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1、1汽车微机网络 LAN1汽车微机网络汽车微机网络 LAN 的发展情况的发展情况1994 年以前车内微机网络大多以 LAN(In-Vehicle Local Area Network 缩写)的 3 种结构(点到点式、集中式、分布式)出现。分布式应用得比较广泛，但应用点到点和集中式网络的车型为数不少。1984 年以前，严格地说只是 LAN 发展的萌芽期，别说分布式网络，就是集中式网络甚至点到点的传输方式 (在两个点之间无中间转接站或中间计算机的直接数据传输)，都还未正式推广应用，仅有的只是 1982 年型的日产公爵和 1983 年型的丰田世纪汽车的车门光学遥控系统以及 1983 年型的日产豹汽车的
2、光学转向开关等，成为这一阶段的正式产品。19851989 年是 LAN 发展的第二阶段，在此期间，各大汽车公司的点到点和集中式网络的产品不断涌现。此间较超前的是克莱斯勒公司的纽约客车型，直接采用 CCD 通信协议和分布式网络。l990 年以来，汽车局域网进入了较高级的第三阶段，除了 1991年型的丰田马克汽车的车门控制仍采用点到点的光控多路传输外，绝大多数车型都由集中式网络转向分布式网络。2常见车型采用的网络结构种类常见车型采用的网络结构种类为了叙述方便，对于无网络软件 (通信协议)的两点间的通信的网络雏形，也暂称网络结构，而真正的网络结构应从 1988 年克莱2斯勒公司的纽约客车型采用的 C
3、CD 通信协议算起。(1)l983 年型的日产豹汽车的网络主要是转向开关的点到点(光控)型式。(2)1983 年型的丰田世纪汽车的网络主要是车门的集中式(光控)型式。(3)1985 年型通用凯迪拉克部生产的部分汽车的网络，主要是车身电子控制模块之间点到点 (电控)型式。(4)1985 年型的通用别克海滨汽车的网络，主要是阴极射线管显示器的集中式 (电控)型式。(5)1986 年型通用凯迪拉克部生产的阿兰特汽车的网络，主要是多路复用灯光系统的集中式 (电控)型式。(6)1986 年型的丰田滑翔机汽车的网络，主要是多视频的点到点 (电控)型式。(7)l986 年型的三菱快乐汽车的网络，主要是遥控系
4、统的点到点 (光控)型式。(8)1987 年型的丰田皇冠汽车的网络，主要是只读光盘(CD-ROM)点到点(光控)型式，还有多视频的集中式(电控)型式。(9)1987 年型的日产公爵汽车的网络，主要是车门开闭系统的集中式 (电控)型式。(10)1988 年型的克莱斯勒纽约客汽车的网络，主要是 CCD(采用 CDP68HC68S1 通信芯片版本和 MC68HC11 作为 CPU)通信协议的分布式 (电控)。3(H)199l 年型的丰田马克汽车的网络，主要是车门多路复用系统的点到点 (光控)型式。(12)1991 年型的奔驰 600SEL 汽车的网络，主要是 CAN(采用AN82526-Q8841
5、通信芯片版本和 Intel 8051 或 H8/532 作为 CPU)通信协议为分布式 (电控)。(13)1992 年型的克莱斯勒 LH 汽车的网络，也是与纽约客相同的 CCD 通信协议的分布式 (电控)。(14)1992 年型的丰田皇冠汽车的网络，主要是 i-Four 通信协议的分布式 (电控)。(15)1993 年型的日产无限汽车的网络，主要是 IVMS 通信协议的集中式 (电控)。3丰田汽车开发和应用汽车网络丰田汽车开发和应用汽车网络LAN 的意义的意义4近年来，全世界对加强汽车电子控制技术的要求日渐增长，但是，在电子控制装置 ECU 增加的同时，电器配线和信号配线也愈来愈多，许多汽车的
