硕士学位论文-基于CAN总线的汽车仪表研究.pdf

重庆大学 硕士学位论文 基于can总线的汽车仪表研究 姓名：袁强 申请学位级别：硕士 专业：控制工程 指导教师：熊庆宇;陶世宏 20060501 重庆大学工程硕士学位论文 中文摘要 - i - 摘 要 随着人们对汽车可靠性和舒适性要求越来越高，汽车电子在微电子技术的推 动下日益成为国内外关注的焦点。can 总线作为一种有效支持分布式控制和实 时控制的技术以其稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、通讯速度高维护成本低 及其独特的设计越来越受到人们的重视。随着汽车总线技术的发展，传统的汽车 仪表受到严重的挑战，取而代之的是总线型的汽车仪表，尤其是 can 总线的汽 车仪表更是未来汽车仪表发展的趋势和必然，基于 can 总线的汽车仪表的研究 与开发具有非常现实的意义。 本文在分析了汽车电子尤其是总线汽车仪表的有关特点及 can 协议规范 后，就开发 can 总线汽车仪表的有关技术做了分析和研究，重点讨论了总线型 汽车仪表的硬件设计和软件设计的设计方案， 并在此基础上研究设计了基于 can 总线的嵌入式综合汽车仪表，完成了硬件设计和软件编写。 在硬件上，采用实用高可靠的设计原则，完成了基于 mc9s12h256 和 can 通讯模块 pca82c50 综合仪表的设计。对转速表和里程标的脉冲整形处理,使采 集脉冲信号的应用范围大大提高,输入幅度范围更宽。 对模拟信号的温度信号和压 力信号采用硬件线性化和软件线性化相结合的方式，保证汽车仪表测量的准确性 和互换性，并针对汽车环境的特殊性，分析了汽车仪表 emc 产生的原因和并给 出了实际的解决方法，也提供了仪表测试及试验方法 。 在软件上，实现了 ucos/ii 操作系统在 mc9s12h256 上的移植，对步进电机 采取独特的变速驱动减少抖动；对模拟信号数据采集采取软件抗干扰措施，实现 了总线数据采集和模拟采样的双重功能， 将 j1939 协议融于任务中从而实现 can 总线的通讯功能。 通过实际的运行表明，基于 can 总线的汽车仪表的稳定性、可靠性以及精 度都比传统的汽车仪表优越。基于基于 can 总线的汽车仪表在容错处理和数据 交换、系统管理抗干扰等方面都比传统的汽车仪表优越。 所设计的汽车仪表特点就是功能强大、集成度高，成本适中。整个系统是一 种嵌入式系统，通过软件升级在此基础上能建立功能更强大的更复杂的系统；该 系统为汽车仪表的开发应用提供了完善的解决方案。 关键词关键词： 嵌入式系统 汽车电子 综合仪表 can 总线 电磁干扰 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 - ii - abstract along with people focus towards automobile reliable and comfortable requirement more and more highly and developing of micro_electronics technology, automobile electronics has become domestic and international concerned focus. can fieldbus is a technology which efficiently supports distributed real-time with a very high level of security, it attracted attention with a very high level of capability and a very high level of security and a very better of anti-jamming and a very fast of communication speed and a very low of maintenance cost and a particular design, it was regarded a fieldbus with expansibility. with rapid-developing of fieldbus technology, the traditional automobile instrument will be affected, and it will be replaced with the instrument based on field bus.the instrument based on can bus will become the inevitable and e powerful product. so the research and development of the automobile instrument have very realistic meaning. analyzed characteristic of the automobile electronics espcialy automobile instrument and can protocol, the technology of can bus instrument is studied indetail.the