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控制平臺

控制平臺

控制平臺是無人車的核心部件,控制著車輛的各種控制系統,包括汽車防抱死制動系統(ABS)、汽車驅動防滑轉系統(ASR)、汽車電子穩定程序(ESP)、電子感應制動控制系統(SBC)、電子制動力分配(EBD)、輔助制動系統(BAS)、安全氣囊(SRS)和汽車雷達防碰撞系統、電控自動變速器(EAT)、無級變速器(CVT)、巡航控制系統(CCS)、電子控制懸架(ECS)、電控動力轉向系統(EPS)等等。控制平臺主要包括了電子控制單元ECU與通信總線兩大部分:ECU主要實現控制算法,通信總線主要實現ECU以及機械部件間的通信功能。接下來我們詳細介紹一下控制平臺。

電子控制單元ECU

ECU(Electronic Control Unit)電子控制單元,俗稱“車載電腦”。是汽車專用微機控制器,也叫汽車專用電腦。發動機工作時,ECU采集各傳感器的信號,進行運算,并將運算的結果轉變為控制信號,控制被控對象的工作。固有程序在發動機工作時,不斷地與采集來的各傳感器的信號進行比較和計算。把比較和計算的結果控制發動機的點火、怠速、廢氣再循環等多項參數的控制。它還有故障自診斷和保護功能。存儲器也會不停地記錄行駛中的數據,成為ECU的學習程序,為適應駕駛習慣提供最佳的控制狀態,這叫自適應程序。在高級轎車上,有不止一只ECU,如防抱死制動系統、四輪驅動系統、電控自動變速器、主動懸架系統、安全氣囊系統、多向可調電控座椅等都配置有各自的ECU。隨著轎車電子化自動化的提高,ECU將會日益增多,線路會日益復雜。寶馬、奔馳和奧迪三大車廠各系列高階車款皆已包含超過一百個電子控制單元(ECU)。ECU的電壓工作范圍一般在6.5-16V(內部關鍵處有穩壓裝置)、工作電流在0.015-0.1A、工作溫度在-40~80℃, 能承受1000Hz以下的振動,損壞率非常小。

ECU從用途上講是汽車專用微機控制器,也叫汽車專用單片機。它和普通的單片機一樣,由微處理器(CPU)、存儲器(ROM、RAM)、輸入/輸出接口(I/O)、模數轉換器(A/D)以及整形、驅動等大規模集成電路組成。存儲器ROM中儲存的是一套固定的程序,該程序是經過精確計算和大量實驗取的數據為基礎。固有程序在發動機工作時,不斷地與采集來的各傳感器的信號進行比較和計算,然后輸出指令,以控制發動機的點火、空燃比、怠速、廢氣再循環等多項參數的設置,判斷是否需要改變的噴油量多少,點火正時是需要提前還是延后,氣門開度的大小等 。

詳細來說,當發動機啟動時,電控單元進入工作狀態,某些程序從ROM中取出,進入CPU,這些程序專用于控制點火時刻、控制汽油噴射、控制怠速等等。執行程序中所需的發動機信息,來自各個傳感器。這些傳感器信號一經采集首先進入輸入回路接受處理,如果是模擬信號,則需先經過A/D轉換器轉換成數字信號。大多數傳感器信息將先暫存在RAM內,然后根據程序處理順序由從RAM送至CPU。接下來是將存儲器ROM中的參考數據引入CPU,與傳感器輸入數據進行比較。CPU在完成對這些數據比較運算后,作出決定并發出指令信號,經I/O接口進行放大,必要的信號還經D/A轉換器變成模擬信號,最后經輸出回路控制執行器動作。

隨著轎車電子化自動化的提高,ECU將會日益增多,目前高端汽車在總計100多個ECU系統中包含多達200個微處理器。這數百個ECU,在汽車內部組成了一個區域網。一個ECU發出的數據包,所有的節點都會接收到,但只有承擔該數據包任務的節點,才會去執行命令。舉個例子,比如剎車燈。當監控剎車踏板的ECU,監測到踏板行程有變動時,就會通知監測尾燈的ECU。此時,該ECU控制尾燈,并將其通電點亮。這一個簡單的操作,其實背后有至少2個ECU的配合。要讓所有的這些ECU之間相互配合,就需要采用一種稱為多路復用通信網絡協議進行信息傳遞, 控制器區域網(Controllers Area Network,CAN)總線是其中之一。

借助CAN協議,汽車內部的數百個ECU可以組建一個區域網, 有效地解決線路信息傳遞所帶來的復雜化問題。通用、沃爾沃、特斯拉等車型支持遠程控制,其原理就是手機發出的指令先到達伺服器,然后被轉發到車載通訊模塊。車載通訊模塊接收到指令后,再通過CAN總線將指令傳達到各個ECU。

