（信号与信息处理专业论文）基于canlin总线的车灯控制的故障诊断系统研究.pdf

兰筌鎏垩三查主三耋堡圭兰竺兰兰 基于c a n l i n 总线的车灯控制的 故障诊断系统研究 摘要 随着汽车电子技术的发展，汽车控制系统中大量的控制信号需要实时交 换处理，传统的线束已经远远不能满足这种信息传输要求，因而汽车网络应 运而生。c a n l i n 总线不但可以满足汽车电子控制装置之间的通信需求， 而且其成本较低，因此，以c a n l i n 总线为基础的总线式车身控制成已经 被较为广泛的应用。 本文对基于c a n l i n 总线的车灯控制的故障诊断系统进行了研究。首 先，分析了c a n 2 0 b 总线和l i n l 2 总线的基本知识和协议，其次，从 c a n l i n 总线车身控制系统的基本拓扑结构和工作原理入手，提出了车灯 控制系统的整体解决方案，并且对车灯控制电路可能产生的故障进行诊断， 实现总线和车灯故障提示，同时还介绍了电路设计中所用的芯片的性能，最 后，对系统的软件设计给出设计思想及主要流程图。完成设计工作之后，在 实验室所搭建的车灯控制平台上进行了调试，试验表明，控制效果良好，可 以准确地对控制中发生的故障进行诊断，具有较好的可靠性 本文所提出的基于c a n l i n 总线的车灯控制的故障诊断系统的解决方 案，对车身控制中的其他部分有着借鉴意义，为以后的车门、车座、雨刷等 装置的控制提供了参考模型。总之，无论是从汽车模块化的发展趋势上，还 是从本身的可操作性上，c a n l i n 总线在汽车电子领域都有着广阔的应用 前景。 关键词车灯控制；c a n 总线；l i n 总线；故障诊断 堕玺堡登三查兰三兰竺圭兰堡堡兰 ： d i a g n o s i ss y s t e mr e s e a r c ho f ac a r l i g h tc o n t r o l b a s e do nc a n l i nb u s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , i ti sn e c e s s a r y f o rv a d e so fa u t o m o b i l ec o n t r o ls y s t e m st oe x c h a n g es i g n a l si nt h er e a l - t i m e 1 1 1 e t r a d i t i o n a lh a r n e s s e sc a l ln o ts a t i s f yt h i si n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nq u e s t s o p e o p l et u r nt ot h ev e h i c l el a n i na l lo ft h e s ev e h i c l el a n c a n l i nb u sw i t h h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s tc a ns a t i s f yt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e t w e e n v e h i c l eb o d yc o n t r o le l e c t r o n i cu n i t s t h e r e f o r ei th a s b e a p p l i e dt h a tb o d y c o n t r o lb a s e do nt h ec a na n dl i n ad e s i g no fd i a g n o s i ss y s t e mr e s e a r c ho fac a l l i g h tc o n t r o lb a s e do n c a n ，l i nb u si sp r o p o s e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h ee l e m e n t a r yt h e o r i e sa n d p r o t o c o l o fc a n 2 0 ba n dl i n l 2b u si s i n t r o d u c e d s e c o n d l y , 1 1 1 eb a s i c t o p o l o g ya n dt h e o r yo ft h ev e h i c l eb o d yc o n t r o l s y s t e mb a s e do nt h ec a n l i n b u si si n t r o d u c e d t h i st h e s i sp r e s e n t sa l lo v e r a l ls o l u t i o nt ot h ec a rl i g h tc o n t r o l s y s t e m ，d e s i g n sah a r d w a r ec i r c i u t ，a n da n a l y s e st r o u b l e sm a yh a p p e ni nt h ec a r l i g h tc o n t r 0 1 a tt h es a m et i m e ，t h em a i