（光学工程专业论文）基于can总线的汽车门窗控制系统应用研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 人们对汽车的乘坐舒适性和驾驶和使用的便捷性要求越来越高，这就不得不 增加各元器件和电气系统来满足这些要求。电气设备的增加使得传统的接线方式 远远不能满足汽车愈加复杂的控制系统要求，汽车控制局域网c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 总线应运而生，总线技术和微控制器进入汽车控制领域后，给汽车 发展带来了划时代的变化。如何利用总线技术，减少车内线束、降低成本，使汽 车控制更加智能化、人性化就显得尤为重要。 本文通过收集资料，对汽车c a n 总线的历史、现状和发展趋势进行了总结和 归纳，详细论述了汽车c a n 总线的优点和特点，描述了c a n 总线的分层结构中 的物理层和数据链路层。对c a n 总线的报文、帧格式、原理及特性做了较详尽的 阐述，为论文汽车门窗控制系统的设计提供了理论依据。 论文中提出了一种合理的基于c a n 总线的汽车门窗控制系统的总体设计方 案，方案中有五个节点，其中有中央控制节点和四个门控节点。四个门控节点主 要接收来自中央控制节点的命令，然后通过门控节点的单片机进行处理后，分别 对各受控对象后视镜、门锁、车窗玻璃及行李箱进行控制。对方案中选用的元器 件( a t 8 9 s 5 2 单片机、p 8 x c 5 9 1 、c a n 控制器s j a l 0 0 0 和收发器p c a 8 2 c 2 5 0 ) 的原 理和功能进行了相关的介绍。 本文采用一种通用模块化的软硬件设计思想，完成了各模块的硬件电路设计 和软件程序设计。同时，为保证系统能够稳定、可靠的工作，本文针对汽车中影 响系统工作的干扰因素进行了详细的分析，提出了相应的抗干扰措施，对控制系 统的软硬件进行了抗干扰设计。 论文以c a n 总线为基础，结合单片机技术，研究开发了汽车门窗的c a n 总 线多路传输系统，实现了只用两根信号线就可以对汽车门锁、车窗玻璃及后视镜 的控制。使得传统线束大大简化，可靠性得到了极大的提高，并有效节约了线束 安装空间。减少了整车自重并降低了成本，具有较高的数据传输可靠性和安装便 捷性，且有利于扩展汽车的其它控制系统。 关键词：c a n 总线，控制方案，控制系统，节点，抗干扰 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t f o rt h er i d i n gc o m f o r t a b l ea n dt h ed r i v i n ga n dt h eu s i n gc o n v e n i e n tt ot h e a u t o m o b i l e ，t h er e q u e s to ft h ep e o p l ea r eg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r , w h i c hh a dt o i n c r e a s et h en u m b e ro fp r i m a r yd e v i c ea n de l e c t r i c a ls y s t e mt os a t i s f i e st h e s e r e q u i r e m e n t s t h ei n c r e a s eo f t h ee l e c t r i c a le q u i p m e n te n a b l e st r a d i t i o n a lw i r i n gw a y b y f a rt os a t i s f yt h ea u t o m o b i l ee v e nm o r ec o m p l e xc o n t r o l s y s t e mr e q u i r e m e n t s ， a u t o m o b i l ec o n t r o l l e rl o c a la r e an e t w o r kc a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) b u sa r i s c s a tt h eh i s t o r i cm o m e n t ，a f t e rt h eb u s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h em i c r o - c o n t r o l l e re n t e rt h e f i e l do fa u t o m o b i l ec o n t r o l ，h a sb r o u g h tt h ee p o c h m a k i n gc h a n g ef o rt h ea u t o m o b i l e d e v e l o p m e n t h o wt ou s eo ft h eb u s s i n gt e c h n o l o g yt or e d u c ea u t o m o b i l e si n t e r n a l g r o u po fl i n e sa n dt or e d u c et h ec