（光学工程专业论文）基于lin总线的汽车车灯控制系统研究.pdf

摘要 汽车网络技术是计算机网络技术与工业现场总线控制技术在汽车中应用的结果。随着汽车自 动化程度的提高，车内布线困难的问题越来越突出。汽车网络的出现不仅解决了日益复杂的线束 布置问题，同时也给汽车的优化控制带来了质的飞跃。在我国，汽车网络技术起步较晚，开发拥 有自主知识产权的汽车网络技术产品势在必行。 本文首先概述了汽车网络技术，然后重点介绍了c a n 和l i n 两种车身网络常用协议，接着 对控制系统及其主要器件做了比较详尽的介绍。 在实际的应用开发过程中，本文基于c a n 总线和l i n 总线设计了汽车车灯控制系统，详细 介绍了控制系统的硬件电路和软件设计。最后，对该系统进行了系统仿真。结果表明本文设计的 硬件结构和软件是切实可行的，网络运行可靠，性能良好。 关键词：汽车通讯网络；c a n 总线：l i n 总线；灯光控制 a b s t r a c t v e h i c l en e t w o r kt e c h n o l o g yi st h er e s u l to fc o m p u t e rn e t w o r ka n df i e l db u st e c h n o l o g yu s e di n t h ea u t o m o b i l e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o n ，t h el e n g t ho fl i n ei nt h ea u t o m o b i l eg e t sv e r yf a s t g r o wa n dl a yo u tb e c o m e sv e r yd i f f i c u l t t h ev e h i c l en e t w o r kt e c h n o l o g yn o to n l ys o l v e st h ei s s u eo f l a yo u t ，b u ta l s oo p t i m i z e st h ec o n t r o lo fv e h i c l e i n o u rc o u n t r y , t h er e s e a r c ho fv e h i c l en e t w o r k t e c h n o l o g ys t a r tv e r yl a t e s ow es h o u l ds p e e du pt h ed e v e l o p m e n to fo u tv e h i c l en e t w o r kt e c h n o l o g y a tt h ef i r s to ft h i sp a p e r , t h ec a rn e t w o r ki si n t r o d u c e di nb r i e f s e c o n d l y , w ei l l u s t r a t e dt w ob o d y n e t w o r k s ：c a na n dl i np r o t o c o l sa tl e n g t h t h i r d l y , w ed e t a i l e d l yi n t r o d u c et h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h e p r i m a r ya p p a r a t u s a f t e r w a r d s ，i nt h ec o u l f s eo fd e s i g na n da p p l i c a t i o n ，w ed e s i g n e dt h ec o n t r o ls y s t e mo f a u t o m o t i v el i g h t s t h e n ，w ei l l u m i n a t e di t sh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r ei nd e t a i l a tl a s t ， w ee m u l a t e dt h es y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h eh a r d w a r ec i r c u i ta n d s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ean e t w o r kt h a to p e r a t e sw e l li sc o n s t r u c t e d k e y w o r d s ：c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si nv e h i c l e ；c a nb u s ；l i nb u s ；l i g h tc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的论文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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 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了谢意。 