汽車電子技術的發展

    摘要:本文就汽車電子化和控制理論發展概況、網路技術在汽車中的套用以及汽車換能器的發展方向進行了詳細地綜述,對我國汽車工業的發展具有一定的指導意義。

 1汽車電子化發展概況
  汽車電子化是建立在電子學的發展基礎之上,從真空管、電晶體、積體電路、大型積體電路到超大型積體電路的技術進步,出現了電腦等各種各樣的電子裝置,汽車電子化也隨著逐年的深化與發展,而且有的汽車電子裝置佔整車造價的1/3,進階轎車有的就裝幾十個微控器、上百個換能器。電子化的程度可以說是衡量汽車高級與否的主要標誌。
  20世紀50年代,人們開始在汽車上裝設電子管收音機,這是電子技術在汽車上套用的雛形。1959年電晶體收音機問世後,很快在汽車上得到了套用。60年代,汽車上套用了整流交流發電機和電晶體調節器,到60年代中期,汽車上開始採用電晶體電壓調節器和電晶體點火裝置。但更多地套用電子技術則是在70年代以後,主要是為解決汽車安全、污染和節油3大問題。進入70年代後期,電子工業有了長足的進步,特別是積體電路、大型積體電路和超大型積體電路技術得到了巨大發展,微電腦在汽車上的套用,給汽車工業帶來了劃時代的變革。
20世紀90年代,汽車電子技術進入了其發展的第三階段,這是對汽車工業的發展最有價值、最有貢獻的階段,超微型磁體、超高效電機及積體電路的微型化,為汽車上的集中控制提供了基礎。目前汽車電子技術已發展到第四代,即包括電子技術(含微電腦技術)、最佳化控制技術、換能器技術、網路技術、機械和電器一體化耦合交叉技術等綜合技術的小並且早已從科階段進入了商品生產的成熟階段。
汽車電子技術主要包括硬體和軟體方面的內容:硬體包括微電腦及其接口、執行部件、換能器等;軟體主要是以組合語言及其它高階語言編製的各種資料擷取、計算判斷、報警、程序控制、最佳化控制、監控、自診斷系統等程序
  微電腦是整個系統的核心,負責指揮其它裝置工作。目前汽車上用的微電腦以一般的單片機和高抗干擾及耐振的汽車專用微電腦為主其速度和精度要求不像計算用微電腦高,但抗干擾效能較強,能適應汽車振動大等惡劣的工作環境。有的由單機控制(即一個微電腦控制一個專案,如控制點火)向集中控制發展,而汽車集中控制也由原來的多個電腦通信向網路化管理轉場。
 2汽車電子控制理論發展概況
,是“汽車電子技術”中的難點和重點。利用自動控制理論而建立的開環、閉環、最優、自適應控制系統,在汽車最佳化控制中都有採用。建立這些控制系統時,首先對汽車某個系統,如點火提前角最佳化控制系統進行系統辨識,建立數學模型,然後採用相應的控制方法進行最佳化控制。但是發動機本身階組比較複雜,影響點火的因素較多,理論推導最佳化點火狀態下的數學模型比較困難。因此,一般採用實驗方法找出各種工下的最佳點火提前角,然後存入微電腦記憶體。在實行控制程序中,微電腦不斷偵測發動機的工,用查表的方法,查出該工下的最佳點火提前角,進行修正後再通過微電腦接口、放大電路去控制點火,這是目前國外套用較多的最佳化控制方法。
  此外,目前套用較成熟的另一種方法為自適應線上搜索法:他包括頂點保持法和登山法2種。該方法並不需要知道模型的原型,而是由微電腦在汽車執行中自行搜索最優工,使控制接近或達到最最佳化。
  含糊控制是近年來出現的新的控制理論,在汽車中也有所套用。含糊控制系統也是一種自動控制系統,他是以含糊數、含糊語言形式的知識表示和含糊邏輯推理為理論基礎,採用電腦控制技術構成的一種具有閉環階組的數位控制系統。含糊邏輯從含義上比其它傳統邏輯更接近人類的思想和自然語言。
 3網路技術在汽車中的套用
 3·1網路技術在汽車內部的套用
  比較進階的汽車上裝有幾十微電腦控制器、上百個感知器。這就給汽車進行網路套用提供了條件,而且解決了汽車一直存在集中控制和分散控制的矛盾。所謂分散控制就是汽車上的一個部件如點火或噴油,用一個微控器進行控制,這是微電腦在汽車上套用的起始。後來發展到汽車集中控制系統,包括完全集中控制系統,如美國的一般的汽車公司採用一個微電腦系統分別控制汽車防滑制動、牽引力控制、最佳化點火、超速報警、自動門鎖和防盜等分級控制系統,如日產公司的分級控制系統,用1台中央控制小算盤分別指揮4台微電腦,分別控制防滑制動、最佳化點火、燃油噴射、資料傳輸等;分佈集中控制系統,他是根據汽車的各大部分而進行分塊集中控制,如發動機、底盤、訊息、顯示和報警等幾大件控制系統,如日本五十生產的汽車I-TEC系統,他對發動機的點火、燃油噴射、速及廢氣再回圈進行集中控制。上述各種型式的控制都
有優缺點,但網路在汽車上套用後,就可發揮各型控制的優點,克服了他們的缺點。例如集中控制和分散控制的最大問題是可靠性問題,如完全集中控制,一旦微電腦出現故障全車癱瘓。採用網路技術後,不但共用所有換能器,還可以共用其它裝置,如進行了環形網控制,幾十微電腦,就是個別出現問題,整車還可以正常執行。所以網路在汽車套用中不但增加了許多功能,而且還大大增加了可靠性。
