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1、CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术李东江汽车微机网络LAN1汽车微机网络LAN的发展情况 1994年以前车内微机网络大多以LAN(In-Vehicle Local Area Network缩写)的3种结构(点到点式、集中式、分布式)出现。分布式应用得比较广泛，但应用点到点和集中式网络的车型为数不少。 1984年以前，严格地说只是LAN发展的萌芽期，别说分布式网络，就是集中式网络甚至点到点的传输方式 (在两个点之间无中间转接站或中间计算机的直接数据传输)，都还未正式推广应用，仅有的只是1982年型的日产公爵和1983年型的丰田世纪汽车的车门光学遥控系统以及1983年型的日产豹汽车的光
2、学转向开关等，成为这一阶段的正式产品。 19851989年是LAN发展的第二阶段，在此期间，各大汽车公司的点到点和集中式网络的产品不断涌现。此间较超前的是克莱斯勒公司的纽约客车型，直接采用CCD通信协议和分布式网络。 l990年以来，汽车局域网进入了较高级的第三阶段，除了1991年型的丰田马克汽车的车门控制仍采用点到点的光控多路传输外，绝大多数车型都由集中式网络转向分布式网络。2常见车型采用的网络结构种类 为了叙述方便，对于无网络软件 (通信协议)的两点间的通信的网络雏形，也暂称网络结构，而真正的网络结构应从1988年克莱斯勒公司的纽约客车型采用的CCD通信协议算起。(1)l983年型的日产豹
3、汽车的网络主要是转向开关的点到点(光控)型式。(2)1983年型的丰田世纪汽车的网络主要是车门的集中式(光控)型式。 (3)1985年型通用凯迪拉克部生产的部分汽车的网络，主要是车身电子控制模块之间点到点 (电控)型式。 (4)1985年型的通用别克海滨汽车的网络，主要是阴极射线管显示器的集中式 (电控)型式。 (5)1986年型通用凯迪拉克部生产的阿兰特汽车的网络，主要是多路复用灯光系统的集中式 (电控)型式。 (6)1986年型的丰田滑翔机汽车的网络，主要是多视频的点到点 (电控)型式。 (7)l986年型的三菱快乐汽车的网络，主要是遥控系统的点到点 (光控)型式。 (8)1987年型的丰
4、田皇冠汽车的网络，主要是只读光盘(CD-ROM)点到点(光控)型式，还有多视频的集中式(电控)型式。 (9)1987年型的日产公爵汽车的网络，主要是车门开闭系统的集中式 (电控)型式。 (10)1988年型的克莱斯勒纽约客汽车的网络，主要是CCD(采用CDP68HC68S1通信芯片版本和MC68HC11作为CPU)通信协议的分布式 (电控)。 (H)199l年型的丰田马克汽车的网络，主要是车门多路复用系统的点到点 (光控)型式。 (12)1991年型的奔驰600SEL汽车的网络，主要是CAN(采用AN82526-Q8841通信芯片版本和Intel 8051或H8/532作为CPU)通信协议为分
5、布式 (电控)。 (13)1992年型的克莱斯勒LH汽车的网络，也是与纽约客相同的CCD通信协议的分布式 (电控)。 (14)1992年型的丰田皇冠汽车的网络，主要是i-Four通信协议的分布式 (电控)。 (15)1993年型的日产无限汽车的网络，主要是IVMS通信协议的集中式 (电控)。3丰田汽车开发和应用汽车网络LAN的意义 近年来，全世界对加强汽车电子控制技术的要求日渐增长，但是，在电子控制装置ECU增加的同时，电器配线和信号配线也愈来愈多，许多汽车的线束质量和线束直径已分别达到甚至超过40kg和60mm。由于导线太多，严重地干扰了汽车零部件的设计、布局和制造，另外，对汽车的维修也带来
6、许多不便，反过来制约了电子控制技术在汽车上的广泛应用。因此，在汽车上迫切需要开发和应用LAN，使几个ECU中的各种数据进行交换，以此促成对汽车性能的精确、高速控制和减少配线。 针对改善汽车运行、安全和经济性能，最有前途的就是对电子燃油喷射、防抱死制动系统和悬挂系统等的综合控制，因为这些系统到目前为止大多是相互独立的。实现了综合控制各个ECU，使之能相互交换各种数据，是LAN的关键技术。 汽车内的LAN是在多路复用通信的基础上建立的。为了实现多路复用通信，又需要开发专用的集成电路，这是近年来半导体厂商必须承担的艰巨任务。汽车多路复用系统，包括连接到通信集成电路总线上的多个ECU的接口，属于微机在