nc h i p sa n dt h e i rp e r f o r m a n c e su s e da r e i n t r o d u c e db r i e f l y f i n a l l y , t h ed e s i g np h i l o s o p h ya n dm a i nf l o wc h a r t so ft h e s o f t w a r ef o rt h es y s t e ma r ep u tf o r w a r d a f t e rt h es y s t e md e s i g ni sf i n i s h e d ，i ti s d e b u g g e do nt h ea u t o m o t i v el i g h tc o n t r o lp l a t f o r mi nt h el a b o r a t o r y , a n dt h e r e s u l tp r o v e st h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yi sq u i t eg o o da n dt h es y s t e mc a n d i a g n o s e a l lf a u l t sm a y h a p p e ni nt h ee a rl i g h tc o n t r 0 1 i nt h i st h e s i s ，t h ed e s i g ns c h e m eo fd i a g n o s i ss y s t e mr e s e a r c ho fae a rl i g h t c o n t r o lb a s e do nc a n l i nb u sc a nb ea sar e f e r e n c em o d e lo fo t h e rs e c t i o n so f t h eb o d yc o n t r o ls y s t e m s ，f o re x a m p l e ，t h ed o o r s ，t h es e a t s ，t h es c r e e nw i p e r se t c i naw o r d c a n l i nb u sh a st h ee x t e n s i v er e s e a r c hf u t u r ei nt h ef i e l do f a u t o m o b i l e e l e c t r i o n i c s ，w h e t h e r o nt h e d e v e l o p i n g t r e n df o ra u t o m o b i l e e l e c t r o n i cm o d u l a r i z a t i o no ro nt h eo p e r a b i l i t yo fc a n l i nb u si t s e l f 1 1 竺j ：堡垩三奎耋三茎堡圭茎堡丝兰 k e y w o r d s a u t o m o t i v el i g h tc o n t r o l ：c a nb u s ：l i nb u s ：d i a g n o s i s n i - 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 近年来，随着电子技术的不断发展，汽车的设计也发生了很多的改变。随 着汽车功能的不断完善，各种电子装置和器件在汽车中的应用越来越多。汽车 电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是 衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技 术措施。汽车制造商认为增加汽车电子设备的数量、促进汽车电子化是夺取未 来汽车市场的重要的有效手段。 据统计，从1 9 8 9 年至2 0 0 6 年，平均每辆车上电子装置在整个汽车制造成 本中所占的比例由1 6 增至2 7 以上。些豪华轿车上，使用单片微型计算机 的数量已经达到4 8 个，电子产品占到整车成本的5 0 以上，目前电子技术的 应用几乎已经深入到汽车所有的系统。 按照对汽车行驶性能作用的影响划分，可以把汽车电子产品归纳为两类： 一类是汽车电子控制装置，汽车电子控制装置要和车上机械系统进行配合使 用，即所谓“机电结合”的汽车电子装置；它们包括发动机、底盘、车身电子控 制。例如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子 控制悬架、电子控制自动变速器、电子动力转向等，另一类是车载汽车电子装 置，车载汽车电子装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装置，它和汽车本 身的性能并无直接关系。它们包括汽车信息系统( 行车电脑) 、导航系统、汽 车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备等口1 【”。 汽车中各种功能的不断完善，使汽车电子控制单元越来越多，控制装置的 数量和复杂性也不断增加，庞大的线束不但会占去大量的车内空间、增加系统 成本，同时也降低了系统的可靠性和可维护性 4 1 。传统的控制方案和布线方法 已不能适应汽车技术发展的需要，为了减少连接导线的数量和重量，繁琐的现 场连线正在被单一简洁的现场总线网络所代替。