4.6 汽车MOST总线系统的单片机模拟节点控制

 

4.6.1.MOST总线的主要特征及术语

    1.MOST总线的特征

    MOST网络可以不需要额外的主控计算机系统，结构灵活，性能可靠和易于扩展，MOST网络光纤作为物理层的传输介质，可以连接视听设备、通信设备以及信息服务设备，MOST网络支持“即插即用”方式，在网络上可以随时添加和删除设备。

MOST主要具有以下几个特征：

    a. 保证低成本的条件下，达到24.8Mbit/s的数据传输速率。

    b. 无论是否有主控计算机都可以工作。

    c. 使用塑料光缆（POF，Plastic  Optical  Fiber）优化信息传送质量。

    d. 支持声音和压缩图像的实时处理。 

    e. 支持数据的同步和异步传输。

    f. 发送/接收器嵌有虚拟网络管理系统。

    g. 支持多种网络连接方式。

    h. 提供MOST设备标准。

    i. 方便简洁的应用系统界面, MOST总线不像CAN和I-Bus（仪表总线）那样只能传输控制数据和传感器数据，它还能传输数字音频信号和视频信号图形以及其它数据服务。

 

    2.MOST数据的类型

    在MOST网络中传输的信息有同步数据、异步数据和控制数据三种类型，这三类数据分别由一个信息帧的同步数据域、异步数据域和控制数据域传送。

    同步数据域用于传送实时数据，数据的访问采用时分多路复用（TDM—Time  Division  Multiplexing）方式。在一个帧中异步传输用于传送大块的数据，异步数据以令牌环的方式访问，控制数据域传输控制和其它数据。控制通道的协议采用载波监听多路复用（CSMA—Carrier  Sense  Muccess）访问方式。 

 

    3.MOST总线的常用术语

    a.MOST数据通道（Channel），在MOST网络中，信息帧格式传送，一个帧又划分为一些数据段，总线上不断传送的信息帧的相同数据段连续不断地传送着某种信息，构成了这种信息的一个数据通道。

    b.通道带宽（Bandwidth），在网络物理介质上的信息传输率一定时，MOST网络中一个数据通道的信息传输速度由这个数据通道在一帧中占用的数据字节数据决定，字节越多，单位时间传输的数据越多，速度也越快。MOST网络中，在一帧中分配给一个通道的字节数就是这个通道的带宽。 

    c.MOST设备（Device），MOST设备可是人机接口、音像设备、键盘以及控制开关等任何可以连接到MOST网络上的装置。 

    d.MOST功能 (FunMon)和功能块 (FunMonBlock)。在MOST的应用层;一个设备可以有多个实现一定应用目的组件，如放大器、调音器、CD唱机等，它们称为功能块。MOST的“功能”指功能块的一些可以由外界访问的属性或操作。 

   e.从功能块 (Slavd)、控制功能块 (Controller)和人机接口功能块 (HMI，Human-Machin Interface)。只能接受其它功能块的操作，而不能对其它功能块施行操作的功能块称为从功能块，能够对其它功能块施行操作的功能快称为控制功能块，具有人机界面的功能块称为人机接口功能块。

    f.属性（Property），属性是指功能块或设备的一些可以被访问的参数，如温度、音量、口令等，属性一般由变量表示。

    g.方法（Method）,在MOST协议中，方法是指施加于功能块的某种操作，功能块发出的一个方法请求可以带有执行这个操作需要的一些参数。当一个功能块发出一个方法请求后，被请求的功能块就会启动相关的处理过程，如果请求的操作过程不能被完成，接收到这个请求的功能块将返回给发出请求的功能块一个错误信息；如果请求的操作过程顺利完成，接收到方法请求的功能块在完成相应的过程后，将向发出请求的功能块发送一个有关执行情况的信息。

    h.事件（Event），一个功能块的一些属性可能在没有外部请求的时候也会发生一些变化，这就是所谓的事件。如CD播放的延续时间、设备状态变化等。当一个功能块使用的其它功能块的参数需要不断被刷新时，它就会不断地发出读取请求，以便获得这个参数的当前状态（这种过程会占用大量的带宽资源）。如果功能块没有得到请求时，在一些事件发生时也能自动发送信息，这样就会减少需要通过网络传输的信息量，降低网络通信负担。