7、汽车上应用的关键技术之一。4丰田汽车上开发的两种供多路复用通信需要的集成电路 一种是通信控制IC，另一种是总线驱动器/接收器IC。两种IC都是根据SAEJ1850标准的PWM编码格式作为基础的通信协议。 通信控制IC的设计有与众不同的特性，如有较高的故障自动防护操作和能减少施加在ECU-CPU上的额外通信量的特性。该IC用CMOS技术制造，芯片尺寸5.5mm5.5mm，芯片上约有14000个晶体管。 总线驱动器/接收器IC也有两个特点，一是在数据传输周期中，能让进入总线扭绞线对其中一对线芯的电流，与总线中另一对线芯的返回电流精确匹配。这种电流输出和返回的精确匹配技术，能抵御电磁干扰，对车内的无
8、线电接收极为有利;另一个特点是数据接收周期中，当总线扭绞对线中的任一对线芯出现故障时，具有改变数据接收阀值电压电平的能力。该IC采用双极技术制造，在3.0mm5.7mm的芯片上约有700个元件。5.丰田公司选用SAEJ1850标准的脉宽调制(PWM)编码作为两种集成电路通信协议的基础的原因 从电子控制的角度出发，通信速率愈高，汽车的控制性能愈佳。也就是说，大家都希望大量的数据能在一个单位时间内传送和交换，而让数据通信延迟保持在最低级别。但此产生了一个不良的情况，即较高的通信速率，在高频区不可避免地伴随着增大辐射噪声的能级，因此，在车内引起无线电接收噪声。当然，采用同轴电缆或光纤等可对辐射噪声能
9、级有所限制，但目前这些技术的成本和可靠性等问题还尚待解决。所以，从实用角度出发，选择J1850-PWM作为通信控制IC和驱动器/接收器IC通信协议的基础。J1850是SAE目前推荐作B级通信的标准，即为专供汽车LAN运行在中等通信速率的标准，也可用作汽车故障诊断的接口协议基础。6.丰田汽车按SAEJ1850标准设置的两种集成电路的相关规范 按J1850标准设置的两种集成电路的相关部分规范如下: (1)主要特征。位速率41.67kbps，位编码PWM，总线访问/存取具有非破坏性位仲裁的、有碰撞检测功能的载波感知多路存取 (CSMA/CD)，传输媒体双线。 (2)帧格式。图1为J1850-PWM的
10、帧格式，数据组按字节单位，先安置最高有效位，至12字节(包括CRC和IFR)并允许调节。 (3)位和符号格式。图2表示J1850-PWM的位(指数据“1”或“0”)和符号格式。位和符号被限定在24s的间隔帧或它的整数倍帧内，对于各帧的允许误差为士2%。图1 SAE J1850-PWM帧格式图2 SAE J1850-PWM的位和符号定义 (4)传输起动条件。当总线空闲或被检测到的前导脉冲边缘处于帧间间隔(IFS)时，允许传输起动。 (5)非破坏性位仲裁。J1850-PWM采用非破坏性位仲裁。仲栽的操作原理和效果如下，位仲裁的典型电路如图3所示。在各个节点上，如果所给定的至驱动器的全部输入信号TX
11、n(图中的TX1、TX2)为低电平，那么，连接到总线 (+)和总线(一)的全部驱动晶体管都截止。由于下拉电阻与总线(+)相通，因此总线(+)的电压也处于低电平;另一方面，由于上拉/负载电阻与总线 (一)相连通，故总线 (一)的电压处于高电平。这样，各个独立节点上的接收器输出将为低电平。图3 实现非破坏性位仲裁的电路例子 如果在最末节点上给于驱动器的输入信号TXn为高电平，那么两个对应的驱动晶体管导通，总线(+)的电压将处于高电平，总线(一)处于低电平。这样，各个节点上的接收器输出高电平。这是一种具有优先赋予高电平的线“或”逻辑电路形式。 图4表示接收器输出信号波形。节点1和节点2能同时起动传输
