（控制理论与控制工程专业论文）基于总线的车载信息系统的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着汽车工业的快速发展，车辆的人均使用率越来越高，驾驶证持有人数和交通事故 死亡人数都急剧增长，交通问题和安全问题都越来越多。为了解决日益拥挤的交通所带来 的各种问题，越来越多的车用电子设备投入使用，如汽车行驶记录仪、组合仪表、3 g ( g p s 、 g i s 和g s m ) 等等，另外为了提高驾驶的舒适度，一些先进的娱乐设备也开始安装在驾驶 室内。 本课题在尽可能多使用各种安全和舒适设备的情况下设计出一种基于总线的车载控 制系统，既降低了系统的复杂程度，又满足了现代汽车对信息质量和数量的要求。本系统 主要由两大部分构成：车载部分和上位机管理部分。上位机管理软件给用户提供了一个信 息分析平台，用户能够通过该软件平台接收车载部分采集的信息并对其进行系统的分析， 而且还能够用来完成对车载部分的简单设置。系统大致分析了系统车载部分的功能结构。 对其硬件结构和具体的信息采集进行了模块式分析，重点研究了c a n l i n 的配合使用方 法和具有记录仪功能的部分模块。 关键词：c a n ；l i n ；网关；汽车行驶记录仪；智能控制；v i s u a lb a s i c 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y ，m o r ea n dm o r ev e h i c l e sa t eu s e di n t r a f f i c ，t h en u m b e ro fd r i v e r sl i c e n s eh o l d e r sa n dt r a f f i ca c c i d e n td e a t h sg r o w sr a p i d l y ，t h e p r o b l e m sa b o u tt r a f f i ca n ds e c u r i t ya r ei n c r e a s i n g i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，m o r ea n d m o r ec a re l e c t r o n i ce q u i p m e n t sp u ti n t ou s e ，s u c ha sv e h i c l ed a t ar e c o r d e r ，c o m b i n ei n s t r u m e n t ， 3 g ( g p s ，g i sa n dg s m ) a n ds oo n ，a n dt oe n h a n c ed r i v i n gc o m f o r t a b l ec i r c u m s t a n c es o m e p i e c e so fa d v a n c e de n t e r t a i n m e n td e v i c e sb e g i nt ob ei n s t a l l e di nt h ed r i v i n gr o o m i nt h i si s s u e ，w ed e s i g n eac a rc o n t r o ls y s t e mb a s e db u s ，w h i c hl o w e r st h el e v e lo f c o m p l e x i t yo ft h es y s t e ma sw e l la ss a t i s f y i n gt h em o d e mc a r sr e q u e s to ft h eq u a n t i t ya n d q u a l i t yo fi n f o r m a t i o n 1 1 l i ss y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do ft w om a j o rs e c t i o n s ：c a rp a r t sa n dp c m a n a g e m e n tc o m p o n e n t t h ep cm a n a g e m e n ts o f t w a r ep r o v i d e su s e r sa ni n f o r m a t i o na n a l y s i s p l a t f o r m w i t ht h es o f t w a r ep l a t f o r m ，u s e r sc a nr e c e i v ev e h i c l ei n f o r m a t i o nf r o mt h ee a rs y s t e m a n dd e a lw i t hs y s t e mi n f o r m a t i o na n a l y s i st o o i ta l s oc a nb eu s e dt od os i m p l ep a r a m e t e r s i n s t a l l e di n t oc a rp a r t s s y s t e m sg e n e r a l l yi n t r o d u c e ds o m eo ft h ef u n c t i o n so fv e h i