汽车用总线技术

2006-05-07 15:49:34来源: 电子产品世界


    在北美汽车行业,汽车内有两类网络。第一类是动力与传动系统网络,用来连接各个动力与传动部件,有时也包括防抱死制动系统(ABS)。因此,通常采用高速控制器局域网(CAN)总线。

    动力与传动系统的电子装置在很大程度上受IC供应商的控制,系统的差别不大。然而,在车身系统电子装置中,那又是另外一种光景。这是汽车制造商充分展示自我的舞台。例如,考察一下Mercedes或BMW,你会发现五花八门的车内气象控制装置、电话接口以及仪表总汇。对汽车制造商来说,这是树立品牌的一项举措。因此和动力与传动系统不同,汽车制造商对车体总线和电子装置拥有很大的控制权。

美国CAN

    CAN最初是一种欧洲标准,此后也在美国得到普及(图1)。其潜在的运行速率可达1Mbits/s,通常以半速率工作,以求控制射频的辐射量。在某些场合,运行的速率甚至更低,如125Kbits/s。

    第二类是车身系统电子装置。它包括蓄电池与仪表盘电子装置一类部件。这些装置通常是用基于J1850标准的网络连接的。J1850总线的问世约有15年的时间。

    CAN可也用于车身系统,但这是一种容错式总线。根据定义,CAN是一种两线式总线。总线内置容错功能,要是两条线中有一条短接至地或开路,网络切换至一线方式,继续工作。

    规范要求,从2线过渡至1线期间不能丢失数据位。为此,车身系统的物理层芯片比动力与传动设备更复杂,即便它运行在较低的速率。

    但是在故障状态下,时序变得不可预测。采用CAN,要是传输路径不通畅,最初的发送方会反复地发送消息。由于发送方未能接收到来自接收方的应答信号,所以它知道线路发生了故障。这就导致不可预测的时序,当然仅在故障状态下。一个断裂的节点独占总线而不断发送消息被称为“串扰傻瓜”。

    即使汽车的某些部件具有“故障-安全”功能,其它部件未必具有这种功能。例如,安全气囊不停地进行诊断。如果检测到故障,告警灯被接通,通知用户对它进行修理。在此状态下安全气囊不能工作,但它不会中止汽车的运行。对ABS亦是如此,如果检测到故障,ABS不能工作,但它不会中止制动器的正常工作。

容错型CAN

    当然,也有某些部件不具备故障-安全功能,例如方向盘。这是真正需要容错功能的部件实例。

    Motorola公司正和Mercedes与BMW一起制订新的协议来处理这类问题。这可能是一种时间触发系统,即便在故障状态仍保持在可预测状态。

    例如,为了防止出现串扰傻瓜问题,使用单独的总线保护芯片。芯片仅在所分配的时隙内为节点打开窗口,将消息放置在总线上。

    目前已经完成该协议的初始设计。它称为字节飞行技术,是一种安全系统用的光学网络。

    协议处理安全气囊一类基本模块间的连接。在正常条件下,总线工作在低速方式,约10Kbits/s,以减少辐射。但是在撞车期间,这里已无暇顾及辐射,它切换至高速方式。这种技术称为分布系统接口(DSI)。

    C167是具有CAN功能的16位微控制器。该器件由Infineon研发,组合了4级流水式CPU(高达33MHz)和多种外设与增强的I/O功能(图2)。片上功能包括4Kbyte SRAM和高达128Kbytes ROM。片上CAN模块符合CAN规范的2.0B工作版本。

    第二种CAN控制器由Dallas Semiconductor提供,内置与8051兼容的DS80C390微处理器。处理器最高速率为40MHz,也可选用内部倍频器,全速工作时能省去晶振,从而减少EMI。DS80C390具有两个全功能的CAN2.0B控制器。除了标准的11位或扩充的29位消息识别器,器件支持两个独立的8位媒体屏蔽和媒体判决字段,以便使用高级CAN协议。DS80C390备有4Kbyte SRAM。一个22位程序计数器可访问最大4Mbyte外部程序存储器和4Mbyte外部数据存储器。

