车用线束与CAN总线控制车内通信技术动向

admin

       在现代汽车上,电子控制系统与线束有着密切关系。如果把微机、传感器与执行元件的功能用人体来比喻，可以说微机相当于人脑，传感器相当于感觉器官，执行元件相当于运动器管。显然，只有头脑和各种器官，没有神经和血管，人体的手足将不能发挥应有的功能。

       连接汽车的电气电子部件并使之发挥功能的电线束，就是起汽车中“神经与血管”的作用。线束是由构成电路的电线组成，它既要确保传送电信号，也要保证连接电路的可靠性，向电子电气部件供应规定的电流值，防止对周围电路的电磁干扰，并要排除电器短路。       汽车的线束从功能来分，有传递传感器输入指令的信号线和运载驱动执行元件(作动器)电力的电力线二种。信号线是不运载电力的细电线(光纤维通信)，电力线则是运送大电流的粗电线。例如信号电路用的导线截面积为0.3、0.5mm2；在电机、执行元件用的导线截面积为0.85、1.25mm2，而电源电路用导线截面积为2、3、5mm2；而特殊电路(起动机、交流发电机、发动机接地线等)则有8、10、15、20mm2不同规格。导线截面积越大，电流容量也越大。电线的选择，除了考虑电气性能外，还要受到车载时物理性能的制约，因此其选择范围很广。例如，出租汽车上的频繁开/关的车门和跨越车身之间的电线应该由挠曲性能良好的导线构成。在温度高的部位使用的导线，一般采用绝缘性和耐热性良好的氯乙烯、聚乙烯包覆的导线。近年来，微弱信号电路使用的电磁屏蔽线也不断增加。
       另外，连接线束与电子、电气部件、电路的重要部件——接插件近年来也不断进行改进。例如采用电阻焊制造的车用接插件与新型线束材料成功应用于车顶模块(roof module)上。
       随着现代汽车安全性、舒适性及环保要求的不断提高，汽车上的电路数量与用电量显著增加，从而使大量线束在有限的汽车空间中如何更有效合理布置已成为汽车制造业面临的问题。本文以汽车线束为中心，并对车载通信技术的现状与今后发展动向作概要介绍。
       汽车线束的发展概况
       汽车线束为了适应车辆的高功能化和用户需求的多样化，在车上占用空间逐渐扩大。而事实上，为了提高汽车的燃油经济性和减轻重量，电线本身从原来的AV线不断减少直径，经过AVS线到AVSS线。线束直径不断减少。而且近年来多路传输技术(车载局域网(LAN))的应用使得电路数大为减少。图1表示1800～2000mL排量级的乘用车上的电路数与线束最大直径的变化过程。但是从线束的发展趋势来看，其车载数量仍然在增加，而在高级轿车上 电路数甚至超过2000个。
       作为减轻线束重量的有效方法之一是电源电压采用42V。从电动动力转向(EPS)或电动空调装置等要求大电力负荷来看，由于在不增加电流的条件下(电线截面积不增加)有可能增加电力供应,因此被认为是一种有效方法。另一方面,随着电源电压上升,也发生电磁噪声或漏电等安全问题,不得不采取带屏蔽的导线或防水接插件,于是又使线束的重量增加。因此,随着车载局域网应用的普及,要求采用对电磁干扰具有高屏蔽特性的导线材料。
       在上世纪90年代以来，以欧、美、日汽车整车公司为中心，不断推广使用模块化生产方式，作为模块内配线介质，采用平面配线材料例如柔性化印刷电路(FPC:flexible printed circuit)或柔性化平面电缆(FFC:flexible flat cable)。在模块中特别是配线空间非常有限的车顶、车门及配电板(Console)中，作为兼顾扩大车厢空间与提高线束布置有效性的方法，预计在今后将会进一步推广。
       随着柔性化印刷电路应用于模块，以及电子部件的装配或传感器部件的集成化，从而使配线材料向高功能方向发展。例如FPC在仪表板上的应用与膜片(membrane)支承传感器或在天线上应用，就是很好的实例。
       在多路通信功能方面，由于通信量增加以及扩大在安全功能方面的应用与多媒体信息的获取，在这种发展形势下向更高速、高可靠性的通信协议发展。预计今后，不仅在车辆内部，而且在道路与车辆之间，车辆与车辆之间等领域，网络技术将进一步获得应用。导线作为汽车内部的通信介质，将向高速化、耐电磁干扰而且向“光化”(即采用光导技术发展方向)变化。
