毕业论文(网络技术)3
宜宾职业技术学院
毕业论文
题目：网络技术在汽车中的应用
系部现代制造工程系
专业名称汽车运用技术专业班级汽车11104 班姓名* * *
学号201110000
指导教师张元
2013 年09 月22 日
网络技术在汽车中的应用
摘要
在近十年里，用户对于汽车的舒适性、安全性以及环保等各种性能的要求不断提高。为了满足这些日益增加的需求，汽车上计算机控制的电子电器设备急剧增加，使得汽车（特别是轿车）设计中电器线路的布置越来越困难。此外，由于汽车上各种电子电器的接插点的数量随之剧增，汽车行驶过程中因为接插点的故障造成汽车上电子电器设备的功能失效的问题越来越突出。为了解决上述问题，很多新车型（特别是高档车型）的开发中开始广泛地应用计算机网络技术。本文介绍了计算机网络技术在汽车中应用的基本原理，并介绍了该技术在汽车上的运用。
关键词：汽车计算机控制网络技术
目录
1前言 (1)
2网络技术概述 (2)
3网络技术汽车应用情况分析 (3)
3.1网络技术汽车内部分析 (3)
3.2网络技术汽车外部分析 (6)
4计算机网络系统在汽车上应用的分析 (8)
4.1减少布置空间、降低成本 (8)
4.2管理更多的信息 (9)
4.3提高汽车电器系统的可靠性 (10)
5汽车网络技术发展前景 (13)
结论 (15)
致谢 (16)
参考文献 (17)
1前言
目前汽车电子技术中最活跃的领域包括网络化、线控技术和42V技术，其中网络技术是关键部分。它已不仅是解决汽车电子化中出现的线路复杂和线束增加间题的技术，其通讯和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在车上应用的一个基础，它是车上信息与控制系统的支撑。
目前较高档轿车上的电子系统成本已达20%强，而且增长很快。新技术的生长点几乎无一不与电子技术相关随着电子部件价格的降低，电子技术向低档车延伸的速度也很快。汽车上电子装置都将连接到车上网络系统中，所以网络相关软硬件必然要成为每一个控制单元软件中的一部分。网络使车上电子装置成为一个整体。
网络技术也为通过通信传输操纵信息的“线控CBW (Contr ol -By-W i re )”技术提供了有力的支撑。它将改变汽车和一些机械系统的构造，提高整体驾驶操作水平，降低事故率，提高经济效益。
虽然车上网络技术已经得到较广泛的应用，但对于进一步的需求来看还有很多工作要做。目前尚没有满足成本低、可靠并具有容错能力、时间特性好(包括实时性和事件响应时间设计时可确定性等)和可扩展性好的网络系统汽车上网络应用的层次和目的变化很大。由于汽车对成本价格的敏感，用性能高的系统覆盖低层应用，成本上无法接受。因此，汽车上将是多种层次网络的互连网结构。
2网络技术概述
要在汽车上运用计算机网络技术实现不同控制系统的计算机的控制功能，以及运用计算机网络技术实现不同控制系统的计算机之间的信息通信，其基本原理是运用计算机总线技术，将汽车上各个控制系统的计算机控制单元组成汽车上的局域网络，通过计算机网络传递数据流，实现不同控制系统之间的信息传递和共享，同时减少传统汽车电器系统设计中的线束和接插件。
在将计算机网络技术应用于汽车上的研究开发过程的初始阶段，由于不同国家的各个汽车公司，对于开发过程的信息和技术都相对独立和相对保密。一般仅仅是一个国家的几个汽车公司共同开发，技术分享，因此，到目前为止，形成了多种互不相同的汽车计算机局域网络总线：
J1850：美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司联合开发和共用的总线。尽管美国的三大汽车公司共用一种汽车计算机网络总线，但是，由于每个公司汽车产品中所用的计算机通信协议是不相同，因此，其汽车计算机网络控制系统是不尽相同的。
