基于CAN-LIN总线的车身网络设计

I 基于 线的汽车车身网络设计 摘要 ： 随着汽车科技的进步，技术的发展，车载电气日益增多，单纯的使用 线已不能满足多网络需求，人们开始同时使用 线和 线一起作为车身控制网络。 本课题对已有的控制网络研究。了解其基本工作原理，结合已有知识提出了一种先进的车身控制网络，它不但有 络，而且还有 络。本课题拟定了混合 线和 议的汽车控制网络系统，完成的基本的 整 车网络设计方 案 使汽车中 网络传输实现了很大程度的提升，在满足节省成本的前提下，实现了不同性质网络资源 信息的传输和共享。 关键词 :车身网络；网关； of IN of on AN of to AN IN as on of a AN IN of AN IN of in be of 录 摘要 ： . I . 录 . 1 绪论 . 1 题研究背景和目的 . 1 车网络技术概述 . 1 车网络技术的分类 . 2 前国内外研究现状 . 2 文的主要研究内容 . 3 2 线技术 . 4 线技术 . 4 线的分层结构 . 4 特点 . 4 文传输协议 . 5 线技术 . 5 线特点 . 5 3 车身 络总体构成 . 7 体设计要求 . 7 体设计模型 . 7 4 车身 关设计 . 9 关硬件电路的方案设计 . 9 关控制器选型 . 9 关硬件电路设计 . 9 关软件 分析 . 10 监控程序 . 11 接收中断子程 . 12 据发送子程序 . 14 据处理 . 15 5 点设计 . 18 点总体功能 . 18 点硬件电路设计 . 18 点初始化 . 19 机节点总体功能 . 21 机节点电路设计 . 21 拟 机节点功能设计 . 21 参 考 文 献 . 24 致 谢 . 25 1 1 绪论 题研究背景和目的 总所周知，由于上世纪世界工业的快速发展，对自然自然消耗过多，各种排放物也加剧了环境的污染，到本世纪初，环境问题和能源问题已经成为了世界人民所要面对和解决核心问题，最近的 20年里汽车行业的发展最为迅速，要想做到保护环境，节省自然资源，汽车的燃油消耗和尾气排放已经成为了急需解决的问题，为此世界各国纷纷把眼光投向了新能源汽车的开发和研究，新能源汽车里面，最占优势的当属纯电动汽车，因为纯电动汽车的消耗的是电能，电能可以通 过核电场等产生，最重要的是几乎没排放，做到了真正意义上的“零”排放，这就更急刺激了世界各国的汽车企业对新能源汽车中纯电动汽车的研究和开发。 谈到电动汽车的研究和开发，主要有三大核心的研究和开发点，即电机控制系统的开发和研究、电池电源管理系统的开发和研究和整车电子控制系统的开发和研究。而本课题主要研究的是内容就是最后一个系统，整车电子控制系统的开发和研究，设计一个可靠、高效的纯电动汽车的整车电子控制系统。 现在汽车的电子设备繁多，电控单元多而复杂，人们常常采用单层总线网络布置或者点对点的网络布置来实现汽车功能 的实现。常见的车身网络技术包括如 总线 、 线 、 线 、 线 1、 线等。现在汽车上电子设备的要求越来越多，人们开始摆脱传统的车身网络协议，使用混合了 线和 线的网络车身技术，这样的设计更加有利于减少电控通信线路，减少了通信线路成本，并且更加方便地实现了汽车各个模块单元的数据互换和资源共享， 线和 线的混合车身网络中，纯电动汽车的整车网络控制中心是车身中央控 制网关。本文结合国内外纯电动汽车的发展现状，基于现在上述已有的整车车身控制技术，设计出 合网关的中央控制单元 。 车网络技术概述 汽车 上的各个电子设备对传输速度的要求不一样，有些电控单元对传输速 2 度要求高，有些电动单元对传输速度要求低，这就需要我们选择不同的传输总线结合网关来实现各个网络之间的实时的信号交流和信息传输，这样既能确保整车各个电控单元的正常工作，又能实现简化控制网络，各个节点之间的信号也可以不 断地传输来实现预期想达到的功能。 