（交通信息工程及控制专业论文）基于CAN总线的OBD系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着现代汽车技术的发展和政府部门对环境保护工作的日益重视，要实现对汽车性 能的提升及对汽车尾气排放更精确的控制必须研究汽车故障自动诊断技术。另一方面， 现代汽车中车内信号的传输载体也从传统线束转变为适应车辆通信环境的现场总线上 来。汽车电子设备所占汽车成本的比例逐年升高，汽车电子技术发展的已成为汽车产业 发展的趋势和推动力。但我国在汽车故障诊断和汽车总线通信的发展均落后于世界平均 水平，缺少拥有自主知识产权的设备与技术，特别是在发动机电控领域所属的故障诊断 系统开发方面，由于其开发技术难度大，国内产品几乎全部被国外跨国企业垄断，产品 价格决定权完全掌握在国外企业手中。本文针对这种状况提出了解决问题的一个着眼 点。至2 0 0 9 年7 月1 日，我国所生产的乘用车必须全部加装车载故障诊断系统，因此 本论文所研究的问题有着很重要的现实意义与价值。 本文完成的工作主要有： ( 1 ) 根据当前国际汽车工业发展趋势及我国汽车工业发展现状，确定论文的研究方 向及具体实施方法。 ( 2 ) 以国家颁布的相关法规为标准，深入研究c a n 总线通信原理及网络协议规范， 在深入研究车辆故障诊断系统的基础上完成网络协议的配置。 ( 3 ) 研究了汽车排放相关故障诊断系统的诊断原理及策略。 ( 4 ) 研究了汽车故障信息的存储、传输及故障指示灯的控制。 ( 5 ) 对所设计的系统进行调试，利用e c u 和p c 机诊断界面进行了实物验证。 ( 6 ) 最后对整个系统开发进行了总结，并提出可行的改进和完善意见，并对本课题 的后续发展和前景做出可行性分析。 本文在车用总线的协议研究及车辆故障信息诊断系统的研究上做了较为细致的研 究，证明了在上述方面通过自主研发打破国外企业技术垄断可行性，完全自主的制定了 汽车故障诊断系统的部分执行策略及按照国家相关法规实现总线通信。论文中所形成的 研究结果已通过可靠性测试并应用在实际产品中，对提升我国汽车电子产业的技术水平 做了有益的工作。 关键词：c a n 总线；o b d 系统；故障诊断信息；网络协议 人连交通人学t 学硕十学何论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ma u t o m o b i l et e c h n o l o g y ，a n dg o v e r n m e n td e p a r t m e n t s p a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d ya u t o m a t i cv e h i c l e t r o u b l ed i a g n o s i st e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h ep e r f o r m a n c ea n de x h a u s te m i s s i o no fm o t o r v e h i c l e sa c c u r a t e l y a tt h es a m et i m e ，t h ev e h i c l ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ka l s ob e c o m e sa m a i n s t r e a mi nt o d a y sa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c st e c h n o l o g y b u ti ti sw e e ki no u r c o u n t r y ，s ot h i s d i s s e r t a t i o nw i l ls o l v et h ep r o b l e m s o m er e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l eo fc a nb u st e c h n o l o g yw h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ea r e a o ft o d a y si n t e r n a t i o n a la u t o m o t i v ei n d u s t r yw a sd o n eb a s e do nt h el o c a la r e an e t w o r k i n a d d i t i o n s o m ew o r ko nt r o u b l ei n f o r m a t i o na n dt h ec o n t r o lo ft r o u b l ei n d i c a t o rw a sd o n e d i a g n o s t i cd a t at r a n s m i s s i o nb a s e d o nc a nb u sa n dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nv