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1、傀专九行多路再输协制多供1刖百随着近年来电子技术的进步，为提高汽车可靠性、降低油耗 和空气污染，车用电子控制系统、传感器和执行机构数量、电线 数量不断上升，同时因电子控制系统功能的加强、控制要求的精 确化，多采用集成电路，其复杂性增加，数据传输速率也在不断 上升。所需汽车线束也就更多更复杂，一辆充满电子学装备的现 代汽车上约计需1 200根单独导线，因此，线束已成为必需解决 的问题。多路传输是解决汽车布线问题的主要方法。多路传输系统与 通常方式对用电设备的控制比拟见图lo图1多路传输系统（串行分时通信）方式对用电设备的控制比拟可见，多路传输系统可以大量减少电线数量、减小面线体积 和质量、缩短导
2、线长度、增加使用功能并使配件统一化、标准化, 采用这种多路传输系统较易对电气系统进行安装、调试、检修和口图1汽车双端和单端星形路由模式图2混合线元星形双锥形星形指由数根光纤重新组成交叉式的热或化学熔结,传播到短锥形区的输出端，同时均匀地散布到输出光纤束的各根纤维上。熔丝对星形基本上是一种格栅串联的许多2X2耗合接头每 个耦合接头由光纤柬采用热、化学或声波焊接成对，再形成一个 混合区（图4）0通过这些格栅串联的糖合接头，光从其中的一 根光纤输入，然后散布至全部的输出光纤。图4熔丝对星形2 .新型汽车采用的光学星形网络类型一种是不带成簇连接的星形网络，如图5所示，其特征如下:5 个节点都安置在座舱
3、内；所有的节点已连成汽车的主线束，勿需 成簇连接；断损的纤维只能更换不能修理;线束上两个节点之间 的距离最长不超过10叫不需作特殊的路由选择;使用NRZ信号， 网络操作在IMbp,的信号传输速率。针对所有的节点，该系统允许使用85的光缆和85的光 电元件。由于路由弯曲半径不超过25mm,故不含路由损耗，当 然也不包括成簇连接或绞接（处）损耗，但毕竟少不了接人损耗。 这种星形网络的最大损耗如下：纤维（长10m）衰减损耗2. 5dB,星形接人损耗（5个节点别离损耗和3.0dB超量损耗）10dB,平安储藏损耗3dB,总损耗15. 5dBo图5无成簇连接的星形网络另一种是带成簇连接的星形网络如图6所示
4、，其网络特征如 下，网络要求有10个节点，其中6个（N1N6）安置在座舱中，4 个安置在发动机舱内；主线束与发动机罩下线束之间需要一组成 簇连接;成簇线束的每根光纤允许维修1次;节点之间的最长距 离为14m;8个节点中必须的光纤路由弯曲半径不能小于10nlm;网 络以NRZ信号操作速率为1Mbps o图6成簇连接的星形网络由于有节点安置在发动机舱内，因此，这局部光缆和光电元 件的使用温度比前一种高，为125。与此同时，发动机舱内线 束光纤的衰减较大。这种星形网络的最大损耗如下:纤维（6m长 的125纤维与10m长的85纤维）衰减损耗4. 9dB,星形接入 损耗（10dB别离损耗和3. 5dB超
5、量损耗）13. 5dB,路由损耗IdB, 成簇连接处损耗（2个成簇连接）3dB,成簇线束维修（2个成簇 连接维修）损耗3dB,平安储藏损耗3dB,总损耗28.4dB。3 .无源光学星形网络的故障种类无源光学星形网络的故障种类主要有以下4种：（1）网络故障。与铜导线相比，光纤更为耐用，但其物理层 时常故障发生。节点与星之间的光纤长度方向、成簇连接的光纤 与光纤之间和无源光学星形自身潜在的故障会使光衰减增多，一 旦超过链路通信总损耗限值，就会导致链路断路。（2）光纤故障。光缆虽然非常耐用，但物理方面的误用可能 导致光纤衰减增大。例如，特别绷紧的光纤路由会使链路衰减增 大;光缆路由张紧的弯曲半径小于
