汽车电气与电子系统9.ppt

第章汽车通信网络,2,4,.概述,.多路复用通信协议,.协议,.协议,.协议,下一页,返回,第章汽车通信网络,7,.协议,.多路复用系统,.小结,上一页,返回,.概述,在传统的电控系统中，如果要增加一个来自于传感器的信息进入汽车的控制系统中，则不得不增加附加的传感器或者该新的传感器不得不被拼接进入已存在的传感器电路中。这样，生产成本由于增加了新的元件和线路而提高了。例如，为了精确地控制发动机的燃油喷射，早期的汽车要设置多达三个发动机水温传感器，一个被动力系统控制模块（）用于燃油和点火控制，另一个被冷却风扇模块用来控制散热器风扇转速，第三个被仪表板用于控制温度计，以至于结构复杂、元件多、线路增加、信息不得共享、成本增加了。,下一页,返回,.概述,为了解决这一弊端，当今的汽车制造厂采用多路复用（）系统来使得不同的控制模块之间共享数据资源。如前章所述，“多路”是一种系统，该系统采用外设串行总线传输信号取代了传统多根导线的通信方式，并允许几个模块器件共用一根公共导线上的信号。“多路”系统采用连接每个模块的总线数据口，每个模块可以在总线数据口上发送和接收数字码，从而使模块得以共享信息。从一个传感器送出的信号能达到这些模块中的任一控制模块，还可被任何别的模块使用，这样便省去传感器输出和分别接至每个模块的导线，降低了成本。,上一页,下一页,返回,.概述,“多路”复用（）系统的工作原理是这样的：该系统提供了使用单个电路在几个遍及汽车的控制模块之间发布并共享数据的能力，由于数据是通过单个电路传输的，因此省略了庞大的接线束。接线系统使用了连接每个模块并允许数据从一个模块传输到另一个模块的现场总线数据链路。每个模块能在现场总线数据链路之上传输并接收数字码，每台连接到数据总线的计算机叫做一个节点，来自某传感器的信号能到任何一个模块并能被其他的模块所使用。在多路复用之前，如果来自同一传感器的信息需要被几个控制器使用，则来自每个控制器的接线要被并联到那个传感器。如果传感器是模拟的，则控制器需安一个能“读”该传感器信息的模数（）转换器。通过使用多路复用系统，便省略了使用从该传感器到每个模块的分开导线的必要，同时在控制器中的驱动器数目也减少了。,上一页,下一页,返回,.概述,如前章所述的，二进制码被数字信号发送到节点，节点利用该码在内部和其他控制器来交流信息，一个芯片通过只允许每次发送一个编码每个数字信息的前面加上了建立其优先级的识别码。如果有两个模块试图在同一时间发送信息，则有更高优先级码的信息被最先传输。多路复用系统和非多路复用系统之间的主要差异是数据采集和处理的方法。在非多路复用系统中，来自某传感器的信号用模拟信号经一根专用的接线发送到计算机。在计算机处，信号从模拟变成了数字信号，由于每个传感器要求有自己的专用接线，因此馈送来自全部传感器的数据和把控制信号传输到全部输出装置所必需的接线是很大的。在一个多路复用系统（）系统中，信号被发送到一台计算机，在那之前如有必要，则将它从模拟转换成了数字信号。,上一页,返回,.多路复用通信协议,协议是计算机用来在数据总线之上与另一台计算机进行通信的语言。协议可在波特率和传送方法上不同，例如有些制造厂使用了脉宽调制，而有些则使用可变的脉宽。此外，在等于一个或的电位上可能也存在差异。美国汽车工程师协会已根据其波特率（通信速度）定义了不同种类的协议：类通用异步收发（）低速协议，有高达（比特每秒）的波特率。异步协议意味着在节点之间的通信只在需要时才做而不是连续的。,下一页,返回,.多路复用通信协议,类中速协议，有从到的波特率。类一种波特率在和之间的协议。较新的汽车协议受到第二代车载诊断（）需求的影响，已把协议作为类标准协议而采用，如图所示。,上一页,返回,.协议,通常所说的的国际标准组织协议是一种带.波特率的类系统。规定了一种在数据总线上的节点和一个标准化的故障诊断仪（按照标准）之间的用于诊断用途的协议，该系统是一个双线系统。如图所示。,下一页,返回,.协议,一根叫做线的接线用于把数据从模块传输到故障诊断仪。故障诊断仪提供偏置电压到该电路上，并且该模块把电压拉低传输其数据。