汽车电力线载波通信模块的设计

汽车电力线载波通信模块的设计摘要随着汽车技术的飞速发展,传统点对点的通信方式已经不能适应汽车电子设备控制和数据通信的要求,汽车总线技术已经势在必行。在这种情形下,如何在汽车上建立以总线技术为基础的高速通信信道问题自然成为汽车电子领域广受关注的研究热点。而目前利用低压电力线进行信息高速载波的通信技术(PLC技术)由于可利用电力线、通信容量大、无需铺设新线路、接入灵活、成本低廉等优点,正受到国内外高度重视。本论文的研究对象是汽车电力线载波通信系统,主要内容如下,分析了采用电力线载波通信的优缺点及其在汽车内实现的可能,同时还分析了汽车内电力线载波通信需要解决的问题。分析了汽车电器工作的电磁环境及汽车内电磁干扰产生的机理、表现形式及其对汽车载波通信可能造成的影响。分析了汽车电力线载波通信原理,建立了汽车电力线载波通信系统的模型,分析了汽车电力线载波通信系统的信道特性。实现了有线载波通信在汽车中的部分应用,设计了一个基于DTMF信号的有线载波控制系统,并将其用于汽车照明系统。本文在理论研究的基础上,实现了汽车内电力线载波数据通信。关键词载波通信,信道特性,OFDM,数据传输I--第1章绪论1.1课题的来源及研究的目的和意义1.1.1课题来源当今社会汽车保有量日益增加，人们对汽车的各种要求越来越高。安全性、环保性、智能化、舒适性、娱乐性等各种特性要求促进了汽车技术快速发展。电子控制系统用于汽车后，使汽车有关系统在各种工况下都处在最佳工作状态，各种受控指标均能获得较大改善。随着电子技术的发展，汽车上的ECU(ElectronicControlUnit,电子控制单元)越来越多，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而做的各种努力等等，使汽车电气系统成为一个复杂的大系统。电子设备的大量应用必然导致车身布线系统庞大复杂，安装空间紧缺，运行可靠性低，故障维修难度大。据统计，一辆采用传统布线方式的高档汽车上，其导线总长度可达2km，电气接点高达1500个，并且该数字大约每10年增长1倍。目前在一些高档车上线束的重量已经超过了汽车重量的4%。这大大加剧了粗大的线束与有限的车内空间之间的矛盾。同时，随着车上ECU数量的增加，为实现车内各ECU协同动作，达到智能控制的目的，要求大量的数据信息能在不同的电子单元中共享，通常这种数据传输要求的速率比较高。但是，传统的汽车电气系统采用的是点到点的单一通信，其特点是速度慢、线束复杂、相互之间少有联系。这种布线方式已经远远不能满足汽车发展的需求。因此，改变汽车传统的数据传输方式已经成为汽车技术发展的必然趋势。1.1.2课题研究的目的及意义电力线载波通信(PowerLineCarrierCommunication，PLCC)技术利用遍布的电力线作为信号传输媒介，目前达到的最高数据传输率为200Mpbs。基于电力线载波通信自身的特点和汽车内电力线分布比较多的特点，能否将PLCC技术利用于汽车内的数据传输呢,针对这个问题，本论文将实现PLCC技术在汽车内数据传输的应用作为研究内容。为了称呼的方便，本论文后面部分将利用汽车电力线束进行数据通信的系统称为汽车电力线载波通信系统。与其他的、数据传输方式不同，PLCC技术将通过车内电力线束实现电力与数据的同时传输。由于汽车内各电器对数据传输速率要求的实际情况不同，我们组建几个不同数据传输速率的汽车有线载波通信网络。高速载波通信网络将汽车内需要高数据传输速率的电器模块连接在一起，而对速率要求不高的电器模块则使用低速通信网络。这样汽车内的所有电器模块就可以通过几根电力线束连接在一起，组成几个子系统。而这些子系统之间通过网间连接器实现信息共享，从而达到汽车各电器模块的协同动作，实现汽车的智能控制。由于PLCC在数据传输速率方面的优势，汽车电力线载波通信系统的数据传输速率完全能够满足将来汽车发展对这方面的要求，从而能够为汽车数字化、信息化提供一种新的信息传输媒介。但是要实现汽车电力线的载波通信，有很多事情要做。首先，汽车内的电磁环境非常恶劣，各种电磁干扰对ECU控制模块来说都很严重，要实现以汽车电力线为通信媒介的电力线载波通信，就必须对汽车内电磁环境有详细的了解，分析它的各种干扰特性，在设计ECU模块时能够采取适当的措施减轻这些干扰对ECU造成的影响。另外，从通信的角度出发，要实现稳定、可靠的汽车电力线载波通信，就必须对汽车线束的信道特性、汽车电磁环境、噪声特性，以及汽车线束的拓扑-1-结构等有充分的了解，从而能够得到汽车线束作为载波通信媒介的信道模型。然后，在此模型的基础上，针对汽车电磁环境的特点以及电力线束作为载波通信信道的特性，设计合适的通信策略。汽车产业已经成为我国的支柱产业之一，它对我国国民经济的贡献越来越大。随着汽车技术的发展，汽车电子化程度的提高，汽车上使用的ECU会越来越多。用汽车电力线载波通信来实现汽车内各ECU之间信息共享，可以为汽车的信息化、数字化发展提供基础。同时，由于该技术能够极大地减少汽车内的线束、节约制造成本、有利于汽车的生产和维护，因此本课题在学术价值和社会效益上都有重要的意义。作为汽车电力线载波通信研究的基础工作，本课题将开发应用于低速通信网络的汽车电力线载波通信模块，并将该模块应用于控制汽车的照明系统，实现对汽车照明系统的智能控制。1.2国内外在该方向的研究现状及分析1.2.1我国电力线载波通信技术的发展现状我国研究PLCC技术起步较晚，但发展速度快。2001年中国信息产业部就已经正业务申请，国电通信中心拥有了开展网上业务的通行式批准了国电通信中心的ISP证。有报道称中国电力科学研究所成功地开发了2Mbit/s和14Mbit/s的电力线高速通信系统，在沈阳实现了第一个宽带接入实验。福建省电力实验研究院也研制成功了10Mbit/s的电力调制解调器。PLCC技术在汽车高速数据通信上的应用刚开始引起人们的注意时，重庆大学彭东林教授就开始采用DTMF(双音多频)调制技术，通过汽车电力线实现了汽车照明系统控制。