  為適應汽車網路控制的需要,更好地在各控制系統之間完成交流訊息、協調控制、共享資源及標準化與一般的化,世界各國都在積極合作,進行汽車區域網路的研究與開發。國外在網路標準的制定以及符合網路通信標準的微處理器、通信協定等方面都已經有了成果。網路標準方面有Bosch公司制定的控制器區域網路絡(CAN)協定和Intel推出的SAEJ18065網路標準。又如Philips,Intel,Motorola等公司推出了符合網路相關協定的微處理器產品。同時,為整合各種標準,一份有關汽車網路的國際標準正在國際標準化組織起草。
 3·2網路技術在汽車外部的套用
  汽車上網系統,是一種無線的網路階組。通過他,人們在駕駛汽車時就可以像在家一樣進行上網、發E-mail等所有網上作業。目前不少公司在進行這方面的工作,如IBM公司和Motorola公司已合作開發車用無線Internet技術,這項技術將使駕駛員和乘客能夠在車上傳送電子信件以及從事網上各種作用中,如電子商務和網上購物、檢視股市行情和天氣預報等。另外Microsoft公司新推出了專門為“車上網”設計的AutoPC軟體,採用Windows CE作業系統,他具有交談式語言辨識等各種多媒體功能。這種功能能夠有效地保障汽車行車安全,因為他可以讓汽車駕駛員在手不離方向盤、眼不離行駛前方的情況下,與PC機系統置換各種訊息,例如行車前方的交通狀況有無塞車,最短時間導航等;也可以通過他在車上收發E-mail、打網路電話和其它上網作用中。一般的公司不但開發了“車上網”系統,而且還裝有車載自動化辦公系統。由該系統採用了超高速光纖串行資料通道(MML),因此具有多路的數位式影音能力,可以有效地調控多信道大容量的輸入、輸出訊號,例如CD、DVD、顯示器、電視接收天線、音響和全球衛星定位導航系統都可以和該系統置換訊息。
 4汽車感知器的發展趨勢
  車用感知器是促進汽車高級化、電子化、自動化發展的關鍵技術之一,世界各國對車用換能器的研究開發、提高性價比都非常重視。“沒有換能器技術就沒有現代汽車”的觀點現在已被全世界所公認。汽車電子化越發達,自動化程度越高,對感知器依賴性就越大,所以,國內外都將車用換能器技術列為重點發展的高技術。
  汽車現代換能器總的發展趨勢是:多功能化、整合化、智慧化、微型化,其技術的發展方向是:
  1)開展基礎研究,發現新現象、採用新原理、開發新材料和採用新工藝;
  2)擴大感知器的功能與套用範圍。
 4·1發現新現象
  利用物理現象、化學反應和生物效應等是各種換能器的基本原理,所以發現新現象與新效應是現代換能器發展的重要基礎。
 4·2開發新材料
  功能材料是發展換能器技術的另一個重要基礎。由材料科學的進步,在製造各種材料時,人們可以任意控制他的成份,從而可以設計與製造出各種用於換能器的功能材料。例如控制半導體氧化物的成份,可以製造出各種氣體換能器;光導纖維用於感知器是感知器功能材料的一個重大發現;有機材料作為功能材料,正引起國內外汽車電子化專家的極大關注。
 4·3採用新工藝
  換能器的敏感元件效能除了由其功能材料決定外,還與其加工工藝有關。隨著半導體、陶瓷等新型材料用於感知器敏感元件,許多現代先進製造技術也轉載入汽車感知器製造技術,例如整合技術,微細加工技術,離子注入技術,薄膜技術等,能製作出效能穩定、可靠性高、體積小、重量輕的微型化敏感元件。近年來從半導體積體電路技術發展而來的微電子機械系統(MEMS)技術日漸成熟,利用這一技術可以製作各種能敏感和偵測力學量、磁學量、熱學量、化學量和生物量的微型感知器,這些換能器的體積和能源消耗小,可實作許多全新的功能,便於大批量和高精度生產,單件成本低,易構成大規模和多功能陣列,這些特點使得他們非常適合於汽車方面的套用。
  20世紀80年代初,微型壓阻式多路絕對壓力換能器開始大批量生產,取代了早期採用LVDT技術的壓力感知器。80年代中期微型加速度換能器開始用於汽車安全氣囊,他們是到目前為止大量生產的、並在汽車中得到廣泛套用的微型感知器。然而微型感知器的大規模套用勢必將不限於發動機燃燒控制和安全氣囊,在未來5∼7年內包括發動機執行管理、廢氣與空氣品質控制、ABS、車輛動力的控制、自適應導航、車輛行駛安全系統在內的套用將為MEMS技術提供廣闊的市場。
 4·4研究多功能整合感知器
  研究多功能整合換能器是換能器發展的一個重要方向,即在一個晶片上整合多種功能敏感元件和同一功能的多個敏感元件。例如日本研製出複合壓阻感知器,一個晶片可同時偵測汽車壓力與溫度。
 4·5研究智慧式感知器
  智慧感知器是一種帶微型電腦兼有偵測、判斷、訊息處理等功能的換能器。與傳統感知器相比,他具有很多特點。例如,他可以確定感知器工作狀態,對測量資料進行修正,以便減少環境因素如溫度引起的誤差;用軟體解決硬體難以解決的問題;完成資料計算與處理工作等等。世界各國都在車用換能器硬體的基礎上,努力用軟體來解決汽車電氣干擾大、環境差(溫度高、溫度梯度大、污染厲害等)等問題造成的對汽車引數測量的影響。而且智慧式感知器精度高、量程覆寫範圍大、輸出訊號大、信噪比高、抗干擾效能好,有的還帶有自檢功能。不少汽車大公司在該方面進行研製與開發,並取得了成就和套用。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