       车用线束的高电压化(42V)
       由于线束电源电压高压化，使消耗电流降低，电线直径减少，因此为线束轻量化与提高线束在车上的组装方便性提供了可能。可是，电源电压从现有的14V提高到42V，约提高2倍，就会产生很多必须解决的课题，
       ·泄漏
       ·短路
       ·电蚀
       ·电磁噪声
       ·电弧放电
       其中最重要也是最不易解决的是电弧放电。电弧放电是指通电中，当触点或端子分离时发生的放电现象。在42V场合，这时称为稳定电弧就会发生。这种电弧与14V电源电压相比，延续时间长，其放电能量也非常大。电弧的中心温度高达几千度，这是非常危险的现象。
       特别是插接件拔出时发生的电弧放电，由于与用户直接接触，因此尽早采取相应保护措施。以下介绍如何防护插接件的电弧放电的措施。
       ●采取最优化的端子材料
       ●有效分散端子双触点的电弧放电能量
       ●改进插接件壳体以提高插接件的拔出速度
       ●采用磁铁消除电弧放电
       其中，在大中电流通过场合，被认为对电弧放电最有限制效果的是采用磁铁。这是指，通过磁场的作用，使电弧发生扭曲，增加触点之间的间隙也具有同样的效果。例如Fujikura公司就开发了这种技术，通过附加磁场方法与使磁通量密度最优化，成功地使电弧放电能量稳定下降。
       该公司除了线束部件外，还开发了熔断器与搭载继电器的42V用电源
       箱(R/B,J/B)或42V三相同步电机用线束总成等。采用R/B、J/B 42V电源箱，特别在发动机舱容易沾水的地方，漏电、电蚀等影响尤为显著，因此必须适当规定电路之间距离。当采用线束总成时，限制电磁噪声是重要课题，因此要开发专用屏蔽式线束及有效防水的插接件。所以说，在采用42V电压方面，确实为解决有关课题作出了努力，但是由于采用屏蔽结构与防水结构而使重量增加。为此，在采用42V电源时必须有针对性地采取措施，对不必要部件要加以剔除，而且在采取措施方面，也要讲究保护程度，分门别类，仔细分析。这是今后重要的思路，不过，迄今42V只应用于高级轿车上，而用于普及型轿车方面的开发还刚刚开始，因此，当应用42V电气系统时必须对整车的成本作平衡分析，这也可以说是42V技术的共同课题。
       迄今，有关42V的研究开发的世界团体是麻省理工学院(MIT)的咨询机构。日本Fujikura在1999年开始加入该组织，并且参与活动。目前，日本、欧洲与美国通过合作正在制定42V标准。可以期待，由于制定42V标准，将降低部件成本，以加速42V电源的普及。
       实施42V电气系统将从双电压(14V、42V)结构系统起步，逐步过渡到单一42V电气系统，需要多长时间才能完成由14V向42V转变，取决于汽车电子技术的发展和消费者承受能力。
       车内局域网(LAN)通信协议的现状与发展动向
       随着电子技术在汽车上广泛应用,导致车身布线庞大而复杂。据统计,一辆采用传统布线方法的高级轿车中，其导线长度可达2km，电气接点可达1500个，因而汽车网络技术应运而生，成为汽车技术发展的一个方向。
       很早以来，多路通信技术被看成解决车用线束不断增加的方法。世界各大汽车制造公司都制定专用标准。可是，多路通信技术由于价格昂贵只用于高级车上。近年来，车用电子系统不断增加，数据输送速度不足，并且小型经济型车也要求向高功能方向发展，再加上线束不断增加，形成“肥大化”，因此，以此为背景，自2000年开始，在国外轿车上开始使用控制器局域网(CAN)的标准通信协议。
       现在,最多使用的通信协议就是高速CAN，其中最重要的局域网应用于动力传动系统与部件车身系通信。控制器局域网(CAN)的特点是，事件触发器(Event trigger)、CSMA/CA方式(如果总线空载，则所有电控单元均能发出信号，而当信号冲突时，让高优先度信号先发出，然后再是其他信号发出)。当网上信息量增加时，就很难保证响应时间和预测性。在现代高级轿车上设有70个以上电控单元，由于网络上信息量有不断增加的趋势，所以网络加以分割，在每一个车身系或动力传动系分别设有网络，只有必需的数据通过网间连接器(gateway)进行转接(在车辆内应用二个通信协议)。
