（农业机械化工程专业论文）电动汽车can总线的研究.pdf

摘要 随着科学技术的进步，电子技术、传感器技术、计算机控制技术的发展和人们 对汽车性能的要求越来越高，现代汽车上装备的电器与电子设备、传感器、计算机控 制单元不断增加。汽车综合控制系统中大量的控制信号需要实时交换与处理，传统的 线束已经远远不能满足这种信息传输要求，因而汽车局域网应运而生 本研究从汽车局域嘲入手，主要研究了国内外汽车局域网c a n 总线的发展与现 状；对在当今国际汽车行业中应用最广的c a n 总线原理和应用进行了深入研究与吸 收；对汽车局域网j 1 8 5 0 总线与c a n 总线进行了细致地比较，系统地研究了c a n 协议网络分层模型及拓扑结构和c a n 坍议技术规范；分析了c a n 物理层与数据链 路层协议，还对c a n 协议支持器件s j a l 0 0 0 进行了深入的剖析，选择c a n 作为电 动汽车中的控制总线。 研究中根据电动汽车车内温度变化范围大( - 4 5 1 0 0 ) 、电磁干扰和其它电子噪声 强，网络在车内的运行可靠性尤为重要；在网络结构的容错能力和抗干扰能力上、信 号的编码方式和传输方式上等特殊要求，确定了通讯内容和实时性要求，建立网络信 息系统模型；利用p c 机和c a n 接口卡，建立电动汽车c a n 总线仿真环境；在基于 p c 机的c a n 总线仿真环境中，研究整车控制系统网络通讯应用层协议和接口规范， 包括数据编码策略，错误校验机制等；使其既具有较好的兼容性，又具有一定的保密 性；研究了0 s i 标准的应用层协议，制订了一套适合在电动车中恶劣环境中能安全、 可靠运行的协议。 研究中设计了电池管理系统的c a n 节点的软件和硬件系统，同时采取了相应的 软件、硬件抗干扰措施。把电池管理系统的c a n 节点与c a n 通讯卡h k c a n 3 0 b 组 成了点对点通讯系统，用v c 6 o 做了c a n 通讯监控界面，通过这个点对点通讯系统 研究并分析了c a n 点对点单帧与多帧通讯的可靠性。通过动力总成控制和整车管理 系统的运行实验，验证了网络系统的实时性和可靠性。 本研究电动汽车c a n 总线通讯系统只需要两根信号线就可以实现数据的传输， 使得传输线束大大简化，可靠性得到了提高，有效节约了线束安装空间和系统成本。 关键词：研究c a n 总线电动汽车 本垃佯嚣、导砰i 通簟 扫盒文公握 a b s t r a c t w i t l lt h ea d v a n c e m e n to f t h es c i e n c e ，a n d 也ed e v c l o p m c n to f e l e c t m n i c st e c l l i l i q u e ， s e n s o rt e c h n i q u ea n dc o m p u t e rt e c l l f l i q u e ，粕dp e o p i et ot h ep e q u i r e l n e n t so f t h ec a r 矗l n c t i o na r em o r ea n dm o r eh i 曲，o nm o d 锄c a rt h e r ea r em o r ea n dm o r ee q u i pw i t h e l e c t r i ca p p l i a j l c e sa n de l e c t m n i c se q u i p m e n t s ，s e n s o r ，c o m p u t e rc o n 打i ) lu n i tt h ee i e c t m n i c d e v i c e so f v e h i c l ei n c r e a s ef a p i d l y i ti sn e c e s s a r yf o rv a r i e so f c o 咖吣is y s t e m st oe x c h 腿g e t h es i g n a l si nt h er e a l t i m e t h et r a d i t i o n a l h 哪e s s e sc a i ln o ts a t i s 印t h i si n f 0 n a l i o n t 啪s m i s s i o nq u e s t ，p e o p i et 啪t ot h ev e h i c i el a n 1 1 1 i sp a p e rs t a nf b mt h ev e h i c i el a n ，m a i n i ys t u d i e dt h ed e v e l o p m e n to ft i l e c a n b u su s e di na d v a n c e da u t o m o b i l e si nt h e 、o r i d r e s e a i c h e da n da b s o r b e d l e c a n b u sw h i c hi sm o s tw i d ea p p l i e di ni n t e m a t i o n a ic a ri n d u s 扫叫n o w a n dc o m p 种e dt h e v e h i c l el