（光学工程专业论文）基于can总线的自卸汽车举升机构控制系统的研究与开发.pdf

摘要 自卸汽车在经济建设中发挥着重要的作用。自卸汽车凭借其高度的机动性和 自动卸货等优点，极大地缩短了作业时间，节省了大量的劳动力。在建筑工地、 工厂、矿山等处，随处可见自卸汽车的身影。自卸汽车举升机构是自卸汽车最重 要的组成部分之一，举升机构的工作性能和安全性直接关系到自卸汽车的性能与 价值。论文进行基于c a n 总线的自卸汽车举升机构控制系统的研究开发，以提 高自卸汽车举升机构的工作性能和自动化程度，降低举升机构操作的复杂性，加 强自卸汽车的安全防护，降低事故发生率。 论文首先对国内外自卸汽车及其举升机构的现状以及发展趋势进行了分析； 然后对比研究了目前几种流行的现场总线，c a n 总线完全可以满足本控制系统的 通信要求；接着，详细介绍了c a n 总线的通信协议规范、报文传输和帧结构等 c a n 总线原理。 论文对基于c a n 总线的自卸汽车举升机构控制系统进行了硬软件研究开发。 研究了控制系统的整体控制框架，进行了详细的模块化设计，包括g 通信模 块、传感器模块、a d s 模块、液晶显示模块和电源模块。提出了控制系统的抗干 扰措施。 最后，进行了举升机构控制系统c a n 总线实验，实验结果表明：本文研究 的控制系统可行；c a n 总线减少了控制系统的线束，提高了系统的可靠性和可扩 展性。 关键字：自卸汽车；举升机构；c a n 总线；控制系统 a b s t r a c t d u m p t r u c kp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n t d u m pt r u c k s ， w i t hi t sh i g hm o b i l i t ya n da u t o m a t i cu n l o a d i n ge t c ，g r e a t l ys h o r t e nw o r k i n gh o u r sa n d s a v eal o to fl a b o rf o r c e d u m pt r u c k sc a nb es e e ne v e r y w h e r ei nt h ec o n s t r u c t i o ns i t e f a c t o r i e s ，m i n e se t c d u m pt r u c kl i f t i n gm e c h a n i s mi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp a r to f t h ed u m pt r u c k t h ep e r f o r m a n c ea n dv a l u eo ft h ed u m pt r u c kd e p e n do nt h el i f t i n g m e c h a n i s m sw o r k i n gp e r f o r m a n c ea n ds e c u r i t yd i r e c t l y t h ep a p e rw i l lr e s e a r c h e sa n d e x p l o i t sak i n do fc o n t r o ls y s t e mo fd u m pt r u c kl i f t i n gm e c h a n i s mb a s e do nc a n b u s t oi m p r o v et h ew o r k i n gp e r f o r m a n c ea n d o ft h eo p e r a t i o no fl i f t i n gm e c h a n i s m ，t o a n dt or e d u c et h en u m b e ro fa c c i d e n t s a u t o m a t i o nd e g r e e ，t or e d u c et h ec o m p l e x i t y s t r e n g t h e nt h ed u m pt r u c ks a f e t yp r o t e c t i o n ， a tf i r s t ，t h ew r i t e ra n a l y s e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no f t h ed e v e l o p m e n to ft h ed u m p a n dt h ed e v e l o p m e n tn e n da th o m ea n da b r o a d ；a n dt h e n c o m p a r e ss e v e r a lp r e s e n t p o p u l a rf i e l db u s e s ，c a n - b u sc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ec o n t r o ls y s t e mo f c o m m u n i c a t i o n ；t h e n ，d e t a i