2000年，常客集团和江苏理工大学汽车学院合作进行了汽车多路总线数据传输系统的研究，实现了在公交车辆上灯光照明控制。这些PLCC技术在汽车上的实际应用表明，利用PLCC技术在汽车电力线建立高速通信信道是可行的。然而国内有关PLCC在汽车上应用的文章大都把注意力集中在总线协议和技术实现的层面上，对汽车PLCC技术的载波通信信道特性本身的研究还没给予重视，有限的一些相关文章主要都集中在汽车噪声对通信电路的影响，因此，本文的目的就是对汽车电力线载波通信信道特性进行深入的研究，在理论上对PLCC在汽车上的应用做出些贡献。国内对PLCC技术的研究目前主要集中在:1(针对电网具体情况进行传输特性测试与建模;2(寻找适合电力线通信特点的新型调制方式和抗干扰措施的研究;3(开发PLCC专用芯片，把PLCC技术商业化。本文侧重于前面两点的研究，希望在已有工作的基础上，对汽车供电系统形成的载波通信信道的噪声特性、传输特性进行研究，建立合适的信道模型。在此基础上选择出适合用在汽车环境下的通信技术。1.2.2国外汽车电力线载波通信技术的发展现状电力线载波通信技术在国外已经有几十年的发展历史。刚开始主要集中在11kV以上的高压远距离传输，工作频率为150kHz以下，该频段成为欧洲电技术标准化委员会电力线通信的正式频段。到20世纪50年代，低频高压电力线通信技术已广泛用于监控、远程指示、设备保护以及语音传输等领域，其传输速率一般为1200bps或更低，称为低速PLCC。经过大量的研究，该项技术已近于实用，NORWEB公司1993年在世界上首次成功实现配电网上的25个终端用户的电话与数据通信实验后，开发出在2MHz带宽数据-2-传送系统，传送速率为1Mbp/s。美国AN公司1996年推出100kb/s的电力线调制解调器芯片。1999年德国RWE公司和瑞士Ascom公司向公众展示了利用公用电话网传输电话和数据的技术，以高于当时ISDN技术20倍的速度在因特网上浏览、传送数据。近几年，日本、韩国和新加坡等国都相继报道了已经实现利用低压电力线的高速互联网传输技术，并正在各自国家进行推广。国际上对高速PLCC专用芯片的研制也取得了突飞猛进的发展，美国的Intellon公司14Mbit/s芯片已经达到实用化水平。为了推进PLCC的标准化工作，国际上成立了一些PLCC组织，但至今没有统一的国际标准。预计未来数年，随着高速上网愈来愈普及，新技术将把电线、无线和电话线这三种技术合而为一，让使用者通过网络连线，轻松将计算机、各种电子装置、安全系统和家电串连成家庭网络。除了在宽带接入方面的应用以外，在其他的领域PLCC技术也得到了广泛的使用，如仪器、仪表、航天运输等。1.3论文主要研究内容本文全面系统地总结了低压电力线载波通信原理及相关技术的现有成果，在此基础上，对汽车电力线载波通信技术进行了深入研究，该项工作可改变目前国内在汽车电力线载波通信信道特性研究尚处空白的状况。论文主要研究内容安排如下:第1章主要介绍了汽车电力线载波通信的来源，研究目的和意义。简单介绍了电力线载波的原理以及在现实生活中的应用。第2章详细介绍汽车电力线载波通信的原理，分析对其工作影响较大的各种因素，为下面的章节做准备。第3章主要对汽车电力线载波通信的电磁环境和信道特性进行研究，以便更好地设计汽车电力线载波通信模块的硬件电路和软件技术。第4章在总结前面的理论知识的基础上试探性地给出了汽车电力线载波通信模块的主控制系统硬件电路和电气控制模块的电路。第5章依据前面的硬件电路，画出了主控制模块、电气控制模块和键盘处理程序的框图，让汽车电力线载波通信的实现在理论上有了突破。-3-第2章汽车电力线载波通信原理2.1汽车电力线载波原理2.1.1电力线载波原理根据载波通信原理，利用电力线来实现的载波通信就称为电力线载波通信。在电力线载波通信系统中，电源信号就是载波媒介信号，需要传输的数据信号由专用的芯片根据数据信息转换成模拟信号，我们将其称为载波信号。与信号的调制、解调过程不同，载波信号加载和卸载的过程是载波信号与电力信号叠加和分离的过程。载波信号多为正弦信号，但其频率、幅值等因系统的差异而不同，其信号的发送、接收都是通过载波电路来完成的，它的传输介质就是系统的电源线。接收端将接收到的信号通过解码芯片解调，就得到了由传输点传输过来的数据信息。-1所示，为了便于理解，这里将电源载波信号的加载、传输以及卸载过程如图2信号表示为，载波信号则用信号表示，经过加载后，电源线上的信号为U(t)f(t)'U(t):'U(t),U(t)，f(t)(2-1)载波信号载波信号叠加信号加载卸载载电源信号电源信号图2-1信号的加载、卸载过程为了表示方便，图中载波信号的频率取得比实际小。具体的载波信号的频率、幅值等与采用的芯片以及电力线有关。在工程应用中采用的载波媒介U(t)可以不同，图2-1中的载波信号是交流信号。2.1.2汽车电力线载波通信原理本论文中汽车内的载波数据传输使用的电力信号是直流信号。汽车内的直流电气特性有利于已调制信号的传输，并且由于信号传输的距离短，信号的损耗很少。虽然汽车内的电气环境很恶劣，但是基于以上的原因，控制信号f(t)的幅值可以很小(是mV级的电压信号)，这种信号比汽车的电气干扰要小。因此信号对汽车内的电气环境的影响就很小，对其它电器不会产生不良的影响。f(t)本论文中的模拟信号是由主控制单元控制的专用载波收发芯片产生的。这些模拟信号通过特殊的载波加载模块被加载到了汽车内的直流电力线上。与公式(2-1)不f(t)同的是，汽车内是直流电系环境，是标准的12V。而，就是DTMF控制信号，是mV级的电压信号。因此在电力线上的信号就为:U'(t),12，f(t)(2-2)-4-载波信号载波信号叠加信号卸载加载电源信号电源信号图2-2汽车电力线载波信号的加载、卸载过程信号的表现形式如图2-2所示。除此之外，整个系统信号的传输过程与前面的分析完全一样。