研究生签名： 。p 整薮 时间：妒f年珀z 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名： 婶娄莛 时间：，年月2 日 导师签名 时间：) 啊召年 月2 日 1 1 研究背景和发展状况 第一章绪论 在传统的汽车中，汽车电器系统中仅有开关和执行器等简单设备，并且电器信号的连接是通 过线束实现的。随着汽车中电子部件数量的增加，线束的数量也在成倍上升。在1 9 5 5 年平均一 辆汽车所用线束的总长度为4 5 米，而到了2 0 0 2 年，平均一辆汽车所用线束的总长度却达到了4 千米。线束的增加不但占据了车内的有效空间、增加了装配和维修的难度、提高了整车成本，而 且妨碍整车可靠性的提高。这无形中使汽车研发进入了这样一个怪圈：为了提高汽车的性能而增 加汽车电器，汽车电器的增加导致线束的增加，而线束的增加又妨碍了汽车可靠性的进一步提高。 此外，汽车上大量电子设备的控制需要来自其它部件的信息，这就需要建立车内电子设备间的通 信以实现数据共享和信息融合。这样汽车内的传统线束已经不能够满足通信的要求。随着计算机 技术、网络通讯技术、集成电路技术的飞速发展，以全数字式现场总线为代表的现场控制仪表、 设备大摄应用，使得繁琐的现场连线被单一简洁的现场总线网络所代替，为工业现场控制用户带 来巨大好处。目前，已形成h a r t 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n b u s 及l i n b u s 等多种现场总线协议。 同时电子技术的迅速发展为汽车世纪带来了全新的概念。为简化现代汽车中大量智能传感器和执 行元件与电子控制单元，以及多个电子控制单元之间进行的复杂的信息传递和数据交换，汽车网 络应运而生。 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 装置之间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。和其他控制 现场相比，汽车内温度变化范围大，一般为4 0 8 0 摄氏度，电磁干扰和其他电子噪声强，环境 极其恶劣，冈此网络在车内运行的可靠性尤为重要。这不但体现在网络结构自身的容错能力和抗 干扰能力上，而且也体现在信号的编码方式上，汽车局域网无一例外的都采用了同步串行传输方 式，数据信号多采用p w m 、v p w 和n r z 编码。 众多国际知名汽车公司早在8 0 年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应用。迄今为止， 已有多种网络标准，如s a e 的j 1 8 5 0 、德国大众的a b u s 、博世的c a n 、美国商用机器的a u t o c a n 、 i s o 的v a n 、马白达的p a l m n e t 等。由世界上最人的汽车零部件供应商之一的德国b o s c h 公 司于九十年代初专门为汽车电子控制研发的控制其局域网c a n 协议为当前被各国汽车制造商普 遍认同的世界范围内的主流协议，被定位为国际标准。 c a n 作为汽车网络的总线标准已经成为主流，但是低速c a n 应用于车身控制所面临的最大 困难是成本高。由于车身控制网络底层设备多为低速电机和开关型器什，对实时性要求不高，但 是节点数目多，且分布分散，对成本比较敏感，因而致使低速c a n 仍没有在车身控制中得到广 泛应用。由a u d i 、b m w 等七家汽车制造商及m o t o r o l a 集成电路制造商联合提出的l i n 协议是 一种廉价的局部互连的串行通信网络协议，它主要应用于分布式汽车系统中的智能变换器节点 上，同样也可以应用丁t 业通信中。l i n 是一种新型的低成本汽车车身总线，由l i n 组成的网络 可通过l i n 主控节点连至上层网络如c a n 总线网络，为现有的c a n 等网络提供附加功能。在 总线的带宽要求不高的场合( 比如智能传感器和制动装置之间的通讯) ，使用l i n 总线可大大节 省成本。在汽车网络中，l i n 总线的目标定位是作为c a n 的辅助总线，用于车身控制网络的低 端场合，实现汽车车身网络的层次化，以降低汽车网络的复杂程度，保持最低成本。 1 2 课题研究的主要内容 汽车上的车灯大致分为两类：1 ) 照明灯：如前照灯、雾灯、顶灯和牌照灯等，其要求是照 明要好，同时不应使对面来车和后车驾驶员眩目。2 ) 标志灯：如示廓灯、尾灯、制动灯、转向 信号灯、倒车灯等，其要求是必须对其他车辆的驾驶员、行人和交通警察给出明确的信号，且在 夜间能提供不眩目又具有一定亮度的照呼“。 汽车灯光系统不仅是现代汽车上的装饰之一，而且它对于保证行车安全具有重要意义。传统 汽车以及现代普通汽车的灯光系统一般都采用继电器直接驱动方式，这种驱动方式潜在的缺点 是：1 ) 继电器体积较大，因此在汽车这一空间有限的应用场合会造成潜在的安装不便；2 ) 继电 器本身是一种梁式结构，因此在吸合及断开时存在振颤现象，这不但会造成触点的烧蚀而且会有 很强的电磁辐射，对其他电气设备造成干扰；3 ) 不具有故障诊断功能，一旦出现故障，不知道 是什么原因造成的故障，不便于维修【2 】。 