a no f j l 8 5 0w i l he a n b u s t h ep a p e rs t u d j e dm en e t w o r kl a y e r i n gm o d e l 趴d t o p o l o g ys t r u c t u r eo fc a n - b u sp m t o c o ls y s t e m a t i c a l l y s t u d i e dt h ec a ns p e c 泊c a t i o n ， a n a l y s e dt h ec a n b u sp h y s i c si a y e ra n dd a t an e t w o r kl a y e rp m t o c o l ，a n dt a k e 叩a r tt h e c a n - b u sp r o t o c o ls u p p o np m d u c t s j a l 0 0 0 c h o o c a n - b u sa st h ev e h i c l el a nt h a t w e u s e d j lt h es t u d y ，a c c o r d i n gt ot h ec a ri n s i d et e m p e r a l u r ev a r i e t ys c o p ei sb i 鬏一4 5 l o o ) ，t h ee l e c t m m a g n e t i s mi n t e r i 毫f e n c ea n dt h eo t h e re l e c t r o n i c sn o i s es t r o n g l y ，i t s c n v i m n m e n ti sb a d ，n e t w o r ki nt h ec a rd e p e n 出l b i ep a n i c u l a r l yf o ri m p o n 锄c e ；o nt h e s p e c 湎cr e q u i r c m e n t so fn e t w o r kc o n s l n l c t i o na n di t s e l fp e m m st h ea b i l i t yo fm i s t a k el 船t a | l dt h ea n t i i n t e r f b r e n c ea b i i i t y ，a n di nt l l ec o d i n gm e t h o do ft h es 追n a ia n dt h ew a y d e j i v e r e d ，d e t e m 菌n et h ec o m m u n i c a t i o nc o n t e n t sa n dr e q u e s t so ft h er e a l - t i m e ，e s l a b l i s h t h en e t w o r ki n f o r m a t j o ns y s t e mm o d e l m a k eu s eo fp c 柚dc a n c a r d ，e s t a b j i s h i n gt h e c a n b u si m i t a t e se n v i r o n m e n to fe v i na c c o r d i n gt ot h ep ca 1 1 dc a n b u si m i t a t e e n v i r o m e n t ，s t u d yt h ec o n t r o ls y s t e mn e t w o r ko ft h ew h o i ec a rc o m m u l l i c a t i o n a p p i i c a t i o nl a y e rp r o t o c o la n dc o n n e c ts p e c 墒c a t i o n ，i n c l u d et h ed a t ac o d i n gs t m t e g y ，m e m j s t 8 k ec h e c k sm e c b a n i s me t c ，a n dm a k ei tm o r ec o m p a t i b i y ，h a v et 蔓1 ec e n a i n c o n f i d e n t i a l i t ya g a i n t h r o u g hm o t i v ec o n t m la n dt h ee x p e r i m e n to fw i t h 、v h o i ec a r m a n a g es y s t e m ，v e r i f 迸a t i q na n dm a k es u r et h er e a l t i m eo ft h en e t 、v o r ks y s t e ma n dt h e d e p e n d a b l e s t i l d i e dt h cs t a n d a r d 印p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo f0 s i ，p u tf o r w