    i.功能间的接口，为了使用一个功能，一个控制功能块或人机接口功能块必须知道这个功能需要的参数，可以进行的操作以及参数类型和限制等方面的知识；功能接口提供调用它时这些信息的描述，是这个功能与使用它的功能间的界面。功能接口的定义通常在使用一个设备时是已知的，可以通过人机接口动态配置。在系统运行中，功能接口的参数可能发生变化。在这种情况发生时，新的定义将被通知到所有使用这个功能的功能块。 

 

4.6.2 MOST总线的基本结构与原理

    1.MOST节点结构

    MOST标准的节点结构模型如图4-52所示，MOST网络可以连接基于不同内部结构和内部实现技术的节点，它的拓扑结构可以是环形网或星形网或菊花链。MOST网络上的设备分享不同的同步和异步数据传输通道，不同类型的数据具有不同的访问机构。

 

图4-52  MOST的节点结构模型

 

MOST网络有集中管理和非集中管理两种管理模式。集中管理模式中，管理功能由网络上的一个节点实施；当其它节点需要这些服务时，必须向这个节点申请，非集中管理模式中，网络管理分布在网络上的节点中，不需要这种中心管理。

  一个MOST网络系统由MOST连接机制、MOST系统服务和MOST设备三个方面决定。MOST网络启动时，为每一个网上设备分配一个地址；数据传输时，通过同步位流实现各节点的同步。

 

    2.MOST设备

    连接到MOST上的任何应用层部分都是MOST设备。因为MOST设备是建立在MOST系统服务层上的，它可以应用MOST网络提供的信息访问功能以及位流传送的同步频道和数据报文异步传送功能。它可以向系统申请用于实时数据传送的带宽，同时还可以以报文形式访问网络和发送/接收控制数据。MOST网络中，在网络管理系统的控制下，这些设备可以协同工作，它们之间可以同时传送数据流，控制信息和数据报文。 

    如图4-53所示，逻辑上，一个MOST设备包括节点应用功能块、网络服务接口、发送/接收器以及物理层接口，一个MOST设备可以有多个功能块，如使用CD，需要有“播放”、“停止”、以及“设置播放时间”等功能，这些功能对于MOST设备来说是外部可以访问的。

 

图4-53  MOST设备图

 

    3.MOST设备的硬件结构

    如图4-54所示，其中RX表示输入信息，TX表示发送信号，Ctrl表示控制信号，在一些简单的设备中，可以没有微控制器部分，由MOST功能模块（MOST发送/接收器）直接把应用系统连到网络上。

 

图4-54   MOST设备的硬件结构图 

 

    4. 多媒体网络的原理

    多媒体网络的一个基本特征是它不像CAN总线和仪表总路线那样，只传输控制数据和传感器数据，除此之外一个多媒体网络还能传输数字音频信号和视频信号图形以及其它数据，其原理图如图4-55所示：

 

图4-55  多媒体网络的原理图

 

控制数据和传感器数据与数字音频信号和视频信号系统最大的区别在于数据容量，数字音频信号和视频信号的数据容量非常大（15Mbit/s），采用高速的CAN（1Mbit/s）也无法及时、快速传递。MOST目前提供的带宽为22.5Mbit/s，为了满足数据传输的各种不同要求，每一个MOST信息分为控制数据、异步数据和同步数据三部分。

 

4.6.3 MOST总线控制单元的内部结构

    MOST总线控制单元由光导纤维—光导插头、电气插头、内部供电装置、收发单元—光导发射器(FOT)、MOST收发机、标准微控制器和专用部件等组成，如图4-56所示。

 

图4-56 MOST总线控制单元的内部结构

 

    1. 光导纤维——光导插头

    光信号通过光导纤维——光纤插头进入控制单元，或产生的光信号通过光导纤维——光纤插头传往下一个总线用户，如图4-57所示。 

 

图4-57  光导纤维一光导插头结构

 

  2. 电气插头

  该插头用于供电、环断裂自诊断以及输入/输出信号，如图4-58所示。

 

