1、電動汽車車載網絡引言汽車技術發展到今天， 很多新型電氣設備得到了大量應用， 尤其是電動汽車 的電氣系統已經變成了一個復雜的大系統。 為了滿足電動汽車各子系統的實時性 要求，需要對公共數據實行共享電動汽車作為清潔綠色的新能源汽車 , 將在未來交通體系中發揮越來越重要 的作用。汽車中電器的技術含量和數量是衡景汽車性能的一個重要標志。 汽車電器技 術含量和數量的增加， 意味著汽車性能的提高。 但汽車電器的增加， 同樣使汽車 電器之間的信息交且橋梁線束和與其配套的電器接插件數量成倍上升。在 1955年平均一輛汽車所用線束總長度為 45 米。為了在提高性能與控制線束數量 之問尋求一種有效的解決途徑， 在

2、 20 世紀 80年代初，出現了一種基于數據網絡 的車內信息交互方式車載網絡。一、汽車車載網絡的組成車載網絡按照應用加以劃分，大致可以分為 4 個系統：車身系統，動力傳 動系統、安全系統和信息系統。圖 1 奧迪 A4 的車載網絡系統車身系統電路主要有三大塊：主控單元電路、受控單元電路、 門控單元電路。主控單元按收開關信號之后， 先進行分析處理， 然后通過 CAN總線把控制指令發 送給各受控端， 各受控端晌應后作出相應的動作。 車前、 車后控制端只接收主拄 端的指令， 按主控端的要求執行， 并把執行的結果反饋給主控端。 門控單元不但 通過總接收主控端的指令， 還接收車門上的開關信號輸入。 根據指

3、令和開關信號， 門控單元會做出相應動作，然后把執行結果發往主控單元。在動力傳動系統內， 動力傳動系統模塊的位置比較集中， 可固定在一處， 利 用網絡將發動機艙內設置的模塊連接起來。在將汽車的主要因素一跑、停止 與拐彎這些功能用網絡連接起來時， 就需要較高速的網絡傳輸速度。 動力數據總 線一般連接 3塊電腦，它們是發動機、 ABSEDL及自動變速器電腦 （動力 CAN數 據總線實際可以連接安全氣囊、四輪驅動與組合儀表等電腦 ） ?？偩€可以同時傳 遞 10 組數據，發動機電腦 5 組、ABSEDL電腦 3 組和自動變速器電腦 2 組。數 據總線以 500Kbit s 速率傳遞數據，每一數據組傳遞大

4、約需要 0.25ms，每一電 控單元 7-20ms發送一次數據。優先權順序為 ABSEDL電控單元 - 發動機電控單元 - 自動變速器電控單元因此，線束變長， 而且容易受到干擾的影響。 為了防干擾應盡量降低通信速 度，但隨著安全系統和信息系統的發展高速傳輸成為必然的趨勢。 且人機接口的 模塊、節點的數量增加， 通信速度控制及成本相對增加， 使人們不得不摸索更加 高速、安全、廉價的解決方案。此時，汽車總線的概念被提出，總線技術可以大 大提高汽車電器控制的安全性、 可靠性，降低汽車電子電控系統的維護保養成本 和故障率。二、汽車車載網絡分類及其發展趨勢汽車車載網絡的分類目前存在的多種汽車網絡標準，

5、SAE車輛網絡委員會將汽車數據傳輸網劃分 為 A、B、C 三類：A 類面向傳感器 / 執行器控制的低速網絡，數據傳輸位速率通常只有 1-10 kbps 。主要應用于電動門窗、座椅調節、燈光照明等控制。在 A類網絡中 存有多種協議標準，目前正在逐步興起的是 LIN( Local Interconnect Network ) 總線， LIN 是面向低端通訊的一種協議，主要應用在通信速率要求不高的場合， 通過單總線的方式來實現。B類面向獨立模塊間數據共享的中速網絡， 位速率一般為 10-100 kbps。 主要應用于電子車輛信息中心故障診斷、 儀表顯示、 安全氣囊等系統， 以減少冗 余的傳感器和其他

6、 電 子部件 。 B 類網 絡系統 標準主要包 括控制 器局域網 ( Controller Area Network，CAN)協議、車輛局域網( Vehicle Area Network ， VAN)協議以及汽車工程師協會( Society of Automotive Engineers ， SAE)的 SAE J1850 協議。在容錯性能和故障診斷方面， CAN具有明顯的優勢，因此在汽 車內部的動力電子系統等對實時性和可靠性要求較高的領域占有不可替代的地 位；考慮到成本因素， VAN也在汽車網絡中占有一席之地，特別適用于車身電子 系統等對實時性和可靠性要求相對較低，網絡上的某些節點功能比較簡