為了彌補CAN協議在某些方面的不足,汽車工業還研發出了很多其他協議,比如LIN協議。相比CAN,LIN的帶寬要更小,承載的數據量更少,但同時成本也更低,適合應用于一些簡單的ECU中,比如車窗升降等。隨著技術進步,汽車內部的數據量暴增。尤其是大螢幕的普及和流媒體技術的介入,讓CAN總線在某些時候“力不從心”,已無法勝任工作。于是,更高級的通訊協議問世了,比如MOST、FlexRay、乙太網等。這些協議標準,擁有更大的帶寬與更強的穩定性。其中,MOST是一種高速多媒體傳輸接口,專門為汽車內部的一些高碼率音頻、視頻提供傳輸。FlexRay也是一種高速協議,但不僅限于多媒體傳輸。在自動駕駛的奧迪A7中,位于后備箱的車載CPU(奧迪稱之為zFAS)模組,就是依靠FlexRay協議來讀取前置攝像頭捕捉的數據。

EUC的主要生產廠商包括有博世(BOSCH)、德爾福(DELPHI)、馬瑞利(MARELLI)、日立(Hitachi)、大陸(Continental)、日本電裝(DENSO)等。主要產品包括有:博世的M7、M7.9.7、M7.9.7.1、ME7、ME7.9.7、ME7.8.8、EDC16、054K0;德爾福的MT20U2、MT20U、MT20、MR140、MT80、ITMS-6F;日立/電裝的69J0、69EB、77J0、3601015A28K;西門子SIM2K-34、SIM2k-51.4、SIM2k-D51、SIMK43等系列。

CPU是ECU中的核心部分,它具有運算與控制的功能,發動機在運行時,它采集各傳感器的信號,進行運算,并將運算的結果轉變為控制信號,控制被控對象的工作。它還實行對存儲器(ROM、RAM)、輸入/輸出接口和其他外部電路的控制。Power Train ECU采用的CPU基本來自于Infineon、ST、Freescale。BOSCH的16位ECU M(E)7系列早期主要使用Infineon C167內核的CPU。之后ST為BOSCH定制了ST10系列CPU,價格上更有優勢,因此BOSCH后期的16位ECU都基本上采用ST10系列CPU。BOSCH的32位ECU ME9系列主要使用Freescale的PowerPC內核的CPU MPC55系列。ME9主要在美國市場上銷售的MED17系列則使用Infineon的Tricore內核CPU TC17xx。MED17系列ECU有好多分枝,分別使用不同型號的TC17xx CPU。MEDC18系列依然沿用PowerPC路線,選擇了選擇ST和Freescale兩家供應商,使用了Freescale的XPC56系列CPU以及ST的SPC56系列CPU。車身ECU的則選擇更多,Infineon、ST、Freescale、NEC和瑞薩電子都提供相關CPU的支持。

通信總線

隨著汽車各系統的控制逐步向自動化和智能化轉變,汽車電氣系統變得日益復雜。為了滿足各電子系統的實時性要求,我們須對汽車數據,如發動機轉速、車輪轉速、節氣門踏板位置等信息,實行共享,因而我們需要汽車通信總線。目前,車用總線技術被美國汽車工程師協會SAE下屬的汽車網絡委員會按照協議特性分為A、B、C、D四類。 
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圖18 車用通信總線


下面我們主要了解下局部互聯協議LIN,控制器局域網CAN,以及高速容錯網絡協議FlexRay。

局部互聯協議LIN

LIN是面向汽車低端分布式應用的低成本,低速串行通信總線。它的目標是為現有汽車網絡提供輔助功能,在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場合使用,降低成本。LIN相對于CAN的成本節省主要是由于采用單線傳輸、硅片中硬件或軟件的低實現成本和無需在從屬節點中使用石英或陶瓷諧振器。這些優點是以較低的帶寬和受局限的單宿主總線訪問方法為代價的。LIN采用單個主控制器多個從設備的模式,在主從設備之間只需要1根電壓為12伏的信號線。這種主要面向“傳感器/執行器控制”的低速網絡,其最高傳輸速率可達20Kb/S,主要應用于電動門窗、座椅調節、燈光照明等控制。典型的LIN網絡的節點數可以達到12個。以門窗控制為例,在車門上有門鎖、車窗玻璃開關、車窗升降電機、操作按鈕等,只需要1個LIN網絡就可以把它們連為一體。而通過CAN網關,LIN網絡還可以和汽車其他系統進行信息交換,實現更豐富的功能。

