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发布时间:2020-06-03 11:50:29

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作者:肖广兵

出版社:电子工业出版社

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车载网络技术──基于Simulink仿真设计

车载网络技术──基于Simulink仿真设计试读:

前言

随着通信技术和汽车行业的迅速发展,早期的车载网络技术已经颇显陈旧。特别是随着智能汽车、智能交通的兴起和大面积推广,新一代车载网络技术已经开始得到长足的发展,并表现出迅猛的发展势头。

传统的车载网络技术以有线数据通信为主,如CAN总线、LIN总线等,虽然在安全性和可靠性方面有较大的优势,但其智能化程度低,兼容性较差。事实上,随着智能汽车的发展,多种智能网络并存、优势互补的要求也越来越明显。在传统有线车载网络的基础上,作为智能汽车、智能交通标志性通信传输方式的无线车联网技术也跃跃欲试。虽然目前无线车联网技术还没有大规模投产应用,但部分领头羊,如Google公司,已经在其Smart Car中率先大面积集成了无线车联网技术,在未来汽车的发展方向上做了初步的尝试。

当前市面上有很多有关车载网络的书籍,书中的内容主要以传统的有线网络为主,集中对CAN、LIN等网络的介绍,存在一定的局限性。部分书籍只讲解了最基本的入门知识,还不能真正为读者在以后的工程实践中提供最好的帮助,而有些书籍则主要面向业内专业人士,内容相对晦涩难懂,而且往往仅限于在某个很窄的工程应用领域进行分析介绍,很难拓展到其他分支学科中;而从国外引入的部分书籍,在翻译的过程中,有的是简单的字面翻译,甚至只是把所有的知识点简单地罗列在一起,不便于读者的学习。

本书由浅入深地讲述车载网络技术的知识点,以Simulink实例讲述科学和工程常用实例的仿真应用。书中所有的实例仿真都以MATLAB 7.x为版本,基本覆盖了从事车载网络工程研究所需要的知识点。

在本书的撰写过程中,得到了很多同事、友人的帮助,他们不仅为本书的编写提供了大量有关的参考资料、实验数据,还综合自身第一线的课堂讲授经验,为本书提供了不可多得的宝贵意见。本书还融合了作者在新西兰奥塔哥大学攻读计算机博士学位期间的研究成果和在平时实践项目中的实战经验,并把它从整个项目体系中抽象出来,用于教材中知识点的示例讲解,让读者能在学习书本知识的同时了解一定的工程实践内容,从而提高自己的动手操作能力。

本书从最初的酝酿、编写到最终的出版,得到了新西兰奥塔哥大学计算机系、南京林业大学汽车电子与交通工程学院各位领导、老师的大力支持和鼓励,他们也为书中的内容提出了很多宝贵的建议,在此深表谢意。同时,更要感谢我的家人,如果没有他们在背后的默默支持,这本书也不能如期出版。

由于时间紧迫,加之作者本人水平有限,书中难免会有疏漏和错误之处,真诚地恳请各位读者、同行批评和指正,同时也希望和大家一起学习和交流。编著者第1章初识车载网络

随着当前汽车保有量的逐年提升,车载网络以其优越的性能和完善的应用得到了广大汽车生产厂商和车辆工程设计师的青睐。

相比传统的纯机械式汽车,当前车身内部各种传感器、控制器和执行器通过点对点的方式相互连接,构成复杂的网状结构,即为车载网络的原型。

在本章内容中,主要向读者介绍车载网络的发展历史、基本功能特性以及车载网络在实际车辆中的基本应用。【本章重点】

1.车载网络的发展历史;

2.车载网络的功能和特点;

3.车载网络的基本应用。【本章难点】

1.车载网络的功能和特点;

2.车载网络的基本应用。1.1 车载网络简介

近年来,随着车载电控系统的日益复杂,整车系统对车身各个电控单元相互之间通信能力的要求也日益增长。传统车载系统各个控制单元之间采用点对点的连接方式使得车内线束增多,从整车内部通信的可靠性、安全性以及重量等方面给汽车设计和制造带来了明显的困扰。为了减少车内连线,实现数据的共享和快速交换,提高整车系统中数据传输的可靠性,在快速发展的计算机网络上实现了CAN、LAN、LIN、MOST等基础构造的汽车电子网络系统,如图1.1所示,即为车载网络。图1.1 通用车载网络的结构分类图

车载网络(Vehicular Network,VNET)也称为车辆通信网络。该通信网络作为新型的车辆通信网络,可以实现车辆内部设备之间(Port to Port,P2P)、车辆与车辆之间(Vehicle to Vehicle,V2V)以及车辆与道路基础设施之间(Vehicle to Infrastructure,V2I)的复杂数据通信,为车辆的运行提供多种安全应用(如事故预警,交通管理)和非安全应用(如故障诊断,路况指示,Internet接入及车辆间多媒体数据传输等)。

