现代汽车的核心技术.doc

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1、现代汽车的核心技术 -SAE J1939、技术背景在当今的中高档汽车中都采用了汽车总线技术。汽车总线为汽车内部各种复杂 的电子设备、控制器、测量仪器等提供了统一数据交换渠道。一些汽车专家认为 , 就像在 20世纪 70年代引入集成电路、 80年代引入微处理器一样 ,近 10年来数据总 线技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。20世纪 90年代以来 ,汽车上由电子控制单元 (ECU控制的部件数量越来越多 ,例 如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置、安全气囊装置、电控门窗装置、主动悬架 等等。随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用 ,车上的 ECU 数量越来越多。因 此 ,一种新的概念 -车

2、上控制器局域网络 CAN(Controller Area Network 的概念也就应 运而生了。 CAN 最早是由德国 BOSCH 公司为解决现代汽车中的控制与测试仪器 之间的数据交换而开发的一种数据通信协议 ,按照 ISO有关标准,CAN 的拓扑结构为 总线式,因此也称为 CAN 总线。CAN 协议中每一帧的数据量都不超过 8个字节 ,以短帧多发的方式实现数据的 高实时性 ; CAN 总线的纠错能力非常强 ,从而提高数据的准确性 ;同时 CAN 总线的速 率可达到 1M bit/s, 是一个真正的高速网络。总之 ,将 CAN 总线应用在汽车中使用有 很多优点 :(1 用低成本的双绞线电缆代

3、替了车身内昂贵的导线 ,并大幅度减少了用线数量提高可靠性 ,安全性、降低成本。(2 具有快速响应时间和高可靠性 ,并适合对实时性要求较高的应用如刹车装置 和气囊 ;控制平台、信息平台、驾驶平台的互连基础。(3CAN 芯片可以抗高温和高噪声 ,并且具有较低的价格 ,开放的工业标准。在现代轿车的设计中 ,CAN 已经成为必须采用的装置 ,奔驰、宝马、大众、沃尔 沃、雷诺等汽车都采用了 CAN 作为控制器联网的手段。据报道 ,中国首辆 CAN 网 络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功 ,并进行了初步试运行。在上海大众的 帕萨特和 POLO汽车上也开始引入了 CAN总线技术。但总的来说 ,目前 CA

4、N总线 技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段 ,绝大部分的汽车还没有采用 汽车总线的设计 ,因而存在着不少弊端。比如 ,众所周知汽车的核心设备就是发动机 ,发动机的运行参数 ,例如发动机转 速、机油压力、冷却剂温度等等是和汽车驾驶是紧密相关的。传统汽车仪表的设计 方法是 :通过放置在汽车部件 （如发动机内部的传感器 ,将机械信号转换成电信号 ,如 电压、电流、脉冲信号 ,再经过 D/A 转换或计数器等 ,将电信号转换成可视的指针信 号显示在模拟仪表盘上。随着汽车总线技术的发展 ,不少进口的发动机已经不再直接向外提供传感器信 号 ,而改用 CAN 总线通信接口。一旦发动机出现故障时 ,

5、由于缺乏基于 CAN 总线的 测试维修设备 ,目前我们的维修人员使用的方法只能是在发动机上钻孔 ,将传感器直 接放进发动机内部进行测量 ,操作繁琐、设备复杂 ,且不利于保护发动机的整体结 构。又比如 ,现有的部分汽车仪表使用了专用的总线设计 ,由于硬件标准不统一 ,通信 协议也不兼容 ,为甲公司汽车生产的仪表完全不能在乙公司的汽车上使用 ,生产成本 难以降低、故障维修很不方便。如果能将各种专用总线统一到 CAN 总线标准上来 , 就可以解决问题。再比如 ,在手动挡汽车中 ,驾驶员的换挡是依照经验进行的 ,有可能发生应该加高 挡位而没能及时加挡的情况 ,即低档高速行驶 ,既不利于降低油耗 ,又容

6、易造成汽车传 动部件磨损。如果能实现自动换挡提示 ,车辆就能始终保持在经济时速行驶。根据 ISO（国际标准化组织定义的 OSI模型,CAN 协议定义了物理层及数据链路 层规范 ,这为不同的汽车厂商制定符合自身需要的应用层协议提供了很大的便利。 如果需要建立更加完善的系统 ,还需要在 CAN 的基础上选择合适的应用层协议。如 CANopen、SAE J1939 等。J1939协议是目前在大型汽车中应用最广泛的应用层协议 ,可达到 250Kbps 的通 讯速率。 J1939协议由美国 SAE( Society of Automotive Engineer 组织维护和推广。 J1939协议具有如下特

7、点 :(1以CAN2.0B协议为基础 ,物理层标准与 ISO11898规范兼容并采用符合该规 范的 CAN 控制器及收发器。通讯速率最高可达到 250Kbps。(2采用PDU( Protocol Data Unit协议数据单元传送信息 ,每个PDU相当于 CAN 协议中的一帧。由于每个 CAN帧最多可传输 8个字节数据,因此 PDU的传输具有 很高的实时性。(3利用 CAN2.0B 扩展帧格式的 29位标志符定义每一个 PDU 的含义以及该 PDU 的优先级。(4J1939协议主要作为汽车中应用的通讯协议 ,对汽车中应用到的各类参数都进 行了规定。参数的规定符合 ISO11992 标准。二、