6、最小的25nlm规定，光纤张紧的 弯曲处的光线就会超出临界角，光纤的衰减也会增大。如果所用 的链路操作在敏感限值附近，那么，从光纤的过量弯曲处附加的 衰减可能引发通信错误。其他物理误用的例子还有光纤紧压变薄 会改变光纤芯部几何尺寸，造成局部光逃逸;光缆被擦伤，擦伤 点的护套脱开或芯部接口和芯的包层界面损坏等都会造成光逃 逸。这些都会增加光纤衰减，影响链路工作。如果是单根光纤损坏或折断，通信只在一根链路上潜在着障 碍;如果光纤损坏是从节点到星的发送路径，那么，网络上的每 个接收器会查出受影响的节点减弱的信号，并将错误首先通知链 路中最不敏感的接收器;如果光纤损坏是从星到某个节点的接收 路径，那么
7、，网络上各个节点的接收器会获知该节点上的接收器 减弱的信号，并将错误首先通知网络上最弱的发送器;如果光纤 损坏严重，所有节点的通信都将受到影响。(3)成簇连接故障。成簇连接指光纤到光纤的连接区，汽车 线束在该连接区被分段(如在仪表板交接处或发动机舱壁板交 接处分段)。典型的成簇连接是由发动机舱壁交界处由两个接头 配对构成。光束基本上是由严格校直的两组纤维散布成圆柱形。虽然光纤连接系统的可靠性高于铜线连接，但由于每个接头 不可能只由一个总装厂配对，因此不易形成零概率故障，即衰减 难以防止。光学成簇连接的两组光纤只有保持齐平式连接，才能 确保两组光纤之间良好的光耦合。光纤中的某一根发生扭曲或拉 长
8、等，都会增加链路衰减。成簇组合不当，也会增加衰减，并沿 着接收和发送路径影响节点的操作。(4)光学星形故障。光学星形潜在的故障在于星形线元，而 星形线元的问题主要又取决于星形结构。前述3种无源星形结构 故障模式不尽相同。1)混合线元星形故障。如果在某个节点的发送光纤与混合 线元之间发生损耗，造成的影响与前述的光纤故障很相似，所有 接收器可以查出受影响的那个节点减弱的信号，并首先将错误通 知最不敏感的接收器；同样，如果损耗发生在某个节点的接收光 纤与混合线元之间，那么，网络上所有发送器发送的信号将在受 影响的节点的接收器上显示减弱，并首先将错误显示在最弱的发 送器的节点链路中。如果混合线元发生诸
9、如断裂等的严重损坏， 网络通信那么中断。2)双锥形星形故障。双锥形星形假设在中心接头组合不当， 那么故障概率比输入光纤引起的损耗大得多。假设是星形引出端接头 上光纤到光纤的连接受到干扰，沿着受影响的节点的发送和接收 路径的衰减就增大。假设在混合区出现断裂点，那么会造成网络通信 全部中断。对于双锥形星形故障尤其要注意的是，由于短锥形混 合区极脆，如果该区受载容易碎裂。3)熔丝对星形故障。为了便于汇集成汽车线束，熔丝对星 形也需要有引出端，让光纤成束连通至各个节点。熔丝对的耦合 点较多，因此，潜在的故障点和衰减的可能性也较其他星形结构 多些。另外，光纤束的各个焊点也较脆，受载极易碎裂，所以故 障率
10、较其他星形结构高。4 .市售的各种光学网络诊断仪和光时域反射计(OTDR)等能 否用于汽车光学网络的故障诊断诊断和维修汽车无源光学网络媒体的故障，不能用传统的 手摸或耳听等经验维修方法，而需要用光学网络检测设备帮 助查找故障部位。用于汽车上的网络故障诊断仪应具备以下特点: 容钝使用，尺寸应小和携带方便，能直接指明故障源，通用性好， 能检测各种型号的无源星形网络汽车的故障，最后应是价格低。市场上有许多光学测试设备，从简单的功率计到光时域反射 计等，都不能用于汽车光学星形网络的测试诊断，原因是这些仪 器是针对电信或实验室用的，尤其是各种接头标准是围绕电信工 业拟定的。汽车网络所用的测试仪的各种接头
