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南京理工大学硕士论文车身c a n 总线系统及上缸机硷测软件的开发 摘要 随着现代汽车的日益发展，汽车电子设备不断增加，进而带来汽车综合控制系统 中大量的信号需要实时交换的问题，传统线柬已远远不能满足这种要求，汽车局域网 应运而生。 本文简要介绍了国内外汽车局域网c a n 总线的发展现状，对当今国际汽车行业应 用最广的c a n 总线的原理和应用进行了研究、吸收，并利用现代电子、计算机等方面 的技术，开发了车身c a n 总线系统以及上位机检测软件。该系统可采集和处理车辆的 各种开关信号、故障信号、驱动输出信号，实时的检测和诊断车身电子系统的工作状 态和故障。车身c n 总线系统硬件使用m o t o r o l a 公司的m c g s l 2 d j 6 4 单片机作为核心 微处理器，该单片机自带一个c a n 控制器，c a n 总线驱动器使用t j a l 0 5 0 芯片作为c a n 控制器和物理总线之间的接口；系统还使用m a x 2 3 2 e 作为系统和上位机之间的串口通 信芯片；系统软件使用c 语言编写程序。上位机检测软件采用v i s u a lb a s i c 语言进 行开发，它具有实时性、直观性，能够准确接收车身c a n 总线系统的数据，并能对接 收到的数据进行处理、显示和管理。 最后，论文通过实验台测试对车身c a n 总线系统以及上位机检测软件进行了测试 和调试，使其各项性能均满足相关的技术要求和标准。 关键词：c a n ，单片机，汽车电子，汽车车身，v i s u a lb a s i c 。 南京理工大学硕士论支车身c a n 总线系统及上位机检测软件的开发 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 em o d e m a u t o m o b i l e ，f i l ee l e e l z o n i ed e v i c eo fa u t o m o b i l e i n e r e a 螂r a p i d l y , w h i c hb r i n g sa b o u tt h ep r o b l e mt h a ti ti sl l e c e s s a 巧f o rv a r i e so fe o n t z o l s y s t e m st oe x c h a n g et h es i g n a l si nt h er e a l - t i m e t h el a - a d i t i o n a lw i r i n gh 锄e s 瞄c a l l t s a t i s f yt h i sd e v e l o p m e n t , p e o p l ei l l r l lt ot h ea u t o m o b i l ec a n t h i sp a p e ri l m o d o c e sb r i e f l yt h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ec a na l lo v e rt h e w o r l d ，a n ds t u d i e st h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fc a n - b u sw h i e l ai sl l s e dw i d e l yi nt h e m o d e ma u t o m o b i l e av e h i c l eb o d yc a n - b u ss y s t e ma n d 锄e x a m i n es o f t w a r e 粥 d e v e l o p e d w h i c ht a k e sa d v a n t a g eo ft h et e c h n o l o g yp r o g r e s si nt h ef i e l d ss u c h 勰 e l e c t r o n i ca n dc o m p u t e a t h es y s t e mh a st h eg e n e r a lf u n c t i o n s w h i c l a 伽c o l l e c ta n d d i s p l a yt h ev e h i c l eb o d y ss t a t ea n di n f o r m a t i o n ，s u c ha ss w i t c hi n f o r m a t i o n ，m a l f u n c t i o n i