A总线：德国大众公司专用的汽车计算机网络总线。
CAN总线：德国标准化的总线。开始是由德国博世（BOSCH）公司开发，主要用于机器人控制。由于CAN总线的数据传输速率较高，现在许多汽车公司都将CAN总线用于汽车计算机网络系统。
V AN总线：法国汽车标准化总线。由法国的雷诺汽车公司和标致集团联合开发的汽车计算机网络总线。同样，法国的雷诺公司和法国标致集团共用V AN 汽车计算机网络总线，但是二个公司计算机网络所用的通信协议不相同，使得它们的汽车计算机网络控制系统也不相同。
专门的解决方案：德国的宝马（BMW）和日本的一些汽车公司采用了自己专门的解决方案，等等。
3网络技术汽车应用情况分析
3.1 网络技术汽车内部分析
(1)内部应用分析
比较高级汽车上装有几十个微控制器，上百个传感器，这就给汽车进行网络应用提供了条件，解决了汽车一直存集中控制和分散控制矛盾。所谓分散控制就是汽车上一个部件如点火或喷油，用一个微控制器进行控制，这是微机汽车上应用起始。后来又发展到汽车集中控制系统，它又分为：
1)完全集中控制系统如美国通用汽车公司采用一个微机系统分别控制汽车防滑制动、牵引力控制、优化点火、超速报警、自动门锁和防盗等。
2)分级控制系统如日产公司分级控制系统，他用1台中央控制计算器指挥4台微机，分别控制防滑制动、优化点火、燃油喷射、数据传输等。
3)分布集中控制是汽车各大部分而进行分块集中控制，如发动机、底盘、信息、显示和报警等几大件控制系统，如日本五十铃生产汽车ITEC系统，他对发动机点火、燃油喷射、怠速及废气再循环进行集中控制。
上述各种类型控制都有优缺点，但网络汽车上应用后，就可发挥各型控制优点，克服了他们缺点。例如集中控制和分散控制最大问题是可靠性问题，如完全集中控制，一旦微机出现故障全车瘫痪。采用网络技术后，共用所有传感器，还可以共用其他设备，如进行了环形网控制，几十个微机，个别出现问题，是环形结构网络，整车还可以正常运行。网络汽车上应用增加许多功能，增强了可靠性，这是汽车控制中最重要问题之一。汽车内部网络除具有一般网络优点外，还应具有以下特点：
①针对不同汽车电子设备配置，无需对整个系统进行重新设计就可以使用，扩展容易。
②系统所用软硬件均是普遍流行器件，设计人员易于进行开发和升级。
资料一致性。
③所有子系统均使用同一资料，减少了传感器使用，还资料同一性提高了子
系统控制精度，解子系统采集、转换资料所带来负担，提高了工作效率。
④生产成本降低所需传感器、导线束及接插件减少，导致生产成本降低和安装工作减轻。
⑤大量资料交换流通，使不增加硬件情况下提高、扩充子系统功能成为现实。使车载电子设备自诊断成为现实。
汽车局域网研究与开发国内外都进行，有已取成效。为适应汽车网络控制需要，更好各控制系统之间完成交流信息、协调控制、共享资源及标准化与通用化，世界各国都正积极合作，进行统一标准，共同研制。国外网络标准制定以及符合网络通信标准微处理器、通信协议等方面都已经有了成果。网络标准方面代表作有Bosch公司制定控制器局域网络（CAN）协议和Intel推出SAEJ18065网络标准。又如Philips，Intel，Motorola等公司推出了符合网络相关协议微处理器产品。同时，为整合各种标准，一份有关汽车网络国际标准正国际标准化组织起草。(2)汽车内部网络标准
目前存多种汽车网络标准，其侧重功能有所不同，为方便研究和设计应用，SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为A，B，C三类。
A类面向传感器/执行器控制低速网络、数据传输位元速率通常1～10kb/s。主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。