近年来在汽车行业中,整车中的各个零部件由纯机械产品向机电一体化、电控设备网络化逐步转变。这些车载电子技术的应用改革,都离不开对车载网络的依赖,如车载CAN网络故障诊断、不停车智能收费系统、车联网多媒体智能交互系统等。

ABI研究公司最新发布的研究报告显示,到2020年,以太网车载网络的覆盖率将达到40%,平均年增长率为1%。报告中提到,以太网车载网络发展的关键是由博通公司成立的“OPEN”标准化组织(One-Pair Ether-Net Alliance SIG)所引入的BroadR-Reach汽车以太网标准。BroadR-Reach技术为满足汽车行业的严格要求而设计,通过单对非屏蔽双绞线提供高性能的100Mb/s带宽,由于无须布设昂贵、笨重的屏蔽电缆,汽车的制造可以极大地降低互连成本,减少电缆重量。

需要说明的是,车载网络的迅猛发展离不开数据通信、计算机网络和微电子技术的迅速发展,俨然已经成为当前车辆工程设计和科学研究的前沿热点和焦点。同时在数字信息技术和网络技术高速发展的后PC时代,无线车载网络因其体积小、可靠性高、功能性强和灵活方便等优势,逐步渗透到整车设计、故障诊断以及智能交通等日常生活的各个领域,对车辆工程相关行业的技术改造、产品更新换代、网络化进程加速以及车载数据通信效率提高等方面起到了极其重要的推动作用。1.2 车载网络的发展历史1.2.1 车载网络的背景

随着汽车技术的发展,汽车所能提供的功能也日新月异;更重要的是,绝大部分汽车零部件及整车系统已经逐步从原有的纯机械系统向网络化智能终端发展。在每个电控单元中,ECU除了需要与和自身相连的多个传感器、执行器等进行数据通信,还需要与其他电控单元中的ECU进行数据交换。在严格意义说,这种纯粹通过点对点连接的方式并不能称为车载网络,因为网络的本质是资源共享。但不可否认的是,正是这种设备与设备之间最原始的线路连接,为后续车载网络的发展奠定了基础,也成了车载网络的原型。

显而易见,这种传统的点对点线路连接存在以下问题。

1)增加汽车的生产和使用成本

由于电控单元较多,车身中存在大量的线束和接插件,使得在有限的汽车空间内进行布线和装配越来越困难,这也无疑增加了汽车的生产制造成本。其次,大量的线束和接插件也会增加车身自重,影响汽车的燃油经济性。实验表明,车身自重每增加50kg,油耗会增加0.2L/100km。

2)影响汽车使用的安全性和可维护性

随着汽车电控单元的增加,线路也变得越来越复杂,导致车身线束的数量呈几何指数增长。错综复杂的线束使得汽车电气线路的故障率急剧提高,也降低了汽车电子电器与电子控制装置的可靠性。同时,当汽车电器设备出现故障时,不仅难以对故障进行诊断,而且维修也较为困难,这也在一定程度上阻碍了汽车产业的发展。

随着汽车系统中电控单元的大幅增加,为了简化线路,实现相关信息在各个汽车电器设备中的数据共享,提高车辆数据信息传输的实时性和可靠性,降低汽车的故障率,汽车制造商和相应的研发部门开始设计具有一定组织结构的数据通信网络,开发新的工业总线系统,即车载网络,来进一步规范、替代原有的通信线束,如控制器局域网(Controller Area Network,CAN),局部连接网络(Local Interconnect Network,LIN)和局域网(Local Aare Network,LAN)等。在车载网络中,各个电控单元相互连接构成网络,相关信息通过数据总线进行传输,从而实现信息资源共享。

相比最原始的车载网络模型,近年来车载网络的规范性和系统性使得汽车的综合控制性能得到了大幅提升,信息资源在车载网络中进行共享和交互,汽车系统中复杂的控制成为可能。例如,在新能源汽车电池管理系统中,驾驶员可以方便地通过CAN网络对多块车载动力锂电池的工作状态进行实时监控和在线故障诊断,在驾驶员和汽车之间构建一个良好的交互接口,如图1.2所示。图1.2 新能源电动汽车动力锂电池管理系统1.2.2 车载网络的发展历程

从第一辆汽车的诞生到现在,可以粗略地将车载网络的发展划分为单体电器设备、总线式车载网络级电控单元和信息化车联网三个发展阶段,即朝着信息融合化、智能网络化的方向发展。

1.第一阶段(单体电器设备)