另一根叫线的接线被模块用来从故障诊断仪接收数据，故障诊断仪提供偏置电压到该电路上，并且该模块把电压拉低以进行通信。一种采用了协议的例子是允许在单根接线上进行双向通信总线。使用总线的汽车要求故障诊断仪提供偏压以给系统加电。故障诊断仪给电路提供了高达的电压，同时数据在电压被拉低以建立一个数字信号的时候传送，如图所示。实际在电路上看到的电压基于在电路中的模块数量而能比稍低。,上一页,返回,.协议,协议使用了一根单线双向数据线在故障诊断仪和节点之间进行通信。这种系统被欧洲的很多制造厂商所使用。这种数据总线在故障诊断仪只被用来诊断和维护带.波特率的协议，由于其通信要求一个主模块，因此其收发的工作原理与系统是相似的。主模块通过轮询全部的从模块然后等待响应而控制消息的传输。随着在接线上的电压拉低，通信在一个固定的脉宽时发生。当没有任何通信发生时，在线上的电压会是。,返回,.协议,总线系统是的类标准。标准允许基于波特率的两个不同的版本。第一版本支持.的波特率。福特使用该协议并叫它标准公司协议（），该系统使用了一种双线传输的脉宽调制（）信号。第二个协议支持平均.的波特率。通用汽车和戴姆勒克莱斯勒已经采纳了这种协议，通用汽车把其系统叫乙类。而戴姆勒克莱斯勒公司把其叫做可偏程的通信接口（），这些系统使用一种带单根接线的可变的脉宽（）数据总线。,返回,.协议,主要的类协议是，这种系统称为控制器区域网（）。网络能支持高达的波特率，并被设计用于专门系统的实时控制。罗伯特博施在上世纪年代早期开发了，而且它已在欧洲成为一种非常流行的总线系统。直到最近，大部分装备总线的汽车只把总线用在模块间的通信，而不是在故障诊断仪用于诊断。故障诊断仪诊断通常在总线上进行。新的美国法规正要求总线系统作为行业标准使用。这会被用为在美国销售的汽车与故障诊断仪进行通信的新协议。,下一页,返回,.协议,虽然系统自从上世纪年代就已开始使用了，但使得它是独一无二的第一次会被用于诊断。制造厂商被要求在年车型的汽车上使用。作为一种汽车的总线系统，总线不是法定的系统，已要求把网络作为故障诊断仪与通信的协议。因此，制造厂商能继续使用任何他们希望用于汽车通信的系统。,上一页,返回,.多路复用系统,接下来是一些说明数据总线信息是如何被传输的例子，虽然有就绪的协议，但制造厂商有一些自由来设计它们希望使用的系统，下面举例说明所使用的一些方法。.类数据总线网络一种最容易的多路复用系统由克莱斯勒公司于年开发并被一直使用到年的车型上，这种系统被叫做克莱斯勒冲突检测（）。术语冲突指并发生的数据冲突。这种总线的电路使用双线。系统有如下优点：接线的导线减少；计算机中所必需的驱动器；传感器间载荷减少；,下一页,返回,.多路复用系统,增强了故障诊断能力。系统利用双绞线以数字形式传输数据，其中一根接线叫做总线（），另一根叫做总线（），没有使用负的电压。（）和（）表示一根接线在总线正在发送占有位“”的时候比另一根更加正，所以连接到总线系统的模块安装有一块专门的芯片，如图所示。在大多数汽车中（但并非全部），车身控制模块（）会提供偏压以给总线电路供电。由于给系统供电，其内部的元件图解如图所示。其他模块的工作原理与发送信息相同。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,在总线（）和总线（）电路上的偏压在系统怠速（没有任何数据传输发生）时大约是.。这是通过一个稳定的电路和一系列电阻器来实现的。电压经一个的电阻器把电流传送到总线（）电路，如图所示。电流然后经过两个并联的的电阻器而被送到总线（）电路，最后，电流经第二个的电阻器到接地。一种简化的偏置电路的原理图与由电阻器引起的正常的电压降一起显示在如图中。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,这两个的电阻器被称为端接电阻。端接电阻器被用来控制感应电压，由于电压在电阻器上会下降，因此感应的电压被终止。其中一个端接电阻在内部，而另一个位于动力系统控制模块（）中。