c l es y s t e m s t r u c t u r e ，d om o d u l a ra n a l y s i so fi t sh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds p e c i f i ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，f o c u s o nt h er e s e a r c ho fc o m b i n e du s em e t h o d sa b o u tc a n l i na n dt h em o d u l ew i t hr e c o r d e r f u n o t i o n k e y w o r d s ：c a n ；l i n ；g a t e w a y ；v e h i c l ed a t ar e c o r d e r ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l ；v i s u a lb a s i c 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章前言 随着科学技术的不断发展，我国的国家总体经济实力不断增强，汽车工业和交通运输 业迅速发展，汽车保有量、驾驶证持有人数和交通事故死亡人数都急剧增长，交通问题和 安全问题都越来越多。为了解决日益拥挤的交通所带来的各种问题，越来越多的车用电子 设备投入使用，如汽车行驶记录仪系统、智能控制系统、3 g ( g p s 、g i s 和g s m ) 系统等等， 另外为了提高驾驶的舒适度，一些先进的娱乐设备也开始安装在驾驶室内。合理的管理并 控制这些电子设备就成了一个比较有意义的研究课题。 1 1 研究的背景与意义 从2 0 世纪7 0 年代起，汽车行驶记录仪就开始出现并越来越广泛的投入使用，其设计制 造技术也越来越成熟。它是一种安装在车辆上并且能够全过程同步记录、监控车辆运行状 态、预防道路交通事故发生的交通安全管理产品。通过其记录的数据可以完成对事故成因 的准确分析，明确事故责任，同时也让大家对相同的情况提高警惕。在我国，随着经济的 发展，车辆拥有率越来越高，随之而来的交通事故数量也日趋增长，预防交通事故的发生， 实时监控驾驶员的驾驶行为，记录各种行车数据并能根据需要随时调出数据进行分析就显 得益发重要起来，汽车行驶记录仪安装的必要性越来越高。另方面，随着汽车电子技术 的进步，汽车安全防御技术也由被动安全逐步向主动安全发展，诸女h a b s 、e b d 、e s p 、t c s ( 常用于欧系车，日系车则还配有v s c 、t r c 等) ，被动安全技术与主动安全技术的应用进 一步减少了事故的发生率与事故发生所造成损失。 近年来，3 g ( g p s 、g i s 和g s m ) 系统也开始应用在汽车上。g p s ( 全球定位系统) 汽 车导航器是高科技产品，出现于9 0 年代中期；g i s ( 地理信息系统) 是配合g p s 来使用的， 记录行车所在地的详细道路信息；g s m ( 全球移动通信系统，也可使用g p r s ：通用无线分 组业务) 可以实现无线通信，配合其它的记录信息可以让驾驶员把实时行车信息上报至监 控中心，来方便全局调度。 交通日益复杂化使得驾驶员更容易疲劳，缓解驾驶员疲劳的舒适设备的安装就非常必 要。现代汽车都配有空调系统和人性化的座椅系统及多媒体系统，大量设备的安装使得简 化信息控制系统结构越来越重要。2 0 0 3 年，我国出台了专门针对汽车行驶记录仪的国家标 准国标g b t 1 9 0 5 6 - 2 0 0 3 ，给相关设备的研究提供了详细的标准，使得记录仪的推广更上 一个台阶。国家的大力支持是相关汽车电子设备的研发及上市使用一大助力，给以后的研 究提供了一个宽广的舞台。通过上面的介绍，可以看出各种汽车电子设备的安装都极有必 要，智能化汽车将会是未来的发展趋势，因此如何合理的设计车载信息系统就非常关键了。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 2 车载信息系统的设计概述 随着科学技术的发展越来越多的车用电气设备投入使用，使汽车电气系统成为一个复 杂的大系统，并且都集中在驾驶室控制。一方面，自国标g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 出台起，大量 汽车行驶记录仪大规模的投入使用；另一方面，随着近年来i t s 的发展，以3 g ( g p s 、 g i s 和g s m ) o “”为代表的新型电子通讯产品不断出现，这些都对汽车的综合布线和信息的 共享交互提出了更高的要求。从信息共享角度分析，现代典型的控制单元有电控燃油喷射 系统、电控传动系统、防抱死制动系统( a b s ) 、防滑控制系统( a s r ) 、废气再循环控制、 巡航系统和空调系统等。为了满足各子系统的实时性要求，有必要对汽车公共数据实行共 享，如发动机转速、车轮转速、油门踏板位置等。但每个控制单元对实时性的要求是因数 据的更新速率和控制周期不同而不同的，这就要求其数据交换网是基于优先竞争的模式， 且本身具有较高的通信速率，c a n 总线正是为满足这些要求而设计的。但是全部使用c a n 总线成本过高，而配合使用l i n 总线则可以在一定程度上降低成本，达到较高的性价比， 因此本文采用了c a n 、l i n “1 结合使用的方案。 