l l yi n t r o d u c e st h ec a n b u sp r i n c i p l es u c ha sc a nb u s c o m m u n i c a t i o na g r e e m e n ts t a n d a r d ，m e s s a g et r a n s m i s s i o na n df r a m es t r u c t u r e i i lt h ep a p e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fd u m pt r u c kl i f t i n gm e c h a n i s mc o n t r o l s y s t e mb a s e do nc a n b u sa r er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t h ew r i t e rr e s e a r c h e st h e w h o l ec o n t r o ls y s t e mf r a m e w o r k ，a n dc a r r i e st h ed e t a i l e dm o d u l a rd e s i g n t h r o u g h ， i n c l u d i n gc a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，s e n s o rm o d u l e ，a d sm o d u l e ，l i q u i dc r y s t a l d i s p l a ym o d u l ea n dp o w e rs u p p l ym o d u l e a n t i d i s t u r b a n c em e a s u r e so ft h ec o n t f o i s y s t e ma l ep u tf o r w a r d a tl a s t ，t h ew r i t e re x p e r i m e n t so nt h ec o n t r o l s y s t e mo fl i f t i n gm e c h a n i s mo f c a n b u s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi nt h i s p a p e ri s f e a s i b l e ；c a n - b u sr e d u c e st h ew i r eh a r n e s so fc o n t r o ls y s t e m ，i m p r o v e st h er e l i a b i l i t v a n de x p a n s i b i l i t yo fs y s t e m k e y w o r d s ：d u m pt r u c k ；l i f t i n gm e c h a n i s m ；c a n b u s ；c o n t r o ls y s t e m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 自卸汽车发展现状及发展动态 自卸汽车通过连接在变速箱上的取力器，将动力传送到油泵，在液压缸中注 入高压油液将车厢抬起一定角度，自动将货物卸下l l l 。在土木工程中，自卸汽车 一般和挖掘机、装载机、带式输送机等工程机械联合作业，构成装、运、卸生产 线，进行土方、沙石、散料的装卸运输工作。在整个国民经济的发展过程中，自 卸汽车发挥着重要的作用【2 1 。自卸汽车凭借其高度的机动性和自动卸货等优点， 极大地缩短了作业时间，节省了大量的劳动力。在建筑工地、工厂、矿山等处， 随处可见自卸汽车的身影。 经济社会的发展把汽车运输工具推向专业化。只有专用汽车才能更好适应客 货运输现代化、多样化和个性化的要求，满足特定条件下的各种专项作业的要求， 才能更有效地发挥汽车在运输结构中的作用，建设资源节约型和环境友好型社会。 美国是专用汽车发展最早的国家之一，其专用车辆的生产是美国汽车工业的 重要组成部分。据不完全统计，在1 9 8 6 年美国专用车辆的产品即占货车产量的 5 8 ，在其9 1 2 t 的中型货车保有量中，专用车占2 佑以上；2 0 世纪7 0 年代，美 国的挂车平均年产量己达1 5 万辆左右( 占9 t 以上载货车产量的4 0 左右) 。日本 在2 0 世纪7 0 年代末期，其专用车辆年平均产量在2 0 万辆左右；到1 9 9 0 年，日 本专用车总产量已达到2 5 8 万辆；近年来在中型货车中，专用车辆的比例己超过 5 4 。欧洲的专用车辆主要是重型专用车辆，且绝大多数产品为不同尺寸和不同 承载量的低货台载货汽车、挂车、半挂车；欧洲的大部分专用车辆生产厂家集中 在德国，1 9 7 9 年原西德挂车产量达1 5 1 万辆，占载货车产量的5 1 ，占专用车 产量的8 7 ，原苏联自1 9 5 6 年以来，汽车工业有较大的发展，但载货汽车在总 产量中的比例却在下降，而专用车辆在载货汽车保有量中的比例却逐年上升1 3 j - 1 6 j 。 