 

图4-58  MOST电气插头

 

    3. 内部供电装置

    由电气插头送入的电再由内部供电装置分送到各个部件。这样就可单独关闭控制单元内某一部件，从而降低了静态电流。

 

    4. 收发单元——光导发射器（FOT）

    收发单元——光导发射器（FOT）由一个光电二极管和一个发光二极管构成，如图4-59所示。光电二极管的结构原理如图4-60所示。

 

图4-59 收发单元——光导发射器 

 

 

图4-60 光电二极管的结构原理示意图 

 

    到达的光信号由光电二极管转换成电压信号后传至MOST收发机。发光二极管的作用是把MOST收发机的电压信号再转换成光信号，产生出的光波波长为650nm的可见红光，如图4-61所示。数据经光波调制后传送，调制后的光经由光导纤维传到下一个控制单元。

 

图4-61   发光二极管产生的光信号的波长

 

光电二极管内有一个PN结，光可以照射到这个PN结上，如图11.33所示由于P型层很厚，绝缘层只能刚刚够得到N型层。在P型层上有一个触点—正极，N型层与金属底板（负极）接触。

    如果光或红外线辐射照到PN结，就会产生自由电子和空穴，从而形成一个穿越PN结的电流。也就是说，作用到光电二极管上的光越强，流过光电二极管的电流就越大，这个过程称为光电效应。

光电二极管反向与一个电阻串联。如果由于照射光强度增大，流过光电二极管的电流增大，那么电阻上的压降也就增大了，于是光信号就被转换成电压信号了。如图4-62、4-63所示的为射入PN结上的光强度弱和强时，串联电阻上的电流和电压的变化。

 

图4-61  射入PN结上光强度弱时的电流和电压  

 

 

图4-62  射入PN结上光强度强时的电流和电压  

 

   5. MOST收发机

   MOST收发机由发射机和接收机两个部件组成。发射机将要发送的信息作为电压信号传至光导发射器。接收机接收来自光导发射器的电压信号并将所需的数据传至控制单元内的“标准微控制器”（CPU）。其它控制单元不需要的信息由收发机来传送，而不是将数据传到CPU上，这些信息原封不动发至下一个控制单元。

 

    6. 标准微控制器（CPU）

    标准微控制器是控制单元的核心元件，它的内部有一个微处理器，用于操纵控制单元的所有基本功能。

 

    7. 专用部件

    这些部件用于控制某些专用功能，如CD播放机和收音机调谐器，因此并不是所有的控制单元都有专用部件。

 

4.6.4  MOST总线的环形结构    

    1. 环形结构

    MOST总线系统的一个重要特征就是它的环形结构，控制单元通过纤维沿环形方向将数据发送到下一个控制单元，这个过程一直在持续进行，直至首先发出数据的控制单元又接收到这些数据为止，这就形成了一个封闭环。MOST总线的环形结构如图4-63所示

 

图4-63  MOST总线的环形结构

 

    2. 系统管理器

    系统管理器与诊断管理器一同负责MOST总线内的系统管理，系统管理器的作用如下：

    a.控制系统状态。

    b.发送MOST总线信息。

    c.管理传输容量。

 

4.6.5  MOST总线系统状态

    1. 休眠模式

    MOST总线系统的休眠模式如图4-64所示，此时MOST总线内没有数据交换，所有的装置处于待命状态，只能由系统管理器发出的光启动脉冲来激活，静态电流被降至最小值。

进入休眠模式的前提条件如下：

总线上的所有控制单元显示为准备进入睡眠模式。其它总线系统不经过网关向MOST提出要求。诊断不被激活。

 

    2.备用模式

    MOST总线系统的备用模式如图4-65所示，该模式无法为用户提供任何服务，给人的感觉就好像是系统已经关闭一样，此时MOST总线系统在后台运行，但所有的输出介质（如显示屏、收音机放大器等）都不工作或不发声，这种模式在起动及系统运行时被激活。

 

 

图4-64  休眠模式 

 

图4-65  备用模式 

 

进入备用模式的前提条件如下：

    a.由其它数据总线经由网关得以激活，比如，驾驶坐位旁车门打开/关闭时。

    b.可以由总线上的一个控制单元得以激活，比如一个要接听的电话。

 