    汽车设计者可使用的另一种结构是在法国研发的VAN总线。它与CAN类似,两者都是多重结构。但VAN具有不同的位编码方案。

    VAN协议主要是法国汽车制造商采用。目前也用于某些车身应用。就动力与传动系统而言,甚至在法国也集中在CAN总线上。

    CAN的又一种方案是NEC研发的,使用了最新32位微控制器的Atomic和CarGate。两个器件组成专用的硬件基CAN桥接器,微控制器用作汽车内各种网络间的通信网关。这样,微控制器可同时为5个CAN网络管理多个任务,如动力与传动、导航系统、或车内气象控制装置。通过硬件实现桥接器,控制器可让主CPU摆脱某些例行任务。

    NEC器件与传统的CAN基产品有明显的区别,它提供“时间触发”功能,信号是按时隙传输的,而不是根据外部事件判决传输的。为了增加安全性,控制器执行“停工时间监测”,来预测是否接收到规定时间帧内的重要消息。

    桥接器包含了3个组件,可编程状态机、存储区(用于存储在状态机上所执行的命令)、以及暂存缓冲器。状态机让汽车制造商根据自己的要求来决定分配给每个CAN接口的存储器资源数量。

    另一种还在逐渐普及的总线是LIN(局部互连网络)。就性能而言,它比CAN慢,是局部区域,如车门,使用的一个分总线。换句话说,CAN总线连接至车门,车门仅仅是CAN的一个节点。从该节点再用LIN分总线连接车窗,反射镜、门锁等各个部件。

    安全气囊的配置按类似的方式处理。CAN节点连接至主接口。然后用LIN分总线直接连接至传感器。

    使用LIN分总线是由成本因素驱动的。LIN节点的成本要比CAN节点低得多。同时,CAN总线能支持的节点数已接近其极限。

    高速领域,诸如娱乐系统,通常不是任务为主的应用。如,控制汽车CD播放机的线路故障远不如ABS或安全气囊故障严重。

更高速度

    正在布署的一种高速线是面向媒体型系统传送结构(MOST)。MOST是一种光学高速网络。它的一个主要特性是能传送等时性数据。这个特性十分重要,因为在多数场合,数据到达的顺序和时间比每个数据位都能到达更重要。明显的例子是乐曲,乐曲的数据位即使是丢失了一位也应按正确的顺序播放。

    MOST是一种环型结构。因此,如果发生故障,环被断开,总线就不能工作。由于这个原因,总线仅用于非任务为主的应用,如娱乐系统。

    有几个行业联合组织正在定义标准多媒体总线。目前,这是一项很难出台的标准。可能的标准有几个,北美有,欧洲也有。且有几家消费品公司希望参与此项工作。甚至传统的计算机公司,如Microsoft和Intel,也正在出台几项标准。

    高速总线的最大问题是辐射。通常,总线的工作速度越快,其辐射量越大。

    一种可入选的高速多媒体总线是IEEE1394。遗憾的是,1394规定的连接器易产生辐射,不适合汽车使用。

    在多媒体领域,重要的是将消费品技术和汽车专业知识相结合,使这些系统真正成为汽车的部件。

    通信和多媒体总线系统正在成为汽车研发中的一个热门话题。在典型的汽车环境中有蜂窝电话、音响系统、车内气象控制设备、定位设备、以后可能还有数字卫星接收机。要是将它们放置在各自的机盒中,用点对点方式连接,就会浪费很多资源。

    在理想的环境中,系统的核心是集中了很多智能的主控制器。这与计算机系统十分相似,主机要连接不同的外设。

    新兴的光学技术消除了最大潜在的问题-辐射。采用的技术基本上与常规PC相同,只是要提高到汽车的档次。这就是说要考虑到温度的制约、机械问题、振动、加速度等等。上述细节并不会出现在常规PC系统中。