国外不少汽车厂专门从事专用车辆底盘的生产，尤其重视专用底盘的系列化、 专业化生产，以满足专用车辆的特殊需求。新材料、新技术在国外专用车辆上得 到了广泛运用，同时国外的专用车已广泛应用微电脑技术。 我国的专用车辆的生产起步较晚，始于2 0 世纪6 0 年代初期，是在军用改装 车辆、消防改装车辆的基础上逐步发展起来的。2 0 世纪7 0 年代，一些专用车辆 生产厂根据国民经济的不同需要，已逐步成为某- i - j 类专用车辆生产的骨干企业， 形成自己的产品特色。进入2 0 世纪8 0 年代，随着国民经济的发展，专用车辆得 第一章绪论 2 到迅速发展，年生产能力达1 0 多万辆，特别是国内各大汽车集团公司，如第一汽 车集团公司、东风汽车公司、重型汽车集团公司等都把专用车辆的开发放到了重 点位置，为专用车辆的发展起到了重要的推动作用。近2 0 年来，我国专用车辆生 产的发展速度很快，成绩巨大。但纵观国内经济发展需求和世界工业发达国家专 用车辆的发展趋势，我国专用车辆的品种还比较单一。 未来自卸汽车将向智能化、电子化的方向发展，更多的电子设备将应用于自 卸汽车的设计、生产、维护等方面。在保证经济性的前提下，逐渐提高自卸汽车 的行驶安全性和生产安全性，改善自卸汽车的驾驶舒适性1 7 引。 1 2 自卸汽车举升机构的发展现状及研究动态 自卸汽车举升机构是自卸汽车最重要的组成机构之一，它通过连接在变速箱 的取力器驱动高压油泵，通过液压缸将车厢倾斜一定的角度，让货物自动卸下。 举升机构性能的好坏直接影响自卸汽车工作效率的高低。 国内自卸汽车研究的起步时间较晚。对自卸汽车举升机构的研究主要集中在 以下几个方面：对自卸汽车举升机构进行计算机运动学和静力学仿真；行驶过程 中车厢的震动对举升机构和车架的影响；举升机构液压系统与取力器系统的故障 研究；举升机构工作过程中车辆倾覆现象的研究( 主要集中在侧向卸货的自卸汽 车) ；车厢位置报警装置等。其中中国重汽集团的张立生、韩铁良在侧翻自卸汽 车液压系统对箱体举升稳定性的控制一文中为防止自卸汽车在卸货过程中由于 车辆重心发生改变而导致的翻车事故，提出利用液压、气动、电路元件的逻辑控 制对箱体的举升角度进行自动控制来解决这一问题。对于自卸汽车车厢没有按照 规定放下而引发交通事故，多篇论文都提出不同的安全措施提示司机，如加装语 音报警器、与制动器或变速箱联动阻止在车厢未放下的情况下开动车辆等。为提 高工作效率、节约成本，天津星马汽车有限公司研发的“中顶自卸汽车车厢举升 角度自动控制系统”可以根据不同的货物，设定不同的举升角度。 国外自卸汽车的发展较早，其自卸汽车技术已经相当成熟，大量应用新材料、 新结构、标准化模块等。自卸汽车的自动化水平比较高。自卸汽车的安全措施比 较齐全。 1 3 现场总线 从2 0 世纪6 0 年代的直接数字式控制系统、集中式数字控制系统，到2 0 世纪 第一章绪论 3 8 0 年代以后的分布式计算机系统的盛行，用户对控制过程及结果的实时性、信息 量、速度、精确性等要求的提高和改善。计算机技术、控制技术、和通信技术的 发展对现场总线的发展提出了要求。 现场总线的特点主要体现在两个方面：一是在体系结构上成功的实现了串行 连接，它一举克服了并行连接的许多不足；二是技术上成功的解决了丌放竞争和 设备兼容两大难题，实现了现场设备的高度智能化、互换性和控制功能的彻底分 散化。 当前比较流行的几种现场总线有：基金会现场总线( f f ) 、过程现场总线 ( p r o f i b u s ) 、本地计算机网络( l o n w o r k s ) 、控制局域网现场总线( c a n ) 等。 这几种现场总线各有其特点和应用的领域。 基金会现场总线( f f ) 是仪表和过程控制向数字化通信方向发展而形成的技 术，是一种专门为工业过程控制而设计，并得到了世界上主要自控设备供应商支 持的现场总线技术。最根本的特点是针对工业过程自动化而丌发的，它在满足要 求苛刻的使用环境、本质安全、危险场合、多变量过程以及总线供电方面都有完 善的措施。它采用标准功能块及设备描述语言的设备描述技术，确保不同厂家的 产品有很好的互操作性和互换性。 过程现场总线( p r o f i b u s ) 是用于工厂自动化车间及监控和现场设备层数据通 信和控制的现场总线标准，主要有三个兼容的协议组成，分别是p r o f i b u s f m s 、 p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s p a 。p r o f i b u s 足世界上最成功的现场总线之一，并且其 技术仍在继续发展和深化中，它以其标准的完整性、开放性、透明性，以及不依 赖于制造商的公正性，作为应用最成功的和最广泛的现场总线代表，正在引领着 这场工业自动化革命的前进方向。 l o n w o r k s 是一种基于嵌入式神经元芯片的现场总线技术，它被广泛应用于楼 宇自动化、保安系统、办公设备、工业过程控制、飞机、火车等领域，特别是在 楼宇自动化领域。 控制局域网现场总线( c a n ) ，它是一种多主总线系统，使用架构丌放、广 播式的新一代网络通信协议，解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据 交换。c a n 在汽车内部电器总线系统中占有市场的绝对优势地位。 c a n 的标准化和它的技术优势使其在工业电子集成应用的相关领域得到了 广泛的应用。