汽車(chē)電力載波總線系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

汽車(chē)總線數(shù)據(jù)通信技術(shù)已得到了廣泛的應(yīng)用。目前這些總線都需要采用專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)線束，這將增加汽車(chē)的制造成本和維護(hù)難度，并給汽車(chē)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)不穩(wěn)定的因素。汽車(chē)電力載波總線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，在不增加汽車(chē)內(nèi)的線束的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)汽車(chē)內(nèi)ECU模塊間的數(shù)據(jù)傳輸和共享。本文就如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)該總線的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究。

關(guān)鍵詞 汽車(chē)電力載波 總線系統(tǒng) 調(diào)制 解調(diào) 跳頻

　　目前，現(xiàn)行的汽車(chē)總線標(biāo)準(zhǔn)很多，其中使用比較廣泛的有CAN總線、J1850等。這些總線都要采用專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)線束，且汽車(chē)的ECU單元對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟛灰恢拢枰谄?chē)內(nèi)同時(shí)布置幾個(gè)不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。另外，這些數(shù)據(jù)總線的實(shí)現(xiàn)又需要布置專(zhuān)用的數(shù)據(jù)通信線束，這樣增加了汽車(chē)內(nèi)的線束、制造成本和維護(hù)難度，給汽車(chē)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)不穩(wěn)定的因素。本文介紹一種新的汽車(chē)總線數(shù)據(jù)傳輸方式——汽車(chē)電力載波總線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，該方式在不增加汽車(chē)內(nèi)線束的基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)內(nèi)各ECU模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和共享。

1? 系統(tǒng)總線通信信道模型分析

　　與低壓電網(wǎng)載波通信系統(tǒng)一樣，汽車(chē)電力線載波系統(tǒng)的負(fù)載也是復(fù)雜和時(shí)變的。各種類(lèi)型的電器有時(shí)接通，有時(shí)斷開(kāi)，使得導(dǎo)線的阻抗特性具有很大的波動(dòng)性，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)隨負(fù)載的變化隨時(shí)發(fā)生改變，是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)。圖1所示的時(shí)變通信信道模型，可以用來(lái)表述汽車(chē)電力線載波總線系統(tǒng)。圖中，除了噪聲干擾被表示為加性的隨機(jī)干擾過(guò)程外，系統(tǒng)中其他的部分都以相應(yīng)的頻率響應(yīng)函數(shù)表示。通信系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)以及噪聲模型可以通過(guò)測(cè)量得到，也可以通過(guò)理論分析得到。這個(gè)系統(tǒng)模型比較全面地概括了通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的重要特性。

圖1? 汽車(chē)PLC系統(tǒng)時(shí)變通信信道模型

　　要進(jìn)一步研究汽車(chē)電力線載波系統(tǒng)的特性，就要確定信道模型中傳輸特性的參數(shù)。本文使用美國(guó)Aglient公司生產(chǎn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8712ES，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。對(duì)于一個(gè)汽車(chē)系統(tǒng)，足夠地、精確地描述車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)實(shí)際上是不可能的。這里采用實(shí)驗(yàn)法研究其信道模型。實(shí)驗(yàn)法是把系統(tǒng)看成一個(gè)黑箱，不需要精確知道箱內(nèi)結(jié)構(gòu)，只要通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到描述這個(gè)黑箱信號(hào)傳遞特性的傳遞函數(shù)就能表述這個(gè)系統(tǒng)。

圖2? 網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)構(gòu)框圖

　　對(duì)于汽車(chē)電力線載波通信信道，其頻率響應(yīng)是一個(gè)緩慢變化的隨機(jī)過(guò)程。這個(gè)隨機(jī)過(guò)程可以看成是一個(gè)方差為σ2的白噪聲經(jīng)過(guò)一個(gè)因果穩(wěn)定濾波器的輸出。正確地選擇這個(gè)濾波器的系數(shù)，就能把這個(gè)隨機(jī)過(guò)程用有限的參數(shù)表示出來(lái)。把已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)處理、分析方差的變化開(kāi)始變緩，可以確定系統(tǒng)頻率響應(yīng)，用3個(gè)系數(shù)和1個(gè)白噪聲的方差表示為:。根據(jù)模型系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性認(rèn)為，通信信道的頻率響應(yīng)應(yīng)該是白噪聲隨機(jī)過(guò)程經(jīng)過(guò)AR模型系數(shù)所構(gòu)成的濾波器后的輸出，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)編制程序來(lái)產(chǎn)生信道的頻率響應(yīng)。這里假定系數(shù)都是獨(dú)立的高斯隨機(jī)變量，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3? 汽車(chē)電力線載波通信信道響應(yīng)仿真結(jié)果