designed project about automobile hard ware or soft ware is mainly discussed .embedded motor instrument is designed successfully, hard ware and soft ware have also been designed successfully. with reliable and practicality designed principle ,motor instrument based on mcu mc9s12h256 and can module pa82c250 has been designed successfully. tachometer and odometer collecting pulse signal is designed .the pressure meter and temperature meter collecting analog singnals also has been designed successfully. the methods of ant-emc of automile instrument and corraltive test means is put up. the operating system of u/cos ii is replanted to mc9s12h256.the stepper is drived by shift methode，analog signal collecting and data obtain from can bus module is implemented ,communication functions by can bus based on j1939 protocol is realized by running of instrument, it is proved that stability and real-time and precision of instrument based on can fieldbus are better than traditional instrument. the error-delaying and data-switching and system-managing and anti-jamming of control system based on can fieldbus instruments are better than the system based on traditional instruments. 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 - iii - in this dissertation ,an embedded motor instrument application system based on can bus is proposed as well as designed .hard ware and software has been designed successfully. this embedded system can be made to more complex system by improvement of the software. this newly application motor instrument designed with anti-emc provides an powerful and high integrated and economical solution keywords: embedded system motor electronics intergrated instrument can bus emc 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 - 1 - 1 绪论 1.1 汽车电子概况 现代社会对汽车各方面的要求不断提高，在汽车设计中运用电子控制技术是 满足这些要求的最好方法，由于汽车排放、节能、安全和舒适性等使用性能不断 提高，使得汽车电子控制程度也越来越高。汽车电子控制装置必须迅速、准确地 处理各种信息，并通过电子仪表显示出来，使驾驶员及时了解并掌握汽车的运行 状态，妥善处理各种情况。现在，汽车的故障诊断、全球导航和定位系统的大量、 复杂的信息服务已开始大量装备到汽车上，汽车电子仪表作为信息显示终端能够 完成这些任务。汽车电子仪表显示装置不仅具有能提供大量、复杂的信息的优点， 而且还具有高精度和高可靠性、一表多用的功能、外形设计美观自由度高、满足 小型、轻量化的要求等特点，因此电子仪表显示装置成为现代汽车的发展新潮流， 具有非常广阔的发展空间 。 国外发达国家普遍使用全数字式汽车仪表显示装置， 而且绝大部分是步进电动机式汽车仪表，并准备向更高方向发展。 由于汽车电子电器数量的急剧增多，为了减少连接导线的数量和车身的重 量，网络和总线技术在此期间有了很大的发展，目的是解决汽车电子子系统的 增加带来的数据传输的安全性、可靠性、车内线缆总长度太长导致车重增加等 问题，并满足线控汽车的需要。