B类面向独立模块间资料共享中速网络，位元速率一般为10～100kb/s。主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，以减少冗余传感器和其他电子部件。
C类面向高速、实时闭环控制多路传输网，最高位元速率可达1 Mb/s，主要用于悬架控制、牵引控制、发动机控制、ABS等系统，以简化分布式控制和进一步减少车身线束。到目前为止，满足C类网要求汽车控制局域网CAN协议。
3类网络功能均向下涵盖，即B类支持A类网功能；C类网能同时实现B 类和A类网功能。
(3)控制局域网络CAN主要特性及其应用
按汽车局域网发展趋势，不久将来CANC类网将逐步普及，并占据主导位。
控制器局域网CAN是20世纪80年代初BOSCH公司为解决现代汽车中众
多控制单元、测试仪器之间实时数据交换而开发一种串行通信协议，经多次修订，于1991年9月形成技术规范2.0版本。CAN具有如下特性：
国际标准ISO11898规范，CAN总线规范2.0PART90，PARTB。
CAN可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。
CAN网络上节点（信息）可分成不同优先级，可以满足不同实时要求。
CAN采用非破坏性总线裁决技术，当2个节点同时向网络上传送信息时，优先级低节点主动停止数据发送，而优先级高节点可不受影响继续传输数据，大大节省了总线冲突裁决时间；最重要是网络负载很重情况下会出现网络瘫痪情况。
CAN可以点对点，一点对多点（成组）及全局广播几种方式传送接收数据。
CAN直接通信距离最远可达10 km（速率5 kb/s以下）。
CAN通信速率最高可达1 Mb/s（此时距离最长40 m）。
CAN上节点数实际可达110个。
CAN采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰概率低，且具有极好检错效果。
CAN每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。
通讯介质采用廉价双绞线即可，无特殊要求。
CAN节点错误严重情况下，具有自动关闭总线功能，切断他与总线联系，以使总线上其他操作不受影响。
NRZ编码/解码方式，并采用位填充技术。
其良好运行特性、极高可靠性和独特设计，特别适合现代汽车各电子控制单元之间互联通讯，也越来越受到其他业界欢迎。国外，尤其是美国和欧洲，CAN 已被广泛应用于汽车（如BENZ，BMW，PORSCHE，JAGUAR等）、火车、船舶、机器人、楼宇自动化、机械制造、数控机床、医疗器械、液压传动、自动化仪表等领域。目前，支持CAN协议有INTEL，MOTOROLA，PHILIPS，SIEMENS，NEC，HONEYWELL等百余家国际著名公司，其中CAN应用器件也琳琅满目、层出不穷，已经逐步形成产品系列。
目前市场上最常见CAN总线产品PHILIPSPCA82C200，SJA1000，P8XC591，
P8XC592，PCA82C250等，其中SJA1000和PCA82C200为独立CAN控制器，P8XC591和P8XC592将微控制器和CAN通讯控制器集成为一体，82C250是CAN总线收发器，用于CAN器件与物理总线连接。