12、数据，与在总线上的T1850-PWM相符。对于T1850-PWM的图示情况，当位“1”与位“0”相互碰撞时，位“0”总是占优势(处于支配地位)。对于该协议，要求所有的节点都具有碰撞检测能力，即使在传输过程或瞬态停止传输过程中都能一直监测着总线的状态。如果从某节点输出的波形发生畸变，节点自身能进行发送检测。具有碰撞检测能力的几个节点进行起动传输，其中总有一个节点能在帧末被破坏的情况下完成传输。图4 在J1850-PWM总线上的位仲裁 因此，通过首选的几位作为优先位，对于各个独立帧有可能赋予理想的优先次序，这样，就能确保进位最优先的帧，在最小的等待时间间隔内，甚至是总线最繁忙的情况下获得传输权。能
13、在限定的时间间隔内传递紧急信息的要求是相当重要的，有了该项技术规范，采用LAN设计出的电子控制系统一定是理想的。7通信控制IC的结构特点 通信控制IC位于主CPU与驱动器/接收器IC之间，主要功用是将 “0”和“1”数据流转换为与通信协议相符的格式，或反过来将PWM波转换为“0”和“1”数据流。 通信控制TC芯片尺寸为5.4mm5.5mm，含13500个晶体管，采用双层铝-2m COMS工艺制造。其结构特点如下: (l)发送端与接收端的脉冲宽度有差别。判别PWM位和符号可参考脉冲宽度，但发送端信号发送的脉冲宽度与接收端的脉冲宽度总会有一点差别。由于要实现非破坏性位仲裁，因此，以下两点可能是造成
14、发送与接收端脉冲宽度差异的主要原因。 脉冲上升和下降的时间不相等。非破坏性位仲裁受驱动器赋予的高电平和下拉电阻给予的低电平之间完全不同的驱动力的影响。脉冲上升时间取决于总线上的寄生电容量和驱动器上的驱动力;而脉冲下降时间取决于总线上的寄生电容量和下拉电阻的上的位仲裁驱动力。由于脉冲上升和下降时间的差值较大，因此，脉冲宽度出现了差别。 在传输位同步电路中，由于延迟造成脉宽扩展。对于非破坏性位仲裁，在任一 (或全部)正常传输节点上的位传输起动时间，在信号碰撞过程中必须相互重合。这就要求每个独立的节点都具有持续不断地监测总线、检测前导边缘，以及即便在数据传输过程中能立即发送下一位的能力。不过，在传输
15、位同步的电路中，从首次检测任一前导边缘接着传送下一位的信号处理通路，若存在着任何延迟，那么脉冲宽度会相应变宽。 脉冲宽度差别的程度主要取决于LAN的电路布局、总线长度和节点数量。由于总线长度和节点数随汽车车型而异，仅靠发送和接收系统对脉宽变动允许量作为鉴别系统工作可靠性是不充分的。若所用的参数是按照J1850-PWM的规定，那么，在各种不利条件都同时存在的情况下，要保障非破坏性位仲裁是很困难的。 根据以上存在的问题，丰田公司精心研制了具有较高可靠性的发送和接收系统，其传输波形的脉冲宽度作了选择(图5),与前面图2相比较，位 “1”和“0”的波形有所变化。图5 经选择的位和起始帧(SOF)波形
16、另外，接收过程中的抽样点也重新作了选择 (图6中的“”符号处)，经测定，这些抽样点可能是引导每个位和符号的错误识别成为最少的一组。图6 重新选择的位和符号抽样点 采用该发送和接收系统的时钟误差容限(20%)，就是通信IC时钟误差的最大允差，在此允差范围内，如果由驱动器/接收器IC和总线组成的信号通路无延迟，则通信正常。延迟容限(6.5s)就是在信号通路中允许的最大延迟级，如果通信IC时钟无误差，则信号通路中有效地建立通信。(2)配置有故障自检测功能等的多种内部控制块。通信控制IC内部块的配置如图7所示。各块的功用及特点如下:图7 通信控制IC框图 局域网LAN控制块。LAN控制块可分为传输控制
17、、传输线故障检测、帧内响应(IFR)控制、接收控制、差错检测和帧选择子块。 传输控制块转换数据为PWM波形以及对数据添加符号。 传输线故障检测器检测通信IC是否有信号送出，该功能对检测通信IC在信号接收接柱上发生的开路故障很有帮助。 帧内响应(IFR)控制块检测传送数据过程中从接收节点收到的帧内响应码，在接收数据过程中IFR控制块生成IFR码，在发读村程中加果没有从接收节点获得正确的IFR码，通信控制IC将自动地重发帧多达3次。 接收控制块在接收数据中鉴别符号和位数，同时将它们转换为位流“0”和“1”。这些操作是由前述过的发送和接收系统完成的。对所传输信号的脉冲宽度和抽样点，可以通过改变IC人
