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        汽車數字化技術CAN總線數據應用是落腳點

        2020-06-12 09:44:57 劉國瓊 106

        在現代汽車技術發展中,已經有95%以上的汽車采用了CAN總線協議,部分娛樂系統采用了以太網,結合4G/5G的商業化應用,已經將原有封閉式的內部數據閉環的汽車連接到互聯網,我們的用戶不但可以遠程解鎖他們的愛車,還可以實現對汽車的遠程控制,即便無鑰匙的情況下,家人依然可以使用汽車。汽車作為移動交通工具,在新一輪的技術下,已經變得像遙控電視機一樣簡單。

         

        特斯拉采用了RFID、NFC、藍牙、遠程等多種控制方式,成為用戶“驕傲”的噱頭,為此,大量用戶癡迷于特斯拉的高科技,從特斯拉獨到的創新與應用來說,實實在在抓住了用戶的心理,從第一款大屏,到第一個用RFID開門解鎖,這些技術都讓人眼前一亮。

         

        一、技術背景

         

        在當今的中高檔汽車中都采用了汽車總線技術。汽車總線為汽車內部各種復雜的電子設備、控制器、測量儀器等提供了統一數據交換渠道。一些汽車專家認為,就像在20世紀70年代引入集成電路、80年代引入微處理器一樣,近20年來數據總線技術的引入也將是汽車電子技術發展的一個里程碑。

         

        在20世紀90年代以來,汽車上由電子控制單元(ECU)控制的部件數量越來越多,例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動裝置、安全氣囊裝置、電控門窗裝置、主動懸架等等。隨著集成電路和單片機在汽車上的廣泛應用,車上的ECU數量越來越多。因此,一種新的概念--車上控制器局域網絡CAN(Controller Area Network)的概念也就應運而生了。CAN最早是由德國BOSCH公司為解決現代汽車中的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種數據通信協議,按照ISO有關標準,CAN的拓撲結構為總線式,因此也稱為CAN總線。

         

        CAN協議中每一幀的數據量都不超過8個字節,以短幀多發的方式實現數據的高實時性;CAN總線的糾錯能力非常強,從而提高數據的準確性;同時CAN總線的速率可達到1M bit/s,是一個真正的高速網絡,一般采用500Kbit/s,商用車大多采用250bit/s,多路CAN的車身控制系統中有100250bit/s的情況。

         

        CAN總線應用在汽車中使用有很多優點:

         

        (1)用低成本的雙絞線電纜代替了車身內昂貴的導線,并大幅度減少了用線數量;提高可靠性,安全性、降低成本。

        (2)具有快速響應時間和高可靠性,并適合對實時性要求較高的應用如剎車裝置和氣囊;控制平臺、信息平臺、駕駛平臺的互連基礎。

        (3)CAN轉換芯片(一般采用NXP1040-1044系列)可以抗高溫和高噪聲,并且具有較低的價格,開放的工業標準。

         

        新款的轎車的設計中,CAN已經成為必須采用的裝置,奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、豐田、本田、日產等汽車都采用了CAN作為控制器聯網的手段。我們在2014年破解寶馬全系的時候,寶馬的ECU控制單元在豪華車型上已經多達130多個,并且帶有多路網關,采集汽車的CAN總線,比如從網關進入,一般從外部OBD接口是無法獲得其ECU的數據,并且是多路CAN。

         

        眾所周知汽車的核心單元就是發動機,發動機的運行參數,例如發動機轉速、機油壓力、冷卻劑溫度等等是和汽車駕駛是緊密相關的。傳統汽車儀表的設計方法是:通過放置在汽車部件(如發動機)內部的傳感器,將機械信號轉換成電信號,如電壓、電流、脈沖信號,再經過D/A轉換或計數器等,將電信號轉換成可視的指針信號顯示在模擬儀表盤上。隨著汽車總線技術的發展,不少進口的發動機已經不再直接向外提供傳感器信號,而改用CAN總線通信接口

         

        根據ISO(國際標準化組織)定義的OSI模型,CAN協議定義了物理層及數據鏈路層規范,這為不同的汽車廠商制定符合自身需要的應用層協議提供了很大的便利。如果需要建立更加完善的系統,還需要在CAN的基礎上選擇合適的應用層協議。如CANopen、SAE J1939等?!  ?/span>

         

        J1939協議是目前在大型汽車(主要指柴油車類)中應用最廣泛的應用層協議,可達到250Kbps的通訊速率。J1939協議由美國SAE( Society of Automotive Engineer)組織維護和推廣。J1939協議具有如下特點:

         

        (1)以CAN2.0B協議為基礎,物理層標準與ISO11898規范兼容并采用符合該規范的CAN控制器及收發器。通訊速率最高可達到250Kbps。

        (2)采用PDU( Protocol Data UNIt 協議數據單元)傳送信息,每個PDU相當于CAN協議中的一幀。由于每個CAN幀最多可傳輸8個字節數據,因此PDU的傳輸具有很高的實時性。

        (3)利用CAN2.0B擴展幀格式的29位標志符定義每一個PDU的含義以及該PDU的優先級。

        (4)J1939協議主要作為汽車中應用的通訊協議,對汽車中應用到的各類參數都進行了規定。參數的規定符合ISO11992標準。

         

        二、J1939在國內的發展情況

         