从20世纪60年代中期开始,汽车生产制造商就逐步采用部分能替代机械控制单元的电子控制装置,即汽车电器设备。例如,部分车型采用晶体管电压调节器替代原有的机械式电压调节器,传统的机械式点火装置也被新型的电子点火单元取代,如图1.3所示。图1.3 不同类型的汽车点火装置

这一阶段的汽车电器设备以单体的形式独立运行为主,各个设备之间数据信息交换较少,或通过线束连接进行简单的数据通信。这是车载网络诞生初期的基本形式,在汽车发展的初期也能在一定程度上满足车身内部数据信息的交换需求,在一定程度上促进了汽车车载网络的发展。

2.第二阶段(总线式车载网络)

20世纪90年代,汽车电子控制得到了迅猛发展,能够实现多种控制功能的计算机对汽车电器设备、电控单元等进行集中管理,而传统的独立电子控制系统则被逐步取代,初步实现了汽车车载网络从单一的电子控制系统向有线式网络化电子控制系统的过渡,如图1.4所示。图1.4 系统级电控单元及其网络拓扑

例如,日产公司的车门多路传输集中控制系统,GM公司的车灯多路传输集中控制系统等,都已采用铜网线进行批量生产。与此同时,一系列车载网络标准也应运而生,如Bosch公司的CAN网络标准,美国汽车工程师学会SAE提出的J1850i标准,马自达的PALMNET标准以及德国大众的ABUS标准等。

2000年以后,随着车载网络进一步规范化发展,低端LIN网络得到了广泛应用。由于汽车各个系统对数据的传输速率要求不同,汽车上常用的总线分为CAN总线和LIN总线两大类。一般而言,CAN总线用于对数据传输速率和带宽要求较高的场合,如发动机电控单元和ABS电控单元等;而LIN总线则通常被用于对数据传输速率要求较低的场合,为车载网络提供相应的辅助功能,如智能传感器和车身系统之间的数据通信。

目前,多路总线传输技术在国内外已经成功运用到各种品牌汽车上,部分汽车生产厂商也对汽车多路总线传输执行了相应的标准规范,且还在不断推出新的总线形式及相关标准。表1.1列举了部分典型车载网络的名称、概况、通信速度以及相应的对接单位等信息。表1.1 常见的车载网络

3.第三阶段(信息化车联网)

近年来,车载网络在传统有线式、集成电控单元的基础上得到了新的发展,甚至重新定义了车载网络的概念。目前对VANET的研究基于多种无线技术,如专用短距离通信(Dedicated Short Range Communication,DSRC),UMTS,WiMAX和Bluetooth,Zigbee等。虽然未来的车载网络系统具体采用哪种技术实现车辆间互联还没有定论,但协议标准化的进程大致沿着DSRC这条技术路线不断发展(见图1.5)。

1999年,美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)在5.9GHz分配了75MHz频段用于DSRC通信。2002年,American Society for Testing and Materials (ASTM)组织确定了DSRC规范E2213-02,将5.9GHz纳为规格制定方向,IEEE802.11a则被采用为物理层传输技术。

2003年年底,ASTM又推出下一版本DSRC规范E2213-03,并受到FCC的青睐,成为北美DSRC规范。与此同时,FCC又在DSRC频段制定了相应的服务规则。之后ASTM决议将E2213-03标准移往IEEE制定,主要是期望以IEEE的影响,对DSRC规范的推广有所帮助。2004年,IEEE成立802.11p工作组以制定IEEE802.11在车辆环境下无线接入(Wireless Access in the Vehicular Environment,WAVE)的版本,并以IEEE1609系列协议作为上层协议,从而形成车辆通信网络的基本协议构架。目前WAVE标准的正式版本尚未发布,VANET历时十余年的标准化进程仍在继续。图1.5 下一代新型无线车载网络

车辆通信和组网中的一些关键问题也是学术界研究的热点,车辆通信网络的MAC协议设计便是其中之一。可靠而高效的接入控制对于移动环境下拓扑频繁变化的VANET来说尤为重要。另外,FCC进一步将DSRC频段分为带宽为10MHz的7个独立的信道,包括一个控制信道(CCH)和6个服务信道(SCH),同时规定控制信道用于安全应用和控制信息的交互,服务信道用于承载非安全应用。这个规定使得采用多信道构架的MAC协议设计成为可能。

可以看到,在VANET中,车辆节点间除了进行安全信息的交互外,也会与路边基础设施或其他车辆通信以获取丰富的非安全信息。而如果让整个网络的安全和非安全应用都在一个信道上完成,则难以保证安全应用的服务质量(Quality of Service,QoS),因为大量的非安全信息可能导致网络拥塞,使安全消息无法有效传递,从而严重削弱VANET在主动安全方面的重要作用。

