分布式总线技术基本原理及协议分析(20160411)

1、第三章分布式总线技术的基本原理及协议分析当前的汽车电子技术可分为四大类，即发动机电控系统、车辆传动电控系统、车内电控系统和数据传递系统王莉,刘德新,刘书亮.汽车网络标准总线CANJ.世界汽车,2001(1):15-17.。在不同的汽车电子控制系统中，针对不同的设备控制都需要有一套相匹配的电子控制单元(ECU)，当这些电子控制单元采用分布式设计进行管理信息传递时，实现了实时共享数据，可以大大减少控制系统所需传感器的数量，从而降低车辆的研发、生产成本。电子控制系统之间的信息与数据交换主要是通过专门的通讯线路来完成的。传统的通讯线路只是单线的传递，而多路复用分布式总线网络，则布置了一个计算机网，有效

2、的将所有的车载电气系统组合在一起。目前车企中常用的底层车辆通信协议协议以CAN为主，而上层协议则根据企业的不同、应用车型定位的不同而不同，常见的上层协议有SAEJ1939、OSEK等饶运涛,邹继军,郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2003:20-36,137-153.。电子技术、信息技术高速发展的今天，汽车电子技术也在突飞猛进的发展，目前可分为四大类技术：1、车辆传动电控系统。2、发动机电控系统。3、数据传递系统。4、车内电控系统。每一种汽车电子控制系统，都针对不同的设备控制系统，有自己相应的一套电子控制单元（ECU），如果这些电子控制单元使用了分布式的设

3、计，来对控制信号在各设备间进行传输时，数据的实时共享就成为可能。这样就大大降低了控制系统对传感器数量的依赖，进而也降低了汽车研发、生产环节的成本。电子控制系统之间的数据传递和信息控制一般是经过相应的数据通讯传输线路来进行的。原有的通讯线路只是单线的传递，而多路复用分布式总线网络，则布置了一个计算机网，有效的将所有的车载电气系统组合在一起。目前车企中常用的车辆底层通信协议，以CAN最常见，上层的通信协议会根据车企不同、车型的功能定位不同，而有所差异。一般多见的上层通信协议有SAEJ1939、OSEK等饶运涛,邹继军,郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2003:

4、20-36,137-153.。现场总线技术是一种公开性、数字化、多接点通信的控制网络系统，是现场智能设备之间通信、信号传递的联系纽带，将各种所需智能设备挂接在总线网络上作为网络节点，使之连接成一种网络互连结构，进一步构成自动化控制设备网络。它糅合了计算机网络技术、通信技术和自动控制技术等不同方向的技术发展，是高度知识综合与技术集成的产物，是通信网络一种开放式和分布式的新模式。现在的现场总线技术在传统的测量、传感、控制电器设备中加入了专门用于数字计算和数字通信的微处理器，利用双绞线、电缆和光纤等通信传输介质将几个这种自动化的控制设备网络，是将计算机网络技术、自动控制技术、通信技术的综合运用，而形

5、成的一种新的技术集成的产物。使通信网络具有开放式和分布式兼顾的新的技术。目前现场总线技术在传统的测量、传感、控制电器设备中加入了专门用于数字化通信与数字化计算的运算处理器，通过电路线路和数字通信线路（电路线路一般用普通电缆；数字传输线路一般使用同轴电缆、双绞线、光纤等）等数字信号通信介质把几个甚至十几个电气传感控制设备组成网络系统，依据不同行业、不同应用的不同通信协议标准，运用于实际生产现场，实现智能测量设备之间通信的系统韩光省.基于LIN总线技术的汽车车门系统的开发D.吉林:吉林大学,2005:10-26.。§3.1 CAN协议分析§3.1.1 CAN总线概述目前流行的现

6、场总线中，技术最为成熟、应用领域最广的一种就是控制器局域网CAN(Controller Arear Network)总线，从传输方式上来说，它是一种串行通信网络，能够有效的支持车内电子设备的分布式控制系统网络。CAN总线被广泛应用于很多领域跟行业，一个重要的原因就是因为它的高性能、高可靠性以及独特的设计等特点。ISO根据该总线的网络规范制定出了国际标准ISO11898，使其推广成为国际上应用最广泛的现场总线技术。在汽车电子行业中，CAN常常被用于微控制器的通讯，用于交换车载电子控制设备与ECU之间的信息数据，构成了一个完整的汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、车载仪表系统、变速箱控制系统中

