网络技术在汽车中的运用毕业论文.doc

毕 业 论 文论文题目：网络技术在汽车中的运用年 级：08级 专 业：机电设备维修与管理 姓 名：王俊 指导老师：张若愚 时 间：2010.9.10 目录 摘要. 3 关键词. 3 引言. 5 一、计算机网络技术在汽车上应用的基本原理. . . 6 二、计算机网络系统在汽车上应用的优越. . . . . .7 三. 网络技术汽车内部应用. . . . . . . . . . . .12四、网络技术汽车外部应用. . . . . . . . . . . 16五、结束语. . . . . .16参考文献 . 17 摘要：在近十年里，用户对于汽车的舒适性、安全性以及环保等各种性能的要求不断提高。为了满足这些日益增加的需求，汽车上计算机控制的电子电器设备急剧增加，使得汽车（特别是轿车）设计中电器线路的布置越来越困难。此外，由于汽车上各种电子电器的接插点的数量随之剧增，汽车行驶过程中因为接插点的故障造成汽车上电子电器设备的功能失效的问题越来越突出。为了解决上述问题，很多新车型（特别是高档车型）的开发中开始广泛地应用计算机网络技术。本文介绍了计算机网络技术在汽车中应用的基本原理，并介绍了该技术在神龙公司的萨拉-毕加索车上的应用。关键词：汽车 计算机控制 网络技术引言：在近十年里，随着人们对于汽车的舒适性的要求不断提高，各种计算机控制的设备越来越多的应用在汽车上。例如：计算机控制的自动变速系统、主动悬架系统、自动空气调节系统、驾驶员座椅自动调节系统、卫星导航系统、带换碟机的多碟CD 音响系统、密码防盗系统等。 此外，由于人们对于汽车安全性要求的提高，汽车制动防抱（ABS）及防滑系统，多安全气囊以及汽车前后防撞雷达报警系统在轿车上也广泛应用。 随着人们对于环境保护的日益重视，汽车排放法规的限值要求越来越严格，车载排气污染物监测系统也随之开始在汽车上应用。 到2000 年，汽车上所装的各种电子电器设备的成本大约为整车成本的30%，而且这种趋势仍然在继续发展。 表1 和表2 分别给出了从20 世纪60 年代到90 年代轿车上电线束的长度以及接插点数量的增长情况。 进入21 世纪，随着计算机技术的发展和普及，汽车上各种运用计算机、传感器以及执行器组成的控制系统得到了更加广泛的应用。而在传统的汽车设计中，每一个自动控制系统就需要一个专用的计算机单元。 如此多的控制计算机、传感器、执行器，以及为实现各种控制需要的各计算机单元之间的数据通信，使得汽车（特别是轿车）上的线束长度和接插点的数量急剧增加，对汽车的设计提出了挑战。 表1 电线束长度的变化 表2 接插点数量的变化汽车上电线束的长度以及接插点数量的急剧增加，使得汽车设计中电器线路的布置越来越困难。第一，由于空间的限制，汽车（特别是轿车）上有限的空间内难以布置下更长的电线束和更多的接插点。例如，在20 世纪90 年代末，仅仅在驾驶员座椅前仪表板内的电线束数量就达到300 多根；第二，随着电线束数量的增加，电线束的设计越来越复杂。其复杂性在于除了需要考虑计算机单元、传感器以及执行器之间的联接外，还要考虑不同系统之间如何通信，系统之间如何共用接地点，才不会产生电位差，以及如何抗干扰，保证信号不失真；第三，数量巨大的电线束和接插件使得汽车成本不断上升；第四，由于电线束接插点的数量的增加，造成汽车行驶时由于接插点故障导致的汽车上某个甚至整个控制系统的功能失效问题增多。因此，将计算机网络技术应用到汽车上十分必要。 1 计算机网络技术在汽车上应用的基本原理 要在汽车上运用计算机网络技术实现不同控制系统的计算机的控制功能，以及运用计算机网络技术实现不同控制系统的计算机之间的信息通信，其基本原理是运用计算机总线技术，将汽车上各个控制系统的计算机控制单元组成汽车上的局域网络，通过计算机网络传递数据流，实现不同控制系统之间的信息传递和共享，同时减少传统汽车电器系统设计中的线束和接插件。 