计算机网络技术在汽车中的应用 - 文章

计算机网络技术在汽车中的应用

作者：神龙汽车有限公司鲍警予

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[摘要] 在近十年里，用户对于汽车的舒适性、安全性以及环保等各种性能的要求不断提高。为了满足这些日益增加的需求，汽车上计算机控制的电子电器设备急剧增加，使得汽车（特别是轿车）设计中电器线路的布置越来越困难。此外，由于汽车上各种电子电器的接插点的数量随之剧增，汽车行驶过程中因为接插点的故障造成汽车上电子电器设备的功能失效的问题越来越突出。为了解决上述问题，很多新车型（特别是高档车型）的开发中开始广泛地应用计算机网络技术。本文介绍了计算机网络技术在汽车中应用的基本原理，并介绍了该技术在神龙公司的萨拉-毕加索车上的应用。
关键词：汽车计算机控制网络技术

前言

在近十年里，随着人们对于汽车的舒适性的要求不断提高，各种计算机控制的设备越来越多的应用在汽车上。例如：计算机控制的自动变速系统、主动悬架系统、自动空气调节系统、驾驶员座椅自动调节系统、卫星导航系统、带换碟机的多碟CD 音响系统、密码防盗系统等。

此外，由于人们对于汽车安全性要求的提高，汽车制动防抱（ABS）及防滑系统，多安全气囊以及汽车前后防撞雷达报警系统在轿车上也广泛应用。

随着人们对于环境保护的日益重视，汽车排放法规的限值要求越来越严格，车载排气污染物监测系统也随之开始在汽车上应用。

到2000 年，汽车上所装的各种电子电器设备的成本大约为整车成本的30%，而且这种趋势仍然在继续发展。

表1 和表2 分别给出了从20 世纪60 年代到90 年代轿车上电线束的长度以及接插点数量的增长情况。

进入21 世纪，随着计算机技术的发展和普及，汽车上各种运用计算机、传感器以及执行器组成的控制系统得到了更加广泛的应用。而在传统的汽车设计中，每一个自动控制系统就需要一个专用的计算机单元。

如此多的控制计算机、传感器、执行器，以及为实现各种控制需要的各计算机单元之间的数据通信，使得汽车（特别是轿车）上的线束长度和接插点的数量急剧增加，对汽车的设计提出了挑战。

表1 电线束长度的变化表2 接插点数量的变化

汽车上电线束的长度以及接插点数量的急剧增加，使得汽车设计中电器线路的布置越来越困难。第一，由于空间的限制，汽车（特别是轿车）上有限的空间内难以布置下更长的电线束和更多的接插点。例如，在20 世纪90 年代末，仅仅在驾驶员座椅前仪表板内的电线束数量就达到300 多根；第二，随着电线束数量的增加，电线束的设计越来越复杂。其复杂性在于除了需要考虑计算机单元、传感器以及执行器之间的联接外，还要考虑不同系统之间如何通信，系统之间如何共用接地点，才不会产生电位差，以及如何抗干扰，保证信号不失真；第三，数量巨大的电线束和接插件使得汽车成本不断上升；第四，由于电线束接插点的数量的增加，造成汽车行驶时由于接插点故障导致的汽车上某个甚至整个控制系统的功能失效问题增多。因此，将计算机网络技术应用到汽车上十分必要。

1 计算机网络技术在汽车上应用的基本原理

要在汽车上运用计算机网络技术实现不同控制系统的计算机的控制功能，以及运用计算机网络技术实现不同控制系统的计算机之间的信息通信，其基本原理是运用计算机总线技术，将汽车上各个控制系统的计算机控制单元组成汽车上的局域网络，通过计算机网络传递数据流，实现不同控制系统之间的信息传递和共享，同时减少传统汽车电器系统设计中的线束和接插件。

在将计算机网络技术应用于汽车上的研究开发过程的初始阶段，由于不同国家的各个汽车公司，对于开发过程的信息和技术都相对独立和相对保密。一般仅仅是一个国家的几个汽车公司共同开发，技术分享，因此，到目前为止，形成了多种互不相同的汽车计算机局域网络总线：