7、，均嵌入CAN控制系统刘慧银,程建平,龚光华,王云飞,许庆丰.Motorola(Free Scale)微控制器MC68HC08原理及其嵌入式应用M.清华大学出版社,2005:15-29.。该拓扑结构下的网络协议制定出了ISO11898标准，成就其为国际上使用最为广泛的现场总线技术。在汽车电子行业中，CAN常常被用于微控制器的数字传输，应用于ECU和车载电子控制设备之间的数据交换和信息传输。构建了一个相对全面的汽车电子控制网络。例如车载仪表系统、发动机管理模块、变速箱控制模块中均嵌入CAN控制系统v。一个由CAN总线构成的单一控制网络中，理论上可以连接无数个网络节点。但是在实际研发过程中，网络挂

8、载节点数目受到硬件设备的电气特性所限制，例如，CAN总线结构的单一控制网络里面，理论上可以无限制的在上面连接网络节点，但在实际的实验过程中，网络节点的负载数量会受到硬件的电气性能的制约，比如本项目中所使用NXP公司TJA1040 CAN收发器芯片，技术手册显示同一网络中最多可以连接110个以内的网络节点。并且CAN总线最高报文传输速率可达1Mbps，保证了系统控制信息传输的实时性。ISO在1993年依照CAN总线规范，按照传输速度分别制订了国际标准：基于高速应用的ISO11898和基于低速应用的ISO11519。CAN总线网络利用多主的节点方式通过串行线路进行传输，其基本网络设计规范要求，设计

9、后的传输网络应具有较高的位传输速率和抗电磁干扰性，并且能够及时准确的检测出网络传输过程中产生的各种错误。规范要求，当网络信号节点间传输距离达到10km时，CAN总线仍能提供至少50kbit/s的数据传输速率。由于CAN总线信息传输所具有的实时性能，CAN总线网络己经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等根据这个要求设计出来的网络传输拓扑结构应该有很高的传输速率和很低的电磁干扰，还能够很快通过各种校验方法检测出很多信号噪音和传输错误。协议规定，网络信号节点之间的传输距离到达10KM的时候，CAN总线结构还能够达到50k比特每秒的数据传输速率。因为CAN总线协议下的数字传输具有实时性和快速校验

10、的能力，这种网络拓扑结构已经广泛的应用到了安全和防护行业、工业控制、航空汽车工业等对信息传递时效性要求很高的领域中得到了广泛应用罗峰,孙泽昌.汽车CAN总线系统原理、设计与应用M.北京,电子工业出版社，2010:16-20.。CAN总线网络的结构模型与开放系统互连模型(OSI)一致。每个节点设备的某层只与另一需通信的节电设备的同一层进行通讯传输，节点设备利用物理网络传输介质通过物理层进行互连。表3-1展示了OSI开放式互连模型的各层，可由此模型得到CAN总线网络结构模型各层的功能。CAN通讯协议详细描述了节电设备之间的信息数据传输的方式，并定义了结构模型的最底的两层：数据链路层和物理层。而应用

11、层协议在CAN协议里详细的规定了设备节点间的数字传输方式，和传输协议最下面的两层-物理层和数据链路层。但应用层可根据CAN网络使用路径的不同，由开发人员自行按照解决方案进行定义。其中目前已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的应用层协议标准是Device Net，按照产品的特性自由的对方案进行个性化定义。这其中已经在制造领域和工业控制领域有了大面积推广和应用的应用层标准是该协议Device Net，是专门针对行业中PLC控制器与智能传感器的传输所设计的。同样在在汽车电子领域，众多的汽车厂商与车载设备制造商都有自己的应用层协议标准，但是因为CAN网络的数据链路层与物理层是统一的，保证了CAN设备的