用CAN组成汽车网络系统资料信息量非常大，有快速变化信号和渐变信号。为保证总线上交通畅通，重要信息发生总线访问冲突时优先发送，合理安排资料信息总线访问优先级显尤为重要。各电子控制单元正常工作所能容许最大时间延迟是决定资料访问总线优先级最主要因素。对转矩、车速及发动机转速等快速变化信号必须进行高速采样，并以相应速率总线上传输，数据总线访问优先级也高。对进气温度、冷却液温度、燃油温度等变化较慢信号每隔100 ms或1 min采样一次就完全足够，数据总线访问优先级相应就很低。同样一个参数信号对控制系统正常工作显非常重要，也可获较高优先级。值注意是，数据总线访问优先级设定固定不变，各种外部参数和汽车驾驶情况变化而不断变化。如发动机控制，是点火时间控制，燃油喷射控制，都必须和发动机转速同步，发动机转速较高时，控制信号总线访问优先权提高，发动机转速较低时，控制信号总线访问优先权相应降低。
3.2 网络技术汽车外部分析
汽车上网系统，是一种无线网络结构。人们驾驶汽车时就可以像家一样进行上网、发Email等所有网上操作。目前不少公司进行这方面工作。如I BM公司和Motorola公司已合作开发车用无线Internet技术，这项技术将使驾驶员和乘客能够车上发送电子邮件以及从事网上各种活动，如电子商务和网上购物、查看股市行情和天气预报等。另外Microsoft公司新推出了专门为“车上网”设计Auto PC 软件，采用WindowsCE操作系统，他具有交互式语言识别等各种多媒体功能。这种功能能够有效保障汽车行车安全，他可以让汽车驾驶员手不离方向盘、眼不离行驶前方情况下，与PC机系统交换各种信息，例如行车前方交通状况有无塞车、最短时间导航等；也可以他车上收发Email、打网络电话和其他上网活动。
革新：通用公司开发了“车上网”系统，还装有车载自动化办公系统。该系统采用了超高速光纤串行数据通道（MML），具有多路数字式影音能力，可以有效调控多信道大容量输入、输出信号，例如CD、DVD、显示器、电视接收天线、
音响和全球卫星定位导航系统都可以和该系统交换信息。
4计算机网络系统在汽车上应用的分析
4.1 减少布置空间、降低成本
在传统的汽车计算机控制系统设计中，仅仅为了实现各个系统（如发动机燃油电子喷射控制系统与自动变速器控制系统等）控制计算机之间的信息通信，就需要很多的线束和接插件，再加上系统控制计算机与提供信息的传感器、执行计算机指令实现控制过程的执行器之间联接的线束和接插件，线束的长度和接插件的数量达到了惊人的数量。以下仅以四个计算机控制系统为例说明。
图4-1传统的设计方案
图4-1为四个计算机控制系统的传统汽车控制系统设计中，仅仅为了实现各个系统控制计算机之间的一种信息通信功能，至少需要6对线束。而在图4-2的计算机网络系统中，只需要1根总线（2 根线），就能够实现传统设计中至少6对线束才能完成的系统之间的数据通信功能。仅仅传递一种信息，运用计算机网络系统就可以减少2对线束和4对接插件。随着计算机控制系统之间传递信息量的增加，传统汽车控制系统设计中的线束和接插件急剧增加，而运用计算机网络系统则可以在1根总线中传递多路信息，因此简化了汽车的线束和接插件，即减少汽车的线束长度和接插件的数量。与此同时，运用计算机网络系统可以减少线束和接插件布置时需要的空间，降低成本。随着汽车上的计算机控制系统的不断
增加，如图4-3中给出的某车型上的复杂的控制系统，运用计算机网络系统这种优越性就显得更为突出。减少的线束和接插件的布置空间可以使得汽车设计过程中的布置更加容易，同时可以用来增加新的功能，以满足用户的需求。
图4-2计算机网络通信设计方案
图4-3某车型计算机网络系统
4.2 管理更多的信息
传统的汽车计算机控制系统之间的信息是通过线束传递，传递的是模拟量的信息，如代表发动机转速、车速、温度或压力等物理量变化的电压、电流等…由于传递的信息的是模拟量，加上线束与接插件的布置空间、以及显示仪表的布置空间的限制，各个控制系统之间的信息传递极其有限，各种信息一般是局限在
本控制系统内部进行管理，不能提供给其它控制系统共享，提供给驾驶员的信息则更少。
