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汽车分布式控制多路复用系统及其通信协议 1．汽车上采取多个多路复用系统原因及经典多路复用系统通信芯片版本在汽车上采取多路复用通信系统是电子控制汽车一项必需技术, 世界各大汽车企业和半导体企业多年来都在设置、应用和不停地开发此项技术。各个汽车企业设置多路复用系统通信芯片版本不一样, 比如雷诺和标致企业RCP VAN通信芯片有双缓冲器, 而大众企业U5001M PRD1018通信芯片集成电路所要求附加软件和硬件均最少——没有CRC(循环冗余校验)等。所以, ISO、 SAE和JSAE等标准化组织为各大汽车企业推荐和制订了各自多路复用系统通信协议标准, 不一样通信协议对信息传输次序、格式和内容等都有不一样约定。到现在为止, 世界上尚无一个能够兼容各大汽车企业通信协议通用标准, 也就是说, 想用某个企业通信协议替换其她企业协议, 是极难做到, 所以, 在汽车上就形成了多个类型多路复用系统共存局面。现在汽车上应用经典通信芯片版本有8种。另外, 还有多个因篇幅所限不能全部叙述其她协议, 如宝马企业(BMW)1994年提出增强型通信协议, 该协议技术关键在于采取集成局部控制器(LCU)和数据压缩(DC)算法——整个数据块传输时间较无数据压缩时降低约2/3, 这么, 在不增加物理波特率前提下, 降低了总线负载和信息响应时间, 与此同时增加了信息转换速率。另外, 在发送器和接收器中, 编码表不会发生“失同时”; 阿尔法·罗密欧企业DAN集中式网络协议; 卢卡斯(Lucas)企业光学分布式星形藕合器系统; 日立企业集中式光学单纤维双向通信; 飞利浦企业D2R分布式网络协议等。8种通信芯片版本见表1。表1经典通信芯片版本通用芯片版本推荐或实施关键汽车企业、电子企业及标准组织 AN82526-Q8841 奔驰、英特尔、波许、英特尔日本企业、 JSAE、 ISO/TC22/SC3/WG1等 PCA82C200版本0 飞利浦、波许等 U5001M-PRD1018 大众 RCP VAN 雷诺、标致、 ISO/TC22/SC3/WG1等 HBCC REV BB 福特、 SAEJ1850标准数据交换控制部等 J002 马自达、 SAE等 DLCSO3 通用-德尔柯 CDP68HC68S1 克莱斯勒、 SAE等 2．经典通信芯片版本通信协议名称及匹配“CPU”类型 8种经典通信协议名称及匹配CPU类型见表2。除了AN82526-Q8841(CAN)和REV BB(HBCC)通信芯片因采取不一样总线和接口而匹配不一样CPU外, 其她6种通信芯片皆各对应一个CPU。表2 经典通信芯片版本通信协议及匹配CPU 通信协议通信芯片 CPU类型 CAN AN82526-Q8841 波许总线 Intel 8051 古川*总线 H8/532 Basic CAN PCA82C200版本0 HD63B03Y ABUS U5001M PRD1018 Intel 8051 VAN RCP VAN Intel 8051 Philips 87C51 HBCC REVBB 并行接口 HD6301M1 串行接口 MC68HC11 PALMNET J002 HD6303Y DLCS DLCSO3 MC68HC11 C2D(CCD) CDP68HC68S1 MC68HC11 3.分布式控制多路复用系统CPU与通信芯片之间电路配置上述8种多路复用系统中因通信芯片AN82526-Q8841(CAN)匹配两种总线接口, 另外, REVBB(HBCC)分为并行和串行两种接口, 所以, 能够出现如图1所表示l0种电路配置。 4.经典通信协议信息格式图2对8种经典通信协议信息格式作了归纳、评价和比较。含有碰撞检测功效载波感知多路存取(CSMA-CD)用于被评价全部总线存取控制。