12、通用性。CAN可利用多种多样的物理网络介质进行传输，生产实际中常使用的传输导线有双绞线、同轴电缆或光纤等。CAN网络结构下的物理网络介质可用范围非常广泛，在实际的研发和使用过程当中一般最常用的是超五类双绞线、其次是同轴电缆和光纤。表3-1 ISO/OSI开放系统互连模型应用层在CAN规范的基础上发展成为了高层协议。众多领域与行业均可以根据本行业的实际应用情况，专门制定一个适合本行业的应用层协议。但同时，这对于应用行业与领域如此广泛的CAN总线网络来说，这种方法是不经济的。因此近年来，一些组织、设备生厂商、企业已经在研究并公开了一部分的应用层协议标准，极大推进了CAN网络的跨领域跨行业的综合应用

13、。目前一些使用较广泛的CAN高层协议有：CiA CAL协议、CiACANOpen协议、ODVA Device Net协议、Honeywell SIDS协议、KvaserCANKingdom协议雷霖.现场总线控制网络技术M.北京,电子工业出版社,2015:30-45.。并没有把利用率最大化。所以最近几年，一些协议制订组织、网络设备生产商等企业对应用层的协议标准进行了攻关并将部分研究成果公布，最大限度的推动CAN网络的跨领域跨行业跨设备运用。当前一些使用比较广泛的CAN高层协议分别是：CiACANOpen协议、ODVA Device Net协议、Honeywell SIDS协议、CiA CAL协议

14、、KvaserCANKingdom协议雷霖.现场总线控制网络技术M.北京,电子工业出版社,2015:30-45.。CAN具有开发成本低、传输距离长(最远可传输10km)、总线网络利用率高、可根据报文ID进行识别、报文不包含源地址或目标地址、可靠的错误处理和检错机制、数据损坏时可自动重发、节点故障时自动退出机制、数据传输速率快(高达1Mbit/s)、仅用标志符来指示功能信息以及优先级信息分类等显著的特点10。利用载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)方式进行访问总线时，对传输在总线上的报文信息进行检测，当总线处于空闲状态时，才会允许发送 BOSC

15、H.CAN Specification Ver 2.0Z.BOSCH,Sept,1991:34-68.。通过该策略，保证了当多个节点挂接在同一个网络时，当监控到报文信息冲突位时，所有网络节点重置为监听总线状态，直至冲突结束或者冲突时间已过，才会继续发送报文。但是当总线传输发生超载的情况下，这种技术可能会造成报文发送信号产生很多延迟。此时为了避免发送延时，可利用“载波侦听多路访问/冲突检测(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect，CSMA/CD)”方式访问总线张培仁.CAN总线设计及分布式控制M.北京:清华大学出版社,2012:56

16、-63.。这种技术访问总线时，在总线上传输的报文进行侦听检测，在总线空闲时，会收到允许发送的指令 BOSCH.CAN Specification Ver 2.0Z.BOSCH,Sept,1991:34-68.。透过这个策略，保证实时的监控有多个节点的总线网络的状态，实时侦听总线上的报文信息是否有冲突，只有当冲突结束或者冲突超时，才能继续发送报文。当然这种总线传输也有发生堵塞和超载的情况，这种情况下总线会对报文发送信号产生过多的延迟。这时候为了避免这种发送延迟，而CSMA/CD技术可以解决这种访问总线时产生的延迟现象。当有两个节点设备同时在总线上进行数据发送时，此时应利用无损逐位仲裁的策如果两个

17、节点的设备同一时间需要在总线上发送报文数据，就可以使用无损逐位仲裁的策略来判断两个节点所发送报文的优先权，优先发送具有高优先权的报文。规范规定总线上所传递的每一条报文信息都具有一个11位或29位数字的ID进行一一对应标记，报文的有限去对应于ID号的大小，有越高优先权的报文对应的ID号越小。另外，二进制数0而不是二进制数1决定了CAN的总线状态，因此总线上最高优先权的报文标识符为全“0”刘康平,林元新.CAN总线原理与实例介绍J.现代制造技术与装备,2009(5):70-71.。现场总线规范规定，CAN总线上标识符长度分为两种：标准格式标识符长度为11位，扩展格式标志符长度为29位。2.0A版本

