硕士学位论文-基于CAN总线的车载信息系统的研究与设计.doc

（申请工学硕士学位论文） 基于 can 总线的车载信息系统 的研究与设计 培培养养单单 位位 ：信息工程学院：信息工程学院 学学科科专专 业业 ：通信与信息系统通信与信息系统 研研 究究生生 ： 指指导导教教 师师 ： 2012 年 4 月 基于 can 总线的车载信息系统的研究与设计 汤 波 武汉理工大 学 独 创 性 声 明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签 名： 日 期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 研究生（签名）： 导师（签名）： 日期 武汉理工大学硕士学位论文 i 中文摘要中文摘要 车载信息系统是用于汽车行驶过程中将车身的各种状态信息进行采集、处 理、通信、显示及存储的信息控制系统。作为车载信息系统极为重要的一部分， 汽车电子技术的发展有着重要的意义，而先进传感技术的采用推动了汽车电子 技术的发展，随之而来的是车载信息系统变得越来越完善。 车载信息系统早已向着智能化、数字化的方向发展：先进传感技术制造的 汽车电子仪器采集车身信息；数字仪器显示方式代替指针表显示；汽车行驶过 程中车身信息存储为汽车行驶状态的数据分析提供了依据等。从发展中可了解 到车载信息系统的研究和发展方向：采用先进传感技术给驾驶员提供尽可能丰 富和精确的车身状态信息；各类总线的采用为总线通信技术在汽车上的应用提 供了相关的研究资料；车身信息的集中显示给驾驶员提供了方便的交流界面； 车身信息的存储为研究人员对汽车行驶时的状态的分析提供了数据依据等。总 体说来，车载信息系统在汽车上的应用从多方面为驾驶员及相关研究人员提供 了方便。 车载信息系统的构建包括车身信息采集、数据的总线通信、信息的液晶显 示和数据存储。本论文致力于车载信息系统的研究，深入讨论了系统的设计思 想与实现方式，提出采用 can 总线通信方式，通过检测模块来采集车体信息。 设计出集信息采集，数据通信和显示为一体的车载信息系统。本论文的主要研 究工作包括：车身信息检测模块的设计、ican 通信协议的应用和显示模块的 设计。系统针对车身环境设计多个适用于汽车的传感模块，通过设计合理的 can 总线通信接口电路与其他模块进行通信，将采集的信息数据集中显示。 本系统设计数个适用于车身环境的车身信息检测模块，研究了现代传感技 术在汽车电子仪器制造方面的应用；系统采用 ican 协议通信，在数据通信的 稳定性和可靠性上与其他类型的总线相比有无法比拟的优越性；液晶显示屏代 替了传统的机械指针式仪表，为驾驶员提供更方便有效率的界面，可观性更强。 本论文在介绍车载信息系统的同时为汽车电子技术的发展方向提供了一个参考 的方向，也为 can 总线在车载网络应用的研究提供了参考。 关键字：关键字：车载信息系统，汽车电子技术，传感技术，can 总线通信技术， ican 通信协议 武汉理工大学硕士学位论文 ii abstract vehicle information system is a control system used for information collection, information processing, data communication, information display and storage of the information of driving car. as a very important part of vehicle information system, the development of vehicle electronic technology plays an important role. advanced sensor technologies promoted the development of vehicle electronic technology, the attendant is vehicle information system become more and more perfect. now, vehicle information system is more and more intelligent and digital; advanced sensor technology used to produce more advanced vehicle electronic instruments for gathering vehicle information; convenient digital instrument replaced the previous pointer table display; storage of information of driving car provides evidence for data analysis. thus we can understand the development direction of vehicle information system: the advanced