e h i c l ea n d t r o u b l ed i a g n o s t i cm a c h i n ew e r ea c h i e v e db ye x p e r i m e n tw h i c hp u s ht h ep r o c e s so ft h ed a t a c o m m u n i c a t i o n si nt h ef i e l do fa u t o m o b i l ee l e c t r o n i c sr e s e a r c h ( 1 ) a c c o r d i n gt oc u r r e n ti n t e r n a t i o n a lt r e n d si nt h ea u t oi n d u s t r ya n dt h ed e v e l o p m e n to f c h i n a sa u t o m o b i l ei n d u s t r y ，t h ed i r e c t i o na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so ft h i sd i s s e r t a t i o n w e r ee s t a b l i s h e d ( 2 ) o nt h eb a s i so ft h er e l e v a n tn a t i o n a ll a w sa n dr e g u l a t i o n s ，t h i sd i s s e r t a t i o nc o m p l e t e d t h e c o n f i g u r m i o nn e t w o r kp r o t o c o lb a s e do nr e s e a r c h i n gt h ep r i n c i p l eo fc a nb u s c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r kp r o t o c o ln o r m sa n dv e h i c l et r o u b l ed i a g n o s i ss y s t e m ( 3 ) t h ep r i n c i p l e sa n ds t r a t e g i e so ft r o u b l ed i a g n o s i ss y s t e ma b o u ta u t o m o b i l ee m i s s i o n s h a sb e e nr e s e a r c h e d ( 4 ) t os t u d yt h et r o u b l ei n f o r m a t i o na n dc o n t r o lo ft r o u b l ei n d i c a t o r ( 5 ) t h es y s t e mw a sd e b u g g e da n dv a l i d a t e db yu s i n gd i a g n o s t i ci n t e r f a c eo fp ca n d e c u ( 6 ) a tl a s t ，t os u m m a r i z et h ew h o l es y s t e md e v e l o p m e n tw o r k ，t h ep o s s i b l e i m p r o v e m e n t sa r eb r o u g h tf o r w a r d ，t h e ni nt h ef a c eo fs u b j e c tf u t u r ed e v e l o p m e n t ，t h e f e a s i b l ea n a l y s i si sg i v e n s o m er e s e a r c ho nc a nb u sd a t at r a n s m i s s i o na n di n f o r m a t i o nc o n t r o lh a sb e e n c o m p l e r e d ，t h i sd i s s e r t a t i o nw i l ls u p p l yac e r t a i nr e f e r e n c ef o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to ft h e d o m e s t i ca u t o m o t i v ee l e c t r o n i c si np a r t i c u l a rf o rt h ee n g i n et r o u b l ed i a g n o s i sa n dc a nb u s t e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：c a nb u s ；o b ds y s t e m ；t r o u b l ed i a g n o s t i ci n f o r m a t i o n ；n e t w o r kp r o t o c o l 1 1 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：彳名傅 日期：洲g 年i2 ，月2 1 a 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蓬銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。