具有中央控制器和可编程控制节点的多路复用电气系统 本发明涉及多路复用电气系统，且更具体地说是涉及一种具有高智能多路复用装载专用控制器的汽车电气系统。
五十年代中期，汽车工业从6伏特系统变成了12伏特系统，从那时起，技术的发展并没有显著地改善基本的车辆动力系统。然而，在可获得性、用户需要、竞争压力和众多的规则要求的驱动下，很多新的成功的特征被包含到了车辆中。这些特征包括舒适而方便的装置、安全性的增强、娱乐设备、导航和通信装置、发动机和传动管理、车上诊断电路以及照明和变速箱性能所独有的警报系统—例如紧急车辆照明以及声频警报。新开发的车辆特征还包括积极的悬挂调节、智能的行进控制、碰撞避免系统和自动发射重新配置控制。
用户所需要的特征以及规则所要求地特征的数目，预计会连续增加，从而使制造商面临着如何适应车辆增长的复杂性的问题。今天，即使不带所有可获得的选择，普通的客用车辆连线的总长度也超过了一公里、重量超过了60磅且连接点的数目超过了500个。继电器、开关、分线器、保险丝和其他辅助部件非常地多。制造的问题包括车辆的重量、空间限制、风格、封装的考虑和方便地包含或去掉可选的特征的能力。也许更重要的是有关对适当的系统整体性和车辆子系统之间的信息共享的要求。由于附加的特征对车辆有限容量的电气系统产生了显著增大的要求，因而有效的动力管理就变得非常重要。除了有效的动力管理之外，车辆的设计还必须考虑系统的质量、可靠性、维护性和成本。
目前，传统的车上电气和电子部件或负载，依赖于导线系统和点至点的连线—它要求导线从中央控制站直接连接到各个负载。负载可以是检测器、致动器或其他电气部件。中央控制系统需要控制电气系统中的各个和每一个负载并且必须非常复杂，以容纳控制所有负载所需的逻辑电路。例如，在点至点导线系统中，转向信号灯系统的导线从电池连接到一个中央控制器(开关)，通过一个机械继电器而到达转向信号灯。车辆系统中的各个附加的负载必须经过连接在动力、开关和负载之间的导线而与动力(即电池)和诸如开关的控制装置相连。这些导线的长度都有几英尺，且当考虑到大量的负载时，车辆中导线的总长度可能超过一英里。今天，普通的车辆的导线系统的总长度超过了一英里且重量超过了60磅，并且有500个以上的连接器。相连的继电器、开关、分线器、保险丝和其他辅助部件和负载更是为数众多。另外，这些导线都必须足够地粗以避免动力由于通过导线而发生损失。包含车辆所需的所有导线的导线系统的重量、材料和制造成本是非常高的。这些导线系统的制造和设计问题包括有限的空间、风格和封装考虑、以及增加和减少特征方面的灵活性受到限制。这种系统中的中央控制系统必须为操作电气系统的所有负载所需的所有功能算法进行设计和编程。随着车辆由于增加的特征而变得更为复杂，电气系统必须变得更为复杂以适应这种增加的特征，而中央控制的设计也就变得更为复杂。
串行数据通信或多路复用系统由于它们在汽车电气系统中的潜在应用而得到了研究。与点至点导线系统相比，多路复用电气系统，通过用串行通信总线和多路复用节点控制器来代替传统的复杂的导线系统和中央控制器，从而能够显著地减小材料成本、重量和制造成本。一种形式的多路复用电气系统采用了数据总线来把中央控制器发出的指令传送到与总线相通信的遥程节点。各个节点又通过响应于经过总线而从中央控制器接收到的指令，通过切换至负载的动力，来直接控制几个负载。
一个串行数据通信总线可以只由两条导线组成，这两条导线在车辆中形成了至各个多路复用节点控制器的环路。各个节点控制器又与动力源独立地相连，并通过响应于经过总线而从一个中央控制器接收到的指令来切换至负载的动力，而控制着相连的负载。或者，该总线可以包括四条导线—它们连接到车辆上的各个节点。这些导线中的两条发送指令，而其他的两条则把动力从电池输送到各个节点控制器。在多路复用电气系统中，中央控制器不再是把动力传送到负载或从负载接收动力的开关。相反地，中央控制器利用总线将指令传送到遥程节点，而该节点又通过响应于该指令来切换动力而操作相连的负载。
目前可获得的一种多路复用电气系统要求串行数据通信总线把所有低电平指令从中央控制器输送到所有的遥程节点。各个指令被传送到各个和每一个节点，因而通常需要复杂的寻址系统以调解消息之间的冲突并使各个节点能够识别一条指令是否应该由相应的接收节点来执行。这些多路复用车辆设计具有一个中央控制器设计，该中央控制器存储所有负载所进行的所有操作所需的所有功能算法。遥程节点不知道正在由与它们相连的负载所执行的功能，而通常只响应于指令来切换至负载的动力。另外，根据系统的配置，遥程节点可能还在受到中央控制器的请求时对来自相连的检测器的状态或数据进行中继。
