开题报告-基于CANLIN总线的汽车车身网络设计.docx

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名： 学 号：24学 院：机械与动力工程学院专 业：车辆工程设计题目：基于CAN/LIN总线的汽车车身网络设计指导教师:负责人: 2017年 3 月 3 日毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据： 1.车载网络的产生传统的汽车中，各种电子电器设备之间用导线、插接件连接。从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制，到安全保证系统和仪表报警系统，从电源管理到舒适系统，每种功能的控制操作都集中在驾驶室中进行，各个系统都必须用导线和插接件连接到驾驶室的操控台。随着汽车动力驱动系统、舒适系统和信息娱乐系统内各种电子控制系统的不断增加，这些连接所需要的导线和插接件随之急剧增加，使得整个汽车内部的布线复杂、凌乱，线束粗大，安装困难；占用车内空间大，影响整体布局的优化；故障率随之增加，降低了汽车的可靠性；线束布置复杂，可维护性变差；大量的铜材消耗增加了汽车的成本；增加了整车的质量，影响经济性能的提高。总线技术协议在车辆上的应用很好的解决了点对点式网络通讯带来的弊端，使车辆整车信号全部由总线发送，节省了大量的线束使用，提高了车载信息的共享。 2.车载网络的发展 SAE车载网络分类网络分类位传输速率应用范围主流协议A类20 kb/s刮水器、后视镜以及其他智能传感器LIN、TPP/AB类20-125kb/s车灯、车窗等信号多实性低单元低速CANC类0.125-25Mb/s发动机、ABS等实时性要求较高的控制单元FlexRay、TPP/C、高速CAND类25-150Mb/s导航、多媒体系统IDB-1394、MOSTE类10Mb/s气囊等面向成员的被动安全系统Byteflight自20世纪80年代初，日本丰田公司率先在汽车上使用光缆连接的车门控制系统，采用集中控制方式实现了多个节点的连接通信以来，车载网络技术开始形成和发展，走向成熟并且得到逐步的推广应用，显示出特有的优势和强大的生命力，目前各类车载网络标准已有40余种。20世纪90年代中期，美国汽车工程师协会根据位传输速率和应用范围将车载网络分为A、B、C三类。近年来，随着导航、多媒体、安全系统在汽车上的应用对网络的可靠性和带宽提出了更高的要求，又发展了D、E类网络。我国本土整车制造商还没有完全掌握车载网络总线技术，也没有整套的网络总线标准，网络总线开发流程自底向上开发设计的较多，在多数情况下是迫于成本的压力，使用供应商现有的产品，由于这些现有产品是供应商按照各自的开发标准开发的，各网络节点产品之间未能相互通信，因此，必须根据实际需求，重新制定网络协议，让供应商调整网络节点产品的标准，网络总线的开发多数是针对某种车型，很少有平台化设计的思想，重复使用率低，开发成本高。现在的车身控制系统有分散式控制、集中式控制、分布式控制三种形式。现代车辆的电子功能越来越多，也就导致了大量的电子传感器、执行器等自动化元器件的使用，也可以说分布式的电子网络拓扑结构也将应用越来越多。早期车载网络结构的形式是一条串行总线取代控制系统间的点对点的连线，只需要在原来的每个控制单元上增加特定的硬件接口，并制定相应的信息发送与接收协议，就可以实现总线数据交换。然而为了进一步提高汽车的性能，信息交换的需求不断增长，信息交换的范围也越来越广，各电子设备对通信功能要求的区别也越来越大。因此，今年来的车载网络多采用较为复杂的网络结构。下面介绍CAN总线和LIN总线的发展历史、技术特点和应用情况。1） CAN总线20世纪80年代，德国Bosch和Inter公司联合研制并推广应用CAN总线。1991年，德国Bosch公司制定并发布了CAN技术规范（Version 2.0）。1991年，CAN总线最先在Benz S 系列轿车上实现。1993年11月ISO颁布了道路交通运输工具数字交换高速通信控制器局域网国际标准（ISO11898）。为CAN的标准化，规范化的推广铺平了道路。CAN总线为多主方式工作，事件驱动通信，采用非破坏总线仲裁技术。在报文标识符上，节点分为不同优先级访问媒体介质，只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一对多及全局广播等几种方式传送接受数据。每个报文8个有效字节，传输时间短，受干扰概率低，数据出错率极低。