面向工業(yè)應(yīng)用的汽車通信網(wǎng)絡(luò)分析

　　從家庭住屋到大型住宅樓和辦公樓及至工廠，建筑物自動化都是發(fā)展越來越多的一個極重要方面。受需要增強安全性和提高能源效率這兩項21世紀最重要優(yōu)先任務(wù)的推動，建筑物和工業(yè)廠房中運行的系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，互連程度也不斷提高。

　　特別是建筑物內(nèi)能源管理的需求產(chǎn)生了在日益精細的基礎(chǔ)上智能控制寬范圍系統(tǒng)的需要。精密調(diào)節(jié)控制的下一步是僅開啟任何某個時間正在使用的小隔間的照明。工業(yè)和過程控制環(huán)境的相似之處在于控制單臺機器、甚至是某臺給定機器的特定參數(shù)，使能源效率提升至最高。

　　這類應(yīng)用產(chǎn)生了采用高級系統(tǒng)智能來實現(xiàn)控制功能的需求。而且，一樣重要的是，它們需要強固、低成本的線纜數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來對數(shù)百米距離內(nèi)的眾多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行互連。

　　系統(tǒng)設(shè)計人員越來越多地將目光瞄向已在汽車工業(yè)中扎根、作為應(yīng)對這些要求的解決方案的網(wǎng)絡(luò)。舉例來說，本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)和控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)這兩種網(wǎng)絡(luò)所具有的強固性和記錄，令其對于不同傳感器和控制電路之間可靠、低成本通信至關(guān)重要的工業(yè)和建筑物內(nèi)應(yīng)用而言極具吸引力。

　　乍一看來，車載網(wǎng)絡(luò)和建筑物內(nèi)網(wǎng)絡(luò)之間似乎沒什么共同點。畢竟一個是移動、電池供電、重量和空間敏感型環(huán)境，另一個是“范圍”應(yīng)用的根本所在。但事實是，當今的建筑自動化市場與上世紀80年代中期的汽車工業(yè)環(huán)境有著眾多相同之處，那時候CAN這樣的標準被構(gòu)想出來。

　　在那時，一個很重要的需求是減少每輛車內(nèi)的線纜數(shù)量。由于那時平均每部車內(nèi)的線纜超過5km，減少線纜數(shù)量是需要的，不僅是減少占用空間，還可降低重量，從而提升燃油經(jīng)濟性。與此同時，汽車制造商也被他們選擇的通信子系統(tǒng)的專有屬性所困擾。這意味著他們很少能夠控制他們所應(yīng)用的通信拓撲結(jié)構(gòu)，并且經(jīng)常不能選擇適合他們需求的恰當通信拓撲結(jié)構(gòu)。更糟糕的是，由于在集成多供應(yīng)商系統(tǒng)方面的困難，他們可能還不能選擇適合其應(yīng)用的最佳子系統(tǒng)供應(yīng)商。

　　這樣，類似CAN的開發(fā)目標就是使用能夠在眾多汽車系統(tǒng)中共用的標準通信基礎(chǔ)設(shè)施，減少線纜數(shù)量，并因此使汽車制造商能夠從任何生產(chǎn)兼容標準的模塊的供應(yīng)商選擇元件。輔助的要求是低開發(fā)成本和單位成本——在競爭激烈的汽車市場這是常態(tài)，以及在極其惡劣和最不受控制的環(huán)境下發(fā)揮作用的能力。

　　一種簡單、標準的總線可用于大范圍的系統(tǒng)類型——從HVAC和照明到安防和安全以及能源管理。它還讓多供應(yīng)商應(yīng)用構(gòu)建，從而為節(jié)省成本、增強適配性和靈活性開拓機遇。

　　類似CAN這樣的標準還有其它一些并未在當年立即呈現(xiàn)給其汽車業(yè)推動者的優(yōu)勢。由于它已經(jīng)部署多年，這種標準已經(jīng)在應(yīng)用中獲得證明。因此，它不僅具有設(shè)計強固性(見附文)，它還有只有經(jīng)過多年現(xiàn)場測試才能獲得的“開源”質(zhì)量屬性。這些特征在汽車制造和建筑等領(lǐng)域更具吸引力；這些領(lǐng)域?qū)τ谛录夹g(shù)比消費電子、計算機或電信產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域呈現(xiàn)更加保守的態(tài)度。

　　此外，由于初始設(shè)計和工程工作已經(jīng)完成，無需花費時間和資金來定義新的標準——這個優(yōu)勢對回溯至1986年時的汽車工業(yè)肯定會擁有吸引力。這些節(jié)省延伸至元件級，而在元件級規(guī)模經(jīng)濟已經(jīng)構(gòu)建到收發(fā)器、控制器、互連器件的設(shè)計和制造之中，也融入到眾多案例系統(tǒng)和軟件之中。

