汽車光纖多路傳輸控制系統(tǒng).doc

汽車光纖多路傳輸控制系統(tǒng)1前言隨著近年來電子技術(shù)的進步，為提高汽車可靠性、降低油耗和空氣污染，車用電子控制系統(tǒng)、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)數(shù)量、電線數(shù)量不斷上升，同時因電子控制系統(tǒng)功能的加強、控制要求的精確化，多采用集成電路，其復(fù)雜性增加，數(shù)據(jù)傳輸速率也在不斷上升。所需汽車線束也就更多更復(fù)雜，一輛充滿電子學(xué)裝備的現(xiàn)代汽車上約計需1 200根單獨導(dǎo)線，因此，線束已成為必需解決的問題。多路傳輸是解決汽車布線問題的主要方法。多路傳輸系統(tǒng)與通常方式對用電設(shè)備的控制比較見圖1。圖1多路傳輸系統(tǒng)（串行分時通信）方式對用電設(shè)備的控制比較可見，多路傳輸系統(tǒng)可以大量減少電線數(shù)量、減小面線體積和質(zhì)量、縮短導(dǎo)線長度、增加使用功能并使配件統(tǒng)一化、標(biāo)準化，采用這種多路傳輸系統(tǒng)較易對電氣系統(tǒng)進行安裝、調(diào)試、檢修和進行故障診斷。與光纖多路復(fù)用傳輸系統(tǒng)相比，電線多路傳輸系統(tǒng)具有電磁兼容性和保密性差，對地環(huán)問題和有缺陷的地回路敏感，抗電磁干擾能力較差等缺點。光纖在多路選通應(yīng)用方面的主要優(yōu)點是：頻帶寬度較大和多路、尺寸小、質(zhì)量輕；通過效率大、信號功率損失小、與頻率的關(guān)系減弱；超高絕緣、不存在短路和接地問題；耐腐蝕、靈敏度高；能夠雙工傳輸信息、抗干擾性高(特別是對汽車車上電路的脈沖干擾)；光纖允許有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和較高的信噪比帶寬積，可適用于發(fā)動機實時控制、車輛狀態(tài)監(jiān)測和通斷負載的開關(guān)控制等要求。兩種光纖(塑料的和玻璃的)中，塑料光纖較為便宜和便于使用，在汽車中應(yīng)用較廣。光纖多路傳輸系統(tǒng)目前費用已與電路系統(tǒng)不相上下，并可望更低，因此光纖多路傳輸系統(tǒng)是汽車多路傳輸系統(tǒng)的發(fā)展方向，是汽車線束的發(fā)展方向。按系統(tǒng)的復(fù)雜程度、信息量、必要的動作響應(yīng)速度、可靠性要求等將多路傳輸系統(tǒng)分為低速(A)、中速(B)、高速(C)三類。表1示出了美國SAE委員會優(yōu)先推薦的多路傳輸系統(tǒng)的等級分類。表1 SAE推薦的汽車多路通信系統(tǒng)分類系統(tǒng)等級信號種類響應(yīng)速度，msA車身控制系統(tǒng)：燈具、繼電器、電動門窗、電動座椅等2050（低速）B動態(tài)信息系統(tǒng)：導(dǎo)航、多信息、電話、故障診斷裝置等550（中速）C實時控制系統(tǒng)：發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)15（高速）多路傳輸系統(tǒng)的通信方式主要有：美國Essex方法；聯(lián)邦德國Bosch公司CAN(Controller Area Network)三線系統(tǒng)；General Motors方法；英國GEC方法；日本電裝公司的SMN系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在豐田公司的安全實驗樣車上；日本三菱電氣公司與日本東京工業(yè)公司協(xié)作研制的方法；日本日產(chǎn)公司方法。為用統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)連接汽車電動和電子部件，ISO組織批準采用的汽車多路傳輸系統(tǒng)的標(biāo)準通信協(xié)議有三個：VAN(Vehicle Area Network)、CAN和SCP(J1850標(biāo)準)。