LIN包含一個宿主節點(Master)和一個或多個從屬節點(Slave)。所有節點都包含一個被分解為發送和接收任務的從屬通訊任務,而宿主節點還包含一個附加的宿主發送任務。在實時LIN中,通訊總是由宿主任務發起的。除了宿主節點的命名之外,LIN網絡中的節點不使用有關系統設置的任何信息。我們可以在不要求其它從屬節點改變硬件和軟件的情況下向LIN中增加節點。宿主節點發送一個包含同步中斷、同步字節和消息識別碼的消息報頭。從屬任務在收到和過濾識別碼后被激活并開始消息響應的傳輸。響應包含兩個、四個或八個數據字節和一個檢查和(checksum)字節。報頭和響應部分組成一個消息幀。LIN總線上的所有通訊都由主機節點中的主機任務發起,主機任務根據進度表來確定當前的通訊內容,發送相應的幀頭,并為報文幀分配幀通道。總線上的從機節點接收幀頭之后,通過解讀標識符來確定自己是否應該對當前通訊做出響應、做出何種響應。基于這種報文濾波方式,LIN可實現多種數據傳輸模式,且一個報文幀可以同時被多個節點接收利用。 
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圖19 LIN總線


控制器局域網CAN

在當前的汽車總線網絡市場上,占據主導地位的是CAN總線。CAN總線是德國博世公司在20世紀80年代初為了解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換問題而開發的一種串行數據通訊協議。它的短幀數據結構、非破壞性總線性仲裁技術及靈活的通訊方式適應了汽車的實時性和可靠性要求。CAN總線分為高速和低速兩種,高速CAN最高速度為1Mbps(C類總線),低速CAN為250Kbps(B類總線)。 
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圖20 CAN總線


CAN總線一般為線型結構,所有節點并聯在總線上。當一個節點損壞時,其他節點依然能正常工作。但當總線一處出現短路時,整個總線便無法工作。CAN總線是采用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)機制。各節點會一直監聽總線,發現總線空閑時便開始發送數據。當多個節點同時發送數據時,會通過一套仲裁機制競爭總線。每個節點會先發送數據的ID,ID越小表示優先級越大,優先級大的會自動覆蓋小的ID。當節點發現自己發送的ID被覆蓋掉時,就知道有比他優先級更高的消息正在被發送,便自動停止發送。優先級最高的消息獲得總線使用權,開始發送數據。當高優先級的數據包發送完后,各節點便又嘗試競爭總線。如此反復下去。這樣能最大程度的利用總線。弊端是會有時效延遲,優先級越低的數據包,可能需要等待的時間越長。從這點上來講,CAN總線不是一種實時總線。當CAN總線有節點發現當前發送的數據有誤時,會發送錯誤幀告知總線上的所有節點。發送錯誤數據的節點會重發。每個節點都有一個錯誤計數器。當一個節點總是發送或接收錯誤超過一定次數時,會自動退出總線。

高速容錯網絡協議FlexRay

FlexRay總線數據收發采取時間觸發和事件觸發的方式。利用時間觸發通信時,網絡中的各個節點都預先知道彼此將要進行通信的時間,接收器提前知道報文到達的時間,報文在總線上的時間可以預測出來。即便行車環境惡劣多變,干擾了系統傳輸,FlexRay協議也可以確保將信息延遲和抖動降至最低,盡可能保持傳輸的同步與可預測。這對需要持續及高速性能的應用(如線控剎車、線控轉向等)來說,是非常重要的。 
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圖21 FlexRay總線


FlexRay總線用的是TDMA(Time Division Multiple Access)和FTDMA(Flexible Time Division Multiple Access)兩種周期通信方法。FlexRay將一個通信周期分為靜態部分、動態部分、網絡空閑時間。靜態部分使用TDMA方法,每個節點會均勻分配時間片,每個節點只有在屬于自己的時間片里面才能發送消息,即使某個節點當前無消息可發,該時間片依然會保留(也就造成了一定的總線資源浪費)。在動態部分使用FTDMA方法,會輪流問詢每個節點有沒有消息要發,有就發,沒有就跳過。靜態部分用于發送需要經常性發送的重要性高的數據,動態部分用于發送使用頻率不確定、相對不重要的數據。當FlexRay總線通信過程中出現數據錯誤時,該周期里接收到的所有數據都會被丟棄掉,但沒有重發機制。所有節點會繼續進行下一個周期的通信。FlexRay同樣也有錯誤計數器,當一個節點發送接收錯誤過多時會被踢出總線。

FlexRay具有高速、可靠及安全的特點。FlexRay在物理上通過兩條分開的總線通信,每一條的數據速率是10MBit/s。FlexRay還能夠提供很多網絡所不具有的可靠性特點。尤其是FlexRay具備的冗余通信能力可實現通過硬件完全復制網絡配置,并進行進度監測。FlexRay同時提供靈活的配置,可支持各種拓撲,如總線、星型和混合拓撲。FlexRay本身不能確保系統安全,但它具備大量功能,可以支持以安全為導向的系統(如線控系統)的設計。

寶馬公司在07款X5系列車型的電子控制減震器系統中首次應用了FlexRay技術。此款車采用基于飛思卡爾的微控制器和恩智浦的收發器,可以監視有關車輛速度、縱向和橫向加速度、方向盤角度、車身和輪胎加速度及行駛高度的數據,實現了更好的乘坐舒適性以及駕駛時的安全性和高速響應性,此外還將施加給輪胎的負荷變動以及底盤的振動均減至最小。

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