在总线电路处于适当的电位时，能发生通信。在芯片中的比较器充当一个电压表，如果表的正表笔连接到总线（）电路，负表笔连接到总线（）电路，则电压表会指示电路之间的电压差。在怠速时，电压差是.，当一个模块需要发送一个信息时，会利用与非门同时打开和关闭两个驱动器，如图所示。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,到总线（）电路的驱动器给总线（）电路提供替代的电压，比较器会测量该电压。同时到总线（）电路的驱动器为最初的电压提供了一条替代的接地通路。由于第一个电阻器现在是唯一在电路中的电阻器，因此全部电压降会降在它之上，此时比较器在总线（）电路上看到一个低电压。由于驱动器以每秒.次的速率被打开和关掉，因此电压在总线（）上不会到满，也不会在总线（）上到。然而，总线（）的电压被拉高到接，总线（）被拉低到接线近，如图所示。一旦比较器测量到一个大于.的电压差，则计算机会分辨出一个比较值的改变。当该总线电路怠速时（.电压差），则比较值是一个。一旦电压差增加，则比较值变成了。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,.类数据总线网络协议规定了类数据网络。作为这种系统的例子，我们会看一种戴姆勒克莱斯勒使用的.系统。这种系统与通用汽车的乙类总线类似。从年份的车型开始，戴姆勒克莱斯勒开始逐渐中止了总线系统，由于该系统与其他厂家使用的相似，因此会被用来做讨论用。该系统是一种单线、双向通信总线，在该总线系统上的每个模块提供其自己的偏压，并有其自己的端接电阻，如图所示。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,图中系统的模块是并联的，随着消息的发送，一个在到.之间的可变的脉宽调剂（）电压被用来表示和比特位，如图所示。发送的电压并非一个干净的数字信号，相反，该电压整体看起来像梯形的，原因是该电压被慢慢地向上和向下斜以防止受磁感应的影响。在这里说明一下，“慢慢地向上和向下斜”的说法相对的，在总线中，每秒平均有个比特被传输。因此，相对而言，电压上升到.和返回到是慢的。电压是高或低的长度决定了比特值是还是，如图所示。典型的总线信息会有如下元素，如图所示。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,（）头：到个字节长，关于类型、长度、优先级、目标模块和发送模块的信息。（）数据字节：正在被发送的信息，其长度最大到个字节。（）循环冗余码校验（）字节：检测信息是否已损坏或是否有任何其他的错误。（）帖内响应（）字节：如果发送单元要求一个来自目标模块的应答或立即的响应，则被收到的请求会带有此信息。.控制器局域网（）,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,接下来是一个控制器局域网（）总线系统的例子。再次说明：比特率和设计在不同制造厂商之间是有变化的，在这里提供一种普通的方法来理解该系统，这样就能够掌握类似系统的设计。大部分的正在遵循协议来整合两个或者三个工作在不同比特率的控制器局域网，低速总线一般用于汽车车身功能，如座椅、车窗、收音机和仪表板。一般高速总线用于实时功能，如发动机管理所必需的制动防抱死操作。第三个会被用于故障诊断。总线系统使用了诸如和的术语，字母和区别是总线的速度。是一种速率高达的中速系统。总线有一个的速率。一辆汽车能同时配备两种总线网络。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,此外，一种新的诊断总线用来连接故障诊断仪，诊断为的速率。总线电路由一对双绞线组成、数字数据的传输是通过并发地在一个电路上拉高电压，而在另一条电路上拉低电压完成的。总线系统的接线被拧在一起以减少电磁干扰（），这就要求每米扭。为了维持这种扭曲，该总线的接线对是在接头的相临空腔中。接线在布线时避开了与大电流源平行的路径，这种大电流源包括点火开关驱动器、电动机和大电流电路。