图4-4传统的模拟量信息传递
图4-4计算机网络数字化信息传递汽车计算机网络系统采用了计算机总线控制技术，通过计算机总线传递的信息是数字化的信息流，发出信息的计算机根据通信协议对本控制系统中的各种信息进行编码后将信息发出，其他需要利用该信息的计算机根据通信协议对信息进行解码后即可获得信息（图4-5）。因此，计算机网络系统运用在汽车上可以使得汽车上的各个控制计算机单元通过汽车上的局域计算机网络，从网络上获取所需的信息，或者将本控制系统中的各种信息发送给其它需要该信息的控制系统。汽车的中央控制计算机可以对所有控制系统的各种信息进行管理，并通过多功能显示屏向驾驶员提供尽可能多的信息，例如汽车的百公里燃油油耗、瞬时燃油消耗、续航里程、平均车速等，此外，还可以对汽车局域计算机网络内的各个计算机控制系统的工作状况进行监测，记录各个控制系统所发生的故障等。
4.3 提高汽车电器系统的可靠性
由于传统的汽车计算机控制系统之间的信息传递是通过线束，传递的是模拟量的信息。而模拟量信号在传递过程中容易受到外界的干扰。例如，汽车行驶时由于汽车的振动引起的接插件接触不良、线束屏蔽不良受到外界电磁辐射、接地不良以及不同控制系统的接地电压存在电压差等，都会引起所传递的信息失真，导致接收信息的计算机控制系统发出错误的执行指令。
汽车计算机网络系统传递信息的网络总线一般为双线，二根线上传递的是大小相等、相位相反的数字化信号（图4-5）。当信息在传递过程中受到外界干扰时，二根线上感受到的干扰信号的强度是基本相同的，接受信息的控制计算机只需要对所接收到的受到外界干扰的信号进行滤波，即可将外界的干扰降低到最低。因此，计算机网络系统运用在汽车上除了可以减少布置空间、降低成本外，另外一个最大的优越性就是，可以最大限度的降低外界电磁辐射的影响，抗干扰能力强，而且可以补偿接地不良等问题，从而保证所传递的信息具有较高的可信度。此外，由于汽车计算机网络系统传递信息的总线为双线，当传递信息的总线中的一根线出现故障（如断路、短路）时，信息仍然可以通过剩余的一根总线进行传递，汽车上的各个计算机控制系统仍然可以工作，不会出现传统的汽车电路中由于信号线或地线二者之一短路或者断路时整个系统无法工作的现象。由此可见，计算机网络系统运用在汽车上的这些优越性使得汽车电器系统的可靠性大幅度提高。
图4-5汽车计算机网络系统中的信息传递
汽车的计算机网络系统主要用于舒适性方面，如自动空气调节系统、卫星导航系统等。汽车的计算机网络系统（VAN 总线）示意图如图4-6 所示。在汽车的计算机网络系统中，中央控制计算机与图4-6所示的各子系统的控制计算机单元之间的信息通信是通过VAN 总线实现，中央控制计算机与其他子系统的控制
计算机单元（如发动机控制系统、ABS 控制系统等）之间的通信，仍然是用普通的线束实现。
图4-6某汽车的计算机网络系统示意图
汽车的中央控制计算机可以通过计算机网络实时管理41个主要的系统信息，例如，钥匙防盗密码、车门是否开启、前雨刮在停车时降低工作档位、后雨刮在倒车时自动工作、燃油量、燃油消耗量、续航里程、超速报警、低温行车时提示以及到达保养里程提示等等，并且还可以监测和记录各个控制系统工作中的故障，对于重要的故障，如发动机控制系统、ABS、安全气囊系统等故障，可以用报警灯提示驾驶员注意，同时便于在车辆维修时维修人员利用故障诊断仪读取车辆所发生的故障，在尽可能短的时间内排除故障。
5汽车网络技术发展前景