车网络技术的分类 随着 汽车行业的兴起，随之产生了许多的汽车网络技术，为此 美国汽车工程师协会 过对其分类（安装传输速度和实现功能分）为 A、 B、 A 类网络 的传输速度较小，一般是低于 10s， 它主要使用在执行器（如汽车的车窗、车门、车锁、雨刷器、车内照明灯）的位置，是用来辅助整车控制器主网络工作的辅助性网络。 B 类网络 的传输速度一般位于 10 125s， 属于汽车网络技术的中速网络，主要应用于汽车工作比较可靠部位的执行位置， 这些电控单位虽然对汽车的总线的传输速度要求不高，但是同样需要我们重视起来，如汽车的仪表板部位，汽车的前照灯位置，汽车的恒温控制器位置等。 C 类网络 的传输速度通常在 125s 1s， 属于汽车网络传输技术的高速网络，主要应用于汽车工作要求高的部位，如汽车发动机部位、汽车悬架部位、汽车安全气囊部位、汽车牵引控制部位等。 前国内外研究现状 首先我们谈一下国外汽车控制器的发展，西方发达国家由于汽车起步较早而且汽车技术先进， 总线 、 线 、 线 、 线、 方发达国家总线技术也处于世界的领先地位。世界上比较成熟的车身网络总线技术中，美国的最为典型，美国燃油汽车几乎每一辆汽车都是有了不同传输速度的总线技术，所以美国产的许多汽车的车身控制网络可以说是达到了总线布置的理想境界。通常 线因为成本较高，传输速度最佳经常使用在高端车身网络中，而 线由于其成本低，传输速度一般经常使用在低端车车身网络中，最近几年由于 术的进步，汽车行业的飞速发展，结合使用 3 至于国内 ,我们不得不承认，由于国 内汽车起步较晚，总线发展技术还不够先进，国产汽车使用 线和 线技术不是很多，只有上汽的帕萨特、北汽福田的嘉年华等合资车上使用了较为先进的 线技术，我国汽车行业的总线技术的提升空间很大，所以我国政府出台了很多的鼓励措施来促进总线技术的开发和研究。例如 2已经写入了国家科学院关于汽车发展科技研发的目录里。我国许多新兴的汽车企业如比亚迪、长城以及长安等汽车企业都在大力研发纯电动汽车总线技术。 综上所述，我们可以得出结论，汽车的 线协议和 线协议已经成为了未 来纯电动汽车控制网络的发展趋势，我们结合使用 线和 线与一身，把高速 线应用到对传输速度和精度要求高的地方，而把 样不但可以节省汽车制造生产成本，而且可以节省整车控制器的 工作负载，增强整车控制器核心处理器的工作效率等等优点，所以未来纯电动汽车不可避免地会混合使用 课题就是研究开发就是基于 线的混合网，这对未来纯电动汽车总线技术的进步意义重大。 文的主要研究内容 通过上述分析，我们 可以得出本文主要设计内容就是把成本较低的汽车串行通信总线 线 和已经成熟的广泛应用于汽车网络的 线相结合，设计出一款传输效率高，传输稳定并且实惠的车身网络的控制网关 ， 具体工作内容归纳为如下几点： 入学习和研究 线协议和 线协议。了解其优缺点，为设计混合 线和 线的车身网关打下基础。 线工作特性，结合 线的工作特性，设计同时具有 性，对两类总线进行设计 硬件 电路和进行开发 软件。 4 2 线技术 线技术 (译为中文意思是 控制器局部网。 上世纪末，随着汽车上汽车电器的不断增加，信号线的增加汽车布线越来越复杂，布线成本也急剧增加，汽车工程师们便开发了一种的汽车总线， 车总线由此而诞生。 1976年汽车企业的老大哥 德国 司 终于研究开发出来了可以代替复杂的信号线数据交换和传输的 且 开始投入汽车使用，在后来的几十年的发展和完善中 ,线技术已经被国际所标准化和规范化，总线技术已经开始迈步走向全世界。 线的分层结构 要想研究 们首先对其结构进行分类如下： 理层 主要功能 是 确保信号（节点到节点）的 位信号的传输方式 不会出错，包括 信号电平、传输介质 以及 位表达方式。 辑链路控制层 的功能是确保远程数据请求和传输不会出错，确保传输信号的 报文验收滤波界定 等工作。 质访问控制层 的功能是确保报文的起始，总线的应答，故障的鉴定等等。 