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及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蔓塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所( ( 中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：修博 日期：3 年iz 月矽日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名： 嘞万 日期：础年i 工月日 电话： 邮编： 第一章绪论 1 1 汽车电子产业的发展情况 第一章绪论 1 1 1 汽车电子产业的发展形势 经过一百多年的发展，汽车产品在机械结构方面已经非常完善，靠改变传统的机械 结构和有关结构参数来提高汽车的性能己临近极限。若想进一步提高汽车产品性能，则 必须通过引进电子信息技术，采用电子信息技术与机械技术相结合的方法，满足曰益增 强的安全、节能与净化要求和面对激烈的市场竞争。汽车电子产品的开发和应用，不仅 给汽车产业的发展壮大带来新的生机和活力，同时也带动了整个信息产业的发展。 未来1 3 年内汽车上装备的电子装置成本将占汽车整车成本的2 5 以上。一些豪华 轿车的汽车的电子产品甚至占整车成本的5 0 以上。据中国电子元件协会市场报告显 示，全球汽车电子市场将持续增长。未来5 年内，全球汽车电子市场年平均增长率预计 达到9 ，是在计算机、产业电子、数字家电、通信设备四大产业中惟一年平均增长率 7 5 的产业【。2 0 0 8 年市场销售额预计达到11 4 5 亿美元，到2 0 1 3 年市场规模预计达到 1 7 3 7 亿美元。汽车产品在我国的发展同样迅猛，根据国家统计部门的数据显示，2 0 0 7 年我国汽车电子产品产值达千亿人民币。预计2 0 11 年将达到1 8 4 亿美元。 1 1 2 我国汽车电子产业的发展状况 我国汽车电子产业起步较晚，在2 0 世纪9 0 年代以前几乎没有专业的汽车电子厂商。 随着我国汽车工业的发展及国家在政策上的支持与引导，汽车电子产业得到迅猛发展。 据中国电子信息产业发展研究院统计，我国目前汽车电子企业和涉及汽车电子生产的企 业已达1 0 0 0 多家h 。 但应该看到的是我国汽车电子企业中绝大部分企业规模偏小，产品结构单一且技术 含量低。目前我国大多数汽车电子企业生产的汽车电子产品为车载汽车电子装置，对提 升汽车自身的性能并无直接关系，属于汽车电子产业中技术含量和附加值较低，开发难 度小的汽车电子外围产品。而对于与提升汽车自身性能直接相关的汽车电子控制装置， 尤其是处于汽车电子产品核心地位的汽车电子发动机电子控制单元( e n g i n ec o n t r o l u n i t ，e c u ) ，市场份额和核心技术全部由国外跨国公司垄断。 有关专家在分析我国汽车电子产业状况时认为，目前我国汽车电子总体实力较弱。 汽车电子产品水平与国际先进水平相比大约落后1 0 年左右，而且科研与产业结合不紧 密，中国的汽车电子产业仍然处于产业链的末端1 3 j 。 火迩交通人学一i ：学硕十学位论文 要改善我国汽车电子产业的落后局面必须要突破技术壁垒，只有掌握核心技术才能 在市场竞争中握有主动权。因此本文研究的一个着眼点是e c u 中车载故障诊断( o n b o a r dd i a g n o s i s o b d ) 系统的研究。o b d 是集成在发动机管理系统中能够连续监测影响 废气排放部件工作状态的诊断系统，该系统可以连续监控污染物的排放水平，及时地显 示故障，其提供的故障相关信息便于故障的定位和修复。更重要的是，o b d 系统的使 用可以降低汽车尾气排放，对环境保护起到积极的推动作用，降低机动车污染物排放给 地球生态带来的消极影响。由此在o b d 系统发展过程中，主要推动部门从各个车辆生 产商转变为各国环保部门，并且装配o b d 系统从厂商行为转变为政府强制性标准。 o b d 的概念最早是由通用汽车( g m ) 于1 9 8 2 年提出的，一旦检测出排放控制系统故 障，o b d 系统会激活仪表板上的一个发动机故障检查指示灯以通知驾驶员，同时在e c u 内记录一个故障代码及故障发生时发动机的工作状态信息，这写信息数据可通过相应设 备获取以便于故障排除。 通常来讲，o b d 系统可分为美系标准和欧系标准，两套标准在检测策略上有所不 同，不能够简单的进行比较。但总体来说美国现行的o b d i i 标准要比现行的欧系o b d 标准( e o b d ) 更加严格。