而现场总线技术的不断发展和 其内容的不断丰富，使各种控制、应用功能与功能块、控制网络的网络管理、 系统管理等内容不断扩充，现场总线已经超出了原有的定位范围，不再只是通 信标准和通信技术，而成为网络系统和控制系统。通讯线将各种汽车电子装置 连接成为一个网络，通过数据总线发送和接收信息，这样电子装置除了独立完 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 成各自的控制功能外，还可以为其它控制装置提供数据服务。由于使用了网络 化的设计，简化了布线，减少了电气节点的数量和导线的用量，使装配工作更 为简化，同时也增加了信息传送的可靠性。通过数据总线可以访问任何一个电 子控制装置，读取故障码对其进行故障诊断1 5 1 1 6 1 ，使整车维修工作变得更为简 单。 目前，我国汽车电子技术基本已经达到国外9 0 年代水平，但主要还是靠 技术引进来实现的，而且主要集中在动力总线系统上，车身总线系统的研究在 我国仅仅是处于起步阶段，因此，通过消化、吸收国际主流总线技术和标准， 研究和开发自己的汽车总线与网络应用系统，这对于缩短我国同国外汽车电子 技术的差距，提高自身的核心竞争力有着重要的意义，对于改造和振兴东北老 工业基地更有着特殊的重大意义。 1 2 总线概述 汽车网络是计算机网络技术和工业现场总线控制技术在汽车中应用的结 果。所谓现场总线是应用在生产最底层的一种总线型拓扑的网络，进一步讲， 这种总线是用作现场控制系统的、直接与所有受控( 设备) 节点串行相连的通信 网络。汽车网络控制是研究如何利用总线数据通信原理实现现代汽车中各个独 立电子系统和控制装置闯控制信息传递通道的简洁互连，实时、可靠的数据交 换及综合协调控制的一门最新技术。它是以科学、合理的数据通信协议及支持 这样协议的大规模集成电路器件为基础的，是汽车行业发展的必然结果。 车辆网络技术的研究最早开始于2 0 世纪6 0 年代末期，受技术和成本等问 题的限制，到2 0 世纪9 0 年代在国外中高档车上已经普遍应用了汽车总线网络 技术，应用领域主要集中在发动机、变速箱等动力与传动系统；车身控制系 统、底盘悬挂系统、汽车主被动安全系统、车载多媒体系统等领域。随着电子 技术的发展，汽车电子控制采用网络化设计成本大大降低，缩短设计周期，其 经济效益是十分明显的。为此最初只属于高档车的网络概念，现己逐步扩展到 大批量生产的经济型车上。今天网络化的电子系统已成为所有级别汽车中至关 重要的部件。以下是对汽车中用到的几种网络总线的简单介绍。 一般来说，汽车通信网络可以划分为四个不同的领域，每个领域都有其独 特的要求。现有的主流汽车总线协议都无法适应所有的要求： 信息娱乐系统：此领域的通信要求高速率和高带宽。有时会是无线传输， 目前主流应用协议有媒体导向系统传输协议( m o s t ) ，它是目前车载信息娱 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 乐系统普遍接受的高速通信协议。m o s t 基于t s o o s i 七层网络模型设计，物 理层由光纤通信组件构成，具有很好的抗干扰性，设计传输速率可达 1 5 0m b p s ( 目前产品可达2 5m b p s ) 。还有一种正在推出的协议为i d b 1 3 9 4 ， 它是从i e e e1 3 9 4 标准演化而来的另一种支持车内信息娱乐系统的高速通信协 议。i d b 1 3 9 4 可以达到4 0 0m b p s 或更高的传输速率，而且i e e e1 3 9 4 也是一 种很成熟的通信协议，已经有很多设备支持。这些都是i d b 1 3 9 4 的优势，然 而由于m o s t 受到更多厂商的支持，包括一些软件开发商的支持，可以预计 m o s t 将会在汽车工业中进一步扩张势力。 高安全的线控系统( ) ( b y w i r e ) ：由于此领域涉及安全性很高的刹车和 导向系统，所以它的通信要求高容错性、高可靠性和高实时性。可以考虑的协 议有t t c a n 、f l e x r a y 、r r p 等，它们无一例外地都采用了时间驱动的机制。 在时间驱动的系统里，信息的发送由预先设立好的时间表确定，所有的节点都 知道什么时间该发送，什么时间该收取；信息收发的不确定性仅仅是时间同步 的误差，而这个误差通常可以控制在非常小的范围内。这一特点使时间驱动的 通信网络成为线控汽车通信网络的必然选择。 车身控制系统：在这个领域c a n 协议已经有了二十多年的应用积累，其 中包括传统的车身控制和传动装置控制；c a n 协议是串行协议，能够有效地 支持具有高安全等级的分布实时系统。c a n 是一个多主机系统，所以它设计 了高效率的仲裁机制来解决传输冲突问题，具有高优先级的系统总能优先得到 总线的使用权。c a n 还同时使用了其它一些防错手段，能够判断出错的节点 并及时关闭之，这样就在很大程度上保证了总线的可靠性。c a n 的传输速率 和总线长度相关，最高可以到lm b p s ，一般车内使用的速率是5 0 0k b p s 到 2 0 0k b p s 。且c a n 多年来作为车身控制的主干网已经形成了从i c 设计到软 件开发和测试验证的完整产业链，而且它还将在新的汽车主干网行业标准确立 之前一直充当这一角色。 低端控制系统：此系统包括那些仅需要简单串行通信的e c u ，比如控制后 视镜和车门的智能传感器以及激励器等，这应该是l i n 总线最适合的应用领域 ”】。