動力與傳動系統的電子裝置在很大程度上受IC供應商的控制,系統的差別不大。然而,在車身系統電子裝置中,那又是另外一種光景。這是汽車制造商充分展示自我的舞臺。例如,考察一下Mercedes或BMW,你會發現五花八門的車內氣象控制裝置、電話接口以及儀表總匯。對汽車制造商來說,這是樹立品牌的一項舉措。因此和動力與傳動系統不同,汽車制造商對車體總線和電子裝置擁有很大的控制權。
一、美國CAN
CAN初是一種歐洲標準,此后也在美國得到普及(圖1)。其潛在的運行速率可達1Mbits/s,通常以半速率工作,以求控制射頻的輻射量。在某些場合,運行的速率甚至更低,如125Kbits/s
第二類是車身系統電子裝置。它包括蓄電池與儀表盤電子裝置一類部件。這些裝置通常是用基于J1850標準的網絡連接的。J1850總線的問世約有15年的時間。
CAN可也用于車身系統,但這是一種容錯式總線。根據定義,CAN是一種兩線式總線。總線內置容錯功能,要是兩條線中有一條短接至地或開路,網絡切換至一線方式,繼續工作。
規范要求,從2線過渡至1線期間不能丟失數據位。為此,車身系統的物理層芯片比動力與傳動設備更復雜,即便它運行在較低的速率。
但是在故障狀態下,時序變得不可預測。采用CAN,要是傳輸路徑不通暢,初的發送方會反復地發送消息。由于發送方未能接收到來自接收方的應答信號,所以它知道線路發生了故障。這就導致不可預測的時序,當然僅在故障狀態下。一個斷裂的節點獨占總線而不斷發送消息被稱為“串擾傻瓜”。
即使汽車的某些部件具有“故障-安全”功能,其它部件未必具有這種功能。例如,安全氣囊不停地進行診斷。如果檢測到故障,告警燈被接通,通知用戶對它進行修理。在此狀態下安全氣囊不能工作,但它不會中止汽車的運行。對ABS亦是如此,如果檢測到故障,ABS不能工作,但它不會中止制動器的正常工作。
二、容錯型CAN
當然,也有某些部件不具備故障-安全功能,例如方向盤。這是真正需要容錯功能的部件實例。
Motorola公司正和Mercedes與BMW一起制訂新的協議來處理這類問題。這可能是一種時間觸發系統,即便在故障狀態仍保持在可預測狀態。
例如,為了防止出現串擾傻瓜問題,使用單獨的總線保護芯片。芯片僅在所分配的時隙內為節點打開窗口,將消息放置在總線上。
目前已經完成該協議的初始設計。它稱為字節飛行技術,是一種安全系統用的光學網絡。
協議處理安全氣囊一類基本模塊間的連接。在正常條件下,總線工作在低速方式,約10Kbits/s,以減少輻射。但是在撞車期間,這里已無暇顧及輻射,它切換至高速方式。這種技術稱為分布系統接口(DSI)。
C167是具有CAN功能的16位微控制器。該器件由Infineon研發,組合了4級流水式CPU(高達33MHz)和多種外設與增強的I/O功能(圖2)。片上功能包括4Kbyte SRAM和高達128Kbytes ROM。片上CAN模塊符合CAN規范的2.0B工作版本。
第二種CAN控制器由Dallas Semiconductor提供,內置與8051兼容的DS80C390微處理器。處理器速率為40MHz,也可選用內部倍頻器,全速工作時能省去晶振,從而減少EMI。DS80C390具有兩個全功能的CAN2.0B控制器。除了標準的11位或擴充的29位消息識別器,器件支持兩個獨立的8位媒體屏蔽和媒體判決字段,以便使用CAN協議。DS80C390備有4Kbyte SRAM。一個22位程序計數器可訪問4Mbyte外部程序存儲器和4Mbyte外部數據存儲器。