o s t , s ot h a tam o r ei n t e l l i g e n ta u t o m o b i l ec o n t r o l ， u s e r - f i i e n d l yi ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n t t h i sa r t i c l et h r o u g ht h ec o l l e c t i o nm a t e r i a l ，t ot h ea u t o m o b i l ec a nb u s sh i s t o r y , c u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n dh a sc a r r i e do nt h es u m m a r ya n dt h ei n d u c t i o n ， e l a b o r a t e dt h ea u t o m o b i l ec a nb u s sm e r i ta n dc h a r a c t e r i s t i ci nd e t a i l ，d e s c r i b e di nt h e c a nb u s sp h y s i c a ll a y e ra n dt h ed a t al i n kl a y e ro fs t r a t i f i c a t i o ns t r u c t u r e t ot h ec a n b u s st e x t ，t h ef l a m ef o r m ，t h ep r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i ch a v em a d et h ee x h a u s t i v e e l a b o r a t i o n ，w h i c hh a sp r o v i d e dt h et h e o r yb a s i sf o rt h i sa r t i c l ec o n t r o ls y s t e m sd e s i g n t h ep a p e rp r o p o s e do n ek i n dr e a s o n a b l eo v e r a l ld e s i g np r o j e c tt h a ti sb a s e do nt h e c a nb u sa b o u tc o n t r o ls y s t e mo fa u t o m o b i l ew i n d o w sa n dd o o r s ，t h e r ea r ef i v en o d e s i nt h es c h e m e ，t h a ti n c l u d i n gt h ec e n t r a lc o n t r o ln o d ea n df o u rg a t i n gn o d e s f o u rg a t i n g n o d em a i nr e c e i v eo r d e rc o m i n gf r o mt h ec e n t r a l c o n t r o ln o d e ，t h e nc a r r i e so n p r o c e s s i n gb yt h eg a t i n gn o d e sm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，c a r r i e s o nt h ec o n t r o l s e p a r a t e l yt oe a c hc o n t r o l l e do b j e c tr e a rv i e wm i r r o r , t h ed o o rl o c k , t h eg l a s sa n dt h e s u i t c a s e c a r r i e so nt h es i m p l ei n t r o d u c i n ga b o u tp r i m a r yd e v i c ew h i c hs e l e c ti nt h e p r o j e c ti n ( a t m e lc o r p o r a t i o n sa t 8 9 s 5 2m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，p 8 x c 5 91 ，c a n c o n t r o l l e rs j a l 0 0 0a n dt r a n s c e i v e rp c a 8 2 c 2 5 0 ) t h e p r i n c i p l ea n dt h ef u n c t i o n t h i sa r t i c l eu s e so n ek i i l do ft h eg e n e r a lm o d u l a r i z e ds o rh a r d w a r ed e s i g nc o n c e p t ， t h a th a sc o m p l e t e dv a r i o u sm o d u l e