本系统立足于现场总线技术和单片机系统控制技术，合理运用单片机系统的扩展功 能，设计出性能良好的集成电路，使得该系统成为精度满足要求、操作方便、功能齐全且 反应快速、移植分解性好的智能化信息系统。该系统主要分为五大部分：中央处理部分( 车 载控制中心) 、信息安全模块、舒适设备控制模块( 娱乐通信) 、智能安全控制模块以及简 易车身控制模块，简化结构图如下图1 1 。 无线通信模块li 智能求救模块lf 多媒体控制模块 车门模块 车灯模块 车顶模块 座椅模块 娱乐通信 | | | 恒 智能控制 信 息 安 全 仪表盘 记录仪系统 3 g 部分 智能报警模块 电喷模块l a b s 、a s r 等模块ll 其它电子控制模块 图1 1 系统功能简单框图 本文采取了对各模块独立设计然后综合控制的方法，使得各个模块既相辅相成又相互 独立，可移植性高。研究的重点在信息安全部分，该部分所要记录的信息包括了大部分的 行车参数“。其中重点研究实现了记录仪部分的功能，文中所涉及记录仪部分的技术指 标以国标为标准，具体情况如下： 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 信息记录功能 所要记录的信息很多，包括车灯控制、车灯故障、车内报警等开关量，以及车速、加 速度、油量、油压、气压、电压、制动气压、发动机转速等传感器参量；同时系统还要完 成对实时时间、日期及驾驶时间( 包括连续驾驶时间) 的记录，记录时间允许误差范围为 5 s 2 4 h 。 信息存储功能 系统能够对采集的各种信息进行分类，并合理的存储起来。系统能够保存不少于：3 6 0 小时每分钟行驶数据、2 0 0 条停车记录、2 0 0 条刹车记录、2 0 0 条疲劳驾驶记录、2 0 0 0 条行 车记录、2 0 0 0 条开关量记录。 信息显示功能 采用l c d 电子显示屏来显示一些相关信息，操作面板上设有相关的操作按键( 上、下、 菜单、确认) 。在按键操作下，可以切换显示车辆的实时行驶速度、实时时钟或驾驶员代 码、最近1 5 m i n 内每分钟的平均车速记录、最近2 个日历天内同一驾驶员连续驾驶时间超过 3 h 的所有数据记录等。 数据通信功能 实现单片机和p c 机之间的数据传输。配置两种标准接口：u s b m ( 通用串行总线) 标准 接口和标准r s 2 3 2 cd 型9 针接口，用来实现对各种参数和信息的输入与设定，以及实现向 外部设备输出信息。 p c 机的终端界面及数据库软件的设计： 可以完成对行车中所存储数据的接收，并存入数据库进行管理和进一步的处理；也可 以通过该软件来修改单片机内存储的一些参量( 设定初始参数，完成报警门限值的设定等) 1 3 论文主要研究工作 本设计立足于现场总线技术和单片机系统控制技术，采用c a n 、l i n 总线相结合的办 法来处理系统的信息传输问题。先把该系统分成几个部分分别研究介绍，然后再把各个部 分有机的结合起来。在如前所述的几个分支部分中，侧重研究了信息安全部分，在信息安 全部分中又详细研究了记录仪功能部分的设计，该部分完全依照国标规定进行设置。完成 了对实时时间和具体行车数据( 主要是车速) 的采集和处理，对相关的单片机与p c 机通 信、数据库终端软件做了详细的介绍。论文侧重介绍了系统中记录仪功能部分的软件和硬 件实现，同时也对单片机对整个系统的控制方法进行了说明。 器件选择从成本和功能两个角度出发共同考虑，最终采用了两块单片机a t 8 9 c 5 5 ( 一 主一从) 和铁电存储器f m 3 1 2 5 6 来实现系统功能。5 1 系列单片机是最常用的，性价比较高 且编程语言通用易懂，适用于大部分开发。铁电存储器是真正意义上的非易失性存储器， 写入速度高、无读写限制且功耗低，适用于多种接口方式，掉电后数据照常保存，非常适 合用于汽车行驶记录仪。但通常大容量的铁电存储器价格较高，故本文采用了两块单片机 同时工作，在提高处理效率的同时缓解存储压力。该设计使得一般容量的存储器就可以满 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 足设计需求。另一方面，当设计要求提高时也可以采用扩展f l a s h 存储器的方法来满足要 求，同时保持较低成本。软件设计方面，单片机上全部使用c 5 1 语言，p c 机终端软件则选 取v b 作为开发工具。 本文详细分析了行车中的各种参数，然后对各种参数进行分类以便存储和识别。首先 介绍了该研究的背景及意义，然后对整个系统进行了大体的阐述，把它分成几个具体的子 模块。接下来就是讨论各具体参数的功能及测量原理以便进行具体的规划，探讨了系统的 合理性必要性。紧接着就是系统的具体硬软件实现，介绍了各个模块的具体硬件实现及其 原理、p c 机软件终端的设计实现。最后对整个系统进行了总结，概述其优缺点和前景。 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 2 1 引言 第二章相关技术及主要参数介绍 近年来，越来越多的汽车电子产品投入使用，使得驾驶室内的布线结构越来越复杂， 所要测量记录的信息也越来越多，因此如何解决这两方面的问题就越来越重要了。总线技 术的使用可以大幅度的降低车辆中电子线柬的复杂程度，从成本和效率两方面出发，本研 究选择了配合使用c a n 、l i n 这两种总线来降低驾驶室的布线复杂程度并提高信息传输效 率。 