◆文/山東 劉春暉

一、總線系統(tǒng)概述

1.為什么需要總線系統(tǒng)

現(xiàn)如今，不管是小型車輛還是高級車輛都使用了大量的車內(nèi)電子裝置。可以預(yù)見，在未來幾年內(nèi)電子組件的數(shù)量會明顯增加。無論是立法機構(gòu)還是客戶都要求進行這種改進。立法機構(gòu)關(guān)注于降低廢氣排放和燃油消耗，而客戶則希望不斷改善駕駛舒適性和安全性。

在很早以前車輛就已經(jīng)使用了能夠滿足這些要求的控制單元。例如，數(shù)字式發(fā)動機電子系統(tǒng)和安全氣囊系統(tǒng)就采用了控制單元。由此實現(xiàn)的復(fù)雜功能必然要求控制單元之間進行數(shù)據(jù)交換。通常情況下，通過信號線路傳輸數(shù)據(jù)，但由于控制單元的功能越來越復(fù)雜，只能以更高的成本實現(xiàn)這種數(shù)據(jù)傳輸方式。各個控制單元原本獨立的處理過程通過各種總線系統(tǒng)相互聯(lián)系起來。也就是說，對所有處理過程進行分配、在整個車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)完成處理過程，并使這些過程共同發(fā)揮作用，從而增加了車載網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換。此外，通過這種交換方式還能執(zhí)行很多新功能。其結(jié)果是帶來了更高的安全性和舒適性，而過去使用的車載網(wǎng)絡(luò)已無法實現(xiàn)這些要求。寶馬車總線系統(tǒng)在世界各國車型中的應(yīng)用較為典型，引領(lǐng)總線技術(shù)的發(fā)展，本文將重點對寶馬車總線系統(tǒng)進行介紹。

2.過去使用車輛線路的局限性

由于布線成本提高、生產(chǎn)成本提高、車內(nèi)空間要求提高、組件構(gòu)造難以控制以及整個系統(tǒng)可靠性下降等原因，車輛電氣化進程收到了限制。為了盡可能地減少這些不利因素，汽車上開始廣泛使用新一代車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(在下文中將該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)稱為總線系統(tǒng))。

總線系統(tǒng)可通過“串行接口”將車內(nèi)各個控制單元進行聯(lián)網(wǎng)，其具有下列作用：

(1)提高整個系統(tǒng)的可靠性；

(2)降低布線成本；

(3)減少各種電纜數(shù)量；

(4)減小電纜束橫截面；

(5)靈活布線；

(6)多重使用傳感器；

(7)能夠傳輸復(fù)雜數(shù)據(jù)；

(8)進行系統(tǒng)變更時更具靈活性；

(9)隨時能夠擴展數(shù)據(jù)范圍；

(10)為客戶實現(xiàn)新型功能；

(11)有效診斷及降低硬件成本。

二、信息傳輸方式

1.模擬信號

“模擬”這個概念來源于希臘語(Analogos)，表示“類似于”。模擬顯示數(shù)據(jù)(信息)是指通過直接與數(shù)據(jù)成比例的連續(xù)變化物理量進行表示。

模擬信號(圖1)的特點是，它可以采用0～100%之間的任意值。因此模擬信號電壓(或電流)的變化方式是連續(xù)的，如指針式測量儀表、水銀溫度計、指針式時鐘等。

圖1 模擬信號

在聽音樂時，人的耳朵就會接收到模擬信號(聲波連續(xù)變化)。汽車電氣設(shè)備(音響系統(tǒng)、收音機、電話等)以同樣的方式通過連續(xù)變化的電壓表示出聲音。但當這種電信號由某一設(shè)備向另一設(shè)備傳輸時，接收裝置接收到的信息與發(fā)射裝置發(fā)送的信息并不完全相同。這是由于下列干擾因素造成的：

(1)導線(電纜)長度；

(2)導線的線性電阻；

(3)無線電波；

(4)移動無線電信號。

出于安全技術(shù)的原因，在車輛應(yīng)用方面不會通過模擬方式傳輸信息。此外，電壓變化太小則無法顯示出可靠值(ABS、安全氣囊、發(fā)動機管理系統(tǒng)等)。

2.數(shù)字信號

“數(shù)字”這個概念來源于拉丁語“Digitus”，表示手指或腳趾，其本意是指可以用幾根手指算清的所有事務(wù)，或者更確切地說，“數(shù)字”就是可以分解為各自獨立的事務(wù)。

數(shù)字表示方式就是以數(shù)字形式表示不斷變化的物理量。尤其在計算機內(nèi)，所有數(shù)據(jù)都以“0”和“1”的序列形式表示出來(二進制)。因此，“數(shù)字”是“模擬”的對立形式。數(shù)字信號的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 數(shù)字信號

3.二進制信號

“Bi”一詞來源于希臘語，表示“2”。因此，一個二進制信號(圖3)只能識別兩種狀態(tài)，即0和1，或高和低。如車燈點亮或車燈未亮；繼電器觸點斷開或繼電器觸點閉合；供電或未供電；車門打開或車門關(guān)閉等等。