在将计算机网络技术应用于汽车上的研究开发过程的初始阶段，由于不同国家的各个汽车公司，对于开发过程的信息和技术都相对独立和相对保密。一般仅仅是一个国家的几个汽车公司共同开发，技术分享，因此，到目前为止，形成了多种互不相同的汽车计算机局域网络总线： （1） J1850：美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司联合开发和共用的总线。尽管美国的三大汽车公司共用一种汽车计算机网络总线，但是，由于每个公司汽车产品中所用的计算机通信协议是不相同，因此，其汽车计算机网络控制系统是不尽相同的。 （2） A 总线：德国大众公司专用的汽车计算机网络总线。 （3） CAN 总线：德国标准化的总线。开始是由德国博世（BOSCH）公司开发，主要用于机器人控制。由于CAN 总线的数据传输速率较高，现在许多汽车公司都将CAN 总线用于汽车计算机网络系统。 （4） VAN 总线：法国汽车标准化总线。由法国的雷诺汽车公司和标致集团联合开发的汽车计算机网络总线。同样，法国的雷诺公司和法国标致集团共用VAN 汽车计算机网络总线，但是二个公司计算机网络所用的通信协议不相同，使得它们的汽车计算机网络控制系统也不相同。 （5） 专门的解决方案：德国的宝马（BMW）和日本的一些汽车公司采用了自己专门的解决方案，等等。2 计算机网络系统在汽车上应用的优越2.1 计算机网络系统运用在汽车上可以减少布置空间、降低成本 在传统的汽车计算机控制系统设计中，仅仅为了实现各个系统（如发动机燃油电子喷射控制系统与自动变速器控制系统等）控制计算机之间的信息通信，就需要很多的线束和接插件，再加上系统控制计算机与提供信息的传感器、执行计算机指令实现控制过程的执行器之间联接的线束和接插件，线束的长度和接插件的数量达到了惊人的数量，本文的前言中已经予以介绍。以下仅以四个计算机控制系统为例说明。 图3 传统的设计方案图3 为四个计算机控制系统的传统汽车控制系统设计中，仅仅为了实现各个系统控制计算机之间的一种信息通信功能，至少需要6 对线束。而在图4 的计算机网络系统中，只需要1 根总线（2 根线）， 就能够实现传统设计中至少6 对线束才能完成的系统之间的数据通信功能。仅仅传递一种信息，运用计算机网络系统就可以减少2 对线束和4 对接插件。随着计算机控制系统之间传递信息量的增加，传统汽车控制系统设计中的线束和接插件急剧增加，而运用计算机网络系统则可以在1 根总线中传递多路信息，因此简化了汽车的线束和接插件，即减少汽车的线束长度和接插件的数量。与此同时，运用计算机网络系统可以减少线束和接插件布置时需要的空间，降低成本。随着汽车上的计算机控制系统的不断增加，如图5 中给出的某车型上的复杂的控制系统，运用计算机网络系统这种优越性就显得更为突出。减少的线束和接插件的布置空间可以使得汽车设计过程中的布置更加容易，同时可以用来增加新的功能，以满足用户的需求。 图4 计算机网络通信设计方案 图5 某车型计算机网络系统2.2 计算机网络系统运用在汽车上可以管理更多的信息 传统的汽车计算机控制系统之间的信息是通过线束传递，传递的是模拟量的信息，如代表发动机转速、车速、温度或压力等物理量变化的电压、电流等（图6）。由于传递的信息的是模拟量，加上线束与接插件的布置空间、以及显示仪表的布置空间的限制，各个控制系统之间的信息传递极其有限，各种信息一般是局限在本控制系统内部进行管理，不能提供给其它控制系统共享，提供给驾驶员的信息则更少。 图6 传统的模拟量信息传递 图7 计算机网络数字化信息传递汽车计算机网络系统采用了计算机总线控制技术，通过计算机总线传递的信息是数字化的信息流，发出信息的计算机根据通信协议对本控制系统中的各种信息进行编码后将信息发出，其他需要利用该信息的计算机根据通信协议对信息进行解码后即可获得信息（图7）。