11、是按汽车工业标准设计 的，而且，提供给用户的检测诊断模式是比拟灵活的一一既能测 出任一节点的衰减，也能测出网络中任意两个节点之间的衰减。 当然，汽车光学网络诊断仪也并非是万能的。它不可能包含各种 车型的维修数据和光衰减值，假设要将世界上各种光学星形网络的 汽车资料都存储在诊断仪中，那这种仪器就失去了 “尺寸小、携 带方便和价格低”等特点。所以，使用诊断仪的同时，还必须找 到该车型的维修手册，因为光学网络的第一手资料是“沿着网络 路径的光源的衰减值”。诊断仪上测出的衰减值多少为合格必须 与维修手册上规定的衰减值相比照才行。5 .汽车光学网络诊断仪的使用汽车光学网络故障诊断仪如图7所示。它按两条基
12、本通信路 径测试：模式I可测量链路中任一节点自身的衰减；模式n可测 量链路中沿着兴旺和接收两条路径的任何两个节点之间的衰减。 不管哪种诊断模式，第一步都必须对诊断仪定标。原因是这类诊 断仪主要是测量相对功率，通过定标可以先了解链路的衰减特 性，如0.5m长的参考纤维可以将仪器标定为零刻度。通过定 标过程，可以消除以下一些误差和损耗:用于诊断仪中的LED与 接收器最重要的性能就是在整个测量时间或所处环境温度发生 改变时会出现误差，通过定标，以当时的环境条件为LED输出功 率和接收器灵敏度的参考标准，这样能保证测量误差极小；由于 作连接用的参考光纤参与了定标，诊断仪的零刻度包括了光纤 至电子器件的
13、耦合损耗。(1)诊断模式1(自测试)。在此模式下(图8),同一节点的发 送线(Tx)和接收线(Rx)受到检测。所测到的功率损耗代表3种故 障情况:发送光纤到星的衰减，星的接人损耗，从星到接收纤维 的衰减。如果上述衰减接近维修手册中表列的最大值，那么，被测的节点自身及与该节点之间的通信可能发生错误。诊断仪液晶显示功能键图8模式1（自测试）（2）诊断模式11（全部路径测试）。在此模式下（图9）,必须 同时采用两个光学诊断仪。两个诊断仪测量从节点A发送器到节 点B接收器路径的衰减（包括节点A的发送纤维的衰减、星形的 接人损耗和节点B的接收纤维的衰减），以及从节点B发送器到节 点A接收器路径的衰减（包
14、括节点B的发送纤维的衰减、星形的 接人损耗和节点A的接收纤维的衰减）。如果沿两条路径的衰减 大于允许值，那么链路可能出现通信错误。星图9模式n （双路测试）（3）测试过程。无论是周期性故障（间歇或断续故障引起的衰 减使系统操作在超出规范的较高位误码率）还是全系统故障（链 路全部衰减），都可通过存取网络出错记录的较高等级诊断程序, 由维修人员查找出节点间的通信问题。简略的测试过程如下：1）诊断仪与被怀疑的节点相连接，将模式开关调至I位置， 即可像图8那样开始检测可疑节点的链路衰减，假设衰减在规范 内，那么可进行下一步骤。2）诊断仪仍然以模式I方式测试第二个被怀疑有故障的节 点，方法同1）。假设链
15、路衰减也在规范内，那么可进行下一步骤。3）将诊断仪模式开关调至I位置，即可测试节点A到节点B （或从节点B到节点A）的通信路径。如果链路衰减仍在规范内， 但仍觉汽车有毛病，即可判定故障存在于被怀疑节点的电子线路 中。4）按上述测试，假设链路衰减超出规定，那么可沿被测路径查找 问题。最简单的方法是更换发送和接收光纤，然后重新测试，如 进行故障诊断。与光纤多路复用传输系统相比，电线多路传输系 统具有电磁兼容性和保密性差，对地环问题和有缺陷的地回路敏 感，抗电磁干扰能力较差等缺点。光纤在多路选通应用方面的主 要优点是：频带宽度较大和多路、尺寸小、质量轻；通过效率大、 信号功率损失小、与频率的关系减弱