圖3 二進制信號

每個符號、圖片甚至聲音都可由特定順序的二進制字符來表述，如1001 0110。通過這些二進制編碼，計算機或控制單元可以處理信息或?qū)⑿畔l(fā)送給其他控制單元。

4.信號電壓

為了能夠清楚地區(qū)分高電壓和低電壓這兩種狀態(tài)，在汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中對信號電壓(圖4)作了明確的規(guī)定，高電壓為6～12V，低電壓為0～2V，2～6V之間屬于禁止范圍，只用于識別故障。

圖4 信號電壓

5.代碼表示

代碼就是一組由字符、符號或信號碼元以離散形式表示信息的明確的規(guī)則體系。例如，早年間在無線電通信中廣泛使用的電報機(圖5)，其發(fā)出的莫爾斯電碼就是信息代碼。莫爾斯電碼的每個字母和數(shù)字都是通過不同長度的信號序列進行加密的。

我們熟悉的求救信號SOS(Save Our Souls，拯救我們的生命)用莫爾斯電碼表示為：短短短——S；長長長——O。

6.比特和字節(jié)

計算機中的所有信息都以位(bit，亦稱比特，是二進制數(shù)字的最小信息單位)為單位進行存儲和處理的。因此，必須將所有數(shù)據(jù)(字母、數(shù)字、聲音、圖片等)轉(zhuǎn)換成二進制代碼，以便在計算機中進行處理。最常用的系統(tǒng)和代碼用8個位構(gòu)成一個字節(jié)，因此，可以對256個字節(jié)進行設(shè)碼。注意：換算系數(shù)不是1 000，而是1 024。

1千字節(jié)(kbit)= 210字節(jié)，即1 024字節(jié)；

1兆字節(jié)(Mbit)= 220字節(jié)，即1 024kbit(1 048 576字節(jié))；

1千兆字節(jié)(Gbit)= 230字節(jié)，即1 024Mbit(1 073 741 824字節(jié))；

圖5 莫爾斯電報機

三、接口的連接

如圖6所示，總線技術(shù)最早應(yīng)用在計算機內(nèi)部。電信號在計算機系統(tǒng)組件、微處理器、存儲器與輸入/輸出之間以并行方式傳輸，以此目的而使用的線路稱為總線。在計算機系統(tǒng)內(nèi)分為：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線。信息并行傳輸需要帶寬較大的線路系統(tǒng)，傳輸率(速度)較高。

信息通過計算機系統(tǒng)外的串行總線線路傳輸，即在控制單元之間傳輸。接口(圖7)負責建立計算機與周圍環(huán)境(其他設(shè)備)之間的連接。為了通過接口正確傳輸數(shù)據(jù)，所有設(shè)備必須使用相同的硬件和軟件。如果無法滿足這些前提條件，則由一個網(wǎng)關(guān)(控制單元)來完成。

圖6 計算機系統(tǒng)內(nèi)總線線路的示意圖

圖7 接口

通過接口連接不同設(shè)備時有點對點連接和多點連接兩種連接方式：

(1)點對點連接。點對點連接僅適用于在一條傳輸路徑上連接兩個設(shè)備，圖8表示的是一種點對點連接方式，這兩個控制單元通過K總線相互連接。

圖8 點對點連接

(2)多點連接。如圖9所示，多點連接時可在同一傳輸路徑上連接兩個以上的設(shè)備，為此必須為各設(shè)備分配明確的代碼(地址)，以便設(shè)備能夠有針對性地做出響應(yīng)，將傳輸路徑的控制功能主要分配給其中一個設(shè)備。該設(shè)備變?yōu)橹骺乜刂茊卧渌性O(shè)備都具有副控功能。

圖9 多點連接

四、數(shù)據(jù)傳輸方式

根據(jù)發(fā)送裝置向接收裝置傳輸信息時各字節(jié)的傳輸方式不同，數(shù)據(jù)傳輸方式分為并行傳輸和串行傳輸兩種形式。

1.并行傳輸

進行并行數(shù)據(jù)傳輸(圖10)時，發(fā)送裝置向接收裝置同時(并行)傳輸7～8位數(shù)據(jù)。以并行形式傳輸數(shù)據(jù)時，兩個設(shè)備之間的電纜必須包括7或8根平行排列的導線(加接地導線)。

圖10 并行傳輸

由圖10可以看出，采用并行傳輸方式時，其數(shù)據(jù)傳輸猶如在具有8條車道(車道相當于數(shù)據(jù)導線)的公路上行車(每輛車的載運量相當于一位數(shù)據(jù)，8輛車的載運量之和相當于一個字節(jié))，在同一時間內(nèi)，可以通過8輛車。其通行效率高，但要構(gòu)筑8條車道，建設(shè)成本高昂。

需要較高的傳輸速度時，通常使用這種傳輸方式。但是由于插接裝置和電纜方面的費用較高，因此只能在傳輸路徑較短時采用并行傳輸方式。例如：PC-打印機(現(xiàn)在已經(jīng)使用串行USB接口)，PC的硬盤，現(xiàn)也已經(jīng)使用串行SATA接口。

