汽車電力載波總線系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

汽車總線數(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門的數(shù)據(jù)線束，這將增加汽車的制造成本和維護(hù)難度，并給汽車內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸帶來不穩(wěn)定的因素。汽車電力載波總線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，在不增加汽車內(nèi)的線束的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)汽車內(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門的數(shù)據(jù)線束，且汽車的ECU單元對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟛灰恢?，需要在汽車?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)又需要布置專用的數(shù)據(jù)通信線束，這樣增加了汽車內(nèi)的線束、制造成本和維護(hù)難度，給汽車內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸帶來不穩(wěn)定的因素。本文介紹一種新的汽車總線數(shù)據(jù)傳輸方式——汽車電力載波總線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，該方式在不增加汽車內(nèi)線束的基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)汽車內(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。各種類型的電器有時(shí)接通，有時(shí)斷開，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，可以用來表述汽車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測(cè)量得到，也可以通過理論分析得到。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PLC系統(tǒng)時(shí)變通信信道模型

　　要進(jìn)一步研究汽車電力線載波系統(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)汽車系統(tǒng)，足夠地、精確地描述車載網(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)過程。這個(gè)隨機(jī)過程可以看成是一個(gè)方差為σ2的白噪聲經(jīng)過一個(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)過程用有限的參數(shù)表示出來。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)過程經(jīng)過AR模型系數(shù)所構(gòu)成的濾波器后的輸出，可以通過計(jì)算機(jī)編制程序來產(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:

　?、? 汽車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)膯栴}。
　?、? 汽車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，汽車電力載波總線采用汽車載波通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議；同時(shí)，結(jié)合汽車內(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)速率的汽車線束載波通信網(wǎng)絡(luò)。高速載波通信網(wǎng)絡(luò)將汽車內(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，汽車內(nèi)的所有電器就可以通過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)之間通過網(wǎng)間連接器（網(wǎng)關(guān)）實(shí)現(xiàn)信息共享，達(dá)到汽車各電器模塊的協(xié)同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)汽車智能控制。圖4是汽車載波通信的網(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載波通信總線標(biāo)準(zhǔn)。

　　本設(shè)計(jì)中的汽車載波通信系統(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)的角度來看，整個(gè)通信系統(tǒng)就是由主控制模塊、汽車電力線束以及從控制模塊組成，在系統(tǒng)中汽車電力線束同時(shí)也起到了通信信道的作用。圖5顯示了連接在汽車內(nèi)載波通信系統(tǒng)中的主控制模塊與電動(dòng)門窗及電動(dòng)椅等負(fù)載的連接情況。控制信息通過汽車電力線束，在各個(gè)控制模塊之間傳輸。

圖5? 汽車載波通信系統(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。通過該部分，系統(tǒng)可以接收由外部發(fā)送過來的命令，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)是通過它與外部系統(tǒng)的接口來實(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內(nèi)的其他子系統(tǒng)的信息交流，以實(shí)現(xiàn)汽車內(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)汽車的智能控制。主控制模塊擴(kuò)展的鍵盤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載波耦合模塊來實(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，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，該模塊通過一系列LED來顯示系統(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模塊出來的信號(hào)是經(jīng)過編碼處理的二進(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)是通過使用兩個(gè)集成芯片來完成的： 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出。）

圖8??FSK信號(hào)調(diào)制電路

　　FSK信號(hào)的解調(diào)是通過一個(gè)鎖相環(huán)集成芯片來實(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，系統(tǒng)是通過芯片RC2211N來進(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?。電路中重要的外部元件包括引腳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)合汽車內(nèi)的電磁環(huán)境及汽車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)過程。信號(hào)調(diào)制是用來提高在強(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)可以通過編程設(shè)置相應(yīng)按鈕的功能來實(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，在汽車內(nèi)利用汽車線束進(jìn)行電力線束載波通信是可行的。該技術(shù)能夠在減少汽車內(nèi)使用的線束的基礎(chǔ)上，提高汽車的智能化水平。電力線束載波技術(shù)在汽車內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸方面有很大的應(yīng)用前景。