現代汽車的核心技術-SAE J1939

2004.1)

一、技術背景

在當今的中高級汽車中都採用了汽車匯流排技術。汽車匯流排為汽車內部各種複雜的電子裝置、控制器、測量儀器等提供了統一資料置換渠道。一些汽車專家認為,就像在20世紀70年代轉載入積體電路、80年代轉載入微處理器一樣,近10年來資料匯流排技術的轉載入也將是汽車電子技術發展的一個里程碑。

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。隨著積體電路和單片機在汽車上的廣泛套用,車上的ECU數量越來越多。因此,一種新的概念--車上控制器區域網路絡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資料置換而開發的一種資料通信協定,按照ISO有關標準,CAN的拓撲階組為匯流排式,因此也稱為CAN匯流排。

CAN協定中每一幀的資料量都不超過8個位元,以短幀多發的方式實作資料的高即時性;CAN匯流排的糾錯能力非常強,從而提高資料的準確性;同時CAN匯流排的速率可達到1M bit/s,是一個真正的高速網路。總之,將CAN匯流排套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,並大幅度減少了用線數量;提高可靠性,安全性、降低成本。
(2)具有快速回應時間和高可靠性,並適合對即時性要求較高的套用如剎車裝置和氣囊;控制平、訊息平、駕駛平的互連基礎。
(3)CAN晶片可以抗高溫和高噪聲,並且具有較低的價格,開放的工業標準。