16、；超高绝缘、不存在短路和 接地问题；耐腐蚀、灵敏度高；能够双工传输信息、抗干扰性高 （特别是对汽车车上电路的脉冲干扰）;光纤允许有较高的数据传 输速率和较高的信噪比一一带宽积，可适用于发动机实时控制、 车辆状态监测和通一断负载的开关控制等要求。两种光纤（塑料 的和玻璃的）中，塑料光纤较为廉价和便于使用，在汽车中应用 较广。光纤多路传输系统目前费用已与电路系统不相上下，并可 望更低，因此光纤多路传输系统是汽车多路传输系统的开展方 向，是汽车线束的开展方向。按系统的复杂程度、信息量、必要的动作响应速度、可靠性 要求等将多路传输系统分为低速（A）、中速（B）、高速。三类。 表1示出了美国SAE委员会
17、优先推荐的多路传输系统的等级分 类。表1 SAE推荐的汽车多路通信系统分类系统等级信号种类响应速度，msA车身控制系统：灯具、继电器、电 动门窗、电动座椅等2050 （低速）B动态信息系统：导航、多信息、电 话、故障诊断装置等550 （中速）C实时控制系统：发动机、传动系统、15 （高速）果链路衰减仍然超出规定，那么应更换无源光学星形。也可利用所 有三定点测到的信息来分析问题。例如，测到从节点A回到自 身的衰减高于规范，故障就可能存在于节点A发送和接收路径的 某个地方。但如果从节点A回到自身与从节点B回到自身的两条 路径的衰减都高于规范，那么，故障大多存在于星形中。简单地 说，A和B的不正常（
18、衰耗）根源在于C （星形）。按此“三定点”测试理论，可得到图10的故障诊断流程图, 结合该车型的维修手册中规定的链路衰减（损耗）规范，那么可帮 助维修人员迅速查找到故障部位。不正常正常B至A检-测,正话正常 A至Bj佥 测正常事矮覆谶小毛病不正A检|木7F症人发送故障件述单星形或A发送、接收故障正常B至A检发送或接收故障 星形或B发送、A接收故障不正图B至A检一测b正董墨援襄督送、口接收故障不正常注：A发送故障指沿A发送器到星形的路径有故障，包括A发送纤维，成簇接头 （指石成簇连接的星形网络和 A 发送纤维到星形的接口）。图10光学网络故障诊断流程制动系统、悬架控制系统多路传输系统的通信方式主
19、要有：美国Essex方法；联邦德国 Bosch 公司 CAN (Controller Area Network)三线系统;General Motors方法；英国GEC方法；日本电装公司的 SMN系统，该系统安装在丰田公司的平安实验样车上；日本三 菱电气公司与日本东京工业公司协作研制的方法；日本日产公 司方法。为用统一网络连接汽车电动和电子部件，ISO组织批准采用 的汽车多路传输系统的标准通信协议有三个：VAN (Vehicle Area Network) CAN 和 SCP(J1850 标准)。2系统工作原理设计及硬件框图系统设计为主、从式多机通讯，主机和从机的连接方式如图 2所示。用一个89
20、c2051系统作为主机，用4个89c2051系统作 为从机，以TTL电平(逻辑“1”是2.4V5V,逻辑“0”是0V 0.4V)通信。主机接收4组控制信号，每组控制信号有8位。每 组的8位信号通过一个三态逻辑器件74LS244(八缓冲器/驱动器 /线接收器)，送往主机的P1 口 (P1. 0PL 7)。4个三态逻辑器 件74LS244各自的控制端分别与主机的端口 P3.3、P3. 4、P3. 5、 P3.7相连，以实现4组控制信号的按钮分时顺序读入，从而得 到与4组共32个终端用电器一一对应的32路控制信号。每一位 控制信号对应一个用电器或执行机构，每组控制信号对应一个从 机，每个从机可控制8
