[摘要] 在近十年里，用戶對于汽車的舒適性、安全性以及環保等各種性能的要求不斷提高。為了滿足這些日益增加的需求，汽車上計算機控制的電子電器設備急劇增加，使得汽車（特別是轎車）設計中電器線路的布置越來越困難。此外，由于汽車上各種電子電器的接插點的數量隨之劇增，汽車行駛過程中因為接插點的故障造成汽車上電子電器設備的功能失效的問題越來越突出。為了解決上述問題，很多新車型（特別是高檔車型）的開發中開始廣泛地應用計算機網絡技術。本文介紹了計算機網絡技術在汽車中應用的基本原理，并介紹了該技術在神龍公司的薩拉-畢加索車上的應用。
關鍵詞：汽車 計算機控制 網絡技術
前言
在近十年里，隨著人們對于汽車的舒適性的要求不斷提高，各種計算機控制的設備越來越多的應用在汽車上。例如：計算機控制的自動變速系統、主動懸架系統、自動空氣調節系統、駕駛員座椅自動調節系統、衛星導航系統、帶換碟機的多碟CD 音響系統、密碼防盜系統等。
此外，由于人們對于汽車安全性要求的提高，汽車制動防抱（ABS）及防滑系統，多安全氣囊以及汽車前后防撞雷達報警系統在轎車上也廣泛應用。
隨著人們對于環境保護的日益重視，汽車排放法規的限值要求越來越嚴格，車載排氣污染物監測系統也隨之開始在汽車上應用。
到2000 年，汽車上所裝的各種電子電器設備的成本大約為整車成本的30%，而且這種趨勢仍然在繼續發展。
表1 和表2 分別給出了從20 世紀60 年代到90 年代轎車上電線束的長度以及接插點數量的增長情況。
進入21 世紀，隨著計算機技術的發展和普及，汽車上各種運用計算機、傳感器以及執行器組成的控制系統得到了更加廣泛的應用。而在傳統的汽車設計中，每一個自動控制系統就需要一個專用的計算機單元。
如此多的控制計算機、傳感器、執行器，以及為實現各種控制需要的各計算機單元之間的數據通信，使得汽車（特別是轎車）上的線束長度和接插點的數量急劇增加，對汽車的設計提出了挑戰。
表1 電線束長度的變化 表2 接插點數量的變化汽車上電線束的長度以及接插點數量的急劇增加，使得汽車設計中電器線路的布置越來越困難。第一，由于空間的限制，汽車（特別是轎車）上有限的空間內難以布置下更長的電線束和更多的接插點。例如，在20 世紀90 年代末，僅僅在駕駛員座椅前儀表板內的電線束數量就達到300 多根；第二，隨著電線束數量的增加，電線束的設計越來越復雜。其復雜性在于除了需要考慮計算機單元、傳感器以及執行器之間的聯接外，還要考慮不同系統之間如何通信，系統之間如何共用接地點，才不會產生電位差，以及如何抗干擾，保證信號不失真；第三，數量巨大的電線束和接插件使得汽車成本不斷上升；第四，由于電線束接插點的數量的增加，造成汽車行駛時由于接插點故障導致的汽車上某個甚至整個控制系統的功能失效問題增多。因此，將計算機網絡技術應用到汽車上十分必要。
1 計算機網絡技術在汽車上應用的基本原理
要在汽車上運用計算機網絡技術實現不同控制系統的計算機的控制功能，以及運用計算機網絡技術實現不同控制系統的計算機之間的信息通信，其基本原理是運用計算機總線技術，將汽車上各個控制系統的計算機控制單元組成汽車上的局域網絡，通過計算機網絡傳遞數據流，實現不同控制系統之間的信息傳遞和共享，同時減少傳統汽車電器系統設計中的線束和接插件。
在將計算機網絡技術應用于汽車上的研究開發過程的初始階段，由于不同國家的各個汽車公司，對于開發過程的信息和技術都相對獨立和相對保密。一般僅僅是一個國家的幾個汽車公司共同開發，技術分享，因此，到目前為止，形成了多種互不相同的汽車計算機局域網絡總線：
（1） J1850：美國通用、福特和克萊斯勒三大汽車公司聯合開發和共用的總線。盡管美國的三大汽車公司共用一種汽車計算機網絡總線，但是，由于每個公司汽車產品中所用的計算機通信協議是不相同，因此，其汽車計算機網絡控制系統是不盡相同的。
（2） A 總線：德國大眾公司專用的汽車計算機網絡總線。