通过直流电力线，控制信息被发送到了各个电器控制单元。各个电器控制单元通过与载波加载相反的过程，将控制信号从电力线上卸载下来，然后通过载波收发芯片解码为数字信号，载波收发芯片再将数字信息传输给电器控制单元。各电器控制单元将得到的地址信息与保存的地址信息相比较，以判断是否相符合，如果相符合就执行相应的动作，并发送一个应答信息给主控制单元;不符合就进入休眠，等待下次的控制信息接收中断将它唤醒。而主控制单元在接收到应答信号后，就顺序进行下面的操作，如果没有应答信号，它将等待一段时间，直到接收到应答信号;如果在等待时间内发生了中断，而它还没有接收到应答信号，主控制单元将重新发送控制信息。这样就确保了传输数据的安全。2.2载波信号编码、解码设计2.2.1DTMF信号可以作为电力线载波通信方的信息载体信号有很多种，经研究分析，本论文采用了DTMF信号。DTMF(DualToneMultiFrequency)，即双音多频信号，被广泛地应用于电力线信号的传输，特别是在电话网络中。DTMF信号是由两个频率相近的正弦波信号叠加而成的，即:f(t),Asin(2,ft)，Asin(2,ft)1122(2-3)ffAA这里和代表两个不同的频率，和代表两个频率信号的幅值。如果用合1212适的采样频率对这个信号进行A/D转换，则很容易计算出每一个采样点的A/D值，而如果将这些采样值形成一张表，在单片机里用同样的采样频率将这张表中的数值用A/D转换器输出，就是双音频信号。由于高频率信号在传输的过程中损耗较大，一般ffAA高频信号的幅值要大些，一般为2db。即如果，，那么，。2121本论文中采用的DTMF信号发送、接受芯片是由MITEL公司出品的MT8888CE。它具有功能强、功耗低，工作稳定、可靠等优点，因此它在DTMF信号调制解调的场合得到了广泛的应用。该芯片能够直接与微控制器接口，产生或接收DTMF信号。同时，该芯片能够产生发送、接收中断，利用此功能，与它接口的控制芯片就能够很好地控制载波信息的发送、接收。在本论文中，MT8888被设置工作于中断方式。由MT8888产生的DTMF信号是由低音频和高音频这两组频率分别组合而成的。如表2-1所示，表2-1DTMF信号的编码-5-DIGITD3D2D1D0FFLOWHIGH6971209000006971336100016971477200106971633300117701209401007701336501017701477601107701633701118521209810008521336910018521477A10108521633B10119411209C11009411336D11019411477E11109411633F1111低音频组的频率信号包括697HZ，770HZ，852HZ，和941HZ，高音频组包括1209HZ，1336HZ，1477HZ，1633HZ。这两组频率的信号分别组成16个不同的信号。DTMF信号的频率很低，从697HZ到1633HZ。此频带与汽车电气系统内的高频干扰信号的频率相差非常大，控制系统中的低通滤波器完全能够将它同高频信号区别开来，从而实现控制信息的安全传输，达到准确控制的目的。对于该表2-1中的所有信号来说，由于这两组信号的频率都相对比较接近(分别设,,为、)，因此0~F所代表的信号都是拍频信号，拍频信号的频率为。,,,1212以表中的信号8为例，该信号由低频组的852HZ的正弦信号与高频组的1209HZ的正弦信号叠加而形成的，该信号的频率为1209-852，即357HZ，如图2-3所示。图2-3DTMF信号及其产生原理从表2-1中可以看到，与在电话中普遍采用的编码方式不同，这里将这16个信-6-号编码为从0到F的十六进制的代码。在控制系统中数据的表示以字节为单位，一个字节可以表示为两个十六进制的代码，因此这种编码方式就使得载波通信在控制领域的应用成为可能。这样任何的数据都可以用这16个信号表示。并且，由于这种信号的特殊表示方式，与其他的数据传输方式不同，这种信号的传输是以每次半个字节的方式进行的，即每次发送4位二进制数。2.3信号耦合模块设计原理将信号耦合到电力线束上的方法很多，其中最主要的两种类型是:电容耦合、电感耦合。电感耦合导致的耦合损耗可以达到几分贝，但是该方法避免了系统与网络的直接物理接触，使它更安全，更容易安装。电容耦合是通过一个直接前向电容实现高通滤波。为了设计一个优化的耦合电路网络，需要采用恰当的部件，这就包括耦合电感变压器，耦合电容等等。下面分别介绍系统设计时应该考虑的情况。耦合电容2.3.1耦合电容广泛地应用于电力线系统中，在系统中耦合电容除了起到耦合信号的作用，它同时也是一个复杂的，高阶滤波器的一部分。由于耦合电容被用来传递通信电流，因此必须是高频电容(它的自震荡频率必须高于载波频率)。同时，它也必须滤出电源电压，以及电压波动，因此它也必须能够耐一定的电压。另外，电容的滤波特性与连接的负载也有关系。2.3.2耦合变压器耦合变压器的主要功能是提供电流隔离以及阻抗改变，但是耦合变压器也必须通过高频通信信号。在汽车载波通信系统中，电源是直流。在采用耦合变压器进行耦合时，电力线载波信号电流被注入到电力线网络中。这是通过使用带有恰当的高频磁芯的电感变压器来实现的。当信号注入点的输入阻抗较低的时候，电感注入方法是最有效的。本论文中的载波通信系统的负载都属于低阻抗负载，并且系统中的负载是并联的，这样系统的输入阻抗很小，正适合这种信号耦合方式。因此本论文中用了以电感耦合为主，配合使用电容耦合。电路中，耦合电容被用来降低耦合点的阻抗，增加耦合效率，同时限制信号在不需要的方向上的传输。耦合电容对输入的信号来说是一个短接线路，因此信号电流主要是通过耦合电容进行传输的。2.3.3通用电感耦合方式如图2-4所示，该耦合电路模块是通过使用一个恰当的耦合电容，以得到Ceq足够的阻抗来隔离低频信号的干扰;通过耦合电容与耦合电感L1之间形成共振Ceq来得到合适的低的特性阻抗。