因此，计算机网络系统运用在汽车上可以使得汽车上的各个控制计算机单元通过汽车上的局域计算机网络，从网络上获取所需的信息，或者将本控制系统中的各种信息发送给其它需要该信息的控制系统。汽车的中央控制计算机可以对所有控制系统的各种信息进行管理，并通过多功能显示屏向驾驶员提供尽可能多的信息，例如汽车的百公里燃油油耗、瞬时燃油消耗、续航里程、平均车速等，此外，还可以对汽车局域计算机网络内的各个计算机控制系统的工作状况进行监测，记录各个控制系统所发生的故障等。2.3 计算机网络系统运用在汽车上可以提高汽车电器系统的可靠性 由于传统的汽车计算机控制系统之间的信息传递是通过线束，传递的是模拟量的信息。而模拟量信号在传递过程中容易受到外界的干扰。例如，汽车行驶时由于汽车的振动引起的接插件接触不良、线束屏蔽不良受到外界电磁辐射、接地不良以及不同控制系统的接地电压存在电压差等，都会引起所传递的信息失真，导致接收信息的计算机控制系统发出错误的执行指令。 汽车计算机网络系统传递信息的网络总线一般为双线，二根线上传递的是大小相等、相位相反的数字化信号（图8）。当信息在传递过程中受到外界干扰时，二根线上感受到的干扰信号的强度是基本相同的，接受信息的控制计算机只需要对所接收到的受到外界干扰的信号进行滤波，即可将外界的干扰降低到最低。因此，计算机网络系统运用在汽车上除了可以减少布置空间、降低成本外，另外一个最大的优越性就是，可以最大限度的降低外界电磁辐射的影响，抗干扰能力强，而且可以补偿接地不良等问题，从而保证所传递的信息具有较高的可信度。此外，由于汽车计算机网络系统传递信息的总线为双线，当传递信息的总线中的一根线出现故障（如断路、短路）时，信息仍然可以通过剩余的一根总线进行传递，汽车上的各个计算机控制系统仍然可以工作，不会出现传统的汽车电路中由于信号线或地线二者之一短路或者断路时整个系统无法工作的现象。由此可见，计算机网络系统运用在汽车上的这些优越性使得汽车电器系统的可靠性大幅度提高。 图8 汽车计算机网络系统中的信息传递2.4 计算机网络系统在萨拉-毕加索汽车上的应用神龙公司的萨拉-毕加索车以其独特的外型设计和舒适的内部驾乘空间获得过欧洲汽车设计奖。然而，该车的最大的特点是在电路系统设计中应用了计算机网络系统。 萨拉-毕加索车的计算机网络系统主要用于舒适性方面，如自动空气调节系统、卫星导航系统等。该车的计算机网络系统（VAN 总线）示意图如图9 所示。在该车的计算机网络系统中，中央控制计算机与图9所示的各子系统的控制计算机单元之间的信息通信是通过VAN 总线实现，中央控制计算机与其他子系统的控制计算机单元（如发动机控制系统、ABS 控制系统等）之间的通信，仍然是用普通的线束实现。 图9 萨拉-毕加索车的计算机网络系统示意图萨拉-毕加索汽车的中央控制计算机可以通过计算机网络实时管理41 个主要的系统信息，例如，钥匙防盗密码、车门是否开启、前雨刮在停车时降低工作档位、后雨刮在倒车时自动工作、燃油量、燃油消耗量、续航里程、超速报警、低温行车时提示以及到达保养里程提示等等，并且还可以监测和记录各个控制系统工作中的故障，对于重要的故障，如发动机控制系统、ABS、安全气囊系统等故障，可以用报警灯提示驾驶员注意，同时便于在车辆维修时维修人员利用故障诊断仪读取车辆所发生的故障，在尽可能短的时间内排除故障。 3网络技术汽车内部应用 3.1网络技术汽车内部应用概况比较高级汽车上装有几十个微控制器，上百个传感器，这就给汽车进行网络应用提供了条件，解决了汽车一直存集中控制和分散控制矛盾。所谓分散控制就是汽车上一个部件如点火或喷油，用一个微控制器进行控制，这是微机汽车上应用起始。后来又发展到汽车集中控制系统，他又分为：(1)完全集中控制系统如美国通用汽车公司采用一个微机系统分别控制汽车防滑制动、牵引力控制、优化点火、超速报警、自动门锁和防盗等。(2)分级控制系统如日产公司分级控制系统，他用1台中央控制计算器指挥4台微机，分别控制防滑制动、优化点火、燃油喷射、数据传输等。