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    隨著轎車技術(shù)的快速發(fā)展和社會(huì)對(duì)轎車功能要求的不斷提高，電子技術(shù)在轎車中得到了廣泛的應(yīng)用。自80年代末期以來，基于提高轎車安全性和舒適性等性能指標(biāo)的轎車功能控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)方興未艾，如轎車門鎖集控系統(tǒng)和防撞系統(tǒng)等。但是，它們?cè)谵I車中同時(shí)共存，各自獨(dú)立，駕駛者必須通過各種儀表和按鍵實(shí)施分離操作。這無疑增加了駕駛者的操作難度和誤操作概率，也需要駕駛者掌握許多復(fù)雜的控制技能和熟練的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，這反而會(huì)影響轎車的安全性和舒適性。因此，對(duì)這些功能控制系統(tǒng)實(shí)施有效、有序和安全方便地集中控制，已成為將電子技術(shù)應(yīng)用于轎車上和轎車技術(shù)發(fā)展迫切需要解決的問題。

　　控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)是德國Robert Bosch公司在80年代初為汽車業(yè)開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。由于其具備良好的可靠性、健壯性和效能價(jià)格比，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

    1　CAN的基本特點(diǎn)及其在轎車信息控制中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

　　控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)是一種串行數(shù)據(jù)通信總線，其通信速率達(dá)到1 MB/s。CAN已有國際標(biāo)準(zhǔn)，如用于高速場合的ISO 11898和用于低速場合的ISO 11519-1。
　　CAN總線的最大特點(diǎn)之一是，任一節(jié)點(diǎn)所傳送的數(shù)據(jù)信息不包含傳送節(jié)點(diǎn)或接收節(jié)點(diǎn)的地址［1］。信息的內(nèi)容通過一個(gè)標(biāo)識(shí)符(ID)作上標(biāo)記，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，該標(biāo)識(shí)符是惟一的。網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)接收到信息后，每一節(jié)點(diǎn)都對(duì)這個(gè)標(biāo)識(shí)符進(jìn)行測試，以判斷信息內(nèi)容是否與己有關(guān)。若是相關(guān)信息，則它將得到處理；否則，它即被忽略。這一方式稱為多播。采用該方式的優(yōu)點(diǎn)是可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，也可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段長度最多為8字節(jié)，既能滿足一般要求，又可保證通信的實(shí)時(shí)性。

　　標(biāo)識(shí)符還決定了信息的優(yōu)先權(quán)。ID值越小，其優(yōu)先權(quán)越高。當(dāng)存在2個(gè)或2個(gè)以上節(jié)點(diǎn)爭用總線時(shí)，CAN采用ID進(jìn)行仲裁。CAN確保發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)信息的節(jié)點(diǎn)獲得總線使用權(quán)，而其他的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)停止發(fā)送。總線空閑后，這些節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)重發(fā)信息。
 
　　CAN采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)法，它能通過無損仲裁解決沖突。CAN總線上的數(shù)據(jù)采用不歸零編碼(NRZ)，可具有兩種互補(bǔ)的邏輯值之一，即顯性和隱性。顯性電平用邏輯“0”表示，而隱性電平用邏輯“1”表示。總線按照“線與”機(jī)制對(duì)總線上任一潛在的沖突進(jìn)行仲裁，顯性電平覆蓋隱性電平。而發(fā)送隱性電平的競爭節(jié)點(diǎn)和顯性電平的監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)將失去總線訪問權(quán)并變?yōu)榻邮展?jié)點(diǎn)。

　　圖1所示為3個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)爭用總線的情況，由于節(jié)點(diǎn)2在字節(jié)1處其顯性電平覆蓋了節(jié)點(diǎn)3的隱性電平，在字節(jié)5處又覆蓋了節(jié)點(diǎn)1的隱性電平，因而保證了節(jié)點(diǎn)2獲得總線使用權(quán)。

圖1

　　CAN總線通常采用屏蔽或非屏蔽的雙絞線。電話線類型的雙股電纜亦能正常工作。

　　CAN總線能在極端惡劣的環(huán)境下運(yùn)作。即使雙絞線中有一根斷路，或有一根接地甚至兩根線短接，總線都能繼續(xù)工作。采用一定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置，某些功能在雙線都斷路的情況下仍能實(shí)現(xiàn)。

　　汽車的功能每年以7%～10%的速度增加，這些功能大多通過電子控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的交換需要專用的線路，隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，使用專用線路交換數(shù)據(jù)將變得更加困難且造價(jià)昂貴。同時(shí)，由于缺少空間，因而電子控制單元(ECU)及布線都不能再增加。比如在Volvo公司生產(chǎn)的S 80型轎車中，所安裝的電纜長達(dá)1 200 m，有54根保險(xiǎn)絲。采用CAN網(wǎng)絡(luò)將能滿足節(jié)約大量電纜的需要。