车辆在行车过程中所涉及到的参数很多，既包含仪表所要记录的车速、里程、油量、 压力等，又包含车辆本身的一些实时状态如车门状态、车灯状态、车辆内部的空调座椅状 态以及一些智能控制单元的状态等。因此如何完备的记录并存储车辆的各种状态信息所 需要做的工作是非常多的，且在记录车辆本身信息的同时也要关注车辆与外界的交流情 况，以便得到正确的车辆参数，既方便驾驶员据此做出相应的反应又可以作为事后分析的 第一手资料。由于系统所要测量记录参数的复杂程度及其多变性，本文按照系统所分成的 各个模块来介绍各部分所涉及到的具体参数及其简单的测量记录原理与方法。 2 2 总线技术 随着电子技术的迅速发展及其在汽车上的广泛应用，汽车电子化程度越来越高，若仍 采用传统的点对点连线方式，则线束将十分庞杂，即占据了大量的空问也会因为繁多的节 点而使系统运行可靠性降低，另一方面在线束老化时不易检测替换容易造成安全隐患。为 了解决这种问题，汽车总线技术开始研发并投入使用。在汽车电子系统的网络化进程中， 有许多总线被开发出来，如c a n ，j 1 5 5 3 b ，v a n 、l i n ，m o s t 等，s a e 按照数据传输速率和应 用场合把汽车网络划分为a 、b 、c 、d 四类嘲“。c a n 和l i n 已经成为b 类网络和a 类网络中应 用较为广泛的主流总线，c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线是德国b o s c h 公司于1 9 8 3 年为汽车应用而开发的一种串行通讯协议，1 9 9 3 年成为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，它以其突出的 实时性、可靠性、灵活性和抗干扰性而备受青睐。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 ) 网 络即局部互连网络是一种将开关、显示器、传感器及执行器等简单控制设备连接起来的串 行通信网络，主要用于实现汽车中的分布式电子系统控制”n 2 1 。目前，各种总线技术尤其 c a n 、l i n 两总线技术已经在世界许多著名汽车厂商的车型上得到了广泛应用。l i n 是面向 低端通信的一类协议，主要应用在通信速率不高的场合。l i n 最初是作为汽车应用提出的， 主要应用于车身电控单元的集成，将智能执行器和传感器连接到车身主体网络等。通过单 线的方式实现节点问的通信可大大降低汽车车身布线的复杂性，这也是l i n 应用的潜力所 在“”3 。l i n 最初的设计目标是作为c a n 的下层网络来完成车身控制，与c a n 相结合构成车 辆的分层网络结构，整个车身的主体网络由c a n 来架构，而用l i n 担任局部通信。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 3c a n l i n 主要特点 ( 1 ) c a n 的主要特点 a 多主机工作方式，c a n 网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发 送信息，而不分主从，通信方式灵活，只需通过帧滤波即可实现点对点、一点对多点、全 局广播等数据访问方式。 b 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 节点会主动退出发送，而高优先级的节点可以不受影响地继续传送数据，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。 c 传输速率最高可达1 m b s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ，通讯距离可达l o k m ( 速率 5 k b s 以下) ；通信介质选择灵活，可为双绞线、同轴电缆或光纤。 d 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了通讯的实时性。 e 具有可靠的错误处理和检错机制。c a n 节点在错误严重时具有自动关闭输出功能， 由此退出网络通讯，保证总线上其它节点的操作不受影响。另外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。 f 数据处理方式快速、灵活且可靠。c a n 总线通信接口中集成了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，包括位填充、数据块编码、循环冗余检 验、优先级判别等多项工作。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 广播等几种方式传播接收数据，无需专门的“调度”。在报文标识符上，c a n 上的节点可 分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在1 3 4 us 内得到 传输。 g c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，数据理论值为2 0 0 0 个，目前实际可达 1 1 0 个。报文标识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的报文标识符几乎 不受限制。 ( 2 ) c a n 的通信协议和数据帧格式 随着c a n 在各种领域的应用和推广，对其通信格式标准化的要求日益增长。