特点 线技术是上世纪末由德国的博士公司提出为了解决汽车网络通讯问题的。上世纪末将 5进行国际标准化之后。 便、传输功能稳定以及传输效率高等优点，它的使用范围不再局限与汽车行业，在医疗行业、农业以及各个大的设计机械方面的行业都使用到了 总线技术。它是现在世界上唯一通过国际标准的总线技术，总结它的特点由以下几点： 线技术实现了多节点的同时传输，不分主次，可以在任意时刻实现任意传输，（当出现传输信息的冲突时，优先级高的节点优先传输）。 线技术的节点根据功能需求设定了不同的优先级别，实现了不同功能功能对传输的实时需求。 3 能特性。 4 在传输距离不长时（一般以 40m 为限定），转速速度很高，一般稳定的传输速度都是 1Mb/s。 5 文 使用的短帧的有效节数多，并且具有 验 检错功能。一般传输快，抗干扰能力强，所以出错率低，如果出错，节点会自动关闭，终止错误。 文传输协议 一般地， 逻辑值 包括 0和 17。 0表示现性 ( 1表示隐性( 文类型 有 据帧 )、 程帧 )、 误帧 )和 载帧 )。 报文从一个节点到另一个节点 (或多个节点 )。下图 2图 2展数据帧结构 线技术 (译为中文叫 局域互联网 。 属于 串行通 讯 网络 ， 由于它的成本低，传输效率高常在汽车 控制系统 与 线 结合使用 。 线特点 要集成了 开关、传感器和执行器等 ， 所以它的工作不需要 专门的控制器，用于对 实时性，安全性和通信 传输要求不是特别 6 高的地方，因为 线的成本较高，所以在汽车上经常充当 辅助通讯网络，这样结合使用 低了组网的成本，而且缓解了 线的传输负担，总结 1 用的是复合通信，复合了一个主机，多个从属机的结构，所以不需要总线来仲裁。 采用单线连接，讯息简单，并且每个节点只有一个接发信号器，不需要另外添加控制器。 少组网的成本和难度。 文传输协议 因为 以他们要通过 文研究的车身网络是的混合网关（ 线为主， 体机构示意图 2示。 图 2有 层的 络的 基本结构 7 3 车身 络总体构成 身 体设计要求 本文所设计的基于混合 身网络系统以 关为核心，主要实现的功能是接受和转发不同网 络节点之间的报文数据，具体包括两类： 点与低速 点与 基于混合 身网关的设计通过满足上述功能方可实现汽车上不同网络直接的数据传输和资源共享，实现最佳最优的车身网络控制。 身 体设计模型 图 3关系统模型 8 因为 1 内部集成 2 路 制器和 机控制器的优点，以 关为中央控制单元、与驱动电机控制单元、液晶显示单元、服务设施控制单元和电池管理单元一同构成车身控制网络。网络上各节点通过 关进行报文转换和发送，实现网络数据共享。 本文中，系统为了实现不同网络之间的通信，分别设计了高、低 络节点和 点来模拟实现电动汽车节点功能，具体为： A、高速 动机控制节点发出控制命令 发出 ，并将该控制信息通过高速 络发送至电动机状态显示节点。 B、 中央控制器发出控制命令到 关， 将命令发至 一步实现对车门控制。 C、 门 通过 主机节点控制信号判断是开启还是上锁 。 9 4 车身 关设计 上一章我们对车身 络总体构成作了设计，本章我们将围绕总体设计进行具体的硬件设计和软件开发。 关硬件电路的方案设计 关控制器选型 关控制器 9是车身网络系统的核心。在整车网络平台中起着至关重要的作用，如果把汽车网络比作一个城市 的交通，那么 关控制器就相当于城市中心街道的红绿灯， 关控制器性能的好与坏直接影响着整车网络传输的性能，间接影响到汽车的整体的动力性能和舒适性能等等。 当今世界，汽车的发动机设计、地盘设计以及车身设计已经趋于平稳，那么看一个汽车的高端与否首先看的是它的电器设备，一般情况下，一个汽车的电器设备越多越高端，这个汽车的售价和性能就会越好。而保证整车电器设备正常而且高效工作的前提就是车身网络系统的先进性和所选网关控制器处理能力的高效性。