对于125kbps以下数据传输速率, 推荐有多个位编码, 如PWM、不归零NRZ、曼彻斯特 (Manchester)和可变脉宽调制VPW等(4种编码解释后述); 而对于超出l25kbps传输速率位编图1 CPU与通用芯片之间10种电路配置（a）码, 只有不归零NRZ。图中CAN协议是NRZ子集。经过使用位塞入, 有可能将AC耦合在总线上, 这就给予CAN协议含有高抗噪声干扰能力, 对于有接地偏移情况尤其显著。图1 CPU与通用芯片之间10种电路配置（b） 5.SAEJ1850、 J2178和J2201标准含义及其与第二代随车诊疗系统 (OBD-Ⅱ)关系 SAEJ1850是用于汽车B级数据通信中等通信速率标准。J1850串行数据链路对于不一样速度通信速率要求了两种编码格式:10.4kbps通信速率用于转换速率受限制单线系统可变脉宽调制编码VPW; 41.6kbps通信速率用于常规脉宽调制编码PWM。图2 8种通信协议信息格式各条信息格式中内容注释: SOF—帧起始 ; IDENTIFIER—标识符; RTR—请求接收; CONTROL—控制(位); DATA—数据(位); CRC—循环冗余校验; DEL—删除; ACK—确定; EOF—帧结束; IFS—帧间间隔; START BIT—起始位; SYNCHRONIZATION BIT—同时位; NC/D—控制位; STOP BIT—终止位; COMMAND—命令; LLC—逻辑链路控制; FCS—帧校验序列; EOD—数据结束; SOM—信息开始; PRIORITY&TYPE—优先型式; DESTINATION PHYSICAL ADDRESS—目物理地址; SOURCE ADDRESS—源地址; DATABYTE—以字节表示数据; EOM—消息结束; PRIORITY—优先(位); NETWORK/IDENTIFIER—网络标识符; VALID/INVALID—有效/无效; PRIORITY/FORMAT—优先/格式; PRIMARY FUNCTION ID—一级功效标识符; SOURCE ID—源标识符; SECONDARY FUNCTION ID—二级功效标识符 ; STA—起始; STP—停止; ERR—错误校验 J2178是用于深入说明J1850B级网络信息结构和数据字段推荐实施标准。与J1850区分是, J1850叙述B级网络接口硬件、基础协议定义、电气规范、冗余循环校验和校验字段; 而J2l78叙述是信息中标题字段、数据字段、定标、表示式和数据定位等。 SAEJ2201是对网络接口连接信息取样推荐实施标准, 也能够说, 是为网络设计者针对同类属性OBD-Ⅱ扫描仪、实施以PWM和VPW位编码为基础汽车网络提供取样接口。 6．福特、马自达等企业采取PWM编码相关性质传统PWM编码依据其简单特征和采样技术早就用于数据链路中。在固定位时间96μs条件下, 标准1/3~2/3 PWM编码可用于10.4kbits/s传输速率, 形成32μs和64μs特征尺寸。 PWM关键优点是:位长固定, 要求抽样点, 对“线或”争用总线有判优能力, 对每个位上升边缘有再同时全部接收机能力。PWM在数据链路中对每个传输位使用2个边缘, 所以, 低成本10.4kbits/s数据链路存在两个问题:第一, 假如边缘输出数不能在总线上保持最少, 那将不利于从总线上降低噪声辐射; 第二, 因为PWM编码位最小特征时间是1/3位时间, 在10.4kbits/s时为32μs, 使用两个20μs边缘将不能再识别初复制该特征, 尤其是在接地偏移和参数改变情况下, 还可能出现“位交换”, 定时器也可能会发生颠倒。总说来, PWM编码最小特征 (1/3位周期)显得太短(图3), 不能正确地分辨所用单线成形边缘, 即在总线上会出现额外边缘, 所以发生辐射; 另外, 不能用标准单线总线作状态转换。图3脉宽调制编码 7．