7、單的場 合；SAE J1850由于其通信速率上的限制已逐漸被淘汰。C類面向高速、實時閉環控制的多路傳輸網，最高位速率可達1 Mbps，主要用于懸架控制、牽引控制、先進發動機控制、 ABS等系統，以簡化分布式控 制和進一步減少車身線束。在 C類標準中，歐洲的汽車制造商從 1992 年以來，基本上采用的都是高速通訊的 CAN總線標準 ISO11898，它可支持高達 1Mb/s 的 各種通訊速率；而從 1994以來 SAEJ 1939則廣泛用于卡車、大客車、建筑設備、 農業機械等工業領域的高速通訊，其通訊速率為 250kb/s 。另外還有是面向多媒體應用、高速信息流傳輸的高性能網絡，位速率一般 在

8、2Mb/s 以上，目前已有位速率達到 400Mb/s的網絡標準， 800Mb/s 的網絡標準 也在研究使用。 這類網絡系統主要連接汽車內部用于多媒體功能的電子設備， 包 括了語音系統、車載電話、音響、電視、車載計算機和 GPS等系統。一般來說，汽車通信網絡可以劃分為四個不同的領域， 每個領域都有其獨特 的要求：信息娛樂系統 : 此領域的通信要求高速率和高帶寬，有時會是無線傳輸。 目前主流應用協議有 MOS；T高安全的線控系統 : 由于此領域涉及安全性很高的剎車和導向系統， 所以 它的通信要求高容錯性、高可靠性和高實時性?？梢钥紤]的協議有TTCAN、FlexRay、TTP等；車身控制系統 : 在

9、這個領域 CAN協議己經有了二十多年的應用積累， 其中 包括傳統的車身控制和傳動控制；低端控制系統 : 此系統包括那些僅需要簡單串行通信的 ECU(Electronic Control Unit) 電子控制單元，比如控制后視鏡和車門的智能傳感器以及激勵器 等，這應該是 LIN 總線最適合的應用領域。圖2 車上網絡系統價格及傳輸速度分布車載網絡的發展趨勢在國外，目前汽車網絡總線技術已經成為乘用車和商用車的標準配置， 其中 CAN網絡技術應用相當普及。在歐洲， 80%的轎車不同程度上使用了該技術 ; 在美 洲，汽車以使用 J1850 居多，具有代表性的有福特使用的 41.6KbpsJ1850 和通

10、 用、克萊斯勒使用的 10.4KbpsJ1850，但從趨勢看正逐步往 CAN技術轉移。目前國內使用總線技術的車型幾乎全部使用 CAN總線。CAN總線開始在奧迪 A6、奧迪 A4、寶來、帕薩特 BS、波羅、菲亞特派力奧、菲亞特西耶那、寶馬等 產品上出現，主要應用在動力傳動系統、安全系統 （ABS、EBD、ASR、 ESP等） 和 車身系統 （門、窗、空調、燈光、鎖、座椅等 ） 。相關技術的應用也帶動了我國網 絡總線研發能力迅速提高， 整車企業可以介入網絡總線相關技術標準的研究和制 定，但關鍵的總線技術還掌握在國外供應商手上。X-by-Wire ，即線控操作， 是未來汽車的發展方向。 該技術來源于

11、飛機制造， 基本思想就是用電子控制系統代替機械控制系統，減輕重量，提高可靠性，如 Steer-by-Wire ，Brake-by-Wire 等。由于整個設計思想涉及動力、制動、方向 控制等關鍵功能，對汽車網絡也就提出了不同要求。在未來的 5 - 10 年里， X-by-Wire 技術將使傳統的汽車機械系統變成通過高速容錯通信總線與高性能 CPU 相連的電氣系統。我國對于電動汽車車用總線技術的研究，主要分為兩個階段 : 即功能實現階 段和性能完善階段。 目前國內第一階段的工作已基本完成， 基于 CAN總線的自主 研發技術己經在新能源汽車上取得成功應用。 我國的汽車企業、高校和科研院所， 如一汽集

12、團、上汽集團、長安汽車公司、奇瑞汽車公司、清華大學、北京理工大 學、北京交通大學、同濟大學、中科院、中國汽車研究中心等 200 多家單位投入 了大量的人力、財力研發電動汽車。三、CAN總線在電動汽車中的運用3.1 總線網絡拓撲結構網絡拓撲結構設計是構建網絡的第一步， 也是實現各種網絡協議的基礎， 它 對網絡的性能、 可靠性和通信費用等都有很大影響。 網絡拓撲結構按照幾何圖形 的形狀可分為 5 種類型 : 總線型拓撲、環形拓撲、星形拓撲、網絡拓撲和樹形拓 撲，這些形狀也可以混合構成混合拓撲結構。 由于電動汽車汽車的網絡特點可歸 納為通訊距離短、網絡復雜度要求不高、擴展性要求高及實施性可靠性要求高