本课题使用l i n 总线作为c a n 总线的补充来控制汽车车灯系统，实现车灯的开关控制和故 障诊断，同时用l c d 显示出车灯的故障信息。l i n 网络车灯系统中的节点之间通过l i n 总线进 行通讯，而c a n 总线则用于灯控模块与车身内部其它e c u 之间的通信。( 英飞凌 s a k - c 1 6 4 c i 8 e m 作为i a n 网络车灯控制系统的微控制器，l i n 总线收发器采用英1 s 凌t ie 6 2 5 8 系列l 1 n 收发器，供电电源电路采用英飞凌t l e 4 2 7 8 g - 电压调节器实现。) 该车灯模块具有以下一些特点：1 ) 不用继电器即可实现对汽车灯光的控制；2 ) 由于采用的 功率器件本身具有完善的保护功能( 开路或短路负载、内部结温过高、欠压，过压等) 。因此省去 了熔断丝和一些分立元件，减小了体积；3 ) 可实现故障诊断功能，不但可检测是哪一器件出现 了故障，而且可以知道是什么原因导致了这样的故障，因而便于维修；4 ) 采用为控制器输出p w m 信号来控制汽车车灯的亮、暗，不但可以节约能量消耗，而且可以延长灯泡的使用寿命。 图1 - 1 为汽车车灯控制系统的总体设计框图： 图卜1 系统总体设计框图 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 课题的研究内容为： 1 ) l i n 总线协议规范的研究应用； 2 ) 单片机s a k - c 1 6 4 c i 8 e m 的控制、通讯编程以及外围电路的设计； 3 ) 汽车车灯的工作方式； 4 ) 仪表盘车灯按钮的控制； 5 ) 模块与模块之间通过l i n 总线的信息传输； 1 3 研究的目的及意义 汽车网络技术的优点是：在统一应用层协议和数据定义的基础上，可以使之成为一个“开放 式系统”，具有很强的灵活性。对于任何遵循上述协议的供应商所生产的控制单元都可轻易加入 该网络系统中或者从网络系统中拆出，系统几乎不需要做任何硬件和软件的修改，这完全符合现 代汽车平台设计的理念。因此汽车电子控制采用c a n 及l i n 网络化设计可大大降低设计成本， 缩短设计周期。 我国在汽车电子方面的研究起步较晚，对应用于汽车领域c a n 及l i n 协议的研究尚属于起 步阶段，鉴于c a n 及l i n 在现代汽车电子化进程中的重要作用，自主研制支持c a n 及l i n 规 范的汽车电子产品，并使之尽快产业化，对于迎接我国汽车工业加入世贸组织后所面l 临的挑战具 有积极意义。为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长 期发展t 消化、吸收、研究和开发自己的汽车网络应用系统势在必行。 中国农业大学硕士学位论文 第二章车用阿络及总线协议分析 第二章车用网络及总线协议分析 2 1 汽车网络的分类 随着科技的进步和汽车丁业的发展，消费者对于汽车的安全性、舒适性的要求日益提高，同 时为了符合政府对排放、油耗日益严格的法规要求，需要更多的电子控制系统来实现所需功能。 为了完成这些复杂系统控制功能和提高信号的利用率，单元问需要交换大量的数据。这就需要利 用网络来协同工作和共享信息。二十世纪九十年代中期，s a e ( s o c i e t yo f e n g i n e e r i n g ) 根据汽车 控制不同层次功能的要求将车用通信网络分为三大类：a 、b 、c 类，另外它还保留了d 类网的 定义。 a 类 3 1 1 4 1 面向传感器、执行器的低速网络，该类网络对实时性要求不高，位速率一般在1 1 0 k b p s ，主要应用于电动门窗、座调节、灯光照明灯控制； b 类f 5 】【6 】【7 l 【8 l 主要面向独立模块间的数据共享，是中速网络，位速率一般为l o l o o k b p s ，该类 网络适用于对实时性要求不高的通讯场合，以减少冗余传感器和其他电子部件，主要应用于车辆 信息中心、故障诊断、仪表显示等系统； c 类p 1 面向高速、实时闭环控制的多路传输网，最高位速率可达i m b p s ，主要应用于悬架系统控 制、牵引控制、发动机控制和a b s 等控制，以简化分布式控制和进一步减少线束。 d 类口0 】主要面向多媒体、导航系统等，位速率高达i m b p s ，应用于更严格的实时控制场合及多 媒体控制。 t 陡 1 2 5 k 翮暇 图2 1汽车中的主要网络协议 图2 1 为现在主要运用的网络系统价格速度分布图，是一个定性分布。 4 c a 蛆 一避謦il葛_ig 中国农业大学硕士学位论文 第二章车用网络及总线协议分析 篁冒瞄曹奠皇囊薯蔓皇量墨墨舞囊攀i 皇墨墨邕一 2 2 常见网络拓扑结构1 1 1 】 2 2 1 几种网络拓扑结构 根据网络中节点的互连形式，较为常见的有星形、环形以及总线形。 一、星形拓扑 在星形拓扑结构中，每个节点通过点对点的方式连接到中央节点，冈此任何两个节点之间的 通信都必须通过中央节点。这类拓扑结构的主要优点是：每个节点具有自己的通信通道；新节点 的加入较为容易；由于该类网络结构不需要总线访问机制，所以使用该拓扑结构可以简化通信协 议；若是用光纤作为传输介质，网络的实现较为容易。缺点是：连接线总长较长。