波许、克莱斯勒和大众等企业采取NRZ和NRZ变体编码相关性质 NRZ编码处理了PWM编码最小特征分辨限制。最纯NRZ型式许可次序传输达无数个恒等位, 所以, 数据链路处于一个连续级。在最坏情况下, 数据流将引发每位一次转换。NRZ和NRZ变体关键存在问题是经过位流时, 因为振荡器容限造成“堆垛”, 所以需要优选振荡元件。总说来, NRZ及其变体含有优良边/位比(图4), 但当所提供时钟容限和判优发出时, 会造成解法复杂化。图4 不归零和不归零变体编码 8．雷诺和标志等企业采取曼彻斯特编码 (双相位M和L)相关性质曼彻斯特编码确定固定位时间 (对于10.4kbits/s传输速率为96μs), 并在每个位时间边界引发1次转换。假如位是“1”, 则在位时间中部触发1次附加转换(图5); 假如位是“0”, 则转换不发生在中位而发生在各个位边界。这种编码优点是有固定位时间, 很轻易恢复位同时以及每位转换1~1.5次。但在判优方面存在缺点, 不管是 “0”还是“1”较高优先权取决于它们在数据流中位置。图5 曼彻斯特/双相位M编码双相L(或相位编码)编码确定高到低转换作为“1”, 低到高转换作为 “0”(图6), 对于重发位附加相位转换添加在位边界。双相位L与M相比, 含有较简单判优方案, 不过按数据相关, 每位仍只有1~1.5次转换。双相位M和L两种编码均要求分辨特征为1/2长度位周期。图6 双相位L编码 9．通用企业采取可变脉宽调制VPWM编码相关性质 VPWM编码在特定转换速率下数据传输速率差不多超出标准PWM2倍。VPWM仅按定义位增加数据速率, 而定义位又是依据消耗在媒体某一特定状态时间量 (在2/3或3/4位周期情况下)确定。VPWM位和定界符又是依据花费在总线上串行转换之间时间, 并用符号来表示和定义。各个数据位又用两种符号来定义:一个是用于媒体主、支配状态下时间周期(图7); 另一个是用于媒体逆状态下时间周期。图 7 VPWM位定义任一给定VPWM位串总长度, 取决于发送位规则。位串可能由短周期(0101…)组成, 也可能全部由长周期 (10101…)组成。对于J1850总线, 长周期为128μs, 短周期为64μs, 平均位时间为96μs, 平均数据速率为l0.4kbits/s。所以, 需要分辨最小特征为2/3位周期 (图8), 这么位周期就出上述其她编码方案长 (除了未提供一致同时能力NRZ外)。图8可变脉宽调制编码最有意思是, 假如以2倍速率连续发送VPWM位(用主动和被动相位发送每一位), 那么, 会产生位时间2xPWM编码波形。PWM数据链路因为受限于媒体, 所以在媒体上转换时间不可能深入降低。而VPWM能在不加辐射或不发生边缘损失情况下, 许可增加数据经过量, 因为VPWM许可全部节点各条边缘同时, 而不会发生因为振荡器容限造成“堆垛”缺点。作为单线汽车总线VPWM编码与上述其她编码方案相比较, 关键有以下优势:各条边缘同时, 所用单线含有足够转换能力, 有简单判优能力, 有较低边/位比, 许可有时钟容差等。 10．经典通信协议传输能力由给定数据字段位数乘以报文标识符数, 可得到总信息数据空间。经过增值, 能够深入控制信息。依据系统总信息数据空间, 就可确定通信系统传输能力。从图9中可看出各个通信协议传输能力, 它由报文标识符与数据字段中位数关系表示。DLCS采取了可变长度模式, 取得了最大传输容量, 而ABUS和PALMNET采取了约束功效限制性传输容量。图9 8种通信协议传输能力/容量 11．经典通信协议节点数能否满足汽车控制要求? 图10表示8种通信协议最多连接节点数。从图中可看出, 节点数在16~32之间。根据日本多年来对豪华汽车发动机和底盘控制要求, 90年代初大多数汽车只需要6~8个ECU, 故以上8个通信协议节点数在未来一段时间内, 应该是足够。图10 最多节点数 12．