現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在純電動(dòng)汽車(chē)控制系統的應用研究

引言

當今汽車(chē)的保有量和使用量的飛速增加使得大氣環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴重，加上石油資源危機，使得以電能作為驅動(dòng)的汽車(chē)技術(shù)成為世界各汽車(chē)廠(chǎng)商技術(shù)競爭的熱點(diǎn)。但是電動(dòng)汽車(chē)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(zhuān)門(mén)設立了電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項，以進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現我國汽車(chē)工業(yè)的跨越式發(fā)展。

現代汽車(chē)工業(yè)和電子技術(shù)飛速發(fā)展，汽車(chē)上的電子裝置越來(lái)越多。一輛高檔汽車(chē)的電氣節點(diǎn)數已達上千個(gè)，如果采用傳統的方法進(jìn)行布線(xiàn)，連線(xiàn)的數量非常驚人而且有極大的故障隱患。為了解決這一問(wèn)題，各大汽車(chē)廠(chǎng)商從上世紀70年代開(kāi)始了車(chē)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(xiàn)、LIN總線(xiàn)、用于診斷的KWP2000、用于X-by-wire 的TTP、多媒體應用的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。為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，可以很好的解決上述的問(wèn)題?，F在世界上許多汽車(chē)公司，如奔馳、寶馬、大眾等公司已采用CAN總線(xiàn)來(lái)實(shí)現汽車(chē)內部的數據通信。

我國對車(chē)用網(wǎng)絡(luò )、總線(xiàn)、通訊協(xié)議的研究起步比較晚，但近年來(lái)發(fā)展比較快，尤其在電動(dòng)汽車(chē)項目中總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )得到廣泛的應用。

2 汽車(chē)總線(xiàn)的技術(shù)特征

汽車(chē)總線(xiàn)傳輸必須確保以下幾點(diǎn)：保證信息能夠準確的傳送；總線(xiàn)節點(diǎn)能夠隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)；節點(diǎn)根據預先確定的優(yōu)先權進(jìn)行總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)；具有根據信息內容解決總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)競爭的能力和競爭解決后獲勝站點(diǎn)能夠訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)且繼續傳輸信息；節點(diǎn)在盡量短的時(shí)間內成功訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)；最優(yōu)化的傳輸速率（波特率）；節點(diǎn)的故障診斷能力；總線(xiàn)具有一定的可擴充性等等。

2.1 數字信號的編碼
為了保證信息傳輸的可靠性，對數字信號正確編碼非常重要。汽車(chē)局域網(wǎng)數據信號多采用脈寬調制（PWM）和不歸零制（NRZ）。PWM作為編碼方案時(shí)，波特率上界為3×105Kbps，用于傳輸速率較低的場(chǎng)合。采用NRZ進(jìn)行信息傳輸，可以達到1Mbps，用于傳輸速率較高的場(chǎng)合。

2.2 網(wǎng)絡(luò )拓撲結構
實(shí)用的汽車(chē)局域網(wǎng)是總線(xiàn)拓撲結構，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等，其優(yōu)點(diǎn)是：電纜短，布線(xiàn)容易；總線(xiàn)結構簡(jiǎn)單，又是無(wú)源元件，可靠性高；易于擴充，增加新節點(diǎn)只需在總線(xiàn)的某點(diǎn)將其接入，如需增加長(cháng)度可通過(guò)中繼器加入一個(gè)附加段。

2.3 總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議
汽車(chē)總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議一般為爭用協(xié)議，每個(gè)節點(diǎn)都能獨立決定信息幀的發(fā)送。如果同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節點(diǎn)發(fā)送信息，就會(huì )出錯，這就要求每個(gè)節點(diǎn)有能力判斷沖突是否發(fā)生，發(fā)生沖突時(shí)按某個(gè)規律等待隨機時(shí)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聽(tīng)措施多為載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等都采用的是載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測+無(wú)損仲裁（C***A/CD+NDA）。

3 CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)

CAN總線(xiàn)通信協(xié)議是在考慮工業(yè)現場(chǎng)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(kāi)放系統互連ISO-OSI模型中的三層，即物理層、數據鏈路層和應用層。CAN總線(xiàn)規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場(chǎng)總線(xiàn)之一，已經(jīng)廣泛的應用于工業(yè)領(lǐng)域。得到 MOTOROLA、PHILIPS、Intel、SIEMENS等著(zhù)名半導體器件生產(chǎn)廠(chǎng)家的支持，進(jìn)而迅速推出了各種集成CAN協(xié)議的產(chǎn)品。與一般的總線(xiàn)相比，CAN 總線(xiàn)具有可靠、靈活、實(shí)時(shí)性強的優(yōu)點(diǎn)。
(1) CAN 總線(xiàn)采用多主結構，網(wǎng)絡(luò )上的任一節點(diǎn)可在任意時(shí)刻向其他節點(diǎn)發(fā)送信息，通訊方式靈活。
(2) 網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)根據對總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先級的不同（取決于報文標識符），最快可在134μs內得到響應。
(3) 采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，可以大大節省總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間，網(wǎng)絡(luò )在擁擠的情況下也不會(huì )癱瘓。
(4) CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而是對通信數據進(jìn)行編碼，這可使不同的節點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數據，可以方便的實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等方式的傳送接收數據，容易構成冗余結構提高系統的可靠性和系統的靈活性。
(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(shí)通信距離最長(cháng)為40m）。
(6) 采用短幀結構，傳輸時(shí)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，保證數據出錯率極低。
(7) 通訊介質(zhì)可為雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖，選擇靈活。
(8) CAN節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線(xiàn)上其他節點(diǎn)的操作不受影響。

4 CAN總線(xiàn)在純電動(dòng)汽車(chē)中的應用

純電動(dòng)汽車(chē)與傳統汽車(chē)最大的區別就是用電能來(lái)驅動(dòng)，即用電池和電機的組合來(lái)代替傳統的發(fā)動(dòng)機。這樣對電機的驅動(dòng)控制和對電池的管理就成為電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)。另外純電動(dòng)汽車(chē)的控制系統還包括助力轉向控制、車(chē)身系統控制、組合儀表等部分，每個(gè)部分都有獨立的控制單元(ECU)，一些先進(jìn)的汽車(chē)上還裝備了防抱死制動(dòng)控制系統(ABS)、安全氣囊控制系統(SRS)、巡行控制系統、驅動(dòng)防滑控制系統(ASR)、懸架控制、空調控制、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也不斷增多，而且各ECU 之間有著(zhù)密切的聯(lián)系，構成了基于CAN 總線(xiàn)的汽車(chē)控制系統網(wǎng)絡(luò )。

純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)控制系統是由兩條總線(xiàn)構成，即高速CAN總線(xiàn)和低速總線(xiàn)。高速CAN總線(xiàn)和低速總線(xiàn)是兩個(gè)獨立的總線(xiàn)系統。為了便于汽車(chē)所有功能的管理，通過(guò)網(wǎng)關(guān)將這兩個(gè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)，不同總線(xiàn)間的數據通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現數據的共享。這樣兩個(gè)總線(xiàn)分別獨立運行，只有需要在兩種總線(xiàn)間交換的數據才通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸。這種方式可將不同類(lèi)型的信息分開(kāi)，減輕了各網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)上的負擔。高速CAN總線(xiàn)主要連接電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)系統，由驅動(dòng)系統各個(gè)子系統和故障分析記錄系統節點(diǎn)組成，可以實(shí)現對電機、電池、轉向、制動(dòng)等關(guān)鍵系統的快速控制。