1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制定并发布了c a n 技术规范。该技术规范包括a 和b 两部分。 c a n 2 0 a 给出了c a n 报文标准格式，而c a n 2 o b 给出了标准和扩展的两种帧格式。c a n 通 讯协议主要描述设备之间的信息传递方式“”“。c a n 的基本协议只有物理层协议和数据链 路层协议，实际上c a n 的核心技术是它的m a c ( 媒体访问控制子层) 应用层协议。c a n 总 线是一个小型的局域控制网络，如果结构过于复杂，信息在网络中的处理速度就会很慢， 一般只用模型中的3 层：物理层、数据链路层以及应用层，其他层协议的功能一般都由应 用层来实现。直接应用c a n 的基本协议，在系统较复杂时，是比较困难的。为了明确c a n 信息帧的标识符和8 b 数据如何使用，则需要一个高级的应用协议，用户可以在应用层上 定义协议或规范，如c a n o p e n 、d e v i c e n e t 、s a e j l 9 3 9 “”等。 现在生产的c a n 控制器件几乎都完全支持c a n 2 0 b 规范，而2 o b 完全兼容2 o a ，因 此下面将主要介绍c a n 2 0 b 规范中的报文的帧类型和帧格式。c a n 系统中，数据在节点间 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 接收和发送以四种不同类型的数据帧实现，包括数据帧、远程帧、超载帧和错误帧。 a 、数据帧 在c a n 2 o b 中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有l l 位标 识符的帧称为标准帧，而包括2 9 位标识符的帧称为扩展帧。一个数据帧由七个不同位场 构成，分别是：帧起始( s o f - - s t a r to ff r a m e ) 、仲裁场、控制场( 两位保留位+ d l c 场) 、 数据场、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o f e n do ff r a m e ) 。 b 、远程帧 远程帧被用来请求总线上某个远程节点发送自己想要接收的某种数据，具有发出这种 远地消息能力的节点收到这个远程帧后，就应尽力响应这个远地传送要求。一个远程帧由 六个不同的位场构成，包括帧起始( s o f ) 、仲裁场、控制场( 两位保留位+ d l c 场) 、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o f ) 。除了r t r 位被设置成1 ，表示被动状态外，其余部分与数据 帧完全相同。 c 、错误帧 错误帧由出错标志( 由来自各站的错误标志叠加得到) 和出错界定符两个场组成。错 误帧监测c a n 控制器的出错状态及出错类型，作为检测出错条件的信号。报文传输过程中， 检测到任何一个节点出错，即于下一位开始发送错误帧，通知发送端停止发送。 d 、超载帧 超载帧由超载标志和超载界定符两个场组成。当某接收器因内部原因要求缓发下一个 数据帧或远程帧时将发送超载帧。超载帧还可以引发另一个超载帧，但以两次为限。 ( 3 ) l i n 的主要特点 a 单主机多从机工作方式( 无需总线仲裁) ，确定的信号传输，带时间同步的多点 广播接收，从节点无需石英或陶瓷振荡器。 b 速率可达2 0 k b s ，总线长度4 0 m ，可选的数据长度为o 8 b y t e 。 c 基于通用u a l 玎s c i 的硬件接口，可使用最小成本的半导体元件( 小尺寸、单芯片 系统) ，几乎所有的微控制器都有l i n 必需的硬件。 d 通常一个l i n 网络的节点数小于1 6 个，但不需改变l i n 从节点的硬件和软件即可 在网络上增加节点，使用方便。 e 汽车电池供电，并采用低成本的单线设备，线的驱动和接收特性符合改进的i s 0 9 1 4 1 单线标准。 ( 4 ) l i n 的通信协议及数据帧格式 l i n 总线使用了i s o ( 国际标准化组织) 的o s i ( 开放互连参考模型) 7 层通信任务模型中 的3 层，包括物理层、数据链路层和应用层。l i n 网络由一个主节点和多个从节点构成。 所有的节点都包括一个从任务( s l a v et a s k ) ，从任务又分为发送和接收任务，而主节点还 包括一个主任务( m a s t e rt a s k ) 。在l i n 网络中，所有通讯都是由主任务发起的，主任务发 送一帧头( m e s s a g eh e a d ) 给所有的从任务，帧头由三部分组成：同步间隔( s y n c hb r e a k ) 。 同步场( s y n c hf i e l d ) 和信息识别符( i d e n t i f i e r ) “”“”。从任务通过信息识别符来判断是 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 否响应主任务，若需要响应主任务，则开始发送响应信息。响应信息由2 个、4 个或8 个 数据字节和1 个校验和( c h e c k s u m ) 字节组成。信息识别符表示的是信息的内容，而不是信 息的目的地址。这样定义可使多个节点收到同样的信息，并且数据能够以多种方式进行交 换。数据可以从主节点发送到一个或多个从节点，也可以通过从节点发送给主节点或其它 从节点。