模块一 汽车网络基础知识

课题一 计算机控制系统

一、计算机控制简介

计算机（见图1-1）是一个电子装置，它能精确和快速地完成复杂的和重复的处理程序。它能够在几秒钟的时间里，储存和检索大量的数据。计算机有四个主要的功能：接收输入、处理信息、储存信息和处理输出。在本课程中将仔细地介绍这些方面的内容。

（1）计算机的特征：①完成复杂的和重复的处理程序；②精确、快速地储存和检索大量的数据。

（2）计算机的功能：①接收输入；②处理信息；③储存信息；④处理输出；⑤能把车辆上的多个计算机连接成网络系统。

1. 计算机的组成

（1）中央处理装置（CPU）/微处理器。

计算机上有一个中央处理装置；它被简称为CPU，也叫微处理器。它是计算机的“大脑”。现代车辆中可以使用50个或者更多的微处理器（见图1-2）。微处理器可以帮助简化车辆的设计和制造过程。微处理器可以使汽车的维修技工比较容易地对车辆进行维修服务。微处理器可以在许多方面发挥其特性，包括：高级的诊断、控制发动机排放和燃油经济性标准、安全性能、舒适性能和方便性。

发动机控制模块或者ECM用于控制发动机的各种功能，譬如燃油的供应、发动机的冷却和点火。安全气囊模块控制车辆上的各个安全气囊的展开。车身控制器控制的部件有：门锁、车内照明、电动车窗和可调座椅。驾驶员侧车门模块把位于驾驶员侧车门上的一些开关的指令传送到车身控制器上去。在巡航控制模式时，巡航控制模块按照驾驶员的要求来调节车辆的行驶速度。仪表盘控制模块使用来自于数据传送总线的数据，控制各种仪表和指示灯。车内气候控制模块监控车辆内部的温度并控制加热和空调系统。防抱死制动系统模块或者是ABS模块控制防抱死制动系统和牵引力控制系统以及稳定性控制系统。变速器控制器控制自动变速器的工作。配电模块控制配电系统中的继电器，譬如喇叭继电器和雾灯继电器。

（2）软件和硬件。

计算机的指令和数据分为两种类型：系统软件和硬件。计算机软件是一个由指令和数据组成的程序，使得计算机能够完成一个特定的任务。软件可被分为两种类型，系统软件和应用软件。系统软件包括操作系统和各种实用程序，使得计算机能够运行。应用软件包括各种“为驾驶员工作”的实用程序，譬如调整自动刮水系统的刮水速度，使车辆处于怠速以及按照驾驶员的要求来鸣喇叭。计算机硬件（见图1-3）包括系统中的物理部件，譬如存储装置、微处理器和控制模块的壳体。

软件和硬件的区别是容易被混淆的。软件指的是各种指令，告诉计算机如何操作。硬件指的是软件操作时使用的设备。例如：汽车维修手册应该被称为软件，因为它包含了各种指令而用于修理车辆的工具：扳手、诊断设备等都是硬件。

计算机的存储器是硬件系统的一部分，它用来保存程序和其他的数据，CPU在完成一个应用任务时对这些信息进行处理。CPU去执行一组指令或者程序，它们告诉CPU：何时去读取输入信息，如何处理这些输入信息以及使用处理后的输入信息去做什么事情。CPU以两种方式与存储器交换信息，它可以读取已储存在存储器中的信息或者可以写入或存入新的信息来代替储存在存储器中的信息。

随机存取存储器或者RAM（见图1-2），也可以被称为主存或读写存储器。CPU可以随时地存取RAM中的数据。由CPU读取或者写入的暂时性的信息被储存为RAM形式。RAM被认为是一种易失性的存储器，因为需要有一定量的恒定电流来保持它的内容不丢失。一旦电源从计算机系统上移走，储存在RAM中的数据就会丢失。

只读存储器或者ROM（见图1-2）中的数据只能被读取，而不能被移走或者被改变。ROM被认为是非易失性的存储器，因为在电源从计算机系统上移走后，它的数据是保持不变的。

电子可擦除可编程只读存储器（见图1-2）或者EEPROM包含着特定的信息，只使用在安装了这种计算机的特定的车辆上。有时也被称为闪存，在电源从系统上移走后，它的数据是不变的。EEPROM中的数据只有使用一个专门的电子设备才能被擦除并写入新的数据。

二、计算机控制系统的工作步骤

计算机的操作过程分四个步骤：输入、处理、储存和输出。

输入（见图1-4）：是计算机从一个输入装置取到的一个信号。输入装置可能是仪表盘上的一个按钮或者是开关，或许是车辆发动机上的一个传感器。车辆可以使用各种电的、机械的和磁的传感器来测量发动机的转速、车辆的速度、轮胎气压、空气温度、发动机冷却液温度和排气中的氧含量。大多数输入传感器提供模拟信号，譬如节气门位置传感器传送一个可变的电压信号给计算机。有一些输入传感器是提供数字信号，譬如曲轴位置传感器是传送一个开、关的数字信号。