sensor technology used to collect accurate information of vehicle; the application of various types of bus on the vehicle provided research data of bus communication technology. the display of collected vehicle information provided convenience communication interface for driver; the storage of the driving car information provide data basis for researchers analysis. application vehicle information system on car provided convenience for the drivers and researchers. vehicle information system included such parts: vehicle information collection, data communication, display vehicle information and data storage. this thesis is devoted to the research of vehicle information system, it discusses the way of system design and implementation, such as use can bus for communication mode, gather vehicle information from sensor instrument, design a vehicle information system that can combination vehicle information collection, data communication and information display. the main work of this thesis includes: design several vehicle information sensor, application ican communication protocol in system, design display module of vehicle information. all sensor module design for vehicle is based on automobile environment, through the rational design of hardware electro circuit for receiving and transmitting by can-bus, we can communicate with other module and display the 武汉理工大学硕士学位论文 iii collected information and data. system designed several sensor module that suit for vehicle environment, researched the application of advanced sensor technique in vehicle electronic instrument manufacturing; ican communication protocol had been used for system design, it provided more stability and reliability then other can-bus communication protocol in this system; observable liquid crystal display (lcd) instead of the traditional mechanical pointer type instrument provided convenient and efficient interface, for the driver. this thesis not only introduces the vehicle information system, provide a reference for the development direction of vehicle electronic technology, but also provided reference for the can-bus in vehicle network. key word: vehicle information system, vehicle electronic technology，sensing technology, can-bus