如果有n 个节 点，那么中央控制节点就需要n 个接口；由于任何两个节点的通信必须经过中央节点，一旦中央 节点出故障，整个网络系统就会处于瘫痪状态，无法实现通信。 二、环形拓扑 在环形拓扑结构中有许多中继器进行点到点的链路连接，使整个网络构成一个封闭式的环 路。中继器接收前驱节点发来的数据，然后按照原来的位传输速率一位一位地从另一条链路发送 出去。链路是单向的，数据沿着一个方向在环网上运行。每个节点通过中继站连接到网络中。由 于许多节点共享同一个环路，所以需要某种访问控制机制来确定每个节点何时向环网中发送消 息。与其它拓扑相比，环形网络可提供更大的吞吐量，适用于工业环境。但是在网络设备数量、 数据类型、可靠性方面存在某些局限。 二、总线拓扑 在总线拓扑中，传输介质为一条总线，= 甫点通过相应的硬件接口接至总线上。当一个节点发 送消息时，其他节点均可接收该消息。由于所有节点共享同一信道，因此任一时刻只允许一个节 点发送消息。该网络拓扑必须使用总线访问机制，这样当两个或多个节点同时准备发送信息时， 能确定哪个节点先获得总线访问权。该拓扑结构的主要优点有；节点互连及其连接器简单易实现； 一个节点脱离或者出故障不会影响网络中的其他节点；不需要中断网络的正常工作就可以实现网 络的扩展。该拓扑结构的主要优点是：如果在总线中没有转发器，那么总线的长度和节点个数将 受到限制；需要总线仲裁机制；如果使用光纤作为传输介质，那么网络实现的成本将会增加。 目前在汽车控制网络中使用最多的是总线拓扑结构。 2 2 2 介质访问控制方式 在总线和环形拓扑结构中，网络设备必须共享传输线路，为解决在同一时间有儿个设备同时 争用传输介质，需要有访问控制算法来协调各设备访问介质的顺序，在设备之间交换数据。 常见的有随机访问方式的c s m a c d ，控制访问方式的令牌总线、令牌环。 一、c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 任何工作站可以在任何时候、随意访问介质。同时在发送信息之前监听总线，采用坚持退避 的算法来避免冲突发生。这种方式控制简单，可靠性也较高，有实时控制特性。 二、令牌环访问控制方式 5 中国农业大学硕士学位论文 第二章车用网络及总线协议分析 令牌环是环形结构采用的访问控制方式。令牌方式是按照一定顺序在各站点传递令牌，谁拥 有令牌，谁就有发报文权利。每个站点知道信息的动向，保证较高的信息传输确定性。比较适合 在实时系统中使用。它对轻、重负载不敏感，但是单环环路出故障将使整个环路通信瘫痪，因而 可靠性比较低。 三、令牌总线访问控制方式 采用总线网络拓扑，网上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环。通过令牌控制帧调整访问介 质的权力。 令牌传递总线网络的正常操作比较简单。但是网络必须有初始化功能。当网络中的标志丢失， 或产生多个标记时，必须有故障恢复功能。另外还有一些附加的功能大大增加了令牌传递总线 访问控制方式的复杂性。 在以上几种访问方式中，相比而言c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) ，控制简单且 具有实时控制特性。c a n 总线正是采用此访问模式。 2 2 3 差错校验方式 在通信线路上传输信息时，由于噪声或瞬时中断等干扰，使接收端收到的信息出现概率性错 码。为提高通信系统的传输质量必须采取有效的检测错误方法。其中j “泛使用的是检错码方案。 常j ； j 的检错码有两类：奇偶校验码和循环冗余编码。奇偶校验方法简单，但检错能力差，一般只 用于通信要求比较低的环境。c r c 码检错能力强，容易实现，是目前应用最广的检错编码方式之 一。c a n 总线使用c r c 检错，并且和其他纠错方式合用，使错误率降到最低。 2 3 车用网络特点 分析车用网络特点时可看到，汽车要求使用安全、方便、操作简单、性能可靠，并且对价格 很敏感。汽车的应用环境义很差。潮湿、震动、尘土、油污、温度变化范围大以及强的电磁干扰 等恶劣工作环境，对电子装置及其之间的数据通信可靠性提出苛刻的要求。根据汽车的这些使用 要求和环境，必须车用电子系统应当考虑以f 因素：【l 2 j 1 、温度范围一般要求- 4 0 1 2 5 。 2 、油、水、尘十以及可能遇到的化学腐蚀物质的影响。 3 、机械振动、颠簸、冲击的影响。 4 、电磁兼容问题。系统必须有承受外来电磁干扰的能力和不对环境造成电磁干扰( 家庭环 境电磁场为3 v m - 1 ，丁厂为1 0 v m 一1 ，汽车环境电磁场人于2 0 0 v m 一1 ) 5 、可能的故障和可能的误操作。如电源反接、线头脱落、短路断路、摩擦等。 6 、事故发生时的保护措施或对安全的影晌充分考虑。 7 、批量生产成本。 汽车电子设备具有种类繁多并且信号性质也各不相同的特点，它的联网技术不同丁一般的计 算机网络。合理的拓扑结构对于优化网络性能、降低网络复杂性、增加可靠性及降低成本非常重 要。车上网络系统除了要满足信息共享阱外，它还要满足各功能子系统的实时性要求，通过信息 6 中国农业大学硬士学位论文 第二章车用网络及总线协议分析 曼鼻曼墨翻奠皇皇_ i i 自皇鲁暑囊皇目皇皇圈 的交换达到功能综合的目的。它特别强调网络的可靠性和实时性。汽车上的网络特点可归纳为： 通讯距离短、线路简单、子功能模块化好、扩充性要求高、网络复杂度要求低、可靠性要求高等。 