处理（见图1-4）：计算机监控输入信号，把它们与程序中的参数进行比较，来确定输入信号的数值。然后，计算机就能够处理和提供给执行器正确的输出信号。执行器是完成计算机所要求执行的工作的各种装置。

储存（见图1-4）：计算机的程序指令是储存在电子存储器中的。另外，输入数据也可以被储存在存储器中，用于以后的参考或者未来的处理之用。输出指令在被传送给系统中其他的装置之前，也可以被推迟输出或者被储存在存储器中。

输出（见图1-4）：在传感器信号已经被处理之后，输出指令就被送到各种输出装置中去，譬如仪表盘上的显示器或者节气门的执行器。一台计算机的输出信号也可以是另外一台计算机的输入信号。

三、模块的工作过程

1. 独立控制模块与多重控制模块

汽车上的控制模块有各种各样的结构形式。接下来要讨论两种类型控制模块之间的区别，它们是独立控制模块系统与多重控制模块系统。

独立控制模块：独立控制模块系统使用在1995 年之前生产的车辆上。各个独立控制模块（见图1-5）直接从各种传感器上接收输入信号，再直接输出信号到控制装置上去。各个独立控制模块没有与车辆内部的其他模块交换或者分享信息。

多重控制模块：多重控制模块系统使用在1995 年之后生产的车辆上。许多的多重控制模块从各种控制模块上接收输入信号，再传送处理后的信息到各种控制装置上去。在这个系统中，有一个控制模块被用做通信的网络中心。网络中心接收来自于各种控制模块的信息，再把信息传送到相应的控制模块上去，或者传送到各种模块上去执行所要求的各种功能。发动机控制模块就是这种模块的一个例子，它接收来自于各种传感器的输入信息去控制发动机的空气燃油混合成分。

2. 信息的传递

从20世纪80年代起，在汽车工业中就已经使用了模块控制系统来控制大多数车辆电器的运作。一辆汽车上可以有十个或者更多的模块，在不同的应用场合，它们之间可以通过数据总线或普通导线进行通信联系。

电压信号：电压信号（见图1-6）被用于激活或者关闭一个控制模块或者一组控制模块。电压信号在0伏到12伏之间变化。根据应用的不同，电压可以表示模块是处于‘清醒’模式，或者是‘睡眠’模式。

串行数据：串行数据（见图1-7）是一连串急剧变化的从低到高，或者从高到低脉动的电压信号所传送的信息。许多控制模块连接在一起时，就形成了网络。在一个网络中，所需要的连接线的数量就减少了，这就能节省了开支，减轻了重量和减少了在工厂里的装配时间。对车辆的维修工作也就更容易了。另外的好处是各个控制模块可以分享共同的传感器数据，它们可能需要得到一些特定的信息，譬如车辆的速度、发动机冷却液温度和车外空气温度。

串行数据流：串行数据流（见图1-8）是在数据传输总线上（譬如UART，CAN BUS，LIN-BUS和MOST-BUS总线）传送到其他的控制模块或者是诊断接口的信息。美国汽车工程学会（SAE）制定了三种车内网络系统使用的总线系统。A类串行数据系统是一个低速的通信网络，它使用在大多数便利系统上，譬如音响系统。B类串行数据系统是一个中速的通信网络，它使用在仪表系统上。C类串行数据系统是一个高速的通信网络，它使用在安全气囊系统上，能提供实时数据。

故障-安全：故障-安全是在数据流中传送的一种数据信号类型（见图1-9），用于确保控制模块能安全地工作。用一个例子来说明故障-安全数据类型，当车辆起动时，发生了充电系统的故障，网络中心接收到一个电压正在下降的信息。此时，网络中心送出一个信号通知关键的控制模块运行在安全模式，同时也送一个信号通知其他的各个模块关闭，来减少电源的消耗。

3. 模块的运行模式

根据车辆总体运行状态的不同，车辆上的控制模块系统可能有不同的运行模式。接下来要讨论这些不同的运行模式，以及控制模块运行在这些模式时的车辆的状态。

关闭-睡眠模式：车辆熄火后，没有信号从其他控制模块被发送时，就进入了关闭-睡眠模式。当车钥匙从点火开关中取走，防盗装置已启动后；或者当一个信号被送到了网络中心使各个控制模块完全被关闭后，控制模块就将处于关闭-睡眠模式（见图1-10）。

开启-睡眠模式：当另外一个控制模块传送一个信息，激活它准备开启去完成不同的功能时，开启-睡眠模式就发生了。当车钥匙处于‘附件’位置，或者当一个信号被送到了网络中心使系统准备处于激活状态时，控制模块就将处于开启-睡眠模式（见图1-11）。