另外,车辆数量的增加将加剧网络中的竞争和冲突,在单信道配置下非安全应用的QoS也无法保证。采用多信道的MAC机制是解决上述问题直接而有效的方法之一。通过将不同的服务和终端分隔在不同的信道上,多信道MAC协议可以获得更高的网络吞吐量和更低的网络时延。很自然地,在车辆网络中如何合理而有效地利用多个信道进行通信就成为一个十分值得探讨的问题。

目前已经有了一些有关VANET的多信道MAC机制的研究,WAVE标准中的MAC协议也是基于多信道的,但是还有很多问题尚待解决,例如目前已有的多信道MAC协议缺乏有效的机制为安全应用提供无冲突和低时延的传递,而且MAC协议的适应性还不够好,无法适应不同密度下的车辆网络的需要。所以考虑到VANET的特殊环境,多信道MAC协议的研究中还有很多问题值得探讨。1.3 车载网络的分类和功能特点1.3.1 车载网络的分类

车载网络是所有车身数据通信网络的总称,其中包含了高速CAN网络、低速LIN网络等,其基本结构如图1.6所示。图1.6 车载网络系统的基本结构

通常情况下,可以将常用的车载网络进行如下分类。

1.按网络拓扑结构分类

所谓网络拓扑结构是指网络中的计算机或单元设备与信息传输介质形成的节点与数据传输线的物理构成模式。车载网络的拓扑结构主要包括总线型结构、星型结构和环型结构几种。

1)总线型拓扑结构

总线型拓扑网络是一种信道共享的物理结构,如图1.7所示。在这种拓扑网络中,总线具有双向传输信息的功能,这也是在车载网络中普遍应用的网络结构,用于连接汽车电器设备之间的连接,构成控制器局域网。一般情况下,总线型拓扑结构采用同轴电缆或双绞线作为网络的传输介质。图1.7 总线型网络拓扑结构

一般情况下,总线型拓扑结构网络具有安装简单、可以方便地实现节点的热增加和热删除、单个节点的故障不会影响整个系统的可靠性等优点。由于网络中所有的节点设备都采用同一个总线进行数据传输,因此信道的利用率比较高。

但总线型拓扑结构也存在自身的缺点,由于信道共享,负载节点的数量不宜过多。此外,网络对总线自身存在较大的依赖性,一旦总线发生故障,会导致部分设备不能正常工作,甚至引起整个网络的瘫痪。

一般情况下,车载网络绝大部分都采用这种总线型拓扑结构,如车载CAN网络总线。动力CAN总线的传输速率可达500Kb/s,主要用于动力系统和底盘系统的数据传输;而舒适CAN总线的传输速率为100Kb/s,主要用于辅助性设施,如中央门锁系统和车窗玻璃升降设备等电器设备的连接。

2)星型拓扑结构

星型拓扑结构是一种以中央节点为中心,将若干外围节点连接起来的辐射式互联结构,如图1.8所示。

星型结构的拓扑网络具有如下优点:结构简单;网络安装容易;通常选用集线器或路由器等作为中心节点,方便网络维护和管理。但同时也存在如下缺点:中心节点负载过重;信道线路使用率较低;网络数据传输对中心节点依赖过大;系统可靠性偏低。

从应用角度而言,车载网络的重要目标之一就是简化设备之间的连线结构,使用较少的线束实现各个车载电器设备单元之间的相互连接,所以星型网络拓扑结构并没有从根本上简化车载网络各个设备之间的连接,只能在某些特定的车载电控单元中使用,如宝马系列的安全气囊系统就是采用的星型拓扑结构。

3)环型拓扑结构

环型拓扑结构由各个节点首尾相连形成一个闭合的环状线路,数据信息沿着环状线路单向传输,即沿着一个方向从某一个节点传输到另一个节点,如图1.9所示。需要注意的是,由于线路损耗及信号的衰减,通常在每个节点中都安装中继器,用于接收、放大和发射信号。图1.8 星型网络拓扑结构图1.9 环型网络拓扑结构

环型拓扑结构具有结构简单、组网方便、易于管理等优点,但同时也存在传输数据量大时网络负载剧增,从而影响传输效率、增加或删除节点困难等缺点。除此以外,从网络可靠性角度来看,只要环状网络中的任意一个节点发生故障,就会引起整个网络的瘫痪,具有较低的可靠性。

2.按传输速率分类

对于不同的网络而言,其传输速率也是各不相同的。美国汽车工程师学会的汽车网络委员会综合系统的复杂程度、数据流量、传输速率、网络可靠性、延迟时间等参量,将汽车数据传输网络划分为A、B、C、D、E五类,具体如图1.10所示。图1.10 不同网络传输速率比较