(3)分布集中控制是汽车各大部分而进行分块集中控制，如发动机、底盘、信息、显示和报警等几大件控制系统，如日本五十铃生产汽车ITEC系统，他对发动机点火、燃油喷射、怠速及废气再循环进行集中控制。上述各种类型控制都有优缺点，但网络汽车上应用后，就可发挥各型控制优点，克服了他们缺点。例如集中控制和分散控制最大问题是可靠性问题，如完全集中控制，一旦微机出现故障全车瘫痪。采用网络技术后，共用所有传感器，还可以共用其他设备，如进行了环形网控制，几十个微机，个别出现问题，是环形结构网络，整车还可以正常运行。网络汽车上应用增加许多功能，增强了可靠性，这是汽车控制中最重要问题之一。汽车内部网络除具有一般网络优点外，还应具有以下特点：(1）灵活组成结构针对不同汽车电子设备配置，无需对整个系统进行重新设计就可以使用，扩展容易。(2）系统构成方便本系统所用软硬件均是普遍流行器件，设计人员易于进行开发和升级。(3）资料一致性所有子系统均使用同一资料，减少了传感器使用，还资料同一性提高了子系统控制精度，解子系统采集、转换资料所带来负担，提高了工作效率。(4）生产成本降低所需传感器、导线束及接插件减少，导致生产成本降低和安装工作减轻。(5）大量资料交换流通，使不增加硬件情况下提高、扩充子系统功能成为现实。(6）使车载电子设备自诊断成为现实。汽车局域网研究与开发国内外都进行，有已取成效。为适应汽车网络控制需要，更好各控制系统之间完成交流信息、协调控制、共享资源及标准化与通用化，世界各国都正积极合作，进行统一标准，共同研制。国外网络标准制定以及符合网络通信标准微处理器、通信协议等方面都已经有了成果。网络标准方面代表作有Bosch公司制定控制器局域网络（CAN）协议和Intel推出SAEJ18065网络标准。又如Philips，Intel，Motorola等公司推出了符合网络相关协议微处理器产品。同时，为整合各种标准，一份有关汽车网络国际标准正国际标准化组织起草。3.2汽车内部网络标准目前存多种汽车网络标准，其侧重功能有所不同，为方便研究和设计应用，SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为A，B，C三类。A类面向传感器/执行器控制低速网络、数据传输位元速率通常110kb/s。主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。B类面向独立模块间资料共享中速网络，位元速率一般为10100kb/s。主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，以减少冗余传感器和其他电子部件。C类面向高速、实时闭环控制多路传输网，最高位元速率可达1Mb/s，主要用于悬架控制、牵引控制、发动机控制、ABS等系统，以简化分布式控制和进一步减少车身线束。到目前为止，满足C类网要求汽车控制局域网CAN协议。3类网络功能均向下涵盖，即B类支持A类网功能；C类网能同时实现B类和A类网功能。3.3控制局域网络CAN主要特性及其应用按汽车局域网发展趋势，不久将来CANC类网将逐步普及，并占据主导位。控制器局域网CAN是20世纪80年代初BOSCH公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间实时数据交换而开发一种串行通信协议，经多次修订，于1991年9月形成技术规范20版本。CAN具有如下特性：(1）国际标准ISO11898规范，CAN总线规范2.0PART90，PARTB。(2）CAN可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。(3）CAN网络上节点（信息）可分成不同优先级，可以满足不同实时要求。