经典通信协议有效数据速率这里所指有效数据速率, 是指各个帧中报文标识符长度与数据位字段长度比值。因为ABUS协议无CRC(循环冗余校验), 故含有最高有效数据速率;PALMNET在一帧中确定比特数最多(24个), 所以, 有效数据速率比其她协议低;DLCS含有可变模式特征, 其数据位长度可从0位变至2048位, 所以, 有效数据速率可从43%改变至98%。图11是对各协议有效数据速率评价结果, 其中用黑直线表示DLCS、 HBCC、 VAN、 CAN和Basic CAN等协议均指有效数据速率可变范围。图11 有效数据速率 13.经典通信芯片CPU负载大小在通信芯片上CPU实施时间与增强功效之间应从价格方面作出比较和选定一个折衷方案。要搞清CPU负载, 须先检测从一个CPU至另一个CPU数据传送需要循环时间。所谓循环时间就是测定一开始传送子程序和接收CPU收到第一个数据所需时间。这些测定揭示了要多大CPU计算负荷才能满足通信需要。内装双端口RAMsCPU工作性能超出其她CPU很多, 并含有最低负载值。从图12中可看出, DLCO3CPU因为实施了信息过滤预处理和进行串行通信, 故该CPU负载最大。图中CPU负载仅次于DLCSO3CDP68C68S1芯片, 其循环时间末包含CRC计算所需时间。ABUS循环时间最少, 故CPU负载也最小, 关键是由ABUSCPU要求附加软、硬件最少, 无CRC校验和等候时间短所致。从使用角度出发, 若在CPU负载很大情况下还让其处理中止, 并非妥当。图12 8种通信芯片CPU负载 14．经典通信协议在故障状态下可靠性表3指出了多种CPU故障报警能力。也就是说, 在通信中发生故障时, CPU有完成差错回避和错误校正能力。各个协议报送给CPU误差或错位情况, 与各协议设计原理相关。并非全部通信集成电路都能将全部误差或错位情况都通知CPU, 不过全部通信集成电路都含有检测通信故障和向CPU汇报通信故障能力。简而言之, 在汽车使用和维修中能正确地找到较大故障部位, 如驱动器/接收器或传输线等, 也就足以满足使用和维修要求了。 ABUS协议不进行CRC校验, 而用高级输入信号电平检测方法替换。也就是说, 用增强型输入处理机替换CRC。这种替换方法, 日本部分汽车和半导体企业, 如日产、丰田、马自达、 Furukawa、 Fujikura以及JSAE串行数据通信分会等, 认为不宜推荐。表3 各协议CPU在故障情况下可靠性 DLCSO3每帧中虽无ACK, 但为了在数据通信中取得高可靠性, 它设置有ACK对应模式。因为要进行模式转换, 该方法也不宜推荐。 PALMNET协议含有24 ACK确定比特数固定字段, 许可任一节点从各个接收节点接收ACK信号, 很显著PALMNET确定比特数最多, 关键放在可靠性上, 但却降低了有效数据速率。在故障情况下协议可靠性较为理想是法国雷诺和标致汽车企业以及ISO/TC22/SC3/WG1推荐RCP VAN芯片版本和飞利浦企业生产87C51 CPU。因为该协议采取是曼彻斯特编码, 未设置位塞入, 故也不存在因位塞入模式定界出现混乱问题。能够看出, 该协议CPU基础上能回避或恢复各项差错。 15．经典通信协议总线线路故障情况表4表明了上述8种通信协议（其中AN82526-Q8841分辨匹配在波许和古川总线中）, 对于某根通信线发生多种差错, 大多数CPU都有报警标志。当然, 对这些总线线路故障差异响应, 关键取决于系统设计。比如, DLCO3协议采取是单线总线和可变脉宽VPWM编码等设计, 也就是说, 该系统只用1根总线（+）, 而用车架/底盘替换总线（-）, 所以, 就不存在CPU处理总线（-）故障问题。表4 总线线路故障测试结果在大多数双线通信协议中, 即使有1根线发生了故障, 多数系统仍能继续其功效。经日产企业分析得出结果是: 大多数线束故障表现为线路对地短路、断路和接头损坏, 因为线束故障基础上不会反复。