21、个用电器或执行机构。三二三组合开关TXD89C2051主机RXDRXDRXDRXD89C205189C205189C205189C205I1号从机2号从机3号从机4号从机所设计系统的主从式多机通信结构图3是系统的硬件框图。设计的系统主要由控制信号获取、光发射模块、三根总线（电力线、光纤信号线、系统电力回线） 光接收模块、终端用电器或执行机构组成。用电器电力回线为车 壳，两地线分开以免产生干扰信号。光发射模块由控制开关、光 电隔离器5214、晶振、89C2051主机、813看门狗、485电路（单 端输出转换为双端输出）、红外电光转换发射电路及DC-DC直流 隔离变换器（12 V 5V）组成。光接
22、收模块由PIN光电转换接受 电路、信号放大整形电路、晶振、89c2051从机、813看门狗、 光电隔离器5214、大功率场效应晶体管功率开关IRF540、DC 一DC直流隔离变换器（1212 V、12 V 5 V）组成。整个系统由车用12V蓄电池供电。为稳定电源电压（点火系工作时电源 电压波动很大），光发射模块及光接收模块内都有自己的DC-DC 直流隔离变换器，以提供稳定的5 V及12 V电源。电 力 线控制信号光电隔离器DC DC直流隔离变换器（12-5V）红外电光转换发射电路PIN光电转换接收电路品振从机(89C205I)看门狗大功率场效应晶体管开关终端用电器或执行机构宜流隔离变换器（12
23、-12V 12-5V）：光接收功能模块图3汽车光纤多路传输控制系统的硬件框图系统的工作过程设计为：首先是获与终端用电器或执行机构 一一对应的控制信号；然后信号经光电隔离后送主机（主机有自 己的晶振和看门狗电路以保证发生错误时能自动重新复位，从而 防止了死机）；主机在发送从机地址五次（此时发送的第九位数据 TB8是1）后，再五次发送脉冲编码的数据（此时发送的第九位数 据TB8是1）后，再五次发送脉冲编码的数据（此时TB8置0）；电 脉冲信号经485电路后，进行电光转换，变为具有一定功率的经 外光脉冲信号；光脉冲信号经塑料光纤按分时复用方式传至光接 收机进行光电转换、信号放大整形后，送从机（从机也
24、有自身的 晶振和813看门狗电路）；从机首先五次判断主机发送的地址是 否与自己的地址相符，假设有一次不一致那么放弃并重新接受信号， 假设五次确认一致，那么在置从机的多机通信标志SM2=0后继续接受 信号，假设接收的信号是地址，那么放弃并重新接受信号，假设接收的 信号是数据，那么进行五次确认，假设有一次不同那么放弃并重新接受光发射功能模块信号，假设五次确认都一致，那么将数据输出；数据信号经光电隔离 器521-4,大功率场效应晶体管功率开关IRF540控制终端用电 器或执行机构的动作。该系统的1个光发射模块可控制4个光接收模块，1个光接 收模块可直接控制8个终端用电器或执行机构，即1个光发射模 块
25、可控制32个终端用电器或执行机构的动作。同时该系统还可 根据具体需要进行扩展，既可扩展成一个光发射模块控制多个光 接收模块的中央控制式系统，也可扩展成一个光发射模块控制一 个或几个光接收模块含有多个光发射模块的分散控制式系统。因 而，不管终端用电器或执行机构数量多少，都可应用该系统的设 计原理。光纤传送信息的方法概括而言有三种：时分复用(OTDM)、波 分复用(WDM)、频分复用(FDM)。所设计的汽车光纤多路传输控制 系统采用的是光脉冲的串行时分复用通讯方式。采用LED发光二极管一阶跃折射率光纤一PIN光电二极管检 测器的系统最适合于距离较短且数据传输速率相对低的监视和 控制场合。系统的硬件