在一个总线系统上，每个模块提供它自己的偏压。由于这个原因，模块组之间的通信在总线电路中有开路发生时仍旧是可能的。总线的收发器内部到收发器芯片的驱动器以给总线电路供应电压和接地。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,每个总线系统有优点和缺点。例如，高速总线只在点火开关打开时才工作。另一方面，总线能在点火开关关闭时保持活动，只要某模块要求它是活动的，每个模块的需求决定了它会连接到哪个总线系统。在同一辆汽车上使用两个分开的总线给制造厂商提供了每个系统最适宜的特性。实时交换数据的汽车系统采用。典型的模块是制动防抱死模块和动力系控制模块。制造厂商也可能扩大至包括变速器控制模块和其他要求实时信息的模块。其他可能需要在点火开关关闭时传输数据的模块会被连接到总线上。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,大部分的总线系统是非常容错的，并且能在其导线对地短路或其两根导线短接在一起运行。假使在一个电路和底盘接地之间有一个电位，通信仍然是可能的，但由于高的速度，因此，不是容错的。由于能被设计为有.到之间的波特率，因此容错随波特率的增加而减少。总线在点火开关打开后成为活动的，当总线存在偏压时，电压大约是.。当（）和（）两者相等时，总线是隐性的并且传输比特“”，当（）拉高以及（）拉低时，传输比特“”，当传输比特“”时，总线被认为是显性的，如图所示。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,为了显性，在（）和（）之间的电压差必须至少是.并不超过.。为了隐性，在这两个电路之间的电压差必须不超过。最适宜总线的端接电阻是，两个模块每个会提供的端接。由于模块是并联的，因此总的电阻是，这两个提供端接的模块典型地被设置为彼此最远分开，端接模块有两个的电阻器，这两个电阻器被串联而等于的电阻。为两个电阻器所共用的是到中心抽头并最终经过一个电容器而接地的连接。该中心抽头可能也被连接到收发器，如图所示。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,电阻器的其他端子并联连接到（）和（）。总线能是活动的，而不管点火开关断开或接通。当（）大约到.，并且（）是.到.时，总线是怠速或隐性的，在这种状态下，逻辑是“”。当（）被拉高到.和.之间并且（）被拉低到.到时，总线被认为是显性的，并且逻辑是“”，如图所示。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,当（）大约是并且（）接近蓄电池电压时，总线是停止的，在总线上的每个模块供应其自己的端接电阻电压，总的总线端接电阻由安装在该车之上的模块数决定。内部到模块的是两个端接电阻器，该电阻器把（）和（）连接到其各自的收发器的插头终端，如图所示。为了提供端接和偏压，该收发器内部把（）电阻器连到接地，把（）电阻器连到了一个的电源。当该总线进入停止模式时，连到（）的插头终端被收发器从到了蓄电池电压。有些网络信息被定义如下：,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,（）循环的：一种周期性定时启动的信息，一个例子是在总线上每一次的点火开放状态广播。（）自发的：一种应用驱动的信息。（）循环的并改变：一种只要信号没在改变而周期性定时启动的消息，该消息每当该信息改变时被重新启动。（）经活动的功能（）：一种只在该信息与一个缺省值不相等时以特定速率传输的信息。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,在全部三个总线网络（、和诊断的）连接在一起的地方使用了一个中控网关模块（）。与计算机网络中的路由器相似，该模块允许不同的总线之间的数据交换。该不需要改变信息就可从一根总线取信息然后把该信息转换到其他的总线。如果有几个信息正在并发地发送，有些信息会被捕获进一个缓冲区并被基于优先级发送。