现场总线网络在纯电动汽车控制系统的应用研究

引言
 
    当今汽车的保有量和使用量的飞速增加使得大气环境污染问题日益严重，加上石油资源危机，使得以电能作为驱动的汽车技术成为世界各汽车厂商技术竞争的热点。但是电动汽车的产业化还处于初期的准备阶段，与之相关的技术和产品尚未形成工业体系。在这一新的领域我国与国外处于相近的水平，为此科技部在十?五“863”计划专门设立了电动汽车重大专项，以进一步推动电动汽车的产业化，实现我国汽车工业的跨越式发展。
 
    现代汽车工业和电子技术飞速发展，汽车上的电子装置越来越多。一辆高档汽车的电气节点数已达上千个，如果采用传统的方法进行布线，连线的数量非常惊人而且有极大的故障隐患。为了解决这一问题，各大汽车厂商从上世纪70年代开始了车用网络的研究，并取得了很大的发展，形成了多种适合不同传输速率及特殊用途的网络协议，如：CAN总线、LIN总线、用于诊断的KWP2000、用于X-by-wire 的TTP、多媒体应用的MOST协议等。其中CAN（Controller Area Network，控制器局域网）是BOSCH公司于上世纪80年代提出的。为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，可以很好的解决上述的问题。现在世界上许多汽车公司，如奔驰、宝马、大众等公司已采用CAN总线来实现汽车内部的数据通信。
 
    我国对车用网络、总线、通讯协议的研究起步比较晚，但近年来发展比较快，尤其在电动汽车项目中总线网络得到广泛的应用。
 
2  汽车总线的技术特征
 
    汽车总线传输必须确保以下几点：保证信息能够准确的传送；总线节点能够随时访问总线；节点根据预先确定的优先权进行总线访问；具有根据信息内容解决总线访问竞争的能力和竞争解决后获胜站点能够访问总线且继续传输信息；节点在尽量短的时间内成功访问总线；最优化的传输速率（波特率）；节点的故障诊断能力；总线具有一定的可扩充性等等。
 
2.1  数字信号的编码
    为了保证信息传输的可靠性，对数字信号正确编码非常重要。汽车局域网数据信号多采用脉宽调制（PWM）和不归零制（NRZ）。PWM作为编码方案时，波特率上界为3×105Kbps，用于传输速率较低的场合。采用NRZ进行信息传输，可以达到1Mbps，用于传输速率较高的场合。
 
2.2  网络拓扑结构
    实用的汽车局域网是总线拓扑结构，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等，其优点是：电缆短，布线容易；总线结构简单，又是无源元件，可靠性高；易于扩充，增加新节点只需在总线的某点将其接入，如需增加长度可通过中继器加入一个附加段。
 
2.3  总线访问协议
    汽车总线的访问协议一般为争用协议，每个节点都能独立决定信息帧的发送。如果同时有两个或两个以上的节点发送信息，就会出错，这就要求每个节点有能力判断冲突是否发生，发生冲突时按某个规律等待随机时间间隔后重发，以避免再发生冲突。网络协议所使用的防冲突监听措施多为载波监听多路访问，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等都采用的是载波监听多路访问/冲突检测+无损仲裁（C***A/CD+NDA）。
 
3  CAN总线的特点
 
    CAN总线通信协议是在考虑工业现场环境的背景下制订的，它采用了国际标准化组织 ISO制订的开放系统互连ISO-OSI模型中的三层，即物理层、数据链路层和应用层。CAN总线规范已被国际标准化组织制订为国际准ISO11898，并被公认为最有前途的现场总线之一，已经广泛的应用于工业领域。得到 MOTOROLA、PHILIPS、Intel、SIEMENS等著名半导体器件生产厂家的支持，进而迅速推出了各种集成CAN协议的产品。与一般的总线相比，CAN 总线具有可靠、灵活、实时性强的优点。
    (1)  CAN 总线采用多主结构，网络上的任一节点可在任意时刻向其他节点发送信息，通讯方式灵活。
    (2)  网络上的节点根据对总线访问优先级的不同（取决于报文标识符），最快可在134μs内得到响应。
    (3)  采用非破坏性总线仲裁技术，可以大大节省总线冲突仲裁时间，网络在拥挤的情况下也不会瘫痪。
    (4)  CAN协议废除了站地址编码，而是对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，可以方便的实现点对点、一点对多点及全局广播等方式的传送接收数据，容易构成冗余结构提高系统的可靠性和系统的灵活性。
    (5)  CAN采用NRZ编码，直接通信距离最远可达10km（速率5Kbps），通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。
    (6)  采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低。CAN的每帧信息都有CRC效验及其他检错措施，保证数据出错率极低。
    (7)  通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。
    (8)  CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。
 
4  CAN总线在纯电动汽车中的应用
 
    纯电动汽车与传统汽车最大的区别就是用电能来驱动，即用电池和电机的组合来代替传统的发动机。这样对电机的驱动控制和对电池的管理就成为电动汽车的关键技术。另外纯电动汽车的控制系统还包括助力转向控制、车身系统控制、组合仪表等部分，每个部分都有独立的控制单元(ECU)，一些先进的汽车上还装备了防抱死制动控制系统(ABS)、安全气囊控制系统(SRS)、巡行控制系统、驱动防滑控制系统(ASR)、悬架控制、空调控制、防盗及其他控制等控制单元。另外，各种舒适性控制装置和通讯系统也不断增多，而且各ECU 之间有着密切的联系，构成了基于CAN 总线的汽车控制系统网络。
 