a r das u i to f a p p 】i c a t i o np r o t o c o i ，w h i c hc o u l dm ns a f e l ya n dp m p e 订yi nt h es e r i o u s l yo p c m t i n g e n v i r o n m e n to fe v i nt h es t u d y d e s j g n st h eb a t t e r ym a n a g e ss ”t e mn o d e ss o r w a r ea n dt h eh a r d w a r eo f c a n b u s 锄da d o p t e ds o 疗w a r e ，h a f d w a r ea n t i - i n t e l 矗r e n c em e a s u r ca c c o r d i n 9 1 y u s e i n g t h en o d eo f c a n b u so f t h eb a t t e r ym a n a g e ss y s t e mw i t ht l l ec a n b u sc o m m u n i c a t i o n c a r dh k c a n 3 0 bm a k e 也en o d et on o d et oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，u t i 】i z c dv c 6 ot o m a k et h es u p e r v i s ea n dc o n 订o l i n t e a c e ，t h m u g h 山en o d et on o d ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， s t u d i e da n da n a l y s e dt h ed e p e n d a b l eo fs i n g l ea n ds e v e r a 】( 1 a t au n i tc o m m u n i c a t i o n ， t h r o u 曲t h ee x p e r i m e n to fm o m e n t u ma s s e m b l yc o n t r o la n dw h o kc a rm a n a g e ss y s t e m ， v e r i n e dt h er e a m ea n dd e p e n d a b l eo f t h en e t w o f ks y s t e m t h i ss t u d yo fc a n b u si ne vw ec a nt r a n s f e ra l lt h ed a “l mo n f yb yu s i n gac o u p i e w i r e s ，、 ，h i c hs i m p l i f y i n gt h eh a r n e s s e s ，i m p r o v i n gt h er l i a b i 】i t y ，e f 弛c t i v e l ys a v et h e f i x i n gs p a c ea n dt h es y s l e mc o s t k e yw o r d s ：s t u d yc o n t r o u e ra r e an e t w o r ke l e c t r i cv e h i c l e 独创性声明 工 b u 7 3 3 3 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，也不包含为获得安徽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：喜丝是 时间： 川年月即日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解安徽农业大学有关保留、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。同意安徽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：j 岳舄s l 时问： 删年e 月婶r 导师签名： ；l 坦时间：口一牛年占月矽自 第一章绪论 1 1 课题研究背景 世界汽车工业发展至今，其年产量已达5 6 0 0 多万辆。在其发展的1 0 0 多年内，虽 然在节能、污染排放和其他若干方面都取得了显著的改善和长足的进步，但是其尾气 排放仍是当今地球大气的主要污染源。据环保部门统计，我国机动车排放在城市大气 污染中的同类污染物分担率为：c o 占6 l ：h c 占8 7 ：n 0 x 占5 5 。由于大气污 染给人类的健康、工农业生产都带来了很大的影响，因此世界各国都相继制定了严格 的排放法规，以限制排污量。另外，由于石油危机的影响，各国也在竞相研制用以替 代传统燃油汽车的混合动力汽车以及纯电动汽车。出于电动汽车清洁无污染，能量效 率高及能源多样化，结构简单，维修使用方便，使之成为2 l 世纪最有前途的汽车。 