sh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dt h es o f t w a r er o u t i n e d e s i g n a tt h es a l t l et i m e ，b et oe l l s u r et h a ts y s t e mi sa b l et ow o r ks t a b l ea n dr e l i a b l e ， t h i sa r t i c l ec a r r yo u td e t a i l e da n a l y s i sa b o u tt h ed i s t u r b a n c ef a c t o ri n t e r f e r e sw i t l lt h e h 重庆大学硕士学位论文英文摘要 s y s t e mw o r k i nt h ea u t o m o b i l e ，p r o p o s e dt h ec o r r e s p o n d i n ga n t i - j a m m i n gm e a s u r e ，h a s c a r r i e do u tt h ea n t i - j a m m i n gd e s i g nt ot h es o f th a r d w a r e t h ep a p e rt a k et h ec a nb u s 硒ab a s i s ，t i e dt h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t t e c h n o l o g y , h a v es t u d i e da n dd e v e l o p e dt h ea u t o m o b i l ew i n d o w sa n dd o o r s c a nb u s m u l t i p a t ht r a n s m i s s i o ns y s t e m ，r e a l i z e dc o n 9 0 l l i n go n l yu s i n gt w os i g n a l st ob e p o s s i b l et or e a l i z et ot h ea u t o m o b i l ew i n d o w sa n dd o o r sa n dr e a rv i e wm i r r o r , e n a b l e d t r a d i t i o nl i n eb u n d l es i m p l i f i e sg r e a t l y , t h er e l i a b i l i t yh a sg o tt h ee n o r m o u se n h a n c e m e n t , h a sh a da ne f f e c tt oh a v es a v e dt h el i n eb u n d l ea s s e m b l i n gs p a c e r e d u c e dt h ec o m p l e t e a u t o m o b i l ef r o mw e i g h ta n dt h ec o s t ，h a v et h eh i g h e rd a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya n d p e a c e f u la t t i r ec o n v e n i e n t ，a n db e n e f i c i a lt oe x p a n d i n go t h e ra u t o m o b i l ef u n c t i o n k e y w o r d s ：c a nb u s ，c o n t r o l l i n gp r o j e c t ，c o n t r o l l i n gs y s t e m ，n o d e ，a n t i - j a m m i n g i n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的一盈二土学位论文菇毒厶必继缕再生浚垂删 泰轭弱左删是我个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己经发表 学位论文作者签名： 导师签 彬物签字日期：加9 7 6 哆 签字日期： 学位论文使用授权书 t 否0 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的盈士学位论文墨 幽必续丛浚车f 揭 挺纠欷蓐相缈提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i ) 在中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学 博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中 国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出 版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据 库中使用和在互联网上传播，同意按“章程规定享受相关权益和承担相应义 务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开 论文的全部或部分内容。 