开启-清醒模式：当一个控制模块已完全准备好去接收输入信号和发送输出信号给控制装置或者去完成各种功能时，开启-清醒模式就发生了。当车钥匙处于‘运行’位置，或者当一个信号被送到了网络中心使所有的控制模块系统完全被激活时，控制模块就将处于开启-清醒模式（见图1-12）。

安全模式：由于出现了故障，关键的控制模块处于默认状态下，就会进入安全模式。当车钥匙处于‘运行’位置，并且当一个低的信号或者没有电压信号被送到网络中心时，控制模块就将处于安全模式。如果网络中心发送一个信号去激活安全模式时，关键的控制模块就会进入安全模式（见图1-13）。

四、串行数据通信类型

1. 串行数据总线概述

串行数据是脉冲电压信号，可以通过总线传递。模块或类似的装置可通过传送和接收这类信息进行信息共享（见图1-14）。在汽车通信系统中，模块之间最常见的信号就是串行数据。传送数据的线被称为数据总线。

车辆内部有很多部件都依赖于来自其他部件的信息并向其他部件传输信息或者两者并存。串行数据通信网络提供了一个可靠的、经济有效的通路，使车辆内的不同部件之间可以互相“联系”并分享信息。

GM使用大量不同的信息总线以确保装置之间的及时且高效的信息交换。比较这些总线，其中一些在速度、信号特性和性能上都有着本质的不同。比如高速GMLAN和低速GMLAN总线。

另一方面，比较其他的总线，它们有相似的特性并且完全以并联运行。如此，它们便可用于高交互性的集合部件。比如高速GMLAN、动力传动系统扩展及底盘扩展总线。与所有车辆装置都集中在一条单总线上相比，这使它们能够在信息拥挤度较低的总线上彼此通信，从而确保了更迅速且更及时的信息交换。

大多数信息通常出现在局域内特定的网络上；但有些信息则必须与其他网络分享。指定控制模块作为网关，执行在不同总线之间传输信息的功能。网关模块被连接到至少2条总线，并且根据其信息策略和传输模式与各个网络交互。

GMLAN使接收装置能够监测来自其他装置的信息传输，以便确定是否未接收到重要信息。主要目的在于用合理的默认值替代无法再被接收的信息。此外，一个装置可能会设置故障诊断码，以指示它所等待提供信息的装置不再进行通信。

2. 串行数据总线通信特征

控制模块使用二进制码来进行通信（见图1-15）。每一数码都可代表开或关、1或0、高或低、是或否等。一个二进制码简称位（bit，比特）。正如字母能够组合成人类的语言一样，二进制数组合成字节，每字节包括了八位。

串行数据每一位在数据流中都有着特定的位置。比特以准确的时间发送，代表着所发送的信息或是信息间的间隔。位传输的速度被称为波特率（有时也称为传输速率）。串行数据是一系列快速变化的电压信号，电压被拉高或者拉低。串行数据包含正在被传送的信息和信息之间的分隔位。

串行数据总线可与故障诊断仪通信（见图1-16）。它使技术人员能够运行系统诊断，读取故障诊断码，查看输入和输出的数据，以及发出主动控制命令。

3. 串行数据通信类型

串行数据通信有两种类型：主从式和自由流式（见图1-17）。自由流式也可称为对等网（端到端式）。

在主从式通信中（见图1-17），由主控模块决定从动模块是否可以执行主控模块所要求的功能。主控模块具有与其子系统外的模块通信的能力，而从动模块则没有。从动模块需遵从命令。

主从式通信的实例一般可在乘客侧车门同驾驶员侧车门模块或门锁系统的关系中找到。如图1-18所示，驾驶员侧车门模块发送命令到前排乘客侧车门模块，锁闭车辆。

在自由流式即端对端式通信中，所有的模块都具有与其他模块同等的通信能力。模块必须了解完成其功能需要的是哪些数据，而且必须始终获取所需要的数据。为此，所有信息都包含了描述内容的标题。每个控制器都只需回应它自己的信息。由于加入了寻址和优先级，信息可以被安排给特定的模块。

自由流式通信的一个实例是驾驶员侧的车门模块与上行模块的关系。如图1-19 所示，对于发送到模块的命令和数据，只有那些需要该数据或命令的模块才会按该信息行动。

车辆控制系统使用多个控制模块，串行数据总线（见图1-20）将所有控制模块联在一起。它可以星形配置或环形配置以及组合形配置。在星形网络中，用单线各自联系每个控制模块，各模块被连接到中心节点（星形连接器）。一台车上可以同时有两个或多个星形结构。

如图1-20所示，在环形网络中，各模块呈环形依次连接，可减少所需电线的数量。

有些网络是环形和星形网络的组合如图1-21 所示。在组合网络中，多数的控制模块以环形连接，另外的模块则用串行数据线接入环路。