电动汽车是未来汽车的发展方向，是解决汽车所带来的能源和环境问题的主要措 施，发展电动汽车具有优化我国能源结构降低汽车排放污染的重要作用，目前已经 上升到维护国家能源安全和国民经济可持续的战略高度，国家在“八五九五”攻 关计划成果的基础上，投入近十亿元资金启动了“十五”8 6 3 电动车重大专项，体现 了国家对该领域创新研究的高度重视。 无论采用直流或交流电机，电动汽车的核心都是驱动系统。车辆上越来越多的控 制器、智能传感器之间的实时的、高速的、大容量数据的通讯和共享技术，被公认为 车辆关键技术之一。8 0 年代后期，人们在d c s 的基础上丌始丌发一种适用于工业环 境的网络结构和网络协议，并实现传感器、控制器层的通信。就是现场总线。由于从 根本上解决了网络控制系统的自身可靠性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制 系统的发展趋势。现场总线( f i e l db u s ) 的发展解决了工业现场环境和费用之间的 矛盾目前已丌发出的有4 0 多种现场总线，其中有较强实力和影响的有：c a n 、 f o u n d a t i o nf i e l d b u s ( f f ) 、l o n w o r k s 、p m 硒u s 、h a r t 等。它们具有各自的特色。在 不同应用领域形成了自己的优势，f o u j l d a t j o nf i e l d b u s ，简称f f ，这是在过程自动化 领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。主要应用于石油化工、连续工业过程 控制中的仪表。l o n w o r k s 是叉一具有强劲实力的现场总线技术，它采用了i s o o s i 模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法。被广泛应用在楼字自动化、 家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。p r o 舶u s 是作 为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准p r e n 5 0 1 7 0 的现场总线。i s o o s i 模型也是 它的参考模型。p o m b u s 支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输 方式。主要应用于p l c 。h a r t 是h 蟾hw a y a d d r c s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写。 h a r t 支持点对点、主从应答方式和多点广播方式。难以丌发出一种能满足各公司要 求的通信接口芯片。主要应用于智能变送器。尽管r s 4 8 s 不能称为现场总线，但是 作为现场总线的鼻祖，还有许多设备继续沿用这种通讯协议。采用r s 4 8 5 通讯具有 设备简单、低成本等优势，仍有一定的生命力。c a n 是控制网络c o n t m l a r e a n e t w o r k 的简称最早由德国b 0 s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通 信。c a n 支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点发送 消息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收发送数据。它采用总线仲裁技 术当出现几个节点同时在网络上传输消息时，优先权高的节点可继续传输数据，而 优先权低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。应用于汽车监控、开关量控 制、制造业等。适用于实时性要求很高的小型网络，且开发工具廉价。 基于总线的分布式控制网络是众多子系统实现协同控制的理想途径。由于c a n 总线具有造价低廉，传输速率高，最高速率可高达l m b p s ，安全性可靠性高，纠错能 力强，实时性好等优点，它是一种适合工业现场恶劣环境的通信方式。己广泛应用于 汽车的实时分布式控制网络。随着越来越多的汽车制造厂家采用c a n 协议，c a n 逐 渐成为通用标准。采用总线网络可大大减少了设备闯的连接信号线柬，并提高系统监 控水平。另外，在不减少其可靠性的前提下，可以很方便地增加新的控制单元，拓展 网络系统的功能。 本课题研究工作是8 6 3 计划电动汽车重大专项之一：纯电动轿车研究开发的重要 工作内容之一。 1 2 国内外研究现状与发展动态 1 ) c a n 在国外的发展 控制器局域网c a n 是8 0 年代初博世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，经多次修订，于1 9 9 1 年9 月 形成技术规范2 0 版本1 1 6 l f 2 0 】f 2 2 1 。该版本包括2 o a 和2 ，0 b 两部分。其中2 o a 给出了 报文标准撂式，2 o b 给出了报文的标准和扩展两种格式。 随着车用电气设备越来越多，为了解决现代汽车内部用少量的线束实现大量的控 制测控仪器、微处理器、传感器和执行机构之间的数据交换问题，基于c a n 协议的 分布式控制网络逐渐在现代汽车上广泛采用。