在车内，还有许多e c u 的控制并不需要c a n 这样高速率和高安全的通 信，本地互联网络( l r n ) 就是为适应这类应用而设计的低成本解决方案。l i n 是一个公开的协议，它基于s c f u a r t 串行通信的格式，结合了汽车应用的特 点。l i n 是单一主机系统，不但降低了硬件成本，而且定义了物理层、数据层 和相关的应用软件层，这些都为l i n 方案提供商解决了设备兼容的问题，很有 利于汽车工业的规模生产。相信l i n 协议会是汽车低端控制网络的未来标准 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 8 1 。图1 1 唧是目前各种总线在汽车中的应用分布，该图能够更直接准确地显示 出l n ，l 矾总线在汽车中的重要应用。 图1 - 1 汽车网络系统 f i g 1 1a u t o m o t i v en e t w o r ks y s t e m 1 3 国内外汽车总线研究现状 1 3 1 国外研究现状 早在2 0 世纪6 0 年代末，众多国际知名的汽车公司就积极致力于汽车总线技 术的研究及应用，如b o s c h 公司的c a n 、马自达的p a l m n e t 、德国大众的 a b u s 等。其中c a n 总线由于其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，现已成为汽车总线的主流技术和标准。由于c a n 总线具 有突出的可靠性、实时性和灵活性，因而得到了业界的广泛认同和运用，并在 1 9 9 3 年正式成为国际标准和行业标准，被誉为“最有前途的现场总线”之一。以 c a n 为代表的总线技术在汽车上的应用不但减少了车身线束，也提高了汽车的 可靠性。在国外现代轿车的设计中，c a n 已经成为必须采用的技术，奔驰、宝 马、大众、沃尔沃及雷诺等汽车都将c a n 作为控制器联网的手段。1 9 9 8 年，汽 车制造商奥迪( a u d i ) 公司、宝马( b m w ) 公司、戴姆勒克莱斯勒 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( d a i _ “e r c h r y s l e r ) 公司、沃尔沃( v o l v o ) 汽车公司、大众( v o l l 【s 、】v a g e n ) 汽车 公司、通信领域的专业厂商火山通信技术( v c tv o l c a n oc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g i e s ) 公司以及半导体生产商摩托罗拉( m o t o r o l a ) 公司共同创建了 l i n 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。 允许在此基础上开发汽车低端网络系统，并且不需要使用者支付使用费或版 税。 在世界范围内，总线技术实际应用还只是刚刚起步，各个产品正在陆续推 出，而且大多用在自动变速箱的控制上和组合仪表的显示驱动上，属于小范围 的局部总线系统。 1 3 2 国内研究现状 在中国经济保持快速、稳定的环境下，我国的汽车产业今年迎来一个新 的发展阶段，中国己经成为全球第四大汽车制造国。汽车产业的快速发展，为 汽车市场的消费提供了保障。据预测，至u 2 0 l o 年，中国的轿车拥有量将达到1 亿辆。这个数字背后，人们可以看到汽车是继彩电、冰箱、洗衣机之后的又一 个耐用消费品。 目前，国际汽车巨头纷纷将更多的电子信息技术设备装备到其整车中，在 国外，中高档轿车采用的电子信息设备己经达至l j 3 0 0 o - 5 0 ，在一些高档车上， 这个比率还要高。在电子信息技术设备供应商方面，也纷纷将下一个经济增长 点定位在汽车电子产业上。摩托罗拉、英特尔、微软、德州仪器、飞利浦、西 门子等这些过去为其他行业和产品提供技术支持的厂商，早已经做好了准备， 有些产品己经为汽车提供了新的“动力”。 在跨国公司加紧与国内企业合资生产整车的同时，美国通用和福特、德国 大众、日本本田和丰田也在加紧寻找中国企业在汽车电子产业方面的合作。然 而，中国的汽车电子企业发展却极不平衡。一方面我国汽车电子产业抓住跨国 公司建立全球汽车零部件采购体系的机遇，正突破原有集团、部门属地的界 限，进行新的整合。另一方面，一些长期以来靠国家政策影响的汽车零部件企 业的确遇到了前所未有的困境。虽然汽车电子市场逐步成为新的经济增长点， 但由于国内汽车电子业目前尚处于起步阶段，规模化大生产还没有形成。而 且，国内汽车厂大多是合资企业，由外方掌握着技术的决策权，所使用的电子 产品也多由外方配套商提供，国内自主开发的电子产品很难进入其配套体系， 这严重影响了国内汽车电子产业的发展。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 当今，电子控制、计算机、通信等技术的迅猛发展，使汽车电子产品技术 和产品的开发日新月异汽车电子化已被视为衡量一个国家汽车工业发展水平 的重要标志。不言而喻，我国汽车电子产业与国外同行业相比在技术和产品方 面还存在较大的差距。据介绍，目前发达国家的高级轿车电子产品装备量已超 过整车价值3 0 以上，我国只占不到2 0 。因此“十五”期间积极引进国外先进 技术，并与国内的电子信息产业和其他产业形成战略联盟，以振兴我国的汽车 电子产业就成了当务之急。 中国加入w t o 之后，将逐步取消对组装轿车的国产化要求，实现轿车零 部件的全球采购。