       以下概要介绍车身系、动力传动系、多媒体系统及用于安全系统的车内局域网(附表)。
       1.车身系
       (1)低速控制器局域网CAN(Controller Area Network.～125kbps)这是CAN的低速版本。其构成与高速CAN基本相同，但是在双线式总线中，即使单侧发生故障(短路、断线)仍然继续通信。导线介质是铜线，使用单线或双绞电线。
       (2)LIN(Local Interconnect Network,～20kbps)
       LIN是局部互联网，这是车身系统低速通信专用的通信协议，使用成本低(I/F为通用型的UART)，主/从方式(采用单个主控制器/多个从设备的方式)。Rev.2.0规格已经公布(2003年9月)，导线采用铜线(单线)。
       2.动力传动系
       (1)高速控制器局域网(Controller Area Network,～1Mbps)
       这是现在最广泛使用的车内局域网通信协议。其特点是，事件触发器，CSMA/CA方式。预计在北美自2007年开始，高速CAN(500kbps)作为诊断用通信协议将制定标准并成为法规。导线为铜线，一般使用双绞线。
       (2)FlexRay(～10Mbps)
       FlexRay是高速容错网络协议,是新一代的车内局域网通信协议。以欧洲为中心，正在开发中。Ver.2.0规格已公布(2004年9月)，其特点是高速性，采用TDMA方式(采用同步方式，以通信程序进行管理)，高可靠性(设有双线束驱动器，具有信号发送定时监视功能)，可考虑应用于汽车安全系统中，搭载Flex Ray的汽车预计在2008年问世。在Ver.2.0上使用铜线。
       (3)多媒体系统
       ①MOST(Media Oriented Systems Transport,～24.5Mbps)
       它是以欧洲车为中心，已经实用化。通信导线使用塑料光纤(POF:plastic fiber)。
       ②IDB-1394(～400Mbps)
       这是广泛应用于个人微机的周边设备、家电的IEEE1394的车载版，导线为铜线及塑料光纤(POF),但尚未用于车辆上，不过在2004年世界智能交通系统(ITS)会议在日本爱知、名古屋展出过试制车。
       4.安全系统
       (1)Safe-by-wire(～160kbps)
       Safe-by-wire就是车载安全系统的电子线控，它是应用在安全气囊等安全系统的专门通信协议。Safe-by-wire Consortium与BST合并，成立Safe-by-wire plus Consortium，并公布了ASR2.0(2004年9月)。其特点是电源重叠方式，TDMA方式，高可靠性(网络双重化)导线采用铜线。
       现在正在对车身系的各个系统适用的专用通信协议进行分析。今后，由于成本、信息量及其所要求的可靠性，必须考虑使用对各系统最适用的通信协议。
       对于通信线束来说，由于通信速度的高速化发展，必须考虑电磁兼容性(EMC)问题而采取必要的屏蔽措施。将来有可能从现在采用的双绞线改为屏蔽线或者进一步改为塑料光纤(POF)。采用塑料光纤既能解决电磁兼容性问题，又能实现轻量化。由玻璃制造的光纤的应用将进一步实现更高速通信，但必须解决成本、组装性、环境友好性诸类的问题。
       此外，通过车内局域网的扩大应用，使电控单元(ECU)软件开发作业增加。由于是专业软件，因此很难在其他车种上再利用。所以，为了解决这一问题，现在出现了基础软件通用化应用的动向，如AUTOSAR，JASPAR通用化基础软件。通过应用通用化基础软件，不需要有意识地区别硬件的不同，所以可以提高开发效率(只属于应用性开发)，实现应用软件的再利用。由此可以缩短开发时间，提高质量以确保汽车整车公司与汽车零部件制造公司的国际竞争力。