18、工掩膜的铝层达到预期的变换，于是就能精确地与原T1850-PWM相适配。接收控制块有机内数字滤波器以供衰减噪声之用。由于采用了滤波器，在边缘检测时产生了内延迟。为确保传输位同步，在前述的传输控制块内已提供了一种能补偿这种延迟的逻辑能力。 差错检测器具有检测CRC和帧长度错误的能力。 帧选择器块具有检测所接收到的帧是否按要求通过主CPU的能力。该功能使主CPU避免了接收不需要的信息，减少了进入到CPU上的载荷。 串行输入控制块。这是一个输入接口，用来发送从主CPU来的信号。它含有串行输入口和与主CPU组成的信号交换控制回路，另外还有通向LAN控制块按传输要求的信号生成回路。 传输数据缓冲器。这是
19、存储缓冲器，有存储将要发送的数据帧的能力。 接收数据缓冲器1和2。它也属于存储缓冲器，分别有存储将要被接收的数据帧的能力。如果经检测的数据和经鉴定传输到主CPU的数据无错误，那么，从LAN控制块接收到的数据首先存储在接收数据缓冲器1中，然后再转送入2中。 串行输出控制块。这是将所接收的数据传送至主CPU的输出接口，它包括串行输出口和与主CPU组成的信号交换控制回路。8驱动器/接收器IC的结构特点 驱动器/接收器IC以一个直接接口的结构与通信总线互连。其芯片尺寸为3mm5.7mm，有550个元器件(含晶体管、电阻、电容)，采用双极处理工艺。以下分为驱动器和接收器两部分叙述。 (l)驱动器的结构特
20、点。驱动总线与抑制无线电噪声技术密切相关，大家都希望尽可能将无线电噪声级减至最低。4.67kbps的通信速率，是按SAE分级的特定中等速率。但是，无线电接收装置的高频元件及所接收的调幅或调频波的噪声特性，会对汽车其他电子设备产生不利的影响，换句话说，在通信过程中，无线电噪声的出现率将成为采用LAN的最大障碍。因此，抑制无线电燥声是当务之急。对于驱动器的结构，可以说主要是选择抑制噪声的电路结构和方法。下面介绍两种抑制无线电噪声的方法。图8是传统的电压-驱动法。该方法的特征是当总线上的电压逐渐增高至止住(持平)，总线上的电流方向就突然改变，以此来限制电磁干扰辐射。不过，此方法对采用CSMA/CD的
21、LAN来说，是有缺陷的。因为采用具有碰撞检测功能的载波感知多路存取的局域网，允许有一个以上的节点同时传输数据。多节点电路的典型例子如图9所示。从理论上说，节点1开始传输稍后一点时隙，节点2才开始图8 电压-驱动法图9 采用电压-驱动法的LAN传输，假设总线驱动器赋予节点1和2的特性值相同，那么，驱动器分配给节点2的驱动力达最大级时，等量电流才分别流入节点1和2，此时流入节点1的电流仍占1/2。当节点2上的驱动力达最大级时，位于节点1和2之间的电流发生了突降，一旦节点2上的驱动力稍微超过了节点1，那么，相应P点的电流突降还更陡，这对CSMA/CD的LAN是不利的。因此，采用传统的电压-驱动法抑制
22、无线电噪声不是妥当的办法。 图10是一种电流-驱动电路。从通信控制IC发送出的脉冲信号，经过梯形脉冲生成电路进行“波形韧化”，再通过电压-电流转换器，将电压转换为电流传送。该电路能保证进入总线(+)的电流能与总线(-)返回的电流精确地匹配，原因是该方法直接控制的是电流量，而不是控制总线上的电压，因此将其称为“电流驱动”。电流驱动方法能保证总线上的电流不再发生突降，即使总线上的电流总量随现行传送数据的节点数量的增加而堪大，甚至发生碰撞，电流变化过程也只会经电压籍位器输出按此，图10中的电压箝位器，具有将总线电压限制到某一固定电平的能力。电流-驱动方法的操作与总线电压无直接关系，也就是说，并不直接
23、控制总线电压，只是不让高电压出现，因此，电压籍位器对抑制无线电噪声是可取的。图10电流-驱动控制框图 (2)接收器的结构特点。接收器的结构特点主要指其电路具有故障容错功能。图11是接收电路的接收控制框图。接收器的故障容错功能是指在绞线对中的某根线开路或短路时，通信仍能继续进行的能力，这样就增强了网络的工作可靠性。图11 接收器控制框图 电路的工作情况如下:通过交流耦合电容1和2，将通信总线上的电压转换传送至A和B点。在C点由减法电路产生一个等于A和B点间电压差的输出。峰值和底值保持电路在D和E点分别储存峰值和底值电压作为模拟信号。在F点出现一个等于峰值和底值电压电平均值的电压。C点的电压 (A