A类网络是面向传感器、执行器控制的低速网络,数据传输速率通常小于10Kb/s,主要用于车身后视镜的调节、电动车窗以及灯光照明等电控单元的数据传输。

B类网络是面向独立模块间数据共享的中速网络,数据传输速率在10Kb/s~125Kb/s之间,主要应用于车身电子舒适性模块和仪表显示等系统。

C 类网络是面向高速、实时闭环控制的多路传输网络,数据传输速率在125Kb/s~1Mb/s之间,主要用于牵引力控制、发动机控制以及ABS、ESP等车载系统。

D类网络是智能数据总线IDB(Intelligent Data Bus)网络,主要面向影音娱乐信息、多媒体系统,数据传输速率在250Kb/s~100Mb/s之间。需要补充说明的是,按照SAE的分类,IDB-C为低速网络,IDB-M为高速网络,IDB-wireless为无线通信网络。

E类网络是面向汽车被动安全系统(如安全气囊)的车载网络,其数据传输速率为10Mb/s。

从目前的汽车制造行业来看,通常都采用多种网络技术相互组合在汽车上进行综合应用。例如,与车身舒适性相关的车载控制单元都采用低速CAN总线进行相互连接,并通过LIN总线对外围设备进行控制。而对于车载高速控制系统而言,通常会使用高速CAN总线将其连接在一起。

近年来,车载多媒体网络在各类汽车上受到了广泛的欢迎,如车载视频、车载蓝牙技术等。由于这类车载网络需要高速互联,数据传输量大,甚至在车载视频传输过程中还需要进行数据同步,因此多采用DDB(Domestic Digital Bus)总线或者MOST(Media Oriented Systems Transport)总线。特别值得一提的是,随着无线网络技术的迅速发展,车载无线网络也得到了广泛应用,如蓝牙技术,Zigbee技术等。不难预测,在不久的将来,无线网络技术将为车载网络揭开新的篇章。1.3.2 车载网络的功能特点

车载网络的根本目标与通用数据网络类似,即数据信息的共享。具体到在汽车的实际应用,车载网络的基本功能可以归纳为以下四点。

1.数据的网络化传输

随着车载单元的高度智能化、集成化,如果仍然采用传统的单线连接的方式,显然无法满足数据共享的基本要求。为了减少电器线束的数量,传统的多路传输通信系统可以以数字信号的形式通过公用的传输线路进行传输。与汽车相关的各种数据信息通过网络进行传输,提高了网络资源的利用率,也实现了各个电器设备之间的网络化连接,具体如图1.11所示。

2.汽车故障自诊断

汽车在使用过程中不可免地会出现各种各样的故障。为了克服传统故障诊断对维修工工作经验、逐个设备排除检查的依赖性,提高故障诊断及维修的效率,车载网络通过故障码的形式对各个设备的运行状态及故障进行诊断,如图1.12所示。图1.11 车载控制单元之间数据信息的网络化传输图1.12 网络化汽车故障诊断

一般而言,故障自诊断包括通信系统的自诊断模式和系统输入线路的故障自诊断模式两种。换句话来说,车载网络的自诊断除了可以对通信网络的运行情况进行诊断外,还可以对汽车电器设备的工作状态进行诊断。

车载网络利用数据总线将汽车上的各个功能单元模块连接起来,形成车载数据信息传输与共享的网络系统。在车载网络中,发送数据和控制信号的功能模块将数据和控制信号以编码的方式发送到总线上,而接收数据和控制信号的功能模块通过解码获得相应的数据和控制命令。

因为也具备计算机网络的基本特征,如资源共享等,车载网络也是计算机网络的一种。但车载网络作为计算机网络在汽车领域内的一个特殊应用,又呈现出部分与汽车相关的网络特点,具体如下所述。(1)由于使用总线技术代替了传统的点对点连接的导线,在为车身布线提供方便的同时,还大幅削减了导线的数量和体积,降低了线路成本。(2)由于减少了线路和节点,信号传输和整机线路的可靠性大幅提高。(3)改善了系统网络的拓扑结构,提高了系统的灵活性,通过系统软件即可实现控制系统功能的变化与维护升级。(4)为汽车故障诊断提供通用接口,通过故障代码等形式对网络通信或车载控制单元进行测试诊断,便于维修人员对车载设备进行维护和故障检修。1.4 车载网络的应用仿真1.4.1 车载网络的仿真平台

在开始研究车载网络系统之前,需要熟悉了解相应的仿真工具及其开发环境。选择一款适合实际工程应用的开发环境是非常重要的。一般而言,MATLAB软件中的Simulink是最常见的车载网络系统开发环境之一,如图1.13所示。图1.13 Simulink仿真平台