       从通信基础设施来看，车内局域网的特点与难点
       通过CATV或ADSL的英特网连接服务成为宽带网络英特网的快速普及的原动力。而且也通过FTTH连接，在2004年每月有8万～9万用户以上增加数。据统计，在日本用户应用CATV约274万户，而应用ADSL则约1233万户，超过150万人。在很短时间中大幅度增加(据2004年7月，日本总务省统计)。此外，由于家庭内与网络匹配的机器增加，不仅在办公室，甚至在家庭中，无线局域网也在不断普及。而且以i-mode为代表的通过手机(便携式电话)进行英特网访问。据统计，2004年8月在日本用户(加入者)已经超过7000万人，在日本国内成为最大英特网的应用手段。
       于是，在英特网作为个人的信息交流为主的通信基础设施的今天，不论是乘车时使用，还是以其他任何方式应用英特网，就成为来自用户的自然要求，即使车辆在变化，这种趋向仍是自然流行的。在这种场合，作为车辆的作用，并不是提供在车内利用PC机时的环境，而且车辆本身与英特网连接，由汽车本身进行信息的发射与接收，例如在车辆导航装置等方面，很多已经搭载在汽车上的信息设备也追加英特网功能，从而也为扩大汽车的方便性更好结合实际需要。以下对现有的车载式信息设施扩大或增加网络功能场合所遇到的问题作概要说明。
       1.现有的车内局域网的课题
       随着汽车高功能化而增加的电控单元(ECU)，为了有效搭载在汽车上，同时为了减少或限制线束的重量而考虑到推广应用英特网，但是，与此同时传送的信息量增加，作为现在属于主流通信协议的控制器局域网中已经到了能力饱和的状态。因此，根据用途采用二个(或多个)通信协议作为解决方法。并且也在考虑采用FlexRay等新的标准。
       与此同时，在现有的车内局域网中，能够进行直接IP通信，由于受到各个通信协议或用途的制约而变得困难。例如在CAN场合，在1帧中能够传送的数据只有8 byte(位)，即使IPv4的header(20byte)为了发射信号也必需3帧，如果UDP或TCP的上位层也包括的话，则必要的帧数还要增加。由于这些帧造成总线的压挤，从而引起车辆控制数据的滞后或缺失，这是必须避免的。
       另一方面，MOST作为多媒体系统用的通信协议，已部分实装使用，而且对IEEE1394标准也正在重新分析。利用MOST也将使IP的应用达到标准规格。
       IEEE1394与袖珍式音乐收放机或PC机，以及以单体形式销售使用的信息机有良好的亲和性。如果使它满足车载的多变环境条件，那么就能够在车辆上搭载各种信息机。
       由于这种状况,车内局域网,以及与控制器局域网(CAN)等的控制系统、安全系统的通信局域网一起,则有希望将采用能够处理IP方式的娱乐节目或车辆导航信息用的适合于大容量传送的通信协议。
       此外，为了采用42V电气系统，也必须考虑加速应用具有高抗电磁噪声的光导纤维，在特定的信息机器之间也可能利用以太网(Ethernet)，而且，今后也有可能利用蓝牙(Blue Tooth)与汽车自诊断系统连接，汽车本身实现多媒体化，这些可能性或许都会出现。
       2.车外:与英特网连接
       随着英特网的普及，不仅在公司中，就是在一般家庭中，IEEE802.11等的无线局域网也在不断进入。所以，在与车辆连接时，目前不要过多注意特别的通信协议，而合理的是利用IEEE802.11b,g,或者IEEEE802.1a，此外为了确保安全可靠，或许也要考虑IPv6的应用。
       3.移动中连接与车与车之间的连接
       移动体英特网连接是汽车特有的课题。利用便携式电话(手机)的服务已经逐步实用化，但是还存在着通信速度或通信收费诸类的课题。
       另一方面，不一定把IP通信作为前提，但是，在不停车收费的车载器(ETC)中使用的DSRC的服务则仍在研讨中，使人注目。今后车内局域网应用动向见图2
       此外，以无线方式的车与车之间通信的实用化为目的车辆通信联合体(Car 2 Car Communication Consortium)于2004年已成立，其动向也令人注目。