因此，从节点之间的通讯并不需要经过主节点，并且主节点可以将信息广播给网 络内的所有节点。主节点中的主任务控制着数据帧的发送时序和优先级。主节点可将信息 随时传送到从节点，而从节点只在主节点询问时才传送信息。实际上，从节点仅在需要发 出唤醒信息的时候才主动发送信息。 l i n 的数据帧由帧头和响应信息组成，帧头由主任务发出，主任务可在发出同步间隔 后发送同步场( 0 x 5 5 ) ，然后从节点利用同步场将它的波特率调整到传送来的信号的波特 率。之后再由主任务发送一字节的信息识别符，其中o 3 位表示信息类别，4 5 位表示 信息长度，7 8 位是奇偶校验。从任务通过该字节判断数据是否与自己有关，并确定自 己如何处理该数据。响应信息是由从任务发出的，由2 个、4 个或8 个字节长度的数据 和1 个字节的校验和构成。校验和可通过计算数据的全部字节而得到( 不包括识别字节及 同步场) ，用于表示数据帧的结束。l i n 总线的另一个帧是睡眠帧，它由主任务发出，其 作用是让总线和节点进入低功耗状态。睡眠帧的识别字段除包含数值o x 8 0 之外，其余均 与数据帧相似。当收到唤醒信号时，总线睡眠状态中止，唤醒信号由从任务发出。 随着汽车网络系统节点的增加和高性能系统在中低档汽车上的应用，c a n 总线相对较 高的成本成为一种障碍，于是l i n 总线随之产生。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，在不需要c a n 总线的带宽和多功能的场合，使用l i n 可 以大大降低成本( 与c a n 相比，l i n 节点的通信成本是c a n 的1 2 1 3 ) 。”2 “。通常情 况下，l i n 总线作为c a n 总线网络的一种补充，与之一起构成汽车的网络控制系统。另外， 两种总线之间的连接也不复杂，只需在两者的结合点设置一个转换网关即可，在下一章中 本文会就该技术进行详细的介绍。综上所述，本系统选择以c a n 总线构成主网络，l i n 总 线负责边缘网络的方法来完成系统的网络结构。 2 4 系统参数 2 4 1 车身控制参数 车身控制系统采用分布式控制，其主要功能是为汽车增加功能，提高驾驶的方便性和 乘坐的舒适性。它涵盖范围广，通常包括灯光控制系统、车门控制系统、电动车窗控制、 座椅空中系统、空调控制系统和仪表板等。本系统所要记录的车身控制信息较为简单，包 括车门状态、车灯状态、车项状态、车内座椅状态、空调控制状态以及喇叭、雨刮器等的 简单状态信息。各信息在具体车辆中的分布状态如下图2 1 ： 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 车辆前部 1 i 圭堑卜_ 1 堡圭堕苎h 圭堑i 图2 1 车身系统结构平面简图 车身控制系统的基本原理是采集各种开关的状态量并根据这些状态量来驱动负载动 作。其中一些部分是通过l i n 总线来实现对继电器的控制，再由继电器实现负载的控制， 如车窗、空调、天窗等；一些则由l i n 总线来直接控制负载，具体有后视镜、门锁、灯 光方向等的控制。由上图可以看到，车身控制系统的控制对象主要是不同功率的灯、低速 电机、电磁阀和开关量器件。这些功能对信息传输的实时性要求不高，同时考虑到车身控 制系统对成本比较敏感，因此本车身控制系统的通讯网络采用l i n 总线。对于座椅系统， 座椅系统通常控n 6 个自由度，包括座椅前后控制( 带位置反馈) 、坐垫前部及后部上下控 制( 带位置反馈) 、靠背倾角控制( 带位置反馈) 、腰部支撑控制、头枕上下控制、开关面板。 各个部分的小模块作为l i n 系统的节点采集信息并将信息向上级系统传输，具体硬件配置 及软件实现方法的详细介绍见第三章。 2 4 2 简单娱乐信息参数 近年来，随着科学技术的发展，为丰富驾驶员( 尤其长途车驾驶员) 的枯燥旅程，越 来越多的娱乐设备开始在车辆驾驶室中安装使用，如a m f m 收音机、盒式磁带、c d 播放机、 d v d v c d 播放机等。近年来投入使用的还有后座娱乐系统( 包含车室整合 彩色屏 幕、车室整合a v 控制面板、隐藏式d v d v c d 、音响系统等) ，有的还配备了专用的网络和 通讯系统，支持交互式的娱乐等。由于研究时间及条件有限，本研究就不考虑复杂先进但 普及率不高的部分信息，仅仅统计控制使用较普遍的、简单的娱乐信息，这些较简单的娱 乐信息对信息传输效率要求并不高，故可采用边缘网络或低速c a n 来控制。较复杂的娱乐 信息包含了图像传输等，对系统要求较高，如有设置则必须通过主网络c a n 来完成通信。 2 4 3 智能控制参数 本系统所界定的智能控制参数实际包括所谓的被动安全参数和主动安全参数，如安 器一 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 全气囊、a b s 、e b d 、e s p 、t c s 等等。本研究把与行车安全息息相关的这些控制这些信息划 在同一模块内，统一由c a n 总线直接控制。下面对一些较普遍的参数进行介绍。 ( 1 ) a b s a b s 可( a n t i l o c kb r a k es y s t e m ) 即“刹车防抱死系统”。a b s 是为了防止紧急 刹车的时候发生轮胎抱死而研究出来的主动安全装置，它可以安装在任何一辆带液压刹车 的汽车上。它的原理是利用阀体内的一个橡胶气囊，在踩下刹车时给予刹车油压力，充斥 到a b s 的阀体中，此时气囊利用中间的空气隔层将压力返回，使车轮避过锁死点。