26、电路包括光发射模块、光接收功能模块2个部 分，每个局部里都含有一个直流电源变换器。采用的硬件抗干扰措施有：采用直流隔离电源、滤波电容， 以抑制电源串扰、共模噪声、差模噪声及瞬态过电压干扰；光电 隔离；监控电路813集成芯片的使用；485电路的使用；用光纤 系统传输信号；晶体管转换开关的使用。系统软件中采用的抗噪声干扰措施主要有：冗余指令；看门 狗技术；陷阱技术；信号的屡次判定；微机的并联动作；寄存器 再设定；禁止对开始地址的分割。3抗干扰试验车用微机系统所受的来自系统外部的干扰主要有外部的电 磁辐射和车载电器设备产生的干扰，如点火系高压电源线与光纤 信号线的耦合干扰，来自电源的瞬态过电压干扰及
27、电源串扰等。 所做的抗干扰试验主要有：系统抗电源噪声试验；抗点火系电磁 辐射试验；点火系高压电源线与光纤信号线的耦合干扰试验。试验时，将所设计的汽车光纤多路传输系统与点火系模拟装 置并联接在12 V蓄电池的正、负极间，将点火频率在4 500次 /min41 600次/min间连续调节，观察系统能否正常工作。即 用示波器测试光发射模块中485电路及光接收功能模块中光纤 接收端的跟随器、第一级放大器及比拟器等的输出信号，用以分 析发送和接收的信号是否一致，从而评价系统的抗干扰能力及工 作可靠性。点火系模拟装置见图4所示。图中脉冲信号发生器的频率可 在4 500 Hz41 600 Hz间变化，即模拟
28、点火频率可达4 500次 /min-41 600次/min （一般单缸发动机的点火频率3 000次/min、 6缸发动机的点火频率3 000X6=18 000次/min）。+ 12V脉冲信号发生器点火线圈DF - 1 型控制放大2塞 花 火图4点火系统模拟装置试验结果如下。(1)发送和接收到的信号的数据格式与设定的11位数据格 式一致。(2)控制信号的加载位置与用示波器观察到的相应信号的波 形格式具有正确的一一对应关系。(3)系统光发射模块发送的信号与光接收模块接收到的信号 一致。这说明在三个抗干扰试验中，系统具有较强的抗干扰能力， 工作可靠性较高。4结论所设计的汽车光纤多路传输系统以三根总线
29、(电源线、地线、 光纤信号线)代替传统的多根点一点并行电线，大大减少了所用 电线的数量和重量，简化了布线的复杂程度，便于安装和检测； 同时还可实现对用电器或执行器的智能控制；系统的模块化总线 结构便于扩展；晶体管转换开关取代继电器，有利于减小电磁噪 声，提高动作速度和系统抗噪声和抗环境干扰的能力。所做的抗 干扰试验说明，系统具有较强的抗电源噪声及抗电磁干扰能力， 工作可靠性较高。其原理适用于对发动机实行控制、车辆状态监 测和通一断负载的开关控制等要求。修号羌游光孽星影网侑1.什么是汽车无源光学星形网络高速数据通信网络用于汽车电子控制系统，除了采用前述的 金属线芯制成的双绞线等通信媒体外，光纤传
30、输系统应用于汽车 上也日趋成熟。汽车无源（不能放大或产生能量的传输系统）光学星形网络 主要由以下四局部组成：无源光学星形，光发送器（光二极管 LED）,在节点上的光接收器，节点与星形之间的发送和接收光纤。图1是双端星形和单端星形路由模式。双端星形（图la）设 置有纤维缠结，将输入和输出光纤有序地连通至各个节点。图中 的有效尺寸主要是指纤维缠结构成的光纤张紧区。该张紧区和有 效的封装尺寸可以通过收紧路由光纤使其减小，但路由光纤的弯 曲半径不能小于25mm,否那么会增加光源损耗和星形接入损耗。 单端星形（图1b）与双端星形相比拟，输入和输出纤维与各个节 点的路由简单得多。混合线元星形是通过齐平式连接的纤维来向混合线元的输 入和输出面散布光信号（图2）。从任一根发送光纤传送出的光 被赭合到混合线元的输入侧，当光通过混合线元传播时，光源被 同时均匀地散布到输出端，所有的接收光纤再在输出端耦合。