在这个大背景下，也为我国汽车电子产业的发展提供了新的 机遇和挑战。随着五年过渡期的即将结束，国外汽车电子技术的优势势必对我 国汽车工业的发展产生重大影响和巨大冲击。为了能在未来全球化的市场竞争 中占据一席之地，必须把握汽车电子技术发展的趋势，以此明确我国汽车电子 发展的目标。按照我国汽车电子技术发展规划，进入2 1 世纪后汽车电子技术可 达到国外9 0 年代水平，届时将会有大量智能电子控制单元被引入。为缩短同国 外汽车技术间的差距，提高自身的竞争力【l o 】【1 1 1 ，加速合资企业国有化进程，单 纯靠技术引进不利于长期发展，消化、吸收、研究和开发具有自主知识产权的 汽车网络技术及应用系统已势在必行。 汽车车身网络系统的发展将为中国汽车电子产业带来了很好的机遇和切入 点，它降低了企业的进入门槛。借助具备l i n 或c a n 总线接口的单芯片方案， 缩短了企业开展车身电子研究的周期，降低了企业进入汽车电子配套市场的门 槛；提高汽车使用的舒适度，拓展汽车增值空间。过去利用手工控制机械装 置，例如车内空调环境控制、锁、车窗、座椅、内部和外部照明、后视镜、雨 刷等子系统，都可以通过基于c a n 或l i n 总线的车身网络系统连接起来，从而 有机会将原来要手动操作的部件改为电控，逐步实现中低档轿车和轻型货车车 身控制装置的机电一体化。 1 4 本文研究内容 论文研究的主要内容分为四个章节，两个部分。第一部分( 第一、二章) 内 容主要深入介绍了国际汽车网络技术的发展和c a n l i n 总线通讯协议；第二 部分( 第三、四章) 内容则提出了基于c a n l i n 总线的车灯控制的故障诊断系 统的硬件设计和软件设计。 本项目在实验室构造了一个基于c a n l i n 总线的车灯控制的故障诊断系 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 统，在总线类型选择上采用目前国际主流的c a n 和l i n 总线协议，符合c a n 2 0 b 协议和l i n l 2 协议，整个网络共有8 个节点，分别为c a n 总线控制器节 点、中央控制器节点、右前灯节点、右后灯光节点、左前灯节点、右前灯节 点、右转向灯节点、左转向灯节点。 完成软硬件的设计之后，再在实验室搭建的车灯驱动控制平台上进行运行 测试。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章c a n l i n 总线的结构与协议分析 2 1c a n 总线的结构与协议分析 2 1 1c a n 总线的特点 由于采用了许多新技术及独特的设计，c a n 总线与一般的通信总线相 比，她的数据通信具有突出的可靠性，实时性和灵活性。其特点可概括如下： 1 c a n 是到目前为止唯一有国际标准的现场总线。 2 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。 3 在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实 时要求，优先级高的数据最多可在1 3 4 邺内得到传输。 4 c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现 冲突时，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( 以太网可能) 。 5 c a n 节点只需通过对报文的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。 6 c a n 的直接通信距离最远可达1 0k m ( 速率5k b p s 以下) ；通信速率最 高可达1m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 一 7 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。在标准 帧报文标识符有1 l 位，而在扩展帧的报文标识符( 2 9 位) 的个数几乎不受限 制。 8 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率 极低。 9 c a n 的每帧信息都有c i 比校验及其他检错措施，具有极好的检错效 果。 1 0 c a n 通信的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 1 1 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上 其他节点的操作不受影响。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 c a n 总线具有较高的性能价格比。它结构简单，器件容易购置，每 个节点的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工 具。 c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的。不 过，其模型结构只有三层，即只取o s i 底层的物理层、数据链路层和应用层。 由于c a n 的数据结构简单，又是范围较小的局域网，因此不需要其他中间 层，应用层数据直接取自数据链路层或直接向链路层写数据，结构层次少，有利 于系统中实时控制信号的传送i ”】1 1 3 1 1 “l 。 