(4）CAN采用非破坏性总线裁决技术，当2个节点同时向网络上传送信息时，优先级低节点主动停止数据发送，而优先级高节点可不受影响继续传输数据，大大节省了总线冲突裁决时间；最重要是网络负载很重情况下会出现网络瘫痪情况。(5）CAN可以点对点，一点对多点（成组）及全局广播几种方式传送接收数据。(6）CAN直接通信距离最远可达10km（速率5kb/s以下）。(7）CAN通信速率最高可达1Mb/s（此时距离最长40m）。(8）CAN上节点数实际可达110个。(9）CAN采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰概率低，且具有极好检错效果。(10）CAN每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。(11）通讯介质采用廉价双绞线即可，无特殊要求。(12）CAN节点错误严重情况下，具有自动关闭总线功能，切断他与总线联系，以使总线上其他操作不受影响。(13）NRZ编码/解码方式，并采用位填充技术。其良好运行特性、极高可靠性和独特设计，特别适合现代汽车各电子控制单元之间互联通讯，也越来越受到其他业界欢迎。国外，尤其是美国和欧洲，CAN已被广泛应用于汽车（如BENZ，BMW，PORSCHE，JAGUAR等）、火车、船舶、机器人、楼宇自动化、机械制造、数控机床、医疗器械、液压传动、自动化仪表等领域。目前，支持CAN协议有INTEL，MOTOROLA，PHILIPS，SIEMENS，NEC，HONEYWELL等百余家国际著名公司，其中CAN应用器件也琳琅满目、层出不穷，已经逐步形成产品系列。目前市场上最常见CAN总线产品PHILIPSPCA82C200，SJA1000，P8XC591，P8XC592，PCA82C250等，其中SJA1000和PCA82C200为独立CAN控制器，P8XC591和P8XC592将微控制器和CAN通讯控制器集成为一体，82C250是CAN总线收发器，用于CAN器件与物理总线连接。用CAN组成汽车网络系统资料信息量非常大，有快速变化信号和渐变信号。为保证总线上交通畅通，重要信息发生总线访问冲突时优先发送，合理安排资料信息总线访问优先级显尤为重要。各电子控制单元正常工作所能容许最大时间延迟是决定资料访问总线优先级最主要因素。对转矩、车速及发动机转速等快速变化信号必须进行高速采样，并以相应速率总线上传输，数据总线访问优先级也高。对进气温度、冷却液温度、燃油温度等变化较慢信号每隔100ms或1min采样一次就完全足够，数据总线访问优先级相应就很低。同样一个参数信号对控制系统正常工作显非常重要，也可获较高优先级。值注意是，数据总线访问优先级设定固定不变，各种外部参数和汽车驾驶情况变化而不断变化。如发动机控制，是点火时间控制，燃油喷射控制，都必须和发动机转速同步，发动机转速较高时，控制信号总线访问优先权提高，发动机转速较低时，控制信号总线访问优先权相应降低。4网络技术汽车外部应用汽车上网系统，是一种无线网络结构。他，人们驾驶汽车时就可以像家一样进行上网、发Email等所有网上操作。目前不少公司进行这方面工作。如IBM公司和Motorola公司已合作开发车用无线Internet技术，这项技术将使驾驶员和乘客能够车上发送电子邮件以及从事网上各种活动，如电子商务和网上购物、查看股市行情和天气预报等。另外Microsoft公司新推出了专门为“车上网”设计AutoPC软件，采用WindowsCE操作系统，他具有交互式语言识别等各种多媒体功能。这种功能能够有效保障汽车行车安全，他可以让汽车驾驶员手不离方向盘、眼不离行驶前方情况下，与PC机系统交换各种信息，例如行车前方交通状况有无塞车、最短时间导航等；也可以他车上收发Email、打网络电话和其他上网活动。革新通用公司开发了“车上网”系统，还装有车载自动化办公系统。该系统采用了超高速光纤串行数据通道（MML），具有多路数字式影音能力，可以有效调