作者签名： 导师签 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一， 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 现代社会对汽车各方面的要求不断提高，这些要求包括：极高的安全性；乘 坐的舒适性；驾驶与使用的便捷化等。为了满足这些要求，一些电气系统在汽车 中相继出现，这些系统有：a b s ( 防抱系统) 、e m s ( 发动机管理系统) 、多功能 数字化仪表、主动悬架、导航系统、电子防盗系统等。这些系统由多个电控单元 相互连接，且各系统之间进行着越来越多的信息交换。这样就需要使用大量的线 束和插接器来实现互连，进行数据交换。由于线束和插接器的数量不断增加，整 车电子系统的复杂程度愈来愈高，其可靠性将难以保证，故障率会提高，维修更 加困难。 为了在提高性能与控制线束数量之间寻求一种有效的解决途径，在2 0 世纪8 0 年代初，出现了一种基于数据网络的车内信息交互方式车载网络。到目前为 止已形成了多种网络标准，如：s a e j l 9 3 9 、德国大众的a b u s 、法国p s a 的v a n 、 美国商用机器的a u t o c a n 、德国b o s c h 的c a n 等等【l 】。目前，c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 协议及其网络系统已被全球汽车厂商普遍接受，成为车载网络系统 的计算机网络技术基础。 c a n 总线在汽车中的应用可以使数量不断增加的线束及插接器大大减少，提 高了系统的可靠性和可维护性。采用通用传感器，达到数据共享的目的；通过系 统的软件可以实现系统功能的变化，改善了系统的灵活性。总之，本课题的研究 是基于汽车消费者对汽车各方面性能要求不断提高，又要降低汽车控制系统的成 本，同时又要满足控制系统性能的要求为背景提出的。 1 1 2 课题研究的意义 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 数据总线是一种极适合于汽车环境的汽车局域 网。c a n 总线是德国b o s c h 公司为解决汽车监控系统中的复杂技术难题而设计的 数字信号通信协议，它属于总线式串行通信网络。由于采用了许多新技术和独特 的设计思想，与同类车载网络相比，c a n 总线在数据传输方面具有可靠、实时和 灵活的优点【2 】o 本文基于c a n 总线的门窗控制系统，使c a n 总线协议在车载网 络中得到了应用，并表现出上述优点，满足了汽车控制系统对实时可靠的要求。 从计算机领域来看，车载网络是典型的实时嵌入式网络系统，而中国拥有较 多的嵌入式系统开发人员，提供了大量的人才储备。这是中国汽车电子的发展机 遇，也是具有自主知识产权车载网络在中国的发展机遇。对应用于汽车领域的c a n 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 协议的研究尚处于前期阶段，研制生产元器件的厂家很少。鉴于c a n 在现代汽车 电子化进程及车载网络中的重要作用，自主研制支持c a n 规范的汽车电子产品， 并使之尽快产业化，缩短同国外轿车技术水平的差距，免受国外汽车在技术上的 垄断均具有积极意义。 1 2 国内外发展现状 1 2 1c a n 在国外的发展 c a n 是德国b o s c h 公司从8 0 年代初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。它是一种多主总线协议，通 信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1m b p s 。1 9 9 1 年首次 在奔驰s 系列汽车中实现。同年，b o s c h 公司正式颁布了c a n 技术规范( 版本2 0 ) ， 该技术规范包括a 和b 两部分。1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ， 为c a n 的标准化、规范化铺平了道路。此后，越来越多的北美和日本汽车公司也 开始采用c a n 网络。19 9 4 年美国汽车工程师协会的卡车和巴士控制和通信子协会 选择c a n 作为s a e j l1 9 3 9 标准的基础【3 j 。 尽管c a n 协议已经有近2 0 年的历史，但它仍处在发展和改进之中。从2 0 0 0 年开始，一个由数家公司组成的i s o 任务组织定义了一种时间触发c a n 报文传输 的协议。b e m dm u e l l e r 博士、t h o m a sf u e h r e r 、b o s c h 公司人员和半导体工业专 家、学术研究专家将此协议定义为“时间触发通讯的c a n ( t t c a n ) ”，计划在将 来标准化为i s o l l 8 9 8 4 。这个c a n 的扩展已在硅片上实现，不仅可实现闭环控制 下支持报文的时间触发传输，而且可以实现c a n 的x b y w i r e 应用。