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1 摘 要 隨著汽車電子技術的發(fā)展，汽車上的電子控制單元（ 越來越多，采用能夠滿足多路復雜的總線通信系統，可以將各個 接成為一個網絡，以共享的方式傳輸數據和信息，實現網絡化的數字通信與控制功能。因此，基于簡化汽車線束、增強控制功能、提高安全保證、降低燃油消耗、節(jié)約制造成本等多方面的考慮，采用數字化車載網絡技術將會為汽車電子產業(yè)帶來一個巨大的飛躍，而 顯示車載網絡中重要的組成部分，目前，它已在汽車動力系統和車身系統的網絡通信與控制中得到廣 泛的應用。 本文對汽車通過對 線的介紹，闡述其特性。通過汽車故障診斷系統，介紹了汽車故障診斷的原理，通過對基于汽車 線的故障診斷實驗和 塊通信，介紹了 關鍵詞：汽車， 障診斷，網絡通信 2 of of s in CU in a to s hi to on of a an of at it in is on AN a of of AN AN AN 3 4 基于 線的故障診斷系統研究 汽車目前已不僅僅是一種交通工具，而且還承擔著越來越多的功能?，F代科技已經將網際網絡、無線網絡、個人通信電子裝置、娛樂設備等整合到汽車內部，為乘客提供了前所未有的便利， 而這一切的實現都有賴于汽車電子網絡技術。 汽車電子網絡技術是現代汽車電子技術的重要組成部分，是現代汽車通信與控制的基礎。隨著電子技術、計算機技術等發(fā)展，一些汽車的電子裝置已經占整車價值的三分之一，而且前一些高檔車上的電子控制單元已達幾十個，傳感器有上百個，它們通過汽車電子網絡來實現信息交換和功能控制。 代汽車電子技術的發(fā)展階段 現代汽車電子技術的發(fā)展大致經歷了以下幾個階段： 電子管時代： 20 世紀 50年代，人們開始在汽車上安裝電子管收音機，這是電子技術在汽車應用的雛形。 1959 年晶體管收音機問世后， 很快在汽車上得到了應用。 晶體管時代： 20 世紀 60年代，汽車上應用了硅整流交流發(fā)電機和晶體管調節(jié)器，到 60 年代中期，利用晶體管的放大和開關原理，開始在汽車上采用晶體管電壓調節(jié)器和晶體管點火裝置。但電子技術更新的應用在汽車上是 20世紀 70 年代以后，主要是為了解決汽車安全問題、節(jié)能和環(huán) 5 保的三大問題。進入 70 年代后期，電子工業(yè)有了長足的發(fā)展，特別是在集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展，使得微控制器在汽車上得到廣泛的應用，給汽車工業(yè)帶來了跨時代的變革。 集成電路時代： 20世紀 90 年代，汽車電子 進入了其發(fā)展的第三階段，這是對汽車工業(yè)的發(fā)展最有價值、最有貢獻的階段。集成電路技術所取得的巨大成就使得汽車電子前進了一步，更加先進的微控制器的汽車具有智能，能進行控制決策。這樣不僅在節(jié)能、排放和安全等方面提高了汽車的性能，同時也提高了汽車的舒適性。 網絡化綜合技術時代：目前汽車技術已經發(fā)展到第四代，即包括電子技術、計算機技術、綜合控制技術、智能呢個傳感器技術等先進汽車電子技術。以微控制器為核心的汽車電子控制單元已不再是通過傳統的線束連接起來的，而是通過汽車電子網絡系統連接起來的，實現了通信與網絡化管理。 一 些汽車專家認為，就像汽車電子技術在 20世紀 70 年代引入集成電路、 80 年代引入微控制器一樣，近十年來，數據總線技術的引入也將是汽車電子技術發(fā)展的一個里程碑。 車電子系統網絡化 過去，汽車通常采用常規(guī)的點對點通信方式將電子控制單元及電子裝置連接起來，隨著電子設備的不斷增加，勢必炒成導線數量的不斷增多，從而使得在有限的汽車重建內部線越來越困難，限制了功能的擴展。汽車上的電子控制單元并不是僅僅與負載設備簡單的連接，更多是與外圍的設備及其他電子控制單元進行信息交流，并經過復雜的控制決策運算，發(fā)出 6 控制指令，這 些事不能通過簡單的連接所能完成的。另外，在不同子系統中的電控單元常常會同時與要一些相同的傳感器信號，這樣就要就同一傳感器信號必須同時被送至不同的控制器，因此被送至不同的控制器，因此要求各模塊與傳感器之間通過導線連接起來，從而會導致內導線長度無限增加，電器節(jié)點數劇增，電器原理圖繁瑣復雜。而汽車線束重量每增加50百公里耗油會增加 線束 也是汽車系統中成本較高、連接復雜的部件。 現在，通過電控系統網絡化控制功能從根本上解決這些問題。采用總線技術，可以顯著的降低電纜重量，能節(jié)省很多電線和接插件，減少電 纜總長度。根據車內設備被的配置水平，一部車上電線和接插件重量減少9纜長度能縮短 200汽車內部采用基于總線的網絡結構，可以達到信息共享、減少布線降低成本以及提高總體可靠性的目的。汽車控制系統在經歷了由機械向電控式的進步后，再一次向網絡化控制邁進。隨著汽車電子控制單元以及汽車電子裝置的不斷增多，采用串行總線實現多路傳輸，組成汽車電子網絡，是一種既可靠又經濟的做法。同時現代汽車基于安全性和可靠性的要求，正越來越多地考慮使用電控系統代替原有的機械和液壓系統，而這最終將使汽車上遍布網絡。 