communication technology, ican communication protocol i 目目 录录 第第 1 章章 绪绪 论论 .1 1.1 车载信息系统研究的背景及意义.1 1.2 汽车电子技术及车用总线国内外的研究应用现状.2 1.3 can 总线及ican 协议的介绍.5 1.4 论文组织结构.8 第第 2 章章 车载信息系统总体结构分析车载信息系统总体结构分析.10 2.1 系统总体功能分析.10 2.2 系统的通信架构分析.10 2.2.1 系统网络结构分析10 2.2.2 系统节点分配 11 2.3 系统硬件结构分析.13 2.4 系统软件设计分析.14 2.5 本章小结.14 第第 3 章章 车载信息系统硬件设计车载信息系统硬件设计.16 3.1 can 通信接口和电源硬件设计.16 3.1.1 can 总线通信接口的设计16 3.1.2 电源模块设计 18 3.2 主屏显示模块硬件设计.18 3.3 车身信息检测模块硬件设计.21 3.3.1 电源电量检测模块硬件设计21 3.3.2 双电瓶隔离模块硬件设计27 3.3.3 水位检测模块设计30 3.3.4 温度检测模块设计35 3.3.5 湿度检测模块设计38 3.4 本章小结.39 第第 4 章章 车载信息系统软件设计车载信息系统软件设计.41 4.1 系统各模块的软件设计.41 4.1.1 主屏显示模块软件设计41 4.1.2 电池电量检测模块软件设计43 4.1.3 双电平隔离器模块软件设计45 4.1.4 水位检测模块和湿度检测模块软件设计46 4.1.5 温度检测模块软件设计47 4.2 ican 通信的软件设计47 ii 4.3 本章小结.50 第第 5 章章 系统调试结果系统调试结果 .51 5.1 检测模块功能调试.51 5.1.1 电池电量检测模块调试51 5.1.2 双电瓶隔离模块调试51 5.1.3 水位检测模块调试53 5.2 主屏显示模块调试53 5.3 ican 通信功能调试54 5.4 本章小结.56 第第 6 章章 总结与展望总结与展望 .57 6.1 全文工作总结57 6.2 后续工作的展望57 致致 谢谢 .59 参考文献参考文献 .60 武汉理工大学硕士学位论文 1 第第 1 章章绪绪 论论 随着科技的日益发展，各类电子仪器逐渐与人们的日常生活相结合，使用 范围也日益广泛。与人们生活紧密相关的出行工具汽车采用的电子仪器也 越来越多，车载信息系统就是在这种情况下产生的。汽车上车载信息系统的应 用极大的方便了驾驶员的行车驾驶。随着汽车制造行业的飞速发展和汽车的普 及，车载信息系统的重要性也越来越大。通过近半年查阅有关国内外文献和调 查国内汽车车载信息系统的发展情况了解到：随着交通部门对汽车车辆信息的 重视越来越高，车载信息系统的研发已经成为汽车车载系统领域的热点技术1。 从动力控制系统到传动控制系统，从行驶、制动、转向控制系统到必要的安全 保证系统及仪表报警系统，从电源管理系统到为提高出行和生活舒适性而作的 各种努力等各方面来看，汽车电气系统早已形成了一个复杂的大系统。作为汽 车电气系统重要组成部分的车载信息系统的数字化、智能化已成为趋势所向2。 随之而来的是各种针对特殊情况和需求的汽车电子仪器不断的被设计和创造出 来，应用新型汽车电子仪器的车载信息系统也不断的被开发和装载到车辆上。 论文描述的基于 can 总线的车载信息系统是针对长时间在野外行驶车辆 的需求而设计的。本系统为驾驶员提供车辆上有利于长时间野外行车的信息， 根据这些信息驾驶员能有计划的用车。本系统还针对野外行车时的一些特殊情 况设计了相应的解决措施，从而保障行车正常。 1.1 车载信息系统研究的背景及意义车载信息系统研究的背景及意义 20 世纪 90 年代初，美国和德国开发了完整的数字式汽车车载信息系统， 用以方便于汽车驾驶员的驾驶。目前这种技术又得到修正和完善。就国外水平 来讲，车载信息系统的实体形式早已在美洲和欧共体试用多年。自 1999 年开 始，美国的 ford 汽车公司开始在它的车辆上安装车载信息系统，美国其他一些 知名汽车公司也开始在部分车上试装车载信息系统。德国、美国和瑞典的汽车 在 2001 年也将相继安装车载信息系统3。就国内这方面的发展来讲，研发汽车 车载信息系统的厂家较少。考虑到中国强大的汽车市场和发展趋势，我们应该 对汽车车载信息系统的市场持积极的态度4。 武汉理工大学硕士学位论文 2 随着现代微电子技术的发展，汽车车载信息系统向着电子化、数字化的趋 势发展，所以促进汽车车载信息系统智能化和数字化的研究将成为今后车载信 息系统的主要课题5。 本论文的内容以汽车电气系统中的车身信息采集和应用各种传感技术的汽 车电子仪器为研究和设计的出发点，采用了 can 总线通信技术，设计出针对 特殊需求车辆，集车身信息采集、传输、显示与控制为一体的系统。论文首先 从车辆需求的车载信息系统采用的汽车电子仪器开始，分析了传感器信号采集 的工作原理和方式，设计了针对特殊车辆车身信息的检测模块，通过 can 总 线通信将检测的车身信息送入显示模块整合显示，使所需车身信息一目了然6。 本系统的设计满足了长时间野外行驶车辆的需求，也为车载信息系统的数字化、 智能化研究提供了良好的参考。 