启飞汽车

摘要

    汽车的电子化、网络化是现代汽车发展的重要标志。文中在汽车传统接线技术的基础上讲述了CAN总线、LIN总线、MOST总线、FlexRay总线技术在汽车电器中的应用, 并介绍了两种典型的CAN总线网络结构。
    车用电子设备的不断增多对汽车的综合布线和信息的交互共享提出了更高的要求。特别是电子控制单元的大量引入, 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需要实时交换。传统布线技术已远远不能满足需求, 必须采用先进的总线技术。

一、传统的接线技术

    传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式, 相互之间少有联系, 这样必然造成庞大的布线系统。据统计, 一辆采用传统布线方法的高档汽车中, 其导线长度可达2 000m, 电气节点达1 500个, 而且该数字大约每10年增长1倍, 从而加剧了粗大的线束与汽车有限的可用空间之间的矛盾, 同时各个子系统无法对汽车公共数据实时共享, 因此, 传统控制线束已不能适应汽车的发展, 采用先进的总线技术势在必行。图1为相同节点的传统点对点通讯方式, 可以直观地比较线束的变化 (图中节点之间的连线仅表示节点间存在的信息交换, 并不代表线束的多少) 。
 

 
图1 传统的点对点通讯方式拓扑图 

二、总线技术概述

    如今汽车中的绝大多数电子控制单元相互之间都有连接, 但汽车制造商针对不同的应用使用了不同的总线系统。例如传动系统和制动系统多数通过控制器局域网络 (CAN) 来联接, 而通讯不太密集的应用 (如车窗升降电机和控制车镜的按键) 可能使用局域互联网络 (LIN) 协议, 多媒体娱乐系统则使用MOST总线技术, Flex Ray总线技术可以对它们起到很好的补充。

1.CAN总线技术

    CAN总线又称作汽车总线, 其全称为“控制器局域网 (CAN—Controller Area Network) ”。CAN总线是一种现场总线, 是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的电控模块 (ECU) 之间的数据交换而开发的一种串行通信协议。
    与传统通信系统中的接线技术相比, CAN总线技术最明显的特点是大大减少了汽车插件的数量和信号线束的长度。在传统模式下, 信号依靠各自的信号线来传递。但随着控制系统复杂程度的增加, 信号线束急剧增加, 传统的信号接线方式越来越不能适应汽车控制系统的要求, 同时复杂的接线也增加了系统的不可靠性。国外统计数据表明, 如果一辆中型以上的汽车中大量地采用CAN总线技术, 那么可以平均减少大约300个插件、1 m长的线束, 总共能减少约35kg质量。CAN总线的另一个突出特点是全数字化通信, 便于实现灵活的网络互联系统。与传统接线技术相比, 这一点才是CAN总线技术最深刻的变革。
    CAN总线分为高速和低速CAN总线, 低速CAN总线速度为10~125kb/s, 高速CAN总线速度为250kb/s~1Mb/s。高速CAN总体应用在发动机、变速箱、ABS等段实时性要求强的控制模块, 低速CAN总体主要运用在车身控制模块领域。
    目前, 国外的汽车总线技术已经十分成熟, 并已在汽车上推广应用。国内引进技术生产的奥迪A 6车型已于2000年起采用总线替代原有线束, 帕萨特B5、宝来、波罗、菲亚特的派力奥、西耶那、哈飞赛马等车型都不同程度地使用了CAN总线技术。

2.LIN总线技术

    LIN (Local Interconnect Network) , 即局部互联网络, 是由宝马、大众、沃尔沃、摩托罗拉等欧洲汽车制造商及电子零件供应商为降低车载网络成本而提倡的一种串行通讯协议, 它通过网关与CAN网络相联。
    LIN是一种针对某一功能的局部网络系统, 它的主要优点是降低材料及装配成本, 连线从2根减少到1根, 传输速率比较低, 只有20kb/s, 而且抗干扰性强。主要应用在精度误差不是很苛求的部件的控制上, 例如转向定时速度控制、雨刮器控制、车灯控制、后视镜控制、电动车窗、电动座椅调整、发电系统、空调机控制等。
    以图2轿车左侧前车门为例, 车门装配有电动玻璃窗控制器、中央车门锁控制器和电动外后视镜控制器, 这些部件的控制器之间的电路通讯就组成一个LIN, 再通过网关与CAN联系。由于车门装置这一类控制通讯速度要求不高, 也不会影响使用效果, 因此在车身系统上LIN得到积极应用。图3为LIN总线在车镜控制上的应用。
 

 
图2 LIN总线在车门上的应用 
 
图3 LIN总线在车镜控制上的应用

3.MOST总线技术

    为适应未来汽车多媒体娱乐系统发展的需要, 未来DVD、导航仪、汽车音响将通过数据总线集成在一起来传输移动图像, 这就需要传输速率更高、更快的网络总线。MOST (Media-oriented systems transport) 总线技术正是基于此产生的, 它是一种基于光纤的通信协议, 专门针对音视频娱乐通信, 传输速率可达20Mb/s, 在一些顶级车上已有应用。目前超过50家公司包括奥迪、宝马、戴姆勒-克莱斯勒和别克公司正在协力发展这种协议。

4.Flex Ray总线技术

    Flex Ray是一种灵活的通讯系统, 能够满足未来先进汽车高速控制应用的需要。同时Flex Ray支持分布式控制系统, 并可补充CAN、LIN和面向媒体应用的MOST光学数据总线等主要车内网络标准。Flex Ray协议旨在应用于需要高通信带宽和决定性容错数据传输能力的底盘控制、车身和动力总成等场合。
目前飞思卡尔已经开发出第一款面向汽车的嵌入式MFR4200—Flex Ray控制器设备。MFR4200的吞吐量比现有的控制器局域网 (CAN) 解决方案高出10倍, 并提供线控 (x-by-wire) 技术所需的容错性和确定的时间性能, MFR4200提供很高的通信带宽及确定性, 具有强大的容错数据传输功能。

三、典型的CAN总线网络结构

1.普通汽车

    普通汽车典型的控制单元有电控燃油喷射系统, 电控传动系统, 防抱死制动系统 (ABS) , 防滑控制系统 (ASR) , 废气再循环系统, 巡航系统和空调系统, 车身电子控制系统 (包括照明指示和车窗、刮雨器等) 。普通汽车的CAN总线网络系统架构如图4所示。
 

 
图4 普通汽车的CAN总线网络系统架构

2.燃料电池混合动力汽车

    燃料电池混合动力汽车的动力驱动系统比一般普通汽车驱动系统复杂, 状态量和控制量也相对增多, 采用传统的接线方式面临的困难显而易见, 此外其动力系统还广泛采用数字化电控单元, 基于此, 燃料电池混合动力汽车比较适于采用CAN总线来实现驱动系统中各子系统之间的通信。采用CAN总线技术的网络系统结构如图5所示。
 

 
图5 燃料电池混合动力汽车CAN总线技术的网络系统结构

四、结束语

    与传统接线技术相比, 采用汽车总线技术大大节约了材料成本, 简化了结构, 提高了工作效率, 随着汽车电子设备及电控系统的增加, 总线技术的应用会更加广泛, 并将对汽车工业的发展产生重要影响。
 

作者:邱翠榕  来源：北京汽车
 

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