在传统的多路复用电气系统中，一个单个的中央控制器负责发出所有低电平指令。例如，为了使转向信号闪烁，中央控制器必须发出一个低电平指令以告诉遥程节点切换至转向信号的动力，随后中央控制器必须等候一个预定的时间并发出另一低电平指令以告诉遥程节点切换来自转向信号的动力，然后等候另一个预定的时间以发出一个相继的指令以切换至转向信号的动力等等。中央控制器通过通信总线持续地发出这些低电平指令，直到它被通知或以其他的方式判定何时停止转向信号操作。中央控制器中编程了所有的功能算法—这些算法规定了操作电气系统的各个负载所需的所有低电平指令的发出。由于中央控制器可以通过发出低电平指令而在任何给定的时刻同时控制几个负载，总线上的数据通信量可能极其大。除了总线上的指令通信量以外，遥程节点可能同时把与检测器有关的数据消息引入到总线上—该消息包含表示检测器状态的信息。这些指令和消息可能彼此或与中央控制器或总线上的其他遥程节点所发出的其他的信息和指令发生冲突，从而造成错误的指令、总线错误甚至是总线的锁闭。为了克服总线上的这些潜在的冲突，推出了非常复杂的消息调解系统以解决总线上通信量大的问题。虽然这些调解方案的设计者进行了最大的努力，多路复用总线输送的大的通信量仍然经常造成总线由于冲突而发生故障或锁闭。这些调解系统也由中央控制器编程和执行，因而增大了中央控制器已有的复杂性。
另一种多路复用电气系统可以利用经过高速数据总线而彼此进行通信的多路复用节点控制器的分布网络。这些分布的多路复用节点控制器共同在整个车辆电气系统上进行控制。各个分布的控制器，利用在网络上与其他节点共享的信息，而对相连的负载保持其自己的本地处理和动力切换控制。这种分布网络控制器方案使得设计者能够除去中央控制器的动力切换指令控制，并将其经过控制器的一个分布网络而对其进行分配—这些控制器具有位于在几何位置上远离中央控制器的负载的节点，从而减少了控制导线的量。
在某些分布节点电气系统中，同样可以将一个节点控制器设计成主控制器。该主控制器将控制数据通信总线上的通信量，并可以通过把指令经过总线送到其他的节点控制器而控制整个车辆电气系统。在这种布局中，主控制器通常被编程有控制整个电气系统所需的所有功能算法。作为一个例子，一种分布网络系统可以具有一个操纵板节点、一个发动机节点、左前节点等等，其中各个节点是根据几何位置或功能而分布的。可以用该操纵板节点作为主控制器并控制整个车辆电气系统。
但即使在分布网络方案中，在节点的分布网络中输送消息的数据总线也必须输送很大量的数据。为了适当地进行操作，各个节点必须进行通信并与其他节点协调其行动。为了更彻底地描述分布节点网络系统的操作，将采用前述的转向信号的操作例子。例如，该网络可以具有一个操纵板节点，该节点可将指令经过寻址的数据总线送到一个左前节点—该指令告诉该节点将动力切换到左前转向信号。该左前节点识别该地址并通过把动力切换到左前信号而执行该指令。该操纵板节点可随后发送一个寻址到左前节点的指令，命令该节点切换掉左前信号的动力。这种一系列操作将反复进行，直到操纵板节点判定其应该停止左前转向信号操作。操纵板节点可以包含对进一步的指令的序列进行计时所需的时钟。还可以使该时钟位于一个第三网络节点并定期经过总线传送时钟信号以便能够经过总线对指令进行定时。刚描述的操作使得大量的通信量经过总线到达分布节点。各个节点必须理解经过总线而行进的各个指令以确定哪一条指令是寻址到相应的接收节点的。如上所述，大的数据通信量造成了与前面所述的相同的问题，即采用复杂的冲突调解方案以避免数据总线的锁闭和其他错误。
与前述多路复用系统不同，本发明涉及控制电气系统的高度智能化的节点的多路复用网络。这些高度智能节点包含所有需要的处理能力并编程有控制与各个相应高度智能节点相连的负载所需的功能算法。用操作节点所负责的负载所需的功能算法对各个节点进行编程，使各个节点能够自动控制至这些负载的动力的切换。在此过程中，检测器提供的信息得到了局部的使用，从而造成了“闭环”的自动控制。编程的节点不再需要接收来自总线的、命令各种单独的动力切换操作的低电平指令。因此，节点之间的通信限于高电平指令-诸如所实施的过程的“启动”(过程)和“停止”(过程)以及“报告”(状态)，而不是传统的低电平指令。
由于采用了高度智能节点，中央控制器可以得到简化，因为它们不再需要用操作各个电气系统负载所需的所有功能算法进行编程。相反地，各个节点得到了操作与该节点相连的负载所需的功能算法的编程。