　　本文在大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量的基礎(chǔ)上，在500 kHz～10 MHz頻帶上對(duì)汽車(chē)電力線載波通信信道的傳輸特性進(jìn)行了研究，并用隨機(jī)信號(hào)處理方法建立了信道幅頻特性的3階自回歸模型，得到以下結(jié)論:

　　①? 汽車(chē)電力線載波通信信道不存在通常低壓電力線載波通信信道都會(huì)遇到的多孔徑傳輸?shù)膯?wèn)題。
　　②? 汽車(chē)電力線載波通信信道具有時(shí)變性，在頻域內(nèi)，該時(shí)變性只發(fā)生在5 MHz以下的頻率范圍內(nèi)；在頻率高于5 MHz的頻率時(shí)，時(shí)變性不明顯。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4? 汽車(chē)載波通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理框圖

　　根據(jù)系統(tǒng)總線通信信道模型分析，汽車(chē)電力載波總線采用汽車(chē)載波通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議；同時(shí)，結(jié)合汽車(chē)內(nèi)各電器對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求的實(shí)際情況，組建不同數(shù)據(jù)速率的汽車(chē)線束載波通信網(wǎng)絡(luò)。高速載波通信網(wǎng)絡(luò)將汽車(chē)內(nèi)需要高數(shù)據(jù)傳輸速率的模塊連接在一起，而對(duì)速率要求不高的電器模塊則使用低速通信網(wǎng)絡(luò)。這樣，汽車(chē)內(nèi)的所有電器就可以通過(guò)很少的幾根電力線束分別連接在一起，組成幾個(gè)子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)之間通過(guò)網(wǎng)間連接器（網(wǎng)關(guān)）實(shí)現(xiàn)信息共享，達(dá)到汽車(chē)各電器模塊的協(xié)同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)智能控制。圖4是汽車(chē)載波通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理框圖。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的汽車(chē)載波通信系統(tǒng)中，各電器模塊與載波通信模塊之間的連接采用新的汽車(chē)載波通信總線標(biāo)準(zhǔn)。

　　本設(shè)計(jì)中的汽車(chē)載波通信系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，整體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈樹(shù)狀分布。系統(tǒng)中包括一個(gè)主控制模塊和多個(gè)從控制模塊。從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，整個(gè)通信系統(tǒng)就是由主控制模塊、汽車(chē)電力線束以及從控制模塊組成，在系統(tǒng)中汽車(chē)電力線束同時(shí)也起到了通信信道的作用。圖5顯示了連接在汽車(chē)內(nèi)載波通信系統(tǒng)中的主控制模塊與電動(dòng)門(mén)窗及電動(dòng)椅等負(fù)載的連接情況。控制信息通過(guò)汽車(chē)電力線束，在各個(gè)控制模塊之間傳輸。

圖5? 汽車(chē)載波通信系統(tǒng)負(fù)載連接原理

3? 系統(tǒng)控制單元的實(shí)現(xiàn)

　　采用載波通信技術(shù)的智能汽車(chē)照明控制系統(tǒng)包括主控制模塊及從控制模塊。圖6為系統(tǒng)控制單元連接框圖。從圖中可以看出，除了外部接口外，主控模塊與從控模塊之間沒(méi)有太大的差別。它們都包括有CPU模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、耦合模塊。這些都是進(jìn)行載波通信所必需的單元。下面將詳細(xì)論述這幾部分模塊的具體實(shí)現(xiàn)。

圖6? 系統(tǒng)控制單元連接框圖

　　各個(gè)控制單元系統(tǒng)采用了PIC系列單片機(jī)，主控制單元采用的是PIC16F877，而從控制單元采用的則是PIC16F873。 PIC(Peripheral Interface Controller，外圍接口控制器)，是由美國(guó)Microchip公司推出的單片機(jī)系列。

3.1? 主控制單元的具體實(shí)現(xiàn)

　　下面以主控制單元中CPU模塊的具體應(yīng)用為主，介紹系統(tǒng)中CPU的具體實(shí)現(xiàn)。圖7所示為主控制單元CPU模塊的控制連接電路。

　　主控制模塊沒(méi)有具體的負(fù)載控制要求。根據(jù)功能的不同，它可以分為內(nèi)部系統(tǒng)及外部系統(tǒng)兩部分。外部系統(tǒng)方面，主要起與系統(tǒng)外部進(jìn)行信息交流的作用，包括人機(jī)接口及CAN總線模塊。通過(guò)該部分，系統(tǒng)可以接收由外部發(fā)送過(guò)來(lái)的命令，同時(shí)也能夠?qū)⒈鞠到y(tǒng)的各個(gè)單元模塊狀態(tài)信息發(fā)送給外部系統(tǒng)。內(nèi)部系統(tǒng)方面，主控制單元的任務(wù)是將外部來(lái)的命令轉(zhuǎn)化為具體的控制內(nèi)容，發(fā)送給系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)從控制單元，以及接收各個(gè)從控制單元發(fā)送上來(lái)的狀態(tài)信息，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行起管理控制作用。