而当车 轮即将到达下一个锁死点时，刹车油的压力使得气囊重复作用，如此在一秒钟内可作用 6 0 1 2 0 次( 机械式a b s ) ，就相当于不停地刹车、放松，也就是“点刹”，这样就不会造 成轮胎抱死了在遇到紧急情况需要猛踩刹车的时候，一般会使轮胎抱死无法转动，而由于 抱死之后轮胎与地面是滑动摩擦，比起滚动摩擦的摩擦力要小，因此刹车的距离会变长， 更加容易造成事故。 a b s 系统能避免在紧急刹车时方向失控及车轮侧滑，使车轮在刹车时不被锁死，不让 轮胎在一个点上与地面摩擦，从而加大摩擦力，使刹车效率达到9 0 9 6 以上，同时还能减少 刹车消耗，延长刹车轮鼓、碟片和轮胎两倍的使用寿命。装有a b s 的车辆在干柏油路、雨 天、雪天等路面防滑性能分别达到8 0 _ - 9 0 、3 0 一1 0 、1 5 2 0 。现在大部分车型都配有a b s 系统。 ( 2 ) e b d e b d ( e l e c t r i cb r a k e f o r c ed i s t r i b u t i o n ) 即“电子制动力分配”。据专业人士 介绍，汽车在制动时，四只轮胎附着的地面条件往往不一样，比如有时左前轮和右后轮附 着在干燥的水泥地面上，而右前轮和左后轮却附着在水中或泥水中，这种情况会导致汽车 制动时四只轮子与地面的摩擦力不一样，制动时容易造成打滑、倾斜和车辆侧翻事故。e b d 的工作原理就是用高速计算机在汽车制动的瞬间，分别对四只轮胎附着的不同地面进行感 应、计算，得出不同的摩擦力数值，使四只轮胎的制动装置根据不同的情况用不同的方式 和力量制动，并在运动中不断高速调整，使制动力与摩擦力相匹配，从而保证车辆的平稳、 安全。 从理论上讲，当紧急刹车车轮抱死的情况下，e b d 在a b s 动作之前就已经平衡了每一 个轮的有效地面抓地力，可以防止出现甩尾和侧移，并缩短汽车制动距离。e b d 实际上是 a b s 的辅助功能，它可以改善并提高a b s 的功效。除了e b d ，还有部分车型上采用带e b v 的电子制动防抱死系统，比如奥迪a 6 、奥迪a 4 、宝来、高尔夫等。据了解，e b v 与e b d 一 样，也是电子刹车制动力分配系统，e b v 依据刹车时车辆的中心位置，对各个车轮施加相 应的制动力，使车轮制动时处于最佳状态。 ( 3 ) t c s 、t i m 等其它参数 t c s ：防滑平衡系统。降低车辆在湿滑路面上起步或加速时发生轮胎空转的可能。利 用a b s 感应器检测车轮是否打滑，一旦车轮打滑，该系统将通过瞬时调整发动机输出扭矩， 配合a b s 制动束改变驱动力，即刻恢复行车方向操控性，继续安一t l , 驰骋。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 o b d ：车载电脑自动诊断系统。通过车辆的总控电脑模块发现并记录动力系统的运行 故障，提示车主及时维修，预先防止危害的发生，将危害性控制在最小范围。它还可帮助 维修工程师迅速确定问题所在。 t i m ：智能胎压监测器。轮胎气压对安全行车、油耗及轮胎使用寿命至关重要。君威 的胎压监测系统能感应并测量胎压状况。当轮胎气压异常，影响行车安全时，该系统会自 动报警，减少极其危险的高速爆胎事故发生的可能性。 随着科学技术的发展，必定会有越来越多的汽车安全技术投入使用，如今的汽车业， 有了安全带、气囊，和a b s 就能称之为安全的年代已成明日黄花。另外还有许多智能控制 参数更在原本的功能基础上更进一步，性能也一日千里。本系统的研究重点不是各个参数 的发展状况，而是如何采集并控制各种参数，因此本文就不再对各种参数做进一步的介绍。 从以上的分析得出智能控制的重要性，这些参数都要求一点，那就是反应速度，因此本研 究把与行车安全有关的各种控制参数用高速c a n 总线来控制，保证系统的安全系数。 2 4 4 信息安全参数 与上一节所讨论的行车安全参数不同，本节的信息安全参数主要包括记录仪记录参数 和仪表信息，这一部分的参数并不直接参与车辆行驶控制，而是通过对该种信息的合理记 录和设置，在适当的情况下对驾驶员的驾驶进行提醒。在上一章已经对所要记录的信息有 了一个大致的了解，也为了方便使用和移植，该部分设计大部分遵循国标g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 的要求，记录车速、加速度、油量、油压、气压、电压、制动气压、发动机转速等传感器 参量。这些参量也是与行车安全息息相关的信息，但这些信息为状态信息，不直接参与控 制。该类信息对行车安全的控制要通过软件设置来实现，首先是设定一系列正常行车状态 下的门限值，一旦超过该此设定值控制系统就会采取相应的措施，要么启动主动安全模块 要么就是通过声音等向驾驶员报警，由驾驶员采取相关的安全措施。还有就是事后分析， 这类信息被完整地记录下来，一旦发生事故，交通部门就可以通过上位机管理软件读出该 信息，并进行详细的分析。通过所得信息可以模拟事故发生时的现状，分析原因明确责任， 向后来人示警。至于如何记录、存储、设定门限值等等都将在软件设计中介绍，本节就不 一一讨论了。这些信息也与行车安全有关且信息量很大，因此在设计中也采用直接挂接到 c a n 总线，以提高反应效率，保障系统的安全运行。 2 5 小结 本章讨论了车辆中的信息参量，简单介绍了各种信息的特性，并从其特性入手对信息 进行分类分模块，以达到简化系统的目的。