高度智能节点可以以自然而相同的设计而被封装在模块中。智能节点可以得到制造，并用控制以特征来标明的负载所需的功能算法来进行编程。一旦得到编程，节点就能够以它所为其编程的特征来标明。为了给车辆加上一个特征，只要把一个高度智能节点—该节点已经被就所希望的特征而得到了编程—连接到数据总线上，从而给予系统“插头连接并运行”的能力。所希望的特征所需的所有负载，此时可以以传统的方式安装，并可以被连接到新安装的高度智能节点上。将不再需要对已有的导线系统或分线器进行重新设计或对已有的多路复用电气系统进行重新布线。类似地，也可以通过只把相应的高度智能节点与多路复用总线断开，而方便地去除一种特征或选择。
本发明显著地减小了多路复用网络总线上的数据通信量，因而避免了复杂和昂贵的消息调解方案。串行数据通信总线与传统的多路复用电气系统相比具有大大减小的通信量，因为该总线只需要在网络节点与一个中央控制器之间输送高电平指令。这种减小的总线上的通信量，还可以增大电气系统控制负载的能力。
通过以下的详细描述，本发明的这些和其他优点对于本领域的技术人员来说将变得显而易见。
图1是现有技术的传统的车辆电气系统的框图；
图2是具有多路复用节点的分布网络的现有技术的车辆电气系统的框图；
图3是带有主控制器和若干简单节点的多路复用网络的现有技术车辆电气系统的框图；
图4是本发明的一个实施例的框图，该实施例具有带有主控制器和若干高度智能节点的多路复用网络；
图5是利用本发明的在正常模式下的紧急车辆照明的控制的时序图；
图6是利用本发明在暗淡模式下紧急车辆照明的控制时序图。
应该理解的是，虽然以下描述了一种汽车电气系统，但本发明可以应用在能够使用多路复用电气系统的任何地方。
参见图1，其中以标号10表示了采用点至点导线方案的传统的、非多路复用的车辆电气系统。该电气系统包括一个中央控制器12—它经过动力线16而与动力源14相连。动力源14经过接地线20提供了与车辆地18的电压偏移。中央控制器12还借助其自己的接地线22而与地18相连。诸如温度和压力检测器的检测器24和诸如开关、继电器和马达的致动器26，分布在整个车辆上并由中央控制器12通过控制导线28直接进行控制。中央控制器12通过控制导线28切换至检测器24和致动器26的动力。中央控制器12得到适当设计并以对整个车辆电气系统进行控制所需的所有功能算法进行编程。
现在参见图2，其中用标号30总体地表示了现有技术的传统多路复用分布节点车辆电气系统。该系统具有一组分布节点32、34、36、38、40和42，而这些节点分布在整个车辆底盘(未显示)上。在此例子中，系统30包括一个操纵板节点32、一个发动机节点34、一个右前节点36、一个右后节点38、一个左前节点40和一个左后节点42。节点32、34、36、38、40和42经过串行数据通信总线44而彼此进行通信。各个节点轮询检测器46的状态并经过控制导线50切换至致动器48的动力。一个动力源(未显示)直接或通过通信总线44提供了至各个节点的动力。在传统的多路复用车辆电气系统30中没有中央控制器。相反地，控制分布在由节点32、34、36、38、40和42组成的整个网络上，而各个节点经过数据总线44而彼此进行通信。
下面参见图3，其中用标号60表示了具有一个中央控制器的现有技术的传统多路复用电气系统。为了简化的目的，只用节点64、66和68来表示该系统，虽然在实际中该系统将采用多于此数的节点。系统60包括一个中央控制器62一它经过串行数据通信总线66而与一组节点64进行通信。中央控制器包括一个网络同步方案78和以80表示的编程算法，以为各个节点64、66和68提供协调和控制。各个节点64、66和68，当接收到中央控制器62的适当指令时，能够对检测器69的状态进行轮询或经过控制导线72来切换至致动器70的动力。各个连接的节点包括与其各自的检测器69和致动器70相电连接的检测器接口74和致动器接口76。中央控制器62，借助一个网络同步78模块和被编程到中央控制器62中的功能算法80，来保持对整个电气系统60的控制。中央控制器62必须是非常复杂的，以包含操作电气系统60中的各个负载所需的功能算法80。