2系統(tǒng)工作原理設(shè)計及硬件框圖系統(tǒng)設(shè)計為主、從式多機通訊，主機和從機的連接方式如圖2所示。用一個89C2051系統(tǒng)作為主機，用4個89C2051系統(tǒng)作為從機，以TTL電平(邏輯“1”是2.4 V5 V，邏輯“0”是0 V0.4 V)通信。主機接收4組控制信號，每組控制信號有8位。每組的8位信號通過一個三態(tài)邏輯器件74LS244(八緩沖器/驅(qū)動器/線接收器)，送往主機的P1口(P1.0P1.7)。4個三態(tài)邏輯器件74LS244各自的控制端分別與主機的端口P3.3、P3.4、P3.5、P3.7相連，以實現(xiàn)4組控制信號的按鈕分時順序讀入，從而得到與4組共32個終端用電器一一對應(yīng)的32路控制信號。每一位控制信號對應(yīng)一個用電器或執(zhí)行機構(gòu)，每組控制信號對應(yīng)一個從機，每個從機可控制8個用電器或執(zhí)行機構(gòu)。圖2 所設(shè)計系統(tǒng)的主從式多機通信結(jié)構(gòu)圖3是系統(tǒng)的硬件框圖。設(shè)計的系統(tǒng)主要由控制信號獲取、光發(fā)射模塊、三根總線(電力線、光纖信號線、系統(tǒng)電力回線)光接收模塊、終端用電器或執(zhí)行機構(gòu)組成。用電器電力回線為車殼，兩地線分開以免產(chǎn)生干擾信號。光發(fā)射模塊由控制開關(guān)、光電隔離器5214、晶振、89C2051主機、813看門狗、485電路(單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端輸出)、紅外電光轉(zhuǎn)換發(fā)射電路及DCDC直流隔離變換器(12 V5 V)組成。光接收模塊由PIN光電轉(zhuǎn)換接受電路、信號放大整形電路、晶振、89C2051從機、813看門狗、光電隔離器5214、大功率場效應(yīng)晶體管功率開關(guān)IRF540、DCDC直流隔離變換器(1212 V、12 V5 V)組成。整個系統(tǒng)由車用12 V蓄電池供電。為穩(wěn)定電源電壓(點火系工作時電源電壓波動很大)，光發(fā)射模塊及光接收模塊內(nèi)都有自己的DCDC直流隔離變換器，以提供穩(wěn)定的5 V及12 V電源。圖3 汽車光纖多路傳輸控制系統(tǒng)的硬件框圖系統(tǒng)的工作過程設(shè)計為：首先是獲與終端用電器或執(zhí)行機構(gòu)一一對應(yīng)的控制信號；然后信號經(jīng)光電隔離后送主機(主機有自己的晶振和看門狗電路以保證發(fā)生錯誤時能自動重新復(fù)位，從而避免了死機)；主機在發(fā)送從機地址五次(此時發(fā)送的第九位數(shù)據(jù)TB8是1)后，再五次發(fā)送脈沖編碼的數(shù)據(jù)(此時發(fā)送的第九位數(shù)據(jù)TB8是1)后，再五次發(fā)送脈沖編碼的數(shù)據(jù)(此時TB8置0)；電脈沖信號經(jīng)485電路后，進行電光轉(zhuǎn)換，變?yōu)榫哂幸欢üβ实慕?jīng)外光脈沖信號；光脈沖信號經(jīng)塑料光纖按分時復(fù)用方式傳至光接收機進行光電轉(zhuǎn)換、信號放大整形后，送從機(從機也有自身的晶振和813看門狗電路)；從機首先五次判斷主機發(fā)送的地址是否與自己的地址相符，若有一次不一致則放棄并重新接受信號，若五次確認一致，則在置從機的多機通信標(biāo)志SM2=0后繼續(xù)接受信號，若接收的信號是地址，則放棄并重新接受信號，若接收的信號是數(shù)據(jù)，則進行五次確認，若有一次不同則放棄并重新接受信號，若五次確認都一致，則將數(shù)據(jù)輸出；數(shù)據(jù)信號經(jīng)光電隔離器5214，大功率場效應(yīng)晶體管功率開關(guān)IRF540控制終端用電器或執(zhí)行機構(gòu)的動作。