2.串行傳輸

串行傳輸(圖11)主要用于在數(shù)據(jù)處理設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)通信，在一根導線上以位為單位依次(連續(xù)形式)傳輸所需數(shù)據(jù)。

圖11 串行傳輸

由圖11可以看出，采用串行傳輸方式時，其數(shù)據(jù)傳輸猶如在具有1條車道(車道相當于數(shù)據(jù)導線)的公路上行車(每輛車的載運量相當于一位數(shù)據(jù)，8輛車的載運量之和相當于一個字節(jié))，在同一時間內(nèi)，只能通過1輛車。其通行效率低，但只需構(gòu)筑1條車道，建設(shè)成本低廉。串行傳輸方式的優(yōu)點是降低了布線成本，缺點是延長了數(shù)據(jù)傳輸時間。一個8位并行接口可在一個時間單位內(nèi)傳輸一個數(shù)據(jù)字節(jié)，而一個串行接口至少需要8個單位時間才能傳輸相同字節(jié)的數(shù)據(jù)。不過，傳輸距離越長才越能體現(xiàn)出串行傳輸?shù)膬?yōu)勢。

滿足下列某個或多個條件時大多使用串行傳輸方式：

(1)傳輸距離較長(如在兩個或多個距離較遠的控制單元之間傳輸數(shù)據(jù))；

(2)出于大量節(jié)約電線的考慮；

(3)對抗干擾能力(屏蔽導線)要求較高；

(4)系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小。

數(shù)據(jù)的傳輸速率(速度)一般使用位傳輸速率(也稱比特率)表示，其定義為每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)(bit)，單位為bit/s常寫作b/s。目前汽車上并行數(shù)據(jù)傳輸方式多在控制單元內(nèi)部線路中使用，而在控制單元外部傳輸信息則大都以串行傳輸方式進行。串行數(shù)據(jù)傳輸既可以采用同步傳輸方式，也可以采用異步傳輸方式。

3.同步數(shù)據(jù)傳輸

使用一個共同的時鐘脈沖發(fā)生器可保持發(fā)送裝置和接收裝置時間管理的同步性，這種方式就是同步傳輸方式(圖12)。采用同步數(shù)據(jù)傳輸時，只需使用發(fā)送裝置的時鐘脈沖發(fā)生器即可，但必須通過一根單獨的導線將其節(jié)拍頻率傳送給接收裝置。

圖12 同步傳輸方式

進行同步傳輸時，通常以信息組形式發(fā)送數(shù)據(jù)，且必須使接收裝置與信息組傳輸同步化。因此，在信息組起始處發(fā)送一個起始符號，在停止處發(fā)送一個停止識別符號。

4.異步數(shù)據(jù)傳輸

傳輸發(fā)送和接收裝置之間最常用的時間管理方式是異步傳輸方式。進行異步數(shù)據(jù)傳輸時，發(fā)送和接收裝置之間沒有共同的系統(tǒng)節(jié)拍。系統(tǒng)通過起始位和停止位識別數(shù)據(jù)組的開始和結(jié)束，只有當接收裝置確認已接收到之前的數(shù)據(jù)后，發(fā)送裝置才會傳輸后續(xù)的數(shù)據(jù)。異步傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸速率相對較慢，數(shù)據(jù)傳輸速率還取決于總線長度。

進行異步數(shù)據(jù)傳輸時，僅針對字符的持續(xù)時間建立并保持發(fā)送和接收裝置之間的同步性，這種方式又稱為起止方式。進行異步傳輸時，每個字符起始處都有一個起始位。接收裝置可通過該起始位與發(fā)送裝置的節(jié)拍保持同步，隨后發(fā)送5～8位數(shù)據(jù)位，并可能發(fā)送一個檢查位(校驗位)。在導線上發(fā)送數(shù)據(jù)位時首先發(fā)送最低值數(shù)位，最后發(fā)送最高值數(shù)位，此后，還有一個或兩個停止位。停止位用于在傳輸兩個字符之間形成一個最小的時間間隔，以便為接收裝置接收后續(xù)字符留出必要的準備時間。這種由起始位、數(shù)據(jù)位和停止位構(gòu)成的單位稱為數(shù)據(jù)幀。進行異步數(shù)據(jù)傳輸時數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 異步數(shù)據(jù)傳輸時數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)

發(fā)送和接收裝置的傳輸形式必須一致。也就是說，兩個設(shè)備內(nèi)的下列參數(shù)需調(diào)節(jié)一致：

(1)傳輸速率；

(2)奇偶校驗檢查；

(3)數(shù)據(jù)位的數(shù)量；

(4)停止位的數(shù)量。

5.數(shù)據(jù)總線上的信息流方向

(1)單工通信。如圖14所示，如果在數(shù)據(jù)總線上，信息流(數(shù)據(jù)流)只能由一個控制單元傳向另一個控制單元，而不能反向傳輸，則稱為單工通信。

(2)雙工通信。如圖15所示，如果在數(shù)據(jù)總線上，信息流(數(shù)據(jù)流)可以由一個控制單元傳向另一個控制單元，而且可以進行反向傳輸，則稱為雙工通信。

圖14 單工通信

圖15 雙工通信