这种方法的缺点是它需要使用铁芯变压器。在实际使用中，很难对这种变压器的铁芯电感进行准确的测量，并且该电感值的变化将引起耦合网络的特性的非线性变化。由于这种耦合方式只有一个输出端，不能同时满足系统对发送、接收的特殊要求。因此，这种信号耦合器不适合于汽车有线载波通信系统。-7-电感CCR21电力线接口图2-4通用信号耦合电路2.3.4大电容耦合方式如图2-5所示，在该方法中，使用了一个大的耦合电容来将信号耦合到电力线束。这种耦合方式的主要缺点是输入端的输入阻抗比较小，导致了较大的载波频率损耗，根据相关资料可以得知，这种损耗能够达到20dB。C1C耦合电容2电力线接口图2-5大电容信号耦合电路2.3.5三端耦合方式由于前面两种方式的缺点，使得它们都不适用于汽车载波通信系统。在此基础上作一些改动就可以得到适用于汽车电力线载波通信系统的耦合方式。如图2-6所示C1到发送端耦合电容到电力线到接收端C2图2-6三端信号耦合方式由于有两个次级输出端，信号耦合电路可以设计为一个输出端口为宽带输出频率-8-响应特性，用作发送信号;另外一个输出端口为带通输出频率响应特性，用作接受输入信号。耦合电路中，耦合变压器以及耦合电容不但起到了电压变压器的作用，而且还将信号源与直流电源隔离开来，起到了保护的作用。实际上耦合电路起到的是一个滤波器的作用。2.4汽车电力线载波通信系统传输线分析在通信系统中，特别是在信号频率较高的场合，必须考虑作为信号导体的传输线的影响。通常在这类通信系统的设计时，考虑的是导线的“长度”对通信信号的影响。在高频应用场合，“长度”有绝对长度与相对长度两种概念。在通信系统中，对于传输线的“长”或“短”，并不是以其绝对长度，而是以其与信号波长比值的相对大小而论。传输线的相对长度是以比值l/λ表示的。对在PLCC系统中居民电力线上的两种信号进行分析，由于采用的载波信号频率已经达到30MHz，有的甚至已经超过了这个频率范围。就以20MHz载波信号为例，由于在大多数的线缆中，电磁波的传播速度不到真空光的速度的70,，也就是大概为19.5万公里。根据公式:'C,,f(2-4)这里C’约为19.5万公里，可以得到，频率约为20MHz时载波信号的波长小于10m，通常居民电力线载波通信系统的线缆的长度为从变压器到居民家中的线缆的长度，这种长度一般在200m左右甚至更长，也就是说相对长度l/λ的比值达到了几十，甚至上百。因此，对于PLCC系统中的高频载波信号来说，电力传输线应该称“长线”，所以信号是以波的形式进行传输的。相反对于在相同传输线上的另外一种信号—市电来说，由于市电的频率为50Hz，根据公式(2-4)，可以得到市电的信号波长为4000km左右，这样对于市电来说，它的相对长度l/λ小于1/10，因此对于市电来说，电力传输线应该为“短线”。对于通信系统来说，相对长度的大小对其性能的影响是显而易见的，图2-7很好地说明了在信号传输中传输线的相对长度对于信号传输的影响。AB(a)AB(b)图2-7传输线上的信号电流(电压)分布图该图用电力线上的两种不同频率的信号的电压(或者电流)随着空间位置的分别状况来说明长、短线的区别。图a示出的是半波长的波形图，AB是电力线上的一小段，它比波长小许多。线段AB上各点电压(或者电流)的大小和相位几乎不变，此时的AB应视为“短线”。如果频率升高了，虽然线段仍为AB，但在某一瞬间其上各点电压(或-9-者电流)的大小和相位均有很大的变化，如图b所示，此线段AB应视为“长线”。对于“短线”而言，它在电路中只起连接线的作用，其本身分布参数所引起的这方面的效应可以忽略不计。因此，对于其线路所连接的各个负载来说，信号的幅值及相位差异也是可以忽略不计的，所以在这种电路中只考虑时间因子而忽略空间效应，因而把电路当作集中参数电路来分析是允许的。而对于“长线”而言，因为频率很高时的分布参数效应不能忽略了，传输线不能仅当作连接线，它将形成分布参数电路，参与整个电路的工作，因而，传输线在电路中所引起的效应必须用传输理论来进行研究。与居民供电网络的电力线载波通信系统不同，汽车有线载波通信系统的最大特点就是它的线束长度比较短，这个长度根据汽车的类型的不同有一些差异，但是总的来。根据线路传输理论，在电磁波传输中说这个通信系统网络的信道长度不会超过10m相对长度值一般以1/8,1/10为一个界限，也就是说当电磁波传输导线的长度超过电磁波波长的1/8,1/10后，传输线就必须以“长线”进行分析设计，从而必须考虑导线在信号传输中的作用，而低于这个值的通信系统中的传输线则以“短线”考虑。因此，如果能够结合汽车内的载波通信系统的时间情况，将汽车内电力线束载波系统中使用的载波信号频率限制在一定的频率范围内，使得信号传输线可以以“短线”的方式进行设计，那么将可以简化汽车内载波通信系统的设计，使系统的性能更加稳定可靠。基于上面的分析，考虑到本论文开发的汽车载波通信系统的控制对象对数据传输速率要求不高，本研究中将汽车载波通信系统使用的频率范围限制在2MHz以下。由于汽车载波通信系统的传输线的长度不到10m，根据公式(2-4)，可以知道只要将载波信号的频率限制在2MHz以内，该载波通信系统的传输线将满足电力线束相对长度不超过1/10的要求。根据第2章第2节的分析可以知道，在这个频率范围内汽车内的电磁环境对载波信号的影响不是很大，因此，在这个频率范围内，汽车内载波通信系统的传输线将可以看作“短线”。这个载波频率范围以及汽车线束长度较短的特点使得汽车载波通信系统和传统的居民电力线载波通信系统有很大的不同。这将使得汽车内电力线束载波通信系统能够避免很多问题。如阻抗匹配，导线的阻抗特性，多径传输效应等，使得系统的设计简单，性能稳定可靠。而这些正是目前居民用电网络的电力线载波通信系统性能不稳定可靠的主要原因。-10-第3章汽车的电磁环境和信道特性3.1汽车电磁环境第1章在分析传统汽车布线方式及现行汽车数据总线优缺点的基础上，提出了利用汽车电力线束载波通信在汽车内进行数据传输的方案。