（3） CAN 總線：德國標準化的總線。開始是由德國博世（BOSCH）公司開發，主要用于機器人控制。由于CAN 總線的數據傳輸速率較高，現在許多汽車公司都將CAN 總線用于汽車計算機網絡系統。
（4） VAN 總線：法國汽車標準化總線。由法國的雷諾汽車公司和標致集團聯合開發的汽車計算機網絡總線。同樣，法國的雷諾公司和法國標致集團共用VAN 汽車計算機網絡總線，但是二個公司計算機網絡所用的通信協議不相同，使得它們的汽車計算機網絡控制系統也不相同。
（5） 專門的解決方案：德國的寶馬（BMW）和日本的一些汽車公司采用了自己專門的解決方案，等等。
2 計算機網絡系統在汽車上應用的優越性
2.1 計算機網絡系統運用在汽車上可以減少布置空間、降低成本在傳統的汽車計算機控制系統設計中，僅僅為了實現各個系統（如發動機燃油電子噴射控制系統與自動變速器控制系統等）控制計算機之間的信息通信，就需要很多的線束和接插件，再加上系統控制計算機與提供信息的傳感器、執行計算機指令實現控制過程的執行器之間聯接的線束和接插件，線束的長度和接插件的數量達到了驚人的數量，本文的前言中已經予以介紹。以下僅以四個計算機控制系統為例說明。
圖3 傳統的設計方案圖3 為四個計算機控制系統的傳統汽車控制系統設計中，僅僅為了實現各個系統控制計算機之間的一種信息通信功能，至少需要6 對線束。而在圖4 的計算機網絡系統中，只需要1 根總線（2 根線）， 就能夠實現傳統設計中至少6 對線束才能完成的系統之間的數據通信功能。僅僅傳遞一種信息，運用計算機網絡系統就可以減少2 對線束和4 對接插件。隨著計算機控制系統之間傳遞信息量的增加，傳統汽車控制系統設計中的線束和接插件急劇增加，而運用計算機網絡系統則可以在1 根總線中傳遞多路信息，因此簡化了汽車的線束和接插件，即減少汽車的線束長度和接插件的數量。與此同時，運用計算機網絡系統可以減少線束和接插件布置時需要的空間，降低成本。隨著汽車上的計算機控制系統的不斷增加，如圖5 中給出的某車型上的復雜的控制系統，運用計算機網絡系統這種優越性就顯得更為突出。減少的線束和接插件的布置空間可以使得汽車設計過程中的布置更加容易，同時可以用來增加新的功能，以滿足用戶的需求。
圖4 計算機網絡通信設計方案
圖5 某車型計算機網絡系統2.2 計算機網絡系統運用在汽車上可以管理更多的信息
傳統的汽車計算機控制系統之間的信息是通過線束傳遞，傳遞的是模擬量的信息，如代表發動機轉速、車速、溫度或壓力等物理量變化的電壓、電流等（圖6）。由于傳遞的信息的是模擬量，加上線束與接插件的布置空間、以及顯示儀表的布置空間的限制，各個控制系統之間的信息傳遞極其有限，各種信息一般是局限在本控制系統內部進行管理，不能提供給其它控制系統共享，提供給駕駛員的信息則更少。
圖6 傳統的模擬量信息傳遞 圖7 計算機網絡數字化信息傳遞汽車計算機網絡系統采用了計算機總線控制技術，通過計算機總線傳遞的信息是數字化的信息流，發出信息的計算機根據通信協議對本控制系統中的各種信息進行編碼后將信息發出，其他需要利用該信息的計算機根據通信協議對信息進行解碼后即可獲得信息（圖7）。因此，計算機網絡系統運用在汽車上可以使得汽車上的各個控制計算機單元通過汽車上的局域計算機網絡，從網絡上獲取所需的信息，或者將本控制系統中的各種信息發送給其它需要該信息的控制系統。汽車的中央控制計算機可以對所有控制系統的各種信息進行管理，并通過多功能顯示屏向駕駛員提供盡可能多的信息，例如汽車的百公里燃油油耗、瞬時燃油消耗、續航里程、平均車速等，此外，還可以對汽車局域計算機網絡內的各個計算機控制系統的工作狀況進行監測，記錄各個控制系統所發生的故障等。
2.3 計算機網絡系統運用在汽車上可以提高汽車電器系統的可靠性
由于傳統的汽車計算機控制系統之間的信息傳遞是通過線束，傳遞的是模擬量的信息。而模擬量信號在傳遞過程中容易受到外界的干擾。例如，汽車行駛時由于汽車的振動引起的接插件接觸不良、線束屏蔽不良受到外界電磁輻射、接地不良以及不同控制系統的接地電壓存在電壓差等，都會引起所傳遞的信息失真，導致接收信息的計算機控制系統發出錯誤的執行指令。