8、J1939在国内的发展情况中国单片机公共实验室联合北京英贝多嵌入式网络技术有限公司,辽宁能发伟业汽车仪表有限公司、美国卡特皮勒公司 ,以及国内著名的汽车设计厂商 ,经过两年 多的设计开发 ,实现了基于单芯片的 J1939 网关芯片 em2003系列产品。 em2003可 用于汽车数字化仪表 ,汽车 J1939网关 ,汽车多功能电控的核心单元 ,并通过了严格的 可靠性测试和实际产品化验证 ,已投入批量生产。em2003的各项指标已达到了国际先进水平 ,除支持 SAE J1939固件外 ,还可支持 SAE 1587,ISO9141标准,实现对汽车仪表的控制驱动。在国内是唯一实现了对汽车全液 晶数字

9、仪表的控制 ,步进马达指针仪表的控制及多功能车载传感器信息运行参数的 网络计算信息平台。通过了与美国、德国、意大利 J1939 发动机的互连测试 ,取得 了国际化的通行证。目前,SAE J1939的技术规范及软硬件开发测试平台已由中国单片机公共实验室 完成引进消化和部分技术的国产化工作 ,并对国内数十家汽车厂商的控制计算平台 提供技术支持和解决方案及顾问服务。该系统由 11个网络节点组成 ,以 J1939网络为骨干,集成了现代汽车技术的网络 精华。包括 LINbus,GPRS/GSM（无线 TCP/IP 网,Bluetooth（蓝牙 ,USB,及嵌入式以太 网等最新技术。汽车的动力部分单元是通

10、过嵌入式硬件数字仿真技术实现的。各单 元的简介如下 :（1发动机 ECM仿真单元:（节点 1实现 （实际发动机的总线仿真功能 ,产生发动机 1020种电控时实参数 ,模拟汽车 发动机的实际运行状态。适合汽车 EMC 要求。（2NMT 车身电控制单元 （节点 2可实现 J1939/81规定的网络管理功能和诊断纪录功能 ,发出报警控制信息 ,并有 16个光电隔离输出接口 （50V/500mA 和8个数字信号 （传感器输入接口及 4个模拟传 感器接口 ,控制功能可现场编程修改。适合多种汽车 EMC 开发要求。（3 缓速器仿真单元 :（节点 3 可根据汽车运行状态和车速控制电磁缓速器的驱动接口。（4A

11、BS 仿真单元 :（节点 4根据汽车网络综合参数控制 ABS 制动力和启动时间。（5AMT 仿真单元 :（节点 5根据设计参数可仿真实现变速箱与发动机 ECM 的通讯。（6 非对称网桥 （节点 6可实现高速网 (动力系统和低速网 (仪表信息电气控制系统的流量不对称桥接从 而保证 ,总线负载率的安全和电气安全。(7LIN BUS 网关 (节点 7实现 LIN-BUS 传感器、电气控制系统和 CAN-BUS 系统的互联。并遵从 J1939 协议。(8J1939MFM( 节点 8J1939多功能汽车综合参数仪表 (汽车信息中心 ,可实现 14 种汽车运行参数的实 时显示 (中文 LCD,可编程 30

12、05000Km历史车况记录并具备故障报警信息显示功 能。适合汽车EMC 要求。(9J1939汽车仪表 (节点 9实现 J1939总线式汽车仪表。可适配多种国产或进口汽车仪表总成。(10J1939转以太网 /USB( 网关节点 10可实现以太网或 USB 接口与通用计算机连接进入 J1939网络,对总线负载率进 行统计分析 ,开放 API 接口。(11J1939运行实时参数记录 (节点 11接入 J1939网络可记录 20万条运行参数 ,用于实时分析各 ECU 单元的运行情况 , 亦可在实际运行的汽车中测试运行参数 ,并通过 GMS/GPRS网络接入 Internet 网络 服务器。抗电子干扰能

13、力很强 ,适合汽车 EMC 要求。上述系统中的这些节点单元可组成较完善的网络测试环境 ,大多数单元已实现 产品化。并适合汽车 EMC 要求。因而可与实际的汽车电子产品互换连接。以此为基础可组成汽车电子总线技术电控单元仿真测试平台。配备专业测试仪器后可组建 CAN-BUS 实验室 ,该系统具有标准化和可扩展性的特点。北京英贝多公司通过与德国 Phytec、IXXAT 等公司的合作 ,以达到国际水平的 硬件 ECU 为核心,开发并集成了 J1939网络系统仿真平台 V1.0 版本。该网络系统按照 J1939的物理层、链路层和网络层规定在 12个节点下 （总线负 载率最大为 30%条件下连续工作已超过 10000 小时。并按照 J1939/71车辆应用层 标准完成了对 MFM/J1939 多功能网关产品化测试及总线型数字汽车仪表的测试。三、技术展望现代汽车是一个智能化网络计算平台。汽车网络贯穿整车的每个单元即控制系 统、信息系统、驾驶系统和传感执行系统均由控制局域网 CAN-BUS 互连 ,掌握应 用层网络标准并开发嵌入式软件是关键技术。将车内的控制网络与信息网络如故障信息检测系统 ,车况自动纪录系统 ,实时驾 驶信息显示系统 （智能化数字仪表与嵌入式因特网互连 （支持 IPv4 及 IPv6,使每个汽 车有一个 Web 网页 ,将会是今后汽车计算平台的关键核心技术。