但是要实现汽车电力线的载波通信，有很多事情要做。首先汽车内的电磁环境非常恶劣，各种电磁干扰对ECU控制模块来说都很严重，要实现以汽车电力线为通信媒介进行电力线载波通信，就必须对汽车内的电磁环境有详细的了解，分析它的各种干扰特性，以在设计ECU模块时能够采取措施降低这些干扰对ECU造成的破坏。因此本章将分析汽车的电磁环境和信道特性。3.1.1电磁物理环境汽车的电磁物理环境是指汽车在行驶过程中，车上电子电气设备承受来自车内，车外各种各样的电磁干扰。汽车的电磁物理环境是对汽车电子装置最具威胁的工作环境，其主要表现为不稳定的电源电压异常、瞬变过电压以及强电磁辐射等对电子装置的严重影响。由于汽车可以行驶到各种地方，因此其电磁环境差异也很大。汽车电磁干扰大致可以分为3类:1(车载干扰源这主要是指车上各种电子电气系统产生的电磁干扰、汽车电路中出现的各种瞬变电压或者电路开断瞬间触点之间产生的电火花和电弧等，他们都可能影响车上敏感设备的正常工作;车载干扰源主要有点火系统、电动机、交流发电机、继电器、开关、通讯设备以及微处理器等电子设备等。车载干扰源的电磁传播模式很复杂，有传导干扰和辐射干扰两种方式。2(自然干扰源自然干扰源是指由自然现象引起的电磁干扰，比较典型的自然界电磁现象产生的噪声有大气噪声、太阳噪声、宇宙噪声以及静电放电等，大多数情况下，这种电磁噪声非常复杂，并且对汽车的干扰影响可以忽略。但是，闪电和静电放电可能会产生很大的瞬变场强。闪电是一个非常复杂的过程，其电流超过10kA，上升时间不到1ps。汽车上的直接电击很少，但是闪电引起的场强很大，在200m处是100kV/m，在175km处是4V/m。乘客和座椅之间的摩擦以及汽车车身在行驶过程中与空气的摩擦都会积累形成静电，高压静电压放电时会影响电子设备的工作，甚至造成永久性破坏。3(人为干扰源人为干扰源是指由汽车外部人工装置产生的电磁干扰，这主要有其它车辆点火系统的辐射干扰，车外的雷达、无线电台发射机、移动通讯等发射的电磁波干扰，以及高压输出电线的电晕放电、荧光灯的辉光放电、路灯的弧光放电等等。3.2汽车电力线载波通信的信道特性汽车内的电磁环境非常恶劣，对于汽车内的电器单元影响很大。车内的每个电子装置既是这种电磁干扰的受害者，也是制造者。随着车载电子装置的增多，汽车电系的电磁环境将越来越恶劣。为了利用汽车内的电力线束作为载波通信技术的信道，必须对汽车线束的信道特性有一个了解。-11-3.2.1汽车电力线载波通信系统图3-1是一个典型的电力线载波通信系统结构框图。在汽车内的也是这种结构。图中的左端是载波信号发送器，右端是接收器。通信系统中的重要的参数包括有发送ZZ端的输出阻抗，接收端的输入阻抗，电力线信道上的各种干扰以及电力线束作tl为载波通信的各种特性。耦耦Zt合合Zl模模电力线信道块块发送器接收器图3-1以汽车电力线束作为通信信道的PLCC系统从图3-1中可以看出，系统采用了耦合电路来连接通信系统与汽车电力线束。使用耦合电路有两个方面的考虑。一是隔离汽车电力线束导航的主电源以及各种干扰;二是为了确保接收、发送的信号中的主要部分在通信系统使用的频率段范围内。这种方法增加了接收器的动态范围，并且确保发送器在发送信号时不会给信道加入干扰信号。3.2.2汽车电力线载波通信系统信道特性对汽车载波通信系统来说，汽车电力线束上的各种时变干扰以及信道具有时变性是严重的问题。1(汽车载波通信系统的信道特性汽车电力线束不是专为数据通信设计的，因此它的一些信道特性对于载波通信系统来说是不合适的。信号的衰减比专用的数据通信信道大，并且衰减幅度不是常数，与信号的频率等有关，有可能某个频段的信号通过该系统的衰减很小，而临近的其他频段的衰减却非常大，这就是信道的频选特性。另外，由于载波系统上的负载连接情况是随时可能变化的，这使得载波系统的输入、输出阻抗也相应变化。同时由于汽车内载波通信系统的特殊网络拓扑结构，在系统中连接有多个负载终端，极易出现载波系统阻抗的不匹配，产生多径效应，使得系统的性能恶化。2(汽车载波通信系统的强电磁干扰汽车内有很多强电磁干扰源，使得汽车内的电磁环境非常恶劣，这给汽车载波通信系统带来极大的困难。首先这些干扰影响载波系统的稳定性;其次，这些干扰对载波系统内的各个电子模块也可能造成损坏。这使得系统的运行情况非常复杂，有可能在某些时候这个通信系统就可能工作很正常，而在其他的时候由于有产生强干扰的负载的接入，通信系统就不能正常工作。因此，在设计汽车载波通信系统时，必须充分考虑汽车内的这些干扰给载波通信系统带来的各种影响。根据汽车内的载波通信系统的具体特点，设计合适的通信系统，使系统稳定可靠。关于这些问题将在论文的后面部分进行详细的分析，并研究相应的解决办法。-12-3.2.3汽车电力线载波通信系统的信道模型本节前面已经分析了影响汽车内电力线束载波通信的一些因素:发送端的阻抗不匹配;信道衰减;干扰(噪声);接收端的阻抗不匹配;各种干扰的时变性等。在此基础上，结合汽车载波系统的特点，建立了一个初步的汽车载波通信系统模型。如图3-2所示:N(t)H(f,t)in接收器H(f,t)H(f,t)发送器channelout图3-2汽车PLCC系统信道模型图中，除了噪声干扰被表示为加性的随机干扰过程外，系统中其它部分都以相应的频率相应函数表示。通信系统中的传递函数以及噪声模型可以通过测量得到，也可以通过理论分析得到。虽然这个系统模型比较简单，但是它还是全面地概括了通信系统设计时所必须考虑的重要的特性。3.3汽车电力线载波信道特性的分类作为信号传输的媒介，汽车电力线束有不同于其他通信系统信道的特点，因此有必要对汽车载波通信系统的信道系统的信道特性进行分析。信道的特性包括很多方面，如信道频选特性、信道阻抗特性、信道衰减特性以及信道的时变特性等。研究发现，汽车载波通信系统信道上的背景噪声与位置无关。汽车发电机产生的干扰信号并不大。更大的危害来自于汽车电气系统的突然抛负载及负载出现异常情况的时候。