在我国，2 0 0 5 年4 月5 日，国家环保总局发布批准轻型汽车 污染物排放限值及测量方法( 中国i i i 、i v 阶段) ( g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 ，简称国l i d ) 标准) 为国家污染物排放标准。o b d 作为强制性要求首次出现在我国的法规标准中。 此项标准是通过修改采用欧盟( e u ) 对7 0 2 2 0 e e c 指令进行修订的9 8 6 9 e c 指令以及 随后截止至2 0 0 3 7 6 e c 的各项修订指令的有关技术内容产生的。因此我国的o b d 标准 基本上属于欧系o b d 标准。2 0 0 8 年6 月2 6 日，环境保护部办公厅发布关于国家机 动车排放标准第三阶段限值实施有关问题的通知中的第二条规定：从2 0 0 8 年7 月1 日起，所有在上海、南京、杭州、深圳市等城市以及机动车污染严重的城市销售和注册 登记的轻型柴油车必须符合国l i d ) 标准要求，其余地区轻型柴油车的销售和注册登记 可过渡一年。也就是说最迟至2 0 0 9 年7 月1 日，国内销售的轻型柴油车必须装配o b d 系统，但目前从国内的情况看，除了与国外合资的车辆生产商外，国内车辆生产商有能 力进行o b d 系统研发的企业并不多见。因此关于o b d 系统的研究开发可谓迫在眉睫。 o b d 系统根据侧重点的不同可分为多种组成方式。如按执行任务可分为故障诊断 和故障指示部分，可分为车内存储和车外通信，按故障诊断策略可分为底层故障检测和 应用层故障检测，按检测器件不同可分为传感器检测和执行器检测等。o b d 系统的故 障检测策略，尤其是执行器检测策略的制定需要有扎实的发动机领域知识，因此本文的 注意力集中在o b d 系统中故障数据的采集及车辆与外部设备的数据传输上。 2 第一章绪论 1 2 通信技术在汽车产品上的应用 由于汽车电控技术的引入，车辆中负责车辆控制状态的各电子控制单元需要实时获 得车辆运行参数，根据所得参数对车辆状况进行调整并将控制命令下达致各执行器；与 此同时，车辆中各控制模块间也需要信息的交换。因此通信技术得以在车辆上大量应用。 由于车辆运行环境的特殊性，车辆数据的传输媒介和数据传输方式需通过特有的通信形 式实现。由此本文的另一个着眼点是研究车辆总线通信的研究。 从布线角度分析，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。据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中， 其导线长度可达2 0 0 0 米，电气节点达15 0 0 个，而且，根据统计，该数字大约每十年增 长l 倍，从而加剧了粗大的线束与汽车有限的可用空间之间的矛盾。无论从材料成本还 是工作效率看，传统布线方法都将不能适应汽车的发展。 汽车总线传输必须确保以下几点：传输信息的安全；信号的逻辑“1 ”明显区别于 逻辑“o ”；异步总线随机地传送数据；根据预先确定的优先权进行总线访问；竞争解 决后获胜站点能够访问总线且继续传输信息；具有根据信息内容解决总线访问竞争的能 力；总线的功能寻址和点到点寻址能力；节点在尽量小的时间内成功访问总线；最优化 的传输速率( 波特率) ；节点的故障诊断能力；总线具有一定的可扩充性等等。 按照我国汽车电子技术发展规划，进入2 1 世纪后轿车电子技术可达国外9 0 年代水 平，为了缩短同国外轿车技术水平的差距，提高自身的竞争力，单纯靠技术引进不利于 发展，消化、吸收、研究和开发自己的汽车总线与网络应用系统势在必行。目前我国的 汽车总线研究和应用尚处起步阶段，而且汽车总线的应用趋势明显，现在介入该研究正 是大好时机。 由于我国的车型以欧美车型为主，且欧美车型又以控制局域网( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ，c a n ) 总线为主流，目自仃国内使用总线技术的车型几乎全部使用c a n 总线， 因此汽车总线的研发应该结合国内外实际情况选用c a n 总线。 c a n 总线是德国b o s c h 公司在2 0 世纪8 0 年代初，为了解决现代汽车中众多的控 制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议。它的短帧数据结构、非 破坏性总线性仲裁技术以及灵活的通讯方式适应了汽车的实时性和可靠性要求。 汽车c a n 总线的技术背景来源于工业现场总线和计算机局域网这样非常成熟的技 术，因此具有很高的可靠性，抗干扰性。 人连交通人学i ：学硕十学佗论文 1 3 本文主要研究内容 1 3 1 论文研究领域目前状况 在汽车网络通信领域，我国的起步较晚，但发展较快。在“十五”期问，国家8 6 3 计 划电动汽车重大专项中设立了网络、总线、通讯协议的前期研究，对汽车网络迸行 研究，使研究工作有较高起剧4 1 。 在发动机电控领域，近年来涉及车辆故障诊断的研究论文逐年增多，但研究方向多 集中于发动机诊断策略的制定或通信模块的硬件设计，对于o b d 系统信息存储策略未 见有相关研究文献。 1 3 2 本文的研究内容 本文研究的内容有二个方面：一是对o b d 系统的研究，尤其是o b d 系统诊断信息 存储策略的制定及实施；二是在o b d 系统研究的基础上实现基于c a n 总线的车辆与外 部故障诊断设备的通信。 