为了满足汽车内部信息交换量急剧增加的要求， 有必要使用网络系统。国际汽车巨头和顶级汽车半导体制造商提出了一系列汽 车总线标准，包括：idb-1394 和 most(用于多媒体)、flexray 和 ttcan(用 于线控)、can、idb-c 和 gmlan swc(用于动力总成控制)、j1850 和 lin(用 于车身控制)、keywrod2000 和 iso 9141(用于诊断) 。 汽车电子产品可为两大类: (1) 汽车电子控制装置，包括动力总成控制、 底盘和车身电子控制、舒适和防盗系统。(2) 车载汽车电子装置，包括汽车信 息系统(车载电脑)、导航系统、汽车视听娱乐系统、车载通信系统、车载网络 等。 1.2 国内外汽车电子状况 早在 80 年代，众多国际知名的汽车公司就积极致力于汽车总线技术的研 究及应用， 如博世的 can、 sae 的 j1850、 马自达的 palmnet、 德国大众的 abus、 美国商用机器的 autocan、iso 的 van 等。目前，国外的汽车总线技术已经成 熟，采用总线系统的车辆有 benz、bmw、rorsche、rollsroyce、jaguar、volvo 等。 国内完全引进技术生产的奥迪 a6 车型已于 2000 年起采用总线替代原有线 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 - 2 - 束，帕萨特 b5、bora、polo、fiat palio 和 siena 等车型也都不同程度地使 用了总线技术。部分高档客车、工程机械也都开始应用总线技术。在现代轿车 的设计中， can 已经成为必须采用的装置。 到目前为止已形成了多种网络标准， 如： sae （汽车工程师协会） 的 j1850 和 j1939、 德国大众的 abus、 法国 psa 的 van、美国商用机器的 autocan、德国 bosch 的 can 等等 。 近几年，在欧洲和美国推出的车型基本上都配备了一个、两个甚至多个网络 系统，不光高档车装备有，甚至低档经济型车也有。日本的汽车公司也开始逐步 使用车载网络系统。 国近一两年和欧洲同步推出的几款车型也装备了汽车网络系统,如神龙汽车 有限公司去年推出的“毕加索”轿车装备了 van 网、 “萨拉”n7 轿车将装备 van 和 can 混合网、 “标致 307”系列车将采用 fullcan 网系统；一汽大众的“宝来” 轿车在动力系统和舒适系统中装备了两套速率不同的 can 网； 上海大众的 “波罗” 也装备了 can 网。 随着电子技术的进步，新型传感器、新型电子显示器件的出现，汽车电子仪 表显示装置得以迅速发展。现代汽车使用微机驱动的电子仪表系统日益普及。微 机驱动的仪表板采用微机处理来自传感器的信息，并指挥仪表显示器。我国的汽 车仪表显示装置与国外发达国家相比，技术水平有相当大的差距。国外发达国家 普遍使用全数字式汽车仪表显示装置，而且绝大部分是步进电动机式汽车仪表， 并准备向更高方向发展。虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表，但其 开发还不具备技术条件。全数字式汽车仪表，尤其是步进电动机式汽车仪表显示 装置，是当今和未来一段时间汽车仪表显示装置的主导技术，有着十分广阔的市 场前景。现代汽车将会越来越多地装用各种用途的电子化仪表显示装置。造型新 颖别致和功能强大的电子化仪表，将是今后车用仪表的发展趋势和潮流 4。 汽车车身网络系统的发展将为中国汽车电子产业带来了很好的机遇和切入 点，降低了企业的进入门槛。借助具备 lin 或 can 总线接口的单芯片方案，缩短 了企业开展车身电子研究的周期，降低了企业进入汽车电子配套市场的门槛。提 高汽车使用的舒适度，拓展汽车增值空间。过去利用手工控制机械装置，例如车 内空调环境控制、锁、车窗、座椅、内部和外部照明、后视镜、雨刷等子系统， 都可以通过基于 can 或 lin 总线的车身网络系统连接起来， 从而有机会将原来要 手动操作的部件改为电控，逐步实现中低档轿车和轻型货车车身控制装置的机电 一体化。 1.3 汽车仪表的发展方向 未来的车用电子仪表化。传统仪表一般是机电式模拟仪表，只能给驾驶员提 供汽车运行中必要而又少量的数据信息，已远远不能满足现代汽车新技术、高速 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 - 3 - 度的要求。汽车仪表的功能已不仅仅是单纯的指示，而是通过对汽车各部件参数 的监测和微处理机配套，从而达到控制汽车各种运行工况的目的。随着现代电子 技术的发展，多功能高精度、高灵敏度、读数直观的电子数字显示及图像显示的 仪表已不断地在汽车上应用，汽车电子化仪表将逐步取代常规的机电仪表，全数 字式汽车仪表，尤其是步进电动机式汽车仪表显示装置，是当今和未来一段时间 汽车仪表显示装置的主导技术，有着十分广阔的市场前景 4。 计算机终端显示器，未来汽车仪表发展趋势，就充分应用光技术和机、电一 体化技术，并突出现代信息技术和网络技术的应用，其功能将极大拓宽，指示形 式将演变成计算机终端显示器。随着显示器件，如液晶显示器件的性能，特别是 工作温度范围的拓宽，在价格进一步降低的前提下，汽车仪表的功能将被极大地 拓宽，形式将发生根本改变，外观上就是一个高清晰度的计算机显示器。 未来汽车仪表拓宽功能。