通过对考虑车用网络的特点和常用的网络拓扑结构进行比较，可以看出总线型的结构是最适合车 用网络体系的。车用网络系统设计还需考虑一些问题： 1 、节点与总线的连接接头的电气与机械特性以及接头数最。 2 、网络系统和应用系统的评估与性能检测方法。 3 、容错和故障恢复。 4 、实时控制网络的时间特性。 5 、安装与维护中的布线。 6 、网络上节点的增加和软硬件更新。 传统汽车虽然与电动汽车具有一定的相似性，但驱动系统的不同决定了电动汽车在网络设计 时还需要考虑另外一些问题： 1 、电磁兼容性要好：因为电动汽车中强电部件多，电气开关会产生高频和中频干扰信号。 2 、传输可靠性要高：合理的e c l i 抗干扰措施、安装设计以及网络布线规划可以减少系统中 的不可靠因素。同时，通过通信协议的制定以及相应的软硬件设计。提高通信系统性能。 3 、e c u 之间的逻辑关系：通过对各e c l r 逻辑关系的详细分析，可制定合理的协议来体现它们 之间的约束关系，并提高通信的有效性。 由于电动汽车网络中驱动系统的数据多，实时性要求高，并且考虑到强电系统对弱电系统的 干扰问题，采用多总线的结构：驱动系统和车身系统分别使用不同传输速率的总线，这样既保证 了驱动系统的数据实时传输，又不会造成网络硬件成本的提高。 由世界上最大的汽车零部件供应商之一的德国b o s c h 公司于九十年代初专门为汽车电子控 制研发的控制其局域网c a n 协议为当前被各国汽车制造商普遍认同的世界范围内的主流协议， 被定位为国际标准。虽然c a n 作为汽车网络的总线标准已经成为主流，但是低速c a n 应用于车 身控制所面临的最大困难是成本高。车身控制网络底层设备多为低速电机和开关型器件，对实时 性要求不高，但是节点数目多，且分布分散，对成本比较敏感。l i n 是一种新型的低成本汽车车 身总线，由l i n 组成的网络可通过l i n 主控节点连至上层网络如c a n 总线网络，为现有的c a n 等网络提供附加功能。在总线的带宽要求不高的场合( 比如智能传感器和制动装置之间的通讯) ， 使用l i n 总线可大大节省成本。在汽车网络中，l i n 总线的目标定位是作为c a n 的辅助总线， 用于车身控制网络的低端场合，实现汽车车身两络的层次化，以降低汽车网络的复杂程度，保持 最低成本。 2 4 部分主流协议介绍 按照i s o 的定义，网络协议结构是层与协议的集合。每一层在其功能上是相互独立的，上层 与f 层之间在提供的服务上保持联系。 在计算机网络中，各层的功能定义如下： 1 ) 物理层的任务就是透明地传输比特流，其传送的基本单位是比特。物理层涉及在通信信 道上传输原始比特流的有关规程。 7 中国农业大学硕士学位论文 第二二章车用网络及总线协议分析 2 ) 数据链路层的任务是在两个相连节点间的线路上无差错地传送以帧为单位的数据。每一 帧包括数据和必要的信息。该层的主要功能是成帧、流量控制以及当帧的传输中出现差错时进行 政的重传。 3 ) 网络层关系到通信子网的运行控制。其主要功能是路由选择、拥塞控制、计费功能及异 种网络的互联。 4 ) 运输层的基本功能是从上层接收数据，并且在必要时把它分成较小的单元传递给网络层， 并确保到达对方的各段信息正确无误。运输层是真正实现端到端的最低层，通常该层向上层提供 两类服务：一类是可靠的面向连接的服务，通常称为虚电路服务；另一类是不可靠的无连接服务， 通常称为数据报服务。运输层也有流量控制，主要解决源端机和目标机之间的传输同步问题。 5 ) 应用层是原理体系结构中的最高层。它确定进程之间通信的性质以满足用户的需要。应 用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远地操作，而且还要作为互相作用地应用进程的用 户代理，来完成一些为进行语义上有意义的信息交换所必须的功能。应用层直接为用户进程提供 服务。当然，它不解决用户各种具体应用的协议。 上述各层的功能是针对计算机网络制定的，众所周知，计算机网络属于面向信息的网络。而 在汽车应用领域中，车用网络则主要面向控制。因此以上介绍的各层功能在车用网络中会有很大 的出入。下面开始基于以上基础介绍车用网络协议模裂。 2 4 1c a n 总线 1 3 控制器局域网( c a n ，c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是8 0 年代初b o s c h 公司为解决现代汽车 中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信协议，经多次修改，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。2 0 a 给出了曾在c a n 技术规 范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，而2 0 b 给出了标准( 1 1 位) 和扩展( 2 9 位) 两种报文格 式。1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具磺t 据信息交换高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准i s o l l 8 9 8 ，为控制器的标准化、规范化铺平了道路。此后，越来越多的美国汽车公司采 用c a n 网络。