n f o r m a t i o n , d r i v eo u t p u ti n f o r m a t i o n t h i ss y s t e mw i l ld i s p l a yt h ev e h i c l e ss 扭t ci n r e a l t i m e ，a n dp r o v i d eaf l a tr o o ff o r mw h i c hp e o p l ec a l ld e t e c ta n do b s e r v ea l lk i n d so f i n f o r m a t i o no ft h ev e h i c l eb o d y t h es y s t e mi n c l u d e st w om o d u l e s ：d e s i g no ft h es y s t e m sh a r d w a r e ，a n de x a m i n e s o f t w a r ef o rt h es y s t e m m c 9 s 1 2 d j 6 4i su s e df o r t h em c u ，w h i c hh a sac a ne o n a o l l e r i n s i d e t h ec a nd r i v e ru s 龉t ，a 1 0 5 0 a n dt h em a x 2 3 2i su s e df o rt h ec o m m t m i c a t i o ni n t h es y s t e ma n dt h ec o m p u t e r t h ep r o g r a mf o r t h eh a r d w a r ei sw r i t t e nb yc l a n g u a g e t h e c o m p u t e rs o f t w a r ei sd e s i g nb yv i s u a lb a s i c t h es o f t w a r e 啪r e a d , d i s p l a ym a dm a n a g e t h ed a t ef o r mt h eb o d yc a n - b u ss y s t e m v i at l l 曙e x p e r i m e l a tt e s t i n gt h es y s t e m , t h es y s t e m 锄a c c o r df i l er e q u i r e m e n ta n d s t a n d a r di nt h ee n d k e yw o r d s ：c o n t r o l l 蕾a r e an e t w o r k 。s c m ，v e h i c l ee l e c t r o n i c s , b o d y , v m m lb a s l e i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：驽垒堑沙呵年了月，z - 日 南京理工大学硕工论z 车身c a n 总线系统及二位机检测软件的开发 l 绪论 随着电子技术在汽车上的广泛应用，导致车身布线庞大而复杂，安装空间紧缺。 据统计，一辆采用传统布线方法的高级汽车中，箕导线长度可达2 1 k i n ，电气节点多 达1 5 0 0 个，因而汽车网络技术应运而生，并成为汽车技术发展的个方向。汽车网 络根据数据类型和传输速率分为汽车动力传动和安全与底盘控制系统、车身电子控制 系统、车载多媒体系统和故障诊断系统4 个子网络。车身电子控制网络主要是指在汽 车车身电子( 包括组合仪表、信号及照明灯、4 门集控锁、车身座椅、空调系统、车 窗及后视镜等) 控制器之间建立的网络，其目的是提高驾乘人员的安全性和舒适性、 提供车身状况信息、提高导线利用率、方便布线、简化故障诊断和维修。同时，可以 利用网络减少配线的连接以及与之相关的质量和制造成本。 根据数据的传输速率和特性，美国汽车工程师协会s a e ( s o c i e t yo fa u t o m o t i v e e n g i n e e r s ) 车辆网络委员会将汽车数据传输网分为a 、b 、c 、d ，4 类。a 类是数据 传输位速率小于1 0 k b s 的低速网络，主要用于后视镜调整、灯光照明等控制。b 类 是数据传输位速率在1 0 1 2 5 k b s 之间的中速网络，主要应用于车身电子舒适性模 块、仪表显示、故障诊断等系统。c 类为位速率在1 2 5 k b s 1 8 b s 之间的高速总线， 主要用于对实时性要求很高的动力传动系统和底盘控制。d 类是位速率大于1 m b s 的 总线，主要用于车载多媒体系统的信息传输。