    3.通电工作模式

    MOST总线系统的通电工作模式如图4-66所示，此时控制单元完全接通，MOST总线上有数据交换，用户可使用所有功能。

图4-66  通电工作模式

 

进入通电工作模式的前提条件如下：

    a.MOST总线处在备用模式。

    b.由其它数据总线得以激活。

激活的实现可以通过使用者的功能选择，通过多媒体的操纵单元。 

 

4.6.6  MOST总线在汽车上的应用

    MOST网络的特点非常适应汽车媒体设备应用环境的需要，所以汽车行业已经把MOST技术作为将来汽车上媒体系统的一个标准。汽车生产商采用MOST主要是由于其性能可靠、成本低、系统简单、结构灵活、数据兼容性好和良好的EMI（ Electro Magnetic Interference）即电磁干扰性能。通过MOST网络把人机语音接口与车上媒体设备、通信设备以及其它信息设备连接，是实现这种车上设备语音访问技术的有效方式。图4-67是用MOST实现这种车上媒体设备、信息设备链接的示意图。

 

1— 计算机及键盘    2—显示器    3、9—音响    4—电视   5—无线信号发送接收器  

6—卫星信号接收机      7—CD—ROM(电子地图等数据)       8—车载电话     

10—语音控制输入接口        11—CD(VCD)播放机

图4-67  车上媒体设备、信息设备的MOST网络

 

4.6.7  MOST总线的诊断  

    1.诊断管理器

    除系统管理器外，MOST总线还有一个诊断管理器，该管理器执行环形中断诊断，并将MOST总线上的控制单元诊断数据传给诊断控制单元。

 

    2.系统故障

    如果数据传递在MOST总线上的某一位置处中断，由于总线是环形结构，因此就称之为环形中断，发生环形中断的原因如下：

    a.光导纤维断路。

    b.发射器或接收器控制单元的供电有故障。

    c.发射器或接收器控制单元损坏。

 

    3.环形中断诊断

    如果MOST总线上出现环形中断，如图4-68所示，那么就无法进行数据传递，产生的影响如下：

a.音频和视频播放终止。

b.通过多媒体操纵单元无法控制和调整。

c.诊断管理器的故障存储器中存有故障“光纤数据总线断路”。

 

图4-68 环形中断诊断

 

因此就必须使用诊断线来进行环形中断诊断，诊断线通过中央导线连接器与MOST总线上的各个控制单元相连，要想确定环形中断的具体位置，就必须进行环形中断诊断。中断诊断开始后，诊断管理器通过诊断线向各控制单元发送一个脉冲，这个脉冲使得所有控制单元用光导发射器内的发射单元发出光信号。在此过程中，所有控制单元检查功能为：自身的供电及其内部的电控功能；从环形总线上的前一个控制单元接收光信号。

MOST总线上的控制单元在一定时间内会应答，这个时间的长短由控制单元软件来确定，环形中断诊断开始后到控制单元作出应答有一段时间间隔，诊断管理器根据这段时间的长短就可判断出哪一个控制单元已经作出了应答。

    环形中断开始后，MOST总线上的控制单元发送两种信息：一种是控制单元电气方面正常，即本控制单元的电控功能正常，如供电情况；另一种是控制单元光学方面正常，即本控制单元的光电二极管接收到环形总线上位于其前面的控制单元发出的光信号。

诊断管理器通过这些信息就可以识别：系统是否有电气故障，哪两个控制单元之间的光导数据传递中断了。

 

    4.信号衰减增大的环形中断诊断

    环形中断诊断只能用于判定数据传递是否中断，诊断管理器的执行元件诊断还有一项功能，就是通过降低光功率来进行环形中断诊断，用于识别增大的信号衰减，通过降低光功率来进行环形中断诊断，其过程与上述是相同的，如图4-69所示。 但有一点是不同的：即控制单元接通光导发射器内的发光二极管时有3dB的衰减，也就是说光功率降低了一半。如果光导纤维信号衰减增大，那么到达接收器的光信号就会非常弱，接收器会报告“光学故障”，于是诊断管理器就可识别出故障点，并在用检测议查寻故障时会给出相应的帮助信息。

