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汽车光纤多路传输控制系统

1　前言
　　随着近年来电子技术的进步，为提高汽车可靠性、降低油耗和空气污染，车用电子控制系统、传感器和执行机构数量、电线数量不断上升，同时因电子控制系统功能的加强、控制要求的精确化，多采用集成电路，其复杂性增加，数据传输速率也在不断上升。所需汽车线束也就更多更复杂，一辆充满电子学装备的现代汽车上约计需1 200根单独导线，因此，线束已成为必需解决的问题。
多路传输是解决汽车布线问题的主要方法。多路传输系统与通常方式对用电设备的控制比较见图1。

图1多路传输系统（串行分时通信）方式对用电设备的控制比较
　　可见，多路传输系统可以大量减少电线数量、减小面线体积和质量、缩短导线长度、增加使用功能并使配件统一化、标准化，采用这种多路传输系统较易对电气系统进行安装、调试、检修和进行故障诊断。与光纤多路复用传输系统相比，电线多路传输系统具有电磁兼容性和保密性差，对地环问题和有缺陷的地回路敏感，抗电磁干扰能力较差等缺点。光纤在多路选通应用方面的主要优点是：频带宽度较大和多路、尺寸小、质量轻；通过效率大、信号功率损失小、与频率的关系减弱；超高绝缘、不存在短路和接地问题；耐腐蚀、灵敏度高；能够双工传输信息、抗干扰性高(特别是对汽车车上电路的脉冲干扰)；光纤允许有较高的数据传输速率和较高的信噪比——带宽积，可适用于发动机实时控制、车辆状态监测和通－断负载的开关控制等要求。两种光纤(塑料的和玻璃的)中，塑料光纤较为便宜和便于使用，在汽车中应用较广。光纤多路传输系统目前费用已与电路系统不相上下，并可望更低，因此光纤多路传输系统是汽车多路传输系统的发展方向，是汽车线束的发展方向。
　　按系统的复杂程度、信息量、必要的动作响应速度、可靠性要求等将多路传输系统分为低速(A)、中速(B)、高速(C)三类。表1示出了美国SAE委员会优先推荐的多路传输系统的等级分类。

表1 SAE推荐的汽车多路通信系统分类
系统等级
信号种类
响应速度，ms
A
车身控制系统：灯具、继电器、电动门窗、电动座椅等
20~50（低速）
B
动态信息系统：导航、多信息、电话、故障诊断装置等
5~50（中速）
C
实时控制系统：发动机、传动系统、制动系统、悬架控制系统
1~5（高速）
　　多路传输系统的通信方式主要有：①美国Essex方法；②联邦德国Bosch公司CAN(Controller Area Network)三线系统；③General Motors方法；④英国GEC方法；⑤日本电装公司的SMN系统，该系统安装在丰田公司的安全实验样车上；⑥日本三菱电气公司与日本东京工业公司协作研制的方法；⑦日本日产公司方法。
　　为用统一网络连接汽车电动和电子部件，ISO组织批准采用的汽车多路传输系统的标准通信协议有三个：VAN(Vehicle Area Network)、CAN和SCP(J1850标准)。
2　系统工作原理设计及硬件框图
　　系统设计为主、从式多机通讯，主机和从机的连接方式如图2所示。用一个89C2051系统作为主机，用4个89C2051系统作为从机，以TTL电平(逻辑“1”是2.4 V～5 V，逻辑“0”是0 V～0.4 V)通信。主机接收4组控制信号，每组控制信号有8位。每组的8位信号通过一个三态逻辑器件74LS244(八缓冲器/驱动器/线接收器)，送往主机的P1口(P1.0～P1.7)。4个三态逻辑器件74LS244各自的控制端分别与主机的端口P3.3、P3.4、P3.5、P3.7相连，以实现4组控制信号的按钮分时顺序读入，从而得到与4组共32个终端用电器一一对应的32路控制信号。每一位控制信号对应一个用电器或执行机构，每组控制信号对应一个从机，每个从机可控制8个用电器或执行机构。

图2 所设计系统的主从式多机通信结构
　　图3是系统的硬件框图。设计的系统主要由控制信号获取、光发射模块、三根总线(电力线、光纤信号线、系统电力回线)光接收模块、终端用电器或执行机构组成。用电器电力回线为车壳，两地线分开以免产生干扰信号。光发射模块由控制开关、光电隔离器521－4、晶振、89C2051主机、813看门狗、485电路(单端输出转换为双端输出)、红外电光转换发射电路及DC－DC直流隔离变换器(12 V5 V)组成。光接收模块由PIN光电转换接受电路、信号放大整形电路、晶振、89C2051从机、813看门狗、光电隔离器521－4、大功率场效应晶体管功率开关IRF540、DC－DC直流隔离变换器(12±12 V、12 V5 V)组成。整个系统由车用12 V蓄电池供电。为稳定电源电压(点火系工作时电源电压波动很大)，光发射模块及光接收模块内都有自己的DC－DC直流隔离变换器，以提供稳定的5 V及±12 V电源。