c a n 总线作为数字是串行通信技术，与其他同类总线相比，在可靠 性、实时性和灵活性等方面具有独特的技术优势。最大的优点是废除了传统的站 地址编码，取而代之的是对通信数据块进行编码。 这4 种总线技术各有自己的优点，都有自己的应用领域。表1 1 列出了这几 种总线性能的比较，包括性能、安全性、物理安装、标准、丌放性、互可操作性。 第一章绪论 4 表1 1 几种现场总线性能的比较 t a b l e1 1s e v e r a lf i e l db u sp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 名称f fp r o f l b u sl o n w b r k sc a n 件能好中 中 中 安拿性商中中中 物理安装简便一般较好一般 标准性高低较高低 开放性好较好较好好 互可操作性强低低低 对于通信方式的选择，综合各方面的研究与分析，对比相关的现场总线，c a n 总线作为数字式串行通信技术，在可靠性、实时性和灵活性等方面具有独特的技 术优势，其控制芯片已经商业化，性价比高，同时考虑到目前c a n 总线在汽车 通信领域中的广泛应用，故选择c a n 总线作为该控制系统的通信协议。 1 4 本课题研究的意义及内容 课题研究的意义： 根据查得的相关资料，目前国内在自卸汽车举升机构控制系统方面的研究很 少，大部分的研究都是针对举升机构的某一部分进行研究分析。本课题的研究目 的旨在开发一款基于c a n 总线的自卸汽车举升机构控制系统，降低举升机构操 作的复杂性，加强安全防护，提高自卸汽车工作自动化程度和安全性，降低事故 发生率。 本课题研究的主要内容： ( 1 ) c a n 总线通信协议； ( 2 ) 控制系统的拓扑结构，以及各部分的功能； ( 3 ) 控制系统硬件和软件的开发，主要包括c a n 通信节点模块、传感器模 块、举升角度液晶显示模块、语音模块、数模转换电路模块、按键模块和电源模 块的丌发； ( 4 ) 进行c a n 总线通信实验、液晶显示实验和举升机构举升角度检测实验。 第二章自卸汽乍举丁 机构控制系统总体方案研究 5 第二章自卸汽车举升机构控制系统总体方案研究 2 1 系统控制目标 本文所研究的自卸汽车举升机构控制系统在提高自卸汽车举升机构工作自动 化水平的基础上，提高自卸汽车的安全性，保护车辆及工作人员的安全。 控制系统根据车辆的行驶状态，决定举升机构的液压系统是否进行工作。只 有当系统检测到车辆处于静止制动状态时，才允许液压系统工作；反之，液压系 统将无法工作。这样可以防止由于驾驶员的误操作而导致车辆在行驶过程中液压 缸举起车斗，使车辆挂到高空的电线导致驾驶员触电，或者车辆卡在隧道或公路 的限高架下面而引发交通事故。 本文研究举升机构控制系统的核心是对液压系统的控制。控制系统发出控制 信号，经运算放大器将电压信号转化为电磁换向阀要求的工作电压，通过驱动阀 芯在阀体中的位置，改变液压缸的工作状态，最终实现自卸汽车车厢的“举升 、 “静止 、“回落 三种状态。同时通过角度传感器来监视自卸汽车车厢的翻转角 度，并通过设置在汽车驾驶室内的液晶显示屏显示举升角度。驾驶员可以根据不 同的路况及工作要求，对举升机构液压系统进行实时的监测与控制。 同时为进一步提高自卸汽车工作时的安全性，本文研究的控制系统加入了语 音提示功能。在自卸汽车工作时，通过播放预先录入的音乐或语音，向自卸车附 近的工作人员发出警告，提醒现场的工作人员，保证工作人员的人身及财产安全。 2 2 总体方案选择 控制系统自上世纪5 0 年代开始经历了第一代的气动信号控制系统p c s ，第 二代的电动模拟信号控制系统，第三代的数字计算机集中式控制系统，以及第四 代的集散式分布控制系统d c s ，发展到目前的第五代控制系统现场总线系统 f c s 。开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。 现场总线( f i e l d b u s ) 是上世纪8 0 年代术，9 0 年代初迅速发展起来的一种工 业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场 设备问的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。 由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，在当前的工业制造中 得到了广泛的应用。 第二章自卸汽车举升机构控制系统总体方案研究 6 现场总线技术具有基础性、灵活性和分散性等结构特点，同时还具有开放性、 交互性、自治性和适应性的技术特点。由于现场总线在系统结构上的彻底改变， 以及技术上的特点，使得现场总线控制系统和传统控制系统相比，在系统的设计、 安装、投运到正常运行、系统维护等方面，都显示出了巨大的优越性，如：节约 硬件数量和投资，节省安装费用和维护费用，提高了系统的控制精度和可靠性， 提高了用户的自主选择权。 目前市场上流行的几种现场总线都具有自身的优点及主要的应用领域。 基金会现场总线( f f ) 是仪表和过程控制向数字化通信方向发展而形成的技 术，是一种专门为工业过程控制而设计，并得到了世界上主要自控设备供应商支 持的现场总线技术。