汽車設計者可使用的另一種結構是在法國研發的VAN總線。它與CAN類似,兩者都是多重結構。但VAN具有不同的位編碼方案。
VAN協議主要是法國汽車制造商采用。目前也用于某些車身應用。就動力與傳動系統而言,甚至在法國也集中在CAN總線上。
CAN的又一種方案是NEC研發的,使用了32位微控制器的Atomic和CarGate。兩個器件組成專用的硬件基CAN橋接器,微控制器用作汽車內各種網絡間的通信網關。這樣,微控制器可同時為5個CAN網絡管理多個任務,如動力與傳動、導航系統、或車內氣象控制裝置。通過硬件實現橋接器,控制器可讓主CPU擺脫某些例行任務。
NEC器件與傳統的CAN基產品有明顯的區別,它提供“時間觸發”功能,信號是按時隙傳輸的,而不是根據外部事件判決傳輸的。為了增加安全性,控制器執行“停工時間監測”,來預測是否接收到規定時間幀內的重要消息。
橋接器包含了3個組件,可編程狀態機、存儲區(用于存儲在狀態機上所執行的命令)、以及暫存緩沖器。狀態機讓汽車制造商根據自己的要求來決定分配給每個CAN接口的存儲器資源數量。
另一種還在逐漸普及的總線是LIN(局部互連網絡)。就性能而言,它比CAN慢,是局部區域,如車門,使用的一個分總線。換句話說,CAN總線連接至車門,車門僅僅是CAN的一個節點。從該節點再用LIN分總線連接車窗,反射鏡、門鎖等各個部件。
安全氣囊的配置按類似的方式處理。CAN節點連接至主接口。然后用LIN分總線直接連接至傳感器。
使用LIN分總線是由成本因素驅動的。LIN節點的成本要比CAN節點低得多。同時,CAN總線能支持的節點數已接近其極限。
高速領域,諸如娛樂系統,通常不是任務為主的應用。如控制汽車CD播放機的線路故障遠不如ABS或安全氣囊故障嚴重。
三、更高速度
正在布署的一種高速線是面向媒體型系統傳送結構(MOST)。MOST是一種光學高速網絡。它的一個主要特性是能傳送等時性數據。這個特性十分重要,因為在多數場合,數據到達的順序和時間比每個數據位都能到達更重要。明顯的例子是樂曲,樂曲的數據位即使是丟失了一位也應按正確的順序播放。
MOST是一種環型結構。因此,如果發生故障,環被斷開,總線就不能工作。由于這個原因,總線僅用于非任務為主的應用,如娛樂系統。
有幾個行業聯合組織正在定義標準多媒體總線。目前,這是一項很難出臺的標準。可能的標準有幾個,北美有,歐洲也有。且有幾家消費品公司希望參與此項工作。甚至傳統的計算機公司,如Microsoft和Intel,也正在出臺幾項標準。
高速總線的問題是輻射。通常,總線的工作速度越快,其輻射量越大。
一種可入選的高速多媒體總線是IEEE1394。遺憾的是,1394規定的連接器易產生輻射,不適合汽車使用。
在多媒體領域,重要的是將消費品技術和汽車專業知識相結合,使這些系統真正成為汽車的部件。
通信和多媒體總線系統正在成為汽車研發中的一個熱門話題。在典型的汽車環境中有蜂窩電話、音響系統、車內氣象控制設備、定位設備、以后可能還有數字衛星接收機。要是將它們放置在各自的機盒中,用點對點方式連接,就會浪費很多資源。
在理想的環境中,系統的核心是集中了很多智能的主控制器。這與計算機系統十分相似,主機要連接不同的外設。
新興的光學技術消除了潛在的問題-輻射。采用的技術基本上與常規PC相同,只是要提高到汽車的檔次。這就是說要考慮到溫度的制約、機械問題、振動、加速度等等。上述細節并不會出現在常規PC系統中。
為了處理汽車中的音頻和視頻,帶寬需達到50或60Mbits/s。要是僅僅考慮音頻則容易得多。但自從DVD出現后,就希望在總線上傳送視頻信號,將這些信號傳送至后座供人們觀看。