6、线束质量和线束直径已分别达到甚至超过 40kg和 60mm。由于导线太多，严重地干扰了汽车零部件的设计、布局和制造，另外，对汽车的维修也带来许多不便，反过来制约了电子控制技术在汽车上的广泛应用。因此，在汽车上迫切需要开发和应用 LAN，使几个 ECU 中的各种数据进行交换，以此促成对汽车性能的精确、高速控制和减少配线。针对改善汽车运行、安全和经济性能，最有前途的就是对电子燃油喷射、防抱死制动系统和悬挂系统等的综合控制，因为这些系4统到目前为止大多是相互独立的。实现了综合控制各个 ECU，使之能相互交换各种数据，是 LAN 的关键技术。汽车内的 LAN 是在多路复用通信的基础上建立的。为了实现多
7、路复用通信，又需要开发专用的集成电路，这是近年来半导体厂商必须承担的艰巨任务。汽车多路复用系统，包括连接到通信集成电路总线上的多个 ECU 的接口，属于微机在汽车上应用的关键技术之一。4丰田汽车上开发的两种供多路复用通信需要的集成电路丰田汽车上开发的两种供多路复用通信需要的集成电路一种是通信控制 IC，另一种是总线驱动器/接收器 IC。两种 IC都是根据 SAEJ1850 标准的 PWM 编码格式作为基础的通信协议。通信控制 IC 的设计有与众不同的特性，如有较高的故障自动防护操作和能减少施加在 ECU-CPU 上的额外通信量的特性。该 IC用 CMOS 技术制造，芯片尺寸 5.5mm5.5m
8、m，芯片上约有 14000个晶体管。总线驱动器/接收器 IC 也有两个特点，一是在数据传输周期中，能让进入总线扭绞线对其中一对线芯的电流，与总线中另一对线芯的返回电流精确匹配。这种电流输出和返回的精确匹配技术，能抵御电磁干扰，对车内的无线电接收极为有利;另一个特点是数据接收周期中，当总线扭绞对线中的任一对线芯出现故障时，具有改变数据接收阀值电压电平的能力。该 IC 采用双极技术制造，在3.0mm5.7mm 的芯片上约有 700 个元件。55.丰田公司选用丰田公司选用 SAEJ1850 标准的脉宽调制标准的脉宽调制(PWM)编码作为两种集编码作为两种集成电路通信协议的基础的原因成电路通信协议的基
9、础的原因从电子控制的角度出发，通信速率愈高，汽车的控制性能愈佳。也就是说，大家都希望大量的数据能在一个单位时间内传送和交换，而让数据通信延迟保持在最低级别。但此产生了一个不良的情况，即较高的通信速率，在高频区不可避免地伴随着增大辐射噪声的能级，因此，在车内引起无线电接收噪声。当然，采用同轴电缆或光纤等可对辐射噪声能级有所限制，但目前这些技术的成本和可靠性等问题还尚待解决。所以，从实用角度出发，选择 J1850-PWM 作为通信控制 IC 和驱动器/接收器 IC 通信协议的基础。J1850 是 SAE目前推荐作 B 级通信的标准，即为专供汽车 LAN 运行在中等通信速率的标准，也可用作汽车故障诊
10、断的接口协议基础。6.丰田汽车按丰田汽车按 SAEJ1850 标准设置的两种集成电路的相关规范标准设置的两种集成电路的相关规范按 J1850 标准设置的两种集成电路的相关部分规范如下:(1)主要特征。位速率 41.67kbps，位编码 PWM，总线访问/存取具有非破坏性位仲裁的、有碰撞检测功能的载波感知多路存取 (CSMA/CD)，传输媒体双线。(2)帧格式。图 1 为 J1850-PWM 的帧格式，数据组按字节单位，先安置最高有效位，至 12 字节(包括 CRC 和 IFR)并允许调节。(3)位和符号格式。图 2 表示 J1850-PWM 的位(指数据“1”或“0”)和符号格式。位和符号被限
11、定在 24s 的间隔帧或它的整数倍帧内，对于各帧的允许误差为士 2%。6图图 1 SAE J1850-PWM 帧格式帧格式图图 2 SAE J1850-PWM 的位和符号定义的位和符号定义(4)传输起动条件。当总线空闲或被检测到的前导脉冲边缘处于帧间间隔(IFS)时，允许传输起动。(5)非破坏性位仲裁。J1850-PWM 采用非破坏性位仲裁。仲栽的操作原理和效果如下，位仲裁的典型电路如图 3 所示。在各个节点上，如果所给定的至驱动器的全部输入信号 TXn(图中的TX1、TX2)为低电平，那么，连接到总线 (+)和总线(一)的全部驱动晶体管都截止。由于下拉电阻与总线(+)相通，因此总线(+)的电