圖7? 主控制單元CPU模塊控制連接電路

　　主控制模塊外部系統(tǒng)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)它與外部系統(tǒng)的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖6所示，系統(tǒng)擴(kuò)展的CAN總線接口用于與汽車(chē)內(nèi)的其他子系統(tǒng)的信息交流，以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)內(nèi)各子系統(tǒng)的信息共享，使它們能夠協(xié)同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的智能控制。主控制模塊擴(kuò)展的鍵盤(pán)模塊用于接收操作人員的控制命令。

　　總線系統(tǒng)內(nèi)部信息的交流是通過(guò)載波耦合模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)上述分析可知，系統(tǒng)的信號(hào)耦合模塊包含發(fā)送、接收兩個(gè)部分。將發(fā)送、接收耦合輸出分開(kāi)，可以避免系統(tǒng)內(nèi)部的信息傳輸混亂。

　　另外，主控制單元還擴(kuò)展了一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)信息顯示模塊，該模塊通過(guò)一系列LED來(lái)顯示系統(tǒng)內(nèi)各從控制單元的運(yùn)行狀態(tài)。由于主控制單元的接口較多，所以采用了具有33個(gè)輸入/輸出引腳的作為主控制單元控制CPU。

　　對(duì)于各個(gè)從控制單元，由于它們不需要與系統(tǒng)外部的模塊進(jìn)行信息交流，不需要有太多的外部接口，所以選用了具有較少21個(gè)輸入/輸出引腳的PIC16F873單片機(jī)作為從控制單元控制CPU，以節(jié)約成本。從控制單元包括CPU模塊、載波通信模塊以及控制負(fù)載的電力電子模塊。

3.2? FSK調(diào)制、解調(diào)的實(shí)現(xiàn)

　　在載波通信系統(tǒng)中，從CPU模塊出來(lái)的信號(hào)是經(jīng)過(guò)編碼處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列。本系統(tǒng)采用的信號(hào)調(diào)制、解調(diào)過(guò)程分為兩層，即FSK調(diào)制解調(diào)以及擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)。

　　本系統(tǒng)中，F(xiàn)SK調(diào)制策略的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)使用兩個(gè)集成芯片來(lái)完成的： 一個(gè)作為調(diào)制芯片，另一個(gè)作為解調(diào)芯片。系統(tǒng)的FSK調(diào)制是通過(guò)使用壓控晶振(VCO)芯片實(shí)現(xiàn)的。該芯片產(chǎn)生一個(gè)正弦波，其輸出信號(hào)的頻率與加到該芯片的直流電壓成正比。通過(guò)改變VCO芯片的給定電壓，就可以改變其輸出交流信號(hào)波形的頻率，然后利用這個(gè)交流正弦波進(jìn)行FSK調(diào)制。具體電路如圖8所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)采用了信號(hào)發(fā)生器芯片XR2206。該芯片是一個(gè)多用途電壓控制晶振器，特別適用于FSK信號(hào)調(diào)制。芯片只需要很少的外圍器件就能夠正常工作。芯片引腳7及引腳8處的電阻與引腳6處的電容一起決定了設(shè)備在邏輯"1”及邏輯“0”處的信號(hào)頻率。引腳3處的分壓電路用來(lái)對(duì)芯片的輸出正弦信號(hào)進(jìn)行整形。（引腳3及引腳6處的外接電路圖中未畫(huà)出。）

圖8??FSK信號(hào)調(diào)制電路

　　FSK信號(hào)的解調(diào)是通過(guò)一個(gè)鎖相環(huán)集成芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該鎖相環(huán)使得輸入信號(hào)波形保持頻率鎖定。當(dāng)輸入信號(hào)波形的頻率改變時(shí)，鎖相環(huán)將產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)志信號(hào)，促使鎖相環(huán)改變鎖定頻率，以重新匹配輸入信號(hào)的頻率。通過(guò)仔細(xì)地調(diào)節(jié)芯片電路，使得鎖定頻率與邏輯“1”及邏輯“0”兩個(gè)頻率的中間頻率相一致。具體的解調(diào)電路如圖9所示。由圖可見(jiàn)，系統(tǒng)是通過(guò)芯片RC2211N來(lái)進(jìn)行FSK解調(diào)操作的。根據(jù)上面的分析，該芯片是基于一個(gè)鎖相環(huán)拓?fù)湓砉ぷ鞯摹ｋ娐分兄匾耐獠吭ㄒ_8及引腳13的外接元件。這些元件的參數(shù)設(shè)置了鎖相環(huán)的中間頻率、衰減系數(shù)及增益。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，信號(hào)經(jīng)過(guò)FSK調(diào)制后，將被發(fā)送到跳頻擴(kuò)頻調(diào)制模塊以對(duì)信號(hào)進(jìn)行跳頻擴(kuò)頻調(diào)制。