一個可入選的這類高速總線是Delphi研發的移動媒體鏈路(MML)。MML是一種光學總線,可以高達110Mbits/s速率發送或接收信號。它是按集線器方案構建的,即有一個所有分支都能連接的中心節點,這與環型結構不同。
是否會出現總線選擇不合理的情況?有時會。確實存在政治與地域的因素,驅使某些汽車制造商偏愛一種解決方案,但終能取得成功的是的解決方案。
Agere的前身是Lucent Microelectronics,該公司也在密切關注汽車內的通信應用。它將這類系統稱為遠程信息通信系統,定義了進、出汽車的通信系統。公司的目標是:通信系統既要安全可靠,又能提供娛樂或信息等其它服務。
Agere的工作集中在三個特定的領域:音響和語音處理、數字音頻收音機、以及藍牙系統。個領域包括構建免提套件和蜂窩電話、收音機或車身控制的應用接口。公司提供衛星服務的數字音頻收音機的芯片組。汽車內配置藍牙技術似乎為時過早,但可能性也是極大的。
四、免提技術
除了免提操作,基于DSP的芯片組能使雙方通話更加清晰,而不用提高說話的聲音。DSP工作在100MIPS;能同時完成語音識別;免提操作;全雙工功能,包括消音響回聲、消線路回聲,抑制噪聲;同時傳送話音和數據;以及聲控存儲-記錄功能。CellPort Systems和Motorola也在各自通用免提系統中使用了這種芯片組。
Agere公司的藍牙工作集中在汽車運行時啟用免提接口。該技術將音響和語音應用與藍牙技術應用有機地結合在一起,提供特有的、無縫的通用汽車免提套件。
汽車套件是一個支持音頻或語音通道和控制通道的互連系統。這樣,啟用藍牙的遠程信息通信控制通道能傳送用藍牙標準建立的API。API包括一組統一的、兼容的命令,用來應答電話、實現呼叫,進行手動 撥號或雙音多頻(DTFM)拔號,以及傳送其它數據。
汽車多媒體接口協作組(AMI-C)是汽車行業的一個非贏利性機構,它的創立是為了促進電子網關技術的研發、推廣和標準化。電子網關用來連接汽車多媒體、遠程信息通信系統、以及汽車內的其它電子設備。
AMI-C近公布了車內電子設備和服務的多媒體規范。規范確定了公共接口,減輕了與多個OEM要求有關的工作量和費用。這類電子組件包括PDA與蜂窩電話,讓AMI-C兼容設備可互換地工作。
AMI-C規范可采納1394或MOST作為它的高速總線。這些網絡的網關規范將等待AMI-C的批準,另行公布。初始規范將在AMI-C的研發階段制訂。
毫無疑問,1394總線將朝著汽車方向發展,其證據是1394貿易協會和智能交通系統數據總線(IDB)論壇共同推出的規范草案。規范定義了裝備1394 車輛的啟用要求。它確立了基本體系結構,塑料光纖和銅導線連接器規范,供裝備1394嵌入式設備,如CD或DVD播放機、游戲機或計算機使用(圖3)。
IDB-1394規范定義了汽車級物理層,包括電纜和連接器,供電方式,以及所有1394設備能與嵌入式汽車IDB-1394設備互操作所必需的高層協議。汽車結構體系分成光纖嵌入式網絡與用戶使用端口(Customer Convenience Port-CCP)兩部分。該規范是IEEE1394-1995、1394a-2000、和1394b標準的補充。下一步是制訂1394汽車功率管理規范,定于年底前完成。
CCP由1394b物理層與連接器組成,讓用戶以熱插入方式插入他們的消費類電子設備。嵌入式網絡能支持工作速率為100、200、或400Mbits/s的設備。