因为c a n 协 议并未改变，所以，在同一个的物理层上，既可以实现传输时间触发的报文，也 可以实现传输事件触发的报文【l j 。 从现在来看，c a n 总线的应用在全球市场上处于快速发展阶段，它所应用的 广度和深度还在不断扩展。当得到重视时，谁也无法预料c a n 总线系统在下一个 1 0 - - 1 5 年内的发展趋势。从近几年内看，c a n 在欧洲得到了广泛的认可和支持的 同时，美国和远东的汽车厂商逐渐在他们所生产汽车的串行部件上使用c a n 。另 外，大量潜在的新应用( 例如：娱乐) 正在呈现，不仅可用于客车，也可用于家 庭消费。同时，结合高层协议应用的特殊保安系统对c a n 的需求也正在稳健增长。 德国专业委员会b i a 和德国安全标准权威h 已经对一些基于c a n 的保安系统 进行了认证。c a n o p e n s a f e t y 是第一个获得b i a 许可的c a n 解决方案， d e v i c e n e t s a f e t y 也会马上跟进。在其他事务中，规范定义可以通过自动切换将 c a n o p e n 网络转换为总线系统【4 j 。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 2c a n 在国内的发展 我国在车载网络方面的研究起步较晚，虽然c a n 总线标准已推出很多年，在 国内应用于汽车领域c a n 协议的研究尚处于起步阶段。研制生产元器件的厂家很 少，具有自主知识产权的专用芯片更少。国内汽车电子厂商在跟进之余已显示出 新势力。如浙江中科正方电子技术有限公司目前形成了以r s 4 ，r s 3 ，r s 2 为产品体 系的汽车网络产品生产企业，涵盖了轿车、客车和卡车各领域，可以提供基于c a n 技术的汽车网络产品。 近些年来，c a n 总线在国内的应用也得到迅速的推广，在对抗干扰能力和实 时通信能力要求较高，但单次通信量较小，通信距离3 - 5 k i n 以内的场合已基本取 代了r s 4 8 5 总线。c a n 总线在商用车( 货车和客车) 和低档的乘用车上的应用很 少，在中高档的乘用车上已有较多的应用。另外，c a n 总线在国内其它行业领域 里开始发展，如在很多高校的校园消费信息系统网络中已采用c a n 通信，并且已 相当成熟。 当前，c a n 总线局域网在乘用汽车车载网络中的应用已有较快的发展，各汽 车厂商正致力于c a n 总线的开发和应用。汽车上的c a n 网络主要连接动力系统 和车身系统，典刑的控制单元有发动机控制模块、自动变速器控制模块、多媒体 控制模块、气囊控制模块、空调控制模块、巡航控制模块、车身控制模块( 包括 照明指示和车窗、刮雨器等) 【5 】。然而，国内的零部件生产虽然数量可观，但整体 规模并不大，且缺乏开发能力，中国的零部件厂商真正能够自主研发的产品不多。 为了避免国内外汽车电子技术差距的进一步拉大，国内的厂家必须团结一致，走 联合开发的道路。 1 3 课题研究的目的和主要内容 1 3 1 本文研究的目的 本课题所研究的基于c a n 总线的汽车门窗控制系统，主要是为了简化现代汽 车车身中日益复杂的电子控制设备之间的连线。在现代汽车的车身中，电子控制 的部件越来越多( 例如集控锁、电动车窗、后视镜、厢内照明灯、各种信号灯、座 椅控制和汽车声像系统) ，如果用传统的信号线连接方式会使得连接导线非常复杂 和冗长。采用c a n 总线以后，不管有多少电子部件需要控制，从控制命令发出部 件所在位置，到接收部件所在位置的联线只需2 根，故需要控制的部件越多，从 命令发出地点到接收地点的距离越长( 如大型车) ，节约导线的效果就越明显。不仅 如此，c a n 总线能够方便地实现整车数据共享，使汽车的性能全面优化和高水平 智能化。 本课题所研究的c a n 总线汽车门窗控制系统，系车身控制系统的部分。本 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 文研究c a n 总线在汽车门窗控制系统中的应用，旨在提高驾驶及乘坐的便捷性， 可以在驾驶员位置控制全车的车窗玻璃升降、车门门锁的锁止和打开及左右后视 镜的调节，满足了人们对驾乘便捷性的要求。另外，研究本课题是为了减少线束 的长度和重量。采用c a n 总线之后，各个受控对像不需直接和中央控制器连线， 只需从本控制节点处通过双绞线挂在c a n 总线上即可。例如，左、右后门节点通 过双绞线挂接到总线上之后，即可和中央控制节点通信，可以实现中央节点对后 门车窗玻璃升降、后门锁开闭的控制，而不必每个受控元件各自和e c u 相连。 总之，研究本课题的目的在于减少车身冗余线束和满足人们对便捷性和舒适 性的要求，c a n 总线具有卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，因此，已经 在汽车工业、航空工业、控制安全防护、嵌入式网络等领域得到了相当多的应用。 1 3 2 本文研究的主要内容 本课题是进行基于c a n 总线的汽车门窗控制网络系统的设计，即采用c a n 总线技术，利用微控制器实现对车门、车窗、后视镜及行李箱的控制。通用的车 门车窗控制功能是本系统的研究对象，在不改变车体结构的同时，可以大幅度简 化车内布线。在门窗网络控制系统中，由于应用了c a n 总线技术，能够共享中央 节点发送的信息，不仅节约成本，而且有效实现了资源共享。系统响应时间短， 可靠性和响应速度完全达到了汽车电子设备的设计标准。