一般来说，CAN的拓扑结构为总线拓扑，通信介质为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。节点数主要取决于总线驱动电路，具有极高的灵活性，目前可达110个。CAN的直接通信距离最远可达10km，通信速率最高可达1Mb/s（此时通信最远距离最长40m）。CAN属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制系统的串行网络，传输速率可达20Kbps-1Mbps。由于采用了最新的技术和独特的设计，CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，得到了最为广泛的应用，从高速的网络到低价位的多路配线都可以使用CAN。在汽车的电子行业里，使用CAN连接发动机、自动变速器、ABS、防滑系统等实时性要求较高的控制单元，其传输速率达500kb/s。同时，可以将CAN安装在汽车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等，用以代替接线配置装置。在欧洲，BMW、Volvo、VW公司等都将CAN作为他们电子系统控制器网络化的手段。虽然CAN总线的实时性和可靠性较高，但是由于其成本相对较高，对于一些实时性要求不高的机电单元（车门、车窗等）则不需要过高的通信带宽，反而采用LIN总线。CAN总线和LIN总线均为串行通信网络。由于LIN对硬件要求较低与CAN总线形成一种高低搭配，可有效的降低以CAN为主的汽车网络成本。 2）LIN总线1999年，整车制造商Audi,BMW,DaimlweChrysler,Volvo,VW以及半导体生产商Motorola共同创建了LIN协会，其目的是为汽车网络系统提供一个开放的A类串行总线通信标准，允许在此基础上开放汽车低端网络系统，并且不需要使用者支付使用费用或版税。2003年9月，LIN协会发布了LIN协议（Version2.0），加入了一些新的特性，主要是标准化节点配置/诊断的支持，指定节点能力，描述文件。LIN总线采用单主多从，配置灵活的总线网络结构，主节点控制整个网络的通信，网络中不存在冲突，不需要仲裁，整个网络的配置信息只保护在主节点中，从节点可以自由接入或脱离网络而不会对网络中的其他节点产生任何影响，网络中的节点数不仅受标识符长度的限制，而且还受总线物理特性的限制。LIN网络在实际应用中挂接的节点数不多于12个。LIN单信道双向传输，最大距离不超过40米，最大波特率受EMI的限制最高达20kb/s，受网络传输的超时限制，最小为1kb/s。LIN信息帧中的数据长度可变，可选择为2,4,8个字节。由于通讯速率不是很高，网络中从节点可以利用主节点发出的同步场进行同步，因此，从节点内不需要石英或陶瓷振荡器。LIN的目标是为现有汽车网络提供辅助功能。因此，LIN总线是一种辅助的总线网络，使用最为普通的低成本硬件接口使LIN的成本只有CAN的一半，采用单主机结构又使其在软件和系统设计上也能更容易地兼容其它网络协议。在不需要CAN总线的带宽和多功能的场合，比如智能传感器、照明、座椅以及其他智能传感器等，它正逐渐发展为低成本的串行通信的行业标准。虽然LIN最初的设计目的是用于汽车电子控制系统，但在工业自动化传感器总线、大众消费电子产品中也有着广泛的应用市场。3.车载网络的国内外研究现状从21世纪开始到现在车载网络开始将车内的网络向外延伸，和整个国家的信息系统形成车际网络。目前美国、欧洲以及日本等发达国家正在完善汽车之外的交通、通讯等平台设施，将车际通讯和网络纳入了整个国家信息系统，统一进行平台建设。例如驾驶员信息系统、智能交通系统、公路自动收费系统、定位导航系统等，军事方面坦克、装甲车辆上的车际作战系统也开始应用。在中国，关于汽车网络的研究起步很晚，到上个世纪最后五年，才在学术期刊上出现了讨论这方面问题的专门文章，直到现在，关于汽车网络的研究仍然集中在科研院校，网络化的电子设备和整车几乎完全依靠引进。汽车ECU产品开发是一项系统功程，与机械设计、传感器、执行器、芯片、接插件、外壳等紧密相关。复杂的ECU开发需要做大量的试验，这些试验需要昂贵的设备支持、试验周期长、费用高。要覆盖这么多方面对任何一个中国汽车或配套厂商在资金、技术能力和管理能力上都是有一定困难的，尤其是在产品分工尚不明确、产业链尚未形成的中国，当代汽车行业进行ECU的开发无疑将面对很多问题。 4.