　　但是，所有類型的汽車級系統(tǒng)證實最具吸引力的常常是它們旨在用于惡劣環(huán)境的事實。類似CAN這樣的總線系統(tǒng)從最基礎(chǔ)開始設(shè)計使其實現(xiàn)電氣強固性，并采用協(xié)定令電磁兼容(EMC)問題減至最小?，F(xiàn)有CAN產(chǎn)品設(shè)計用于承受溫度、沖擊和震動以及水浸等方面的嚴苛標準。

　　這些特征意味著它們能夠用于大多數(shù)建筑物內(nèi)應(yīng)用，而設(shè)計人員不會被它們在何處進行物理定位或它們接近其它設(shè)備所困擾。而它們的高可靠性意味著它們能夠安全無虞地部署在安全、安防和關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用之中。

　　這樣，問題就在于CAN等汽車網(wǎng)絡(luò)不適合建筑物內(nèi)和工業(yè)自動化使用的唯一領(lǐng)域就是其傳輸距離。CAN規(guī)定的最大線纜長度為40米，而建筑物設(shè)計人員一般需要500米的距離。對于較大的大學(xué)校園應(yīng)用而言，可能還需要在幾千米距離內(nèi)對信號進行路由。

　　這就導(dǎo)致三個問題。首先，在較大距離下可能不能實現(xiàn)最高的比特率。CiA(CAN in AutomaTIon)組織建議在最長500m線路距離下，傳輸速率限制在125kbps；對于距離大于2km，傳輸速率限制在  20kbps，或者10 kbps可能更接近限制標準。

　　第二，可能會有信號衰減問題；信號的強度可能不夠支撐其傳輸至目的地。最后，象其它協(xié)定一樣，CAN依賴于時序。極長的線路會導(dǎo)致信號延遲，這可能會“誘騙”一個節(jié)點至工作狀態(tài)，盡管網(wǎng)絡(luò)卻并不處在使用狀態(tài)，而這時事實上另一個節(jié)點正在進行信號傳輸，或?qū)е鲁瑫r暫停(TIme-out)功能不恰當?shù)乇徽{(diào)用。

　　雖然這些看上去可能象是相當基礎(chǔ)性的障礙，事實上，CAN的固有屬性意味著在這個標準的存在期間極少有這類問題沒有被觸及。事實上，選擇合適的CAN收發(fā)器IC作為其工業(yè)和建筑物內(nèi)CAN系統(tǒng)的基礎(chǔ)，設(shè)計人員就會發(fā)現(xiàn)他們面對的大多數(shù)問題已經(jīng)得到解決。

　　此外，使用具有能夠消除外部元件需要的集成特器件，在開發(fā)成本和時間方面能有可觀的節(jié)省。諸如安森美半導(dǎo)體AMIS-42xxx器件系列的專用標準產(chǎn)品(ASSP)具有靜電放電(ESD)、過壓保護、低電磁輻射等特性，消除了使用共模扼流圈的需要，而寬廣的共模信號范圍提升了電磁耐受性能。

　　收發(fā)器通常分為兩個基本類型。中繼器型器件能夠用于需要信號衰減問題解決方案的環(huán)境。它們包括CAN接收器和發(fā)射器，以及必要的信號整形電路。

　　長線(long wire)型器件通常具備在完整數(shù)據(jù)率范圍下工作的能力。雖然這在理論上看上去足夠簡單去實現(xiàn)，但實踐中，它需要非常仔細的設(shè)計。特別是在極低傳輸速率時，相似極性的數(shù)據(jù)比特串可能對總線呈現(xiàn)“鎖定”狀態(tài)，觸發(fā)超時暫停錯誤。這就在總線能夠以多慢速率工作方面有效地設(shè)定了一個限制，這反過來限制了傳輸距離在多大程度上能夠延伸。需要在超過500米距離(或就數(shù)據(jù)率而言低于60 kbaud)上發(fā)揮作用的收發(fā)器因此必須具有取消或適應(yīng)這種CAN超時暫停性的能力。
為了確保通信和即插即用操作的完整性，諸如安森美半導(dǎo)體AMIS-42671這樣的器件也集成了數(shù)據(jù)率自動檢測功能。這是將收發(fā)器配置成在總線上監(jiān)聽來實現(xiàn)，但會將本地CAN控制器的錯誤信息環(huán)回至控制器本身。這就迫使控制器通過其本身所具有的速度來循環(huán)，直至數(shù)據(jù)被成功接收而且沒有錯誤產(chǎn)生。這樣一個系統(tǒng)為建筑物通用CAN連接提供極低負擔的技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)速度自動適配為它們所配置的應(yīng)有速度。

　　諸如CAN等汽車網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在質(zhì)量對于建筑物自動化和過程控制應(yīng)用而言也被證實越來越具吸引力。獲得證明的技術(shù)和實現(xiàn)長距離操作所需設(shè)計修改所用的收發(fā)器元件的完備供應(yīng)為設(shè)計人員提供了可能。最終結(jié)果是更加智能化的建筑物和更佳的過程控制，直接產(chǎn)生改善的能源管理、優(yōu)化的過程和更佳的安全性。