1.2 汽车电子技术及车用总线国内外的研究应用现状汽车电子技术及车用总线国内外的研究应用现状 随着科技的高速发展，人们生活水平日益提高，汽车作为日常出行的代步 工具逐渐普遍化。伴随科技发展，汽车动力性能逐渐提高，人们渐渐对汽车产 业提出了其他方面的要求。汽车电子技术正是用于满足人们的这些要求而产生 的。各种汽车电子仪器不断的被设计出来，应用于在车辆，使汽车不断的电子 化。这些汽车电子仪器应用于汽车上有利于增加汽车的驾驶安全性、降低燃料 消耗、减少尾气排放和增加驾乘的舒适性和便捷性等。如今，汽车电子化已被 公认为汽车技术发展过程中的重要进步，汽车电子技术作为衡量现代汽车各方 面技术水平的一个重要标志，是现今汽车产业用来开发新类型产品，改进汽车 总体性能最重要的技术手段和措施7。 汽车电子技术基础来源于半导体行业、传感器和软件行业等电子技术行业 的发展，是一个复杂、多门类、知识度密集的高新技术领域。汽车电子技术涉 及电子、机械、通信、计算机等多个前沿学科。新一代的汽车被称为电子化汽 车，是先进的汽车工业和电子技术相结合的产物。 武汉理工大学硕士学位论文 3 图 1-1 车身电子仪器应用分布图 汽车的出现改变了世界，而改进汽车并使其发生巨大变化的是电子信息化。 汽车广泛地采用电子信息技术，用来提升总体性能和增添各种服务功能，以满 足人们各方面的方面的需求。如今，汽车电子技术的发展以提高舒适性、节能 性、环保性、安全性这四个方面为主题。汽车电子化正是围绕这四个方面，逐 步的提升汽车的总体性能8。汽车电子化的实现有赖于电子控制单元 ecu（electric control unit）技术的发展。电子控制单元的核心是微控制器，而 汽车是使用微控制器最多的行业之一。 随着电子技术的迅猛发展及其在汽车上的广泛应用，汽车电子化的程度越 来越高，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全 保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为了提高舒适性而进行的各种研究， 使汽车电子系统成为了一个庞大且复杂的系统。这些系统除了各自的电源线外， 还需要相互之间通信。但是传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式， 相互之间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。不难想象，若仍沿用常规 的点对点的布线法进行布线，那么整个汽车的布线将极其冗繁。无论从电气布 线材料成本还是整体的工作效率来看，传统布线方法都将不能适应如今汽车产 业的高速发展。若采用总线的方式布线就可以减少导线数量，提高电气系统布 线的可靠性和可维修性9。 武汉理工大学硕士学位论文 4 电动座椅 can 电动门窗 can 安全气囊 can 传输控制 can 悬挂系统 can can 空调系统 can 灯光系统 can 电动门锁 can 刹车系统 can 发动机 can 控制 面板 can 图1-2 can总线汽车电气系统布线方式 目前，绝大多数车用总线都被 sae(society of automotive engineers 美国汽 车工程师协会)下属的汽车网络委员会按照协议划分为 a，b，c，d 四类10。 a 类是面向传感器或执行器管理的低速网络，它传输数据的位速率通常小于 10kb/s，主要用于调整后视镜，电动窗和灯光照明等设备11；b 类是面向独立 控制模块中信息共享的中速网络，位速率一般在 10kb/s125kb/s 之间，主要 用在车身电子的舒适性模块和显示仪表等设备中；c 类是面向闭环实时控制的 多路传输高速网络，位速率多在 125kb/s1mb/s 之间，主要服务于动力传动系 统12；d 类网络则是面向多媒体设备，高速数据流传输的高性能网络，位速率 一般在 2mb/s 以上，主要用于液晶显示等设备。 就目前车用总线的主流而言，由 can(controller area network 控制器局域 网)规范所衍生出来的 b 类（低速容错）和 c 类（高速 can 总线）车用总线系 统覆盖了汽车中绝大部分可以用到网络的范围，而且由于 can 总线的网络特 性与节点成本等特性在汽车行业中受到了人们的青睐，被普遍认为是车载网络 领域最有发展前途的总线规范之一。 多种多样的车用总线的采用使汽车的动力性能，经济性，安全性，舒适性 等各方面有了很大的提高。随着人们对汽车各方面性能提出更高的要求，汽车 制造业的各种技术必会不断地提高和发展，同样车载网络的市场规模必然会不 断的发展壮大。然而目前而言，不可能在短时间内出现一套统一的解决方案能 完全满足人们针对车载网络在性能成本上所提的一切要求。车载总线领域仍将 长期保持目前这种多协议规范互相竞争共存的态势，甚至还会出现在同一国际 标准下并存有多种兼容总线的格局13。 武汉理工大学硕士学位论文 5 1.3 can 总线及总线及 ican 协议的介绍协议的介绍 20 世纪 80 年代末，为了提高控制单元间通讯的可靠性和降低导线成本， 德国 bosch 公司及几个半导体集成电路制造商开发了 can 总线协议，并使其 成为国际标准14。