汽车单片机及局域网技术（原创）

1、汽车单片机局域网的基本概念网络技术在汽车中的应用 一般比较高档的汽车都装有几十个微机控制器和上百个传感器，这就为网络技术应用到汽车上提供了条件！随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用，汽车电子化程度越来越高，汽车上的电控装置也越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置（ABS）、驱动防滑系统（ASR）、电控自动变速器、安全气囊、主动悬架、电动门窗等。集成电路和单片机在汽车上的广泛使用，大大增加了汽车上的电子控制器的数量，使得线路越来越复杂。在追求汽车使用性和小型化的今天，粗大的线束不但占用了汽车上宝贵的空间资源，而且越来越难被安装在隐蔽位置。这样将会导致电控单元的端子数增加、线路日趋复

2、杂、故障率增多、汽车工作的可靠性下降、维修困难等后果。为了提高信号的利用率，要求大批的数据信息能在不同的电子单元中共享，汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换。传统的电器系统大多采用的点对点的单一通信方式，已远不能满足这种需求。针对上述问题，在借鉴计算机网络和现场控制技术的基础上，汽车网络技术应运而生。从1980年起，汽车内开始装用网络。1983年，丰田公司在世纪牌汽车上最早采用了应用电缆的车门控制系统，实现了多个节点的连接通信。此系统采用了集中控制方法，车身ECU对各个车门的门锁、电动玻璃窗进行控制，这就是早期在汽车上所采用的光缆系统。1986-1989年间，在车身系统上装有了利用铜

3、线的网络。1987年，作为集中型控制系统，日产公司的车门相关系统，GM公司的车灯控制系统已处于批量生产的阶段。分散控制集中控制完全集中控制系统分级控制系统分布集中控制系统例子：通用汽车例子：日产汽车例子：日本五十铃分级控制系统TXD89C2051主机组合开关RXD89C20511号从机RXD89C20512号从机RXD89C20513号从机RXD89C20514号从机集中控制和分散控制存在的最大问题是可靠性问题！汽车网络发展 上个世界80年代，德国的Bosch公司提出了汽车车载局域网（LAN）的基本协议，该协议即为控制器局域网（Controller Area Network)，简称为CAN。目

4、前控制系统局域网中应用最广的标准就是CAN。接着，美国汽车工程师学会提出了J1850。在美国，通过采用SAEJ1850（由美国汽车而在其他国家，特别是欧洲的厂家则采用CAN，同时发表文章介绍大型CAN网络的车型。由于他们在控制系统上都采用CAN，从而充分证明CAN在汽车网络应用中的优越性。 现在欧洲又以与CAN协议不同的思路提出了控制系统的新协议TTP(Time Triggered Protocol),并在X-by-wire系统即线控操作中开始应用。为实现音响系统的数字化，建立起将音频数据和信号系统综合在一起的AV网络。由于这种网络须将大容量的数据连续输出，故这种网络上将采用光缆。今后，当对汽

5、车引入智能交通系统（ITS）时，由于要与车外交换数据，所以在信息系统中将采用更大容量的网络，例如DDB/Optical(Domestic Digital Bus/Optical),MOST(Media Oriented System Transport),IEEE1394等。汽车网络技术从二十世纪八十年代提出以来，迄今为止，已形成了多种网络标准。目前存在的多种汽车网络标准，其侧重的功能有所不同。我国目前情况 按照我国汽车电子技术发展规划，进入21世纪后，轿车电子技术可达国外20世纪90年代水平，届时也将会有大量智能电子控制单元被采用。为缩短同国外轿车技术水平的差距，提高自身的竞争力，单纯靠技术

6、引进不利于长期发展，消化、吸收、研究和开发自己的汽车网络应用系统已势在必行。网络技术在汽车应用上的优势 网络技术在汽车上的应用，不仅可以大大提高汽车的综合性能、提高行车质量、减轻驾驶者的负担，而且还可以使驾驶者始终保持与外界的紧密联系。 在行驶过程中，驾驶者可以充分利用全球卫星定位系统实时接收汽车所处位置周围的路况，然后由计算机根据车流的密度选择出最佳的行车路线，并将行车路线的指令传递给车辆的导航系统。特别是当有人通过电子邮件与驾驶者联系时，计算机会及时地提醒驾驶者，而且还可以读出电子邮件上的内容。当汽车发生故障或紧急情况时，计算机还会通过网络通知有关的汽车服务人员，并通过卫星定位系统帮助汽车

