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)行機構數量、電線數量不斷上升，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，其復雜性增加，數據傳輸速率也在不斷上升。所需汽車線束也就更多更復雜，一輛充滿電子學裝備的現代汽車上約計需1 200根單獨導線，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）方式對用電設備的控制比較可見，多路傳輸系統(tǒng)可以大量減少電線數量、減小面線體積和質量、縮短導線長度、增加使用功能并使配件統(tǒng)一化、標準化，采用這種多路傳輸系統(tǒng)較易對電氣系統(tǒng)進行安裝、調試、檢修和進行故障診斷。與光纖多路復用傳輸系統(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。光纖在多路選通應用方面的主要優(yōu)點是：頻帶寬度較大和多路、尺寸小、質量輕；通過效率大、信號功率損失小、與頻率的關系減弱；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據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)的復雜程度、信息量、必要的動作響應速度、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；日本日產公司方法。為用統(tǒng)一網絡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)的標準通信協(xié)議有三個：VAN(Vehicle Area Network)、CAN和SCP(J1850標準)。2系統(tǒng)工作原理設計及硬件框圖系統(tǒng)設計為主、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的32路控制信號。每一位控制信號對應一個用電器或執(zhí)行機構，每組控制信號對應一個從機，每個從機可控制8個用電器或執(zhí)行機構。圖2 所設計系統(tǒng)的主從式多機通信結構圖3是系統(tǒng)的硬件框圖。設計的系統(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)行機構組成。用電器電力回線為車殼，兩地線分開以免產生干擾信號。光發(fā)射模塊由控制開關、光電隔離器5214、晶振、89C2051主機、813看門狗、485電路(單端輸出轉換為雙端輸出)、紅外電光轉換發(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、大功率場效應晶體管功率開關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)的工作過程設計為：首先是獲與終端用電器或執(zhí)行機構一一對應的控制信號；然后信號經光電隔離后送主機(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)送的第九位數據TB8是1)后，再五次發(fā)送脈沖編碼的數據(此時發(fā)送的第九位數據TB8是1)后，再五次發(fā)送脈沖編碼的數據(此時TB8置0)；電脈沖信號經485電路后，進行電光轉換，變?yōu)榫哂幸欢üβ实慕浲夤饷}沖信號；光脈沖信號經塑料光纖按分時復用方式傳至光接收機進行光電轉換、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，若接收的信號是數據，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，則將數據輸出；數據信號經光電隔離器5214，大功率場效應晶體管功率開關IRF540控制終端用電器或執(zhí)行機構的動作。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，即1個光發(fā)射模塊可控制32個終端用電器或執(zhí)行機構的動作。同時該系統(tǒng)還可根據具體需要進行擴展，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)行機構數量多少，都可應用該系統(tǒng)的設計原理。光纖傳送信息的方法概括而言有三種：時分復用(OTDM)、波分復用(WDM)、頻分復用(FDM)。所設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據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，以抑制電源串擾、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；晶體管轉換開關的使用。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；陷阱技術；信號的多次判定；微機的并聯動作；寄存器再設定；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備產生的干擾，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擾等。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，將所設計的汽車光纖多路傳輸系統(tǒng)與點火系模擬裝置并聯接在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)模擬裝置試驗結果如下。(1)發(fā)送和接收到的信號的數據格式與設定的11位數據格式一致。(2)控制信號的加載位置與用示波器觀察到的相應信號的波形格式具有正確的一一對應關系。(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結論所設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，