本章小结 本章简要介绍了汽车电子产业的发展情况及我国汽车电子研发水平，对o b d 系统 及c a n 总线做了简要说明，并指出了o b d 系统研究的紧迫性和重要性。之后对研究课 题的意义及方向做了说明。 4 第二章c a n 总线协议研究 第二章c a n 总线协议研究 2 1c a n 总线的概念及网络分层 c a n 总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，c a n 被设计作为汽车环境 中的微控制器通讯，在各车载电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网 络。德国r o b e r tb o s c h 公司于1 9 8 6 年2 月在美国机动车工程师学会( s o c i e t yo f a u t o m o t i v e e n g i n e e r s ，s a e ) 大会上首次对外发布。此后，1 9 9 3 年11 月国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ，i s o ) 正式颁布了道路交通运载工具一数字交换一高速 通信控制器局域网( c a n ) 国际标准( i s o1 1 8 9 8 ) 协议，从此c a n 总线作为国际标准在 各种应用中被迅速推广开来。 c a n 总线的网络系统结构遵照i s o 提出的“开放系统互联”( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ，o s i ) 的参考模型进行架构，如表2 1 所示。 表2 1o s i 模型 t a b l e2 1o s im o d e l 7 应用层最高层。用户、软件、网络终端等之间用米进行信息交换 6表示层将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式 5 会话层依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递 4传输层两通讯肖点之间数据传输控制。操作如：数据重发，数据错误修复 3 网络层规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议 2 数据链路层规定了在介质上传输的数据位的排列和组织 1物理层规定通讯介质的物理特性 由于o s i 七层参考模型中并非每一层都是必须的，并且某些网络层的功能若不明 显，其实现的功能可归入其他层。因此根据实际应用情况i s o 规定，面向排放相关系统 的c a n 总线通信的网络层次划分为四层，分别为：物理层、数据链路层、网络层和应 用层。其中物理层、数据链路层可归为网络底层，不具体面向哪一种应用，仅负责创建 网络通信连接的链路。网络层和应用层可归为协议高层，面向具体任务，负责端到端的 数据通信。本文按照国i i i ) ) 标准中的相关规定对各层协议进行说明p j ，基于c a n 总 线的网络各层所应用的协议如表1 2 所示。表1 2 除列出法定的o b d 网络各层所使用的 通信协议外，也列出了目前被世界各知名车辆生产商广泛应用，但非法定的通信协议。 由于本文中研究的协议高层均是面向o b d 系统的，因此网络层和应用层将在本文第三 章对o b d 系统进行具体研究后给予说明。 火连交通火学l ：学硕十学位论文 表2 2o s i 各层上使用的增强型和法定的o b d 诊断协议 t a b l e2 2e n h a n c e da n dl e g i s l a t e do b dd i a g n o s t i cs p e c i f i c a t i o na p p l i c a b l et ot h eo s il a y e r s o s ! 各层车辆生产商使刚的诊断协议法定o b d 诊断协议 应削层i s o1 5 7 6 5 3 i s o1 5 0 3 1 5 表示层 会话层 传输层 网络层 i s o1 5 7 6 5 2i s o1 5 7 6 5 4 数据链路层 i s o1 1 9 8 9 1 i s o1 5 7 6 5 4 物理层 l s o1 18 9 8 1i s o1 5 7 6 5 4 2 2c a n 线物理层 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 定义了所有电子及物理设备的规范，其作用是在物理传输媒 体上传输各种数据的比特流，而不管数据的类型和结构如何。在法定o b d 诊断协议中， 这一层应遵循道路车辆一基于控制器局域网的诊断一第4 部分：排放相关系统要求( i s o 1 5 7 6 5 4 ) 协议的规定【6 】，而i s o1 5 7 6 5 4 协议中关于物理层的规定就是对i s o1 1 8 9 8 的 协议【7 】的一些参数做出具体规定形成的。这一层规定了在机械、电气、功能、规程等特 征，在这一层，数据的单位称为比特( b i t ) 。具体来说，电气特性规定了物理连接上传输 比特流时线路上信号电平的大小、阻抗匹配、传输速率距离限制等；功能特性是指对各 个信号先分配确切的信号含义，即定义了数据终端设备和数据通信设备之问各个线路的 功能；规程特性定义了利用信号线进行比特流传输的一组操作规程，是指在物理连接的 建立、维护、交换信息时，数据终端设备和数据通信设备双方在各电路上的动作系列。 