硬件与软件的结合组成 了基于c a n 总线的汽车门窗控制网络系统，它使门窗系统的控制简单化，并且大 大减少了车内线束总量，这种优越性必然使c a n 总线的应用日趋广泛。 本设计在众多的车载网络标准中选取了性能可靠、容错能力强、时间特性好、 可扩展性强的c a n 总线作为研究对象，将c a n 总线应用于车门控制系统，用集 成化的总线系统取代电动玻璃升降器、中控门锁、后视镜调节等单项控制功能。 本文对这一研究过程所做的主要工作有以下几点： 研究了c a n 总线的通信协议和通信原理 制定了门窗控制系统的方案 设计了硬件电路，画出了系统原理图和p c b 板电路图 对门窗控制系统进行了相应的软件设计 采取了一些软硬件抗干扰措施 4 重庆大学硕士学位论文2 汽车c a n 总线技术及相关器件 2 汽车c a n 总线技术及相关器件 2 1 车载网络概述 车载网络的作用 车载网络是指借助双绞线、同轴电缆或光纤等通讯介质，将车内众多的控制 模块( 或节点) 联结起来，使若干传感器、执行机构和e c u 公用一个公共的数据通 道，通过某种通讯协议，在网络控制器的管理下共享传输通道和数据【6 】。车载网络 是汽车内部各e c u 之间进行信息交互的桥梁，车载网络应用技术与全球同步，目 前与汽车动力、底盘和车身密切相关的车载网络主要有c a n 、l i n 和f l e x r a y 。从 全球车载网络的应用现状来看，通过2 0 多年的发展，c a n 已成为目前全球产业化 汽车应用车载网络的主流。 车载网络不仅可以减少线束，而且能够提高各控制系统的运行可靠性，减少 冗余的传感器及相应的软硬件配置，实现各子系统之间的资源共享，便于集中实 现各子系统的在线故障诊断。可大大降低设计成本，缩短设计周期，提高经济效 益。 车载网络的分类 汽车网络技术从二十世纪八十年代提出以来，至今已经出现了许多侧重功能 不同的汽车网络标准，为方便研究和设计应用，二十世纪九十年代中期s a e 把车 用网络分为a 、b 、c 三类。最近几年，随着汽车电子技术的高速发展，世界各大 汽车公司、电子元器件及各科研机构根据电子技术和汽车应用的发展推出了许多 新的车用通信协议，到目前为止大约有4 0 多种，现在已经难以将基于这些新协议 的网络都归类到s a e 定义的3 类网络中去。综合考虑功能和位传输速率等因素， 现有的汽车通信网络大致可划分为4 类【7 8 】，沿袭s a e 分类，又新划分d 级网络。 其中， a 类网：为面向传感器、执行器的低速网络，l i n 、1 呼a 为主流协议，数据 传输的速率通常是l k b p s 1 0 k b p s 。主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控 制。 b 类网：为面向数据共享的中速网络，其主流协议是c a n ( i s o1 1 8 9 8 - 3 ) 、s a e j 1 8 5 0 、v a n 等协议，数据传输的速率为1 0 k b p s 1 2 5 k b p s 。主要应用于车辆信息 中心、故障诊断、仪表显示等系统以减少冗余的传感器和其他电子部件。 c 类网：为面向实时控制的高速网络，其主流协议为高速c a n ( i s o1 1 8 9 8 - 2 ) 、 t t p c ( t i m e t r i g g e r e dp r o t o c 0 1 ) 、f l e x r a y 等协议，最高速率可达1 m b p s 。主要应 用于悬架控制、发动机电控单元、自动变速器等。 重庆大学硕士学位论文 2 汽车c a n 总线技术及相关器件 d 类网：主要面向乘员安全系统及多媒体、导航等。主要应用于车辆被动安 全性领域及信息系统。通信媒体一般采用光纤或铜线，因为此两种介质传输的速 度非常快，能满足信息系统的高速化需求。 2 2c a n 总线技术简介 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是德国博世公司在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和抗干扰性。c a n 经过多次 修订，于1 9 9 1 年9 月形成技术规范2 0 版本。该版本包括2 0 a 和2 0 b 两部分。其 中2 0 a 给出了报文标准格式，2 0 b 给出了报文标准和扩展两种格式。推出2 o b 是 为了满足美国汽车制造商对c 类网应用的要求。1 9 9 3 年1 1 月国际标准化组织正式 颁布了c a n 国际标准i s o1 1 8 9 8 ，为c a n 标准化、规范化的推广铺平了道路【9 】。 2 2 1c a n 总线的特点及位数值表示 c a n 总线的特点 c a n 总线属于串行通信网络，与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信 具有突出的性能、可靠性、实时性和灵活性【l o 】，其特点可以概括如下： 1 ) 通讯方式灵活，c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主 动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，且无需站地址等节点信息。 