汽车分布式控制多路复用系统及其通信协议

CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术——李东江汽车分布式控制多路复用系统及其通信协议1．汽车上采用多种多路复用系统的原因及典型的多路复用系统通信芯片版本在汽车上采用多路复用通信系统是电子控制汽车的一项必须技术，世界各大汽车公司和半导体公司近年来都在设置、应用和不断地开发此项技术。各个汽车公司设置的多路复用系统的通信芯片版本不同，例如雷诺和标致公司的RCPVAN通信芯片有双缓冲器，而大众公司的U5001MPRD1018通信芯片的集成电路所要求的附加软件和硬件均最少——没有CRC(循环冗余校验)等。因此，ISO、SAE和JSAE等标准化组织为各大汽车公司推荐和制定了各自的多路复用系统通信协议标准，不同的通信协议对信息传输顺序、格式和内容等均有不同的约定。到目前为止，世界上尚无一个可以兼容各大汽车公司通信协议的通用标准，也就是说，想用某个公司的通信协议取代其他公司的协议，是很难做到的，因此，在汽车上就形成了多种类型的多路CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术——李东江复用系统共存的局面。目前汽车上应用的典型通信芯片版本有8种。此外，还有多种因篇幅所限不能全部阐述的其他协议，如宝马公司(BMW)1994年提出的增强型通信协议，该协议的技术关键在于采用集成局部控制器(LCU)和数据压缩(DC)算法——整个数据块的传输时间较无数据压缩时减少约2/3，这样，在不增加物理波特率的前提下，减少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“失同步”；阿尔法·罗密欧公司的DAN集中式网络协议；卢卡斯(Lucas)公司的光学分布式星形藕合器系统；日立公司的集中式光学单纤维双向通信；飞利浦公司的D2R分布式网络协议等。8种通信芯片版本见表1。表1典型通信芯片版本通用芯片版本推荐或实施的主要汽车公司、电子公司及标准组织AN82526-Q8841奔驰、英特尔、波许、英特尔日本公司、JSAE、ISO/TC22/SC3/WG1等PCA82C200版本0飞利浦、波许等U5001M-PRD1018大众RCPVAN雷诺、标致、ISO/TC22/SC3/WG1等HBCCREVBB福特、SAEJ1850标准的数据交换控制部等J002马自达、SAE等DLCSO3通用-德尔柯CDP68HC68S1克莱斯勒、SAE等2．典型通信芯片版本的通信协议的名称及匹配的“CPU”类型8种典型的通信协议名称及匹配的CPU类型见表2。除了AN82526-Q8841(CAN)和REVBB(HBCC)通信芯片因采用不同的总线CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术——李东江和接口而匹配不同的CPU外，其他6种通信芯片皆各对应一种CPU。表2典型通信芯片版本的通信协议及匹配的CPU通信协议通信芯片CPU类型CANAN82526-Q8841波许总线Intel8051古川*总线H8/532BasicCANPCA82C200版本0HD63B03YABUSU5001MPRD1018Intel8051VANRCPVANIntel8051Philips87C51HBCCREVBB并行接口HD6301M1串行接口MC68HC11PALMNETJ002HD6303YDLCSDLCSO3MC68HC11C2D(CCD)CDP68HC68S1MC68HC113.分布式控制多路复用系统的CPU与通信芯片之间的电路配置上述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，因此，可以出现如图1所示的l0种电路配置。4.典型通信协议的信息格式图2对8种典型通信协议的信息格式作了归纳、评价和比较。具有碰撞检测功能的载波感知多路存取(CSMA-CD)用于被评价的所有总线的存取控制。对于125kbps以下的数据传输速率，推荐有多种位编码，如PWM、不归零NRZ、曼彻斯特(Manchester)和可变脉宽调制VPW等(4种编码的解释后述)；而对于超过l25kbps传输速率的位编CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术——李东江码，只有不归零NRZ。图中的CAN协议是NRZ的子集。通过使用位塞入，有可能将AC耦合在总线上，这就赋予CAN协议具有高的抗噪声干扰能力，对于有接地偏移的情况尤其明显。图1CPU与通用芯片之间的10种电路配置（a）CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术——李东江5.SAEJ1850、J2178和J2201标准的含义及其与第二代随车诊断系统(OBD-Ⅱ)的关系SAEJ1850是用于汽车B级数据通信的中等通信速率标准。J1850串行数据链路对于不同速度的通信速率规定了两种编码格式:10.4kbps的通信速率用于转换速率受限制的单线系统的可变脉宽调制编码VPW；41.6kbps的通信速率用于常规的脉宽调制编码PWM。图1CPU与通用芯片之间的10种电路配置（b）CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术——李东江J2178是用于进一步说明J1850B级网络信息结构和数据字段的图28种通信协议的信息格式各条信息格式中的内容注释：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—确认；EOF—帧结束；IFS—帧间间隔；STARTBIT—起始位；SYNCHRONIZATIONBIT—同步位；NC/D—控制位；STOPBIT—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；DESTINATIONPHYSICALADDRESS—目的物理地址；SOURCEADDRESS—源地址；DATABYTE—以字节表示的数据；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；PRIMARYFUNCTIONID—一级功能标识符；SOURCEID—源标识符；SECONDARYFUNCTIONID—二级功能标识符；STA—起始；STP—停止；ERR—错误校验CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术——李东江推荐实施标准。