现在参见图4，其中用标号90总体地表示了多路复用车辆电气系统中的本发明的一个实施例。系统90表示一个中央控制器92—它经过串行数据通信总线96而与智能节点94、95和96进行通信。中央控制器92借助智能节点94、95和96执行网络同步功能，并可以以Model VMUXInterface Module的形式从Vanner Weldon，Inc.商业获得。这种智能节点94、95和96还可以以Model VMUX-nc Embedded NodeControllers的形式从Vanner Weldon，Inc.商业获得。各个节点94-96从检测器98接收信息并经过控制导线102来控制字致动器100的动力。各个节点94-96不仅包括检测器接口104和致动器接口106，而且还带有埋置的处理器108—它编程有操作相连的检测器98和致动器100所需的指令。中央控制器92与网络同步模块110一起协调整个电气系统的操作。这不同于如图3所示的传统的多路复用电气系统—其中所有的功能算法80都被编程到中央控制器62中并在数据总线66上传送所有的指令。
本发明的车辆多路复用系统90，通过消除来自中央控制器92的低电平指令甚至不需要进入总线，从而显著地减小了通过串行数据通信总线97的通信量。中央控制器92仍然通过发出高电平指令—该指令通过执行编程在节点94、95和96的埋置的处理器108中预定的指令组而触发功能算法的操作—来协调系统的操作。这些预定的指令组通常包括这样的指令，即启动一个程序、报告该程序的状态和停止该给定程序所需的指令。例如，中央控制器92可以发出一个“启动程序”指令—它将被适当的节点94所接收和理解。节点94随后将通过执行编程到节点94的埋置的处理器108中的一组预定的指令，来执行其功能。节点94将自动地完全执行该功能，而不需要再由中央控制器92提供任何进一步的指令。如果程序的周期状态是所希望的，则中央控制器92将定期发出“报告程序状态”指令给节点94。作为响应，节点94将通过数据总线96发送一个消息，该消息将表明正在进行的程序的状态，例如“执行正常”、“执行由于错误而停止”、“执行完成”等等。中央控制器92，在预定的时间之后或在接收到车辆操作者的指令时，还将向节点94发出一个“停止程序”指令。在接收到该指令时，适当的节点94将借助它所得到编程的适当的预定指令组—例如“进行复杂停止程序”—来停止有关负载的进一步的操作。为了便于更全面地理解本发明，将对紧急车辆照明系统的两种不同模式下的控制进行说明。
参见图5，其中公开了用于致动在诸如救护车的紧急车辆中的闪光灯的控制时序图。在这种应用中，智能节点控制器(例如94)将被编程有预定的指令组—这些指令可以实现闪光灯在正常(紧急)模式下的操作时序。中央控制器92将只需要经过总线97而发送寻址到适当的智能节点94的单个的指令，以命令节点94开始正常模式下的闪光灯操作。一旦节点94接收并识别了“启动程序”程序，它将在时刻120使卤灯致动T1时间122。节点94随后将发出两个选通光脉冲126，在脉冲之间有延迟ΔT1。在延迟T2之后，节点94将重复该循环，直到被命令停止。注意一旦“启动程序”指令被中央控制器引入到总线上，紧急闪光灯的持续操作不会把额外的通信量引入到多路复用系统90的数据总线上。在紧急闪光灯的操作期间，中央控制器92可以询问节点控制器94闪光灯的操作状态或者发出完全中断闪光灯操作的指令。
现在参见图6，相同的节点94还可以得到编程以便以第二种方式操作车辆的紧急闪光灯。在这种应用中，智能节点控制器94可以用能够实现在低强度(暗淡)模式下的闪光灯操作时序的预定指令组来进行编程。象前面一样，中央控制器92只需要在总线97上发送寻址到适当的智能节点94的单个的指令，以命令节点94开始暗淡模式下的闪光灯操作。一旦节点94接收并识别了“启动程序”指令，它将利用具有50/50占空比的一个信号脉冲串141，在时刻140把卤灯致动时间段T31142。在延迟时间T4之后，节点94将在时期T32148中发出具有与上述的相同的占空比的一个第二信号脉冲串。在第二脉冲脉冲串148之后，节点94随后发出两个选通光脉冲，而在这些脉冲之间有一个延迟ΔT2152。如前所述，节点94将重复该循环，直到被命令停止。同样地，在中央控制器把“启动程序”指令引入总线之后，紧急闪光灯在暗淡模式下的持续操作将不会把额外的通信量引入到多路复用系统90的数据总线上。以此方式，数据总线97只输送控制编程到节点94、95和96中的预定指令组的操作的高电平指令，从而减少了与多路复用系统的数据总线上的沉重通信量有关的很多问题。
虽然结合本发明的详细实施例对其进行了显示和描述，但本领域的技术人员应该理解的是，在不脱离所附权利要求书的范围的前提下，可以在形式和细节上作出各种改变。