān)，將整個車身系統(tǒng)總線連成一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，這樣所有 ECU 都掛到總線上，極大地簡化了汽車內(nèi)控制系統(tǒng)的線路聯(lián)系，達到簡化布線、提高系統(tǒng)可靠性和可維護性、降低成本、更好的協(xié)調(diào)各個控制子系統(tǒng)的目的。
 
    隨著車載多媒體在車輛中的廣泛應(yīng)用，GPS、電話、音響、電視、DVD等系統(tǒng)進入汽車內(nèi)，這些裝置之間需要頻繁的通訊，而且信息量巨大，CAN總線或J1850總線無法滿足這些裝置間的通訊要求，因為傳輸?shù)乩硇畔ⅲ℅I）、數(shù)字音頻信息或車輛位置信息至少需要5Mbps的網(wǎng)絡(luò)速度，這樣就出現(xiàn)了一種新型總線IDB-1394，可以支持100、200、400Mbps的通訊速度，完全可以滿足高速通訊的網(wǎng)絡(luò)需求。
 
    CAN總線是一種控制策略總線，主要實現(xiàn)對車輛本身的控制，而IDB-1394總線則是以多媒體信息交互、共享為目的。為實現(xiàn)車身整體性能的優(yōu)化和實現(xiàn)CAN總線和IDB-1394總線間的信息流動，在兩總線間增加網(wǎng)關(guān)就可以實現(xiàn)車身總線網(wǎng)絡(luò)的一體化，從而實現(xiàn)車身的總線一體化控制。
 
5  我國在CAN總線研究的重點和關(guān)鍵技術(shù)問題
 
    CAN符合ISO/OSI的參考模型，但只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，用戶需要自己開發(fā)應(yīng)用層協(xié)議。如Rockwell公司的DeviceNet協(xié)議和Honeywell公司的SDS總線就是CAN協(xié)議基礎(chǔ)上的應(yīng)用層協(xié)議。國內(nèi)在這方面的應(yīng)用研究則剛剛起步，為了縮短同國外轎車技術(shù)水平的差距并提高自身的競爭力，我國汽車CAN總線的研究重點應(yīng)是研究和開發(fā)自己的汽車總線與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，針對具體的車型開發(fā)ECU的硬件和應(yīng)用層的軟件，并構(gòu)成車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。
 
    利用CAN總線構(gòu)建一個車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：確定總線傳輸信息的速率、容量、優(yōu)先等級、節(jié)點容量等技術(shù)問題；在高電磁干擾環(huán)境下的數(shù)據(jù)的可靠傳輸；確定最大傳輸時的延時大小；網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)的容錯和監(jiān)控、故障診斷等功能。
 
6  結(jié)論
 
    隨著汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車總線這種有巨大應(yīng)用前景的技術(shù)將得到更快的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。就我國的國情而言，加快對汽車總線技術(shù)的研究，開發(fā)有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車總線技術(shù)并應(yīng)用于自己的汽車產(chǎn)業(yè)是當務(wù)之急，也是人們工作的重點。