can 总线的全称为“controller area network” ，即控制器局 域网。1989 年，intel 公司率先开发出 can 总线协议控制器芯片。随后 can 总线技术逐渐的应用于各行各业，比如汽车制造生产行业。如今，世界上一些 著名的汽车制造厂商，如奔驰、宝马、保时捷和美洲豹等都采用了 can 总线 来实现汽车内部的控制系统和各检测和执行模块间的数据通信。目前为止，世 界上已经拥有 20 多家 can 总线控制器芯片生产商，仅在欧洲地区销售的带有 can 的器件数量就过亿件。can 总线己被公认为几种最有前途的现场总线之 一。 can 总线技术产生后，逐渐的被用于各行各业。1992 年，梅赛德斯奔驰 公司最早将 can 总线技术应用于汽车中，随后欧洲各汽车制造生产商纷纷效 仿这一做法，逐渐的将 can 总线纳入了行业标准。受其影响，美国和远东地 区的制造厂商开始积极的采用 can 总线技术。受此影响，投放与市场的 can 产品中，80%以上均用于组建车载网络。 amt can 空调 模块 can 变速箱 can 发动机 can abs can 车门 模块 can 座椅 模块 can 车灯 模块 can 车厢 模块 can can 车载 计算 机 can 语音 识别 系统 can 车载 音响 系统 can 车载 诊断 can 控制显 示面板 can cancan 动力系统传送子网（高速网段） 车身电子子网（低速网段） 故障诊断子网（低速网段）信息娱乐子网（更高速网段） 图 1-3 车身网络结构图 图 1-3 所示，在汽车内部网络中，各种仪器根据其内部信息数据传输速率 分别组成各个子网，各个子网又根据内部数据通信的网络特征，采用了不同的 can 标准，组成整体的汽车内部网络：信息娱乐子网；动力传动子网；车身电 子子网；故障诊断子网。汽车内部的这四个子网通过网关并联。这些由 can 武汉理工大学硕士学位论文 6 总线派生出来的各种标准，除了在物理层上有通信传输高低速差别外，其余协 议内容基本上相差不大。随着 can 总线技术的进步，高速 can 总线网络的发 展，到时候汽车内部网络只需要增设高低速 can 驱动转换功能就可实现车辆 整体信息的 can 总线网络控制15。 由于 can 总线协议只规定了物理层和数据链路层，没有对应用层进行规 定，导致整体功能并不完整16。因此在基于 can 总线技术的分布式控制系统 中，有些功能必须要通过一个更高层的协议来实现，从而实现在 can 网络中 通讯模式、网络管理功能执行、以及设备功能描述方式的统一17。 目前占领主要市场的两个应用层协议为：canopen 协议和 devicenet 协 议。canopen 协议适用于产品内部的嵌入式网络通信应用，devicenet 协议是 用于工业自动化控制。这两种协议规范的复杂度较高，理解开发的难度较大， 对于在本车载信息系统设计中并不复杂的基于 can 总线技术的通信网络不太 适用。因此本论文选用了一种适合于 can 的简单可靠应用场合的标准协议， 即 ican 协议18。 ican 协议全称为“industry can-bus applicati/on protocol” ，即工业 can 总线应用层协议，该协议为现场设备和管理设备之间的连接提供了一种成本低 廉，结构简单的通信方案，详细的定义了传输的 can 报文中各 id 以及数据 的分配和应用，定义了设备的 i/o 资源和访问规则，建立起了统一的设备模型。 ican 网络的使用符合高速 can 标准规定的拓扑结构。ican 网络上最多 支持 64 个主从节点的连接，节点和总线网络线缆之间的连接使用分支方式。 网络中通讯速率的快慢与通信距离相关。 表 1-1 最大通信速率与最大距离关系 最大位速率 /kbps 10005002501251005010 最大距离 /m 4013027053062013006700 ican 网络采用命令/响应的主从通讯方式来保证数据报文传输的确定性， 主控设备(主站)为通信的发起方，受控设备(从站)为通信的响应方。主控设备发 送命令帧，当受控设备接收到命令帧后，向主控设备发送响应帧，从而实现数 据交换19。这种对服务进行确认的数据传输方式可靠性好。然而，这种命令/响 应的通信方式只能由主控设备发起，总线的利用率较低20。因此 ican 协议规 武汉理工大学硕士学位论文 7 范中还定义了事件触发传送的传输方式，弥补了命令/响应模式状态的这一缺点。 每一个节点在 ican 网络中拥有唯一的标识值 macid，不同节点设备之间 的通信是基于对相应节点的寻址实现的。ican 协议保留了特定的地址对一组 节点或所有节点进行寻址、帧传输的方式。主站和从站之间的通讯并不是随机 进行。进行通信时，首先必须建立通讯连接。只有当连接建立好后，主站才能 够与从站进行通讯。这样使对任何拥有 macid 设备的通讯进行监控成为可能。 节点1节点2节点3节点7 ican报文 源地址1目的地址7 macid=1macid=2macid=3macid=7 报文从节点1到节点7 图 1-4 ican 节点间通信示意图 在 ican 协议规范中，ican 设备的结构由三部分组成21。 