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計算機網絡技術在汽車中的應用

作者: 時間:2013-02-04 來源:網絡 收藏
前言

在近十年里,隨著人們對于汽車的舒適性的要求不斷提高,各種的設備越來越多的應用在汽車上。例如:的自動變速系統、主動懸架系統、自動空氣調節系統、駕駛員座椅自動調節系統、衛星導航系統、帶換碟機的多碟CD 音響系統、密碼防盜系統等。

此外,由于人們對于汽車安全性要求的提高,汽車制動防抱(ABS)及防滑系統,多安全氣囊以及汽車前后防撞雷達報警系統在轎車上也廣泛應用。

隨著人們對于環境保護的日益重視,汽車排放法規的限值要求越來越嚴格,車載排氣污染物監測系統也隨之開始在汽車上應用。

到2000 年,汽車上所裝的各種電子電器設備的成本大約為整車成本的30%,而且這種趨勢仍然在繼續發展。

表1 和表2 分別給出了從20 世紀60 年代到90 年代轎車上電線束的長度以及接插點數量的增長情況。

進入21 世紀,隨著計算機技術的發展和普及,汽車上各種運用計算機、傳感器以及執行器組成的控制系統得到了更加廣泛的應用。而在傳統的汽車設計中,每一個自動控制系統就需要一個專用的計算機單元。

如此多的控制計算機、傳感器、執行器,以及為實現各種控制需要的各計算機單元之間的數據通信,使得汽車(特別是轎車)上的線束長度和接插點的數量急劇增加,對汽車的設計提出了挑戰。


表1 電線束長度的變化 表2 接插點數量的變化

汽車上電線束的長度以及接插點數量的急劇增加,使得汽車設計中電器線路的布置越來越困難。第一,由于空間的限制,汽車(特別是轎車)上有限的空間內難以布置下更長的電線束和更多的接插點。例如,在20 世紀90 年代末,僅僅在駕駛員座椅前儀表板內的電線束數量就達到300 多根;第二,隨著電線束數量的增加,電線束的設計越來越復雜。其復雜性在于除了需要考慮計算機單元、傳感器以及執行器之間的聯接外,還要考慮不同系統之間如何通信,系統之間如何共用接地點,才不會產生電位差,以及如何抗干擾,保證信號不失真;第三,數量巨大的電線束和接插件使得汽車成本不斷上升;第四,由于電線束接插點的數量的增加,造成汽車行駛時由于接插點故障導致的汽車上某個甚至整個控制系統的功能失效問題增多。因此,將應用到汽車上十分必要。

1 在汽車上應用的基本原理

要在汽車上運用實現不同控制系統的計算機的控制功能,以及運用計算機網絡技術實現不同控制系統的計算機之間的信息通信,其基本原理是運用計算機總線技術,將汽車上各個控制系統的單元組成汽車上的局域網絡,通過計算機網絡傳遞數據流,實現不同控制系統之間的信息傳遞和共享,同時減少傳統汽車電器系統設計中的線束和接插件。

在將計算機網絡技術應用于汽車上的研究開發過程的初始階段,由于不同國家的各個汽車公司,對于開發過程的信息和技術都相對獨立和相對保密。一般僅僅是一個國家的幾個汽車公司共同開發,技術分享,因此,到目前為止,形成了多種互不相同的汽車計算機局域網絡總線:

(1) J1850:美國通用、福特和克萊斯勒三大汽車公司聯合開發和共用的總線。盡管美國的三大汽車公司共用一種汽車計算機網絡總線,但是,由于每個公司汽車產品中所用的計算機通信協議是不相同,因此,其汽車計算機網絡控制系統是不盡相同的。
(2) A 總線:德國大眾公司專用的汽車計算機網絡總線。
(3) CAN 總線:德國標準化的總線。開始是由德國博世(BOSCH)公司開發,主要用于機器人控制。由于CAN 總線的數據傳輸速率較高,現在許多汽車公司都將CAN 總線用于汽車計算機網絡系統。
(4) VAN 總線:法國汽車標準化總線。由法國的雷諾汽車公司和標致集團聯合開發的汽車計算機網絡總線。同樣,法國的雷諾公司和法國標致集團共用VAN 汽車計算機網絡總線,但是二個公司計算機網絡所用的通信協議不相同,使得它們的汽車計算機網絡控制系統也不相同。
(5) 專門的解決方案:德國的寶馬(BMW)和日本的一些汽車公司采用了自己專門的解決方案,等等。

2 計算機網絡系統在汽車上應用的優越性

2.1 計算機網絡系統運用在汽車上可以減少布置空間、降低成本在傳統的汽車計算機控制系統設計中,僅僅為了實現各個系統(如發動機燃油電子噴射控制系統與自動變速器控制系統等)控制計算機之間的信息通信,就需要很多的線束和接插件,再加上系統控制計算機與提供信息的傳感器、執行計算機指令實現控制過程的執行器之間聯接的線束和接插件,線束的長度和接插件的數量達到了驚人的數量,本文的前言中已經予以介紹。以下僅以四個計算機控制系統為例說明。


圖3 傳統的設計方案

圖3 為四個計算機控制系統的傳統汽車控制系統設計中,僅僅為了實現各個系統控制計算機之間的一種信息通信功能,至少需要6 對線束。而在圖4 的計算機網絡系統中,只需要1 根總線(2 根線), 就能夠實現傳統設計中至少6 對線束才能完成的系統之間的數據通信功能。僅僅傳遞一種信息,運用計算機網絡系統就可以減少2 對線束和4 對接插件。隨著計算機控制系統之間傳遞信息量的增加,傳統汽車控制系統設計中的線束和接插件急劇增加,而運用計算機網絡系統則可以在1 根總線中傳遞多路信息,因此簡化了汽車的線束和接插件,即減少汽車的線束長度和接插件的數量。與此同時,運用計算機網絡系統可以減少線束和接插件布置時需要的空間,降低成本。隨著汽車上的計算機控制系統的不斷增加,如圖5 中給出的某車型上的復雜的控制系統,運用計算機網絡系統這種優越性就顯得更為突出。減少的線束和接插件的布置空間可以使得汽車設計過程中的布置更加容易,同時可以用來增加新的功能,以滿足用戶的需求。

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