汽车仪表的功能将不局限于现在的车速、里程、发 动机转速、油量、水温、方向灯指示，可能增添一些功能，比如带 ecu 的汽车仪 表智能化：能指示安全系统运行状态，如轮胎气压、制动装置、安全气囊、安全 带等 1，这些信号传输形式，将不再是简单的开关接通和断开直流信号，而是包 含反映这些安全装置工作状态较多信息的调制信号，供 ecu 读取，以便 ecu 能 准确地综合判断这些安全装置的工作状态，并给出故障显示提醒驾驶员，或指导 维修人员排除故障。 未来的汽车仪表系统，正向“综合信息系统”的方向发展。这种仪表系统以 液晶显示器为基础，车内通信与互联网相连，乘员室内各操纵件通过语音进行控 制 4。汽车收音机、dvd 光播放机和音响设备等构成乘员室配置部分。构成信息 通信系统的主要部件有：漫游器、移动电话、电子邮件和国际互联网终端、视频 或电子游戏中控台等。 电光学技术在汽车仪表上得到广泛应用。仪表是驾驶员与汽车进行信息交流 的重要接口和界面。随着现代汽车工业和电子技术的发展，汽车中各种系统和机 构日趋复杂，汽车行驶和各部分工作状况的信息量显著增加。同时，出于对汽车 环保、安全性、经济性、智能化要求的提高，汽车驾驶员需要更多、更迅速地了 解汽车运行的各种信息，使得汽车电子仪表向信息显示中心发展，它是驾驶员信 息系统重要的组成部分。汽车电子仪表代替传统机械或电气机械式模拟仪表已成 为发展的趋向。 利用电子显示技术，也就是薄型平面电子显示器技术做成的汽车平面仪表板 显示数字及信息，十分清晰明了，它代零星了以往采用的模拟显示的车速和发动 机转速表等，使驾驶者在开车的同时，仍然可以清楚地看到仪表数字及其他信息 的变动。它具有测试反应速度快、指示准确、图形设计灵活、数字清晰、可视性 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 - 4 - 能好、集成化程度高、可靠性强、功耗低等优点。由于没有运动部件，反应快， 可靠性高，其布置灵活紧凑，并有最佳显示形式。汽车电子仪表恰恰满足了这些 要求。 总之，随着电子技术的进步，新型传感器、新型电子显示器件的出现，汽车 电子仪表显示装置得以迅速发展。现代汽车使用微机驱动的电子仪表系统日益普 及。微机驱动的仪表板采用微机处理来自传感器的信息，并指挥仪表显示器。我 国的汽车仪表显示装置与国外发达国家相比，技术水平有相当大的差距。国外发 达国家普遍使用全数字式汽车仪表显示装置，而且绝大部分是步进电动机式汽车 仪表， 并准备向更高方向发展。 虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表， 但开发还不具备技术条件。全数字式汽车仪表，尤其是步进电动机式汽车仪表显 示装置，是当今和未来一段时间汽车仪表显示装置的主导技术，有着十分广阔的 市场前景。现代汽车将会越来越多地装用各种用途的电子化仪表显示装置。造型 新颖别致和功能强大的电子化仪表显示装置，将是今后车用仪表的发展趋势和潮 流。 can 总线作为一种有效支持分布式控制和实时控制的技术以其稳定性好、可 靠性高、抗干扰能力强、通讯速度高维护成本低及其独特的设计越来越受到人们 的重视 。随着汽车总线技术的发展，传统的汽车仪表受到严重的挑战，取而代 之的是总线型的汽车仪表，尤其是 can 总线的汽车仪表更是未来汽车仪表发展的 趋势和必然，基于 can 总线的汽车仪表的研究与开发具有非常现实的意义 4。 1.4 小结 本章介绍了国内外的汽车电子发展的状况，对比了国内外汽车电子的发 展优劣势，并从仪表发展的角度详细说明了推动汽车仪表发展的动力以及 汽车仪表的发展趋势。 重庆大学工程硕士学位论文 2 汽车,内总线及通讯协议研究 - 5 - 2 汽车内总线及通讯协议研究 2.1 汽车总线 汽车总线控制是汽车发展的趋势，现代汽车的功能日新月异，而每增加一项 功能都要增加相应的电气连接，使得分布车体各处的电缆趋于庞大和昂贵，且导 致设计、安装、调试和维护的困难。传统的电气控制系统设计已不能满足汽车对 安全性、性能和便利性的要求这种技术进展，现场总线技术的应用就是这种进展 导致的必然结果。 汽车总线控制是汽车产业的发展方向，要想进行总线控制，必须从软件和硬 件两个方面着手，而使用嵌入式操作系统对软硬件进行管理，不论是实时性还是 从可靠性来讲，都具有无可比拟的优势. 现在在汽车上使用的主要总线， can 总线、 lin 总线 、 lexray 总线 以及 most 总线。 2.2 can 总线 2.2.1 can总线简介 can 是一种汽车产业中得到广泛使用的数据与控制通信网络，是一种极具强 韧性的电气规范和协议，专门设计用于轿车或卡车中危险、常常无法预料的恶劣 环境， 而这种环境中有许多应用需要极高的可靠性和容错能力。 1986年2月， robert bosch 公司在 sae 年会上介绍了一种新型的串行总线系统can （controller area network） 。根据这个 can 协议，在 1987 年中期，intel 开发了首个 can 控制器 82526。不久，philips 半导体也推出了 82c200。这两种 can 控制器在报文过滤和 控制上有许多的不同。philips 半导体的方式叫 basiccan；intel 的方式叫 fullcan，由此后的不断发展，从而形成了 fullcan 和 basiccan 两大阵营 5。 在 20 世纪 90 年代初，bosch can 规范（can 2.0）被提交给了国际标准化组 织。