18、的CAN协议中规定：总线网络控制器标识符长度中必须为11位，即标准格式。但在改进后的协议2.0B版本中规定，CAN总线网络控制器的标志符长度可以是11位或29位，一是标准格式标识符，长度是11位。二是空账额是标识符，长度是29位。而在2.0A的CAN协议中规定，总线结构的网络控制器标识符必须是11位。即标准格式。但后来改进的协议2.0B版本中写到，CAN总线网络控制器的标志符长度，11位或29位都可以，即兼容标准格式与扩展格式尹冀波,耿爽,徐宏祥,等.CAN总线系统测试J.微处理机,2013,34(1):22-23.。因此，如果CAN总线控制器遵循CAN2.0B协议，则可以发送和接收两种格式的

19、标识符。如果在控制器上禁止了CAN2.0B协议，则CAN控制器只能发送和接收标准格式标识符的报文，而忽略扩展格式的报文结构，但此时对于报文传输不会出现大的影响。目前绝大部分公司生产的CAN控制器假使在网络控制器上不能使用CAN2.0B，那么CAN的控制器就只能发送接收标准格式标识符的报文信息，会忽视扩展格式的报文结构，但对于报文数字传输不会发生太大的影响。当前大部分生产企业的CAN控制器无论是独立芯片还是集成于其他芯片肿的，均支持CAN2.0B协议，可发送、传递29位标识符的扩展格式报文王黎明,夏立.CAN现场总线系统的设计与应用M.北京：电子工业出版社,2008:19.。§3.1.

20、2 CAN的主要特性CAN总线网络具有许多特性，常用的有：多主节点同时访问总线时依据优先权依次发送；基于优先权的无破坏性仲裁；通过可滤波的多地址帧进行传输；可远程请求数据；总线设置灵活；全系统数据兼容性；错误检测和错误信令；因丢失仲裁或遭破坏的帧自动重发；暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离袁学文.CAN总线与以太网互联系统设计D.武汉:武汉大学,2004:20-24.。对于报文传输优先权的无破坏仲裁，可以使用可滤波的多地址帧来传输，可以远程请求数据传输，总线的设定比较灵活，整个系统的数据具有一定的兼容性，对由电气性能和设备等原因引起的错误检测和错误信令，丢失了仲裁信令或者遭到

21、了破坏的数据帧自动重发，永久故障和暂时错误的节点判断和故障节点的自动脱离袁学文.CAN总线与以太网互联系统设计D.武汉:武汉大学,2004:20-24.。CAN规范定义总线电平分为两种，它们分别是互补逻辑数值：“显性(Dominent)”逻辑，和“隐性(Recessive)”逻辑。其中逻辑“0”为“显性”数值逻辑，逻辑“1”为“隐性”数值，CAN总线协议定义了总线电平的两种状态，分别是显性逻辑和隐形逻辑（Dominent/ Recessive），协议规定，逻辑0是显性值，逻辑1是隐性值，与其他常见网络不同。在隐性状态下，和均处于平均电平电压状态下，趋近于0。当显性状态时，则以的差分电压来表示。

22、当总线网络为显性位时，电平状态改变为显性位，并发送报文李正军.现场总线及其应用技术M.机械工业出版社,2005:55-63.。总线上的相关额定电平如图3-1所示。电平状态改变为“0”，接着发送报文李正军.现场总线及其应用技术M.机械工业出版社,2005:55-63.。总线的额定电平值如下图3-1所表述。图3-1根据CAN协议的额定总线电平针对CAN总线网络协议，传输层(媒体访问控制子层)有着自己的概念规范与特征，特在此进行介绍：对于CAN网络协议，媒体访问控制层（传输层）有着独有的定义和特点，下面一一进行说明：1、报文(Message)：不同的总线上的信息使用不同的固定格式的报文发送，但报文长

23、度要严格遵照相关规范，并且当总线状态为空闲时，所有挂接在该总线的节点均可以发送新的报文；报文(Message)：每个总线上的报文都使用了不同的固定格式进行发送，但是报文的位数要严格遵守相关规范，而且当总线状态为空闲时，所有所有挂接在该总线的设备节点都能够请求发送报文。2、信息路由(Information Routing)：总线网络中，单元节点中不使用任何关于系统结构的信息，比如站地址，CAN系统不需要对应用层以及任何节点软件设置和硬件设计作任何改变，可以在CAN网络中直接增加节点；信息路由(Information Routing)：总线结构网络中，每个节点跟系统结构的信息不产生任何关系，例如节