　　CAN除了能有效地節(jié)省大量電纜外，還具有抗瞬間干擾的能力，其控制器接口有降低射頻干擾的斜率控制。而且CAN有較強(qiáng)的檢錯(cuò)能力，通過監(jiān)視、循環(huán)冗余校驗(yàn)、位填充和報(bào)文格式檢查，使得未檢測出的出錯(cuò)概率小于4.7×10-11； CAN的節(jié)點(diǎn)還有自動(dòng)識(shí)別永久性故障和短暫擾動(dòng)的能力，在處于連續(xù)干擾時(shí)，CAN節(jié)點(diǎn)處于關(guān)閉狀態(tài)，而且CAN中的節(jié)點(diǎn)可在不要求所有節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖蛴布那闆r下被接于CAN網(wǎng)絡(luò)中。

　　90年代以來，基于CAN的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)安裝于Mercedes公司生產(chǎn)的S(140系列)轎車上。新型的S轎車具有兩類基于CAN的網(wǎng)絡(luò)：C類網(wǎng)絡(luò)和B類網(wǎng)絡(luò)。C類網(wǎng)絡(luò)連接10個(gè)動(dòng)力系電子控制單元(ECU)，B類網(wǎng)絡(luò)有24個(gè)節(jié)點(diǎn)連接車身與用于實(shí)現(xiàn)舒適及便利功能的ECU。S轎車內(nèi)的兩類網(wǎng)絡(luò)通過3個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊相連。采用分布式網(wǎng)關(guān)是為了避免使用16位的微控制器，各種ECU的功能得到了完美的組合。當(dāng)按下“Ergo”鍵，座位和方向盤自動(dòng)調(diào)節(jié)到最佳位置。而關(guān)上所有的車窗和頂篷后，進(jìn)入一個(gè)隧道時(shí)，車頂燈自動(dòng)打開。一旦該車與前面的汽車距離太近，它會(huì)自動(dòng)剎車。在低溫下，其雨刮器和反光鏡的加熱器自動(dòng)激活。這些都有效地實(shí)施了轎車信息的中央控制。

　　據(jù)Strategy Analytics市場研究公司公布的一份對(duì)微控制器和汽車網(wǎng)絡(luò)所作的研究表明，大多數(shù)客車都選用基于CAN的網(wǎng)絡(luò)，目前在美國CAN已開始取代基于J 1850的網(wǎng)絡(luò)。到2005年，CAN將會(huì)占據(jù)整個(gè)汽車網(wǎng)絡(luò)(IVN)協(xié)議MCU市場的63%。在歐洲，盡管有其他新的協(xié)議會(huì)在對(duì)安全要求嚴(yán)格以及多媒體領(lǐng)域找到立足點(diǎn)，但是大約有88%的IVN將是基于CAN的。

　　隨著越來越多的汽車制造廠家采用CAN通信協(xié)議，CAN在轎車中央控制系統(tǒng)中的應(yīng)用將呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：

　　① 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能夠在不增加新的硬件，不減少其可靠性的前提下增加功能。隨著網(wǎng)絡(luò)在中、低價(jià)位汽車上的普及，各汽車制造廠家都能將其輕易地為中、低價(jià)位汽車配備，而目前僅見于豪華車有其功能。

　　② 為優(yōu)化成本與控制數(shù)據(jù)方式之間的關(guān)系，在一輛車上同時(shí)采用多種網(wǎng)絡(luò)將會(huì)日益普及。如用速率為500 kB/s的CAN連接發(fā)動(dòng)機(jī)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)，而用一個(gè)低速CAN或J 1850連接車鎖及其他車身電子設(shè)備。各網(wǎng)絡(luò)間需要的信息可通過一個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸。

　　③ 智能傳感器和驅(qū)動(dòng)器將直接與串行總線相連，當(dāng)然也可能會(huì)出現(xiàn)與傳感器和激勵(lì)器接口的低速總線。

    2　轎車中央控制系統(tǒng)及其功能

　　現(xiàn)代汽車廣泛地采用了電子技術(shù)，以適應(yīng)日趨嚴(yán)格的國家法規(guī)要求和人們對(duì)汽車舒適性與安全性的追求。目前，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制、底盤、懸架控制、乘員保護(hù)、導(dǎo)航和安全防盜等系統(tǒng)中都廣泛地應(yīng)用了電子控制技術(shù)。汽車電子化程度已成為衡量一個(gè)國家汽車工業(yè)水平的重要標(biāo)志。

　　盡管上述各功能控制系統(tǒng)具有各自的控制目標(biāo)和對(duì)象，但在多種功能控制系統(tǒng)中，彼此之間存在著關(guān)聯(lián)性和時(shí)序性(如安全氣囊系統(tǒng)和轎車門鎖集控系統(tǒng)之間必須保證時(shí)序控制)。然而在目前的轎車中，上述功能系統(tǒng)各自獨(dú)立，駕駛者必須通過各種儀表和按鍵實(shí)施分離操作。這無疑增加了駕駛者的操作難度和誤操作概率，從而影響了轎車的安全性和舒適性，同時(shí)，也會(huì)引起大量的冗余信息。