此外，主要考虑的问题还有：传输速率、信道容量、传输媒体、调制解调、交换技术、 网络拓扑、多路复用技术等。 就c a n 总线而言，网络的传输速度最快可达1 m b i t s ，在不同的c a n 网络中，速 度可以不同，但在一定的系统中，位速率是唯一的；传输媒体可为双绞线、光纤等，最 常用的是双绞线，c a n 网络的传速距离在不加中继的情况下可以长达1 0 千米( 传输速 率5 0 0 b i t s ) ；c a n 网络中的报文采用单极型“不归零”方法编码，分组交换技术和总线 型网络拓扑。 信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“c a n h ”和“c a n l ”，静态时均 是2 5 v 左右，此时状态表示为逻辑“1 ”，也可以叫做“隐性”。用c a n h 比c a n l 6 第二章c a n 总线协议研究 高表示逻辑“0 ”，称为“显性”，此时，通常电压值为：c a n h = 3 5 v 和c a n l = 1 5 v 。 如图2 1 所示。 2 3c a n 线数据链路层 图2 1c a n 的数据位定义 f i g 2 1d e f i n i t i o no fc a n d a t ab i t 2 3 1 数据链路层定义 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 是在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之 间的数据链路，通过差错控制提供数据帧( d a t af r a m e ) 在信道上无差错的传输，并进行各 电路上的动作系列，即通过一系列的数据链路层协议，在不可靠的物理链路上实现可靠 的数据传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、 重发等。这一层同样应遵循i s o1 5 7 6 5 4 协议的规定，而i s o1 5 7 6 5 4 协议中关于物理 层的规定就是对i s o11 8 9 8 协议1 8 】的一些参数做出具体规定形成的。在这一层，数据的 单位称为帧。 数据链路层包含以下两个子层：介质访问控制子层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 和逻辑链路控制子层( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，l l c ) 。c a n 的i s o o s i 参考模型的层结构 如图2 2 所示。 2 3 2 介质访问控制子层 m a c 子层是c a n 协议的核心。它把接收到的报文提供给l l c 子层，并接收来自 l l c 子层的报文。m a c 子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 子层 7 人连交通人学l ：学硕十学何论文 数据链路层 l l c 接收滤波 超载通知 恢复管理 m a c 数据封装拆装 帧编码 ( 填充解除填充) 媒体访问管理 错误检测 出错标定 应答 串行化角犁除串行化 物理层 p l s 位编码解码 位定时 i 司步 p m a 驱动器接收器特性 m d i 连接器 监控器 图2 2 c a n 的分层结构 f i g 2 2c a nh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e 也受一个名为“故障界定”( f a u l tc o n f i n e m e n t ) 的管理实体监管。此故障界定为自检机制， 以便把永久故障和短时扰动区别开来1 9 j ，以下将逐一说明。 在c a n 协议中有2 种不同的帧格式，区别为标识符域的长度不同：含有11 位标识 符的帧称为标准帧，含有2 9 位标识符的帧称为扩展帧。c a n 的帧类型分为四种，分别 是数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。对于c a n 帧的控制又有帧间空间、挂起传送、 错误检测3 类。 ( 1 ) 数据帧 数据帧自一个发送节点携带数据至一个或多个接收节点，数据帧结构如图2 3 所示。数据帧由七种不同的位域组成：帧起始；仲裁域；控制域；数据域；循环冗 余码( c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e ，c r c ) 域；应答域；帧结尾。 8 第一章c a n 总线协议研究 应答域帧结尾 图2 3 数据帧结构 f i g 2 3d a t af r a m es t r u c t u r e 图2 3 中每部分的含义如下： 帧起始( s t a r to f f r a m e ，s o f ) 表示一个数据帧或远程帧的开始，仅由一个“显性”位 组成。只有在总线空闲的时候才允许节点发送开始信号，该位与接收状态下的c a n 控 制器的硬同步。 在标准格式中，仲裁域由1l 位标识符和远程发送请求位( r e m o t et r a n s m i s s i o n r e q u e s tb i t ，r t r ) 位组成。