汽车分布式控制多路复用系统及其通信协议o.docx
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汽车分布式控制多路复用系统及其通信协议o
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
CAN
AN82526-Q8841
波许总线
Intel8051
古川*总线
H8/532
BasicCAN
PCA82C200版本0
HD63B03Y
ABUS
U5001MPRD1018
Intel8051
VAN
RCPVAN
Intel8051
Philips87C51
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
图1CPU与通用芯片之间的10种电路配置（a）
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（b）
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
J2178是用于进一步说明J1850B级网络信息结构和数据字段的推荐实施标准。
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，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。
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
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动机和底盘的控制要求，90年代初的大多数汽车只需要6~8个ECU，故以上8个通信协议的节点数在未来的一段时间内，应该是足够的。
图10最多节点数
12．典型的通信协议的有效数据速率
这里所指的有效数据速率，是指各个帧中报文标识符长度与数据位字段长度的比值。
由于ABUS协议无CRC（循环冗余校验），故具有最高的有效数据速率;PALMNET在一帧中的确认比特数最多（24个），因此，有效数据速率比其他协议低;DLCS具有可变模式特征，其数据位长度可从0位变至2048位，因此，有效数据速率可从43%变化至98%。
图11是对各协议有效数据速率的评价结果，其中用黑直线表示的DLCS、HBCC、VAN、CAN和BasicCAN等协议均指有效数据速率的可变范围。
图11有效数据速率
13.典型的通信芯片的CPU负载的大小
在通信芯片上CPU的执行时间与增强功能之间应从价格方面作出比较和选定一个折衷方案。
要弄清CPU负载，须先检测从一个CPU至另一个CPU数据传送需要的循环时间。
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的时间。
这些测定揭示了要多大的CPU计算负荷才能满足通信的需要。
内装双端口RAMs的CPU工作性能超过其他CPU很多，并具有最低的负载值。
从图12中可看出，DLCO3的CPU由于执行了信息过滤预处理和进行串行通信，故该CPU的负载最大。
图中CPU负载仅次于DLCSO3的CDP68C68S1芯片，其循环时间末包含CRC计算所需的时间。
ABUS的循环时间最少，故CPU的负载也最小，主要是由ABUS的CPU要求的附加软、硬件最少，无CRC校验和等待时间短所致。
从使用的角度出发，若在CPU负载很大的情况下还让其处理中断，并非妥当。
图128种通信芯片的CPU负载
14．典型通信协议在故障状态下的可靠性
表3指出了各种CPU的故障报警能力。
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的能力。
各个协议报送给CPU的误差或错位情况，与各协议的设计原理有关。
并非所有的通信集成电路都能将全部的误差或错位情况都通知CPU，但是所有的通信集成电路都具有检测通信故障和向CPU报告通信故障的能力。
简而言之，在汽车的使用和维修中能准确地找到较大的故障部位，如驱动器/接收器或传输线等，也就足以满足使用和维修的要求了。
ABUS协议不进行CRC校验，而用高级的输入信号电平检测方法代替。
也就是说，用增强型的输入处理机取代CRC。
这种取代方法，日本的一些汽车和半导体公司，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在故障情况下的可靠性
DLCSO3的每帧中虽无ACK，但为了在数据通信中获得高可靠性，它设置有ACK的相应模式。
由于要进行模式转换，该方法也不宜推荐。
PALMNET协议具有24ACK确认比特数的固定字段，允许任一节点从各个接收节点接收ACK信号，很明显PALMNET的确认比特数最多，重点放在可靠性上，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的是法国雷诺和标致汽车公司以及ISO/TC22/SC3/WG1推荐的RCPVAN芯片版本和飞利浦公司生产的87C51CPU。