与J1850的区别是，J1850叙述B级网络的接口硬件、基本的协议定义、电气规范、冗余循环校验和校验字段；而J2l78叙述的是信息中的标题字段、数据字段、定标、表达式和数据定位等。SAEJ2201是对网络接口连接的信息取样的推荐实施标准，也可以说，是为网络设计者针对同类属性的OBD-Ⅱ扫描仪、执行以PWM和VPW位编码为基础的汽车网络提供的取样接口。6．福特、马自达等公司采用的PWM编码的相关性质传统的PWM编码根据其简单特性和采样技术早就用于数据链路中。在固定位时间96μs的条件下，标准的1/3~2/3PWM编码可用于10.4kbits/s的传输速率，形成32μs和64μs的特征尺寸。PWM的主要优点是:位长固定，规定抽样点，对“线或”争用总线有判优能力，对每个位的上升边缘有再同步所有接收机的能力。PWM在数据链路中对每个传输位使用2个边缘，因此，低成本的10.4kbits/s数据链路存在两个问题:第一，如果边缘输出数不能在总线上保持最少，那将不利于从总线上减少噪声辐射；第二，由于PWM编码位的最小特征时间是1/3位时间，在10.4kbits/s时为32μs，使用两个20μs的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变化的情况下，还可能出现“位交换”，定时器也可能会发生颠倒。总的说来，PWM编码的最小特征(1/3位周期)显得太短(图3)，不能准确地分辨所用单线成形的边缘，即在总线上会出现额外边缘，CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术——李东江因此发生辐射；另外，不能用标准的单线总线作状态转换。图3脉宽调制编码7．波许、克莱斯勒和大众等公司采用的NRZ和NRZ变体编码的相关性质NRZ编码解决了PWM编码的最小特征分辨限制。最纯的NRZ型式允许顺序传输达无数个恒等位，因此，数据链路处于一个连续级。在最坏的情况下，数据流将引发每位一次转换。NRZ和NRZ的变体主要存在的问题是通过位流时，由于振荡器容限造成的“堆垛”，因此需要优选振荡元件。总的说来，NRZ及其变体具有优良的边/位比(图4)，但当所提供的时钟容限和判优发出时，会导致解法复杂化。图4不归零和不归零变体编码8．雷诺和标志等公司采用的曼彻斯特编码(双相位M和L)的相关性CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术——李东江质曼彻斯特编码确定固定位时间(对于10.4kbits/s的传输速率为96μs)，并在每个位时间边界引发1次转换。如果位是“1”，则在位时间的中部触发1次附加转换(图5)；如果位是“0”，则转换不发生在中位而发生在各个位边界。这种编码的优点是有固定的位时间，很容易恢复位同步以及每位转换1~1.5次。但在判优方面存在缺点，无论是“0”还是“1”的较高优先权取决于它们在数据流中的位置。图5曼彻斯特/双相位M编码双相L(或相位编码)编码确定高到低的转换作为“1”，低到高的转换作为“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，具有较简单的判优方案，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长度的位周期。CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术——李东江图6双相位L编码9．通用公司采用的可变脉宽调制VPWM编码的相关性质VPWM编码在特定的转换速率下数据传输速率差不多超过标准PWM的2倍。VPWM仅按定义位增加数据速率，而定义位又是根据消耗在媒体某一特定状态的时间量(在2/3或3/4位周期的情况下)确定的。VPWM的位和定界符又是根据花费在总线上的串行转换之间的时间，并用符号来表示和定义的。各个数据位又用两种符号来定义:一种是用于媒体主、支配状态下的时间周期(图7)；另一种是用于媒体逆状态下的时间周期。图7VPWM的位定义任一给定的VPWM位串总长度，取决于发送位规则。位串可能由CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术——李东江短周期(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。因此，需要分辨的最小特征为2/3位周期(图8)，这样的位周期就出上述其他的编码方案长(除了未提供一致同步能力的NRZ外)。图8可变脉宽调制编码最有意思的是，如果以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2x的PWM编码波形。PWM数据链路由于受限于媒体，因此在媒体上的转换时间不可能进一步减少。而VPWM能在不加辐射或不发生边缘损失的情况下，允许增加数据通过量，因为VPWM允许所有的节点各条边缘同步，而不会发生由于振荡器容限造成的“堆垛”缺陷。作为单线汽车总线的VPWM编码与上述其他编码方案相比较，主要有以下优势:各条边缘同步，所用单线具有足够的转换能力，有简单的判优能力，有较低的边/位比，允许有时钟容差等。10．典型的通信协议的传输能力CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术——李东江由给定数据字段的位数乘以报文标识符数，可得到总的信息数据空间。通过增值，可以进一步控制信息。根据系统的总信息数据空间，就可确定通信系统的传输能力。从图9中可看出各个通信协议的传输能力，它由报文标识符与数据字段中的位数关系表示。DLCS采用了可变长度模式，获得了最大的传输容量，而ABUS和PALMNET采用了约束功能的限制性传输容量。图98种通信协议传输能力/容量11．典型的通信协议的节点数能否满足汽车的控制要求?图10表示8种通信协议的最多连接节点数。从图中可看出，节点数在16~32之间。按照日本近年来对豪华汽车发