2 1 2c a n 总线的模型结构 c a n 技术规范的目的是为了在任何两个c a n 器件之间建立兼容性。可是， 兼容性有不同的方面，比如电气特性和数据转换的解释。为了达到设计的透明 度以及实施的灵活性，根据i s o o s i ( i n t e m 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 e t i o n ) 参考模型，c a n 被细分位以下不同的 层次： 1 应用层 2 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) ( 1 ) 逻辑链路控制子层( l l c ，l o 画c a ll i n kc o n t r 0 1 ) ； ( 2 ) 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 0 1 ) 。 3 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ( 1 ) 逻辑链路控制子层( l l c ) 的作用范围如下： ( 2 ) 为远程数据请求以及数据传输提供服务； ( 3 ) 确定l l c 子层接收的报文中哪些报文实际上被验收，为恢复管理和过 载通知提供手段。 介质访问控制子层( m a c ) 是c a n 协议的核心，它的作用主要是传送的规 则，即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，也就 是控制帧的结构、执行仲裁、错误检测、错误的标定、故障的界定。总线上什 么时候开始发送新报文及什么时候开始接收报文，均在m a c 子层里确定。位 定时的一般功能也可以看做是m a c 子层的一部分。自然，对于m a c 子层是 不允许修改的。 物理层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、同步的解释，在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。同 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 一网络的物理层对于所有节点当然是相同的。c a n 协议的层结构见图2 1 。 彳 应用层 数据链路层 逻辑链路控制子层l l c 验收滤波 过载通知 恢复处理 一f 应用层 介质访问控制子层m a c 监督器 f 数据包装解包 i 帧编码 a 表示层 o 7 54 v e t v 黜= 低；p c a 8 2 c 2 5 0 切换到普通工作模式，普通工作模式可以是高速 模式或低斜率模式，由连接到r s 的电阻决定1 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 下面是合适的斜率控制电阻r 鼬的阻值 0q r 1 8k q高速模式v r s o 3 v e e 1 6 5l d l r 1 4 0k o 斜率控制模式1 0 肛a 1 黜q 0 0 肛a 在本设计中，采用p c a 8 2 c 2 5 0 所进行的电路设计如图3 2 所示。 v d d 图3 - 2p c a 8 2 c 2 5 0 电路图 f i g 3 - 2c i r c u i to f p c a 8 2 c 2 5 0 m c 3 3 3 9 9 芯片是f r e e s c a l e 公司生产，专用于l i n 的单线物理接口器件。 该器件的功耗非常低，可控制外部稳压器，完全符合l i n 规范，抗干扰能力 强，是一种高性能的模拟器件，适用于比较复杂的工作环境。 m c 3 3 3 9 9 具有8 个引脚，各引脚的功能说明如表3 1 所列： 表3 - 1m c 3 3 3 9 9 引脚与功能 t a b l e3 - 1m c 3 3 3 9 9p i n sa n df u n c t i o n s 引脚号引脚名功能 lr x d 接收数据输出端 2e n 使能端 3w a k e 唤醒端，使芯片从睡眠中唤醒 4t x d 发送数据输入端 5g n d 地 6l i n l i n 总线接口端 7v s u p电源端 8r n h 外部稳压器控制端 m c 3 3 3 9 9 的工作模式由使能端e n 来控制，当e n = i ，电路处于正常工作 状态，此时由t x d 引脚到l i n 总线以及由l i n 总线到r x d 引脚的两条传输 路径均被激活。当e n = 0 ，芯片进入睡眠或低功耗模式，两条传输路径被禁 止。睡眠模式下，l i n 弓l 脚可通过上拉电阻和上拉电流源保持在高电平 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 v s u p ，并通过v s u p 引脚经电源向芯片提供静态电流( 典型值为2 0 衅) 。 m c 3 3 3 9 9 的l i n 引脚用于完成单线收发功能，t x d 引脚则用于控制l i n 引脚 的输出状态，工作时，这两引脚的状态始终保持一致。而r x d 引脚则可用来 显示l i n 总线的状态，l i n 总线呈现高电平( 隐性) 时，r x d 为高；反之， l i n 总线为低电平( 显性) 时，r x d 为低。r x d 输出为典型的c o m s 推挽输 出结构。 在本设计中，m c 3 3 3 9 9 的具体应用电路如图3 3 所示。 