    为了处理汽车中的音频和视频,带宽需达到50或60Mbits/s。要是仅仅考虑音频则容易得多。但自从DVD出现后,就希望在总线上传送视频信号,将这些信号传送至后座供人们观看。

    一个可入选的这类高速总线是Delphi研发的移动媒体链路(MML)。MML是一种光学总线,可以高达110Mbits/s速率发送或接收信号。它是按集线器方案构建的,即有一个所有分支都能连接的中心节点,这与环型结构不同。

    是否会出现总线选择不合理的情况?有时会。确实存在政治与地域的因素,驱使某些汽车制造商偏爱一种解决方案,但最终能取得成功的是最佳的解决方案。

    Agere的前身是Lucent Microelectronics,该公司也在密切关注汽车内的通信应用。它将这类系统称为远程信息通信系统,定义了进、出汽车的通信系统。公司的目标是:通信系统既要安全可靠,又能提供娱乐或信息等其它服务。

    Agere的工作集中在三个特定的领域:音响和语音处理、数字音频收音机、以及蓝牙系统。第一个领域包括构建免提套件和蜂窝电话、收音机或车身控制的应用接口。公司提供卫星服务的数字音频收音机的芯片组。汽车内配置蓝牙技术似乎为时过早,但可能性也是极大的。

免提技术

    除了免提操作,基于DSP的芯片组能使双方通话更加清晰,而不用提高说话的声音。DSP工作在100MIPS;能同时完成语音识别;免提操作;全双工功能,包括消音响回声、消线路回声,抑制噪声;同时传送话音和数据;以及声控存储-记录功能。CellPort Systems和Motorola也在各自通用免提系统中使用了这种芯片组。

    Agere公司的蓝牙工作集中在汽车运行时启用免提接口。该技术将音响和语音应用与蓝牙技术应用有机地结合在一起,提供特有的、无缝的通用汽车免提套件。

    汽车套件是一个支持音频或语音通道和控制通道的互连系统。这样,启用蓝牙的远程信息通信控制通道能传送用蓝牙标准建立的API。API包括一组统一的、兼容的命令,用来应答电话、实现呼叫,进行手动拨号或双音多频(DTFM)拔号,以及传送其它数据。

    汽车多媒体接口协作组(AMI-C)是汽车行业的一个非赢利性机构,它的创立是为了促进电子网关技术的研发、推广和标准化。电子网关用来连接汽车多媒体、远程信息通信系统、以及汽车内的其它电子设备。

    AMI-C最近公布了车内电子设备和服务的多媒体规范。规范确定了公共接口,减轻了与多个OEM要求有关的工作量和费用。这类电子组件包括PDA与蜂窝电话,让AMI-C兼容设备可互换地工作。

    AMI-C规范可采纳1394或MOST作为它的高速总线。这些网络的网关规范将等待AMI-C的最后批准,另行公布。初始规范将在AMI-C的研发阶段制订。

    毫无疑问,1394总线将朝着汽车方向发展,其证据是1394贸易协会和智能交通系统数据总线(IDB)论坛共同推出的规范草案。规范定义了装备1394车辆的启用要求。它确立了基本体系结构,塑料光纤和铜导线连接器规范,供装备1394嵌入式设备,如CD或DVD播放机、游戏机或计算机使用(图3)。

    IDB-1394规范定义了汽车级物理层,包括电缆和连接器,供电方式,以及所有1394设备能与嵌入式汽车IDB-1394设备互操作所必需的高层协议。汽车结构体系分成光纤嵌入式网络与用户使用端口(Customer Convenience Port-CCP)两部分。该规范是IEEE1394-1995、1394a-2000、和1394b标准的补充。下一步是制订1394汽车功率管理规范,定于年底前完成。

    CCP由1394b物理层与连接器组成,让用户以热插入方式插入他们的消费类电子设备。嵌入式网络能支持工作速率为100、200、或400Mbits/s的设备。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200605/1502.html
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