f f 现场总线最根本的特点是针对工业过程自动化而开发的， 它在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、危险场合、多变量过程以及总线供电 方面都有完善的措施。它采用标准功能块及设备描述语言的设备描述技术，确保 不同厂家的产品有很好的互操作性和互换性。 p r o f i b u s 过程现场总线是用于工厂自动化车间及监控和现场设备层数据通信 和控制的现场总线，是世界上最成功的现场总线之一，并且其技术仍在继续发展 和深化中，它以其标准的完整性、开放性、透明性，以及不依赖于制造商的公正 性，作为应用最成功的和最广泛的现场总线代表，正在引领着这场工业自动化革 命的前进方向。 l o n 总线是一种基于嵌入式神经元芯片的现场总线技术，它被广泛应用于楼 宇自动化、保安系统、办公设备、工业过程控制、飞机、火车等领域，特别是在 楼宇自动化领域。他被多个国际标准组织认证为各自的行业标准。 c a n ( 控制局域网现场总线) 是上世纪8 0 年代初德国b o s c h 公司为解决现 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信协议。 c a n 在汽车内部电子系统中得到了广泛的应用，它代表着汽车电子控制网络的主 流发展趋势。 c a n 总线是串行数据通信网络，同其它的通信总线相比，由于运用了多种新 技术和独有的设计，c a n 总线数据通信在可靠性、实时性和灵活性方面有着更为 突出的表现。其特点可概括为以下几点【1 2 】- 1 1 6 l ： 1 1c a n 是目前唯一一种成本低廉的国际标准的现场总线； 2 ) c a n 采用多主方式进行工作，网络上的任何一个节点不分主从，均可在任 意时间向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活，无需站地址等节点信息； 3 ) 在报文标识符上，c a n 上的节点报文分成不同的优先级，可满足不同的 实时要求，优先级高的数据最多可在1 3 4 l as 内得到传输； 4 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时， 第二章自卸汽车举升机构控制系统总体方案研究 7 优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传 输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也 不会出现网络瘫痪情况； 5 ) c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种 方式传送接收数据； 6 ) c a n 的直接通信距离最远可达l o k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高可 达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ； 7 ) c a n 总线上的节点个数主要受限于总线驱动电路，当前可以达到1 1 0 个。 在c a n 2 0 a 中规定标准帧报文中的标识符为1 1 位，不过在c a n 2 0 b 中规定扩 展帧报文中的标识符为2 9 位，几乎使节点的个数不受任何限制； 8 ) 报文采用短帧结构，其特点是传输时问短，抗干扰能力强，低数据出错率； 9 ) 多重校验和检测措施同时运行，保证了c a n 的每帧信息都有很好的查错 效果； 1 0 ) c a n 可以灵活选择多种通信介质，如光纤、双绞线或者同轴电缆等； 1 1 ) c a n 节点在发生严重错误的情况下具有自行停止输出的功能，并且在总 线上工作的其他节点的操作不会受到影响，并且发送的信息在遭到破坏后，还可 以自动重发。 鉴于c a n 总线众多的优点，以及其在汽车电子领域的广泛应用，本文选用 g 州总线作为控制系统的通信总线。 2 3 控制系统c a n 协议研究 2 3 1c a n 总线网络协议技术规范 一、g 蝌总线的分层结构 c a n 技术规范( v e r s i o n 2 o ) 包括a 和b 两部分。其中2 0 a 给出了c a n 报文 标准格式，而2 o b 给出了标准的和扩展的两种格式。c a n 总线协议制定了任意两 个c a n 节点之间的相互兼容性，其中包括电气性能特性及数据协议的解释，为了 保证设计的透明性和执行灵活性，c a n 协议被化分为三个层：目标层、传送层、物 理层。其中目标层和传送层包括i s o o s i ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o n o r g a n i z a t i o n o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 定义的数据链路层所有功能。c a n 协议分层结构图如图2 1 所示n 7 1 巾8 1 。 第- 二章自卸汽乍举升机构控制系统总体方案研究 8 应用层 目标层 报文滤波 报文的状态处理 传送层 故障鉴定 报文校验 错误监测和标定 应答 总线仲裁 报文分帧 传输速率和定时 物理层 信号电平及位表示 传输媒体 图2 1c a n 总线协议分层结构 f i g 2 1h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fc a n b u sp r o t o c o l 目标层功能介绍 1 ) 确认需要发送的信息； 2 ) 确认传送层是否接收到信息： 3 ) 提供接口给应用层。 