網絡的概念是在協議管理下，由若干終端、傳輸設備和通信控制處理器等組成的系統集合。汽車電子控制網絡則只按照特定的車載網絡協議，以共享資源為主要的目的，將所有位置上分散且獨立工作的車載控制模塊相互連接在一起的集合。汽車電子網絡化控制是指網絡的控制功能在汽車這一特定對象上的應用，它們現在車內各控制模塊間的自由通信與協調。 7 目前，世界上所有的汽車制造商無一例外的在汽車網絡化控制上投入大量投資，同時，廠商及消費者也從汽車網絡化控制技術的廣泛應用中獲得了實際利益，這直接體現在汽車性價比的不斷提高上。汽車網絡化技術是通 信技術、計算機技術以及控制理論相結合的產物，它將成為現代汽車電子技術最重要的技術基礎。 隨著汽車電子技術的發(fā)展，汽車上的電子控制單元 用能夠滿足多路復用的總線通信系統，可以將各個 共享的方式傳送數據和信息，實現網絡化的數字通信與控制功能。因此，基于簡化汽車線束、增強控制功能、提高安全保證、降低燃油消耗、節(jié)約制造成本等多方面的考慮，采用數字化車載網絡技術將會汽車電子產業(yè)帶來一個巨大的飛躍，而 線是車載網絡系統中重要的組成部分，目前，它已在汽車動力系統和車身系統網 絡通信與控制中得到廣泛的應用。 車故障診斷的重要性 隨著汽車用途的日益廣泛，使用量的急劇增加，汽車故障發(fā)生率和提高故障診斷的技術成為汽車工業(yè)一個十分重要的問題。 現代汽車的技術性能已變得越來越好，結構也變得越來越復雜 ， 同時，故障診斷的難度也有了相應的增加，人們迫切需要提高系統的可靠性、可維修性和安全性，因而有必要建立一個監(jiān)控系統來監(jiān)控整個系統的運行狀態(tài)，不斷檢測系統的變化和故障信息，進而采取必要的措施，防止事故的發(fā)生， 這使得汽車故障診斷技術必須改變原始的檢測方法，以新的檢測診斷技術和方法來保證汽車運 行的安全、節(jié)能，降低車輛排放量和噪音，減少運行和維修成本， 8 以延長其經濟使用壽命。為了改變和突破汽車故障診斷以經驗和技藝的傳統觀點，以現代故障診斷理論和技術為基礎，建立科學、系統、合理、完善的汽車故障診斷理論及其體系，已變成目前汽車故障診斷理論的必然要求和技術發(fā)展的必然趨勢，能跟蹤和掌握汽車領域高新技術的智能故障診斷理論和方法的研究具有十分重要的實際意義和非常廣泛的應用前景。 因此，汽車故障診斷技術得到迅速發(fā)展，已成為科技研究的熱點之一。汽車故障診斷技術是一門綜合性的技術，它涉及多門學科，如現代控制理論、信號處 理、模式識別、計算機工程、人工智能、電子技術、應用數學、數理統計以及相關的應用學科。 1 汽車內部 線的基本原理 現代汽車的電予結構是通過幾種通信系統將微控制器、傳感器和執(zhí)行器連接起來的藝術。歐洲的汽車制造商從 1992 年以來，基本上采用的都是 線標準 可支持高達 1 s 的各種通信速率。而從 1994 年以來， 廣泛應用于卡車、大客車、建筑設備、農業(yè)機械等工業(yè)領域的高速通信，其通信速率為 250 s。在美圈， 司從2002 年開始在所有的車型上使用其專屬的所謂 線標準，它是一種基于 傳輸速率在 500 s 的通信標準， 司和 司在制定自己的乘用車高速 線通信協議時，也是基于 上述各類基于 消息對媒體的訪問中采用非破壞性的仲裁機制，以規(guī)避總線沖突，從而保證系 9 統的安全。正是這一安全性使其成為歐洲汽車制造商的標準，并被用于轎車、卡車和越野車 (標準的擴展版與美國標準兼容，并對全球應用開放 )。 0 技術規(guī)范是在 1991 年制定 并發(fā)布的，它包括 A 和 B 兩部分。2． 0A 給出了曾在 術規(guī)范 1． 2版本中定義的 標準格式 )，而 給出了標準的和擴展的兩種格式。此后，在 1993 年 數字信息交換 — 高速通信控制器局域網(際標準 (l 1898)。 術規(guī)范 及 際標準 設計汽車高速網絡系統的基本依據和基本規(guī)范。 汽車電子控制單元之間通信傳輸速率最高 l s 時，使用控制器局域網絡構建數字信息交換的相關特性進行了 詳細規(guī)定。 2284 僅相當于將 位速率設定為 500 s 進行通信應用時的特例。所以 通信協議的規(guī)定沿襲 1898，只是在電氣參數方面將 1898 中的相關內容作了適當的調整和細化，以便服務于位速率為 500 車內部 在今天的汽車中，作為一種典型的應用，車身和舒適性控制模塊都連接到 借助于 線進行外圍設備控制。在很多情況下，汽車高速控制系統，都是使用高速 線連接在一起的。遠程信息處理和 多媒體連接需要高速互連，視屏傳輸又需要同步數據流格式，這些都可由 議來實現。 國際上眾多知名的汽車公司早在 20世紀 80年代就積極致力于汽車網絡技術的研究及應用。迄今為止，已有許多種網絡標準。目前存在的多種 10 網絡標準，其側重的功能有所不同，為了方便研究和設計應用，車輛網絡委員會將汽車數據傳輸網劃分成 A、 B、 C 三類。 A 類是面向傳感器 /執(zhí)行器控制的低速網絡，數據傳輸位速率小于10，主要用于后視鏡調整，電動車窗，燈光照明等控制； 速率一般在 10s 之間，主要應用與車身電子舒適性模塊、儀表顯示等系統； 施控制的多路傳輸網，位速率在 125kb/s 之間，主要用于牽引控制、先進發(fā)動機控制、 系統。 