c a n 协议的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。理论上站点个数不受限制。数据块的 标识码可由l i 位或2 9 位二进制数组成。采用c r c 检验。并可提供褶应的错误处理 功能、数据通讯可靠性高。这将是电动汽车中数据通讯中最适合的现场总线之一。为 了解决现代汽车内都用少量的线束实现大量的控制测控仪器、微处理器、传感器和执 行机构之间的数据交换问题，推动汽车电子化、电脑化、电信三电一体化，基于c a n 协议的分布式控制网络，逐渐在现代汽车上广泛采用。目前在汽车设计领域，c a n 几乎成为一种必须采用的技术手段，尤其在欧洲，如奔驰、宝马、大众、沃尔沃。美 国汽车厂也将控制器联网系统逐步由c l a s s2 过渡到c a n 。据s t r a t e g y a n a l y s i s 市场研 究公司公布的一份对为控制器和汽车网络所作的研究表明，大多数客车厂都选用基于 c a n 的网络，目前c a n 已开始取代基于j 1 8 5 0 的网络。到2 0 0 5 年，c a n 将会占据 整个汽车网络协议市场的6 3 ，在欧洲大约为8 8 。 对机动车辆总线和对现场总线的要求有许多相似之处，即较低的成本、较高的实 时处理能力和在恶劣的强电磁干扰环境下可靠的工作。奔驰s 型轿车上采用的就是 c a n 总线系统；美国商用车辆制造商们也将注意力转向c a n 总线；美国一些企业已将 c a n 作为内部总线应用在生产线和机床上。同时，由于c a n 总线可以提供较高的安 全性，因此在医疗领域、纺织机械和电梯控制中也得到广泛应用。 2 ) c a n 在国内的发展 在我国。对c a n 总线的应用研究已经起步。中国汽车技术研究中心、清华大学、 北京航空航天大学等单位在c a n 为控制局域网络方面开展了富有成效的研究。目前 国内在整车网络体系构建、消息接口规范等方面的研究也才刚刚起步，不过离发达国 家现有的技术水平还有一定差距。 1 3 主要研究内容 按照c a n 2 0 b 标准构建c a n 总线硬件系统在电动汽车尚来现成的标准可循， 因此应用层协议的合理设计是非常重要的。和其它控制现场相比，汽车内温度变化范 围大( 4 5 1 0 0 ) ，电磁干扰和其它电子噪声强，环境恶劣，网络在车内的运行可靠性 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 号的编码方式和传输方式上。汽车局域网无一例外地都采用了同步串行传输方式。其 中帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列帧段均以位填充方法进行编码。数 据帧或者远程帧的其余位场( c r c 界定符、a r c 场和帧结束) 为固定形式，不进行 位填充。 ( 1 ) 主要研究内容 c a n 总线系统及其网络协议研究 c a n 总线体系结构的优化及功能定义，建立网络系统模型。 ，c a n 总线应用层网络协议和通讯规范研究，完成电动车应用层协议的制定； c a n 总线系统硬件布线及可靠性与抗干扰设计 c a n 总线中消息采用发布方式的研究 c a n 总线中各个节点的消息编码及其解码的研究 c a n 总线各节点故障模式的设定设计 ( 2 ) 技术特点、创新点和关键技术 c a n 总线系统网络通讯实时性和可靠性设计 ( 3 ) 技术路线 c a n 总线系统及其网络协议研究。充分调研国际上现有的汽车控制网络协议和 规范的基础上，根据电动车控制要求确定通讯内容和实时性要求，建立网络信息系 统模型。利用p c 机和c a n 接口卡建立电动车c a n 总线仿真环境在基于p c 机 的c a n 总线仿真环境中，研究整车控制系统网络通讯应用层协议和接口规范，包括 数据编码策略，错误校验机制等，并使其既具有较好的兼容性，又具有一定的保密性。 通过动力总程控制和整车管理系统的运行实验，验证并确定网络系统的实时性和可靠 性。 ( 4 ) 本论文主要工作 本论文的主要任务之一就是通过查阅大量的资料，深入了解电动车及c a n 总线 在电动车中的应用环境。另一个就是查阅c a n 的相关文献与标准，验证了点对点通 讯单帧与多帧数据通讯的可靠性，制订出一套适合在电动车中恶劣环境中能安全、可 靠运行的协议。同时参与了系统的软、硬件设计和调试工作。并且通过具体试验来验 证协议的相关特性。 第二章：常见汽车局域网协议 2 1 汽车局域网分类 目前存在的多种汽车网络标准，其侧重的功能有所不同，为方便研究和设计应用， 美国汽车工程师协会( s a e ) 车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为a 、b 、c 三 类 2 3 】【2 4 】。 a 类：面向传感器执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常只有1 1 0 k b p s 。 主要应用于电动车门窗、座椅调节、灯光照明等控制。 b 类：面向独立模块问数据共享的中速网络，位速率一般1 0 1 0 0 k b p s 。