7、服务人员查找到该车具体的方位，以便及时地给予救助。随着环境保护、行驶中的路况监测、外部通信功能等一系列要求的提高，汽车对计算机、对计算机网络的依赖程度也越来越大。 汽车网络系统重要概念多路传输 现代车汽电路系统已经走向数字化的时代，在之前汽车的线路系统中，几乎是一条电路负责一个讯号，例如：当我们按喇叭时，喇叭开关送一个负极讯号给喇叭继电器，继电器本身已经有正极在那里等著作动，作动之后再送一正极讯号给喇叭，而喇叭本身已经搭铁，因此喇叭便能叭叭的响了。这是一个很简单的回路，但如果喇叭这一条线路讯号又要负责起方向灯的作用，那根本不可能，因为你按了喇叭之后，方向灯也跟着亮了。话说回来，为何要有多路传输

8、控制呢？首先了解何谓多路控制，故名思意，一条线路负责传输多种讯号。如果你认为多路传输系统是一座有许多许影厅且只有一个出入口的剧场，这就对了。无论怎么去描述，实际上多路传输系统是多个完成某一特定功能的电路或装置。一般情况下，可以认为多路传输是有线或无线地同时传输许多东西，如数据信息等。 汽车多路总线传输系统的研究与设计汽车传统供电系统存在的问题 汽车传统供电系统如下图所示，是所谓的并行结构，即一个用电器配一根电力线和一个开关。开关置于驾驶员旁，由驾驶员控制开关通断，控制灯(或其他用电器)的工作。这种结构的缺点是电力线与用电器数目成正比。用电器较多时，电力线的数量与长度都成正比地增加。研究的目的

9、设计多路总线传输系统是针对传统供电方式不足而设计的新型供电系统。它变传统的并行供电方式为串行供电方式，见下图。多路总线传输技术的核心是采用串行总线。本系统采用主从式多机通讯方式，系统只有一台主机，但从机可以有多台，每台从机都有自己唯一的编号。主机发送的信息可以传送到各个指定的从机，即主机向1号从机发送命令时，只有1号从机作出回答，其他从机只接收不回答。从机发送的信号只能为主机所接收，即各从机之间不能直接通讯。它用一根动力线给L1、L2、L3、L4供电，用S1、S2、S3、S4分别控制L1、L2、L3、L4的工作。其中，A、B1、B2都为微处理器，A为主机，B1、B2为从机。主机置于驾驶员旁，驾

10、驶员通过开关S5向主机发布命令，每一个开关对应一个灯或用电器。计算机定时读取开关状态，并通过串行口向从机B1发送命令，从机B1接收到命令后执行开关控制任务。当需要增加用电器时(例如再增加4个灯)，只要将原来的动力线延长至新增加的用电器(L6、L7、L8、L9)旁即可，不必另行增加动力线数量，信号线也不必增加，只要将原来的信号线延长至从机B2旁即可，这将有利于汽车电器的扩充。 模拟设计 鉴于在设计初期，主要目的是要证明该系统的可行性，以及体现该系统的智能化功能，所以在不改变汽车上现有电器设备和线路的基础上，以最简单的灯光控制为例进行设计。用一根动线给4只灯供电；控制制动灯、示宽灯各一只；控制左、

11、右闪光灯各一只，不用闪光器，直接用计算机模拟。 设计原则 微机的选择 微机是该系统的核心，其指标决定了整个系统的性能。另外，还要考虑到价格便宜，体积小，功耗省。经过分析选用了89C2051作为多路总线传输系统的微机，此具有体积小、用CMOS工艺制作、功耗小、供电电压范围宽、价格便宜等特点。稳压电源 稳压电源至关重要。因为蓄电池与汽车交流发电机、起动机、点火线圈并联，不仅电压波动大，而且含有尖峰脉冲，对微机干扰很大，必须精心设计滤波电路才能保证微机正常工作。本电路采用了电感、电容联合滤波电路，用7805给89C2051提供稳定的5 V电压。看门狗电路设计 为了保证微机的正常工作，除软件上采取措施

12、外，硬件上必须要设计看门狗电路，它能使跑飞的程序恢复正常工作。电流环技术的运用 考虑到汽车工作时的电磁干扰以及信号传递的可靠性，采用双绞线作为传输介质，设计了串行接口的电流环输入/输出电路，用电流代替电压传输信号。在下一步研究中，将采用光纤传输，以提高传输通道的抗干扰能力。试验结果 在试验室对样机进行了测试，确实达到了用一根动力线给4个用电器供电的目的。闪光器用微机模拟，工作正常。为了考察系统的抗干扰能力，曾把该系统装在东风牌140型汽车上，用蓄电池供电，在交流发电机、点火装置正常工作的情况下，考察该系统能否正常工作，结果表明系统一切正常。当然，在可靠性方面，还必须作进一步的试验，使系统更完善