Simulink是MATLAB软件中最重要的组件之一,它提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中,用户无须大量编写程序,只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰、仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,已被广泛应用于通信系统的复杂仿真和设计。此外还有大量的第三方软件和硬件可支持Simulink。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具,是一种基于MATLAB的框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,即系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只须单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果,如图1.14所示。图1.14 Simulink仿真的可视化操作

Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对于各种时变系统,包括通信、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统,Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能,也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成,可以直接访问MATLAB的大量工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

Simulink模块库按功能进行分为以下8类子库:Continuous(连续模块),Discrete(离散模块),Function&Tables(函数和平台模块),Math(数学模块),Nonlinear(非线性模块),Signals&Systems(信号和系统模块),Sinks(接收器模块)和Sources(输入源模块)。

在不同的模块中同时还包含了多种不同的功能单元,具体如表1.2所示。表1.2 常见的车载网络(续表)1.4.2 车载内部网络及其Simulink仿真实例

在如图1.15所示的仿真样例中,采用了虚拟CAN网络的形式建立起一个车载CAN网络通信模型,定时发送、接收数据。所有用于CAN网络接收数据和发送数据的Simulink模块均由车载网络工具箱(Vehicle Network Toolbox)提供,如图1.15所示。图1.15 Simulink仿真的CAN通信系统

在本仿真实例中,主要使用了以下模块:CAN Configuration模块,CAN Pack模块, CAN Transmit模块,CAN Receive模块和CAN Unpack模块。

整个仿真系统与各个Simulink模块的基本功能如下所述。

CAN Transmit模块主要用于在CAN网络中发送数据信息,其中ID标志为250的CAN Transmit模块每隔1s发送一帧数据,而ID标志为500的CAN Transmit模块每隔0.5s发送一帧数据。

每个CAN Pack模块均接收到一个数据计数器的输入信号,其计数上限为50,计数值满后清零重新进行计数,同时又连接到CAN Transmit模块中的Vector Virtual Channel 1。

CAN Receive模块主要用于在CAN网络中从Vector Virtual Channel 2接收数据信息。每当接收到一个新的数据信息后,CAN Receive模块将出发一个调用函数。

图1.16分别绘制了两个CAN收发器在仿真过程中不同收发器(收发间隔为1s和0.5s)在不同时间下CAN网络中数据信息收发的状况。不难看出,ID标志为250的CAN Transmit模块发送的数据量是ID标志为500的CAN Transmit模块发送数据量的一半。图1.16 Simulink仿真的CAN通信系统1.4.3 车载外部网络及其Simulink仿真实例

图1.17给出了在Simulink中对城市交通流进行仿真的两组案例。在HEED算法中,远离基站的簇头(车辆)通过邻居簇头(车辆)对接收到的数据进行中继转发。此外, HEED算法中簇头的选举主要取residualprob决于节点的剩余能量E和初始选举概率C。在簇头选举过程中,每个城市车辆根据公式(1-1)计算自身成为簇头的概率。probmax

其中,CH是当前车辆被选为簇头的概率,E是当前车辆的最大存储能量。图1.17 Simulink仿真中HEED和CCRA-HEED通信算法

HEED算法是典型的层次型路由算法,它根据相应的分簇协议从城市车辆中周期性选举簇头,由簇头转发来自各个车辆节点的数据,并通过单跳将数据信息转发至基站。在HEED算法中,整个网络负载被均匀分布到所有的城市车辆上,避免了部分传感区域的车流过于集中,从而引发负载不均衡继而交通阻塞的问题。HEED算法不仅克服了簇头在传感区域内可能存在分布不均衡的问题,也无需假设在所有应用场合下所有的节点都能直接与基站进行通信。

与HEED算法相比,CCRA-HEED构建了3层网络结构。各个感知圆周中的车辆将收集到的数据信息通过蜂窝节点转发给簇头,簇头汇聚各个蜂窝节点的数据信息后再将数据传送至基站。由于圆形覆盖区域内的车辆可以通过较短的传输距离将数据发送至蜂窝节点,无需直接与簇头进行通信,因此可以大幅降低网络的能量消耗。

图1.18分别描述了簇内未分割和非定长圆状分割条件下城市车辆的最大感知半径r、覆盖冗余度和交通流生命周期T之间的关系。图1.18 Simulink仿真中HEED和CCRA-HEED通信算法图1.18 Simulink仿真中HEED和CCRA-HEED通信算法(续)第2章车载网络的基本结构与模型

计算机、控制器和通信技术的发展,尤其是微处理器技术和集成电路技术的快速发展,使得车辆控制技术朝着信息化、网络化方向发展,现场总线技术就是其中最具有代表性,也是最为核心的技术。可以认为现场总线技术在车辆网络中的应用是汽车工业趋于成熟的重要标志。