车身电子控制系统的执行器多为低速电 动机和开关型器件，对实时性要求低且数量众多、布置分散。使用低速的总线连接这 些电子控制器，将其与汽车的驱动系统分开，有利于保证驱动系统通讯的实时性。此 外，采用低速总线可增长传输距离、提高抗干扰能力、降低硬件成本。所以应用于汽 车车身电子控制网络的总线是a 类和b 类总线“心 ( 1 ) a 类总线的应用现状 表1 1 为现有a 类总线的使用情况，从表中可以看出，目前除了日本t o y o t a 公 司的b e a n ( b o d ye l e c t r o n i c sa r e an e t w o r k ) 还在其多种车型( c e l s i o r 、a r i s t o 、 p r i u s 和c e l i c a ) 上使用外，像美国的伽公司所使用的e 跹( e n t e r t a i n m e n ta n d c o m f o r t ) 、c 胍y s l 职公司所使用的c c d ( c h r y s l e rc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 和f o r d 南京理工大学硕士论文车身c a n 总线系统及上位帆睑测软件的开发 公司使用的a c p ( a u d i oc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ，现在已逐步停止使用。而1 2 c 总线在汽车 中很少使用、仅见于法国的r e n a u l t 公司在其h v a c ( h e a t i n g 、v e n t i l a t i o n a n d a i r c o n d i t i o n i n g ) 控制中有使用。 表i 1a 类总线的使用情况 总线名称用户应用时间备注 u a r t ( a l d l ) g m 1 9 8 5 2 0 0 5 年 正在淘汰 s i n e b u s 诺2 0 0 0 焦 酷l c o r 1 9 8 7 2 0 0 2 年正在淘汰 1 2 cr e n a u l t2 0 0 0 焦 极少使用 j 1 7 0 8 j 1 5 8 7 3 1 9 2 2 t t b1 9 8 5 2 0 0 2 焦 正在淘汰 c c dc 珉y s l e r1 9 8 5 2 0 0 2 宅 正在淘汰 a c pf o r d 1 9 8 5 2 0 0 2 盆正在淘汰 阻a n t o y 盯a1 9 9 5 篷 车身控制 u b p f o r d2 0 0 0 钲 l i n 许多o 翻2 0 0 3 芷 a 类总线的首选标准是l i n 。l i n 是在1 9 9 9 年由欧洲汽车制造商a u d i 、b m w 、 d a i 札e r 删i y s l e r 、v o l v o 、v o l k s w 和v c t 公司以及半导体厂商m o t o r o l a 组成的l i n 协会共同努力下推出的开放式低成本串行标准，从2 0 0 3 年开始得到使用。”“。 ( 2 ) b 类总线的应用现状 表i 2b 类总线使用情况 总线名称用户应用时间 备注 a i l a n ( 1 0 - )硝2 0 0 2 焦 g m 是惟一用户，j 2 4 1 1 ，单线c a n f o r dm s c nf 魄d2 0 0 4 擅 1 2 5 k b s , j 2 2 8 4 d c xl s c a nc 腿y s l e r2 0 0 4 焦 1 2 5 k b s , i s o1 1 5 1 9 i s o1 1 8 9 8 欧洲1 9 9 2 焦支持各种速率，从4 7 6 5 0 0 k b s j 2 2 8 4 g m f o r d ，d c2 0 0 1 年基于i s o11 8 9 8 ，5 0 0 k b s i s 01 1 5 1 9欧洲2 0 0 0 年 也称容错c a n j 1 9 3 9 t i 毋1 9 9 4 焦 替代j 1 7 8 0 1 5 8 7 1 9 2 2 j 1 8 s o g m f o r d ，c 瞰y s l e r 至2 0 0 2 年正在淘汰 表1 2 为现有b 类总线的使用情况。从表中可以看出，除了j 1 8 5 0 外，其它都是 基于c a n 的总线。对于欧洲的各大汽车公司，它们从1 9 9 2 年起就一直采用基于c a n 的i s o1 1 8 9 8 作为轿车标准。近年来，低速容错c a ni s o1 1 5 1 9 总线标准在欧洲的各 种车型中也开始得到广泛的使用对于美国的锄、f o 舳和c h r y s l e r 三大汽车公司， 2 南京理工大学硕士论文 车身c a n 总线系统及上位机捡测软件的开茇 他们曾试图使j 1 8 5 0 成为低端行业标准，但是由于其不是单一的标准，包含了两个不 兼容的规程v p m 胃p m 而没有获得成功。