经过讨论，应一些法国主要汽车商的要求，包含了吸收一些 van 网（vehicle area network） 的内容。 并于1993 年11 月出版了正式的can 国际标准iso11898。 从此 can 协议被广泛的用于各类自动化控制领域。在 1992 年，奔驰公司首先在 他们的高级轿车上使用了 can 技术。 这是 can 技术在车载网络系统中的首次实际 使用。 6 can 网络是现场总线技术的一种，它是一种架构开放、广播式的新一代网络 通信协议， 称为控制器局域网现场总线,是国际上应用最广泛的现场总线之一。 随 着汽车电子技术的不断发展，汽车上各种电子控制单元的数目不断增加，连接导 重庆大学工程硕士学位论文 2 汽车,内总线及通讯协议研究 - 6 - 线显着增加，因而提高控制单元间通讯可靠性和降低导线成本已成为迫切需要解 决的问题。can 推出之初是用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。例如 汽车刹车、防抱死系统、安全气囊等。机动车辆总线和对现场总线的需求有许多 相似之处，即能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠 地工作。can 总线可广泛应用于离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业 自动化的底层监控，以解决控制与测试之间的可靠和实时数据交换。can 总线能 有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，具有抗干扰性强和使用可靠等 优点，现在广泛应用于汽车工业、航空工业和工业控制等自动化领域 7，如分布 式环境监测系统、温室环境监控系统、变电站变监测系统等，can 总线可在同一 网络上连接多种不同功能的传感器（如位置,温度或压力等） 。 总线上的每个 can 组件都分配有一个软件赋值的 id。总线在逻辑上等效于 线与功能，可以被任意一个试图发送数据的组件拉低。发送时脉是由发送组件产 生的，因此所有接收组件必须重建时脉和数据位。组件之间传送的数据遵循标准 的 can 讯框格式，其中包括目的组件 id、控制和数据讯息负荷以及 crc。最终 指定的接收器将把总线拉低以确认收到一个完整的、crc 正确的讯框，然后释放 总线使之回到空闲状态。每个试图发送的组件在发送之前首先要检查总线是否处 于空闲状态。如果出现多个组件试图同时发送的情况，并且总线上数据出错时它 们必须相互侦听，先后退一段时间然后再尝试发送 。 can 总线是一种串行多主站控制器局域网总线，是一种有效支持分布式控制 或实时控制的串性通讯网络。can 总线的通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光 导纤维，通信速率可达 1mbps/40m，通信距离可达 10km/40kbps。由于其通信速率 高，可靠性好以及价格低廉等特点，使其特别适合中小规模的工业过程监控设备 的互连和交通运载工具电气系统中 09。现代汽车典型的控制单元有电控燃油喷射 系统，电控传动系统，防抱死制动系统(abs)，防滑控制系统(asr)，废气再循环 系统， 巡航系统和空调系统， 车身电子控制系统(包括照明指示和车窗， 刮雨器等)。 2.2.2 can总线基本特点 can 总线是一种串行数据通信协议，其通信接口中集成了 can 协议的物理层 和数据链路层功能，可完成对数据的成帧处理，用户可在其基础上开发适应系统 实际需要的应用层通信协议。 can 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据 块编码，采用这种方法可使网络内节点个数在理论上不受限制，还可使不同的节 点同时收到相同的数据。 can 采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级 低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，有 重庆大学工程硕士学位论文 2 汽车,内总线及通讯协议研究 - 7 - 效避免了总线冲突,节省了总线冲突仲裁时间； can 采用短帧结构， 数据段长度最多为 8 个字节,每一帧的有效字节数为个 （can 技术规范 2.0a） ，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短,8 个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性. can 的每帧数据都有效验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠 性,适于在高干扰环境中使用； can 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的 联系，以使总线上其它操作不受影响； can 是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行 通信, 网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向总线上其它节点发送信息,可 以点对点、一点对多点（成组）及全局广播集中方式传送和接受数据； can 总线提供高速数据传送,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维, 在短距离(40m)条件下具有高速(1mbit/s)数据传输能力，而在最大距离 10000m 时具有低速(5kbits/s)传输能力， 采用不归零码 （nrz-non-return-to_zero） 编码解码方式， 并采用位填充 （插 入）技术。 