闰3 - 3m c 3 3 3 9 9 主节点电路 f i g 3 - 3c i r c i u to f t l l em a s t e r sn o d ew i t l lm c 3 3 3 9 9 目前汽车使用的电源系统是1 2v 系统，蓄电池的电压范围一般为9 1 5 v 。由于m c 6 8 h c 9 0 8 g z l 6 需要5v 电源，因此，在中央控制器模块中需要一 个电源管理模块满足电源电压的转换。英飞凌公司提供的电源半导体产品能很 好地管理电源子系统的各方面。 在本设计中，c a n l i n 模块的硬件电路均采用的是英飞凌公司的 t l f a 2 6 4 电压调节器作为电源，应用电路如图3 - 4 所示。 v b a t u 3v d d 图3 - 4t l e 4 2 6 4 电源电路 f i g 3 - 4p o w e r c r c i mow i t l lt l e 4 2 “ 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 综上所述，设计的结构框图如图3 5 所示。另外中央控制器有对l i n 总线 电位的监控电路，通过三极管的通断来实现对物理总线状态的定时监控。图3 7 是中央控制器实际电路板。 图3 - 5 中央控制器结构图 f i g 3 - 5s t r u c t u r ed i a g r a mo f c e n t e rc o n t r o l l e r 图3 - 7 中央控制器电路板 f i g 3 - 7c e n t e rc o n t r o l l e rc i r c u i tb o a r d 2 4 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 3c a n 总线控制器硬件电路 在该设计模块中采用的还是f r e e s c a l e 公司的带嵌入c a n 协议的 m c 6 8 h c 9 0 8 g z l 6 ，只要在中央控制器的结构上去掉l i n 收发器部分就行。在 其对c a n 总线故障诊断电路上，我们采用两个a ，d 采集引脚来对总线的电位 进行采集。其他部分这里不再重复。 3 4l i n 从节点硬件电路 l i n 从节点模块主要是用来接收来在中央控制器发出的l i n 报文信息，完 成解码，获得控制信息，并且根据获得的控制信息对相应的车灯进行控制，同 时采集车灯工作时其输入、输出和故障诊断引脚的电平，进行故障分析，并向 中央控制器发送分析结果。 在硬件电路上，由于车灯控制系统中六个灯控模块的功能几乎相同，所以 六个车灯模块的硬件电路设计结构相同。在微控制器的选择上，这里采用了 m c 6 8 h c 9 0 8 q l 4 ，该芯片中有集成了s l i c 模块，它可以在任意时间、以任何 l i n 总线速度都能够实现同步，可以用于与中央控制器进行通迅。s l i c 模块主 要负责接收符合本节点要求的l i n 信息，同时m c 6 8 h c 9 0 8 q l 4 根据接收到的信 息要求通过功率驱动芯片对车灯进行控制，并且采集驱动电路的的电位信号进 行分析，并发送给中央控制器。m c 3 3 3 9 9 是l i n 总线收发器，将l i n 逻辑信号 转化成物理电平。由于q l 4 芯片的工作电压为5v ，所以采用t l e 4 2 6 4 为系统提 供5 v 的电源。 在车灯的驱动电路上，根据我们采用的车灯分为5 5w 、2 1w 和5w 三种 功率。这里我们采用英飞凌公司生产的b t s 6 1 4 3 d 、b t s 7 2 4 g ，这两款功率驱 动芯片是专门用于车灯信号驱动，b t s 6 1 4 3 d 和b t s 7 2 4 g 结构框图见图3 - 8 和 图3 - 9 。b t s 6 1 4 3 d 和b t s 7 2 4 g 是英飞凌公司设计的n 沟道f e t 功率管，内 部集成充电泵，电流驱动，并具有负载电流检测的故障反馈功能( 包括过载、 过温和短路检测等) ，是一款集成了s i p m o s 。片上技术的高边智能功率开关芯 片d 【”1 。 b t s 6 1 4 3 d 和b t s 7 2 4 g 适用于汽车电子苛刻的工作环境，其工作的温度 范围可从- 4 0 至+ 1 5 0 。采用1 2v 或2 4v 负载控制，适用于各种阻性负 载、感性负载或容性负载，尤其适用于具有高浪涌电流的负载，如车灯等，可 以作为继电器、保险丝等控制方法的替代方法。b t s 6 1 4 3 d 和b t s 7 2 4 g 的特 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 性见表3 2 和3 3 。b t s 6 1 4 3 d 上只有一路功率开关，只能带一路负载， b t s 7 2 4 g 上有四路功率开关，能带4 路负载。此外，b t s 6 1 4 3 d 和b t s 7 2 4 g 还具有多项保护功能：短路保护、过载保护、过压保护、过温关断、掉地和掉 电保护、静电放电保护和电源反接保护等。 