        中國重型柴油車國六OBD排放在線檢測終端設備供應商深圳速銳得科技公司聯合國內中汽中心、國家環保、計量、清華大學等定義了國六重型柴油車OBD排放標準監控的數據并設計開發在線監控終端,實現了基于4G網絡的J1939 網關終端H6S(國標)系列終端產品,并實現GB17691的要求將數據傳輸。

         

        H6S可用于汽車遠程數字化儀表,汽車J1939網關,汽車多功能電控的核心單元,并通過了嚴格的可靠性測試和實際產品化驗證,已投入批量生產。

         

        終端的各項指標已達到了國六標準(國際也是最嚴)先進水平,除支持SAE J1939固件外,還可支持SAE 14229,ISO15765標準,實現對汽車儀表數據采集與遠程傳輸。在國際上,通過了與美國、德國、意大利 J1939 發動機的互連測試,取得了國際化的通行證。

         

        系統由11個網絡節點組成,以J1939網絡為骨干,集成了現代汽車技術的網絡精華。包括LINbus,4G(無線TCP/IP網),RS232等及嵌入式以太網、CANFD等最新技術。汽車的動力部分單元數據是直接通過嵌入式硬件數字仿真技術實現的。包含了:

         

        (1)發動機ECM仿真單元:(節點1)

        實現(實際)發動機的總線仿真功能,產生發動機10~20種電控時實參數,模擬汽車發動機的實際運行狀態。適合汽車EMC要求。

         

        (2)NMT/車身電控制單元(節點2)

        可實現J1939/81規定的網絡管理功能和診斷紀錄功能,發出報警控制信息,并有16個光電隔離輸出接口(50V/500mA)和8個數字信號(傳感器)輸入接口及4個模擬傳感器接口,控制功能可現場編程修改。適合多種汽車EMC開發要求。

         

        (3)緩速器仿真單元:(節點3)

        可根據汽車運行狀態和車速控制電磁緩速器的驅動接口。

         

        (4)ABS仿真單元:(節點4)

        根據汽車網絡綜合參數控制ABS制動力和啟動時間。

         

        (5)AMT仿真單元:(節點5)

        根據設計參數可仿真實現變速箱與發動機ECM的通訊。

         

        (6)非對稱網橋(節點6)

        可實現高速網(動力系統)和低速網(儀表信息電氣控制系統)的流量不對稱橋接從而保證,總線負載率的安全和電氣安全。

         

        (7)LIN BUS 網關(節點7)

        實現LIN-BUS傳感器、電氣控制系統和CAN-BUS系統的互聯,并遵從J1939協議。

         

        (8)J1939MFM(節點8)

        J1939多功能汽車綜合參數儀表(汽車信息中心),可實現14種汽車運行參數的實時顯示(中文LCD),可編程300~5000Km歷史車況記錄并具備故障報警信息顯示功能,適合汽車EMC要求。

         

        (9)J1939汽車遠程儀表(節點9)

        實現J1939總線式汽車儀表??蛇m配多種國產或進口汽車儀表總成。

         

        (10)J1939轉以太網 SAE14229轉J1939(網關節點10)

        可實現以太網或與通用計算機連接進入J1939網絡,對總線負載率進行統計分析,開放API接口。

         

        (11)J1939運行實時參數記錄(節點11)

        接入J1939網絡可記錄20萬條運行參數,用于實時分析各ECU單元的運行情況,亦可在實際運行的汽車中測試運行參數,并通過4G網絡接入Internet網絡環保在線監測服務器,抗電子干擾能力很強,適合汽車EMC及國六要求。

         

        該網絡系統按照J1939的物理層、鏈路層和網絡引用層規定在12個節點下(總線負載率最大為30%條件下)連續工作已超過10000小時。并按照J1939/71車輛應用層標準完成了對MFM/J1939多功能網關產品化測試及總線型數字汽車儀表的測試。

         

        三、技術展望

         

        未來汽車是一個智能化網絡計算平臺。汽車網絡貫穿整車的每個單元即控制系統、信息系統、駕駛系統和傳感執行系統均由控制局域網CAN-BUS互連,掌握應用層網絡標準并開發嵌入式軟件是關鍵技術。

         

        將車內的控制網絡與信息網絡如故障信息遠程檢測系統,車況自動紀錄系統,實時駕駛信息顯示系統(智能化數字儀表)與嵌入式因特網互連(支持4G及5G),使每個汽車有一個獨立Web網頁,實現對汽車全生命周期管理,將會是今后汽車計算平臺的關鍵核心技術。

         

        而這項技術的難點,就在于車型庫的匹配,要了解到每一車,在CAN總線下,不同的數據格式及狀態,在實際的運營管理過程中,這個車使用的怎樣,是否有油/電,這臺車是張三的還是李四的,剎車多少次,胎壓是否正常,去了哪里,每天跑多少公里等等信息,將構成該車使用的模型和畫像,這些都將幫助企業提供有效的實際數據信息。

         

        國內支持多車多數據匹配的企業并不多,有的是為了作秀,有的是為了實際的應用。從事這個領域開發,既需要懂汽車、還需要懂CAN、汽車電子、網絡、平臺、控制、國內寥寥無幾,屈指可數的有中汽中心、速銳得、??低?,國外有特斯拉、維克多、博世等。

         


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