2 ) 在报文标识符上，c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同 的实时要求，传输时延得到保证，优先级高的数据最多可在1 3 4 p s 内得到传输。 3 ) c a n 采用非破坏性的基于优先级的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线 发送信息时，优先级低的会主动退出发送，而优先级高的节点可不受影响的继续 传送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其在网络负载很重的情况下也 不会出现网络瘫痪情况。 4 ) c a n 只需通过对报文标识符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。 5 ) c a n 总线传输速度快，在传输距离小于4 0 m 时，最大传输速率可达1 m b s 。 6 ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；不同节点使用 不同的d 识别符与不同的d a t a 发送与自身相连的信号源状态。 7 ) 采用短帧结构，每帧信号含有的数据段8 b y t e s ( 字节) 信，息( c a n 2 0 a 与 c a n 2 0 b ) 而且占用总线时间很短、受干扰概率低、数据量大，从而保证了通讯的 实时性。 6 重庆大学硕士学位论文2 汽车c a n 总线技术及相关器件 8 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果，保 证了通信数据的可靠性。 9 ) c a n 的通信介质可选择双绞线、同轴电缆或光纤，选择十分灵活。 1 0 ) c a n 采用非破坏性的基于优先级的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线 发送信息时，优先级低的会主动退出发送，而优先级高的节点可不受影响的继续 传送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其在网络负载很重的情况下也 不会出现网络瘫痪情况。 c a n 总线的位数值表示 c a n 总线的通信线路由两根导线组成，分别为c a n h 和c a n l ，这两根导 线也就是c a n 网络中的总线。网络中所有的节点都挂接在该总线上，并且都通过 这两根导线交换数据。 c a n 总线上用“显性”( d o m i n a n t ) 和“隐性”( r e c e s s i v e ) 两个互补的逻辑值 表示“0 ”和“1 ”。当总线上出现同时发送显性和隐性位时，其结果是总线值为显性。 如图2 1 所示，v c a n h 和l 为c a n 总线收发器与总线之间的两接口引脚，信 号是以两线之间的差分电压形式出现。在“隐性”状态下，差分电压v d i f 近似为0 。 显性位以大于一个最小阂值的差分电压表示。 v 图2 1 总线位的数值表示 f i 薛1c a n b u sv a l u ei n d i c a t i o n 间t c a n 总线上的数据按位串行传输，其传输速率可在5 k b p s 1 m b p s 之间选择， 在速率为5 k b p s 时传输距离可为达1 0 k r n ，在速率为1 m b p s 时的传输距离为4 0 m 。 当然，挂接在同一条总线上的所有节点都必须采用相同的传输速率1 1 1 。 2 2 2c a n 协议简介 c a n 协议的分层结构 7 重庆大学硕士学位论文2 汽车c a n 总线技术及相关器件 c a n 分为物理层和数据链路层，数据链路层又包括逻辑链路子层l l c 和媒体 访问子层m a c 。而在c a n 技术规范2 0 a ，数据链路层的l l c 和m a c 子层服务 和功能被描述为目标层和传输层【l2 1 。c a n 的分层结构和功能如图2 2 所示： 1 ) 物理层( p h y s i c a l l a y e r ) 定义信号是如何实际地传输的，因此涉及到位定时、 位编码解码、同步解释。物理层的作用是在不同的节点之间根据所有的电气属性 进行位的实际传输，同一网络的物理层对于所有的节点是相同的。 图2 2c a n 的分层结构 f i 9 2 2c a np r o t o c o ln e t w o r kl a y e r i n gc o n s t r u c t i o n 2 ) 数据链路层( d a t a l i n kl a y e r ) 包含以下两个子层： 介质访问控制子层m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r o ls u b l a y e r ) 是c a n 协议的核心。 它把接收到报文提供给l l c 子层，并接收来自l l c 子层的报文。逻辑链路子层 l l c ( l o g i c a l l i n k c o n t r 0 1 ) 责报文滤波、过载通知、以及恢复管理。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。 c a n 总线的通信规则 c a n 总线总是基于以下5 条基本规则进行通信协调的【1 3 2 0 】： 重庆大学硕士学位论文2 汽车c a n 总线技术及相关器件 1 ) 总线访问：c a n 是共享媒体的总线，它对媒体的访问机制类似于与以太网的 媒体访问机制，即采用载波监听多路访问( c a r r i e r w a v es e n s em u l t i p l ea e e e s s ) 的方 式。