　　轎車中央控制系統(tǒng)是集中控制轎車上各種功能控制系統(tǒng)的一種控制模式，針對(duì)轎車某種特定狀況(事件)，借助微型計(jì)算機(jī)按照人的愿望實(shí)現(xiàn)對(duì)各種功能控制系統(tǒng)的控制，以減少對(duì)駕駛者本身素質(zhì)的依賴性，更進(jìn)一步提高駕駛和乘車的舒適性和安全性，增強(qiáng)轎車在未來市場的競爭力。

　　如圖2所示，當(dāng)轎車發(fā)生撞車事件后，撞車監(jiān)測系統(tǒng)即發(fā)出信息給轎車中央控制系統(tǒng)。轎車中央控制系統(tǒng)能依據(jù)事件的類別，如前撞、后撞或側(cè)撞來激活緊急制動(dòng)系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)以及轎車門鎖集控系統(tǒng)動(dòng)作。其中轎車門鎖集控系統(tǒng)必須在安全氣囊系統(tǒng)解除后才能動(dòng)作，以保證車中乘員能順利出來。因此，在撞車事件發(fā)生時(shí)，轎車門鎖集控系統(tǒng)還必須滯后動(dòng)作。若在撞車過程中出現(xiàn)火險(xiǎn)，除了應(yīng)及時(shí)激活滅火系統(tǒng)之外，則車門還應(yīng)及時(shí)打開，以便乘員逃出，此時(shí)安全氣囊系統(tǒng)的作用時(shí)間應(yīng)減少。

圖2

　　由此可見，轎車中央控制系統(tǒng)應(yīng)具備如下基本功能：

　　① 以事件作為控制目標(biāo)，事件的表示形式應(yīng)統(tǒng)一，而且具有各自的功能；

　　② 高度模塊化。事件可以看作模塊，這些事件是相互獨(dú)立的，系統(tǒng)對(duì)事件的定義、修改和擴(kuò)充等操作都可獨(dú)立進(jìn)行；

　　③ 具有解釋和沖突消解功能；

　　④ 系統(tǒng)應(yīng)能反映各功能控制系統(tǒng)基于事件的彼此關(guān)聯(lián)程度和動(dòng)作時(shí)序；

　　⑤ 具有明確統(tǒng)一的輸入/輸出信息的規(guī)范，以保證轎車中央控制系統(tǒng)與各功能控制系統(tǒng)的信息傳輸通達(dá)、及時(shí)。

    3　CAN在轎車中央控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　目前大多數(shù)歐洲汽車制造商僅在動(dòng)力系及多路傳輸領(lǐng)域采用基于CAN的網(wǎng)絡(luò)。Daimler-Chrysler公司推出的新型S轎車和Volvo公司生產(chǎn)的S 80轎車分別有34個(gè)和18個(gè)CAN接口。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，轎車將更多地使用CAN進(jìn)行信息傳遞和控制。

　　圖3為轎車發(fā)生撞車事件，基于CAN的轎車中央控制系統(tǒng)圖。

圖3 

　　在正常情況下，轎車可通過撞車監(jiān)測系統(tǒng)中的雷達(dá)傳感器測量該車與前車的距離，若車距比設(shè)定的出錯(cuò)距離小，則撞車監(jiān)測系統(tǒng)立即發(fā)送減速信息。網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行測試、判斷后，會(huì)自動(dòng)激活自動(dòng)變速系統(tǒng)，從而達(dá)到使車距保持不變的目的。

　　一旦發(fā)生撞車，撞車監(jiān)測系統(tǒng)即發(fā)送撞車信息，激活自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、緊急制動(dòng)系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)以及轎車門鎖集控系統(tǒng)(可通過事先程序設(shè)計(jì)，使該信息具有最高優(yōu)先權(quán)，從而保證信息傳輸通達(dá)、及時(shí))。由于安全氣囊系統(tǒng)與轎車門鎖集控系統(tǒng)之間存在著一定的關(guān)聯(lián)性和時(shí)序性，因此在撞車事件發(fā)生時(shí)，可通過CAN網(wǎng)絡(luò)的無損仲裁消解沖突，使轎車門鎖集控系統(tǒng)滯后動(dòng)作，從而避免車門被撞開造成人員被拋出車外的情況。若撞車過程中出現(xiàn)火險(xiǎn)，除及時(shí)激活滅火系統(tǒng)外，則車門還應(yīng)及時(shí)打開，以便乘員逃出。此時(shí)，安全氣囊系統(tǒng)的作用時(shí)間應(yīng)減少(可通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn))。當(dāng)轎車發(fā)生意外時(shí)，還應(yīng)在第一時(shí)間激活自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，通過基于CAN的全球定位系統(tǒng)(GPS)與急救中心、控制中心取得聯(lián)系，做好疏散交通，傷員急救工作。