通讯端口：通信端口的作用是实现与 can 总线网络的数据交换，接收网 络中发送的 can 报文并按照一定的规则将收到的报文进行处理，端口还进行 can 报文的发送。 资源节点：资源节点决定了设备的通信行为，应用端口的属性，还定义了 与通信和应用相关联的一系列数据表格。 应用端口：定义各个设备在实际应用中所起的功能，并且描述了应用和处 理这些数据或信息的相应过程22。 ican 协议规范只使用了扩展帧格式的 can 报文（can2.0b 协议版本） ， 并对报文的 29 位标识符和报文数据部分的使用作了详细的定义。 表 1-2 ican 标识符分配表 id28id27id26id25id24id23id22id21 00srcmacid(源节点地址) id20id19id18id17id16id15id14id13 帧 标 示 00destmacid（目标节点地址） 武汉理工大学硕士学位论文 8 id12id11id10id9id8id7id6id5id4id3id2id1id0符 ackfunc（功能码）sourceid（资源节点地址） 报文标识符表格如上，标识符指定了数据通讯中的源节点地址 srcmacid 和目标节点地址 destmacid，并指示了报文的功能和要访问的资源节点地址 sourceid。按照标识符的排列和功能的划分，整体报文主要被分为 7 个部分， 其中 srcmacid (源节点地址)、destmacid（目标节点地址） 、ack 位、 funcid（功能码）和 source id（资源节点地址）5 个部分起主要作用。在每次 的通讯过程中，通讯双方都必须检查 srcmacid 和 destmacid 的值与已知的 两端点是否相同，确保通信的正确性。响应标志位 ack 分配 1 位，ack 为 0 时用于命令帧，需要应答，对于广播帧，ack 标识符无意义；ack 为 1 时用 于响应帧，不需要应答，或者是不需要应答的广播帧；func 功能码分配 4 位， 用于指示 ican 报文需要实现的功能，接收报文的节点根据报文中的功能码进 行相应的处理；sourceid 资源节点地址占用 8 位，从站根据资源节点地址内部 对应的资源进行操作23。 相比国外的汽车生产行业，国内对车载总线的研究还处于发展阶段，车载 总线技术方面并未形成较为完善的系统，围绕车载总线技术的相关汽车电子产 品也比较缺乏，现有的相关应用技术远远落后于国外同行业24。我国部分汽车 总线的重要技术只能采用国外的现有技术，从而限制了我国汽车生产行业的发 展速度，使我国汽车生产行业处在一个较弱势的地位25。因此，在国内汽车行 业蓬勃发展的今天，加大车载总线技术方面的研发力度，多自主创造符合国际 总线技术类的产品，不仅能从根本上提升我国汽车制造行业在国际上的高端产 品研发及提升高端汽车制造和生产能力，还对于我国发展高端汽车电子相关技 术的研究和发展有着重要的意义，从而可以从根本上提升我国汽车生产行业的 实力。 1.4 论文组织结构论文组织结构 本章节对课题相关技术的发展和国内外状况进行了解，逐步的对论文需要 实现的针对长时间野外行驶的车辆需要的车载信息系统有大致的结构了解。该 系统以 can 总线技术为通信方式，将车载总线系统的各车身信息检测模块通 过总线通信接口接入总线，使采集的车身信息和检测模块工作状态集中显示， 从而实现对整车车身状况进行监控的车载信息系统。 武汉理工大学硕士学位论文 9 本课题拟完成的主要工作如下： 根据系统设计要求，给出车辆信息系统设计的总体方案，包括总体结构设 计、硬件设计、软件设计； 根据长时间野外行车的需求和对各类传感器工作原理的了解的基础上，选 择合适的传感器和传感技术，完成车身信息检测模块的设计； 设计主屏显示模块将其他模块需要显示的信息和数据载入显示，并加入检 测模块状态判断和显示功能； 设计 can 总线通信接口电路，应用通信协议实现模块间的数据通信。 武汉理工大学硕士学位论文 10 第第 2 章章 车载信息系统车载信息系统总体结构分析总体结构分析 基于 can 总线的车载信息系统主要功能是汽车车身信息的采集，传输及 显示。该系统设计了通过传感器采集车身信息的车身信息检测模块，兼容了读 取车身信息数据和根据数据判定个模块工作状态的主屏显示模块，通过 can 总线的通信方式使模块之间实现相互连接，组成车载信息系统。系统通过 can 总线通信电路实现了显示模块和各个检测模块之间点对点的数据通信方式，部 分模块之间还可以实现一点对多点的数据通信方式。为了保证通信的稳定性， 系统针对单一检测模块设计了相应的节点。当总线上某一节点出现故障时，其 他模块之间仍能保持正常工作状态和数据传输。车身信息检测模块主要针对车 辆驾驶辅助信息和提高车内舒适性两方面进行设计，系统针对长时间野外行车 情况设计了合适的检测模块来实现车身信息的检测。针对实际应用时各模块位 置相对松散的特性，本系统采用了 ican 协议规范作为通信协议。 2.1 系统总体功能分析系统总体功能分析 本论文设计的系统基本的功能是采集车身信息，采用不同传感技术设计而 成的检测模块分散在车身各部分进行车身信息采集。整体的车身信息采集系统 虽然分散，但结构简单而且对数据实时性的要求不如车身驱动系统迅速，可采 用 can 总线中低速通信传输，因此，车载网络的通信协议选用了 ican 协议， 适用本系统。