汽車計算機網絡系統傳遞信息的網絡總線一般為雙線，二根線上傳遞的是大小相等、相位相反的數字化信號（圖8）。當信息在傳遞過程中受到外界干擾時，二根線上感受到的干擾信號的強度是基本相同的，接受信息的控制計算機只需要對所接收到的受到外界干擾的信號進行濾波，即可將外界的干擾降低到最低。因此，計算機網絡系統運用在汽車上除了可以減少布置空間、降低成本外，另外一個最大的優越性就是，可以最大限度的降低外界電磁輻射的影響，抗干擾能力強，而且可以補償接地不良等問題，從而保證所傳遞的信息具有較高的可信度。此外，由于汽車計算機網絡系統傳遞信息的總線為雙線，當傳遞信息的總線中的一根線出現故障（如斷路、短路）時，信息仍然可以通過剩余的一根總線進行傳遞，汽車上的各個計算機控制系統仍然可以工作，不會出現傳統的汽車電路中由于信號線或地線二者之一短路或者斷路時整個系統無法工作的現象。由此可見，計算機網絡系統運用在汽車上的這些優越性使得汽車電器系統的可靠性大幅度提高。
圖8 汽車計算機網絡系統中的信息傳遞2.4 計算機網絡系統在薩拉-畢加索汽車上的應用神龍公司的薩拉-畢加索車以其獨特的外型設計和舒適的內部駕乘空間獲得過歐洲汽車設計獎。然而，該車的最大的特點是在電路系統設計中應用了計算機網絡系統。
薩拉-畢加索車的計算機網絡系統主要用于舒適性方面，如自動空氣調節系統、衛星導航系統等。該車的計算機網絡系統（VAN 總線）示意圖如圖9 所示。在該車的計算機網絡系統中，中央控制計算機與圖9所示的各子系統的控制計算機單元之間的信息通信是通過VAN 總線實現，中央控制計算機與其他子系統的控制計算機單元（如發動機控制系統、ABS 控制系統等）之間的通信，仍然是用普通的線束實現。
圖9 薩拉-畢加索車的計算機網絡系統示意圖薩拉-畢加索汽車的中央控制計算機可以通過計算機網絡實時管理41 個主要的系統信息，例如，鑰匙防盜密碼、車門是否開啟、前雨刮在停車時降低工作檔位、后雨刮在倒車時自動工作、燃油量、燃油消耗量、續航里程、超速報警、低溫行車時提示以及到達保養里程提示等等，并且還可以監測和記錄各個控制系統工作中的故障，對于重要的故障，如發動機控制系統、ABS、安全氣囊系統等故障，可以用報警燈提示駕駛員注意，同時便于在車輛維修時維修人員利用故障診斷儀讀取車輛所發生的故障，在盡可能短的時間內排除故障。
3 結束語
本文介紹了計算機網絡技術在汽車上應用的基本原理，并介紹了該技術在神龍公司的薩拉-畢加索車上的應用。
計算機網絡系統在汽車上應用優點很多：可以使得汽車設計中線束和接插件的數量大幅度減少，汽車設計時電線束和接插件的布置更加容易；在同樣數量電線束的條件下（與傳統的汽車電路系統設計相比）可以增加汽車的功能；可以管理的公用信息以及可以提供給駕駛人員的信息大幅度增加；而且可以提高汽車各種控制系統的可靠性等。
計算機網絡系統在汽車上應用，對于汽車（特別是轎車）的設計無疑會帶來一次汽車設計上的變革，使汽車的設計人員可以開發出功能更全、更加舒適，并且可靠性更高的令用戶滿意的汽車。
參考文獻
1 M. Francois MORIN. Architecture electrique et electronique des vehicules. Congress international S.I.A. Toulouse 1998
2 M. J.M CLIQUE. Le multiplexage chez PSA. Congres international S.I.A. Toulouse 1998
3 PSA. FORMATION MULTIPLEXAGE-Formation cableurs. Manuel de Formation Multiplexage PSA
作者：神龍汽車有限公司 鮑警予
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