13、?？紤]其特點，可以綜合比較出總線型的結構是最適合車用網絡體系的圖 3 網絡拓撲結構CAN是一種多主方式的串行通訊總線，位速率高，抗電磁干擾性強，能夠檢 測出產生的任何錯誤。 它具有優先權和仲裁功能， 多個控制模塊通過 CAN控制器 掛到 CAN-bus上，每個節點都有單獨的通信處理能力， 形成多主機局部網絡。 其 可靠性和實時性遠高于普通的通信技術。CAN 總線框架目前汽車設計中的網絡結構， 采用兩條 CAN網絡，一條用于動力系統的高速 CAN，速率為 250 Kb-1 Mb/s；另一條應用于車身系統的低速 CAN，速率為 10 Kb-125 Kb/s 。高速 CAN主要連接對象是發動機控制器

14、、 變速箱、 ABS控制器、助力轉向， 安全氣囊控制器等。 低速 CAN主要連接和控制的汽車內外部照明、 燈光信號、 空 調、組合儀表等其他低速電子控制單元。圖4 奧迪A4的網絡結構圖電動汽車區別于傳統的燃油汽車， 既要考慮到其自身的獨特性， 又要考慮其 與一般汽車的共性。 電動汽車與傳統汽車最大的區別就是用電能來驅動， 即用電 池或電機來代替傳統的發動機， 而對電機的驅動控制和對電池的管理正是電動汽 車的關鍵技術。CAN 總線協議CAN遵從ISO/0SI 標準模型（圖2.1 所示） ，按照這個標準模型， CAN協議定義了物理層和數據鏈路層。應用層協議在 CAN2.O中沒有定義，但很多組織針對

15、 不同的應用需求制定了適用于不同領域的應用層協議。表 1 CAN 通信模型的分層結構應用層提供到低層的用戶接口表示層提供數據格式化和代碼轉換會話層處理進程之間的協調傳輸層負責數據傳輸控制網絡層在相鄰節點間轉發分租直到目的站數據鏈路層提供計算機與網絡之間可靠的數據傳輸物理層在計算機和網絡之間傳送位流圖 5 CAN 總線的網絡分層結構但考慮到電動汽車的特殊性， 以上幾個協議都不能完全適用于電動汽車 CAN 網絡。為統一和規范電動汽車在研發、 試運營及產業化過程中 CAN網絡上各節點 進行數據交換時的物理連接和通信協議，需要針對電動汽車具體CAN網絡環境，自主制定相應的通信協議。當 CAN-Bus網

16、絡節點的數目不多，或者所有節點基本上都由用戶自行設計， 不需要與其他廠商設備進行接口時，用戶只需要規定一個簡單的通信協議; 但當CAN-Bus在某一行業廣泛應用時， 必須考慮到各種 CAN廠商設備的互用性和互換 性，需要標準化的高層協議為 CAN網絡提供標準的、統一的通信模式。在制定 CAN應用層協議時主要考慮以下幾個方面 :通訊內容的確定標識符功分配數據格式定義CAN 總線發展前景CAN總線作為一種可靠的汽車計算機網絡總線， 現已開始在先進的汽車上得 到應用，從而使得各汽車計算機控制單元能夠通過 CAN總線共享所有的信息和資 源，以達到簡化布線、減少傳感器數量、避免控制功能重復、提高系統可靠

17、性和 可維護性、 降低成本、更好地匹配和協調各個控制系統之目的， 隨著汽車電子技 術的發展，具有高度靈活性、簡單的擴展性、優良的抗干擾性和糾錯能力的 CAN 總線通信協議必將在汽車電控系統中得到更廣泛的應用。三、嵌入式車載監控終端的硬件和軟件設計3.1 車身控制系統硬件 車身控制模塊是為了滿足車身控制架構的擴展需求而設計的， 它包括 1 個連接電影的接口、 2個 CAN網絡的接口， 1個短程的 RF接受器及一些高電流硅開關輸出和 20 多個開關輸入。圖 6 車身控制模塊硬件框圖例如便攜式工控機 Apollo150 具有抗干擾和減震設計， 適合于車載使用。 它具有一體化的液晶顯示屏和鍵盤鼠標設計