ican 通信协议的采用保障了系统的各模块的相互通信功能。作 为显示功能的车身信息总汇显示模块和检测模块通过 can 总线采用 ican 通 信协议相互连接和通信，使系统总体功能得以实现。 2.2 系统的通信架构分析系统的通信架构分析 2.2.1 系统网络结构分析系统网络结构分析 基于 can 总线的车载信息系统的结构设计方式适用于任意车辆。系统的 电源是车辆自身携带的蓄电池，根据各模块的要求通过转压电路将车辆电源电 武汉理工大学硕士学位论文 11 压转化为各模块的驱动电压。整体系统可根据连接线路划分为供电线路和通信 线路。系统通信线路架构图如下： 电池电量 检测 双电瓶隔 离 水箱水位 检测 车厢温度 检测 车厢湿度 检测 can总线 信息 检测 模块 主 屏 显 示 检测模块 状态检测 车身信息 数据读取 车身数据 模块状态 显示 图 2-1 系统通信线路架构图 系统内的模块根据功能可划分为车身信息检测模块、主屏显示模块两类。 主屏显示模块可划分为车身信息读取、检测模块状态判断和总体显示三部分。 针对需求而设计的车身信息检测模块采集车身信息；车身信息检测模块采集的 信息数据和通过状态检测判断的车身信息检测模块工作状态信息被集中显示在 主屏显示模块的显示屏上。 2.2.2 系统节点分配系统节点分配 单独分析系统的构成模块可以根据模块功用分为两个大部分，车身信息采 集、车身信息数据和检测模块的状态的显示。系统根据这两部分的子模块的数 量设置了相应的节点，分为 1 个主屏显示模块节点和 5 个车身信息检测模块节 点。 主屏显示模块节点： 车载信息系统正常工作状态时，车身检测模块将各自检测的信息处理后转 化为 can 报文通过总线发送给主屏显示节点。主屏显示模块节点接收报文并 送入模块，首先经将车身信息数据读取后在液晶屏上显示出来，同时模块内的 状态检测部分会根据微处理器检测的报文内数据来判断车身信息检测模块的工 武汉理工大学硕士学位论文 12 作状态。首先根据设定时间内是否收到目标节点发送的报文判断目标节点是否 连接 can 总线，然后根据收到的报文内检测数据对应设定数值的高低来判断 该检测模块是否正常工作。主屏显示模块依据状态检测发送的数据信息对各检 测模块进行状态指示灯显示，分为目标模块连接与否、是否正常工作等。主屏 显示节点每隔几毫秒向各车身信息检测模块发送请求。收到检测模块的响应后， 主屏显示模块会根据响应信息实时显示车身信息检测模块的工作状态。 车身信息检测模块节点： 检测模块节点是主要将处理后的车身信息数据编译成 can 报文的形式， 发送到主屏显示节点。根据采集对象的不同，车身检测模块各自软硬件的设计 也不同，但从功能上来说，各检测模块大致相同。 根据系统中模块的数量，我们分配了 6 个节点地址。 表 2-1 节点地址分配 模块名称源地址（id26id21）或目的地址 （id18id13） 主屏显示模块00 电池电量检测模块01 双电瓶隔离模块02 水位检测模块03 温度检测模块04 湿度检测模块05 根据总体系统网络架构图和模块节点的分配方案，系统各节点间信息传输 线路可以用图 2-2 表示： 电池电量检测(01) 双电瓶隔离(02) 水箱水位检测(03) 车厢温度检测(04) 车厢湿度检测(05) 主屏显示 (00) 图 2-2 系统节点间信息传输图 武汉理工大学硕士学位论文 13 2.3 系统硬件结构分析系统硬件结构分析 本论文设计的车载信息系统的节点数量不多，且各模块为单独的小系统。 车身信息采集模块节点数量占多数，但总线上传输的信息量少，系统针对这方 面的设计比较简单。实际车载信息系统中模块的数量众多，多为集中控制系统， 总线上传输的信息量大，节点设计和总线利用率的方案复杂。 因为各个检测模块的设计方式并不相同，总体的硬件结构图如下： 汽车12v供电 电量检测 can总线 通信电路 双电瓶隔离 can总线 通信电路 水位检测 can总线 通信电路 温度检测 can总线 通信电路 湿度检测 can总线 通信电路 主屏显示 can总线 通信电路 can总线通信 电流 温度采样 电池电压 手动信号采样 水位 温度采样温度采样湿度采样 图 2-3 系统硬件框图 本系统设计了 6 个模块，分别为主屏显示模块、电池电量检测模块、双电 瓶隔离模块、水位检测模块、温度检测模块和湿度检测模块。 主屏显示模块主要包括以 stm32f103r8t6 微控制器为核心的中央处理单 元和显示单元。显示单元采用液晶屏显示被测信息，显示屏周围的状态指示灯 显示各检测模块的工作状态。显示单元还设置了分页面选择按键和翻页，可以 分类显示检测模块数据和当显示信息数量较多时可以多页面显示。根据状态检 测反馈的车身检测模块状态信息，显示单元会刷新各检测模块显示屏上状态指 示灯的显示。 系统采用了 can 总线网络通信方式，各模块均需要通过 can 通信接口电 路接入 can 总线。主屏显示模块采用了 stm32f103r8t6 微控制器，车身信 息检测模块大都采用 stm8s103f 型微控制器。