研究目的本设计在这种背景下对CAN协议，LIN协议的应用进行研究，建立一个包含高速CAN网络，低速CAN网络，LIN网络的多层次的汽车基础网络平台。并且用一个CAN/LIN混合网关，来实现汽车网络中高速CAN总线、低速CAN总线及LIN总线这三类网络之间的通信，使汽车中的各类网络的信息能够有效共享，实现不同性质网络的互联。参考文献1 李勇 李鹏伟 苟丹丹.汽车单片机与车载网络技术J.电子工业出版社，2011（8）：156-1572 张勇，陆勇.CAN总线在车身低速电器中的应用J.重庆理工大学学报，2010（6）：5-83 周泉. 车载网络的发展动向J.汽车电器，2004（1）：56-594 罗峰，苏剑，袁大宏.汽车网络与总线标准J.汽车工程.2003,25(4):372-3765 刘 坚，牛胜福，王 练，等.车载网络与信息系统技术与发展 J.上海汽车，200（4）:31-326 BOSCH. CAN Specification,Version 2.0,19917 饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2003:20-1708 RobertBoschGmbH.CANSpecificationVersion2.0AS.Stuttgart,Germany:Robert Bosch GmbH,19919 RobertBoschGmbH.CANSpecificationVersion2.0BS.Stuttgart,Germany:Robert Bosch GmbH,199110 LIN Consortium.LIN SpecificationVersion2.1S.Germany:LINConsortium,2003 毕 业 设 计 开 题 报 告设计方案：1.课题具体内容 1）研究本课题的背景，分析国内汽车产业的发展形势；总结汽车电子网络的发展现状和发展趋势，介绍国内的汽车通讯网络的现状及趋势。 2）详细的阐述CAN/LIN总线的理论和技术，介绍CAN/LIN总线在物理层和数据链路层的协议要求、通讯方式、波特率和所应用范围。 3）对车身的通讯网络进行拓扑结构设计，设计三个速度不同的网络：高速CAN网络(速度最高，主要用于牵引控制、ABS等系统、汽车安全气囊等)、低速CAN网络(速度次之，主要用于车辆信息中心、故障诊断、仪表显示等系统)、LIN网络(速度最低，主要用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等)。 4）设计一个CAN/LIN混合网关，用来实现汽车网络中高速CAN总线、低速CAN总线及LIN总线这三类网络之间的通信，使汽车中的各类网络的信息能够有效共享，实现不同性质网络的互联。2.方法以及需要解决的问题 本次设计中共三个网络：高速CAN网络、低速CAN网络和LIN网络，根据SAE对汽车网络的划分标准，高速CAN属于面向高速、实时闭环控制的C类网络，在此次设计中模拟两个节点：发动机控制节点和发动机状态显示节点；低速CAN属于面向独立模块间数据共享的B类网络，本次设计模拟了两个节点：控制台节点和报警显示节点；LIN网络属于面向传感器/执行器控制的A类网络，此次也设计了两个节点：车灯节点和车门节点。实际应用中，不同的网络需要进行信息的的交互，因此需要有网关来实现网络的通信，该网关包含两个子网关，高速CAN/低速CAN网关和低速CAN/LIN网关，分别用来实现高速CAN/低速CAN网络的通信和低速CAN/LIN网络的通信。 此次设计中，网关需要连接三个网络：高速CAN、低速CAN、LIN网络，所以网关至少需要三个接口电路，同时需要一个高性能芯片来处理三个网络的数据，实现数据的存储、转发和协议转换。网关要包括两个双向子网关：高速CAN/低速CAN网关（实现高速CAN网络和低速CAN网络的通信），低速CAN/LIN网关的通信（低速CAN网络和LIN网络的通信）。当源网络向目的网络发送数据时，通过源网络对应的接口电路接收数据，并将其存入到主控制器中，然后在合适的时候，由目的网络对应的接口电路将数据发送到目的网络。也就是说，数据并不是由源网络接口电路直接发送到目的网络接口电路，而是在主控制区中暂时缓存，在合适的时候，再由目的网络接口电路从主控制器中将数据读取出来，发送到目的网络。网关的硬件电路主要部分为：主控制器，本文采用AT91SAM7A3;高速CAN节点模块，主要器件为高速CAN收发器CTM1050;低速CAN节点模块，主要器件为低速CAN收发器CT