（1） J1850：美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司联合开发和共用的总线。尽管美国的三大汽车公司共用一种汽车计算机网络总线，但是，由于每个公司汽车产品中所用的计算机通信协议是不相同，因此，其汽车计算机网络控制系统是不尽相同的。
（2） A 总线：德国大众公司专用的汽车计算机网络总线。
（3） CAN 总线：德国标准化的总线。开始是由德国博世（BOSCH）公司开发，主要用于机器人控制。由于CAN 总线的数据传输速率较高，现在许多汽车公司都将CAN 总线用于汽车计算机网络系统。
（4） VAN 总线：法国汽车标准化总线。由法国的雷诺汽车公司和标致集团联合开发的汽车计算机网络总线。同样，法国的雷诺公司和法国标致集团共用VAN 汽车计算机网络总线，但是二个公司计算机网络所用的通信协议不相同，使得它们的汽车计算机网络控制系统也不相同。
（5）专门的解决方案：德国的宝马（BMW）和日本的一些汽车公司采用了自己专门的解决方案，等等。

2 计算机网络系统在汽车上应用的优越性

2.1 计算机网络系统运用在汽车上可以减少布置空间、降低成本在传统的汽车计算机控制系统设计中，仅仅为了实现各个系统（如发动机燃油电子喷射控制系统与自动变速器控制系统等）控制计算机之间的信息通信，就需要很多的线束和接插件，再加上系统控制计算机与提供信息的传感器、执行计算机指令实现控制过程的执行器之间联接的线束和接插件，线束的长度和接插件的数量达到了惊人的数量，本文的前言中已经予以介绍。以下仅以四个计算机控制系统为例说明。

图3 传统的设计方案

图3 为四个计算机控制系统的传统汽车控制系统设计中，仅仅为了实现各个系统控制计算机之间的一种信息通信功能，至少需要6 对线束。而在图4 的计算机网络系统中，只需要1 根总线（2 根线），就能够实现传统设计中至少6 对线束才能完成的系统之间的数据通信功能。仅仅传递一种信息，运用计算机网络系统就可以减少2 对线束和4 对接插件。随着计算机控制系统之间传递信息量的增加，传统汽车控制系统设计中的线束和接插件急剧增加，而运用计算机网络系统则可以在1 根总线中传递多路信息，因此简化了汽车的线束和接插件，即减少汽车的线束长度和接插件的数量。与此同时，运用计算机网络系统可以减少线束和接插件布置时需要的空间，降低成本。随着汽车上的计算机控制系统的不断增加，如图5 中给出的某车型上的复杂的控制系统，运用计算机网络系统这种优越性就显得更为突出。减少的线束和接插件的布置空间可以使得汽车设计过程中的布置更加容易，同时可以用来增加新的功能，以满足用户的需求。

图4 计算机网络通信设计方案

图5 某车型计算机网络系统

2.2 计算机网络系统运用在汽车上可以管理更多的信息

传统的汽车计算机控制系统之间的信息是通过线束传递，传递的是模拟量的信息，如代表发动机转速、车速、温度或压力等物理量变化的电压、电流等（图6）。由于传递的信息的是模拟量，加上线束与接插件的布置空间、以及显示仪表的布置空间的限制，各个控制系统之间的信息传递极其有限，各种信息一般是局限在本控制系统内部进行管理，不能提供给其它控制系统共享，提供给驾驶员的信息则更少。

图6 传统的模拟量信息传递图7 计算机网络数字化信息传递

汽车计算机网络系统采用了计算机总线控制技术，通过计算机总线传递的信息是数字化的信息流，发出信息的计算机根据通信协议对本控制系统中的各种信息进行编码后将信息发出，其他需要利用该信息的计算机根据通信协议对信息进行解码后即可获得信息（图7）。因此，计算机网络系统运用在汽车上可以使得汽车上的各个控制计算机单元通过汽车上的局域计算机网络，从网络上获取所需的信息，或者将本控制系统中的各种信息发送给其它需要该信息的控制系统。汽车的中央控制计算机可以对所有控制系统的各种信息进行管理，并通过多功能显示屏向驾驶员提供尽可能多的信息，例如汽车的百公里燃油油耗、瞬时燃油消耗、续航里程、平均车速等，此外，还可以对汽车局域计算机网络内的各个计算机控制系统的工作状况进行监测，记录各个控制系统所发生的故障等。