    纯电动汽车的整车控制系统是由两条总线构成，即高速CAN总线和低速总线。高速CAN总线和低速总线是两个独立的总线系统。为了便于汽车所有功能的管理，通过网关将这两个总线网络连接起来，不同总线间的数据通过网关实现数据的共享。这样两个总线分别独立运行，只有需要在两种总线间交换的数据才通过网关进行传输。这种方式可将不同类型的信息分开，减轻了各网络总线上的负担。高速CAN总线主要连接电动汽车的驱动系统，由驱动系统各个子系统和故障分析记录系统节点组成，可以实现对电机、电池、转向、制动等关键系统的快速控制。
 
    低速总线主要用于连接车身系统，连接对象主要为汽车中的联合装配单元，如门窗、照明、空调、湿度传感器、中央集控锁等，并通过网关作为子网接入高速CAN总线，组成一个统一的多元网络。车身中位置比较近的元件连接到一个ECU，元件的状态和控制信号可以通过与其连接的ECU与总线进行通讯。每一个ECU自成系统，可以根据本地信号和总线上的信号，控制本地执行机构的动作，同时将与其他节点共享的信号发送到低速总线上。目前，在汽车中应用较多的低速总线有两种。一种是低速CAN总线，是按照ISO 11519-2、J1939以及J2284组建低速容错CAN总线。另一种是LIN总线，即局域互连网络(Local Interconnect Network)，是按照ISO 9141 标准[2]来建立，能有效的支持汽车中分布式机械电子节点的控制。LIN总线具有成本低、可靠性高的特点，可以很容易的将一些成分比较敏感的元件，如智能传感器、舒适性设备等，连接到汽车网络中，在汽车应用中有望成为低速网络的主流。
  
图1  纯电动汽车中控制网络结构图
    整车控制ECU是整个汽车控制的中心。司机的钥匙信号、加速信号、制动信号都进入到整车控制ECU，整车控制ECU通过对这些信号的分析并综合检测传感器的状态，产生各个节点的操作信号，并通过CAN总线将控制指令送到相应的节点。电机控制ECU和转向、制动ECU根据整车控制ECU的控制指令，操纵汽车按照要求行驶。高速CAN总线上还设置故障诊断ECU，负责整车故障信息的诊断和存储，并控制故障信号显示，还可以通过无线通讯系统和外部的故障诊断系统进行通讯。另外高速CAN总线上设置了车载记录仪，其作用类似飞机的“黑匣子”，用于记录行车数据，分析记录整车系统的运行情况。控制网络的低速总线采用LIN总线。LIN总线是单主机节点和一组从机节点多点总线，主控制器为主站，其它车身系统为从站，主控制器同时作为LIN总线和高速CAN总线的网关，将整个车身系统总线连成一个统一的网络，这样所有 ECU 都挂到总线上，极大地简化了汽车内控制系统的线路联系，达到简化布线、提高系统可靠性和可维护性、降低成本、更好的协调各个控制子系统的目的。
 
    随着车载多媒体在车辆中的广泛应用，GPS、电话、音响、电视、DVD等系统进入汽车内，这些装置之间需要频繁的通讯，而且信息量巨大，CAN总线或J1850总线无法满足这些装置间的通讯要求，因为传输地理信息（GI）、数字音频信息或车辆位置信息至少需要5Mbps的网络速度，这样就出现了一种新型总线IDB-1394，可以支持100、200、400Mbps的通讯速度，完全可以满足高速通讯的网络需求。
 
    CAN总线是一种控制策略总线，主要实现对车辆本身的控制，而IDB-1394总线则是以多媒体信息交互、共享为目的。为实现车身整体性能的优化和实现CAN总线和IDB-1394总线间的信息流动，在两总线间增加网关就可以实现车身总线网络的一体化，从而实现车身的总线一体化控制。
 
5  我国在CAN总线研究的重点和关键技术问题
 
    CAN符合ISO/OSI的参考模型，但只规定了物理层和数据链路层的协议，用户需要自己开发应用层协议。如Rockwell公司的DeviceNet协议和Honeywell公司的SDS总线就是CAN协议基础上的应用层协议。国内在这方面的应用研究则刚刚起步，为了缩短同国外轿车技术水平的差距并提高自身的竞争力，我国汽车CAN总线的研究重点应是研究和开发自己的汽车总线与网络应用系统，针对具体的车型开发ECU的硬件和应用层的软件，并构成车内网络。
 
    利用CAN总线构建一个车内网络，需要解决以下关键技术问题：确定总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等技术问题；在高电磁干扰环境下的数据的可靠传输；确定最大传输时的延时大小；网络的技术；网络的容错和监控、故障诊断等功能。
 
6  结论
 
    随着汽车技术的飞速发展，汽车总线这种有巨大应用前景的技术将得到更快的发展和更广泛的应用。就我国的国情而言，加快对汽车总线技术的研究，开发有自主知识产权的汽车总线技术并应用于自己的汽车产业是当务之急，也是人们工作的重点。