24、点的站地址，CAN系统不需要对应用层和所有节点进行设置，也不需要对任何硬件设计做出改变，是能够在CAN总线中直接添加设备节点的。3、标识符(Identifier)：标识符能够制定出报文标识符(Identifier)：标识符的作用是产生报文的寻址内容，并且不指出报文的目的地址，但是同时总线网络上挂载的所有节点都可以利用报文滤波的功能来判断该数据是否正确；4、数据一致性(Consistency)：由多点传送和错误处理的功能来实现报文能够同时被所有的节点接收；5、位速率(Bit Rate)：在不同的CAN总线系统中，报文传输速度不相同，在一个指定的总线网络系统中，在任意一个CAN总线结构的系统里面，

25、报文信息的传输速度不同，在单个的总线结构网络中，位速率则是一个的固定值；6、优先权(Priorities)：在总线可访问期间，标识符ID的值决定了报文的优先权，数值越小，优先权越高，而优先权越高，信息越早被发送；报文发送的优先权取决于标识符的ID值，优先权和数值呈负相关的反比例关系，数值小即优先权高，报文信息的发送就越早。7、远程数据请求(Remote Data Request)：让目标单元节点发送所请求的数据帧需要请求数据的单元节点通过发送远程帧的形式来发送请求获取，并且数据帧和相应的远程帧应具有相同的标识符；远程数据请求(Remote Data Request)：让目标节点发送一个请求数据

26、帧，需要这个目标节点发送一个远程帧，来请求获取发送的令牌。而且这个数据帧和远程帧是必须有相同的标识符。8、仲裁(Arbitration)：仲裁的前提是有多个节点（2个及2个以上）同时发送报文，此时在总线上将会产生冲突，此时应通过使用标识符的逐位仲裁解决访问冲突。仲裁的机制保证了报文信息的完整性及时效性，并且数据帧优先于具有相同标识符的远程帧进行发送；仲裁(Arbitration)：仲裁的前提是有两个或两个以上同一时间发送报文时，总线上会产生冲突，这时候就需要通过标识符的逐位仲裁来处理访问冲突。冲裁处理机制保障了报文信息的完整性及时效性，并且数据帧优先于具有相同标识符的远程帧进行发送；9、故障界

27、定(Fault Confinement)：CAN节点单元能够把永久故障和短暂的干扰区别开来，故障节点会被关闭；故障界定(Fault Confinement)：CAN总线上的节点能把永久错误和临时错误区分出来，出现故障的节点就会被停止。10、应答(Acknowledgment)：所有的接收器对接收到的报文信息进行一致性检查，对于检验一致的报文，接收器做出应答回应；接收器将对检验不一致的报文进行标记管秀君.汽车单片机及局域网技术M.人民交通出版社,2008:40-85.。应答(Acknowledgment)：总线上的接收器对接收到的报文，进行一致性核对，检查通过后，接收器应答回应；对于检查不一致没

28、有通过的报文，则进行标记管秀君.汽车单片机及局域网技术M.人民交通出版社,2008:40-85.。§3.1.3 CAN的分层结构及报文传输为了实现透明开发的设计以及灵活易操作的实施，根据ISO/OSI参考模型，将CAN总线网络细分为两层：数据链路层DLL(Data Link Layer)和物理层PL(Physical Layer)。其中数据链路层将CAN总线网络划分为物理层PL和数据链路层DLL，数据链路层DLL包含介质访问控制子层MAC(Medium Access Control)和逻辑链路控制子层LLC(Logical Link Control)杨瑞良. 计算机网络技术基础M.