在1 9 9 4 年美国汽车工程师协会卡车和巴士控制和通信子协会选择c a n 作为1 1 9 3 9 标准( 在p 车和巴士中应用的c 类网络) 的基础。作为汽车网络协议c a n 的国际标准有：i s o 1 1 8 9 8 - 2 ( 高速c a n ) 、i s o1 1 8 9 8 - 3 ( 具有容错功能的c a n ) 和1 s o l l 8 9 8 - 4 ( t t c a n ) 。i ；t 前c a n 已经成为b 、c 类网络的世界标准。 c a n 总线通信接口继承的c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧 处理。c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。 数据帧的标识码可由1 1 位或2 9 位组成，c a n 2 0 b 规定在标识符的前七位不能同时为逻辑零，这 种按数据帧编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据。数据段长度最多为8 个字节， 可满足通常工业领域中控制命令、上作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会r 用过 长的总线时间，从而保证了通信的实时性。c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功 能，保证了数据通信的可靠性。它具有下列主要特征： 1 ) c a n 为多主方式工作，不分主从，通信方式灵活，通过报文标识符通信，无需占地址等 节点信息。 8 中国农业大学硕士学位论文 第二章车用网络及总线协议分析 2 ) 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。 3 ) 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，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a 4 ) c a n 只需要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，无需专门的“调度”。 5 ) c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k i n ( 速率5 k b p s 以下) 。 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；报文标识符可达2 0 3 2 种 ( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 1 3 ) 的报文标识符儿乎不受限制。 7 ) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。c a n 的每帧信息都 有c r c 校验及其他检错措施，降低了数据出错概率。c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关 闭输出的功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。 8 ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 2 4 2l i n 总线【1 5 】【1 6 j 【1 7 电控单元之间的通讯可根据通讯带宽和通讯速度的要求选择不同的通讯孵络。车身控制部分 的电控单元由于传输的数据量比较少且对实时性要求不高，所以采用a 类低速通讯网络即可。a 类网络主要用l i n 协议和s a e 的j 1 8 5 0 ，美国的g m 、f o r d 和c h r y s l e r 三大汽车公司曾试图使j 1 8 5 0 成为低端行业标准，但是由于其本身不是单一的标准，且包含了2 个不兼容的规程v p w w p m ，未能 被广泛接受。和j 1 8 5 0 相比，l i n 总线不仅能够完成j 1 8 5 0 的大多数功能，而且l i n ( l o c a l i n t e r c o n n e c tn e t w o r k 居于互连网络) 是一种低成本的总线网络，此外，l i n 标准除了定义传输 协议和传输媒体规范外，还定义了开发工具接口规范和用于软件编程的接口，在软件上保证了网 络节点的互操作性，可大大缩短开发周期和开发人员的工作量。因此l i n 可以广泛应用于汽车中 某些对通讯速率要求不高的场合，作为c a n 总线的辅助网络或子网络使用。 l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式 电子系统控制。在车上网络中，l i n 处了二低端，与c a n 以及其他b 级或c 级网络比较，它的传 输速度低、结构简单、价格低廉，与这些网络是互补的关系。i a n 的目标是为现有汽车网络( 例 如c a n 总线) 提供辅助功能。在不需要c a n 总线的带宽和多功能的场合，比如智能传感器和制 动装置之间的通讯，使用l i n 总线可大大节省成本。 