由于该协议采用的是曼彻斯特编码，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。
可以看出，该协议的CPU基本上能回避或恢复各项差错。
15．典型的通信协议的总线线路故障情况
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的各种差错，大多数CPU都有报警标志。
当然，对这些总线线路故障差异的响应，主要取决于系统的设计。
例如，DLCO3协议采用的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/底盘代替总线（-），因此，就不存在CPU处理总线（-）的故障问题。
表4总线线路故障测试结果
在大多数的双线通信协议中，即使有1根线发生了故障，多数系统仍能继续其功能。
经日产公司分析得出的结果是：
大多数线束故障表现为线路对地短路、断路和接头损坏，由于线束故障基本上不会重复。
因此，系统中的CPU必须具有故障报警的能力，这是至关重要的。
HBCC和PALMNET有较高的物理可靠性，匹配古川总线的AN82526全部符合ISO故障容限物理层条件。
16．典型的通信协议的接地偏移量、时钟容差、抗无线电干扰及最大网络电容能力
8种通信协议中的JSAE限定的接地偏移量不应低于1V，而被测系统均能满足该项标准；DLCSO3的时钟容差最佳，为15%；PCA82C200（BasicCAN）的时钟容差不太理想，仅为1.25%，说明该系统尚需进一步控制产品的精确度。
经对比测定，采用绞扭线以及传输速率较低的41.6kbps的HBCC、20kbps的PALMNET、20kbps的BasicCAN和7.8kbps的CCD等系统,抗无线电干扰的性能均符合JASE规定的限值。
通过增大通信线路电容，可测出各个系统的通信极限。
实验线束数据表明，只要电容量超过5000pF就能满足要求。
CCP68HC685l（CCD）对低阻抗电流驱动负载有较佳的数值。
17．丰田、日产、马自达等汽车公司及JSAE串行数据通信分会等成员单位对8种典型通信协议芯片的总体评价
总体评价结果较好的通信芯片是法国雷诺公司、标致公司和国际标准化组织ISO等推荐实施的RCPVAN（VAN）通信芯片。
8种（由于AN82526配用两种总线接口，实际是9种）通信芯片版本的评价如下:
（1）AN82526（CAN）。
用波许总线接口。
装有与CAN协议规范一致的BOSCH总线接口。
该芯片控制通信、作实时处理时占用CPU很少，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的操作时间，为获得最佳的高速CAN性能，需设计自己的物理层电路。
（2）AN82526（CAN）。
用古川总线接口。
由于古川总线接口采用新的物理层，因此能满足所有ISO物理层容错条件，获得较佳的测试结果。
该芯片及总线接口适于高可靠性控制装置的高速数据通信作业。
（3）PCA82C200版本0（Basic-CAN）。
能在减少CPU处理负载的情况下完成所有的通信作业。
根据它的电流形式是否符合所有标准来评价芯片。
其中较大规模的系统采用多芯片，以适于系统中高速通信部分的要求。
（4）U5001M-PRD1018（ABUS）。
它要求的附加软、硬件最少。
它象一个存储器芯片进行简单的读/写操作，虽然无CRC，但并不影响其可靠性。
由于传送速率高和报文/信息长度短，故其等待时间不长，适用于高速控制。
（5）RCPVAN（VAN）。
由于有双缓冲器，故CPU的负载很少，适于低、中速通信，但使用于高速通信也不会增加主CPU的负载。
在所有的测试中，它的结果较好。
它包含3组芯片，若制成1块芯片对用户会更方便些。
（6）HBCCREVBB（HBCC）。
为适应各种用途，HBCC曾设计了6种报文格式。
它的兼容性和可扩展性的水平很高，至如今它一直能满足汽车对其可靠性的要求。
但由于它自身的结构特点，对用户来说显得过于复杂。
（7）J002（PALMNET）。
它对必需的元件采用混合集成电路（HIC）供综合通信用，这样有可能设置成极紧凑的微型系统。
在所有的测试中，其可靠性是最佳的。
该协议适于低速率状态通信中要求高可靠性的控制装置（含CPU）。
（8）DLC03（DLCS）。
CPU是在软件中进行信息过滤，因此增长了处理时间。
由于通信芯片包含着驱动器和接收器，因此体积很小。
电流评价结果（包括等待时间）一直都符合要求。
芯片的通信速率，主CPU上的负载和唤醒功能，适用于低速率的车身电子控制和故障诊断系统。
（9）CDP68HC68S1（CCD）。
CPU进行信息过滤，增加了载荷和时间处理。
通信芯片体积很小的原因，与DLCS相似——包含有驱动器和接收器。
芯片电流型符合全部标准，适用于较低速率转换和所用数据参数共享的总线系统。
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