29、北京大学出版社, 2005:54-67.。物理层PL主要功能时定义报文信号的传输方式，主要是位定时、位编码/解码、同步等功能。物理层又被分为三层：传输模式，一般就是定位编码，定时编码-解码、最后同步几个步骤。所以物理层接着又被划分为三个层次：物理信号子层PLS：实现位编码/解码、同步、定时等功能，采用“不归零”NRZ方式对CAN位流进行编码；物理信号子层PLS：有位的编码解码、同步定时功能，使用CAN位流和NRZ进行编码。物理介质链接PMA：实现总线发送/接收的功能电路并提供总线故障检测方法；物理介质链接PMA：有总线网络的发送、接收功能，也有总线故障检测模式。介质相关接口MDI：机械和电气接

30、口，用以实现连接物理介质与媒体访问单元。介质相关接口MDI：标准的电气接口，设备机械接口，可以连接物理线路介质和媒体访问节点。数据链路层DLL中的介质访问控制子层MAC层负责将接收到的报文发送给LLC层并接收来自LLC层的报文信息，是CAN总线网络结构的核心，主要负责报文的分帧、仲裁、应答、错误检测和标定；而逻辑链路控制子层报文信息的帧划分、请求仲裁、节点应答、报文传输错误的检测和标定；LLC层涉及报文滤波、过滤通知以及恢复管理等朱华旭.CAN/LIN总线技术在车内网络中的应用研究J.武汉理工大学学报·信息与管理工程版,2005,27(5):204-206.。CAN总线网络的报文传输

31、同样也遵循一定的规范，主要规范了帧格式与帧类型。帧格式：CAN网络的帧格式分为两种，区别在于标识符域的长度不同：标识符长度为11位的帧称为标准帧，标识符长度为29位的帧称为扩展帧。；两种标识符位的长度不一样，11位长度的标识符是标准帧，29位长度的标识符是扩展帧。帧类型：CAN通信协议规定了4种不同类型的报文格式，各自功能如表3-2所示：表3-2 CAN总线网络各格式报文功能下图中（3-2）CAN总线结构网络拓扑各种报文格式的功能介绍报文滤波(Message Filtering)：是否进行滤波取决于整个标识符。将屏蔽寄存器中的标识符设置为无关模式则可实现报文滤波。因为相关寄存器中的每一位均可编

32、程，所以可将其设置为允许或禁止模式。报文滤波(Message Filtering)：整个标识符决定了是否有必要进行滤波。在屏蔽寄存器中，标识符可以设置为无关模式则可实现报文滤波。因为相关的寄存器里面每位都可以进行编程，因而可以把它设置成禁止和允许的状态。报文校验：对于发送器和接收器来说，校验报文有效时间点是不相同的。对发送器，如果报文校验直到帧的最后一位均没有错误，则该报文对发送器有效。如过报文校验出错了，则改报文会按照优先级进行自动重发，并且当总线一进入空闲状态就会重新传输。对接收器来说，如果校验到最后一位仍没有出错，则该报文对接收器有效。报文校验：发送器和接收器之间的报文校验，有效时间点是

33、不一样的。对于发送器来说，假如报文校验的帧最后一位都没有错误，这个报文就对发送器有效；假如报文位校验出现错误，那么修改报文就会依据优先级来自动的进行重新发送，而且当总线进入空闲时，就会启动重新传输。对于接收器而言，假如校验的最后位依然没有出错，这个报文则对接收器有效。编码：位流编码(Bit Stream Coding)规定了帧起始、仲裁域、控制域、数据域以及CRC序列，这些部分都是通过位填充的方式进行编码。当发送器检测到位流里存在5个位为连续的相同值时，便会自动在位流里插入一个补充位。编码：Bit Stream Coding制定了帧起始、仲裁域、控制域、数据域和CRC序列，他们都是使用位填充的

34、方法来进行编码。如果发送器检测到了位流里有五个位是相同的值且是连续的，就会把一个补充位自动的插入这个位流里面。§3.2 SAE J1939及CAN高层协议分析CAN总线网络的高层协议即应用层协议，是在现有的底层协议基础上，CAN总线协议里的高层协议就是应用层协议，以原有的底层协议为基础，以CAN规范为前提，实现在物理层和数据链路层之上的协议。目前很多行业企业跟研究单位研究并公开了自有的应用层标准，是的同样基于CAN网络的系统在实际综合应用过程中，变得兼容更加容易、便捷。采用通用高层协议可以为分布式自动化控制系统的设计提供一个经过实际检验过的系统结构，并且能够有效的缩短产品研发设计的时