l i n 技术规范中，除定义了网络数据传输协议( l i np r o t o c 0 1 ) 外，还定义了l i n 配置语言 ( l i n c o n f i g u r a t i o n l a n g u a g e ) 以及l i n 应用软件的接口( ( l 1 n a p i ) 。l i n 通讯是基于s c i ( u a r t ) 数据格式，采用单主控制器多从设备的模式，仅使用一根1 2 v 信号总线，和一个无固定时间基 准的节点同步时钟线。这种低成本的串行通讯模式和相应的开发环境已经由l i n 协会制定成标 准。l 1 n 的标准化将为汽车制造商以及供应商在研发、应f l j 、操纵系统降低成本。 下面是l i n 总线概念的一些关键特性： 物理层 一低成本单线 9 一增强的1 s 0 9 1 4 1 ，汽车电池供电 一最高速率2 0 k b i u s ( 由于e m c 所限) 数据链路层 一单主机，多从机 一无仲裁必要 一基于标准的u a r t s c i ( 或软件) 接口 一从机的自同步无需晶振或谐振器 一保证信号传输的延迟时间 网络层 一时间触发调度 收发器负责物理层的信号调节并处理1 2 v 信号。收发器的回转率控制和波形主要对系统的e m c 状态产生影响。 l i n 的主控制器一般作为一个网关，例如c a n 总线和l i n 总线之间的网关。 信息帧 l i n 总线使用单信息帧格式对节点进行同步和寻址并在它们之间交换数据。主机定义传输的速率 并发送信息帧头( 图2 - 2 ) ，该帧头一个同步间隔起始，之后的同步区使l i n 从机和主机位速率同 步。1 d 区是帧头的最后一部分，它包含了关于发送器、接收器和数据区长度的信息。 同步闻隔 。 同步区 。识别码。 数据 。 帆叽呻n 1 _ ：?i 图2 - 2l i f l 信息帧 在所有从节点同步之后主节点也可以成为从节点，懈释i d 区并执行相应的动作： 接收或发送数据或者什么也不做。响应包括2 、4 或8 个数据字节和最后面的校验和区。 有一个特殊的识别码用于将所有节点都设置为睡眠模式，以节省电池的电量。睡眠模式下所 有的总线活动都停止，直到任何一个节点向总线发出唤醒信号。 帧头和响应被帧内的响应区间隔所隔开。而信息帧被帧之间的间隔所隔开。这两个间隔的最 小宽度为0 。 2 4 2 1l | n 节点 l i n 主机 主机任务在l i n 总线主机节点上运行，它控制总线上所有的通信 定义传输速率( 2 k 2 0 k b i t s s ) ，由一个精确的参考时钟驱动 发送同步间隔 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第二章车用网络及总线协议分析 发送同步区 发送i d 区 监控并通过检查校验和验证数据的有效性 请求从机进入睡眠模式，当有需要时再将其唤醒 对从机的唤醒进行响应 m c u 卫区 图2 3 主机节点电路原理图 l i n 从机 从机任务最多在1 6 个从节点上运行，用于和l i n 总线相连。主节点也可以作为从节点。从机任 务下面这部分： 等待同步间隔 在同步区取得同步 解析识别码并作出相应动作 一什么也不做 一接收数据 一发送数据 检查发送校验和 苁玩苇x 一j 2 4 2 2l 川协议 圈2 _ 4 从机节点电路原理图 l i n 协议的分层结构定义了通信协议的物理层和数据链路层。数据链路层又分为逻辑链路控 制( l l c ，l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 和媒体访问控制( m a c ，m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 。l i n 网络中的 信息以帧为单位传输。每个帧包括3 个字节的控制与安全信息以及2 个或4 个获8 个字节的数据。 中国农业大学硕士学位论文第二章车用网络及总线协议分析 l i n 网络由一个主节点和多个从节点构成( 图2 5 ) ，主节点可以执行主任务也可以执行从任 务，从节点只能执行从任务。总线上的信息传送由主节点控制。在总线上信息的传送是有帧问间 隙隔开的信息帧序列： 从节点 l 从机任备l 田2 - 5l | n 网络结构 l 1 n 系统中，除了主节点命名之外，节点不使用任何系统结构方面的信息，这使l 1 n 具有具 有很多相关的优点。在l i n 系统中，加入新节点时不需要其他从节点作任何软件或硬件的改动。 l i b 和c a n 一样，传送的信息带有一个标志符，它给出的是这个信息的意义或特征，而不是这 个信息传送的地址。信息以广播的方式向网上发送，通过过滤对信息感兴趣的所有节点，可以马 上接收信息并对其作出反应。l i n 系统中，执行主任务的节点( 主节点) 发送信息的头( 主任务) ， 总线上的一个从任务响应这个头信息( 主任务) 。l i n 协议没有定义正确接收时的应答方式，当 主节点通过执行一个主任务开始一个信息传送后，从任务接收总线信息并检验信息的一致性。 l i b 系统总线的电气性能对网络结构有很大的影响。网络节点数不仅受标志符长度的限制， 而且受总线物理特性的限制。在l i n 系统中，建议节点数不要超过1 6 个，否则网络阻抗降低， 在最坏工作情况下会发生通信故障。l i n 系统每增加一 个节点大约是网络阻抗降低3 。