主要应 用于车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，以减少冗余的传感器和 其他电子部件。 c 类：面向高速、实时闭环控翩的多路传输网，最高位速率可达1 m b p s ，主要用 于悬架控制、牵引控制、先进发动桃控制、a b s 等系统，以简化分布式控制和进一 步减少车身线束。到目前为止，满足c 类网要求的汽车控制器局域网只有c a n 协议。 由此可见，8 a e 的网络分类仅仅是功能上的分类，a 类面向低水平的传感器，执 行器控制，b 类僦重于参数共享，c 类面向实时控制，三类网络功能均向下涵盖。即 b 类支持a 类网的功能，c 类网能同时实现b 类和a 类网功能。 典型的a 类网应用汽车防盗报警系统，由于车门开关及行李厢丌关等信号只在 一定的情况下产生，正常时没有信号，所以对数据传输速率要求极低，低速a 类网 就能成分满足系统要求，并且和传统的系统设计相比，车身线束太大减少，设计更为 简单方便。 当大量共享数据需要在车辆各智能模块间进行交换时，a 类网不再胜任，可采用 b 类网络系统。典型b 类网络用于车辆状态信息系统，车辆信息中心和仪表组单元无 须单独挂接液位、温度、车灯、车门及安全带等信号传感器。就能从总线上获取上述 信息，大大减少了传感器和其它电子部件数量，有效地节约了安装空间和系统成本。 通常a 类网络系统不单独使用【6 6 】 储】，而是和b 类网络系统结合使用。组合网络 系统如图2 1 所示，图中没有摈弃a 类网，而是通过车身计算机连接到b 类网中， 使得该a 类网系统成为b 类网的一个节点，这样无须在各传感器执行器部件按照b 类网络控制器件就能使得信号在b 类网上传输，有效地利用了a 类网低成本的优点。 为进一步减少车身线束，方便故障渗断。满足主要电子单元或系统间大量数据信 息实时交换需要，使汽车各方面性能趋于最陡状态，则需建立c 类网络系统。图2 1 所示的c 类网络系统方案中，有效地将发动机控制系统、驱动防滑系统及自动巡航 系统等连接成为一个综合控制系统，整车性能得到大幅度提高。 图2 1 用于实时控制的c 类网络系统 f i 9 2 - lu s e d f o f t l i er 龃l t i m ec o n t m lo f cn e t w o r ks y s t e m 目前b 类汽车局域网应用最为广泛，a 类网趋于淘汰，c 类网应用日益广泛。按发展 趋势在不久的将来c 类网将占据主导地位。 2 2 数据传输方式和编码方式 和其它控制现场相比，汽车内温度变化范围大川【4 1 l f 4 2 1 ( 4 5 1 0 0 。c ) ，电磁干扰和 其他电子噪声强，环境恶劣，网络在车内应用的运行可靠性显得非常重要，这不但要 求网络结构自身具有强有力的容错能力和抗二f 二扰能力，而且信号编码方式和传输方式 对网络的运行可靠性也具有很大影响。 网络中数据传输方式分并行传输和串行传输两种。并行传输中数据以成组的方式 在多个并行信道上同时进行传输，串行传输指的是数据流以串行方式在一条信道上以 个个比特( b i t ) 传输。由于串行传输只需要一个信道，因此它是在网络通信系统主 要采用的一种方式。为了保证串行传输的f 常通信。收、发双方必须保持码组或字符 同步。依采用字符码组同步方式的不同，又可分异步和同步两种传输方式。异步串行 传输的同步是在字符的基础上进行的，每一个字符的起始时刻可以是任意的，所以称 异步传输。每个字符本身包含本字符的起止问步信息，所以又称起止式传输，线路两 端虽勿需另外的专门同步，但每发一个字符就要发一对起止信号，附加开销大，传输 速率也低。同步串行传输中数据以组为单位，一帧( 组) 数据开头、结束加起止标志， 克服了异步方式中每个字符都要传送起止信号的缺点，传输速率也随之提高。同步串 行传输是以周定的时钟节拍串行地发送数据信号，数据流中各信号码元之间相对位置 都是固定的。接受方为了从收到的数据流中f 确区分出个个信号码元，首先必须建 立准确的时钟信号，因此，实现起来比异步传输复杂。为尽可能提高数据传输速率， 汽车局域网无一例外的都采用了同步串行传输方式。 在数字通信系统中，常用的数字信号编码方式主要有f 4 3 】：非归零编码( n r z ) 、 归零编码( r z ) 、双相编码( b i p h a ) 、p w m 、多电平二进制编码等。其中非归零编 码( n r z ) 信号占满整个符号间隔。在一个比特期间其电平信号保持不变，无电平转 移( 即，不回到零) ，其占空比为1 0 0 。单极性归零码( r z ) 高电平信号不占满整 个符号阆隔其占空比为5 0 。双相码又称曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 码。汽车网络协 议中传输信号多采用p w m 和n r z 编码方式，其中n r z 码传输位速率较p w m 高。 上限可达1 o 1 0 6 b p s ，主要用于高速实时网中，如c a n 。s a e 的j 1 8 5 0 采用p w m 编码方式，最高位速率不超过1o o k b p s 。 在目前存在的多种汽车网络标准中【6 8 】，应用最为广泛的是美国汽车工程师协 会颁布的j 1 8 5 0 和b o s c l l 公司推出的控制器局域网c a n 。j 1 8 5 0 是s a e 车辆信息多 路传输和数据通信网络标准委员会于1 9 8 8 年审议通过，经1 9 9 0 到1 9 9 6 年间多次修 改而成的面向数据共享的b 类网络协议。