在本章内容中,主要向读者介绍现场总线技术以及车载网络的结构,结合具体的实际工程应用介绍车载网络相应的参考模型。【本章重点】

1.现场总线的概念与特征;

2.车载网络的拓扑结构;

3.车载网络的参考模型。【本章难点】

1.车载网络的拓扑结构;

2.有线式车载网络的参考模型;

3.无线式车载网络的参考模型。2.1 车载网络的结构与组成

在通常意义上来讲,通信网络的主要功能是将多条数据总线连接到一起,或者将数据总线和通信模块连接成一个系统,实现数据信息的共享。相比于计算机网络,车载网络是在通信协议的控制下,由一个或者多个车载设备,或者若干个车载终端,通过相应的传输介质(有线介质或无线介质)相互连接在一起,共同完成车载数据信息的交互和共享。

从第一辆汽车诞生到现在,可以粗略地将车载网络的发展划分为单体电器设备、总线式车载网络和信息化车联网三个发展阶段。整个汽车网络也不断地朝着信息融合化、智能网络化的方向发展。

从车载设备之间相互连接的通信媒介来看,可以大体上将当前信息化车联网阶段的车载网络分为有线式车载网络和无线式车载网络。顾名思义,有线式车载网络是指汽车各个单体设备之间以及车身和车外设备之间主要通过有线的方式(双绞线、同轴电缆、光纤等)进行连接,进而实现车载信息的数据交换,如图2.1所示。通常情况下,有线式车载网络大多都采用现场总线的数据通信结构,如车载CAN总线和LIN总线等。现场总线具有数据传输效率高、误码率低以及抗干扰性强等优点,但同时也存在布线困难、多媒体性差等不足之处。

随着近年来信息化车联网技术的蓬勃发展,原有的有线式车载网络(现场总线技术)已经不能满足车载网络的功能性要求,如在智能交通领域车辆与道路之间的数据信息交换,以及汽车舒适性系统里车载视频流媒体的播放等。为了满足这些智能车辆的交互需求,越来越多的车载网络开始采用无线数据通信,这也使得无线式车载网络系统得到了迅速发展,如新能源汽车的车载智能锂电池管理系统、城市车辆监控追踪管理系统等,如图2.2所示。图2.1 有线式车载网络的基本结构图2.2 无线式车载网络的基本结构2.1.1 有线式车载网络的拓扑结构

通用有线式车载网络系统的基本拓扑结构如图2.3所示。事实上,由于整个车身系统的网络拓扑结构较为复杂,通常采用多条不同速率的总线分别连接不同类型的节点设备,通过网关服务器实现整车数据信息的共享和网络化管理。

在车载网络中,动力与传动系统的控制对象直接关系到汽车的行驶状态和安全,对通信的实时性具有较高的要求,因此该系统中的设备节点都采用高速总线(粗实线)进行相互连接。各个设备节点的数据信息以广播的形式在高速总线上进行传输,各个节点根据自身需求决定是否接收或获取相应的数据信息。数据信息在高速总线上通过不同的优先级进行传输,具有较高的传输速率。图2.3 车载网络的基本结构

相反,车身系统电控单元对数据的实时性要求较低,但数据量较大,因此可以采用低速的现场总线。通过高速总线和低速总线将具有不同实时性要求的节点设备分隔开来,可以实现汽车动力传输系统与电控系统的相互分离,以保证汽车对动力传输在实时性方面的要求。同时,车载网络中的低速总线可以增加数据通信的传输距离,提高数据的抗干扰能力,也能在一定程度上降低车载网络的硬件成本。2.1.2 无线式车载网络的拓扑结构

在汽车发展的信息化进程中,不可避免地需要实现车-车之间和车-路之间,甚至是人-车-路三者之间的信息交互。这些媒体交互、智能控制的数据信息传输靠传统的有线式车载网络往往是难以实现的,而无线数据传输恰恰为这些车载功能的实现提供了较为完善的解决方案,如车载蓝牙语音系统、ETC不停车收费系统等,都是通过无线式车载网络实现车辆信息的交互传输。

无线网络在车载网络中的应用也处于刚刚起步阶段,未能像有线式网络(现场总线)那样具有较为成熟的发展体系。仅从网络的拓扑结构而言,车载无线网络没有固定的网络拓扑,通常是采用星型结构、树型结构或者复杂网络结构等方式进行组网。在第1章中已经介绍过各种网络拓扑结构的优劣势,在这里就不再赘述。

大量的终端节点(传感器节点)随机部署在监测区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对整个无线网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据,具体如图2.4所示。图2.4 无线通信网络的拓扑结构

从通用无线网络的组成结构来看,可以将网络中的所有节点设备大致分为以下3类:终端节点或传感器节点;路由节点;协调器。

1.终端节点

通常来说,终端节点通过小容量电池供电,因此其处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。从网络功能上看,每个终端节点除了进行本地信息收集和数据处理外,还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合,并与其他节点协作完成一些特定任务。