每个节点与总线的接 口如图2 - 6 所示： l i n 总线上不同节点采用“线与”逻辑连接；电源 与l i n 总线间有一个二级管，它的作用是，当v b a t 为 低时( 本地节点断电或断路等) 防止l i n 总线驱动节点 的电源线( 这降大大增加总线负载) 。当总线上的电平 为低( 逻辑“0 ”，地电平) 时，传送的位为“显性位”； 当总线上的电平为高( 逻辑“1 ”，电源电平) 时，传送 的位为“隐性位”。 l i n 系统支持休眠工作模式。当主节点向网络上发 送一个休日民命令时，所有节点进入体眠状态，直到被唤 毒时 图2 - 6l i n 物理接口图 v b a t l 1 n 总线 0 n d 醒之前总线上不会有任何活动。这时总线处于隐性状态，节点没有内部活动，驱动器处于接收状 态。当总线上出现如何活动或节点出现任何内部活动时，节点结束休眠状态。当由于从节点内部 活动被唤醒时，输出一个唤醒信号( w a k e = u ps i g n a l ) 唤醒主节点。主节点被唤醒后开始初 中国农业大学硕士学位论文 第二二章车用网络及总线协议分析 始化内部活动，从节点要等到同步信号后才参与总线通信活动。 l i n 应用程序接口( l i n a p i ，l i n a p p l i c a t i o np r o g r a m m e r si n t e r f a c e ) 是由v c t 公司( v o l c a n o c 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 ) 开发的一个l i n 网络软件层，它是u n 标准的一部分。通过l i n a p l ， 应用软什可以方便地写入和读出网络节点上的数据。 2 5 网络管理【1 8 ”1 网络管理技术是伴随计算机技术、网络技术及通信技术的发展而发展的。一个有效的网络一 刻也离不开对网络的良好管理。所谓网络管理。指的是监督、组织、和控制网络通信服务和信息 处理所必需的各种活动的总称。它包括网络监视和网络控制两个方面。网络管理的目标是确保网 络的连续正常运行，当网络运行出现异常时能及时响应和排除故障。 网络管理有三种基本模式：集中式管理，层次式管理及分布式管理。集中式管理就是整个网 络设置一个网络管理中心，负责监视和控制整个网络的运行状态；层次式管理是按照网络的结构 组织形式进行分层，每层一个管理中心，同一层次上的管理中心地位等同，并响应上层管理中心 的询问和控制；分布式管理结合了以上两种模式的优点一般情况下是按照功能来分类，每个功 能域一个网络管理中心，各管理中心的地位相等，之间可以通信。 一般地，每个网络所采用的管理都有一个模型，该模型详细地描述了管理的实现机制及策略， 如o s i 的管理模型包括信息模型、组织模型、通信模型和功能模型。信息模型是指对被管理资源 参数数据结构的统一描述；组织模型是指网络中各设备在管理上充当的角色：通信模型基于系统 的通信体系结构，一般包括三种管理信息交换机制：应用管理协议、特定层管理实体之间的通信 协议及层与层之间接口和服务；功能模型把整个管理系统划分成五个功能域：配置管理、故障管 理、性能管理、安全管理和计费管理。s n m p 的管理模型则包括四个元素：管理工作站、管理代 理、管理信息库和网络管理协议。与o s i 管理模型比较，s m m p 中的管理工作站和管理代理相当 于o s i 的组织模型，其实现的功能就是o s i 的功能模型中规定的功能。管理信息库为信息模型的 实现，网络管理协议则对应于通信模型。为了方便对网络管理产生感性认识，这里给出s n m p 的 管理模型。如图所示。 由上图可知，网络管理协议位于运输层之上，属于应用层一类协议。但车用网络管理上与上 述网络管理有所不同，它是一个独立组件，与数据链路层、交互层及应用层均有关系。在车用网 络中，网络管理的主要功能是故障管理，较少涉及配置管理、性能管理及安全管理，更不可能涉 及计费管理。由于侧重点不同，且车用网络是面向控制的一类网络，因此其采用的策略与计算机 网络的管理策略有很大区别。 2 5 1c a n 网络管理策略 c a n 网络管理主要用来检测节点网络状态和网络当前状态。网络当前状态则是一套与本地 节点硬件工作状态和网络管理内部工作状态相关的信息。 c a n 网络共采用了三种间接网络管理监测机制相结合和方式： 1 ) 发送限期监测机制 中国农业大学硕士学位论文 第二章车用网络及总线协议分析 利用发送限期j i 矗测模式确定发送节点的状态：节点在每次周期性发送消息时在交互层设置一 个限期检测的定时器，如果在定时结束之前接收到网络层发来的“消息传输成功”的通知，那么 就将节点状态设置为“n o tm u t e ”状态，否则设置为“m u t e ”状态。按照经验，发送定时器的时 间设定值一般要考虑网络的负载状况。本设计设为 2 ) 接收限期监测机制 通过接收限期监测的模式来确定接收节点的状态：节点l 通过监测网络中其它节点某周期性 发送的应用信息来确定该节点的状态。如果在一个限期定时内没有接收节点k 的被监测应用消 息，那么网络管理就将节点k 的状态置为离线状态，否则置为在线状态。 在使用前面这两种监测机制时都需要设置限期监测时间。采用全局限期监测时间的优点就是 只需要较少的定时器资源。缺点是如果监测的应用消息有不同的传输周期( 从1 0 m s 到5 0 0 m s ) ， 用户必须选择晟长的时间周