现在它们正在逐步淘汰已经广泛使用的j 1 8 5 0 ， 而在许多车型上开始使用基于i s o1 1 8 9 8 的标准j 2 2 8 4 州。 另外，美国的g m 公司已开始使用其专属的所谓g m l a n ( 1 0 w ) 总线标准，它是一 种基于c a n 的传输速率在3 3 8 3 k b s 的通讯标准。j 1 9 3 9 是s a e 基于c a n 的用于载 货汽车和客车的总线标准。所以，b 类总线的国际标准是c a n 。 由上述应用现状可知，应用于车身控制网络的总线是b 类的c a n ( 也称为低速c a n ) 和a 类的l i n 。b 类的c a n 应用于车身控制所面临的最大困难是成本高，而成本恰恰 是车身控制网络首先要考虑的问题。其原因是车身控制网络电子设备多为低速电动机 和开关型器件，对c a n 的实时性等功能要求低，但是数目众多、布置分散，对网络成 本比较敏感，所以低速c a n 到现在还没有在车身控制中得到广泛应用。对于低速c a n 在车身网络中的应用，到目前为止，各厂家推出的网络框架基本上还是处于车身模块 ( 如车门模块、车灯模块、座椅模块、空调模块等) 间的连接，对于更低端的模块节 点间( 例如车门模块内的车锁、开关、后视镜、车窗各节点) 的通讯还没有采用c a n 来实现真正的分布式多路传输，依然是集中式控制模式，使得网络连接的优点没有得 到完全发挥1 儿力叫 1 2c 棚总线在汽车中的应用 ( 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。该版本包括2 o a 和2 o b 两部分。其中2 o a 给出了报文标 准格式，2 o b 给出了报文的标准和扩展两种格式。 随着车用电气设各越来越多，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 l 位或2 9 位二进制组成。采用c 船检验，并可提供相应的错误处理功能，数据 3 南京理工大学硕士论文车身c a n 总线系统及上泣饥检测软件昀开发 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目前国外c a n 总线技术应用己经成熟，在汽车动力和制动网络应用领域正大显身手。到目前为止， 已经拥有2 0 多家c a n 控制器芯片生产商，包括飞思卡尔、英飞凌、英特尔、飞利浦、 瑞萨、s t 、t i 等半导体厂商，市场上已经有i 1 0 多种c a n 控制器芯片和集成c a n 控 制器的微处理器芯片。各种高低速网络信号在汽车不同系统问“游走”，需要网关来 充当“中转站”。富士通微电子高级系统设计工程师庞川指出，汽车上用网关可将多 个同质或不同质的网络连接，其意义在于减少网络上的信息量，提高系统的可靠性。 飞利浦推出的s j a 2 0 2 0 车内网络网关控制器是市场上第一个支持高达4 个l i n 主控制 器与6 个c a n 2 ob 信道的微控制器“1 。 ( 2 ) c a n 在国内的发展 虽然c a n 总线标准已推出很多年，但我国的汽车c a n 总线技术起步较晚，在国内 的应用开发还刚刚开始，本土汽车电子厂商在跟迸之余已显示出“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 、p , 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。 中国汽车电子厂商在基础的e c u 开发方面还存在诸多缺失，开发车载网络e c u 遭 遇的是更深层次的考验，目前还没有这个实力帮助汽车制造商部署一个c a n 网络。据 业内人士介绍，目前更多的还主要是开发支持c a n 的车载设备，配合某种车型的c a n 网络使自己的产品支持这种总线通信协议。中科院电工研究所汽车电子应用研究组副 研究员唐晓泉指出，目前国内从事车载网络的企业虽然说是开发车裁网络，但实际上 做的是具有车载网络接口的零部件，而这种零部件一个是不行的，二个也没有意义。 国内车载网络的现状是，在e c u 中嵌入车载网络已经做得不错，但与车载网络相关的 工作还十分欠缺i ”。在进行网络开发时主要解决软件的综合调度机制、多任务下的实 时性问题、汽车恶劣环境下的鲁棒性问题等技术问题，而目前国内在这一领域投入开 发的多，真正用的少，基本在样机的状态，就是因为缺少载体和在其他车型上成熟的 案例。 1 幺2c 瞄在汽车中的应用状况 c a n 是目前唯一能够在车载网络领域中覆盖汽车中绝大部分应用范围的总线协 议。