点火噪声信号使得汽车载波通信信道上的干扰信号的整体功率谱密度要高10dB左右。与点火信号相比，继电器干扰信号，除了在信号的幅值要小些外，其低频成分相对要多些，这应该是由于在继电器开关动作中，其机械部分在执行过程中有抖动及反复接触，导致多次的重复放电。汽车电动机在单独运行的情况下，它能够使汽车载波通信系统内的噪声的功率谱增加将近10dB左右。汽车电磁环境中的各种干扰是呈现非线性的，其中点火系统是最大的干扰源。3.3.1信道的频选特性汽车有线载波通信系统中信道上的负载不是纯电阻阻抗，因此信道的阻抗就会随着输入信号频率的变化而变化。这就是为什么当幅值固定的扫频信号被输入到该信道时，在信道上的信号幅值会随着频率的变化而变化。信道的这种特性称为信道的频选特性。实际上，信道的这种频选特性是与信道的阻抗特性相联系的，频选特性是信道阻抗特性某些方面的表示。汽车载波通信系统信道的频选特性曲线。如图3-3所示:-13-dB幅值频率Hz图3-3信道的频选特性曲线从图中可以看出，信道的频选特性没有一个固定的频率变化关系，因此不能用一个固定的数学表达式来确切地表示载波通信系统的信道的频选特性。对于汽车载波通信系统来说，信号频率为6MHz左右时可以得到最大的输入响应。实际上信道的频选特性是由信道负载是非纯电阻性引起的，该图也在一定程度上反映了信道的阻抗特性。3.3.2信道的衰减特性信道的衰减是指信号从发送端沿着信道传输到信号接收端的过程中由于受到信道上的各种因素的干扰，使得信号在到达接收端时的幅值已经发生了变化，这个变化通称为信道衰减。从这个定义可以看出，信道衰减实际上也是由于信道上的负载阻抗引起的。由于汽车载波通信系统信道的负载与信号的频率有关，因此信道衰减也与频率有很大的关系。既然汽车载波通信系统的信道衰减与频率有关系，那么它与前面分析的信道频选特性有什么关系呢,能否由信道频选特性得出汽车载波通信系统的信道衰减特性呢,下面将进行分析。工程中，特别是在通信领域一般都是以衰减分贝值(dB)来表示信道的衰减特性。汽车有线载波通信系统的信道衰减特性如图3-4所示:dB幅值频率Hz图3-4信道衰减特性曲线工程中，特别是在通信领域一般都是以衰减分贝值(dB)来表示信道的衰减特性。汽车有线载波通信系统的信道衰减特性如图3-4所示。从图中可以看出，汽车载波通信系统的信道衰减特性与频率有关，但是与频率没有一个固定的变化关系，因此该特-14-性曲线不能用一个确定的数学关系式来表达。这种复杂的变化是有多个原因引起的。首先是信号的频率，根据传输线理论，当信号的频率超过一定范围后，信道就不能当作“短线”进行分析设计;另外信道衰减特性也与汽车载波通信系统的信道频选特性有关。从图中可以看出，在频率1MHz,2MHz的范围内，信道的衰减基本上是稳定的。所以本论文选择这个范围内的频率是合适的。-15-第4章硬件电路的设计4.1微处理器这个控制系统选用PIC单片机作为微处理器，PIC单片机是业界公认的性价比非常高的微处理器。它采用的是RISC(精简指令集)结构，仅30多条指令。所有指令都是单字节指令，绝大部分指令都是单周期指令，运行速度快,功耗低。在+5V工作电压的情况下，耗电电流<2mA，并且还具有低功耗的休眠功能，非常适合于以电池供电的应用场合。它集成了很多的硬件功能，这样它的外围配置就非常的简单、明晰，具有较强的抗干扰性，大大提高了抵御外界电磁干扰的能力。PIC单片机有很多款不同系列的产品，这样用户就能够根据自己的实际情况选取最合适的单片机，从而减少原材料消耗，降低成本。该系统中，就是这种情况。主控制单元，由于需要扩展外围按键，显示单元等，采用了PIC16F877。而各个电器控制单元，由于只需要控制一个具体的执行电器，所需接口较少，功能也不多，所以采用了PIC16F873。4.2主控制单元电路如图4-1所示，PIC16F877是40脚双列直插式集成电路芯片，8K×14的FLASH程序存储器，368B的RAM数据存储器，256B的EEPROM数据存储器，33条I/O线，3个定时器，8级硬件堆栈，同步串口SSP，2个捕捉/比较/脉宽调制CCP，监视定时器看门狗WDT，为了能可靠工作，WDT含有本身的RC振荡器，工作电压范围为3V~6V。PIC16F877各I/O口的使用情况:RA4/TOCK1作为TMR0的外部时钟输入，用作信号接收中断;RB7~RB0用作键盘输入口;RC7~RC5用作显示输出口;RD7~RD0用作对MT8888的控制和数据传输口。对应如图4-1所示,主控制单元由两部分组成。一部分是有专用键盘和显示控制芯片MAX7219为核心的人机接口，另一部分是以MT8888为核心的DTMF编码信号发送和接收电路。两部分电路的工作由PIC16F877单片机统一指挥。芯片MT8888是一种大规模集成电路，能接收和发送DTMF信号，它共有5个不同作用的寄存器:发送数据寄存器(TDR)、接收数据寄存器(RDR)、状态寄存器(SR)、控制寄存器A(CRA)和B(CRB)。它们通过I/O控制电路受微处理器控制。微处理器通过RS0、WR、RD、命令将数据总线D3~D0上的数据写入CRA、CRB以控制电路的工作模式。其共有四种工作模式:1(DTMF收发模式;2(发送模式;3(中断模式;4(呼叫模式。在本论文中它工作于中断模式。