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(多图) 电动汽车中的局部网络

Steffen Müller?? Bernd Elend?? 恩智浦半导体德国公司?? 2011年09月28日 ?? 收藏0
 在特定时刻操作网络特定部分的能力被称为局部网络能力。如图1所示,其中绿框表示模块打开,灰框表示模块关闭(右侧汽车)。在ISO11898-5 CAN网络中,当至少有两个模块通信时,所有模块均打开(左侧汽车)。如今,可以通过关闭选定模块电源或者通过专用的激活线缆来实现局部连网。每种选项均以硬件方式提供,因此在配置上不具灵活性。在局部网络模式下,各模块会通过网络发送的特定消息被唤醒。

  3.2 局部网络的标准化

  德国汽车制造商发起了SWITCH(可唤醒和可互操作的CAN高速选择性收发器)小组。其他OEM制造商和恩智浦等半导体供应商也加入了这一组织。2010年7月到12月,小组起草了SWITCH草案,引入了一种新的唤醒机制作为ISO11898的扩展。简言之,当收到的ID与预定ID相匹配、收到的数据长度码与预定数据长度码相匹配、收到的数据字段与预定数据字段内容相匹配时,系统会检测到有效的唤醒消息。

  图1.已配置与未配置局部连网功能的汽车

  3.3 局部网络收发器架构

  从系统角度来看,实施局部网络功能需要对硬件(控制机制)和软件(网络管理扩展)进行修改。我

们先讨论收发器硬件架构的改变。

  为了实现选择性唤醒功能,CAN协议控制器的接收部分需要集成到局部网络收发器以及为该内部协议控制器提供时钟信号的振荡器中。德国汽车制造商要求相关器件与采用SO14封装的标准收发器兼容,因此,不提供将晶体或陶瓷谐振器等外部振荡器连接至收发器的选择。这种外部元件比集成式振荡器需要更多电源电流,不仅与节能目标不相符,还会增加印刷电路板的成本和面积。图2所示展示了新的收发器架构。

  图2 针对局部网络的示例收发器架构TJA1045

  事实上,除发射器之外的所有功能模块都需要由电池直接供电,因为当相应模块中的5V电源被关闭时,它们还需要在低功耗模式(待机或睡眠模式)下工作。

  如果活动出现在用于唤醒符合ISO11898-5标准的收发器的网络中,局部网络收发器不会在RxD和INH引脚上显示唤醒事件。然而,该收发器会激活接收器、协议解码器、振荡器、消息过滤器和比较逻辑。如果总线在特定时间内保持沉默,这些模块将再次处于非活动状态。如果总线收到配置的唤醒消息,唤醒事件则将显示在RxD和INH引脚上。

  总体而言,局部网络在硬件实施方面的挑战就是找到一定精度的片内振荡器,即对温度、电源电压变化、生产一致性、老化等进行完美补偿,以满足电动汽车的恶劣环境对稳健性的要求。

  3.4 网络管理变化

  除硬件变化以外,局部网络的实施要求还将改变网络管理。这会影响到软件架构的不同层次。例如,网关需要掌握哪些模块是被故意关闭的,哪些是错误条件造成的结果。这些问题详见Autosar工作包WP-1.1.1的下级内容“高效能量管理”。局部网络功能由Autosar release 3.2.1 [3] 提供。

  图3总结了Autosar标准收发器驱动器级中实现的软件元素(左侧),以及为支持局部网络而需要的额外元素(右侧)。这些元素是API、SPI支持包、唤醒理由、用于一般局部网络支持的局部网络配置容器、唤醒框架配置(ID、DLC、掩码、数据等)和波特率。重要的是支持要对局部网络收发器的不同关机序列,因为总线在网络关机期间并非处于空闲状态。

  图3 Autosar Release 3.2.1,集成CAN收发器驱动器

  3.5 模块层次的架构变化

  引入局部网络后,汽车中的CAN网络架构和模块级的硬件架构不会发生变化。局部网络收发器及其选择性唤醒功能将负责检测网络中的唤醒事件,并对整个模块的稳压器激活进行控制。这种工作模式与符合ISO11898-5的标准收发器相同。图4显示了如何在模块级用局部网络收发器TJA1145取代TJA1041、TJA1043一类的标准高速CAN收发器。然而,由于需要对唤醒消息进行配置, TJA1145搭载了SPI接口而不是错误(ERRN)和模式控制引脚(STBN, EN)。

  图4 局部网络模式的模块架构

  3.6 采用局部网络模式的优势

  局部网络不需要新的网络或模块硬件架构,它将成为ISO11898和Autosar的标准;它提供的新功能不但可以像传统汽车一样提高舒适度,而且符合有关节能的新的政府法规。这些优势用于电动汽车,不但可以造就一种稳健性极佳的能量管理系统,而且有利于提高汽车的行驶里程。

4 局部网络与电动汽车的相关性

  4.1 移动性

  在今天,我们还不知道电动汽车的行驶里程究竟可以有多大。一个有趣的事实是,在1909年电动汽车的行驶里程为259公里,1911年为324公里,2009年的Tesla Roadster则将这


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收发器驱动器级?

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