通常，汽車網絡結構采用多條不同的速率的總線劃分連接不同類型的節(jié)點，并使用網關服務器來實現整車的信息共享和網絡管理。 車身系統（包括組合儀表、信號及照明燈組、四門集控鎖、車窗及后視鏡）的控制單元多為低速電動機和開關量器件，對實時性要求低而數量眾多。使用低速的總線連接這些電控單元。將這部分電控單元與汽車的動力、傳動等系統分開，有 利于保證動力、傳動系統通信的實時性。此外，采用低速總線還可增加傳輸距離、提高抗干擾能力并降低硬件成本。 動力、傳動等系統（包括發(fā)動機控制系統、防抱死制動系統等）的受控對象直接關系汽車的行駛狀態(tài)，對通信實時性有較高的要求。因此使用高速的總線連接這些系統。傳感器組的各種狀態(tài)信息以廣播的形式在高速總線上發(fā)布，各個節(jié)點可以在同一時刻根據自己的需求獲得信息。這種方式最大限度地提高了通信的實時性。 故障診斷系統時將車用診斷系統在通信網絡上加以實現的。 信息與車載媒體系統（包括數字音響系統、車載 車導航系統 11 及帶寬無 線接入網絡等）對于通信速率的要求提高，一般在 2 以上。采用新型的多媒體總線連接車才媒體。這些新型的多媒體總線往往是基于光纖通信，從而可以充分保證帶寬。 網關是汽車的內部核心，通過它可以時間各條總線上信息的共享以及實現汽車內部的網絡管理和故障診斷。 縮寫（以下稱為 是 當前的汽車產業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統被開發(fā)了出來。由于這些 系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。為適應 “ 減少線束的數量 ” 、 “ 通過多個 行大量數據的高速通信 ” 的需要， 1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的 信協議。此后， 過 行了標準化，現在在歐洲已是汽車網絡的標準協議。 現在， 高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面?，F場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一 ,被譽為自動化領域的計 算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節(jié)點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。 12 線在汔車網絡上的應用 由于 此有必要研究一下目前 線最初是專門為解決乘用車的串行通信而研制的。目前，歐洲的汽車制造商基本 上 都使用 線來連接車身電子系統以及動力系統，美國的汽車制造商也已經決定在其動力系統中利用 線進行系統通信，而遠東的汽車制造商也開始采用基于 司是第一家應用 線的汽車制造商，它使用了基于 線的網絡來連接動力系統的電予控制單元，現在幾乎所有司的乘用車和卡車宅都采用 線來卡勾建其動力系統的網絡。而其他歐洲汽車制造商，如 公司也都將 線應用于其汽車網絡系統。 大多數的歐洲汽車制造商也都采用基于 高速網絡用于動力系統的通信，其傳輸速率在 125 s 1 s 之間，網絡通信中可采用適用于 1898— 1、 1898— 2 的高速收發(fā)器。另外，汽車制造商還利用基于 多路系統來構建車身網絡，用于連接車身電子控制單元，其網絡數據傳輸速率一般小于 125 s，在網絡通信中可采用適用于 1898— 3 的低速容錯收發(fā)器。而 4 對于 規(guī)定則可滿足 統中對于時間觸發(fā)通信的要求。 在歐洲，所有乘用車日前正在開始全面使用基于 故障診斷接口，而其所使用的相應故障診斷標準也已成為國際標準。該接口規(guī)范為國際標準 5765，它規(guī)定了相應的物理層、傳輸層、應用層以 及如何使 13 用 000 的服務。這樣，在所有的乘用車上都至少有一個 節(jié)點。 在乘用車上， 線除了能夠應用于構建連接動力系統和車身電予系統的多路網絡外，另一個應用就是連接車載電 _了娛樂裝置，根據 載多媒體網絡總線的一種選擇為 C(其消息幀格式采用擴展幀格式。 汽車上各種基于 網絡通過網關連接在一起，在許多系統設計中，網關的功能是通過汽車儀表板來實現的。未來汽車的儀表板本身也將使用一個局部 便連接不同 的顯示和控制單元。 作為汽車動力系統和車身電子系統最主要的應用網絡， 經被歐洲汽車制造商廣泛接受，同時它也正在為美國和遠東的各汽車制造商所接受，用來構建汽車網絡。雖然以往美國汽車制造商廣泛使用 構建車身網絡，但目前 M)等汽車制造商已經投入到 線的開發(fā)之中，而 50 也正被 逐步取代。在遠東， 經在其汽車十采用 線連網，而其他的日本和韓國汽車制造商也正在積極跟進。 下一代的高端乘用車將會 裝備上百個基于控制單元的微控制器，它們中 的 大 部 分 將 會 通 過 口 連 接 在 汽 車 網 絡 上 。 根 據場研究公司公布的一份對微控制器和汽車網絡的研究表明，大多數乘用車都選用基于 網絡，目前在美國市場上， 1850 的網絡。 2005 年， 據整個汽車網絡協議的63％。