c a n 控制器只能在总线空闲时开始发送，并采用硬同步，所有c a n 控制器 同步都位于帧起始的前沿。为避免一步时钟因累计误差而错位，c a n 总线中用硬 同步后满足一定条件的跳变进行重同步。所谓总线空闲，就是网络上至少存在3 个空闲位( 隐性位) 时网络的状态，也就是c a n 节点在监听到网络上出现至少3 个 隐性位时才开始发送。 2 ) 仲裁：当总线空闲或呈隐性电平，此时任何一个节点都可以向总线发送一个显 性电平作为一个帧的开始。如果有两个或两个以上的节点同时发送，就会产生总 线冲突。c a n 总线解决总线冲突的方法比以太网的c s m c d 方法有很大的改进。 以太网是碰撞检测，即一旦检测到两个或多个节点同时发送信息帧时，所有发送 节点都退出发送。而c a n 是按位对标志符进行仲裁：各发送节点在向总线发送电平 的同时，也对总线上的电平进行读取，并与自身发送的电平进行比较，如果电平 相同则继续发送下一位，不同则说明网络上有更高优先级的信息帧正在发送，即 停止发送，退出总线竞争。剩余的节点则继续上述过程，直到总线上只剩下一个 节点发送电平，总线竞争结束。优先级最高的节点获得总线的使用权，继续发送 信息帧的剩余部分直到全部发送完毕【1 4 】。 3 ) 出错标注：当检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，检测出错条 件的c a n 控制器将发送一个出错标志。 4 ) 编码解码：帧起始域、仲裁域、控制域、数据域和c r c 序列均使用位填充技 术进行编码。在c a n 总线中，每连续5 个同状态的电平插入一个位与它相补的电 平，还原时每5 个同状态的电平后的相补电平被删除，从而保证了数据的透明。 5 ) 超载标注：一些c a n 控制器会发送一个或多个超载帧以延迟下一个数据帧或 远程帧的发送。 2 3 报文传输 2 3 1 帧格式 有2 种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同：含有1 1 位标识符的 帧称之为标准帧，而含有2 9 位标识符的帧称之为扩展帧。以c a n 2 0 b 协议为代 表，简单的介绍一下在常用的c a n 控制器寄存器中c a n 数据帧的格式。如本论 文所采用的c a n 控制器s j a l 0 0 0 及c a n 控制器芯片p 8 x c 5 9 1 均是这种格式。 c a n 2 0 b 标准帧格式 c a n 标准帧信息为11 个字节，包括两部分：信息部分和数据部分，前3 个字 节为信息部分，后8 个字节为数据部分，如表2 1 所示。其中，字节1 为帧信息， 9 重庆大学硕士学位论文2 汽车c a n 总线技术及相关器件 第7 位( f f ) 表示帧格式，在标准帧中f f = 0 。第6 位( r t r ) 表示帧类型，r t r = 0 表 示数据帧，r t r = i 表示远程帧。d l c 表示在数据帧时实际数据长度，即长度代码。 字节2 、3 为报文识别码，1 1 位有效。字节和1 1 为数据帧的实际数据，远程帧无 效。 表2 1 标准帧格式 t l b l e 2 1t h ef o r m a to fs t a n d a r df r a m e c a n 2 0 b 扩展帧格式 c a n 扩展帧信息为1 3 b ，包括两部分：信息部分和数据部分，前5 个字节为信 息部分，后8 个字节为数据部分，如表2 2 所示。 表2 2 扩展帧格式 t a b l e 2 2t h ef o r m a to fe x p a n d i n gf r a m e 其中：字节1 为帧信息，第7 位( f f ) 表示帧格式，在扩展帧中，f f = i ；第6 位( r z r ) 表示帧的类型，r t r = 0 表示为数据帧，r t r - 1 表示为远程帧；d l c 表示在数据帧时 实际的数据长度。字节2 5 为报文识别码，2 9 位有效。字节6 1 3 为数据帧的实际 数据，远程帧时无效。 2 3 2 帧类型 报文传输有以下4 种不同类型的帧 1 1 = 数据帧( d a t af r a m e ) ：将数据从发送器传输到接收器。 l o 重庆大学硕士学位论文2 汽车c a n 总线技术及相关器件 远程帧( r e m o t ef r a m e ) ：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识的数 据帧。 错误帧( e r r o rf r a m e ) ：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 过载帧( o v e r l o a df r a m e ) ：有在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。 数据帧和远程帧可以使用标准帧和扩展帧两种格式，它们用一个帧间间隔与 前面的帧分开。 数据帧 数据帧( d a t af r a m e ) 由以7 个不同的位域( b i tf i e l d ) 组成：帧起始、仲裁 域、控制域、数据域、c r c 校验场、a c k 应答场、帧结