在現代轎車的設計中,CAN已經成為必須採用的裝置,奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都採用了CAN作為控制器聯網的手段。據報道,中國首輛CAN網路系統混合動力轎車已在奇瑞公司試裝成功,並進行了初步試執行。在上海大眾的帕沙特和POLO汽車上也開始轉載入了CAN匯流排技術。但總的來說,目前CAN匯流排技術在我國汽車工業中的套用尚處於試驗和起步階段,絕大部分的汽車還沒有採用汽車匯流排的設計,因而存在著不少弊端。

比如,眾所週知汽車的核心裝置就是發動機,發動機的執行引數,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)內部的感知器,將機械訊號轉換成電訊號,如電壓、電流、脈衝訊號,再經過D/A轉換或計數器等,將電訊號轉換成可視的指標訊號顯示在類比儀表盤上。隨著汽車匯流排技術的發展,不少進口的發動機已經不再直接向外提供感知器訊號,而改用CAN匯流排通信接口。一旦發動機出現故障時,由缺乏基於CAN匯流排的測試維修裝置,目前我們的維修人員使用的方法只能是在發動機上鑽孔,將感知器直接放進發動機內部進行測量,作業繁瑣、裝置複雜,且不利於保護發動機的整體階組

比如,現有的部分汽車儀表使用了專用的匯流排設計,由硬體標準不統一,通信協定也不相容,為甲公司汽車生產的儀表完全不能在乙公司的汽車上使用,生產成本難以降低、故障維修很不方便。如果能將各種專用匯流排統一到CAN匯流排標準上來,就可以解決問題。

比如,在手動擋汽車中,駕駛員的換擋是依照經驗進行的,有可能發生應該加高擋位而沒能及時加擋的情況,即低檔高速行駛,既不利於降低油耗,又容易造成汽車傳動部件磨損。如果能實作自動換擋提示,車輛就能始終保持在經濟時速行駛。

   根據ISO(國際標準化組織)定義的OSI模型,CAN協定定義了物理層及資料路層規範,這為不同的汽車廠商制定符合自身需要的套用層協定提供了很大的便利。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套用層協定。如CANopen、SAE J1939等。

J1939協定是目前在大型汽車中套用最廣泛的套用層協定,可達到250Kbps的通訊速率。J1939協定由美國SAE( Society of Automotive Engineer)組織維護和推廣。J1939協定具有如下特點:

(1)以CAN2.0B協定為基礎,物理層標準與ISO11898規範相容並採用符合該規範的CAN控制器及收發器。通訊速率最高可達到250Kbps。
(2)採用PDU( Protocol Data Unit 協定資料單元)轉送訊息,每PDU相當於CAN協定中的一幀。由CAN幀最多可傳輸8個位元資料,因此PDU的傳輸具有很高的即時性。
(3)利用CAN2.0B廷伸幀格式的29位標誌符定義每一個PDU的含義以及該PDU的優先等級。
(4)J1939協定主要作為汽車中套用的通訊協定,對汽車中套用到的各類引數都進行了規定。引數的規定符合ISO11992標準。

二、J1939在國內的發展情況

中國單片機公共實驗室聯合北京英貝多內嵌式網路技術有限公司以及國內著名的汽車設計廠商,經過兩年多的設計開發,實作了基於單晶片的J1939 通訊晶片em2003系列產品。

em2003可用於汽車數位化儀表,汽車J1939通訊閘,汽車多功能電控的核心單元,並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。

em2003的各項指標已達到了國際先進水準,除支援SAE J1939韌體外,還可支援SAE 1587,ISO9141標準,實作對汽車儀表的控制驅動。在國內是唯一實作了對汽車全液晶數位儀表的控制,步進馬達指標儀表的控制及多功能車載換能器訊息執行引數的網路計算訊息平。通過了與美國、德國、義大利 J1939 發動機的互連測試,取得了國際化的通行證。