在歐洲，盡管有其他新的協議在對安全性要求嚴格以及多媒體領域 14 找到立足點，但是仍有 88％的網絡是基于 線以其較高的可靠性和較低的價格優(yōu)勢，仍將占有汽車網絡的較大份額。 今大的汽車通信基 本上是采用控制器局域網的事件觸發(fā)通信形式，其仲裁機制采用的是根據標識符的優(yōu)先級發(fā)送消息的方式，最高優(yōu)先級的消息在發(fā)送時不受干擾。在可預見的下一代車輛系統中，一些執(zhí)行關鍵任務的網絡，如 統，在通信服務期間需要有確定的行為，即使在總線最大負載時，與安全相關的消息的發(fā)送必須得到保證，而且當消息以高精度發(fā)送時，它必須確定可能的時間點。 解決這個問題的一種途徑是采用基于 線的時間觸發(fā)協議通信是通過一種以時間為主導的參考消息周期性發(fā)送來完成的。同時，它在系統范圍內引入了一個高精度的 全局網絡時間，基于這個時間，不同的消息在一個基本循環(huán)內都可以分配到各自的時間窗。同典型的預定系統相比， 就是在一定的仲裁時間窗內它也有可能發(fā)送事件觸發(fā)協議，產生正常仲裁的這些時間窗允許發(fā)送自發(fā)的消息。 如 圖 基于 汽車網絡系統，顯示了各個子網的連接情況?；诓煌哪康?，各子網的要求也不盡相同，如高速 于動力系統的通信與控制，低速 媒體部分需要較寬的帶寬，而 強調容錯和安 全。 15 圖 車 線網絡系 統 線的基本特點 由于目前在汽車上使用的高速網絡系統采用的都是基于 線的標準，特別是廣泛使用的 際標準。 線通常采用屏蔽或非屏蔽的雙絞線，總線接口能在極其惡劣的環(huán)境下工作。根據 使雙絞線中有一根斷路，或有一根接地甚至兩根線短接，總線都必須能繼續(xù)工作。 線是一種串行數據通信總線，其通信速率最高可達 1 s。統內兩個任意節(jié)點之間的最大傳輸距離與其位速率有關。 傳輸速率達 1 s 時，最大傳輸距離為 40 m。 對一般實時控制現場來說足夠使用。 線具有較強的錯誤檢測能力，通過監(jiān)視、循環(huán)冗余校驗、位填充和報文格式檢查，使得未檢測出的出錯概率小于 通過故障界定， 點還有自動識別永久性故障和短暫干擾的能 16 力。在處于連續(xù)干擾時， 點將處于關閉狀態(tài)。而且， 的節(jié)點可在不要求所有節(jié)點及其應用層改變任何軟件或硬件的情況下被連于絡中。 如下基本特點： 1．總線訪問采用基于優(yōu)先權的多主方式。 線的最大特點是任一節(jié)點所發(fā)送的數據信息不包括發(fā)送節(jié)點或接收節(jié)點的物理地址。信息的 內容通過一個標識符 (標記，在整個網絡中，該標識符是唯一的。網絡上的其他節(jié)點收到信息后，每一節(jié)點都對這個標識符進行檢測，以判斷此信息是否與自己有關。若是相關信息，則它將得到處理；否則被忽略。這一方式稱為多主方式。采用多主的優(yōu)點是可使網絡內的節(jié)點數在理論下不受限制 (實際上受限于電氣負載 )，也可以使不同的節(jié)點同時接收到相同的數據。數據字段最多為 8 字節(jié)，既能滿足一般要求，又可保證通信的實時性。 標識符還決定了信息的優(yōu)先權。 優(yōu)先權越高。 線確保發(fā)送具有最高優(yōu)先權信息的節(jié)點獲得總線使用權，而 其他的節(jié)點自動停止發(fā)送。總線空閑后，這些節(jié)點將自動重新發(fā)送信息。 2．非破壞性的基于線路競爭的仲裁機制。 用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問方法，它能通過無破壞性仲裁解決沖突。 線上的數據采用非歸零編碼 (數據位可以具有兩種互補的邏輯值，即顯性和隱性。顯性電平用邏輯“ 0”表示，隱性電平用邏輯“ 1”表示?？偩€按照線與機制對總線上任一潛在的沖突進行仲裁，顯性電平覆蓋隱性電平。 線上的信息是用固定格式的幀來進行傳送的，這些幀長度有限且不盡相同?？偩€空閑時，接在其上的任何節(jié)點都可以開始發(fā)送 新的幀。 17 總線空閑時，任何節(jié)點都可以開始發(fā)送幀。如果兩個和兩個以上的節(jié)點同時開始發(fā)送幀，由此引起的總線訪問沖突是利用基于線路競爭的仲裁對標識符進行判別來解決的。仲裁機制可以保證既不會丟失信息，也不會浪費時間。優(yōu)先權最高的幀的發(fā)送器將獲得訪問總線的權利。 3．利用接收濾波對幀實現了多點傳送。在 統中，節(jié)點可以不用任何有關系統配置 (如節(jié)點地址 )的信息。接收器對信息的接受或拒收是建立在一種稱為幀接收濾波的處理方法上的。該處理方法能判斷出接收到的信息是否和接收器有關聯，所以接收器沒何必要辨別出準是信息的發(fā)送器 ，反過來也是如此。 4．支持遠程數據請求。通過送出一個遠程幀，需要數據的節(jié)點可以請求另外一個節(jié)點向自己發(fā)送相應的數據幀，該數據幀的標識符被指定為和相應遠程幀的標識符相同。 5．配置靈活。往 絡中增添節(jié)點時，如果要增添的節(jié)點不是任何數據幀的發(fā)送器或者該節(jié)點根本不需要接收額外追加發(fā)送的數據，則網絡中所有節(jié)點均不用做任何軟件或硬件方面的調整。 6．