圖9? 信號(hào)FSK解調(diào)電路

3.3? 跳頻擴(kuò)頻信號(hào)調(diào)制、解調(diào)的實(shí)現(xiàn)

　　結(jié)合汽車(chē)內(nèi)的電磁環(huán)境及汽車(chē)電力線束載波信道特性，系統(tǒng)采用了跳頻擴(kuò)頻調(diào)制方式。跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)不論慢跳還是快跳，一般輸入調(diào)制信號(hào)是已調(diào)制數(shù)字信號(hào)s(t)，其載波一般采用中頻波段，然后進(jìn)入跳頻系統(tǒng)的“變頻器”(乘法器)，與受控于PN碼的“頻率合成器”所提供的隨機(jī)改變其頻率值的另一射頻，作為載波與之相“混頻”后，由帶通濾波器輸出發(fā)送信號(hào)，構(gòu)成擴(kuò)頻調(diào)制系統(tǒng)發(fā)送模塊。而在接收端，進(jìn)行與此相反的一個(gè)過(guò)程。信號(hào)調(diào)制是用來(lái)提高在強(qiáng)干擾條件下基本通信系統(tǒng)的性能的，使得系統(tǒng)能夠識(shí)別并且避免有強(qiáng)干擾存在的頻段。

圖10? 跳頻擴(kuò)頻信號(hào)調(diào)制電路

　　跳頻擴(kuò)頻信號(hào)調(diào)制是使用集成芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖10所示。具體的流程： 壓控芯片MAX8038提供的高頻擴(kuò)頻載波信號(hào)被發(fā)送到集成芯片MC1496，由該芯片完成載波信號(hào)與FSK調(diào)制信號(hào)的幅度調(diào)制操作。芯片MC1496是一種乘法器，它工作在抑制載波幅值調(diào)制模式。在抑制載波幅度調(diào)制模式下，載波頻率沒(méi)有被傳輸，這樣就能夠得到更大的傳輸效率。高頻載波信號(hào)產(chǎn)生芯片MAX8038是一種壓控信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)的頻率為10 kHz～ 20 MHz。跳頻擴(kuò)頻信號(hào)的解調(diào)原理與調(diào)制過(guò)程是相似的，調(diào)制后的高頻擴(kuò)頻信號(hào)被發(fā)送到MC 14%乘法器芯片，與前面過(guò)程同頻的載波信號(hào)相乘進(jìn)行幅度解調(diào)操作，就可以得到跳頻擴(kuò)頻信號(hào)的解調(diào)信號(hào)。

4? 總線系統(tǒng)通信性能測(cè)試

　　為了對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了系統(tǒng)在不同的數(shù)據(jù)傳輸速率下的各個(gè)控制端口接收、發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸誤碼率情況。

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試是以在某個(gè)固定數(shù)據(jù)傳輸速率下，先測(cè)試主控制單元，后測(cè)試每個(gè)從控制單元的順序進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)編程設(shè)置相應(yīng)按鈕的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試的要求，比如，如果需要測(cè)試主控制單元發(fā)送信號(hào)時(shí)，各從控制單元接收信號(hào)的誤碼率，可以直接按下事先設(shè)置好的按鈕，使系統(tǒng)中的主控制單元進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，直到該控制按鈕被再次按下時(shí)為止。實(shí)驗(yàn)發(fā)送的數(shù)據(jù)被設(shè)置為從00H到FFH的循環(huán)，這樣在接收端通過(guò)接收到的數(shù)據(jù)值與事先設(shè)置好的值比較，就可以知道數(shù)據(jù)發(fā)送的正確與否。如果接收到的數(shù)據(jù)與事先設(shè)置的數(shù)據(jù)不相等，則錯(cuò)誤次數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)將加1。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置每次發(fā)送的字節(jié)數(shù)為5 000次，這樣能夠較準(zhǔn)確地評(píng)估系統(tǒng)的性能，排除一些偶然的因素。具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。

表1? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　實(shí)驗(yàn)表明，在汽車(chē)內(nèi)利用汽車(chē)線束進(jìn)行電力線束載波通信是可行的。該技術(shù)能夠在減少汽車(chē)內(nèi)使用的線束的基礎(chǔ)上，提高汽車(chē)的智能化水平。電力線束載波技術(shù)在汽車(chē)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸方面有很大的應(yīng)用前景。