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       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蟛灰恢拢枰谄噧?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?？刂菩畔⑼ㄟ^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<