2.路由节点

路由节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强,它是连接无线通信网络与Internet 等外部网络的网关,实现两种协议间的转换,同时向终端节点发布来自上层管理节点(协调器)的监测任务,并把终端节点收集到的数据转发到外部网络上。从某种程度上而言,路由节点可以是一个具有增强功能的终端节点。相比终端节点而言,路由节点能够提供更为丰富的系统资源和功能,如Flash和SRAM中的所有信息传输到计算机中,通过汇编软件,可以方便地把获取的信息转换成汇编文件格式,从而分析出底层终端节点所存储的程序代码、路由协议及密钥等机密信息,同时还可以修改程序代码,并加载到底层终端节点中。

3.协调器

所谓协调器,在整个网络中扮演着网络组织管理的角色,无线网络中的协调器主要用于动态地管理整个无线通信网络。从功能上而言,外部授权人员可以通过协调器访问无线通信网络的相应资源。需要说明的是,在无线通信网络中,协调器并不是必不可少的,部分网络中可选择不使用协调器。2.2 现场总线技术2.2.1 现场总线的基本概念

现场总线(Fieldbus)是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线,它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题,如图2.5所示。由于具有简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点,现场总线受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。图2.5 现场总线的基本结构

现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它是一种工业数据总线,是自动化领域中底层数据的通信网络。

简单而言,现场总线就是以数字通信替代了传统4~20mA模拟信号及普通开关量信号的传输,是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统,主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

2003年4月,IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准,规定了10种类型的现场总线,如下所述。

Type 1 TS61158现场总线;

Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线;

Type 3 Profibus现场总线;

Type 4 P-NET现场总线;

Type 5 FF HSE现场总线;

Type 6 SwiftNet现场总线;

Type 7 World FIP现场总线;

Type 8 Interbus现场总线;

Type 9 FF H1现场总线;

Type 10 PROFInet现场总线。2.2.2 现场总线的功能和特点

现场总线技术可以实现工业设备信息的全数字化通信传输,便于构成工业现场底层控制网络。由于各个工业设备通过开放型的网络进行相互连接,通信标准的公开一致,使得系统具备较高的开放性、可操作性和互用性,在一定程度上实现了工业设备的规范化和智能化通信,使得各种不同的电器设备可以通过总线技术进行资源共享,具有较好的兼容性。同时,现场总线的分布式组网模式也决定了总线系统的高度分散性,将特别适用于一些受地理位置条件限制的工业环境。

现场总线使得工业设备进入了信息网络的行列,在一对双绞线上连接了多个控制设备,易于组网,删减维护方便,具有较低的成本和较高的可靠性。

同样,现场总线也和其他数据通信网络一样存在部分缺点,如网络通信中数据包传输延迟明显,通信系统中可能会出现瞬时错误和数据包的丢失,以及数据发送和到达的次序不一致等情况,这些问题都有可能破坏传统控制系统原本所具有的确定性,使得对控制系统的分析与综合变得更加错综复杂,并影响到系统的整体性能和可靠度。2.2.3 几种常见的现场总线

目前国内外市场现场总线技术发展迅速,常见的现场总线有以下几种。

1.基金会现场总线(Fieldbus Foudation)

FF现场总线的体系结构参照了ISO/OSI参考模型的第1层(物理层)、第2层(数据链路层)和第7层(应用层)的协议,并在此基础上增加了用户层。FF现场总线分为低速H1总线和高速H2总线两类。通常情况下,H1低速总线作为过程控制中的低速总线,传输速率为31.25Kb/s,相应的传输距离为200m、400m,1200m和1900m四种,最多可挂接32个节点设备。物理传输介质支持双绞线、同轴电缆和光纤等。同时H1低速总线符合IEC1158-2标准,支持总线供电和本质安全防爆。相比之下,H2高速总线具有较高的传输速率,高达100Mb/s,被大量使用在以太网技术领域。

2.过程现场总线(Profibus)

Profibus现场总线可以分为3种不同的类型,即分布式外围设备Profibus-DP、现场总线报文规范Profibus-FMS以及过程自动化Profibus-PA。无论是何种类型,过程现场总线都采用了开发系统ISO/OSI参考模型中的物理层和数据链路层,如图2.6所示。图2.6 ISO/OSI标准7层参考模型

不同的是,分布式外围设备Profibus-DP用于现场层的高速数据传送,删除了其他的第3~7层,而增加了直接数据连接拟合作为用户的接口;在这一级,中央处理器(如PLC、PC)通过高速串行线同分布式现场设备(I/O口、驱动器、阀门等)进行通信。

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