12、压也处于低电平;另一方面，由于上拉/负载电阻与总线 (一)相连通，故总线 (一)的电压处于高电平。这样，各个独立节点上的接收器输出将为低电平。7图图 3 实现非破坏性位仲裁的电路例子实现非破坏性位仲裁的电路例子如果在最末节点上给于驱动器的输入信号 TXn 为高电平，那么两个对应的驱动晶体管导通，总线(+)的电压将处于高电平，总线(一)处于低电平。这样，各个节点上的接收器输出高电平。这是一种具有优先赋予高电平的线“或”逻辑电路形式。图 4 表示接收器输出信号波形。节点 1 和节点 2 能同时起动传输数据，与在总线上的 T1850-PWM 相符。对于 T1850-PWM 的图示情况，当位“1”与位
13、“0”相互碰撞时，位“0”总是占优势(处于支配地位)。对于该协议，要求所有的节点都具有碰撞检测能力，即使在传输过程或瞬态停止传输过程中都能一直监测着总线的状态。如果从某节点输出的波形发生畸变，节点自身能进行发送检测。具有碰撞检测能力的几个节点进行起动传输，其中总有一个节点能在8帧末被破坏的情况下完成传输。图图 4 在在 J1850-PWM 总线上的位仲裁总线上的位仲裁因此，通过首选的几位作为优先位，对于各个独立帧有可能赋予理想的优先次序，这样，就能确保进位最优先的帧，在最小的等待时间间隔内，甚至是总线最繁忙的情况下获得传输权。能在限定的时间间隔内传递紧急信息的要求是相当重要的，有了该项技术规范
14、，采用 LAN 设计出的电子控制系统一定是理想的。7通信控制通信控制 IC 的结构特点的结构特点通信控制 IC 位于主 CPU 与驱动器/接收器 IC 之间，主要功用是将 “0”和“1”数据流转换为与通信协议相符的格式，或反过来将 PWM 波转换为“0”和“1”数据流。通信控制 TC 芯片尺寸为 5.4mm5.5mm，含 13500 个晶体管，采用双层铝-2m COMS 工艺制造。其结构特点如下:(l)发送端与接收端的脉冲宽度有差别。判别 PWM 位和符号可9参考脉冲宽度，但发送端信号发送的脉冲宽度与接收端的脉冲宽度总会有一点差别。由于要实现非破坏性位仲裁，因此，以下两点可能是造成发送与接收端
15、脉冲宽度差异的主要原因。脉冲上升和下降的时间不相等。非破坏性位仲裁受驱动器赋予的高电平和下拉电阻给予的低电平之间完全不同的驱动力的影响。脉冲上升时间取决于总线上的寄生电容量和驱动器上的驱动力;而脉冲下降时间取决于总线上的寄生电容量和下拉电阻的上的位仲裁驱动力。由于脉冲上升和下降时间的差值较大，因此，脉冲宽度出现了差别。在传输位同步电路中，由于延迟造成脉宽扩展。对于非破坏性位仲裁，在任一 (或全部)正常传输节点上的位传输起动时间，在信号碰撞过程中必须相互重合。这就要求每个独立的节点都具有持续不断地监测总线、检测前导边缘，以及即便在数据传输过程中能立即发送下一位的能力。不过，在传输位同步的电路中，
16、从首次检测任一前导边缘接着传送下一位的信号处理通路，若存在着任何延迟，那么脉冲宽度会相应变宽。脉冲宽度差别的程度主要取决于 LAN 的电路布局、总线长度和节点数量。由于总线长度和节点数随汽车车型而异，仅靠发送和接收系统对脉宽变动允许量作为鉴别系统工作可靠性是不充分的。若所用的参数是按照 J1850-PWM 的规定，那么，在各种不利条件都同时存在的情况下，要保障非破坏性位仲裁是很困难的。根据以上存在的问题，丰田公司精心研制了具有较高可靠性的10发送和接收系统，其传输波形的脉冲宽度作了选择(图 5),与前面图2 相比较，位 “1”和“0”的波形有所变化。图图 5 经选择的位和起始帧经选择的位和起始帧(SOF)波形波形另外，接收过程中的抽样点也重新作了选择 (图 6 中的“”符号处)，经测定，这些抽样点可能是引导每个位和符号的错误识别成为最少的一组。图图 6 重新选择的位和符号抽样点重新选择的位和符号抽样点采用该发送和接收系统的时钟误差容限(20%)，就是通信 IC时钟误差的最大允差，在此允差范围内，如果由驱动器/接收器