老款汽车使用的网关控制器大多都是使用的 32 位的 85个单片机由于功能稳定，结构简单使用较广泛，现在生产的新款汽车流行使用的网关控制器是 处理器 。 处理器 10的成本稍微略高于 85是它的工作性能更加稳定，功耗低，所以总的来说性价比更高。 关硬件电路设计 通过上述对网关设计分析，可以得出 关硬件电路设计 以 1为网关控制器时，需要 主控制器 电路设计 、高速 点接口 设计 、低速 计 和 点接口电路 设计的工作，设计出原理示意图如下图 4。 网关的硬件电路主要构成为： 1 为主控制器， 用于网关监控 ； 高速 口模块， 高速 发器； 低速 口模块， 低速 发器； 双路 点模块， 发器。 10 图 4关硬件原理图 特别地，整车网络 线路 的 高速 以及低速 电平 （ 显性 和 隐性 ） 表现值不会一致， 如图 4示。 a)高速 平 b)容错 平 图 4、容 电平 一种单线串行的通信协议 。在本文 的 1 自带 2 路 机控制器，在软件编程上更为高效。利用 1 的双路 控制器和 发器 2 个 关软件 分析 本节设计的各 个网关之间的报文转发，以及各个网关之间的报文过滤。所 11 以初步拟定 关软件设计所需要的过程：首先是信号通过源网络节点，报文传输到中央 1213，滤波之后的数据保存在主控制器。主控制器有一个数据缓冲区就是专门保存此类数据的，主监控程序此时开始工作，将暂时存放在数据缓冲区的数据通过输出接口，传输到目标网络的节点，根据此思路设计 4。 图 4网关缓冲区逻辑结构图 1 根据上述可知 ，混合 关的功用就是实现不同网段相互传输数据和资源共享，我们把 关划分为 高速 速 段 就是为了使传输数据和资源共享更为快速和方便。上述根据已经选择的整车控制器 1 我们进行相关软件程序的设计，首先我们先要了解 1的 包括四块缓冲容量区，管理机制采用 为了 避免 据溢出 我们对信息分配，分配后的信息分别放到四块缓冲区 ， 常 缓冲容 量大于 网关软件设计主要是为了满足网关控制器的正常可靠的数据转发和准确稳定的报文过滤，完整的网关软件设计从 初始化子程序 开始，进行 接收中断子程序 开发、 发送子程序 开发还有最重要的主 监控程序 开发等等。网关软件设计有初始化子程序 ， 它包括对 制器工作方式 设定 、 以及 允许寄存器 的中断等等 。 下面对网关软件设计的具体分别设计如下。 监控程序 主监控程序主要要实现检查 用程序实现传输数据等功能。通过检测 2 否有有效数据，如果有数据时，就调用 发送子程序 ， 实现传输功能 。 如图 4示 ； 图 4 网关主监控程序 主监控程序对 个缓冲区的不断检查，一旦发现有效数字时，就实现数据传输。 收中断子程 接收中断子程序 主要实现接收和中断包括高速 速 及 般地高速 速 13 因为高速 速 以一般设定高速 传输速度要求的精度和稳定性能要求最高，所以高速 中断级别是最高的，其次低速 以它的中断级别是最低的。高速 速 制器会调用中断子程序，发出中断传输指令，下面是低速 流程图为 4示。 图 4低速 受数据流程图 14 据发送子程序 数据发送子程序 主要的功能是发送数据，将网关数据缓冲区的数据进行 实时和稳定的传输，数据 发送子程序 分为 、 、 和 四块对应 过 低速 速 行实时精确的 报文发送 。 、 、 和 四块子程序的功能分别是如下： 传输 特指的是由高速 传输 特指的是由 低速 速 输 的数据）。 传输 特指的是由 低速 数据 ）。 传输 特指的是由 数据 ）。 数据发送子程序和主监控程序配合工作，首先是主监控程序同时进行检查四个缓冲区（ 一旦发现某个缓冲区有缓存数据的话，就开始调用预先输入设置好的发送子程序，挑 程序为代表作流程图如图 4主要实现高速 15 图 4高速 低速 送数据的流程图 据处理 上述介绍了 关接收和储存数据 的功能，本文所设计的 合 网关 要想实现完整的数据报文和滤波，当然还需要有处理数据的功能。 