图3 - 8b t s 6 1 4 3 d 内部结构 f i g 3 8t h es t r u c t u r eo f b t s 6 1 4 3 d 表3 2b t s 6 1 4 3 d 特性 t a b l e3 2t h ec h a r a c t e d s n co f b t s 6 1 4 3 d 特性标号数值 工作电压 v b b ( o n ) 5 5 3 8 v 开态电阻 r o n1 0 m o 标称电流 i l f n o m ) 8 a 负载电流 i l ( i s o ) 3 3 a 电流限制i l l 2 ( s c ) 7 5 a 竺玺鋈量三查主三耋堡圭竺堡兰三 图3 9b t s 6 1 4 3 d i 内部结构 f i g 3 9t h es t r u c t u r eo f b t s 6 1 4 3 d 表3 3b t s 7 2 4 g 特性 t a b 】e3 3t h ee h a r a c t e r i s t l eo f b t s 7 2 4 g 特性标号数值 工作电压 v b b 5 5 4 0 v 活动通路l 路 4 路 开态电阻r o n9 0 m q2 2 5 m q 标称负载电流 i l r n o m ) 3 3 a7 3 a 电流限制 i l ( s c o 1 2 a1 2 a 2 7 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 这里可以根据不同的功率选用不同的芯片进行驱动。电源电压为1 2v 时，b t s 6 1 4 3 d 可以驱动5 5w 功率的车灯，b t s 7 2 4 g 可以驱动2 1w 和5w 功率的车灯。且可以通过对其输入、输出和故障诊断引脚的电平进行测量达到 故障诊断的目的。在进行输出引脚电压检测时，采用了一个由n 忆9 0 4 设计的 电压跟随器，由于电压跟随器对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状 态，这样就实现了检测端和驱动电路的隔离。图3 1 0 是从节点的结构框图，而 图3 1 1 和图3 1 2 是大功率车灯的控制电路原理图和实际电路板，图3 1 3 和图 3 1 4 是小功率车灯的控制电路原理图和实际电路板，该电路板面积只有3 7 平 方厘米，与传统的控制方式相比既节省了空间，又提高了可靠性，这也是采用 l i n 总线进行低速控制的重要原因之一。 功率驱动 b t s 6 1 4 3 e 或 牛车蓠医 _ _ b t s 7 2 4 g 图3 1 0l i b 从节点结构图 f i g 3 - 1 0s t r u c t u r ed i a g r a mo f l i n s l a v e sn o d e s 图3 1 2 大功率车灯控制电路板 f i g 3 1 2h i g h - p o w e rl i g h tc i r c u i tb o a r d 竺垒堡矍三查耋三兰丝圭兰堡丝耋 图3 - l l 大功率车灯控制电路原理图 f i g 3 - 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f h i g h - p o w e rl i g h tc o n t r o lc i r c u i t 图3 一1 4 小功率车灯控制电路板 f i g 3 1 4l o w - p o w e rl i g h tc i r c u i tb o a r d - 2 9 - 图3 1 3 小功率车灯控制电路原理图 f i g 3 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f l o w - p o w e rl i g h tc o n t r o lc i r c u i t 3 5 本章小结 本章中给出了中央控制器，c a n 总线控制节点和l i n 从节点的设计电路 及采用的各种器件的介绍。在设计各个模块硬件电路时，还考虑了在车灯控制 系统可能发生的故障，如车灯和总线的短路、断路，芯片过热等，为了能实现 故障报警，以提高行车安全，这里还通过工作过程中电位的采集来判断系统是 否发生故障。 另外，对系统所采用的方案给予介绍，方案中采用了模块化和层次化的设 计思想，使设计更趋于合理化、实用化。方案的设计还考虑到了以后功能的扩 展，为以后增加功能打下基础。 最后根据提出的设计方案及选用的芯片，分别给出了系统中中央控制器模 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 块、c a n 总线控制节点和u n 从节点的硬件原理图及实际的电路板图。 通过本章可以清楚地了解整个车灯驱动控制系统从设计思想、器件选型到 最终原理图的完成得整个过程。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第4 章车灯控制及故障诊断系统的软件设计 4 1 功能介绍 在车灯控制系统设计中主要完成三个功能：一是通过中央控制器实现 c a n l i n 总线之间的信息交换；二是实现l i n 子节点对车灯的控制功能；三 是实现对车灯故障的诊断。 由于本设计仅处于试验阶段，并未与国际标准的汽车用c a n l i n 标准相 接轨，故其中所用i d 标识符为实验方便而自己定义的。 设计中，i d 标识符我们分为c a n 和l i n 两部分定义，将中央控制器的 在c a n 总线中d 标识符定义为o ) ( 5 5 ，c a n 总线控制器的标识符i d 定义为 0 x 3 3 。而l 1 n 网络中的六个从节点，各节点的m 场分别是0 x 5 0 、0 x 1 1 、 0 ) 【9 2 、0 ) 【c 3 、0 x d 4 、0 x 9 6 。在车灯控制系统中，中央控制器根据开关量和 c a n 总线控制器发送过来的