传送层功能介绍 1 ) 帧组织； 2 ) 总线仲裁； 3 ) 检错、发送错误报告、错误处理。 物理层是将e c u 连接到总线的物理实现。e c u 的总数将受限于总线上的电气负 载。 c a n 采用i s 0 0 s i 模型中的数据链路层和物理层，数据链路层包含逻辑链路 控制子层( l l c ) 和媒体访问控制子层( m a c ) 两部分。物理层包括物理信令( p l s ， p h y s i c a ls i g n a l l i n g ) 、物理媒体附件( p m a ，p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 和 媒体接口( m d i ，m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 三部分。数据链路层和物理层功 能框图如图2 2 所示。 第二章自卸汽车举升机构控制系统总体方案研究 9 图2 2 数据链路层和物理层功能框图 f i g 2 2d a t al i n kl a y e ra n dp h y s i c a ll a y e rf u n c t i o n a ld i a g r a m 二、c a n 总线协议的数据链路层 在c a n 技术规范2 0 a 的版本中，数据链路层的逻辑链路控制子层( l l c ) 和 媒体访问控制子层( m a c ) 的服务和功能分别被描述为“目标层 和“传送层”。 ( 1 ) 逻辑链路控制子层( l l c l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) l l c 子层的主要功能如下：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认要发 送的信息，确认接收到的信息，并为恢复管理和通知超载提供信息，为应用层提 供接口。在定义目标处理时，存在许多灵活性。 1 ) l l c 远程帧 l l c 远程帧包括两个位域( d l c 域与标识符域) 。l l c 的数据帧的标识符格式同 其远程帧的标识符格式是相同的，但是没有数据域。d l c 具有独立的数值，此数 据是对应数据帧的长度码。 2 ) l l c 数据帧 l l c 数据帧由三个位域构成，即标志符域、数据长度码域( d l c d a t al e n g t h c o d e ) 与l l c 数据域组成。 标识符：标识符长度1 1 位，其最高7 位( i d l o d 一4 ) 不应全为“1 ”。 d l c ：由4 位数构成，表示数据域的字节个数。数据域的字节长度可以是o 第二章自卸汽车举升机构控制系统总体方案研究 1 0 8 ，数据帧所允许数据的字节长度的范围是0 - - 8 。 数据域：数据域是经由数据帧内的被发送数据组成的，包括0 - - 8 个字节，每 以个字节长度为8 位。 ( 2 ) 媒体访问控制( m a c - m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 1 ) 功能模型 m a c 层功能控制如图2 3 所示，在这个模型中将m a c 子层划分为完全独立工 作的发送部分和接收部分n 钾。 图2 3m a c 层功能控制 f i g 2 3l v i a cf u n c t i o n a ld i a g r a m 发送部分的功能 a 发送数据的封装 接受l l c 帧及接口的控制信息，循环冗余验证( c r c ) 通过给l l c 帧附加帧起 始( s o f ) 和远程发送请求( r t r ) 、c r c 、保留位、应答( a c k ) 以及帧结束( e o f ) 。 b 发送媒体访问管理 在确认了总线空闲以后，开始进入发送过程( 经由帧间空闲应答) ；将m a c 帧进行串行化：插入填充位( 位填充) ；如果发生仲裁丢失，则自动退出仲裁并且 开始转入接收方式；错误检测( 监控、格式检验) ；应答校验；核实超载条件；构 建超载帧并且开始进行发送；构建出错帧并开始进行发送；输出串行位流到物理 层并准备发送。 接收部分的功能 a 接收媒体访问管理 从物理层接收串行位流；消除串行结构并且重新构建帧结构；检测填充位( 清 第二章自卸汽下举y i - 移l 构控制系统总体方案研究 除位填充) ；错误检测( e r e 、格式校验、填充规则校验) ；发送应答；构建错误帧 并且丌始发送；核查超载条件；重新激活超载帧结构开始发送。 b 接收数据拆装 由接受帧中去除媒体访问控制( m a c ) 信息；输出l l c 帧和接口控制信息至 l l c 子层。 2 ) m a c 帧结构 媒体访问控制( m a c ) 不但有同逻辑链路控制( l l c ) 同样的数据帧、远程帧两部 分以外，同时还有出错帧、超载帧及帧间空间这三个部分。 m a c 数据帧 m a c 数据帧由七个相异的位域组成，即帧起始( s o f ) 、仲裁域、控制域( 两 位保留+ d l c 域) 、数据域、c r c 域、a c k 域和帧结束( e o f ) 。 