系统探讨了各类信息对车辆安全的影响，并从 其特性和影响力共同出发，设计其采集方式，决定了哪些信息配给从网络( l i n ) ，那些信 息分配给主网络( c a n ) 。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章系统硬件结构 系统的硬件配置决定了系统的工作效率，出于采集要求和设计成本两个方面的考量， 大致的硬件芯片选择如下：单片机a t 8 9 c 5 5 ，铁电存储器f m 3 1 2 5 6 ，c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 ， c a n 总线收发器p c a 8 2 c 2 5 0 ，l i n 总线收发器t j a l 0 2 0 ，u s b 接口芯片s l 8 11 h s 等。依据上 一章的介绍，本章所要讨论的是接收和处理各种信息所涉及到的硬件配置电路和相关的驱 动程序。由于该系统的设计要求十分复杂，在有限的时间内难以进行详尽的深入研究，因 此本文选择了研究其中的两个重点两种总线间的信息转化方式和记录仪功能部分的 设计，其它的信息处理就不一一介绍了。接下来就对分别对两个研究方面进行分析和设计。 3 1 c a n l i n 网关 3 1 1 设计思想 c a n 是一种多主总线，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 1 m b p s ，距离可达l o k m 。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，使网络内的节点个数在理论上不受限制”啪1 。由于c a n 总线具有 较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高于扰环境，并具有较远的传输距离。c a n 总 线已经是国际标准，并开始大面积的在车辆内部使用。但是当将其应用于车身低端通讯时 发现它存在成本高的缺点，而成本恰恰是车身网络首先要考虑的问题。其原因是车身网络 最低端电子设备多为低速电机和开关型器件，不仅对c a n 的实时性等多种功能要求不高， 而且是数目众多，布置分散，对网络成本比较敏感，所以若用c a n 作为总线协议构建汽 车车身低端通讯网络实现分布式控制就变得不很乐观。 鉴于c a n 应用于车身网络低端通讯存在成本高的缺点，所以，汽车车身网络目前要 解决的问题就是再建立一个统一的、低成本的低端通讯网络标准，作为c a n 的辅助总线而 存在，实现车身网络的层次化，以更低的成本实现车身网络。l i n 最初的设计目标是作为 c a n 的下层网络，与c a n 相结合构成车辆的分层网络结构，它是面向低端通信的一类协议， 主要应用在通信速率不高的场合，通过单线的方式实现节点间的通信可大大降低汽车车身 布线的复杂性。表3 1 是l i n 和c a n 协议在车身应用中的主要特性比较。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 表3 1l i n 和c n 协议在车身应用中的主要特性比较 l i nc a n 媒体访问控制单主机多主机 总线速度 2 、4 1 9 6k b s6 2 5 5 0 0k b s 多点传送信息路由6 位标示符1 1 2 9 位标示符 最大节点数1 6 节点典型4 0 节点 编码方式 n r z8 n1 ( u a r t )n r zw 位填充 每帧数据字节1 8 字节o 8 字节 4 字节数据传输时间 3 5ms ( 2 0k b s )0 8ms ( 1 2 5k b s ) 错误检测8 位c s1 5 位循环冗余码校验 物理层单线，1 2v双绞线，5v 石英陶瓷振荡器无( 主机除外)有 总线最大长度4 0m 4 0m 节点成本低中等 和c a n 相比，l i n 由于采用了1 2 v 的低成本单线传输、基于标准的u a r t s c i 接口的 低成本硬件、无石英或陶瓷振荡器的从节点，从而降低了硬件平台的成本。另外，l i n 的 最高速率为2 0 k b s ，完全可以满足低端的大多数应用对象对传输速率的要求。所以 l i n 以较低的成本实现了开关型器件之间的网络通信，有效地弥补了c a n 在低端通讯成 本高的不足，拉低了成本。因此整个车身的主体网络由c a n 来架构，而用l i n 担任局部 通信。对整个系统来说，其中与安全无关的外围车身控制系统由l i n 总线来完成，与安全 驾驶息息相关的智能控制参数和记录仪相关部分则采用c a n 总线来完成。作系统大体连接 框图如下图3 1 。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 图3 1 系统总线网络连接图 c a n 、l i n 网络之间的通讯通过具体的c a n l i n 网关来实现。该网关允许将c a n 数 据帧透明传输到l i n 网络，也允许l i n 数据帧透明传输到c a n 网络，网关在这里作为 l i n 主设备工作。网关接收到l i n 数据帧后，l i n 标志符将被转换为c a n 标志符，然后 作为c a n 数据在c a n 网络中传送；网关接收到c a n 数据帧后，c a n 标志符将被转换为 l i n 标志符，然后作为l i n 数据在l i n 网络中传送。c a n l i n 网关既是c a n 节点又 是l i n 的主节点，因此它的硬件结构将