35、间成本，有效降低产品的开发成本和后期兼容开发风险，采用通用协议能够保证不同生产厂家设备的有效互用及替代，保证了广泛的兼容性。目前市场上有大量的支持基于高层协议开发的工具魏学哲,孙泽昌,陈觉晓.汽车网络分类方法及其主流协议发展趋势J.同济大学报(自然科学版),2004,32(6):762-766.，一些常见的可使用的公开CAN高层协议如表3-3所示。实验单位试验并公布了自家的应用层协议，但都是以CAN网络协议为基础的综合系统，在现实应用过程里，变得兼容性更好，更加便易，有效率。使用标准的高层协议，在分布式自动化控制系统的设计能提供一个稳定的系统结构，而且还能有效的减少产品研发的时间成本，高效的降

36、低产品研发成本以及兼容性的研发风险，使用通用的网络协议使得人以厂家的网络设备和接口都能互通互用。保证了广泛的兼容性。当前普遍使用的基于薄层协议开发的工具魏学哲,孙泽昌,陈觉晓.汽车网络分类方法及其主流协议发展趋势J.同济大学报(自然科学版),2004,32(6):762-766.，基于公开的CAN高层网络协议可见下图（3-3）所描述：图3-3美国汽车工程师协会(SAE)根据ISO的开放式数据互联模型定义的七层基准参考模型制定了以CAN总线规范为核心的车辆网络串行通信和控制协议标准SAE J1939，网络核心协议为串行通信协议CAN2.0B耿振江.基于CAN总线的汽车整车电控的研究D.武汉：武汉

37、理工大学,2005:13-26.。SAEJ1939标准，基于多路网络总线复用技术，以CAN总线规范为基础，针对车辆上各传感器、执行器和控制器所组成的连接系统，提供了标准化的高速网络连接规范；各电子设备之间的信息实现了高速数据共享；利用现场总线技术有效的减少车身电子设备线束的数量；极大提高了车辆电子控制系统运行的灵活性、可靠性、稳定性、易维护性和标准化通用程度。目前SAEJ1939在载重汽车、特种车辆和工程机械等专门行业，已经成为各大企业与制造厂商支持与发展的重要通信标准，并得到了广泛推广应用李春明.汽车车身电子技术M.北京理工大学出版社,2003:146-196.，标准组成如表3-4所示。SA

38、EJ1939标准，基于多路网络总线的多路复用技术，凭CAN总线协议为前提，在车辆上组装各种传感器、控制器、执行器后形成了车辆连接系统，提供了标准的高速网络传输和网络连接协议；各种电子控制器之间的数据实现了告诉的共享和传输；使用现场的总线技术，高效的减少车身线束的使用数量；很大程度上提升了车辆电子系统运行的高兼容、稳定、灵活、可靠、标准性等等优点。当前SAEJ1939在载重汽车、特种车辆和工程机械等专门行业，已经成为各大企业与制造厂商支持与发展的重要通信标准，并开始更大范围的使用李春明.汽车车身电子技术M.北京理工大学出版社,2003:146-196.，这个标准的组成如下图所描述：表3-4 SA

39、E J1939 标准组成ISO11898作为国际标准化组织针对CAN网络制定的规范，与SAEJ1939物理层标准相互兼容，当采用遵循SAEJ1939标准的CAN总线控制器及收发器时，总线上的通讯速率最高可达到512Kbps；SAEJ1939规范中传递信息采用协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)，每个PDU相当于CAN协议数据报文中的一帧，每个CAN网络的帧最多可传输8个字节数据，因此PDU的传输具有很强的实时性；总线收发控制器时，总线的报文传输速率最高可以达到512KB；SAEJ1939规范里信息传递所采用的网络协议数据单元Protocol Data Unit，每一位PU

40、D都是CAN网络协议报文数据中的一帧，每一个CAN的帧一次可传输8bit的数据，所以数据单元的传输都具有实时性的特点；每一位PDU的含义以及该PDU的优先级可利用遵循CAN2.0B扩展帧格式的29位标志符来定义5。§3.2.1 物理层与数据链路层BOSCH CAN规范中对于总线网络的物理层基本没有做任何定义。但SAEJ1939对CAN总线网络物理层有着详细而明确的定义，其中对于连接总线和收发器都有明确的要求，但在此不做详述。SAEJ1939对CAN总线协议中的物理层定义详细而且明确，这里面对于连接总线与收发端有着准确的规定，这里不做赘述。本文在此详细介绍数据链路层，该层对于实验平台协