所以, 系统中CPU必需含有故障报警能力, 这是至关关键。HBCC和PALMNET有较高物理可靠性, 匹配古川总线AN82526全部符合ISO故障容限物理层条件。 16．经典通信协议接地偏移量、时钟容差、抗无线电干扰及最大网络电容能力 8种通信协议中JSAE限定接地偏移量不应低于1V, 而被测系统均能满足该项标准; DLCSO3时钟容差最好, 为15%; PCA82C200（Basic CAN）时钟容差不太理想, 仅为1.25%, 说明该系统尚需深入控制产品正确度。经对比测定, 采取绞扭线以及传输速率较低41.6kbpsHBCC、 20kbpsPALMNET、 20kbpsBasic CAN和7.8kbpsCCD等系统,抗无线电干扰性能均符合JASE要求限值。经过增大通信线路电容, 可测出各个系统通信极限。试验线束数据表明, 只要电容量超出5000pF就能满足要求。CCP68HC685l(CCD)对低阻抗电流驱动负载有较佳数值。 17．丰田、日产、马自达等汽车企业及JSAE串行数据通信分会等组员单位对8种经典通信协议芯片总体评价总体评价结果很好通信芯片是法国雷诺企业、标致企业和国际标准化组织ISO等推荐实施RCPVAN (VAN)通信芯片。 8种(因为AN82526配用两种总线接口, 实际是9种)通信芯片版本评价以下: (1)AN82526(CAN)。用波许总线接口。装有与CAN协议规范一致BOSCH总线接口。该芯片控制通信、作实时处理时占用CPU极少, 高速CAN系统更为合理。设计高速CAN系统时, 需为用户考虑CPU和AN82526操作时间, 为取得最好高速CAN性能, 需设计自己物理层电路。 (2)AN82526(CAN)。用古川总线接口。因为古川总线接口采取新物理层, 所以能满足全部ISO物理层容错条件, 取得较佳测试结果。该芯片及总线接口适于高可靠性控制装置高速数据通信作业。 (3)PCA82C200版本0(Basic-CAN)。能在降低CPU处理负载情况下完成全部通信作业。依据它电流形式是否符合全部标准来评价芯片。其中较大规模系统采取多芯片, 以适于系统中高速通信部分要求。 (4)U5001M-PRD1018(ABUS)。它要求附加软、硬件最少。它象一个存放器芯片进行简单读/写操作, 即使无CRC, 但并不影响其可靠性。因为传送速率高和报文/信息长度短, 故其等候时间不长, 适适用于高速控制。 (5)RCP VAN(VAN)。因为有双缓冲器, 故CPU负载极少, 适于低、中速通信, 但使用于高速通信也不会增加主CPU负载。在全部测试中, 它结果很好。它包含3组芯片, 若制成1块芯片对用户会更方便些。 (6)HBCC REV BB(HBCC)。为适应多种用途, HBCC曾设计了6种报文格式。它兼容性和可扩展性水平很高, 至现在它一直能满足汽车对其可靠性要求。但因为它本身结构特点, 对用户来说显得过于复杂。 (7)J002(PALMNET)。它对必需元件采取混合集成电路(HIC)供综合通信用, 这么有可能设置成极紧凑微型系统。在全部测试中, 其可靠性是最好。该协议适于低速率状态通信中要求高可靠性控制装置 (含CPU)。 (8)DLC03(DLCS)。CPU是在软件中进行信息过滤, 所以增加了处理时间。因为通信芯片包含着驱动器和接收器, 所以体积很小。电流评价结果(包含等候时间)一直都符合要求。芯片通信速率, 主CPU上负载和唤醒功效, 适适用于低速率车身电子控制和故障诊疗系统。 (9)CDP68HC68S1(CCD)。CPU进行信息过滤, 增加了载荷和时间处理。通信芯片体积很小原因, 与DLCS相同——包含有驱动器和接收器。芯片电流型符合全部标准, 适适用于较低速率转换和所用数据参数共享总线系统。

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