-16-123456VCC10K10K10K10KR4R3R2R1K010KDDVCCSW-PBK13K14K15K16R0VCCU1140K9K10K11K12MCLR/VPPRB70.1uf239K5K6K7K8RA0/AN0RB6U1MT8888120338K1K2K3K4IN+VddRA1/AN1RB50.1ufC4100K100KC3219437IN-ST/GTRA2/AN2/Vref-RB4R15R14374K318536GSESTRA3/AN3/Vref+RB3R13417635INPUTVrefD3RA4/T0CK1RB2516734VssD2RA5/AN4/SS/RB1615833OSC1D1RE0/RD//AN5RB0/INT3.57MX2714932OSC2D0RE1/WR//AN6VddVCC8131031TONEIRO/CPRE2/CS//AN7Vss9121130WRRDVCCVddRD7/PSP7CC0.1uf15pfC510K10111229CSRS0VssRD6/PSP6R16C11328OSC1/CLKINRD5/PSP54MX11427OSC2/CLKOUTRD4/PSP415pf2K1526U1U1R20RC0/T1OSO/T1CKRC7/RX/DT124124DINDOUTDINDOUTC21625RC1/T1OSI/CCP2RC6/TX/CK223223DIG0SEGDDIG0SEGD1724OUTPUTRC2/CCP1RC5/SDO322322DIG4SEGDPDIG4SEGDP1823RC3/SCK/SCLRC4/SDI/SDA421421GNDSEGEGNDSEGE1922RD0/PSP0RD3/PSP3520520DIG6SEGCDIG6SEGC2021RD1/PSP1RD2/PSP20.1uf0.1uf619619DIG2V+DIG2V+C6C7PIC16F877718718DIG3ISETDIG3ISET10K10K10K10K10K10K10K10K81781710KDIG7SEGGDIG7SEGGR17R5R7R8R9R10R11R129.53K9.53KR6BB916916GNDSEGBGNDSEGBR18R1910151015VCCDIG5SEGFDIG5SEGF11141114DIG1SEGADIG1SEGA12131213LDAD(CS)CLKLDAD(CS)CLKggMAX7219MAX7219ffeeddcc1818ddbb22ececadpadp33gg44dpdpfbfb55DPYDPYaa6677DS2DS1DPY_7-SEG_DPDPY_7-SEG_DPAATitle图4-1控制系统主控制模块SizeNumberRevisionB主控单元由按键信号引起单片机B口的电平变化产生中断唤醒单片机，单片机查Date:20-Jun-2011SheetofFile:H:\protel\MyDesign1.ddbDrawnBy:123456询确定该键的键值判断键的类型并调键盘处理子程序处理。然后将数据由D口控制、发送至MT8888。单片机发送的BCD码经数据总线D3~D0送于TDR中，控制可编程行、列分频器，D/A变换器，合成DTMF发送信号，由8脚(TONED)输出经专用的加载电路加载到电力线上去。然后由RC5~RC7口将键盘信息送显。主控制单元只留有两个接口，一个是电力线接口，一个是地线接口，这样整个模块的使用就相当的简单。4.3键盘模块电路如图4-1所示,利用PIC16F877的B口具有电平变化中断功能,扩展了键盘模块,键盘模块由16个按键组成，分为4行4列，有0~9个数字键和6个功能键。单片机先将RB3~RB0置0，然后读取RB7~RB4的行值判断是否有键按下。若无键按下，则所读行值必为FH。若有键按下，则行值必因被按按键的行列线接通而不等于FH。单片机对按键的识别是通过“反转扫描法”实现的。当有键按下时，将从行线上读得的行码，再从行线输出1111，然后再读取列线，得到与按键纵向位置对应得4位“列码”，将所得的列码取反。最后，将先后读得的行码和取反后的列码组合在一起，就构成了可以准确确定按键位置的“位置码”。例如当按下K1时，RB4端口的电平被拉低，产生中断唤醒单片机。接着查询按键地址，先读取行码RB7~RB4=1110放入寄存器中，再将1111从行线输出读取列码RB3~RB0,1000。将列码取反得0111。将行码和取反后的列码组合起来得位置码RB7~RB0=11100111=E7H。0~9和功能键同图4-1中的按键对应起来，如表4-1所示，表4-1键值分布表RB3RB2RB1RB0RB7048CRB6159DRB526A开RB437B关-17-就可以完成我们的键盘设计，由于在本控制系统中所以控制的车灯只有开、关这两种状态，所以其功能键就很简单。我们可以通过选择0~9的组合来选择车灯，然后发布功能控制命令。4.4显示模块电路车灯的状态比较简单，只有开关两种。我们用LED表示其工作状态和位置，用不同的数字对应不同的车灯，通过观察该数字LED亮否就可以知道车灯的工作状态。如图4-1所示我们选用Max7219作为显示芯片。Max7219是一种新型的串行输入输出共阴极LED显示驱动器，方便的3线串行接口连接到各种通用的微控制器上。串行数据为16位数据包，发送到DIN端，在每个CLK的上升沿移入到内部16位移位寄存器中，然后在LOAD的上升沿数据被锁存。显示为片内动态扫描模式，通过编程可控制亮度，为防止LED显示失控，在靠近Max7219电源端并联了一个47μF的钽电容。该显示电路与由CD4094或74LS164构成的显示电路相比结构简单、功率低、灵活性高。4.5电器控制单元电路电器控制单元，由于只需要控制一个具体的执行电器，所需接口较少，功能也不多，所以采用了PIC16F873。如图4-2所示它是28脚双列直插式集成电路芯片，1234564K×14的FLASH程序存储器，192B的RAM数据存储器，128B的EEPROM数据存条I/O线，3个定时器，8级硬件堆栈，同步串口SSP，2个捕捉/比较/储器，21DD脉宽调制CCP，有监视定时器的看门狗WDT，为了能可靠工作，WDT含有本身的RC振荡器，工作电压范围为3V~6V。