也监测网络是否失效，并能自检测到一个故障时将网络故障码（码）写入日志。也是故障诊断仪连接到网络的网关。故障诊断仪通过使用自己的被称为诊断的总线而连接到该网关。由于被用于诊断，因此数据能用故障诊断仪以一种实时速率（）交换。因此，一种与总线系统相兼容的故障诊断仪对汽车诊断是必需的。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,由于各种通用的故障诊断仪可能被连接到汽车上，因此法规禁止故障诊断仪包括任何端接电阻。由于总线的速度，所使用的端接电阻器必须是非常匹配的，如果端接电阻存在于诊断仪中，则诊断仪端接的变化能影响诊断总线的工作。为此，诊断的全部端接都存在于之中，电阻器的配置除了两个串联的电阻器之外与一个主模块是类似的。.补充的数据总线网络由于没有一个数据总线能应付在当今汽车上的计算机所控制的操作的全部需求，因此也要用补充的总线网络。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,这些是在汽车上除主要的总线网络之外的总线网络。例如一辆汽车可能有总线网络和第二个应付特别需求的总线网络，本小节讨论可能在汽车上的一般的汽车的总线网络。.本地互联网数据总线本地互联网络（）总线是一种通用异步收发（）的单个主模块、多个从模块的低速网络。术语本地互联指在该网络中的全部模块位于一个受限的区域之内。主模块被连接到总线并控制数据的传输速率。主模块或从模块能发送消息。主模块在从模块和总线之间翻译数据，如图所示。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,对从模块的诊断通过该模块进行。主模块的端接电阻是。总系统能支持多达的从模块。从模块使用的端接电阻，从模块可以是实际的控制模块或传感器和执行器。智能传感器有能力在总线发送数字消息，智能执行器从主模块接收总线上发送的数字信号命令。数据传输在一根单接线之上在之间，具体的波特率编程到每个模块之中。当一个稳定的电压应用在该电路时，没有任何信息和隐性位被发送（位）。为了传输一个显性位（位），该电路被一个正在传输信息的模块内的接收器拉低，如图所示。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,.媒体定向系统传输数据总线媒体定向系统传输（）协作数据总线系统是由汽车厂商、承制厂商和软件程序员之间协作努力而建立的标准。它是一个特别为音频和视频数据传输而设计的数据系统，这种总线利用光纤以的速度传输数据，光纤利用没有任何或影响的光波来传输数据。过去，视频和音频以模拟信号进行传输，采用光纤数据总线的系统，数据通信是数字的。在数总线上的模块利用、光电二极管和收发器来与光信号通信，如图所示。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,和光电二极管是光纤收发器的一部分，光电二极管把光信号变成电压，该电压然后被发送到收发器，用来把来自收发器的电压信号转换成光信号。在光电二极管中，光导电压信号的转换是通过用光控制光电二极管的结，当该结被光所穿透时，能量被转换成自由电子和空穴。穿过该结的电子和空穴与光量成正比，光电二极管与一个电阻器串联，如图所示。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,随着通过光电二极管的电压的增加，在电阻器上的电压降也增加了。由于该电压降随光强的变化而变化，这样光信号便被转变成了电压信号。命令收发器以电压信号把信息发送到光纤收发器。收发器也把来自光纤收发器的电压信号发送到。模块通过光纤电缆被连成一个环风格，如图所示。信息只在一个方向发送，信息通常由主模块开始，但并非总是这样。主模块用一个.的工作循环频率把信息发送到数据总线之上，该频率与数字音频和视频设备相对应。