數 據在整個系統范圍內具有一致性。使一個幀既可以同時被所有節(jié)點接收，也可以同時不被任何節(jié)點所接收，這在 絡中完全能夠做到。因此，系統具有數據一 致性的特征 ，而這 一特征是利用多點傳送原理和故障處理方法來獲得的。 7．有檢錯和出錯通報功能。在 ·位檢測； · 15位循環(huán)冗余碼校驗； 18 ·填充寬度為 5的位填充； ·幀校驗。 8．仲裁失敗、或傳輸期間被故障損壞了的幀能自動重發(fā)。任何正在發(fā)送數據的節(jié)點和任何正在正常 (或錯誤激活狀態(tài)下 )接收數據的節(jié)點都能對出現了錯誤的幀作出標記，并進行出錯通報。這些幀會立即被放棄，此后，遵循系統所采取的恢復計時機制，它們將被適時重發(fā)。從檢測出錯誤開始、到可以著手發(fā)送下一個幀為止的這段時間稱為恢復時間，此后如果 再未出錯的話，恢復時間一股占 17~23 個位時間（在總線遭受嚴重干擾的場合，最多占 29 個位時間）。 所有接收器都會校驗所接收幀的一致性，然后對具有一致性的幀做出應答、對不具有一致性的幀做出標記。 仲裁失敗或在發(fā)送過程中被錯誤干擾了的幀將會在下次總線空閑期間被自動重發(fā)。要被重發(fā)的幀處理起來與別的幀完全一樣。這意味著，為了獲得對總線進行訪問的權利，它還是要參與仲裁過程。 9．能區(qū)分節(jié)點的臨時故障和永久性故障并能自動斷開故障節(jié)點。 點能夠區(qū)分出短期干擾和永久性故障，出故障的節(jié)點會被斷開。斷開意味著該節(jié)點脫離了 與總線邏輯上的連接，因此它既無法發(fā)送、也無法收到任何幀。通常情況下，一個 激活、錯誤 處于錯誤 且可以在檢測到錯誤時送出活動錯誤標志?；顒渝e誤標志由連續(xù)的 6 個顯性位構成，這違反了位填充規(guī)則及正常幀所具有的各種規(guī)定格式。 19 處于錯誤 參與總線通信活動，但在檢測到錯誤時送出的是認可錯誤標志。認可錯誤標志由連續(xù)的6 個隱性位構成。發(fā)送完畢后，處于錯誤一認可狀態(tài)的節(jié)點在起動下一次發(fā)送之前還要另 外再等一定的時間。 節(jié)點因故障界定實體的要求而從總線上斷開后就進入離線狀態(tài)，處于離線狀態(tài)的節(jié)點既無法發(fā)送、也無法接收任何幀，只有用戶請求才能使該節(jié)點結束離線狀態(tài)。 一種低成本的串行通訊網絡用于實現汽車中的分布式電子系統控制 目標是為現有汽車網絡 (例如 線 )提供輔助功能因此 線的帶寬和多功能的場合比如智能傳感器和制動裝置之間的通訊使用 線可大大節(jié)省成本 。 術規(guī)范中除定義了基本協議和物理層外還定義了開發(fā)工具和應用軟件接口 。 訊是基于 據格式采用單主控制器 /多從設備的模式僅使用一根 12V 信號總線和一個無固定時間基準的節(jié)點同步時鐘線這種低成本的串行通訊模式和相應的開發(fā)環(huán)境已經由 會制定成標準 標準化將為汽車制造商以及供應商在研發(fā)應用操作系統降低成本。 主要特性 ： ? 低成本基于通用 口幾乎所有微控制器都具備 需的硬 20 件 。 ? 極少的信號線即可實現國際標準 定 。 ? 傳輸速率最 高可達 20s。 ? 單主控器 /多從設備模式無需仲裁機制 。 ? 從節(jié)點不需晶振或陶瓷震蕩器就能實現自同步節(jié)省了從設備的硬件成本 。 ? 保證信號傳輸的延遲時間 。 ? 不需要改變 節(jié)點的硬件和軟件就可以在網絡上增加節(jié)點 。 ? 通常一個 絡上節(jié)點數目小于 12 個共有 64 個標志符 。 通訊規(guī)則 一個 絡由一個主節(jié)點一個或多個從節(jié)點組成所有節(jié)點都有一個從通訊任務 ， 該通訊任務分為發(fā)送任務和接收任務主節(jié)點還有一個主發(fā)送任務 。 一個 絡上的通訊總是由主發(fā)送任務所發(fā)起的主控制器發(fā)送一個起始報文 ， 該起始報文由同步斷點同步字節(jié)消息標志符所組成 ， 相應的在接受并且濾除消息標志符后 ， 一個從任務被激活并且開始本消息的應答傳輸該應答由 2/4/8 個數據字節(jié)和一個校驗碼所組成起始報文和應答部分構成一個完整的報文幀 。 文幀 的組成： 由報文標志符指示該報文的組成這種通訊規(guī)則 ， 可以用多種方式來交 21 換數據 ， 由主節(jié)點到一個或多個從節(jié)點 ， 由一個從節(jié)點到主節(jié)點或其他的從節(jié)點 ， 通訊信號可以在從節(jié)點之間傳播而不經過主節(jié)點或者主節(jié)點 ， 廣播消息到網絡中的所有節(jié)點報文幀的時序由主控制器控制 。 用來實現的應用 典 型的 線應用是汽車中的聯合裝配單元如門方向盤座椅空調照明燈 、 濕度傳感器 、 交流發(fā)電機等 ， 對于這些成本比較敏感的單元 以使那些機械元件 。 如智能傳感器制動器或光敏器件得到較廣泛的使用 ， 這些元件可以很容易的連接到汽車網絡中 ， 并得到十分方便的維護和服務 。 在 現的系統中通常將模擬信號量用數字信號量所替換 ， 這將使總線性能優(yōu)化 。 在以下的汽車電子控制系統中使用 實現將得到非常完美的效果 ? 