24、点和B点间的电压差)送给比较器，F点的电压也馈人比较器，再由比较器输送至通信控制IC。该电路具有恒定地调节阀电压于最佳电平以适应通信总线电压电平变化的功能。 当通信总线处于正常状态时，相应图11的各点的电压转换如图12a所示。当通信总线(+)对地短路，各点的电压转换改变为图12b所示。也就是说，如果发生了对地短路，电压跨越总线上某一双绞线的振幅变小，虽然噪声容限也跟着减少，但继续通信的功能还存在。从图12b中可看出，尽管总线 (+)对地短路，其输出波形与图、仍完全相同。所以说，这种故障容错功能体现了接收块的结构特点。图12 接收控制块波形9通信控制与驱动器/接收器IC的使用情况 丰田公司在汽车
25、上配置了由5个ECU组成的LAN系统，在LAN系统中采用了前述的通信和驱动器/接收器IC，并用一根带屏蔽的双绞线电缆作为通信总线，通信总线在车内布成环形(图13)，将5个ECU当作节点与其相连接。这些ECU分别控制汽车的发动机、悬架等。控制中必需的数据有发动机转速、汽车车速等，这些数据都经由环形总线进行传输。 两种IC及车内LAN通信的效果如下: (1)对无线电噪声的抑制能力。经试验台上试验表明，新型驱动器/接收器IC装用在车上较传统的开式集电极电路装用在车上的噪声有明显的抑制，完全能满足噪声上限规范的要求。图13 汽车网络图 (2)对电磁干扰的承受能力。LAN系统装用在汽车内能承受电磁干扰的
26、抗干扰级。所测值显示了充足的承受能力，也就是说，被测值都能满足所有频带对应的限值要求。 (3)对电气噪声的抵抗能力。测试评价时，对喇叭、空调、刮水器、大小灯、行李厢开启器等14种电气负载各驱动50次，伴随着开关负荷产生的噪声进行。测试表明它能确保检测少于或等于8位 (现今的通信协议采用8位CRC)的突发差错，因此，即使在有电气噪声存在的情况下，数据也不会被错判。 在通信过程中，如果生成的电气噪声破坏了通信帧，那么，通信控制IC的重发能力会使总线尽快地恢复稳定工况并重发数据。当然，重发也需要时间，但最多延迟一个帧的时间间隔。 大多数人认为重电气负载，如喇叭和行李厢开启器的开关转换，必定对总线的影
27、响很大，事实上刚好相反。原因是使重电气负载发出噪声的开关的激励和驱动条件是瞬时的，也就是说，重电气负载的输入、输出的信息通过量是很小的。测试和评价得出的结论是电气负载产生噪声对LAN的控制性能影响不大。 (4)对信息通过量与等待时间的测定。因为现今的通信协议采用非破坏性位仲裁，即使输入、输出信息通过量上升至100%也不会发生特别大的问题，不过，输入、输出信息通过量增加会使通信/传输等待时间增长。对于汽车控制来说，传输等待时间过长是会出问题的，因此，对于LAN网络来说，需要确定合理的等待时间。 可用检验器测量LAN通信量。检验器重复地发送出最低优先级和最高优先级帧。发送频率调至约每秒一次的较小值
28、，不会影响通信量。测试结果得知， LAN的传输等待时间的级别不会对汽车控制造成不良的影响。 总的说来，通信控制和驱动器/接收器IC已经开发作为汽车多路复用通信的核心控制块，由其构成的LAN对汽车的操纵性、 抑制无线电噪声及减少汽车配线 (线束)等方面，较传统的电子控制系统进步得多。10丰田公司除选用PWM编码协议外又定义了NRZ编码协议的原因 前述的通信控制和驱动器/接收器IC采用PWM位编码和双总线系统，主要是针对发动机和悬架等复杂控制对象的。而对于车身内部电子控制，如门锁、电动窗、可调倾角的伸缩式转向柱、车内照明设备亮度和雨刮器等的控制，都没有必要采用高成本复杂的通信IC，而只需采用较少分立元件的多路复用IC和简单的驱动器/接收器电路以及单总线系统，即可满足车身内部电子控制的需要。 为匹配这种较简单的多路复用系统，丰田公司又定义了一种功能较少以NRZ编码的协议，其主要特征及帧格式如下:总线存取方法为具有非破坏性位仲裁的、有碰撞检测功能的载波感知多路存取 (CSMA/CD)，位编码为NRZ(5位位塞入)，位速率为5kbps，数据长为2字节，错误校验为8位CRC(可检测3位以内的随机差错)，传输媒体为单线。帧格式如图14所示。图14 帧格式20