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,由某模块发起的信息被发送到环中的下一个模块，该模块然后又发送给它的下一个模块，这种动作会继续直到发起模块接收到了它自己的信息为止，此时，该环是闭合的并且信息不再传递。如果某模块接收到了一个它不需要的信息，则信息会被通知给收发器，然后没有被发送到就回到了光纤收发器。如果该总线没有电了，则它能被点火开关的输入或来自某模块的输入所唤醒。当接收到一个信号时，主模块会发送一个“醒来”信息到环中的全部模块。光纤电缆由若干层所构成，如图所示。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,光纤内环由聚甲基丙烯酸甲酯（）组成。光基于全反射原理穿过电缆内环。全反射在当光波打击位于密致材料和薄致材料之间的层时得到。电缆内环被一种光学透明的反射膜所覆盖，该内环由密致材料组成，涂层则是薄致材料。电缆的外壳由聚酰胺制成并保护内环免于外部光。外罩是有色的以便于分辨，但它同时也保护了电缆免于破坏和高温。如果电缆被直着放置，则有些光会以直线穿过内环，然而，大部分的光波以一种之字形游动。如图所示。之字形是全反射的一种结果。如果光纤电缆是弯曲的，则光波在内环涂层的边界处被全反射并被引导穿过弯曲，如图所示。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,.无线总线网无线网无须使用物理接线连接就能把模块连接在一起以传输信息。例如，车胎压力信息能从车胎中的某传感器不用接线地传输到汽车上的某模块。虽然有不同的技术用于无线通信，但流行的一种叫蓝牙。蓝牙技术允许来自不同的制作厂家的若干模块使用一个标准化的无线传输而互连起来。膝上型计算机、记事本、非手持式移动电话全都是汽车内能通过蓝牙连接的设备。无线传输使用.的频率范围。其传输速率高达，其正常的传输范围大约是英寸（米）。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,这种短的传输范围使得它可能把天线、控制、加密术、和传输接收技术集成进单个模块之中。由于蓝牙使用的频率范围与其他无线设备，如车库门开启装置、微波和许多类型的医疗设备等是相同的，所以该技术使用专门的措施来对抗干扰，这些措施包括：（）把数据分割成使用大约持续的短的信息；（）使用位的检验以核实信息有无损坏；（）自动的重复故障数据的传输；（）使用被变成数字信号的语言编码；（）随意的改变传输接收频率，每秒次。,上一页,下一页,返回,.多路复用系统,为安全起见，数据使用一个位长的密钥加密，接收器用该密钥检验真实性。此外，使用了一个密码以便设备能彼此互通，密钥使用卷积码并且对每个连接是不同的。为了连接设备，每个设备首先通过个人识别号码（）的使用而被改编。当键入时，就建立个人域网络，这些是小的参与数据组织的传输单元。每个个人域网络允许同时操作多达个设备。每个个人域网络中的某个设备会被分配作为主设备，该主设备负责建立连接和同步其他设备，一旦键入，两个蓝牙会自动的建立连接。每个设备有一个位长的地址，并且是全球唯一的，这意味着全球有超过个的设备能被识别。,上一页,返回,.小结,（）多路复用（）是一种电气信号由一条外围的串行总线而不是由传统的接线传输的系统，这使得几个设备在一条公共导线上共享的信号。（）接线系统使用了连接每个模块并允许数据从一个模块传输到另一个模块的现场总线数据链路。（）美国汽车工程师学会根据的波特率（通信速度）定义了不同种类的协议。（）一个采用了协议的例子是允许在单根接线上进行双向通信的总线。（）协议使用了一根单线双向数据在故障诊断仪和节点之间进行通信。,下一页,返回,.小结,（）总线系统是的类标准。标准允许基于波特率的两个不同的版本。（）控制器局域网（）系统能支持高达的波特率，并被设计用于专门系统的实时控制。（）一种最容易的多路复用系统由克莱斯勒于年开发并一直用到年份的车型上，这种系统叫做克莱斯勒冲突检测（）。（）系统利用双绞线以数字形式传输数据，其中一根接线叫做总线（）、另一根叫做总线（）。,上一页,下一页,返回,.小结,（）在总线（）和总线（）电路上的偏压在