目前,SAE J1939的技術規範及軟硬體開發測試平已由中國單片機公共實驗室完成引進消化和部分技術的國產化工作,並對國內數十家汽車廠商的控制計算平提供技術支援和解決方案及顧問伺服。如附圖所示:

圖:J1939網路與LIN網路模擬測試平

該系統由11個網路節點組成,以J1939網路為骨幹,整合了現代汽車技術的網路精華。包括LINbus,GPRS/GSM(無線TCP/IP網),Bluetooth(藍牙),USB,及內嵌式乙太等最新技術。汽車的動力部分單元是通過內嵌式硬體數位模擬技術實作的。各單元的簡介如下:

1)發動機ECM模擬單元:(節點1)
實作(實際)發動機的匯流排模擬功能,產生發動機10~20種電控時實引數,類比汽車發動機的實際執行狀態。適合汽車EMC要求。
(2)NMT/車身電控制單元(節點2)
可實作J1939/81規定的網路管理功能和診斷紀錄功能,發出報警控制訊息,並有16個光電隔離輸出接口(50V/500mA)和8個數位訊號(換能器)輸入接口及4個類比換能器接口,控制功能可現場程式設計修改。適合多種汽車EMC開發要求。
(3)緩速器模擬單元:(節點3)
可根據汽車執行狀態和車速控制電磁緩速器的驅動接口。
(4)ABS模擬單元:(節點4)
根據汽車網路綜合引數控制ABS制動力和啟動時間。
(5)AMT模擬單元:(節點5)
根據設計引數可模擬實作變速箱與發動機ECM的通訊。
(6)非對稱網橋(節點6)
可實作高速網(動力系統)和低速網(儀表訊息電氣控制系統)的流量不對稱橋接從而保証,匯流排負載率的安全和電氣安全。
(7)LIN BUS 通訊閘(節點7)
實作LIN-BUS換能器、電氣控制系統和CAN-BUS系統的互聯。並遵從J1939協定。
(8)J1939MFM(節點8)
J1939多功能汽車綜合引數儀表(汽車訊息中心),可實作14種汽車執行引數的即時顯示(中文LCD),可程式設計300~5000Km歷史車況記錄並具備故障報警訊息顯示功能。適合汽車EMC要求。
(9)J1939汽車儀表(節點9)
實作J1939匯流排式汽車儀表。可適配多種國產或進口汽車儀表總成。
(10)J1939轉乙太/USB(通訊節點10)
可實作乙太或USB接口與一般的電腦連線進入J1939網路,對匯流排負載率進行統計分析,開放API接口。
(11)J1939執行即時引數記錄(節點11)
接入J1939網路可記錄20萬條執行引數,用於即時分析各ECU單元的執行情況,亦可在實際執行的汽車中測試執行引數,並通過GMS/GPRS網路接入Internet網路伺服器。抗電子干擾能力很強,適合汽車EMC要求。

上述系統中的這些節點單元可組成較完善的網路測試環境,大多數單元已實作產品化。並適合汽車EMC要求。因而可與實際的汽車電子產品互換連線。以此為基礎可組成汽車電子匯流排技術電控單元模擬測試平。配備專業測試儀器後可組建CAN-BUS實驗室,該系統具有標準化和可廷伸性的特點。

北京英貝多公司通過與德國PhytecIXXAT等公司的合作,以達到國際水準的硬體ECU為核心,開發並整合了J1939網路系統模擬平V1.0版本。

該網路系統按照J1939的物理層、路層和網路層規定在12個節點下(匯流排負載率最大為30%條件下)連續工作已超過10000小時。並按照J1939/71車輛套用層標準完成了對MFM/J1939多功能通訊產品化測試及匯流排型數位汽車儀表的測試。

三、技術展望

現代汽車是一個智慧化網路計算平。汽車網路貫穿整車的每單元即控制系統、訊息系統、駕駛系統和傳感執行系統均由控制區域網路CAN-BUS互連,掌握套用層網路標準並開發內嵌式軟體是關鍵技術。

將車內的控制網路與訊息網路如故障訊息偵測系統,車況自動紀錄系統,即時駕駛訊息顯示系統(智慧化數位儀表)與內嵌式網際網路互連(支援IPv4及IPv6),使每汽車有一個Web網頁,將會是今後汽車計算平的關鍵核心技術。