目前汽车上每一个总成几乎都是机械、电子和信息一体化装置。在系统中电子和信息部分所起的作用也越来越重要，以至于有人认为汽车正在由一个拥有大量电子技术与装置的机械系统转变为由一定机械装置支撑的电子系统。车上电子装置的增加使连接的电子线路迅速膨胀.线束越来越复杂。在汽车设计、装配、维护中的负担甚至到了无法承受的程度。而且线路接头的增加是引起安全向题的隐患。另外线的重量和占用的空间也都是值得考虑的问题，重量的增加意味着降低效率。线路体积(直径)太大在相对运动的部分之间过线非常困难，如车门窗的线束。所以在电子装置不断增加的情况下，减少线束成为一个必须解决的问题。使用传统的点到点平行连接方式显然无法摆脱这种困境，基于串行信息传输的网络结构成为一种必然的选择。
另一方面，随着汽车电子化的深化，以网络通讯为基础的线控技(X-By-Wire)将在车上普遍应用。这是汽车上对网络技术需求的另一个原因。所谓线控就是用电子信息的传送取代过去由机械、液压或气动的系统连接的部分，如换挡连杆、油门拉线、转向器传动机构、刹车油路等。它不仅是取代连接，而且包括操纵机构和操纵方式的变化，以及执行机构的变化(电气化)。这将改变汽车结构的一些概念。全面线控的实现将意味着汽车由机械到电子系统的转变。线控技术要求网络的实时性好、可靠性高，而且一些线控部分要求功能实现的冗余以保证在一定的故障时仍可实现这个装置的基本功能，就象现在的ABS和动力转向一样，在线路故障时仍具有刹车和转向的基本功能。这就要求用于线控的网络数据传输速度高，时间特性好(通讯事件发生时间是确定的)和可靠性高。
汽车上使用网络还有一个原因是计算机网络在生活由的广泛应用和智能交通系统的应用。这两种应用势必使汽车成为INTENET上的一个(或多个)终端。汽车可以提供任何在办公室或家庭中的网络信息服务。在智能交通体系中汽车应当具有接收和提供相关信息的功能(如接收/发送定位信号、地理信息服务、管理信息服务等)，发送本车状态信息、安全服务请求等。这一部分还与车上媒体系统共用一个网络，即车上多媒体与信息网。
早期汽车行业没有发展自身的通用网络标准，而是采用一些现有的常规标准，如UART(UniversalAsynchronous Recei ver /Tr ansmitter)。汽车生产厂家也主要是沿用汽车技术的传统发展模式，根据需要和自己以往的基础来开发网络系统，较少与外部合作。网络技术本身具有对标准依赖的特点。汽车网络系统和应用网络系统来源具有多样性，以及与车外网络联系的需要，必然要求形成和采用行业标准，并与电子信息产业合作。随着合作信心和效益的增加，这种在汽车行业内，以及与电子信息厂家的合作，采用行业标准的趋势越来越明显。这种标准化有利于不同部件或装置生产厂家产品的集成，这些产品可能来自其它行业。这种标准化也有利于设计的可操作性。设计时可以为尚未存在的装置或可替代的装置留出接口。最明显的是汽车软件接口(现在车上嵌入系统硬件的水平足以支持相对独立的软件，应当把这些软件看作为一种车上的(部件或总成)。这种标准化即所谓的开放结构(penA rchitecture)。
结论
本文介绍了计算机网络技术在汽车上应用的基本原理及其在汽车内外部的应用，汽车网络技术的优越及发展。
计算机网络系统在汽车上应用优点很多：可以使得汽车设计中线束和接插件的数量大幅度减少，汽车设计时电线束和接插件的布置更加容易；在同样数量电线束的条件下（与传统的汽车电路系统设计相比）可以增加汽车的功能；可以管理的公用信息以及可以提供给驾驶人员的信息大幅度增加；而且可以提高汽车各种控制系统的可靠性等。
计算机网络系统在汽车上应用，对于汽车（特别是轿车）的设计无疑会带来一次汽车设计上的变革，使汽车的设计人员可以开发出功能更全、更加舒适，并且可靠性更高的令用户满意的汽车。
致谢
本文是在张元老师的精心指导和同学们的帮助下完成的，在此，对他们表示由衷的感谢。
参考文献
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