因此，随者c a n 在高档汽车中大量应用，汽车电子系统将会呈现出一种“局部成 网，区域互联”的格局，图1 1 是用c a n 组建的局域网“瑚 4 南京理工大学硕士论文 车身c a n 总线系统及上垃机硷测软件的开发 圈l l 汽车内部局域同 在这种汽车内部网络中，各个子网根据内部数据通信的网络特征，采用不同的c a n 标准，具体如下： ( 1 ) 信息娱乐子网音响、图像等媒体数据流的位速率一般都在2 w b s 以上，超 出了c a n 的带宽范围。目前i d b - - c 只适用在信息娱乐子网中进行媒体数据较少出现 的辅助通讯，比如执行远程诊断或传输操控指令。c i v 4 还要再发展一段时间，特别是 在“提速”以后，才有望用于该子网中的高端应用场合； ( 2 ) 动力传动子网该予网一般是按照i s 01 1 8 9 8 、j 1 9 3 9 及j 2 2 8 4 的要求组建 高速c a n 或t t c a n 来实时采集所有传感器的输出信号，并将采集到的数据打包，再定 期以广播方式发送出去；系统中的各节点则从广播消息中“各取所需”。这样才能最 佳地利用总线的带宽资源，使每次通讯尽可能多吞吐数据，从而用尽量短的广播周期 来达到动态实时控制的要求； ( 3 ) 车身电子子网该予网通常是遵循i s o1 1 5 1 9 2 和j 2 2 8 4 的要求，组建低 速容错c a n 来增加传输距离，改善系统抗干扰特性。另外，按照j 1 9 3 9 的规定，车身 电子子网和动力传动子网也可以统一采用高速c a n 来实现。不过，为了迁就现阶段单 片机的处理能力，最好还是将两者分开，这样就可以让动力传动子网中的e c u 全力保 障汽车动力传动系统的正常运行。为了降低系统的成本，根据系统功能，可以采用以 c a n 网络为主体，l i n 网络为补充的c 州l i n 混合网络； ( 4 ) 故障诊断子网传统故障诊断正打算采用高速c a n 的物理层来实现，并已经 形成了i s o d i s1 5 7 6 5 和j 2 4 8 0 等通讯协议只需再经历一段时间的实践考察，这些 协议便有望成为汽车行业的通用标准。 除了c a n 规范自身仍然存在一些缺陷，还有两个客观原因制约者c a n 在汽车中的 全面使用： ( 1 ) c a n 的每个节点都能自主通讯。目前c a n 单片机只能以触发方式工作，因此， 5 南京理工大学硕士论文车身c a n 总线系统及上位机睑测软件昀开发 节点较多的c a n 一旦用于实时控制，根本无法应付网络事件源源不断送来的中断处理 请求：、 ( 2 ) 汽车内联网所涉及的节点众多，通讯任务繁重。以现阶段c a n 单片机的处 理能力，势必需要容量非常大的存储器来缓存和保留数据。仅仅这一项，就会使汽车 内联网的硬件成本非常高 1 3 本课篡的主要研究内容 本课题为南京理工大学与南京某汽车电子公司的合作项目，主要进行某重型载货 汽车的车身c a n 总线系统以及上位机检测软件的开发。车身c n 总线系统对车身上各 种数据进行采集和处理，并传送给上位机。上位机检测软件接收车身c a n 总线系统上 的数据，显示和检测车辆在行驶过程中的各种参量，如车速、发动机转速、油量、各 种开关量、故障、驱动输出等。 课题将进行车身总线系统硬件平台的开发，设计电路原理图，制作p c b 电路板。 在与上位机通讯的模块中，分别开发l i s - 2 3 2 串口通讯和u s b 通讯接口。采用单片机 c 语言编写程序，进行系统软件的开发和调试。课题还将开发上位机检测软件，与硬 件平台配套，并将利用汽车c a n 总线实验台进行整个系统的调试和测试。 6 南京理工大学硕士论文车身c a n 总线系统及上位机捡测软件的开发 2 汽车局域网c a n 总线原理 控制器局域网c a n 是t s o 定义的串行通讯总线，它出现在8 0 年代末的汽车工业 里。它的基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的 任何错误。由于c a n 串行通讯总线具有这些特性，它很自然地在汽车、制造业以及航 空工业中受到广泛应用。 乞1c a n 总线的性篦特点 c a n 总线是德国博世公司从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协议，目前已成为国际标准化组织i s o1 1 8 9 8 标 准，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，c a n 的应用范围遍及 从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域、发动机控制部件、传感器、 防滑系统等应用中，c a n 的位速率可高达1 m b p s 。