2.2.3 can总线通信介质访问控制方式 can 采用了的 3 层模型：物理层、数据链路层和应用层。can 支持的拓扑结 构为总线型。传输介质为双绞线、同轴电缆和光纤等。采用双绞线通信时，速率 为 1mbps/40m ,50kbps/10km,结点数可达 110 个。 can 的通信介质访问为带有优先级的 cs-ma/ca。采用多主竞争方式结构,网 络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主 从，即当发现总线空闲时，各个节点都有权使用网络。在发生冲突时，采用非破 坏性总线优先仲裁技术,当几个节点同时向网络发送消息时，运用逐位仲裁原则， 借助帧中开始部分的表示符，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的 节点可不受影响的继续发送信息，从而有效地避免了总线冲突，使信息和时间均 无损失 。例如，规定 0 的优先级高，在节点发送信息时，can 总线作与运算。 每个节点都是边发送信息边检测网络状态，当某一个节点发送 1 而检测到 0 时， 此节点知道有更高优先级的信息在发送，它就停止发送信息，直到再一次检测到 网络空闲。 can 的传输信号采用短帧结构（有效数据最多为 8 个字节）和带优先级的 cs-ma/ca 通信介质访问控制方式， 对高优先级的通信请求来说， 在 1mbps 通信速 率时，最长的等待时间为 0.15，完全可以满足现场控制的实时性要求。can 突出的差错检验机理，如 5 种错误检测、出错标定和故障界定；can 传输信号为 重庆大学工程硕士学位论文 2 汽车,内总线及通讯协议研究 - 8 - 短帧结构，因而传输时间短，受干扰概率低。这些保证了出错率极低，剩余错误 概率为报文出错率的 4.7x10-11。另外,can 节点在严重错误的情况下，具有自动 关闭输出的功能，以使总线上其它节点的操作不受其影响。 can 的通信协议主要有 can 总线控制器完成。can 控制器主要由实现 can 总 线协议部分和微控制器接口部分电路组成。通过简单的连接即可完成 can 协议的 物理层和数据链路层的所有功能，应用层功能由微控制器完成。can 总线上的节 点即可以是基于微控制器的智能节点，也可以是具有 can 接口的 i/o 器件。 05 2.2.4 can总线的物理层设计 can 总线协议对物理层没有严格定义，给使用者较大的灵活性，同时也给设 计者带来了困难。cancan 总线物理层的设计原则是：针对 ctxo、ctx1 的两种输出状 态显性、隐性，总线应具有两种不同电平，接收端呈现（显性、隐性）两种状态。 不要求总线必须是数字逻辑电平，只要是能够呈现两种电平（显性和隐性）的模 拟量，满足上述设计原则就可以。 03 can 控制器芯片的片内输出驱动器和输入比较器可编程，它可方便地提供多 种发送类型，诸如：单线总线、双线总线（差分）和光缆总线。它可以直接驱动 总线，若网络的规模比较大，节点数比较多，需要外加总线驱动元件，以增大输 出电流。用 can 收发器作为 can 控制器和物理总线之间的接口，提供向总线的差 动发送能力和对 can 控制器的差动接收能力。 一般在驱动芯片和 can 控制器之间加入光电耦合器,增加抗干扰能力。can 总线的速度将由光电耦合器的速度决定。比如：用 4n27 光耦，因为它的响应速 度比较慢，can 网络的位速度只能达到几十 kbit/s。如果采用 6n137 高速光电耦 合器，can 网络速度可以达到和电阻网络驱动时的速度一样。 2.2.5 can应用软件设计原则 can 控制器其内部硬件实现 can 总线物理层和数据链路层的所有协议内容， 有关 can 总线的通信功能均由 can 控制器自动管理执行。can 控制器对于 cpu 来 说，是以确保双方独立工作的存储影像外围设备出现的。can 控制器的地址域由 控制段和报文缓存器组成，在初始化向下加载期间，控制段可被编程以配置通信 参数。can 总线上的通信也通过此段由 cpu 控制，被发送的报文必须写入发送缓 存器，成功接收后，cpu 可以从接收缓存器读取报文，然后释放它，以备下次使 用。对于在片的 can 控制器，它与 cpu 之间的接口一般借助于个特殊寄存器： can 地址寄存器、数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器。对于单独的 can 控制 器，mcu 可以通过其地址数据总线对其寄存器直接寻址，就像 mcu 对一般外部 ram 寻址一样。通过对这些寄存器编程操作，可很方便控制 can 控制器完成通讯 功能。 重庆大学工程硕士学位论文 2 汽车,内总线及通讯协议研究 - 9 - 2.3 汽车的其它总线 2.3.1 lin总线简介 本地互连网络(lin 总线是用于车体控制应用的新兴标准,用于汽车中分布电 子系统的新型低成本串行通讯系统，它是现有汽车多重传输网络的补充。