1 1 位标识符相当于扩展格式的基本i d ，标识符按i d 一2 8 到 i d 1 8 的顺序发送组成。7 个最高位( i d 2 8 i d 2 2 ) 必须不能全是“隐性”位。标准格式 中的仲裁域如图2 4 所示。 1 门饿坝r一 1 1 i j 了一：；- r1姒7 1 c 1 嗍 s ri 保 o 1 1 位标识符 td留d l c f re位 图2 4 数据帧标准格式中的仲裁结构 f i g 2 4a r b i t r a t i o nc o n f i g u r a t i o no fd a t af r a m es t a n d a r df o r m a t 在扩展格式中，仲裁域由2 9 位标识符、替代远程请求位( s u b s t i t u t er e m o t er e q u e s t b i t ，s s r 位) 、标识符扩展位( i d e n t i f i e re x t e n s i o nb i t ，i d e 位) 、远程发送请求位( r e m o t e t r a n s m i s s i o nr e q u e s tb i t ，r t r 位) 组成。标识符包括1 1 位基本i d 和1 8 位扩展i d 。在 扩展帧里首先发送基本i d ，随后是i d e 位和s r r 位，扩展i d 和r t r 位。标准格式中 的仲裁域如图2 5 所示。 9 人连交通人学i ：学硕十学位论文 1 i l 。僦懒71 工r p u 懒71 姒j ssi r保保 o 1l 位标识符 rd 1 8 位标识符 t留 日口 田 d l c fre r 位位 图2 5 数据帧扩展格式中的仲裁域结构 f i g 2 5a r b i t r a t i o nc o n f i g u r a t i o no fd m af r a m ee x t e n s i o nf o r m a t 域- i d e 位在标准格式中为“显性”位，在扩展格式中为“隐性”位。r t r 位在数据帧 罩必须位“显性 位，在远程帧里为“隐性”位。s r r 为“隐性”位。 c a n 采用带有冲突检测的载波侦听多路访问机制实现总线访问。当总线上有两个 节点同时进行发送时，通过“非破坏性逐位仲裁”方法使有最高优先权的报文优先发送。 总线按照“线与”机制对总线上潜在的冲突进行仲裁，“显性”电平覆盖“隐性”电平。 因此c a n 总线状态取决于二进制数“0 ”而不是“1 ”，即标识符越小，则该报文拥有越高 的优先权【4 j 。 c a n 总线优先级的仲裁与以太网有很大的不同。以太网检测到冲突后，各节点均 先退出发送，经过各自产生的时间延迟后再重新发送。而c a n 总线这种按优先级判别 的方法，可以使优先级高的消息先发送。因此，标识符取值最小的节点能够占据总线。 需要注意的是，优先级别取决于发送消息中的标识符，而不是节点。标识符并不限定某 一特定节点接收该信息，因此c a n 网络支持点对点、一点对多点接收及广播几种通讯 方式【6 1 。 控制域由6 个位组成，标准格式中控制域包括4 位数据长度代码( d a t al e n g t hc o d e ， d l c ) 、i d e 位及保留位r o 。扩展格式中控制域包括数据长度代码和两个保留位r 1 和r o 。 扩展格式控制域结构图如图2 6 所示。 卜一 控制域 - l 一数据 l区 或c r c r 1r 0 d l c 3d l c 2 d l c ld l c o 区 保留位数据长度码 图2 6 扩展格式控制域结构 f i g 2 6c o n t r o lf i e l ds t r u c t u r eo f e x t e n d e df o r m a t 1 0 第二章c a n 总线协议研究 数据长度代码允许数据域中最大字节数目为8 ，表示形式如表2 3 所示。 表2 3 数据帧长度代码 t a b l e2 3d a mf r a m ed l c 数据k 度代码 数据字节的数目 d l c 3d l c 2d l c ld l c 0 od 1 jd d d ld dd r 2d d r 2 j d 3 d dr r 4 drdd 5drdr 6drrd 7drrr 8 rd d d 1 ) “显性”，代表逻辑“0 ”；2 j “隐性”代表逻辑“1 ” c r c 域由c r c 序列位及c r c 界定符组成。由循环冗余码求得的帧检查序列最适用 于位数低于1 2 7 位( b c h 码) 的帧。为进行c r c 计算，被除的多项式系数由无填充位流 给定，组成这些位流的成分是：帧起始、仲裁场、控制场、数据场( 假如有) ，而1 5 个最低位的系数是o 。将此多项式被下面的多项式发生器除( 其系数以2 为模) ： x1 5 + x 1 4 + x 1 0 + x8 + x7 + x4 + x 3 + 1 ( 2 1 ) 该多项式除法的余数即为发送到总线上的c r c 序列。c r c 序列之后是c r c 界定 符，它包含一个单独的“隐性位。其结构如图2 7 所示。 