m a c 远程帧 需要被激活作为数据接收器的节点，可通过传输一个远程帧，启动源节点发 送各自的数据。一个远成帧由6 个不同位域组成，即起始帧( s o f ) 、仲裁域、控 制域( 两位保留+ d l c 域) 、数据域、c r c 域、a c k 域和帧结束( e o f ) 。仲裁域是由 l l c 层的标识符域同r t r 位组成。在m a c 数据帧中，r t r 位的数值为“1 。帧起始 ( s o f ) 、控制域、c r c 域、a c k 域和帧结束( e o f ) 等位域均和m a c 数据帧相对应 的位域相同。 错误帧 由两个域组成，第1 个域是由来自不同节点的错误标志相叠而成，第2 个域 为出错界定符。 超载帧 存在两类具有相同格式的超载帧，即l l c 要求的超载帧和重激活超载帧。前 者是l l c 层所要求，表明了内部的超载状态：后者是由m a c 层的一些出错条件来 启动发送的。 超载帧包括超载标志和超载界定符。超载标志的完整形式对应于活动错误标 志，超载界定符和错误界定符具有相同的格式。超载标志由6 个“显性 位构成， 超载界定符由8 位“隐性”位构成。 帧问空间 数据帧或远程帧同前述的任何帧( 数据帧、远程帧、出错帧、超载帧) 均由 称之为帧间空间的位域隔开。相反，超载帧和错误帧前面没有帧间空间，而且多 个超载帧也不用帧间空间来分隔。帧间空间包括问歇域和总线空闲域，并且对先 前帧已发送“错误一认可”的节点还有暂停发送域。 a 间歇域 第二章自卸汽车举升机构控制系统总体方案研究 1 2 由3 个“隐性 位构成。不允许节点在间歇期间发送数据帧或远程帧，只起 到标注超载条件的作用。 b 总线空闲域 总线空闲域可以是任意长度。在总线空闲的时候，任何节点都可以访问总线 并进行发送。在其它帧发送期间，在紧随间歇域后，等待发送的帧第一位启动。 若总线空闲期间检测到总线上“显性 位，则将被理解为帧起始。 c 暂停发送域 “错误认可 节点完成发送后，其在紧随间歇后，被允许发送下一帧前送出 8 位“隐性 位。期间若有发送启动( 由其他字节引起) ，则节点变为改帧的接收 器。 ( 3 ) 媒体访问和仲裁 如果检n - n 间歇域没有被“显性位中断，那么认为所有节点都释放总线。 一旦总线被释放，接收当前或上一个帧的“错误一认可节点就可以自由访问总线。 当暂停发送时，且在这期间没有其它的节点进行发送，那么发送当1 ； 帧或者已经 发送完成上一帧的“错误一认可”节点就可以对总线进行访问。当总线允许被节点 访问时，m a c 数据帧与m a c 远程帧就可以开始发送。m a c 错误帧同m a c 超载帧按照 以上规定被发送。在发送期间，进行数据帧或者远程帧发送的每个节点都是总线 节点。 c a n 总线的值是两种逻辑互补的数值之一：“隐性”或“显性 口。“显性” ( d o m i n a n t ) 数值用逻辑“0 表示，而“隐性 ( r e c e s s i v e ) 数值用逻辑“1 表示； 如果“显性 位和“隐性位同时进行发送，那么最后总线的数值将为“显性 。 当总线处于“隐性”状态下时，v c a n h 和v c a n l 被固定于平均电压电平，v d “t ( 电压压差) 接近于0 。在总线空闲或“隐性位期间，进行“隐性 状态发送。 以不小于最小阀值的差分电压来表示“显性 状态。在“显性 位期问，“显性 状态对“隐性 状态进行改写并发送。 当多个节点同时开始发送时，总线将进行仲裁，只有具有高优先权发送帧的 节点成为总线主站。这种方法解决了总线访问的冲突，称这种机理为基于竞争的 仲裁。在仲裁期间，所有的发送器都将需发送位的电平与总线上检测到的电平进 行对比。如果相等，那么节点j 可以继续进行发送。当发送出一个“隐性”的电 平时，如果检测到的电平是“显性 电平，那么说明节点的仲裁丢失，节点不能 继续进行更多的发送。当送出“显性电平时，若监测到“隐性 电平，则表明 节点检测出了位错误。 基于竞争的仲裁根掘标志符以及后面的r t r 位来完成。如果两帧的标识符不 同，则在帧中标注优先权，高优先权的标志符取小二进制数值。如果数据帧和远 第二章自卸汽车举升机构控制系统总体方案研究 1 3 程帧的标志符相同，当在同一时间被初始化时，数据帧比远程帧拥有的优先权要 高，使用r t r 位的数值进行标识。 ( 4 ) 错误检测 m a c 子层拥有以下的错误检测的功能：检测、填充规则检验、帧校验、1 5 位 循环冗余码校验与应答校验。 错误界定原则：根据错误计数器的数值，任何一个处于网络中的节点，将处 于以下三种状态中的一个哑l 心引： 1 ) “错误激活 状态； 2 ) “错误认可”状态； 3 ) “总线脱离”状态。 三、c a n 的总线协议物理层 物理层是指把e c u 接口同总线进行连接的现实电路。e c u 的数目将受总线上 的电气负载限制。它包含以下三个部分，物理信令、物理媒体附属装置以及媒体 相关接口。 物理层的功能模型 ( 1 ) 物理信令 物理信令用于实现与位表示、定时和同步相关的功能。 ( 2 ) 物理媒体附属装置 物理媒体附属装置子层是实现总线发送接收功能的电路，并提供总线故障检 测功能。 ( 3 ) 媒体的相关接口 物理媒体接口实现物理媒介和媒体连接单元之间机械和电气的接口。 