2.3 计算机网络系统运用在汽车上可以提高汽车电器系统的可靠性

由于传统的汽车计算机控制系统之间的信息传递是通过线束，传递的是模拟量的信息。而模拟量信号在传递过程中容易受到外界的干扰。例如，汽车行驶时由于汽车的振动引起的接插件接触不良、线束屏蔽不良受到外界电磁辐射、接地不良以及不同控制系统的接地电压存在电压差等，都会引起所传递的信息失真，导致接收信息的计算机控制系统发出错误的执行指令。

汽车计算机网络系统传递信息的网络总线一般为双线，二根线上传递的是大小相等、相位相反的数字化信号（图8）。当信息在传递过程中受到外界干扰时，二根线上感受到的干扰信号的强度是基本相同的，接受信息的控制计算机只需要对所接收到的受到外界干扰的信号进行滤波，即可将外界的干扰降低到最低。因此，计算机网络系统运用在汽车上除了可以减少布置空间、降低成本外，另外一个最大的优越性就是，可以最大限度的降低外界电磁辐射的影响，抗干扰能力强，而且可以补偿接地不良等问题，从而保证所传递的信息具有较高的可信度。此外，由于汽车计算机网络系统传递信息的总线为双线，当传递信息的总线中的一根线出现故障（如断路、短路）时，信息仍然可以通过剩余的一根总线进行传递，汽车上的各个计算机控制系统仍然可以工作，不会出现传统的汽车电路中由于信号线或地线二者之一短路或者断路时整个系统无法工作的现象。由此可见，计算机网络系统运用在汽车上的这些优越性使得汽车电器系统的可靠性大幅度提高。

图8 汽车计算机网络系统中的信息传递

2.4 计算机网络系统在萨拉-毕加索汽车上的应用神龙公司的萨拉-毕加索车以其独特的外型设计和舒适的内部驾乘空间获得过欧洲汽车设计奖。然而，该车的最大的特点是在电路系统设计中应用了计算机网络系统。

萨拉-毕加索车的计算机网络系统主要用于舒适性方面，如自动空气调节系统、卫星导航系统等。该车的计算机网络系统（VAN 总线）示意图如图9 所示。在该车的计算机网络系统中，中央控制计算机与图9所示的各子系统的控制计算机单元之间的信息通信是通过VAN 总线实现，中央控制计算机与其他子系统的控制计算机单元（如发动机控制系统、ABS 控制系统等）之间的通信，仍然是用普通的线束实现。

图9 萨拉-毕加索车的计算机网络系统示意图

萨拉-毕加索汽车的中央控制计算机可以通过计算机网络实时管理41 个主要的系统信息，例如，钥匙防盗密码、车门是否开启、前雨刮在停车时降低工作档位、后雨刮在倒车时自动工作、燃油量、燃油消耗量、续航里程、超速报警、低温行车时提示以及到达保养里程提示等等，并且还可以监测和记录各个控制系统工作中的故障，对于重要的故障，如发动机控制系统、ABS、安全气囊系统等故障，可以用报警灯提示驾驶员注意，同时便于在车辆维修时维修人员利用故障诊断仪读取车辆所发生的故障，在尽可能短的时间内排除故障。

3 结束语

本文介绍了计算机网络技术在汽车上应用的基本原理，并介绍了该技术在神龙公司的萨拉-毕加索车上的应用。

计算机网络系统在汽车上应用优点很多：可以使得汽车设计中线束和接插件的数量大幅度减少，汽车设计时电线束和接插件的布置更加容易；在同样数量电线束的条件下（与传统的汽车电路系统设计相比）可以增加汽车的功能；可以管理的公用信息以及可以提供给驾驶人员的信息大幅度增加；而且可以提高汽车各种控制系统的可靠性等。

计算机网络系统在汽车上应用，对于汽车（特别是轿车）的设计无疑会带来一次汽车设计上的变革，使汽车的设计人员可以开发出功能更全、更加舒适，并且可靠性更高的令用户满意的汽车。

参考文献
1 M. Francois MORIN. Architecture electrique et electronique des vehicules. Congress international S.I.A. Toulouse 1998
2 M. J.M CLIQUE. Le multiplexage chez PSA. Congres international S.I.A. Toulouse 1998
3 PSA. FORMATION MULTIPLEXAGE-Formation cableurs. Manuel de Formation Multiplexage PSA(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/8/2005)


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