图3 汽车光纤多路传输控制系统的硬件框图
　　系统的工作过程设计为：首先是获与终端用电器或执行机构一一对应的控制信号；然后信号经光电隔离后送主机(主机有自己的晶振和看门狗电路以保证发生错误时能自动重新复位，从而避免了死机)；主机在发送从机地址五次(此时发送的第九位数据TB8是1)后，再五次发送脉冲编码的数据(此时发送的第九位数据TB8是1)后，再五次发送脉冲编码的数据(此时TB8置0)；电脉冲信号经485电路后，进行电光转换，变为具有一定功率的经外光脉冲信号；光脉冲信号经塑料光纤按分时复用方式传至光接收机进行光电转换、信号放大整形后，送从机(从机也有自身的晶振和813看门狗电路)；从机首先五次判断主机发送的地址是否与自己的地址相符，若有一次不一致则放弃并重新接受信号，若五次确认一致，则在置从机的多机通信标志SM2=0后继续接受信号，若接收的信号是地址，则放弃并重新接受信号，若接收的信号是数据，则进行五次确认，若有一次不同则放弃并重新接受信号，若五次确认都一致，则将数据输出；数据信号经光电隔离器521－4，大功率场效应晶体管功率开关IRF540控制终端用电器或执行机构的动作。
　　该系统的1个光发射模块可控制4个光接收模块，1个光接收模块可直接控制8个终端用电器或执行机构，即1个光发射模块可控制32个终端用电器或执行机构的动作。同时该系统还可根据具体需要进行扩展，既可扩展成一个光发射模块控制多个光接收模块的中央控制式系统，也可扩展成一个光发射模块控制一个或几个光接收模块含有多个光发射模块的分散控制式系统。因而，不管终端用电器或执行机构数量多少，都可应用该系统的设计原理。
　　光纤传送信息的方法概括而言有三种：时分复用(OTDM)、波分复用(WDM)、频分复用(FDM)。所设计的汽车光纤多路传输控制系统采用的是光脉冲的串行时分复用通讯方式。
　　采用LED发光二极管－阶跃折射率光纤－PIN光电二极管检测器的系统最适合于距离较短且数据传输速率相对低的监视和控制场合。
　　系统的硬件电路包括光发射模块、光接收功能模块2个部分，每个部分里都含有一个直流电源变换器。
　　采用的硬件抗干扰措施有：采用直流隔离电源、滤波电容，以抑制电源串扰、共模噪声、差模噪声及瞬态过电压干扰；光电隔离；监控电路813集成芯片的使用；485电路的使用；用光纤系统传输信号；晶体管转换开关的使用。
　　系统软件中采用的抗噪声干扰措施主要有：冗余指令；看门狗技术；陷阱技术；信号的多次判定；微机的并联动作；寄存器再设定；禁止对开始地址的分割。
3　抗干扰试验
　　车用微机系统所受的来自系统外部的干扰主要有外部的电磁辐射和车载电器设备产生的干扰，如点火系高压电源线与光纤信号线的耦合干扰，来自电源的瞬态过电压干扰及电源串扰等。所做的抗干扰试验主要有：系统抗电源噪声试验；抗点火系电磁辐射试验；点火系高压电源线与光纤信号线的耦合干扰试验。
　　试验时，将所设计的汽车光纤多路传输系统与点火系模拟装置并联接在12 V蓄电池的正、负极间，将点火频率在4 500次/min～41 600次/min间连续调节，观察系统能否正常工作。即用示波器测试光发射模块中485电路及光接收功能模块中光纤接收端的跟随器、第一级放大器及比较器等的输出信号，用以分析发送和接收的信号是否一致，从而评价系统的抗干扰能力及工作可靠性。
　　点火系模拟装置见图4所示。图中脉冲信号发生器的频率可在4 500 Hz～41 600 Hz间变化，即模拟点火频率可达4 500 次/min～41 600 次/min(一般单缸发动机的点火频率3 000 次/min、6缸发动机的点火频率3 000×6=18 000 次/min)。

图4 点火系统模拟装置
　　试验结果如下。
　　(1)发送和接收到的信号的数据格式与设定的11位数据格式一致。
　　(2)控制信号的加载位置与用示波器观察到的相应信号的波形格式具有正确的一一对应关系。
　　(3)系统光发射模块发送的信号与光接收模块接收到的信号一致。
　　这说明在三个抗干扰试验中，系统具有较强的抗干扰能力，工作可靠性较高。
4　结论
　　所设计的汽车光纤多路传输系统以三根总线(电源线、地线、光纤信号线)代替传统的多根点－点并行电线，大大减少了所用电线的数量和重量，简化了布线的复杂程度，便于安装和检测；同时还可实现对用电器或执行器的智能控制；系统的模块化总线结构便于扩展；晶体管转换开关取代继电器，有利于减小电磁噪声，提高动作速度和系统抗噪声和抗环境干扰的能力。所做的抗干扰试验表明，系统具有较强的抗电源噪声及抗电磁干扰能力，工作可靠性较高。其原理适用于对发动机实行控制、车辆状态监测和通－断负载的开关控制等要求。