13、。使用前景 汽车多路总线传输系统较传统的供电系统有明显的优越性。 节省大量的有色金属。原先要用多根动力线控制的用电器，改用多路总线传输系统以后，仅用一根动力线即可，动力线长度至少节省50以上。线束生产省时省工。传统供电系统因为有多根动力线，且每种车型电线长度不一样，其制造安装相对复杂。改用多路总线传输系统以后，包括动力线和信号线只有3根线，极大地简化了生产工艺，降低了成本，节省了工时。扩展方便。传统供电系统线束品种多，给组织生产和仓库管理带来了不便。改用多路总线传输系统以后，线束只有长度的区别和控制软件的差别，对硬件的生产带来了极大的方便。增加用电器不必增加动力线、重新设计线束，只要把线束延长

14、即可，即方便，又经济。 降低了组合开关的成本，延长了寿命。传统供电系统通过组合开关的电流为用电器本身的供电电流，可达几安培至几十安培，改用多路总线传输系统以后仅有几毫安，是原有电流的千分之一，这样，不仅延长了寿命，还降低了成本。 增加了智能化功能。可直接模拟闪光器、时间继电器等硬件的工作。 通过以上的分析可见，汽车多路总线传输系统具有很大的经济效益和广泛的社会效益，这将是以后汽车线束的必然发展趋势。 车载多路传输系统的应用 随着汽车功能的增加，车载计算机和电子模块大量增加，它们之间的信息交流也是与日俱增（如下图1-48所示）。除了它们常见的运行功能外，多路连接的计算机还要向网络中其他计算机传输

15、它们所需的信息。因此这一交流功能(见下图1-49)就需要计算机本身具备一个高速运转的微处理器。信息传输的种类 多路传输系统中信息传输的种类有以下三种： 定期的(总线上信息的规则传输)。 叙事的(当系统中发生情况时，计算机立即通知其他计算机)。 对其他计算机请求的回复。 所有的信息都要经过一个协议控制器来核查，然后通过一个交流接口转换成电压(逻辑电平0或1)。信息总线 这些信息被转换成电压后，就要被传输到总线上。总线的概念由来以久，每个计算机都存在三种总线：数据总线、地址总线、控制总线。电喷计算机系统中多路传输的应用 除了负责给发动机喷油和点火外，电喷计算机还把它从传感器接收到的信息传输到网络中

16、供其他计算机使用(见下图1-50)。电喷计算机通过多路传输网络接收到分配控制计算机所下的解除锁止的指令。电喷计算机同时还要向其他计算机通报发动机运行状况的信息(见图1-51)。它把有关的信息都交与它们使用。此外它还通过一条专用线路与故障诊断工具对话。汽车网络参考模型 就像盖房子要有图纸一样，网络也需要一个标准或是模型来进行规划，这个模型就是我们常说的OSI网络七层参考模型。OSI参考模型是一个详细定义了每一层网络功能的概念性的框架结构，它并不是真实存在。简而言之，一个模型就是描述信息是如何在网络之间传递的一种方式。虽然所有的厂商都使用OSI模型，但是他们提供的网络产品之间仍然存在着很大的差别。

17、尽管其他一些模型也已经建立起来，但是如今，绝大多数网络厂商在向客户推荐他们的产品时还是更愿意把他们的产品与OSI参考模型联系起来。由此可见，这种模型在学习如何网络上收发数据的人和多数网络厂商心中已经成为了一种标准。国际标准化组织( ISO )创建了OSI模型，并在1984年发布，以为供应商提供一个网络模型，这样它们的产品可以在网络上协调工作。OSI参考模型提供了层次分析工具，以理解互连技术，以及当前和未来网络发展的基础。 通过将模型分解为层，互通性和互操作性的能力变得可以管理，因为每层都是自包含的，而并不依赖于操作系统或其他的因素。分层方法也使供应商受益，因为它们仅仅需要将开发工作集中在它们自

18、己的产品使用的层上，而且可以建立在其他层的现有协议基础上。不仅仅使开发代价降低到最低程度，而且可销售性增加了，因为可以使用其他供应商的产品。 汽车网络参考模型 汽车网络特点局域网总线型结构传输的信息帧短小传输的信息帧要求实时性强，可靠性高汽车网络中不采用ISO/OSI七层参考模型主要原因如下：在处理时间和控制信息方面，ISO/OSI各层的位、数据和时间的附加开销过大。OSI协议的应用对象主要是广域网络和较大的计算机之间的通信联系。由于办公计算机之间不需要实时通信，因此，在分布式系统中，OSI协议不可能准确地支持车内微机之间的通信。汽车网络参考模型物理层数据链路层应用层汽车网络参考模型各层的功能发送端 应用层 （Application） 数据链路层 （Datalink） 物理层 （Physical）接收端 应用层 （Application） 数据链路层 （Datalink） 物理层 （Physical） 物理介质应用层 应用层确定进程之间通信的性质以满足用户需要以及提供网络与用户应用软件之间的接口服务。 物理层 我们知道，要