关 数据处理功能主要包括协议转换（针对不同网段的数据）、数据拆分、数据打包以及数据转发等相关功能。 1协议转换 上述可知， 关 需要在不同网段数据进行传输，在不同网段数据进行传输时，因为总线协议不同，会出现识别符失效和 帧 格式 错乱问题，这就需要我们把两种不同的总线的协议进行对接，例如 低速 络和 络 两种不同总线协议，首先我们先把 帧 行拆分，把低速 出来充当 标识符（专指 低 6位（这里的低 6位是数据场第一个字节低 6位）， 表 4制信号帧 。 16 控制信号帧表 1当 络向 络发送数据时，定义 据帧目标地址为 点，源地址为低速 关，第 1 个数据字节定义为 识符，其余字节定义为数据。 控制信号帧表 22. 冲区 本文中设定存储数据的时候，先后写入帧信息、标识符、 写入一个数组变量后 针 +1，并判断缓冲区储存空间是否已满。在读取数据时，也需要完成对 针的四次操作，每次 读完数据后清空该空间。缓冲区循环队列示意图如图 4示。 17 图 4缓冲区循环队列示意图 18 5 点设计 点总体功能 一般地整车电子控制网络分类如下： 本设计的 中央控制单元 就是 混合 关的 1，其中 关的结构又包括 高速 点和低速 点 ， 它的主要功能就是采集其他四个单元的数据传输到中央控制单元的网关，通过转化和处理之后，在通过 高速低速 然，单单有高速 口电路和低速 口电路是很难完成这些采集和传输功能的，往往和 点硬件电路设计 在本 课题 计中 : 点采用 主控制 器 ； 为 动器选用 82 图 5点连接原理图 19 本文设计的混合 关节点使用的单片机电路和控制器 电 脚连接到 ，片选端 低电平时， 89以访问 对其执行相应的 读/写操作。 别通过光电耦合器 6 动器的 部时钟采用独立晶振，其频率为 16 本文设计的混合 了 通信速率设置、总线负载电阻和网关转换 三个功能外其他基本的功能都相同，下图 5 理图。 图 5点硬件电路图 其中， 自由按键 （ 和 手动复位按键 （ 的设置， 可以满足操作人员的实时的检查和观察，操作人员可以实时进行中断发送和手动复位，使人机交互更为方便。 显示器 （ 8*为电路的检查和控制提供了更为方便直观的界面。 点初始化 一般情况下，在启动软件程序时，首先要进行程序的初始化，本文设计的是混合了高速 低速 关节点，所以它的初始化主要指的是对 控制器进行初始化 。 对 四步进行： 20 位，对 模式寄存器 ） 进行设定 (包括 定 )。 验收 码寄存器 )和 蔽寄存器 )。 寄存 的中断设计。 出控制寄存器 ， 对 总线时序寄存器 进行 波特率 设定。 综上所述，设计 5 初始化流程图图 10003 21 机节点总体功能 机节点电路设计 本文设计的 要满足两点功能：一是 接收主机节点 传输 控制信号 ， 二是对接受的控制信号做出 响应 。 本课题就是结合此需要设计的 机节点 ， 研究中把单片机 89机节点选择的控制器 ， 设计 机节点电路需要我们设计串行接口，这个串行接口需要和 中 们一起构成了 机节点 ， 所设计的电路图如图 5 图 5机节点电路图 拟 机节点功能设计 节我们从 机节点 车门控制 功能的模拟入手，用 数据场的第二字节前 4 位 代表 驾驶员车门、副驾驶 员 车门、 后排 左后门和 后排 右后门 四个车门，我们设定四个车门开启时四个车门的 发光二极管亮起来，用 1 来代表开门，反之车门关闭上锁时，发光二极管关闭，用 2 来代表关门。 我们把 机节点 车门控制 过程归纳为三步。 22 第一步，首先要对 机节点 程序进行初始化，初始化之后开始接收 报文帧头信息 。 第二步，选择然后进行信息识别和检测，设置 从机节点 要与 识符 （ 相同。 第三步，通过判断 则说明收到的 据帧 ； 若 则说明收到的 据 请求 帧 。 综上所述，把 门 从机 节点 工作过程作成流程图如 5示： 23 图 5门从机节点流