18、，便于人機界面設計;通過 USB2.0 接口連接 U 盤進行存儲，保證車載環境下大量數據的可靠存儲。3.2 操作系統般情況下，嵌入式操作系統可分為兩類 : 一類是面向控制和通信等領域的實時操作系統，如 WindRiver 公司的 VxWorkers、ISI 的 pSOS、QNX系統軟件公司的 QNX等；另一類是面向消費電子產品的非實時操作系統，這類產品包括個人數字助理、移動電話、機頂盒、電子書及網絡電話等。目前從市場占有率來說，國 內 在 嵌 入 式領 域 主 要 使 用 的 操 作 系 統 VxWorkers ，WindowsCE，操作系統說明開發商典型運用Windows CE模塊化設計允許

19、它對于 從掌上電腦到專用的工Mierosof從掌上電腦到專用的工 業控制器EmbeddedLinux及 Paim05 。表 2 常見嵌入式操作系統業控制器的用戶電子設 備進行定制Windows XP Embedded桌面的嵌入式版本， 可裁 剪Mierosof工業控制器和 ATM等有 交流電源的環境Embedded Linux開源操作系統的嵌入式 版本工業控制器和手機SymbianSymbian 由愛立信、 諾基 亞和摩托羅拉等共同出 資。以開發和供應現金、 開放以及標準的手機操 作系統 Symbian OS 為目 標Symbian手機VxWorks嵌入式開發環境的關鍵 組成部分、良好的持續發

20、 展能力、高性能的內核以 及友好的開發環境WindRiver用于防抱死剎車系統到 其他的關鍵任務Plam OS有開放式的操作系統應 用程序接口，開發商可以 根據需要自行開發所需 要的應用程序3com公司曾經運用于 PDA市場通過對以上各類嵌入式操作系統特點和應用領域進行比較，可以看出Windows CE 操作系統應用極為廣泛，幾乎覆蓋了生活中的所有智能電子設備， 如掌上 PDA、移動計算設備、電視機頂盒、數字電視、車載電腦、數字相機、家 庭自動化系統、 消費電子設備、 工業自動化儀表與醫療儀器等等。 與其他嵌入式 操作系統相比， Windows CE又為開發人員提供了友好的開發工具，可幫助開發

21、 人員簡化開發流程并提高開發效率。與 PC機上的應用程序開發不同，如果要開發一個嵌入式系統，硬件開發和 軟件開發都是必須考慮的內容。 從嵌入式軟件開發過程來說需要做的工作主要有 以下幾個方面 :驅動程序開發平臺定制應用程序開發四、車載網絡的仿真和驗證車載網絡系統開發是一個 V 型流程，有兩個環節需要用在仿真和驗證，通 過仿真和測試來完成車載網絡系統驗證。對實時性分析來說，我們通常叫 OPNET ，實時特性分析對要求比較高的是車載網絡系統基本功能要求，可以采 用定性分析方法，更多采用定量分析法，有測量法，數學分析法、仿真模擬法。 還有 CANoe 進行實時性仿真分析，通過建模采用這個工具證明是有

22、效的，可以 完成車載網絡系統分析， 這是特定概率分布下車載網絡系統的實時性仿真與分析 圖，得到一些數據與測量對比可以滿足要求。 要進行功能仿真， 電動汽車制動系 統仿真，主要是仿真駕駛員意圖和執行力的問題， 響應時間和能否達到制動效能， 比如說制動距離和制動時間，這就可以采用 Simulink 進行仿真，要建立正確的 數學模型才可以仿真， 這也是最有效的仿真方法。 除此以外， 也可以把這個車載 網絡系統功能、性能和網絡性能同時進行仿真，這個叫基于 CANoE-Matlab 的 聯合仿真， 采用這樣一種方式仿真， 既可以檢驗它的功能是否達到要求， 同時也 可以考驗它的網絡性能是否達到了要求。車載

23、網絡系統測試一般分為三個測試： 1、單獨 ECU 測試，保證它是符合 要求。 2、通過硬件在環測試仿真， 3、通過實車測試。汽車實車考驗是非常重 要的。目前車載網絡系統能夠專用測試有Vehicle Spy 和 CANoe，這是基于Vehicle Spy 的車載網絡系統硬件在環測試平臺， 專門使用 neo 的軟件進行仿真， 這是仿真基本平臺要求， 構建一個虛擬系統， 通過報文配置、 面板配置來做到測 試的工作。結語 隨著汽車對安全，節能、環保、舒適要求的提高，多功能以及精確控制使得 汽車電子控制單元大量引入。 各電子控制單元之間需要數據信息共享以及大量的 控制信號實時交換，使得車載網絡應運而生。 雖然歐美汽車已大量使用車載網絡， 但在我