lin 瞄 准一些低端应用，在这些应用中每个节点的通讯成本都必须大大低于 can 而且不 需要 can 的高性能、高带宽和多功能。lin 相对于 can 的成本节省主要是由于采 用单线传输、硅片中硬件或软件的低实现成本和无需在从属节点中使用石英或陶 瓷谐振器 08。lin 总线是一种串行通信网络，可以将开关、显示器、传感器和执 行器等简单控制设备连接起来，主要用于汽车中的分布式电子控制系统。lin 采 用单主机/多从机的总线拓扑结构（没有总线仲裁），仅使用一根 12v 信号总线。 主节点包含主任务和从任务，从节点只包含从任务。它不需要专门的片上通讯模 块，采用标准串行通信接口 usart，速率可达 20kbps，总线长度不大于 40m 09。 lin 总线作为一种辅助的总线网络，在不需要 can 总线的优越性能的场合，相比 于 can 总线具有更高的性价比 lin 瞄准一些低端应用，在这些应用中每个节点的 通讯成本都必须大大低于 can 而且不需要 can 的高性能、高带宽和多功能。 lin 是关于汽车本地互连网络的一个总体通讯概念。 该规范包含协议的定义、 物理层以及用于开发工具和应用软件的接口定义。对于不需要控制器局域网络的 高带宽和多种功能的应用，lin 实现了一种具有成本效益的智能传感器和执行器 的通讯方式。 这种通讯是基于串行通讯接口(sci)、 数据格式、 单宿主/多从概念、 单线 12v 总线和没有稳定时间基的节点的时钟同步。低端多路通讯的汽车标准不 久前才出现。lin 协会开发了一个串行低成本通讯概念和开发环境的标准，采用 这个标准，汽车制造商及其供应商能以非常经济的方式创建、实现和处理复杂的 分层化多路复用系统。 lin 规范包含传输协议、 传输介质以及用于开发工具和应用软件的接口。 lin 在硬件和软件方面支持网络节点的互操作性并具有可预测的电磁兼容(emc)行 为。这个概念可以实现无缝的开发和设计工具链并提高了开发速度和网络的可靠 性。 lin 瞄准一些低端应用，在这些应用中每个节点的通讯成本都必须大大低于 can 而且不需要 can 的高性能、高带宽和多功能。lin 相对于 can 的成本节省主 要是由于采用单线传输、硅片中硬件或软件的低实现成本和无需在从属节点中使 用石英或陶瓷谐振器。这些优点是以较低的带宽和受局限的单宿主总线访问方法 为代价的。09 重庆大学工程硕士学位论文 2 汽车,内总线及通讯协议研究 - 10 - 2.3.2 flexray 总线简介 flexray 标准在车内通信网络中具有较大优势和广泛的潜在应用机会。在 flexray 协议制定 5 年后， 该协议规范的第二版(v2.1)在 2005 年春季发布。 由于 新技术能实现经济高效的新应用，整个行业对这个标准产生了浓厚的兴趣， flexray 提供了传统车内通信协议所不具备的大量特性，包括： (1) 210mbps 的数据速率 ,flexray 支持两个通信信道，每个信道的速度 达到 10mbps。与 can 协议相比，将可用带宽提高 10-40 倍，具体大小取决于配置 和对比模式的不同 0。 (2) 同步时基 ,flexray 中使用的访问方法是基于同步时基的。该时基通过 协议自动建立和同步， 并提供给应用。 时基的精确度介于 0.5s 和 10s 之间(通 常为 1-2s)。 (3)知道消息的到达时间 ,通信是在不断循环的周期中进行的，特定消息在 通信周期中拥有固定位置，因此接收器已经提前知道了消息到达的时间。到达时 间的临时偏差幅度会非常小，并能得到保证。 (4) 冗余和非冗余通信 为了增强系统的可用性， flexray 提供了冗余传输消 息的选项。消息能够冗余传输，但并不是所有消息都必须冗余传输，否则会导致 带宽的过多损耗。 (5)灵活性 在 flexray 协议的开发过程中，关注的主要问题是灵活性。不仅 提供消息冗余传输或非冗余传输两种选择，系统还可以进行优化，以提高可用性 (静态带宽分配)或吞吐量(动态带宽分配)。用户还可以扩展系统，而无需调整现 有节点中的软件。同时，还支持总线或星型拓扑。flexray 提供了大量配置参数， 可以支持对系统进行调整，如通信周期的持续时间、消息长度等，以满足特定应 用的需求。 flexray 适合于很多应用领域，包括： (1)替代 can 总线 在数据速率要求超过 can 的应用中，人们现在同时使用 了两条或多条 can 总线。flexray 是替代这种多总线解决方案的理想技术。 (2)骨干网络 flexray 具有很高的数据速率，因而非常适合于汽车骨干网 络，用于连接多个独立网络。 (3)实时应用，分布式控制系统 用户可以提前知道消息到达时间，消息周 期偏差非常小，这使得 flexray 成为具有严格实时要求的分布式控制系统的首选 技术。 (4)面向安全的系统 flexray 本身不能确保系统安全，但它具备大量功能， 可以支持面向安全的系统(如线控系统)设计。 0 重庆大学工程硕士学位论文 2 汽车,内总线及通讯协议研究 - 11 - 2.3.3 most总线简介 most 是汽车业合作的成果，是车内多媒体通讯的一个协议，但是不具备正 式的标准，最初构想始于 90 年代中期，作为宝马公司、戴姆勒克莱斯勒 （daimlerchrysler）公司、harman/becker 公司（音响系统制造商）和 oasis silicon systems 公司之间的一项联合。 （1998 年） ，参与各方建立了一个自主的 实体，即 most 公司，由它控制总线的定义工作。most 定义标准 osi 模型的所 有七层，对汽车多媒体环境作了高度的优化，对要处理的主要流量类型规定了信 号类别 1。 在物理层上传输介质本身是有塑料保护套、内芯为 1mm 的 pmma（聚甲基丙 烯酸甲酯）光纤，oem 供应商可将一束光纤像电线一样捆成光缆。光纤传输采用 650nm（红色）的 led 发射器。数据以 50mbaud、双相编码的方式发送，最高数据 速率为 24.8mbps 。 most 的定义是非常普通的，允许采用多种拓扑结构，包括星形和环形，大多 数汽车装置都采用环形布局。一个 most 网络中最多可以有 64 个结点。一旦汽 车接通电源， 网络中的所有 most 结点就全部激活.most 结点在通电时的默认状态 是直通（pass-throught） ，即进入的数据从接收器直接传送至发器，以保持环路 的畅通。 most 的数据传送使用 512 b 的帧， 以及 16 个帧的块。 帧的重复率为 44.1khz （每帧 22.67ms） ，每个帧内除了前导码和其它内部管理位以外，还包含有同步、 异步和控制数据。总线是完全同步的，可将网络内的任何设备指定为主设备，其 它所有结点都从主设备处获得自己的时钟。网络完全是即插即用的，当上电或有 连接改变时，主结点上保持着一个所连设备的中心注册处。 2.3.4 汽车总线的比较 lin 为 can 的补充，两者一般结合使用，与 can 总线相比，lin 总线控制 方式的成本较低是最大的优势；从高容错性的比较而言，can 总线的目标应用 是汽车的高速和多路数据通信。目前，can 仍然是汽车电子控制中可靠性最高 的总线，flexray 是它的升级，但是目前成本还很高，不能实际应用。most 主 要用于音视频流传输的基于光纤的总线，不能用于控制。 lin 专门应用于低端系统，作为 can 的辅助网络或子网络。在不需要 can 总 线的带宽和多功能的场合，比如智能传感器和制动装置之间的通信，使用 lin 总 线可以大大节省成本。未来整个网络将是 can、lin、most 三网合一的整体。most 负责音视频，can 负责重要的电子控制单元，如发动机、abs、安全气囊等，lin 负责次要的电子控制单元，如门窗、车灯等。 flexray 能够把所有系统连接在一起，同时为汽车系统以一个整体而不是分 重庆大学工程硕士学位论文 2 汽车,内总线及通讯协议研究 - 12 - 散的多个系统工作提供了机会。使用 flexray 后，汽车的安全系统将从这一全新 的整合中获益，从而显著提高汽车的安全性能。flexray 将会逐渐取代 can 而成 为未来车内网络的主流技术 0。 2.4 汽车通讯协议 2.4.1 sae j1939 通信协议 sae j1939 通信协议简介 sae j1939 通信协议栈使汽车电子产品的开发变得简捷、快速。所有在 sae j1939 规范中定义的通讯装置都可用该软件来实现，从而使汽车电子产品开发者 能够集中精力进行自己应用软件的开发。这种基于 osi 层模型的协议软件具有标 准组件的结构，这种结构最适于移植到特殊的目标系统。例如，访问 can 控制器 通过一个适当的 can 接口来实现,该接口的功能包含在一个单独的模块之中。如 果需要的话，该软件能够很容易地移植到不被支持的 can 控制器中。 另外，通过配置文件，sae j1939 通信协议栈能够被精确地移植，完全适合 特定应用的需要，因此要求这种通信协议栈完全由 c 源代码编写。所提供的源代 码、文档、例子程序使用户能够很快地应用 sae j1939 软件进行工作。所有的源 代码、例子程序都能够在参考平台上直接运行(重型车和客车组合仪表)。通常接 入目标硬件能够在几天内实现，而借鉴例子程序，汽车电子产品开发者很容易完 成自己的应用程序。 2 j1939 协议栈完全实现 sae j1939 协议，协议栈处理了 j1939 网络中涉及到的所 有低端细节，汽车电子产品开发只需要从应用层的角度实现应用即可。j1939 协 议栈实现 osi 标准中定义的数据链路层及传输层，实现 j1939 协议为传输报文所 附加的两层。协议栈的源代码采用标准 c 语言编写。通信协议栈配套有完整的开 发文档，可帮助汽车电子产品开发者迅速理解整套代码。 1939 协议栈 1939 协议栈 1）数据链路层：can 控制芯片实现了几乎全部的数据链路层内容，但 j1939 对该层进行了一些修改，如对 id 号重新进行了定义,j1939 只支持扩展帧模式。 2）传输层：这是最复杂的一层，需要根据 j1939 协议实现接收和发送报文的 算法规则。本层有两种传输模式，广播通讯(tp-bam)及连接管理（tp-cm） 。j1939 通信协议栈需要完全支持这两种传输模式。 3）网络管理层：该层不属于 osi 标准的一部分，但对于采用 j1939 协议通讯 的设备很重要。网络管理层支持所有的 j1939 网络管理功能，如地址声明及地址 请求。用户所要实现的 j1939 设备类型对这一层的具体实现方法是有影响的， 重庆大学工程硕士学位论文 2 汽车,内总线及通讯协议研究 - 13 - j1939/81 协议定义了不同的设备类型以及该类型设备与网络连接的具体操作标 准。 4）过滤层：该层允许用户应用程序根据报文的 pgn 或目的地址进行接收滤波。 将 j1939 协议栈转换到应用硬件平台，将 j1939 协议栈成功应用在需