j 1 8 s o 是f o r d 公司h b c c 协议和g m 公司 d l c s 协议相结合的产物，保留了h b c c 咖议的物理地址编码和p w m 位编码方式， 保留了d l c s 协议的功能地址编码和v p w 位编码方式。 c a n ( c o n t m l l e ra r e an e t 、v 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【l 】【”，经过多次 修订，于1 9 9 1 年9 月形成技术规范2 o 版本。该版本包括2 o a 和2 0 b 两部分。由 于c a n 的广泛应用。i s o 于1 9 9 3 年1 1 月f 式颁布了道路交通运载工具一数字信息 交换一高速通信控制器局域网国际标准i s o l l 8 9 8 ，为控制器局域网的标准化、规范 化的推广铺平了道路。 2 3j 1 8 5 0 与c a n 协议的比较 j 1 8 5 0 与c a n 协议均采用总线型拓扑结构，主要是利用了总线结构电缆长度短、 布线容易、可靠性高、易于扩充等优点引m i f 4 5 1 。这两种协议都采用载波侦听多路访 问冲突检测( c s m c d ) 介质访问控制技术，每个站点都能独立地决定信息的发送， 如两个或多个节点同时发送，采用无损总线裁决技术进行仲裁，优先权高的报文赢得 总线使用权，当总线空闲时其它节点才能进行数据发送。c a n 和儿8 5 0 协议都以报 文为单位进行信息传送，报文中包含标识符i d ，它标识该报文的总线访问优先权。 除了具有上述共同点之外，j 1 8 5 0 与c a n 还有许多不同之处，主要表现为以下 几个方面： 1 帧结构 c a n 中一个报文称为一帧，协议支持四种不同的帧类型：数据帧j 远程帧、出 错帧及超载帧。2 0 a 给出的标准数据帧格式如图2 2 所示，2 o b 给出的扩展帧格式 除了仲裁场2 9 位之外，与图2 2 相似。 譬整蔷罄目6馨罄篙启找制掘6粹结问 贻场场 场 场 场 束 窑 图2 2 c a n 数据帧结构 f i g2 - 2c a n d a f af r a m es 仃u c t u r e j 1 8 5 0 中一个报文也称为一帧，节点的地址信息、总线访问优先权信息及数据类 型信息都集中在被称之为帧头的信息段中。帧头有两种类型：单字节帧头和联合帧头。 图2 3 给出了带三字节联合帧头的报文帧结构。 e 二正工三互工二工工三 帧仲目源数 9 数戍帧帧 启裁标地据s据答结间 始场 蓥 址塥 场 装 塌柬 高址 “ 柬间 图2 3j 1 9 5 0 r 文帧结构 f 瞻2 - 3j 18 5 0d a t af r a m es t r u c t u 旭 2 节点寻址方式 j 1 8 5 0 采用传统的站地址编码方式，一个信息帧中既给出信息的源地址又给出信 息的目标地址。与j 1 8 5 0 不同，c a n 废除了传统的站地址编码方式，代之以对数据 消息进行编码最多可标识2 0 3 2 ( 2 o a ) 或5 亿( 2 0 b ) 多个数据块。c a n 网络系 统中报文标识符i d 并不指出报文的目的地址，而是描述数据的含义，网络中所有 的节点都可借助i d 来裁决报文的接收与否。 3 传输介质 j 1 8 5 0 只能使用单线束或双绞线，c a n 可选用廉价的双绞线、性价比较高的同轴 电缆或高品质的光纤，设计更为灵活。采用光纤时，用光束传输信息，不会产生电磁 辐射，也不会受到外界的电磁干扰，光纤的衰减也非常小，信号传输可靠性极高。 4 错误管理 汽车局域网的传输可靠性主要体现在网络结构的错误处狸和容错能力上。j 1 8 5 0 能检测出c r c 错误、帧结构错误、位错误及强干扰等4 钟错误。c a n 总线可区分5 种不同的错误类型位错误、填充错误、c r c 错误、帧结构错误及应答错误。j 1 8 5 0 采 用8 位c r c 校验，而c a n 采用1 5 位c r c 校验，检错能力增强。c a n 控制器对发 送的每一位数值都进行监视，加上位填充技术使得c a n 可检错能力进一步提高，有 利地保证了数据通汛的可靠性。c a n 节点能识别永久故障和短暂扰动，在永久故障 期间，c a n 控制器进入总线关闭状态，而不影响到总线的正常工作。c a n 网络容错 能力很强，在总线b u s ( 十) 和b u s ( ) 短接或终端电阻开路时。也不会致使整个 网络的瘫痪。 5 编码方式 汽车局域网中数据信号多采用p w m 和n r z 编码，通常位速率高于l o o k b p s 采 用n r z 编码，低于l o o k b p s 采用p w m 编码方式。 j 1 8 5 0 采用p w m 、v p w 两种信号编码方式，数据位速率分别为4 1 6 k b p s 和 1 0 4 k b d s 。p w m 用电压信号脉冲的宽度米表示数值大小，如用宽度为t p l 韵芷脉冲 表示数值“l ”，宽度为t p 2 的正脉冲表示数值“o ”。v p w 用脉冲宽度和总线状态共 同决定信号数值大小，如用窄的正脉冲和宽的负脉冲表示数值“l ”，宽的正脉冲和窄 的负脉冲表示数值“o ”。 