 

图4-69  信号衰减增大的环形中断诊断

 

 

拓展任务

帕萨特轿车的故障分析

 

故障现象：一辆行驶里程约KM的大众帕萨特B5 1.8T轿车。该车因发动机无法起动故障到维修厂进行维修。驾驶员反映该车曾发生交通事故，当时仅车辆左侧受到撞击，发动机仍能正常运行。将事故车拉到定点汽车修理厂进行碰撞修复工作。修复后，发现发动机无法正常运行，在发动机起动2s后就自动熄火。这种现象很像防盗报警系统启动了，但是防盗报警灯却始终没有点亮，也无法重新对防盗系统进行匹配。于是技术人员用诊断仪对电控系统进行检测。

    在发动机控制系统能读到2个故障码，分别是：

    ———动力系统数据总线通信失败，

    ———发动机控制单元被防盗控制单元闭锁。

    由于怀疑防盗系统故障，对仪表和网关控制系统也进行了检测，在中央仪表控制单元和网关控制器内存有号故障码，表示动力系统数据总线故障或有缺陷。由于发动机不能起动运行，因此也无法对动态数据流进行分析并帮助查找其他故障端倪。

接下来技术人员查阅帕萨特B5 1.8T轿车相关资料，发现该车是采用CAN-Bus总线与多路信息传输系统控制的车辆，整车有两套总线网络系统：一套动力系统总线，一套舒适系统总线。动力系统总线连接发动机控制单元、仪表控制单元、ABS控制单元、安全气囊控制单元和自动变速器控制单元等，经常在200~300 kB/s速率下工作，为高速网。舒适系统总线连接中央控制器、电控坐椅控制、自动空调控制器以及音响控制器等，常在70~80 kB/s 速率下工作，为低速网。目前，在3个控制器内存有与网络有关的3个故障码。在发动机控制单元有和号故障码，表明动力系统数据总线通信失败和发动机控制单元被防盗控制单元闭锁。在仪表与网关控制器内存有同样的号故障码，表示动力系统数据总线有故障或缺陷(即数据通信品质不好)。根据所有电控单元存储的故障码分析，该故障应属于CAN总线系统链路故障。而帕萨特B5 1.8T轿车的防盗控制器便安装在仪表总成内，若仪表控制单元与发动机电控单元因链路中断而不能通信，就会发生发动机控制单元被防盗控制单元闭锁的故障，发动机也不能起动运行。因此，应当重点检查仪表控制单元到发动机控制单元的网络通信链路。故障排除发动机控制单元安装在挡风玻璃下面，与仪表总成很近。拆下仪表板外壳，沿仪表总成连接线束向下查找，发现高位网线在发动机舱与驾驶舱的连接防火墙线孔处，表皮有磨损并与车身搭铁。用胶带缠绕修复磨损的高速网线表皮，重新在线孔处安装一个橡胶圈，清除所有控制器内存储的故障代码，所有故障码都不再出现，故障排除，发动机也能够正常起动了。

 

故障总结：该车出了交通事故后，由于车辆左侧严重变形，维修人员在修复时多次使用导链牵引恢复，致使高位网线在发动机舱与驾驶舱的连接防火墙线孔处的防护套脱落，造成高位网线在此磨损并搭铁，从而引起该故障。本例故障提醒维修人员在钣金修复时，应时时注意修复位臵的相关线路，以免引起不必要的麻烦。

小结

    本单元讲述了汽车单片机局域网的基本概念和参考模型，了解汽车CAN结构，了解汽车传感器及ECU在车上的分布。

    本章描述汽车网络的分类与基本特征。

    汽车总线系统的维修与检测。

    汽车控制器与收发器芯片的基本原理与功能。

    汽车LIN、MOST总线系统智能节点的设计。

 

习题

1.LIN总线与CAN总线的区别和关系。

2.MOST总线的结构与特点。

3.简述多路传输原理。

4.CAN-BUS的结构与特点。

5.简述典型控制器SJA1000的特点。

6.画出CAN总线智能节点硬件设计原理图。