車頂 濕度傳感器 光敏傳感器 信號燈控制 汽車頂篷 ? 車門 車窗玻璃 中樞鎖 車窗玻璃開關 吊窗提手 22 ? 車頭 傳感器 小電機 ? 方向盤 方向控制開關 擋風玻璃上的擦拭裝置 方向燈 無線電 空調 座椅 座椅控制電機 轉速傳感器 盡管 初的設計目的是用于汽車電子控制系統 ， 但 可廣泛應用于工業(yè)自動化傳感器總線大眾消費電子產 品中。 示。 23 圖 車總線機構 2 汽車 線的故障診斷 持分布控制或實時控制的串行通信網絡。目前， 據總線信息傳輸系統在各種車 型上應用越來越多。 線的應用使車輛控制技術更加前進，但同時也是汽車故障分析診斷更加復雜，故障原因更加不易確定。 據總線是各個電控系統之間的數據、信息實現了實時的交換、傳遞和共享、某項故障的原因不但影響某一電控系統，同時使相關電控系統也因此受到影響。從故障診斷角度看，如果查詢電控系統故障信息，本來在單一系統的故障信息，由于 據總線的存在，故障信息將會傳遞、作用在多個電控系統中，從而引發(fā)更多故障。導致故障實際原因和故障現象的交叉、混合，由故障現象和故障信息很難立即將故障原因判斷出來。 24 據總線系統的故障原因類型，大致有如下幾類： 據總線系統信息傳輸的節(jié)點即電控單元本身的故障。 據總線相關電控單元的電源系統引起的故障。 據總線系統各個信息傳輸的鏈路故障。 在實際的維修過程中，關鍵問題是如何利用信息盡快診斷確定出具體故障部件或故障部位。 據總線系統出現故障時，在相關控制單元存儲器里必然存有相關的故障信息信息。首先要明確故障碼信息內容，這與一般的電控系統檢測故障碼、讀碼的步驟是一致的。但 據總線系統故障碼信息又有所不同，有其特點。一般的電控系統故障碼，其內 容較為具體，比如一個傳感器或某個故障碼信息，一般較籠統，單一性差，不明確，比如數據總線驅動鏈沒有來自儀表板的信息，是儀表板電腦發(fā)送信息異常的節(jié)點故障還是傳輸鏈路故障。如果是鏈路故障，具體部位是哪里，無法從故障碼中立刻判斷出。 車故障診斷的原理和方法 縱觀整個汽車智能故障診斷系統的發(fā)展，其基本歷程是：研究開發(fā)緊緊圍繞汽車最重要的總成 —— 發(fā)動機進行。發(fā)動機的故障診斷被認為是人工智能最具有挑戰(zhàn)性的問題，特別是現代汽車的電控系統不斷增加，其故障診斷正向難度復雜化方向發(fā)展。從早期基于規(guī)則的傳統故障診斷專家系統到故障診斷樹轉換規(guī)則的診斷專家系統，逐漸向基于模糊型、神經網絡及多層次、多模型的智能故障診斷專家系統發(fā)展，并以網絡傳輸技術為基礎，實現分布式在線診斷專家系統的研究。傳感器在線故障診斷技術的研 25 究成為當前發(fā)動機領域研究的熱點之一。此次我論文題目所聚焦的就是現今被廣泛運用于汽車故障診斷的汽車 線故障診斷技術。 故障界定的目標是實現數據傳輸系統即使在節(jié)點發(fā)生故障的情況下也能維持很高的可用性。因此故障界定策略必須證明在以下方面是可靠的： ·區(qū)分短期故障和永久性故障 ·找到并斷 開故障節(jié)點 故障界定策略是每個節(jié)點都配備有一個發(fā)送錯誤接收器及一個接收錯誤接收器，前者記錄發(fā)送幀期間發(fā)生的錯誤數目，后者則記錄接收幀期間發(fā)生的錯誤數目。 如果幀被正確發(fā)送或接收，計數就減少。發(fā)生錯誤引起的計數增加量要比沒發(fā)生錯誤引起的計數減少量多。計數增量與減量之比取決于總線上可承受的出錯幀與正確幀之比。在任何時刻，錯誤計數的情況都反映在此以前干擾出現的相對頻繁程度。 通過預定計數值，可以調整節(jié)點針對錯誤的行為?？梢哉{整的范圍是從禁發(fā)出錯標志以取消送出幀的操作，直到斷開經常發(fā)送出錯幀的節(jié)點。 故障界定規(guī)則 1．對故障界定而言，一個節(jié)點根據錯誤計數結果的不同，可以處于下列三種狀態(tài)之一：錯誤激活、錯誤認可或離線。錯誤計數依照以下規(guī)則進行更改 (在特定幀的傳輸過程中，可以有多條規(guī)則在起作用 )。 ·接收器檢測到一個錯誤時，如果該錯誤不是發(fā)送活動錯誤標志或超載標 26 志期間的位錯誤，接收錯誤計數器將加 1。 ·接收器在送出出錯標志后檢測到第一個顯性位時，接收錯誤計數器將加8。 ·發(fā)送器送出一個出錯標志時，發(fā)送錯誤計數器將加 8。 ◇ 例外 1：如果處于錯誤認可狀態(tài)的發(fā)送器，因為沒有檢測到一個顯性應答而認為出現了一次應答錯誤，并且在 發(fā)送其認可錯誤標志時沒檢測到顯性位。 ◇ 例外 2：如果發(fā)送器發(fā)現仲裁期間發(fā)生填充錯誤而送出了一個出錯標志，它應該為隱性且送出的也確實是隱性，但監(jiān)察時卻呈顯性。 在例外 1和例外 2這兩種情況下，發(fā)送錯誤計數器保持不變。 ·如果發(fā)送器在發(fā)送活動錯誤標志或超載標志期間檢測到一個位錯誤，發(fā)送錯誤計數器將加 8。 ·如果接收器在發(fā)送活動錯誤標志或超載標志期間檢測到一個位錯誤，接收錯誤計數器將加 8。 ·任何節(jié)點在送出一個活動錯誤標志、認可錯誤標志或超載標志之后，至多允許連 續(xù)出現 7 個顯性位。