c a n 协议中数值消息采用非归零( n r z ) 编码方式，即数字信号占满整个符号 间隔，在一个比特期间其电平信号保持不变，无电平转移。 6 数据传输速率 为了衡量数据传输速率，首先需定义数据信息的度量单位。在数据通信中，数据 均采用二进制形式，因此可以用二进制数字“0 ”和“l ”来表示。每一个二进制数字 称为l 比特( b i t ) ，它是英文b i n a r yd i g i t 一词的缩写。数据传输速率r 通常以每秒传 输的比特数来衡量，单位为比特秒( b i t ，s ) 或b p s ，以b p s 为单位的数据传输速率又 被称之为位速率。数据传输速率r 的计算公式为： r = ( 1 厂r ) + l o g 则 9 其中t 为一个码元的持续时间( 秒) ，n 为一个码元的状态数。在数据通信系统中， 除了用单位b p s 外，还经常采用波特率来衡量数据传输速率。码元持续时问的倒数称 为波特率传输率，又称为波特率，单位为波特( b a u d ) ， c a n 最高位速率可达1 m b p s ( 距离4 0 m ) ，因此每一位的传输时间仅l u 3 。总线 竞争获胜的数据消息总线延迟时间只有1 1 1 u s ( 扩展帧为1 3 l u s ) 。可充分满足汽车实 时控制的需要。j 1 8 5 0 典型位速率为4 1 6 k b p s 或1 0 4 k b p s ，位速率是4 1 6 k b p s 时总 线竞争获胜的数据信息总线延迟时间只有2 4 2 4 u s ，位速率是1 0 4 k b p s 时，时间延迟 更大。 7 总线吞吐量( b u st b m u g h o u t ) 总线吞吐量是用来表示网络通信能力的一个参数，数值上等于网络在单位时间内 成功传输的总信息量。单位为b p s 。j 1 8 5 0 协议中数据字节长度为6 4 位时，消息帧最 大长度1 0 3 位。当位速率采用4 1 6 k b p s 时，总线吞吐量为( 6 4 1 0 3 ) 4 1 6 k b p s - 2 5 8 k b p s 。c a n 位速率高达l m b p s ，标准帧格式总线吞吐量为( 6 剖1 1 1 ) l m b p s = 5 7 7 k b p s 。扩展帧格式总线吞吐量为( 6 4 1 3 1 ) 1 m b p s 叫8 8 k b p s 。均远高 于j 1 8 5 0 。 从对比可以看出【4 7 】1 6 蚋，j 1 8 5 0 数据位速率较低，适于汽车中各单元问的中速中容 量数据共享。目前使用儿8 5 0 最多的是美国f 0 1 d 公司和g m 公司。c a n 通信速率高， 容错能力强，易于实现a 类和b 类网络功能，又能满足c 类网络要求，特别适合汽 车综合控制系统各e c u 单元间实时控制信息的交换。c a n 总线接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路功能，可完成对通信数据的成帧处理包括位填充、数据编 码、位同步、接收滤波、循环冗余校验、优先权判别等多项工作。由于其良好的运行 特性，极高的可靠性和独特的设计，不但特别适合现代汽车各电子控制单元之间的互 连通信，而且也越来越受到其它外界的欢迎，并被公认为最有发展前景的现场总线之 一。在国外，尤其是美国和欧洲，c a n 已被广泛应用于汽车( 奔驰、宝马、劳斯来 斯、美洲豹等) 、火车、船舶、机器人、楼宇自动化、机械制造、医疗器械、消防管 理及电力自动化等领域。 c a n 总线理论上节点数可达2 “个，实际上可达到l1 0 个，可充分满足汽车节点 需要。其高速消息传输能力( 1 m b p s 时传输最大延迟只有li l u s ) 能充分满足发动机 控制、牵引控制、防抱死制动控制等单元问实时消息交换的需要。c a n 也是目前唯 一能满足c 类网要求的汽车网络协议并向下覆盖b 类、a 类网络功能，所以被汽 车制造商广泛采用，是一种非常有发展前景的总线形式。 第三章：c a n 协议技术规范及其描述 3 1c a n 协议发展历史 c a n 协议由b o s c h 公司最初于1 9 8 5 年推出f l 】 14 】f 3 7 1 ，经多次修订，于1 9 9 1 年9 月形成技术规范2 o 版本。表3 1 列出了c a n 技术规范的发展历程以及每次修订情 况： 表3 1c a n 技术规范的发展历程 t 曲3 jc a n t e c h n i q u es p i n c a i i o nd e v e i o p m e n tp r o c 髓s 版本 年份 修订内容 1 01 9 8 5 制定最初版本 1 11 9 8 7 重新修订位定时要求 1 21 9 9 0 提高振荡器容差 2 o1 9 9 l a 部分；同1 2 版本 b 部分：增加了报文扩展格式 在版本1 0 到1 2 阿，只做了少量修改：1 1 版本中，对位定时要求重新作了规定 以提高位定时特性和识别力：1 2 版中对间歇场和错误超载界定符中出现的显性位的 解释做了微小改动，振荡器容差提高，使得陶瓷振荡器可以代替石英振荡器工作。1 9 9 1 重新制定并颁稚的c a n 技术规范2 o 版包括2 0 a 和2 o b 两部分。其中2 o a 内容同 1 2 版，给出了报文标准格式( 3 8 】1 4 6 】【4 9 】。2 o b 给出了报文的标准和扩展帧两种格式，推