据 一 o i 、o 坝一一 ，- ，t 亍j 蠛 域 控制域 图2 7c r c 域结构 f i g 2 7c r cf i e l ds t r u c t u r e 人迮交通人i ：学硕十学化论文 应答域长度为2 个位，由应答间隙和应答界定符组成。在发送端这两位为“隐性” 位，在接收端正确接收到有效报文后，接收器就会在应答间隙期间向发送器发送一“显 性”位以示应答。因此，发送节点将一直监视总线信号以确保网络中至少一个节点正确 地收到了所发信息。应答分界位是应答域中第二个“隐性”位。由此可见，应答空隙两 边有两个“隐性”位，c r c 分界位及应答分界位。 帧结尾：每一个数据帧或远程帧通过7 个“隐性”位组成的标志序列指示该帧的结 束。 ( 2 ) 远程帧 总线单元通过发送远程帧请求具有同一标识符的数据帧。与数据帧格式相同，远程 帧也分为标准格式和扩展格式；与数据帧不同的是，远程帧的r t r 位为高且无数据域。 即远程帧由6 个域组成：帧起始、仲裁域、控制域、c r c 域、应答域、帧结尾。其结构 如图2 8 所示。 帧间 远程帧 仝l 刈 一 帧间 图2 8 远程帧结构 f i g 2 8r e m o t ef r a m es t r u c t u r e ( 3 ) 错误帧 错误帧用于指示总线上数据错误。总线上节点检测到总线错误发送错误帧。错误帧 由两个不同的域组成：第一个域反映来自控制器的错误标志，第二个域为错误界定符。 错误标志 有两种形式的错误标志：主动( a c t i v e ) 错误标志，由6 个连续“显性 位组成；被 动( p a s s i v i t y ) 错误标志，由6 个连续“隐性”组成，它可由其它c a n 控制器的“显性” 位改写。处于主动错误状态的c a n 节点检测到错误后，将发出主动错误标志，该错误 标志不满足位填充( 插入) 规则，或者破坏了应答域或帧结尾的固定格式。由此，所有 其它节点都将检测到错误状态，并发送错误标志。因此，这个“显性”位序列的形成就 是总线上各个节点发送不同的错误标志叠加后的结果。该序列的总长度最小为6 个位， 1 2 第二章c a n 总线协议研究 最大为1 2 个位。被动错误状态的c a n 控制器检测到错误后发出被动错误标志，并等待 该被动错误标志后的6 个连续的相同极性位。当检测到这6 个相同的位后，被动错误标 志结束。 错误界定符 错误界定符由8 个“隐性”位组成，它与过载界定符格式相同。当错误标志发生后， 每个c a n 节点监视总线，直至检测到一个“显性 位的跳变。此时表示所有的c a n 节 点已经完成了错误标志的发送，并开始发送8 个“隐性”位的分界符。之后网络上的主 动错误节点便可同时开始发送其他数据。如果在数据帧或远地帧的发送过程中出现错 误，则当前的数据无效，并重新启动数据发送。为正确地结束错误标志，被动节点需要 总线空闲至少三个位周期( 如果在一个被动错误态接收控制器出现本地错误) 。 ( 4 ) 过载帧 过载帧用以在连续的两个数据帧( 或远程帧) 之间提供附加的延时。过载帧由两个 域组成，分别为过载标志及过载界定符。下述两种状态将导致超载帧发送：接收方在接 收一帧之前需要过多的时间处理当的的数据( 接收未准备好) ；在帧间空隙域检测到“显 性”位信号。 过载标志过载标志由6 个“隐性”位组成，其格式与错误标志相同。 过载界定符过载界定符由8 个“隐性”位组成：其格式与错误分界符相同。当 超载标志发出后，每个节点监视总线状态，直至检测到“隐性位的跳变。此 时，所有的节点均已完成超载标志的发送，并开始发8 个“隐性”位串。帧间 空隙数据帧及远程与其前面一帧信息之间的空隙是帧间空隙，它由帧间空隙域 及总线空闲状态组成。 ( 5 ) 帧间空间 数据帧( 或远程帧) 与其前面帧的隔离是通过帧间空间实现的，需要说明的是，过 载帧与错误帧之前没有帧问空间，多个过载帧之间也不是由帧间空间隔离的。帧间空间 包括间歇和总线空闲位域。如果“错误被动”的节点已作为前一报文的发送器时，则其帧 空间除了间歇、总线空闲外，还包括称作挂起传送的位域。帧间空间结构如图2 8 所示。 间歇包括3 个“隐性”的位。间歇期间，所有的站均不允许传送数据帧或远程帧， 唯一要做的是标示一个过载条件。 总线空闲的( 时间) 长度是任意的。只要总线被认定为空闲，任何等待发送信息的 站就会访问总线。在发送其他信息期间，有报文被挂起，对于这样的报文，其传送起始 于间歇之后的第一个位。总线上检测到的“显性位可被解释为帧的起始。 人连交通人学i ：学硕十学位论文 _ _lh - 一 眇 - 一 ， 眇 i 刈2 t 2 i 廿j ，r 一 i 呗 图2 8 帧间空间结构 f i g 2 8i n t e rf r a m es p a c es t r u c t u r e ( 6 ) 挂起传送 “错误被动”的站发送报文后，站就在下一报文开始传送之前或总线空闲之前发出8 个“隐 性”的位跟随在间歇的后面。如果与此同时另一站开始发送报文( 由另一站引起) ，则 此站就作为这个报文的接收器。 如果直到帧结尾均没有错误，则此报文对于发送器有效。如果报文破损，则报文会 根据优先权自动重发。为了能够和其他信息竞争总线，重新传输必须在总线空闲时启动。 ( 7 ) 错误检测在c a n 总线中存在5 种错误类型，分别为： 错误位：处于发送状态的节点对总线的每一位进行监测，如果检测到发送位与 检测结果不一致，则报告出现位错误。但以