在檢測到一連串顯性位中的第 14 個 (出現一個活動錯誤標志或超載標志的情況下 )或檢測到認可錯誤標志隨后的一連串顯性位中的第 8 個之后，且再出現一連串 8個顯性位之后，每個發(fā)送器的發(fā)送錯誤計數器加 8，同時每個接收器的接收錯誤計數器也加 8。 ·成功送出一幀 (收到應答，并且直到送完幀結束都沒檢測出錯誤 )之后，發(fā)送錯誤計數器減 1，除非它原先就等于 0。 ·成功接收一幀 (接收過程直到應答間隙都沒出錯，并且順利送出應答位 ) 27 之后，如果接收錯誤計數結果原來在 1～ 127 之間，計數器減 1；如果計數結果原來是 0，它依然為 0；如果計數結果原來大于 127，則將計數器設為 119~127 之間的某個值。 2．如果系統剛開始運行期間只有一個節(jié)點在線，并且該節(jié)點發(fā)送了幀，它將無法收到應答信號，就檢測到一個錯誤，于是重新發(fā)送幀。因此，它能轉入錯誤認可模式，但不會成為離線模式。與總線的連接關閉或處于離線狀態(tài)的節(jié)點必須執(zhí)行一種啟動例行程序，這是為了： ·在傳輸開始之前實現與己進入正常工作狀態(tài)的那些節(jié)點同步。當檢測到“應答界定符 +幀結束 +間歇”，或者“錯誤或超載界定符 +間歇”等于 11個隱性位時，就完成了同步處理。 ·在暫時沒有其他節(jié)點處于正常工作狀態(tài)的情況下，等候一段時間，同時保證自己不會 轉入離線模式。 3．錯誤激活和錯誤認可。如果某個節(jié)點的發(fā)送錯誤計數器或接收錯誤計數器超過 127(接收錯誤計數器只有 7位時，就會處于進位狀態(tài) )，監(jiān)控器就請求 層讓該節(jié)點進入錯誤認可狀態(tài)。 讓節(jié)點變?yōu)殄e誤認可模式的出錯狀態(tài)促使該節(jié)點發(fā)送一個活動錯誤標志。 當錯誤認可狀態(tài)下的節(jié)點的發(fā)送錯誤計數器及接收錯誤計數器均小于或等于 127 時，該節(jié)點就回到錯誤激活狀態(tài)。 4．離線管理。如果某個節(jié)點的發(fā)送錯誤計數器超過了 255(發(fā)送錯誤計數器只有 8 位時，就會處于進位狀態(tài) )，監(jiān)控器就請求物理層讓該節(jié)點進入離線狀態(tài)。 28 離線狀 態(tài)不能對總線有任何影響，它不發(fā)送任何幀，也不會發(fā)送應答信號、出錯幀或超載幀。是否讓此種節(jié)點從總線接收幀完全由實用要求決定。 在檢測出總線上出現了 128 次連續(xù)的 11 個隱性位后，允許將處于離線狀態(tài)的節(jié)點的兩種錯誤計數器置 0，使其變成錯誤激活狀態(tài)。 線故障管理 在總線正常運行期間，可能會發(fā)生一些總線故障，它們將會對總線運行造成影響。這些故障及其引起的網絡動作在表 能出現的開路及短路故障如 圖 示。 圖 能出現的開路及短路故障 29 表 線故障測試 對總線故障 描述 網絡動作 規(guī)范性質 某個節(jié)點掉電 剩余節(jié)點在信噪比變小的情況下繼續(xù)通信 推薦性 某個節(jié)點失去與地連接 剩余節(jié)點在信噪比變小的情況下繼續(xù)通信 推薦性 某處節(jié)點的屏蔽連接失效 所有節(jié)點繼續(xù)通信 推薦性 開路和短路故障 所有節(jié)點在信噪比變小的情況下繼續(xù)通信 推薦性 編號 開 2. 開 3. 電池電壓短接 地短接 5. 地短接 電池電壓短接 與 短接 所有節(jié)點在信噪比變小的情況下繼續(xù)通信 任選性 與 在同一處斷開 系統整體停止動作，由此形成的子系統中的節(jié)點繼續(xù)通信 推薦性 所有節(jié)點在信噪比變小的情況下繼續(xù)通信 推薦性 1）圖中的示例不包括所有容錯方式 2）對規(guī)范性質如下說明 強制性 如果發(fā)生相應的故障，網絡必須按照此標第 2 列中所有規(guī)定的方式進行 推薦性 如果發(fā)生相應的故障，網絡動作本該按照此標第 2 列中所有規(guī)定的方式進行，制造商可以選擇不適用這里所指定的功能 任選性 如果發(fā)生相應的故障，網絡動作本該按照此標第 2 列中所有規(guī)定的方式進行，制造商可以選擇不適用這里所指定的功能 3）僅在使用了屏蔽電纜的場合才用考慮該故障。在這種場合下，某個節(jié)點處的屏蔽連接失效會在屏蔽層與兩根信號線之間感應出共模電壓。 4）編號 1~9 指的是事件 1 至事件 9 車各章診斷儀的不同類型 隨著汽車網絡化的發(fā)展對于汽車故障診斷的技術要求也日益增加，靠人工診斷已經基本不能實現現代汽車的故障診斷。因此，雖只有了汽車故障診斷儀的誕生。汽車故障診斷儀主要分為 分通用型和專用型 ： 30 專用型就是一般 4用的，針對某一特定廠家開發(fā)的診斷儀，類似與通用的 特的 是美國 司開發(fā)的，大眾的是西門子的 5051/5052。 如圖 示。 通用型目前市場上以國產為主，比較知名的有元征，金德，車博士，金奔騰等，提供的功能大同小異，國外的有 價格較貴，而且升級需付費 。如圖 示。 對一般修理廠來說，肯定是選擇國產的較為適宜，因為國外品牌對國產車支持嚴重不足，能及時更新其實第一位的。 