該系統(tǒng)的1個光發(fā)射模塊可控制4個光接收模塊，1個光接收模塊可直接控制8個終端用電器或執(zhí)行機構(gòu)，即1個光發(fā)射模塊可控制32個終端用電器或執(zhí)行機構(gòu)的動作。同時該系統(tǒng)還可根據(jù)具體需要進行擴展，既可擴展成一個光發(fā)射模塊控制多個光接收模塊的中央控制式系統(tǒng)，也可擴展成一個光發(fā)射模塊控制一個或幾個光接收模塊含有多個光發(fā)射模塊的分散控制式系統(tǒng)。因而，不管終端用電器或執(zhí)行機構(gòu)數(shù)量多少，都可應(yīng)用該系統(tǒng)的設(shè)計原理。光纖傳送信息的方法概括而言有三種：時分復(fù)用(OTDM)、波分復(fù)用(WDM)、頻分復(fù)用(FDM)。所設(shè)計的汽車光纖多路傳輸控制系統(tǒng)采用的是光脈沖的串行時分復(fù)用通訊方式。采用LED發(fā)光二極管階躍折射率光纖PIN光電二極管檢測器的系統(tǒng)最適合于距離較短且數(shù)據(jù)傳輸速率相對低的監(jiān)視和控制場合。系統(tǒng)的硬件電路包括光發(fā)射模塊、光接收功能模塊2個部分，每個部分里都含有一個直流電源變換器。采用的硬件抗干擾措施有：采用直流隔離電源、濾波電容，以抑制電源串?dāng)_、共模噪聲、差模噪聲及瞬態(tài)過電壓干擾；光電隔離；監(jiān)控電路813集成芯片的使用；485電路的使用；用光纖系統(tǒng)傳輸信號；晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)的使用。系統(tǒng)軟件中采用的抗噪聲干擾措施主要有：冗余指令；看門狗技術(shù)；陷阱技術(shù)；信號的多次判定；微機的并聯(lián)動作；寄存器再設(shè)定；禁止對開始地址的分割。3抗干擾試驗車用微機系統(tǒng)所受的來自系統(tǒng)外部的干擾主要有外部的電磁輻射和車載電器設(shè)備產(chǎn)生的干擾，如點火系高壓電源線與光纖信號線的耦合干擾，來自電源的瞬態(tài)過電壓干擾及電源串?dāng)_等。所做的抗干擾試驗主要有：系統(tǒng)抗電源噪聲試驗；抗點火系電磁輻射試驗；點火系高壓電源線與光纖信號線的耦合干擾試驗。試驗時，將所設(shè)計的汽車光纖多路傳輸系統(tǒng)與點火系模擬裝置并聯(lián)接在12 V蓄電池的正、負極間，將點火頻率在4 500次/min41 600次/min間連續(xù)調(diào)節(jié)，觀察系統(tǒng)能否正常工作。即用示波器測試光發(fā)射模塊中485電路及光接收功能模塊中光纖接收端的跟隨器、第一級放大器及比較器等的輸出信號，用以分析發(fā)送和接收的信號是否一致，從而評價系統(tǒng)的抗干擾能力及工作可靠性。點火系模擬裝置見圖4所示。圖中脈沖信號發(fā)生器的頻率可在4 500 Hz41 600 Hz間變化，即模擬點火頻率可達4 500 次/min41 600 次/min(一般單缸發(fā)動機的點火頻率3 000 次/min、6缸發(fā)動機的點火頻率3 0006=18 000 次/min)。圖4 點火系統(tǒng)模擬裝置試驗結(jié)果如下。(1)發(fā)送和接收到的信號的數(shù)據(jù)格式與設(shè)定的11位數(shù)據(jù)格式一致。(2)控制信號的加載位置與用示波器觀察到的相應(yīng)信號的波形格式具有正確的一一對應(yīng)關(guān)系。(3)系統(tǒng)光發(fā)射模塊發(fā)送的信號與光接收模塊接收到的信號一致。這說明在三個抗干擾試驗中，系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，工作可靠性較高。4結(jié)論所設(shè)計的汽車光纖多路傳輸系統(tǒng)以三根總線(電源線、地線、光纖信號線)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多根點點并行電線，