由于 r8t6 芯片内部均有集成的 can 控制器，所以主屏显示模块只需外接 can 收发器即可实现 can 通信接 武汉理工大学硕士学位论文 14 口的电路设计，而车身信息检测模块采用的 stm8s103 型微处理器需外接 can 隔离电路和 can 收发器才能进行 can 总线通信。 汽车内部是 12v 的 dc 供电系统，也是各模块的供电电源。系统各模块采 用的传感器和芯片的正常工作电压范围并不相同，因此需通过稳压芯片进行 dc/dc 转换。根据各模块供电电压的不同，各模块硬件采用的稳压芯片也不同。 系统针对长时间野外行车情况下易出现的行车问题，设计了几个车身信息 检测模块。根据功能和传感器信号采集方式的不同，车身信息检测模块采用的 硬件电路也不相同，具体的硬件设计描述将在第三章节讲述。 2.4 系统软件设计分析系统软件设计分析 整个系统的设计以 can 总线为通信基础，实现节点间的相互通信。从节 点间信息传输图上可以看出：主屏显示模块节点向检测模块节点发送请求。车 身信息检测节点收到请求后开始发送报文。主屏显示模块节点收到响应后接收 车身信息检测模块节点发送的报文，然后对报文进行处理。由此可以看出系统 通信程序主要由两部分组成：数据接收程序、数据发送程序。 数据接收程序：can 控制器通过 can 收发器将信息从总线接收到 ican 接收缓冲区，接收程序只需要从接收缓冲区读取接收的数据就可完成数据的接 收26。 数据发送程序：can 控制器将待发送的信息通过 can 收发器发送到总线， 发送程序只需要将要发送的数据送入 ican 发送缓冲区，同时启动发送命令即 可。 主屏显示模块除了数据接收和发送程序的设计外，还需要各检测模块工作 状态的判断，以及进行液晶屏显示的设计。本模块主要进行状态判断和车身信 息分块显示软件的设计。液晶屏的驱动和显示软件设计本论文不做描述。 车身信息检测模块除了数据接收程序和数据发送程序的设计外，还需要根 据传感器采集信息方式、补偿参数信号和数据处方式等参数，进行软件设计。 各模块具体的软件设计会在第四章中描述。 武汉理工大学硕士学位论文 15 2.5 本章小结本章小结 本章详细的介绍了基于 can 总线的车载信息系统的总体设计方案。首先 针对整个系统需要实现的功能作用进行了大致的描述。根据系统的通信方式和 模块的布局，选定了系统的通信协议。其次，根据设计的模块间的通信和总线 上数据的传输给出了系统的通信网络图和节点分配，并说明了各个模块对应节 点的功能。本章说明了采用的作用等。本章还给出了大致整体系统的硬件设计 方案和框架以及各模块的软件设计思想。 武汉理工大学硕士学位论文 16 第第 3 章章 车载信息系统硬件设计车载信息系统硬件设计 从第二章讲述的系统总体方案和各模块的介绍中可知，本论文设计的基于 can 总线的车载信息系统的硬件架构分为 can 总线通信接口电路，电源模块、 1 个主屏显示模块和针对行车情况设计的 5 个模块。这 5 个模块分别为电池电 量检测模块、双电瓶隔离模块、水位检测模块、温度检测模块和湿度检测模块， 各模块之间通过 can 总线通信接口电路接入总线。本章的内容就是分析如何 设计硬件电路来整体系统的硬件架构。 3.1 can 通信接口电路和电源硬件设计通信接口电路和电源硬件设计 基于 can 总线的车载信息系统各模块硬件设计时首先考虑总体电源和通信 电路的设计。各模块硬件功能实现后需要接入 can 总线进行通信，本系统采 用 ican 协议作为通信协议，基于各模块通信的稳定性和同一性考虑，统一的 can 通信接口电路设计成为了必要。针对各模块在空间布局上比较分散的情况， 系统利用车辆电源作为主电源针对每个模块的驱动电压设计了相应的稳压电源。 3.1.1 can 总线通信接口的设计总线通信接口的设计 can 总线通信接口电路由 can 总线控制电路和 can 总线收发电路两部分组 成。can 总线控制器用来完成总线协议的数据链路层和物理层的所有功能，如 对报文的装配与拆分、对接收信息进行过滤和较验等。应用层功能可由各模块 内的微控制器完成。can 收发器提供 can 控制器与物理总线之间的接口，在 两条有差动电压的总线 canl 和 canh 上传输数据，可以提高 can 总线的可 靠性和驱动能力27。 武汉理工大学硕士学位论文 17 cgnd +5v cgnd canl canh rm6 txd 1 gnd 2 vcc 3 rxd 4 split 5 canl 6 canh 7 stb 8 um2 tja1040 cgnd cm0 104 gnd vcc3.3 +5v a 1 k 2 dm1 p4ke6.8va-a a 1 k 2 dm2 p4ke6.8va-c a 1 k 2 dm3 p4ke6.8vc-b cgnd cantx canrx cm3 104cm2 104 vdd1 1 voa 2 vib 3 gnd1 4 gnd2 5 vob 6 via 7 vdd2 8 um1 adum1201 1 1 2 2 rm1 120 can上上上上上上can上上上上上上 图 3-1 can 总线通信模块电路图 本系统设计的 can 总线通信接口电路采用了以 adum1201 芯片为核心的 can 总线控制电路和以 tja1040 芯片为核心的 can 总线收发电路（图 3-1） 。 与以往采用的光电隔离器相比，adum1201 速