圖 用汽車故障診斷儀 圖 431 31 障診斷在汽車電子網絡中的作用 基于 1939診斷應用層定義了用于診斷服務的報文幀，診斷報文（ 供了用于車輛進行診斷和維護的功能。 1939供的診斷定義是為了滿足所有可能使用 1939網絡用戶的需求，這些定義適合 1939中定義的所有工業(yè)組的應用。診斷必須具有能滿足不同客戶、工業(yè)組和法規(guī)制定機構所需求的診斷能力。 1939 的診斷部分主要面向以下幾個方面： 安全性：定義了一個使用在一系列數據連接中的安全方案，這包括存取診斷信息、獲 取車輛節(jié)點配置信息、標定控制模塊。 連接器：可用于車輛網絡連接的連接起，診斷連接器信息必須符合應用物理層的定義。 診斷狀態(tài)通信支持：提供一系列的數據格式，包括讀出故障信息、清除故障信息、監(jiān)視車輛參數、獲取節(jié)點的配置以及其他相關信息。 診斷測試支持：可以使開發(fā)工具把各種能夠控制節(jié)點放到具體的測試模式中以正確實現子網體系，診斷工具通過連接器與其他節(jié)點進行通信并獲取診斷數據，而診斷故障代碼記載了出錯的參數及所在的節(jié)點等主要信息。 3 線的通信規(guī)范 控制器局域網（ 串行通訊協議，能有效地支持具有很 高安全等級的分布實時控制。 應用范圍很廣，從高速的網絡到低價位的多路接線都可以使用 汽車電子行業(yè)里，使用 接發(fā)動機控制單元、傳感器、防剎車系統、等等，其傳輸速度可達 1 s。同時， 32 可以將 裝在卡車本體的電子控制系統里，諸如車燈組、電氣車窗等等，用以代替接線配線裝置。 這本技術規(guī)范的目的是為了在任何兩個 器之間建立兼容性。可是，兼容性有不同的方面，比如電氣特性和數據轉換的解釋。為了達到設計透明度以及實現柔韌性， 細分為以下不同的層次： ? 象層（ ? 輸層（ ? 物理層（ 對象層和傳輸層包括所有由 型定義的數據鏈路層的服務和功能。對象層的作用范圍包括： ? 查找被發(fā)送的報文。 ? 確定由實際要使用的傳輸層接收哪一個報文。 ? 為應用層相關硬件提供接口。 在這里，定義對象處理較為靈活。傳輸層的作用主要是傳送規(guī)則，也就是控制幀結構、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定、故障界定。總線上什么時候開始發(fā)送新報文及 什么時候開始接收報文，均在傳輸層里確定。位定時的一些普通功能也可以看作是傳輸層的一部分。理所當然，傳輸層的修改是受到限制的。 物理層的作用是在不同節(jié)點之間根據所有的電氣屬性進行位信息的實際傳輸。當然，同一網絡內，物理層對于所有的節(jié)點必須是相同的。盡管如此，在選擇物理層方面還是很自由的。 這本技術規(guī)范的目的是定義傳輸層， 并定義 議于周圍各層當 33 中所發(fā)揮的作用 （所具有的意義）。 線的物理層是將 接至總線的驅動電路。 總數將受限于總線上的電氣負荷。物理層 定義了物理數據在總線上各節(jié)點間的傳輸過程，主要是連接介質、線路電氣特性、數據的編碼／解碼、位定時和同步的實施標 準。 總線競爭的原則 本上沒有對物理層進行定義，但基于 準對物理層進行了定義。設計一個 理層具有很大的選擇余地，但必須保證 出現總線競爭時，具有較高優(yōu)先權的報文獲取總線競爭的原則，所以要求物理層必須支持 沒有發(fā)送顯性位時，總線處于隱性狀態(tài)，空閑時，總線處于隱性狀態(tài)；當有 一個或多個節(jié)點發(fā)送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態(tài)。 在此基礎上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。在 ，物理層從結構上可分為三層：分別是物理層信令 (物理介質附件 (和介質從屬接口 (。其中 同數據鏈路層功能由 制器完成， 功能由 發(fā)器完成， 定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持 制器和收發(fā)器電路，如 層有很多不同的國際或國家或行業(yè)標準，也可自行定義，比較流行的是 義的高速 4 發(fā)送／接收器標準。 節(jié)點數量 理論上， 線上的節(jié)點數幾乎不受限制，可達到 2000 個，實際上受電氣特性的限制，最多只能接 100 多個節(jié)點。 數據鏈路層 數據鏈路層是其核心內容，其中邏輯鏈路控制 (成過濾、過載通知和管理恢復等功能，媒體訪問控制(層完成數據打包／解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應答、串并轉換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。 兩類消息幀，其本質的不同在于 長度。圖 2． 5為 0就是 息幀的標準格式，它有 11 位標識符?；? 0B 的消息幀格式，又叫做擴展消息幀格式。它有 29 位標識符，前 11位與 0 于標記 消息幀根據用途分為四種不同類型：數據幀用于傳送數據、遠程幀用于請求發(fā)送數據、錯誤幀用于標識探測到的錯誤、超載幀