VCC10KR1VCCK1u10.1uf128MCLR/VPPRB7u1SW-PB120J4227IN+VddRA0/AN0RB60.1ufC5C41100K3.3KC3219326INPUTIN-ST/GT2RA1/AN1RB5VCCR15R2100K374KCC0.1uf318CON2425GSESTRA2/AN2/Vref-RB4VCCR14R13417524VrefD3RA3/AN3/Vref+RB3516623VssD2RA4/T0CK1RB2615722OSC1D1RA5/AN4/SSRB115pfOPTOISO13.57M714821VCCOSC2D0VssRB0/INTX20.5K813C1920TONEIRO/CPOSC1/CLKINVdd4MR0X1912101912VJ?WRRDOSC2/CLKOUTVss15pf10111118CSRS0RC0/T1OSO/T1CKRC7/RX/DT10KR16MT8888C21217CON2RC1/T1OSI/CCP2RC6/TX/CK121316RC2/CCP1RC5/SDO1415RC3/SCK/SCLRC4/SDI/SDAPIC16F873NPNBB10K10K10K10K10K10K10K10K10KR17R5R6R7R8R9R10R11R121KR3VCC图4-2控制系统电器控制模块PIC16F873各I/O口的使用情况:RB0/INT外部中断。RB1接控制元件;RC7~RC0接AATitleMT8888的控制和数据传输口。SizeNumberRevisionB耦合模块将DTMF信号从电力线上取下，发送至MT8888芯片，MT8888产生中断Date:20-Jun-2011SheetofFile:H:\protel\MyDesign1.ddbDrawnBy:123456信号通过PIC16F873引起外中断唤醒单片机。单片机控制接收从MT8888传送过来的数据，将地址数据与自身的地址比较，如果相等就执行后面的控制命令，如果不相等就放弃，继续进入休眠状态。-18-123456DD4.6信号耦合加载、卸载电路本研究中的DTMF信号的加载耦合以及卸载耦合都是通过图4-3中的电路来完成的。实际上，由于汽车内是直流电系环境，载波信号完全可以通过一个电容直接耦合到电力线上。但是，考虑到汽车内电系环境的干扰太多，电压波动较大，如果直接通过电容耦合方式进行载波加载、卸载，汽车电系的电路波动就能够串入控制系统，从而对系统造成干扰。因此，从抗干扰的角度出发，本系统采用了图4-3中的载波加载、卸载电路来隔离干扰。R19CCVCCJ12AR18INPUT11INPUTR17C7C10LM158C8C11OUTPUT32C12C9图4-3载波信号耦合电路BB由于汽车内的电磁干扰多为高频，并且DTMF信号的频率范围相对集中，限于1633HZ范围，因此为了进一步隔离干扰，系统中加入了低通滤波环节。低697HZ到通滤波器的滤波频率限值设置为2KHZ，此频带完全能够通过控制系统中所有的控制信号，滤掉电源线上的高频信号。LM158是一种单电源的运算放大器。它能够运行在+5v电源下。在电路中使用的本控制系统中，该运算放大器与附加的电容C12组成了有源低通滤波器，滤波频率限设为2KHZ，以滤出附加载电源线上的高频信号，提高系统的抗干扰能力，同时也放大了从电源线上耦合进来的控制信号。AATitleSizeNumberRevisionBDate:20-Jun-2011SheetofFile:H:\protel\MyDesign1.ddbDrawnBy:123456-19-第5章软件系统的设计5.1系统软件设计控制系统软件分主控制单元，及电器控制单元两部分。并且电器控制单元根据控制对象的不同而有所区别(本论文对汽车照明系统进行控制)。整个控制系统的控制程序是由主程序，按键识别程序，发送、接收程序，以及中断响应程序组成。主程序的初始化包括对单片机自身工作方式的初始化，如为了扩展按键设置PORTB中断，接受MT8888发送、接收中断的设置，显示模块的初始化，对MT888的初始化，然后是键盘模块的初始化。控制系统采用了休眠方式，并设置为中断唤醒。这种方式极大地减少了电能损耗，也提高了系统抗干扰能力。单片机在完成对系统的初始化后，就进入休眠状态。然后由与键盘操作有关的PORTB口中断或者MT8888的接收中断将它唤醒，单片机进入相应的处理程序。处理完成后，单片机将判断是按键中断(即对需要对某个照明单元进行操作)，还是发送接收中断，然后执行相应的子程序操作，操作完成后系统又进入休眠等待下次中断的发生。5.2主控制模块程序设计主控制模块我们采用图4-1所示的电路。其I/O分配表如下:RA4:与接MT8888IRQ/CP相连，触发单片机TMR0中断。RB7~RB0:与键盘模块相连RC7~RC0:与显示模块相连RD7:接MT8888CS片选端RD6:接MT8888WR写控制端RD5:接MT8888RS0存储器选择端RD4:接MT8888RD读控制端RD3~RD0:接MT8888的数据总线D3~D0。单片机采用休眠模式，单片机完成初始化后进入休眠状态，其工作方式为:1(键盘模块上的按键信号触发RB口的电平变化中断，唤醒单片机进行键盘扫描，识别键盘上按键的键号，调键盘处理子程序将键盘信息翻译成相应的代码，从RD3~RD0发送到MT8888的数据总线D3~D0进行DTMF编码。然后调发送子程序由MT8888将DTMF信号发送到耦合电路。2(电器控制单元模块完成了相应的控制动作后或出现错误时返回的信号由MT8888的IRQ/CP端进入单片机的RA4/TOCKI口,扩展为TMR0计数中断唤醒单片机作接收处理。如果是电器控制单元执行完毕的信号，单片机就进入休眠;如果是出现错误，单片机就再发送一次信号。其程序框图如图5-1所示。-20-开始单片机休眠否出调芯片初始化子程序中断执行完毕,调显示初始化子程序是MT8888初始化子程序重新设置标志字节码重新设置中断控制字节调键盘初始化子程序序图5-1-A主控制模块主程序框图-21-开始开始调键盘处理子程序查询键盘中断标志位调MT8888发送子程序是键盘中断标发送完毕,志位=1,否调显示子程序查询接收中断标志位是调接收子程序接收中断标志位=1,