汽车电力载波总线系统的应用设计

中国汽车设计网 目前，现行的汽车总线标准很多，其中使用比较广泛的有CAN总线、J1850等。这些总线都要采用专门的数据线束，且汽车的ECU单元对数据传输的要求不一致，需要在汽车内同时布置几个不同的数据网络。另外，这些数据总线的实现又需要布置专用的数据通信线束，这样增加了汽车内的线束、制造成本和维护难度，给汽车内的数据传输带来不稳定的因素。本文介绍一种新的汽车总线数据传输方式——汽车电力载波总线数据通信技术，该方式在不增加汽车内线束的基础上可实现汽车内各ECU模块之间的数据传输和共享。

1 系统总线通信信道模型分析

与低压电网载波通信系统一样，汽车电力线载波系统的负载也是复杂和时变的。各种类型的电器有时接通，有时断开，使得导线的阻抗特性具有很大的波动性，系统的传递函数随负载的变化随时发生改变，是一个时变系统。图1所示的时变通信信道模型，可以用来表述汽车电力线载波总线系统。图中，除了噪声干扰被表示为加性的随机干扰过程外，系统中其他的部分都以相应的频率响应函数表示。通信系统中的传递函数以及噪声模型可以通过测量得到，也可以通过理论分析得到。这个系统模型比较全面地概括了通信系统设计时所必须考虑的重要特性。

图1 汽车PLC系统时变通信信道模型

要进一步研究汽车电力线载波系统的特性，就要确定信道模型中传输特性的参数。本文使用美国Aglient公司生产的矢量网络分析仪 8712ES，其结构框图如图2所示。对于一个汽车系统，足够地、精确地描述车载网络的参数实际上是不可能的。这里采用实验法研究其信道模型。实验法是把系统看成一个黑箱，不需要精确知道箱内结构，只要通过实验得到描述这个黑箱信号传递特性的传递函数就能表述这个系统。

图2 网络分析仪结构框图

对于汽车电力线载波通信信道，其频率响应是一个缓慢变化的随机过程。这个随机过程可以看成是一个方差为σ2的白噪声经过一个因果稳定滤波器的输出。正确地选择这个滤波器的系数，就能把这个随机过程用有限的参数表示出来。把已经获得的数据送入计算机处理、分析方差的变化开始变缓，可以确定系统频率响应，用3个系数和1个白噪声的方差表示为:按此在新窗口浏览图片。根据模型系数的统计特性认为，通信信道的频率响应应该是白噪声随机过程经过AR模型系数所构成的滤波器后的输出，可以通过计算机编制程序来产生信道的频率响应。这里假定系数都是独立的高斯随机变量，仿真结果如图3所示。

图3 汽车电力线载波通信信道响应仿真结果

本文在大量实验测量的基础上，在500 kHz～10 MHz频带上对汽车电力线载波通信信道的传输特性进行了研究，并用随机信号处理方法建立了信道幅频特性的3阶自回归模型，得到以下结论:

① 汽车电力线载波通信信道不存在通常低压电力线载波通信信道都会遇到的多孔径传输的问题。

② 汽车电力线载波通信信道具有时变性，在频域内，该时变性只发生在5 MHz以下的频率范围内；在频率高于5 MHz的频率时，时变性不明显。

2 系统设计

图4 汽车载波通信的网络拓扑结构原理框图

根据系统总线通信信道模型分析，汽车电力载波总线采用汽车载波通信标准和协议；同时，结合汽车内各电器对数据传输速率要求的实际情况，组建不同数据速率的汽车线束载波通信网络。高速载波通信网络将汽车内需要高数据传输速率的模块连接在一起，而对速率要求不高的电器模块则使用低速通信网络。这样，汽车内的所有电器就可以通过很少的几根电力线束分别连接在一起，组成几个子系统。这些子系统之间通过网间连接器（网关）实现信息共享，达到汽车各电器模块的协同动作，实现汽车智能控制。图4是汽车载波通信的网络拓扑结构原理框图。在这种拓扑结构的汽车载波通信系统中，各电器模块与载波通信模块之间的连接采用新的汽车载波通信总线标准。

本设计中的汽车载波通信系统采用主从结构，整体的网络结构呈树状分布。系统中包括一个主控制模块和多个从控制模块。从网络拓扑结构的角度来看，整个通信系统就是由主控制模块、汽车电力线束以及从控制模块组成，在系统中汽车电力线束同时也起到了通信信道的作用。图5显示了连接在汽车内载波通信系统中的主控制模块与电动门窗及电动椅等负载的连接情况。控制信息通过汽车电力线束，在各个控制模块之间传输。

图5 汽车载波通信系统负载连接原理

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