2 3 2c a n 总线报文传送和帧结构 当进行数据通信传输的时候，把进行报文发送的单元称为报文发送器。在总 线空闲期间或丢失仲裁以前，该单元始终是作为发送器。如果总线处于数据传输 状态，且单元不进行报文的发送，那么这个单元就成了接收器。 对于报文发送器和报文接收器而言，报文发送的实际有效时间是不相同的。 对于发送器而言，如果报文发送器一直到报文发送结束都没有出现错误，那么对 于报文发送器来说报文有效。一旦报文受损，那么就会按照优先权的顺序进行自 动重发。为了能在总线访问上同其他报文进行竞争，总线如果空闲，重发送会立 即开始。如果报文接收器一直到报文接收结束都没有出现错误，那么对于报文接 收器来说报文有效。 第二章自卸汽车举升机构控制系统总体方案研究 1 4 帧起始、仲裁场、控制场、数据场同c r c 序列共同构成一帧，使用位填充规则 来进行编码。当发送器在报文发送的位流中发现n 5 位连续相同的数值时，会自动 在实际报文发送的位流中插进一个补码。远程帧与数据帧的其它位域均采用固定 格式，不再进行填充。超载帧与出错帧同样也是固定格式，也不再进行位填充。 报文中的位流依照非归零( n r z ) 码的方法进行编码，这就是况一个完整位电 平只能是显性或隐性中的一种。 报文的传送通过4 种类型不同的帧来进行表示和控制： ( 1 ) 数据帧负责将数据从发送器传送至每个接收器； ( 2 ) 远程帧请求具有相同标识符的数据帧的发送； ( 3 ) 任何节点在发现总线错误的时候可以发送错误帧； ( 4 ) 超载帧用于在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供附加的延时。 一、数据帧 数据帧由7 个不同的部分组成：帧起始、数据域、仲裁域、控制域、c r c 域、 应答域和帧结束。数据域的长度可以是0 。数据帧的结构如图2 4 所示 数据帧。 帧问空间 帧问空 或超载i 一l 仲裁场控制场 数据场c r c 场 一k帧结束 图2 4 数据帧格式 f i g 2 4d a t af r a m ef o r m a t ( 1 ) 帧起始 帧起始( s o f ) 表示数据帧的起始，有一个单独的“显性 位组成。一个c a n 节点只有在总线空闲的时候才允许进行报文发送，总线上其他的所有节点必须与 最先进行报文发送的那个节点的帧起始前沿同步( 即总线从隐性状态变成显性状 态的跳变沿) 。 ( 2 ) 仲裁域 仲裁域用来表示数据帧的优先级。扩展帧和标准帧的仲裁域是不相同的。 在标准帧格式罩，仲裁域是由l l 位标识符( i d ) 和远程发送请求位( r t r ) 构成。如图2 5 所示。 第二章自卸汽乍举升机构控制系统总体方案研究 图2 5 标准数据帧格式 f i g 2 5d a t af r a m es t a n d a r df o r m ( 3 ) 控制域 控制域表示数据帧中数据域的长度。由两位保留位和四位数码位，共六位组 成。如图2 6 所示。标准格式和扩展格式的控制域虽然结构相同但是位置却不一 样。 仲裁域+ k 墼型苎4 数据域或c r c 域 i d e r l r 0d l c 3 d l c 2 d l c l d l c 0 i d e r li d e r l 图2 6 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 e 保留位：在标准格式罩只由r 0 组成；但在扩展格式里是由r l ( 显性) 和r o ( 显性) 共同组成。 数码位使用数据长度码来表示数据域里面的字节个数，共有四位组成，都采 用二进制的编码方式。数据字节数同数据长度码的对应关系如表2 1 所示。数据 字节数只能是o 8 ，不允许使用其他的数值。 表2 1 数据长度编码 t a b l e 2 1d a t al e n g t hc o d e 数据字1 ，数目数据长度代码 d l c 3d l c 2d l c ld l c 0 0 显性显性显性显性 1显性显性显性隐性 2 显性显性隐性显性 3 显性 显性隐性 隐性 4 显性 隐性 显性显性 5 显性隐性显性隐性 6 显性隐性隐性显性 第二章自卸汽乍举升机构控制系统总体方案研究 1 6 ( 4 ) 数据域 数据域由数据帧中需要被发送的数据构成，它可以包含0 - - 8 个字节，每个字 节8 位。高位在前，低位在后。 ( 5 ) 循环冗余校验( c r c ) 域 c r c 域包含c r c 序列和紧随其后的c r c 定界符。如图2 7 所示。 c r c 序列：计算c r c 序列时起始值是0 ，然后依次计算帧起始、仲裁域、控制 域、数据域，最终得到1 5 位的c r c 校验码。 c r c 界定符：c r c 界定符是一个单独的隐性位。 c r c 域 鬻r 七臣4 靠 。 。啭7 垄1 盎 n 帕钠 r 控制域 fl 图2 7c r c 域结构 f i g 2 7c r c f i e l ds t r u c t u r e ( 6 ) 应答域 应答域的长度是两位，分别是应答位和应答界定符，如图2 8 所示。 在应答域里，发送器发出两个隐性位。当接收器准确接收到有效的报文时， 这个接收器就会在应答期间向发送位发送“显性位来通知发送器。 应答位：每一个接收到匹配的c r c 序列的总线节点，会在应答期间，在发送 器的“隐性”位之上写入一个“显性