41、议制定很重要。SAE J1939的数据链路层的相关规定如下：这篇文章此处详细介绍一下DLL层的相关描述：1、 CAN协议定义的帧：SAEJ193标准是以CAN2.0B标准为核心，针对扩展信息帧格式进行了再定义，对CAN报文中的29位扩展格式标识符分别进行了物理定义，同时制定了相应数据定义，通过扩展格式标识符的29位都进行了定义，对应每位都有其数据定义，使用PDU来进行封装与传输。表3-5列举出了SAEJ1939标准与CAN的数据帧定义的格式对应关系。CAN总线标准信息格式实施SAEJ1939是通过PDU来实现的。表3-5 SAE J1939 与CAN的数据帧对应关系2、源地址和参数组数的分配：

42、PDU格式分为确定目标地址的PDU1和不确定目标地址的PDU2。规范要求参数组分配时只采用其中的一种格式。采用这种格式的区分方法是为了在确保目标通信完成的同时又能够提供更多的参数组数的组合方式。SAEJ1939标准规定源地址的分配按照顺序进行分配，不考虑消息报文的优先权、刷新率以及重要性，但目前协议中未分配的源地址数量有限，因此必须按照对于车辆的功能重要性来进行分配。PGN(Parameter Group Number)参数组数分配时，优先权、刷新速率、数据重要性、数据长度等因素都是需要考虑其中的。针对卡车或其他专门用途的这辆来说，协议中可用于分配的PGN也是有限的。协议的固有性能已经能够基本

43、满足大量参数组的需求。一般来说，参数组数分配的原则是：按照功能而不是类型进行分配；为减少等待时间，单元应具有相近的刷新频率；应属于同一功能子系统。3、SAE J1939：目前支持5种消息类型：命令、广播/响应、请求、应答和组功能。这些信息分类由PGN分配来实现，SAE J1939的附录A中有PGN的分配实例。PGN发送地址应遵循以下原则：如果请求是发送到全局地址的，则对应应答也应发送到全局地址，否认该应答不能作为该全局请求的回应；如果请求是发送到指定地址的，则应答也需要发送到该地址。4、 传输协议功能：数据链路层中一个重要的部分就是传输协议功能，封装和重组、连接管理是其最重要的两大功能。消息封

44、装和重组是指一个CAN数据帧中不能包含数据大于8字节的消息，必须分成若干小数据包在若干个数据帧中进行传输。接收节点收到信息后进行解析并重组来获得原始消息。为了保证信息的正确封装与重组，协议中规定：封装的序列号是数据的第一个字节，为1-255，消息最大长度为1785bytes。消息被分解后从序列号1开始按顺序进行编号、打包并发送。对于多封装的广播消息，每个包间的延时为50-200ms；对于多封装指定目标的消息而言，传输节点在每个包间的延时最大时间不超过200ms，除去最后一个包之外的每一个数据包都必须包含原始消息中的7个字节，而最后那一个包则包含8个字节，其中有一个字节是序列号，至少有一个字节是

45、与参数组相关的数据，剩余的都设为FF曹珊.基于CAN总线的混合动力汽车辅助动力单元系统与控制策略研究D.吉林大学,2007:45-63.。连接管理是指为指定目标的传输节点之间进行虚拟连接的建立、运行及关闭。节点之间进行单个PGN长消息传输而建立的临时连接，或者是从一到多进行的连接(此时不进行流管理和关闭)是SAEJ1939中定义的虚拟连接。虚拟连接中定义了六种帧结构：请求发送帧，接收发送帧，结束应答帧，连接失败帧，以及用来全局接收的广播帧。§3.2.2 网络管理层网络管理层定义了一套识别和了解总线网络上其他ECU的功能的ECU命名方法用来：一是提供了对ECU的功能描述，二是提供用于ECU源地址仲裁的数值。ECU种类：汽车网络电子ECU共分为三种。第一类是标准ECU：其主要功能为控制、动力或者显示，主要有包括发动机、传动系统、仪表盘、牵引控制系统、数据日志等。除开地址宣布的情况外，标准ECU无法改变其他ECU的源地址，但是如果这些ECU同时具备了