同时，它可以廉价地应用于交通运载 的电气系统中，例如：灯光聚柬、电气窗口等等，以替代所需要的硬件连接。c a n 总 线广泛的应用与其良好的性能密切相关“1 。 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，它的数 据通信具有突出的可靠性、实用性和灵活性。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，网络上任意一个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 a 内得到传输； ( 4 ) 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出现冲突 时，优先级较低的节点会主动地退出发送，丽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( 以太网则可能) ： ( 5 ) 钟点只需通过报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广 播等几种方式传送数据，无需专门的“调度”； ( 6 ) c a n 的直接通信距离最远可达l o k 米( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高可达 l 硼o p s ( 此时通信距离最长为4 0 ) ； ( 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c a n 2 0 a 标准 7 南京理工大学硕士论支 生身c a n 总线系统及上位机硷测软件的开发 帧报文标识符有l l 位，而在c a n 2 0 b 扩展帧的报文标识符有2 9 位，使节点的个数几乎 不受限制； ( 8 ) 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，使数据的出错率降低； ( 9 ) 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； ( 1 0 ) c a m 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； ( 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网模型基础上的。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 链路层或间接向链路层写数据。结构层次少，有利于系统中实时控制信号的传送。 2 2 伽的分层结构 为使设计透明和执行灵活，遵循i s 0 0 s i 标准模型，c a n 分为数据链路层和物理层， c a n 的分层结构如图2 1 所示：9 儿 图2 1c n 的i s o o s ! 参考模型的层结构 8 南京理工大学硕士论文车身c a n 总线系统及上位机检测软件的开发 ( 1 ) 物理层( p h y s i c a ll 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、同步的解释。本技术规范没有定义物理层的驱动器接受器特性， 以便允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 ( 2 ) 数据链路层包含以下两个子层： 介质访问控制子层是c a n 协议的核心它把接受到的报文提供给l l c 子层，并接受 来自l l c 子层的报文。m a c 子层负责报文分帧、仲裁、- 一应答、错误检测和标定。m a c 子 层也受一个名为“故障界定”的管理实体监督。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。 逻辑链路控制子层l l c 涉及报文滤波、过载通知、以及恢复管理。 乞3c a n 协议的报文传输 c a n 总线的报文传输有7 2 种不同的帧格式，不同之处为标识符域长度不同：含有 1 1 位标识符的帧称之为标准帧，而含有2 9 位标识符的帧为扩展帧。c a n 系统中，数 据在节点间接收和发送以四种不同类型的帧：伽 数据帧( d a t ef r a m e ) ：数据帧将数据从发送器传输到接收器； 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符的数 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 ) ：过载帧用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。 ( 1 ) 数据帧 一个数据帧由七个不同位域( b i tf i e l d ) 构成，它们是：帧起始( s t a r to ff r a m e ) 、 仲裁域( a r b i t r a t i o nf i e l d ) 、控制域( c o n t r o lf i e l d ) 、数据域( d a t ef i e l d ) 、 c r c 域( c r cf i e l d ) 、应答域( a c kf i e l d ) 和帧结尾( e n do ff r a m e ) 。数据域的长 度可以为0 。报文的数据帧结构如图2 2 所示。 帧起始( 标准格式和扩展格式) 帧起始标志数据帧和远程帧的起始，它由一个 显性位组成。 仲裁域仲裁域由1 1 位标识符( i d ) 和r t r ( r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s t ) 位 构成。1 1 位i d 可形成2 0 4 8 种信息目标( c a n 2 0 a 标准) ，而且i d 值越小，信息优先级越 高。 控制域控制域由6 位组成，标准格式的控制域结构和扩展格式的不同，标准格式 9 南京理工大学硕士论文 车身c a n 总线系统及上位机检测软件的开发 里的控制域包括数据长度代码、i d e 位( 为显性) 及保留位r 0 。 图2 2 报文的数据帧结构 数据域数据域由数据帧里的发送数据组成。它可以为0 8 个字节，每字节包含8 个位首先发送 i s b 。， 循环冗余码( c r c ) 域c r c 域包括1 5 位c r c 序列和l 位c r c 界定符。用于帧校验的c r c 序列由特别适用于位数小于1 2 7 位帧的循环冗余码校验( b c h 码) 驱动。 应答( a c k ) 域应答域长度为2 个位，包含应答间隙( a c ks l o t ) 和应答界定符 ( a c kd e l i m i t e r ) 。在应答域里，发送站发送两个隐性位 帧结束每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定，这个标志序列由7 个隐性位 组成。 ( 2 ) 远程帧 作为某数据接收器的站，通过发送远程帧可以启动其资源节点传送它们各自的数 据。远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6 个不同的位域组成：帧起始( s t a r t o ff r a m e ) 、仲裁域( a r b i t r a t i o nf i e l d ) 、控制域( c o n t r o lf i e l d ) 、e r e 域( c r cf i e l d ) 、 应答域( a c kf i e l d ) 、帧结尾( e n do ff r a m e ) 。报文的远程帧结构如图2 3 所示。 ! 愀 fl ，獬【 l 茬麓一 虚箸鼙l 麓缱置 图2 3 报文的远程帧结构 南京理工大学硕士论文 车身c a n 总线系统及上位机检测软件的开发 ( 3 ) 错误帧 错误帧由两个不同的域组成，如图2 4 所示。第一个域是不同站提供的错误标志 ( e r r o rf l a g ) 的叠加；第二个域是错误界定符。为了能正确地终止错误帧，一个“错 误认可”的节点要求总线至少有长度3 个位时间的总线空闲( 当“错误认可”的接收 器有局部错误时) 。因此，总线的载荷不应为1 0 0 ? ，叫一删卜叶黝 一叫 i _ 一。氆谩檬志的鲮 。，+ l 疆误黼 图2 4 错误帧结构 ， 错误界定符包含8 个隐性位。传送了错误标志以后，每一个站就发送一个隐性位， 并一直监视总线直到检测出一个隐性位为止。然后就开始发送其余7 个隐性位。 ( 4 ) 过载帧 过载帧包括两个位域：过载标志和过载界定符。其结构如图2 5 所示。有三种过 载的情况，这三种情况都会引起过载标志的传送，即：接收器的内部原因，它需要延 迟下一个数据帧或远程帧；在间歇的第一位和第二位检测到一个显性位；如果c a n 节 点在错误界定符或过载界定符的第8 位( 最后一位) 采样到一个显性位，节点会发送 一个过载帧( 不是错误帧) 。错误计数器不会增加。 翳鼗瓣耄_ 十卜。，燃1 一，叶整要轳欢 符 ii jb 一一叫 _ l _ _ 一拄藏标志的珏。， r 旗引睫移，；，； 图2 5 过载帧结构 。 c a n 总线基于以下5 条基本规则进行组织 1 1 1 。 ( 1 ) 总线访问c a n 控制器只能在总线空闲状态期间开始发送。所有c a n 控制器同 步于帧起始的前沿( 硬同步) 。 ( 2 ) 仲裁若有两个或更多的c a n 控制器同时发送，总线访问冲突通过仲裁场发 送期间位仲裁处理方法予以解决。仲裁期间，每个进行发送的c a n 控制器都将发送位 电平与监控总线电平进行比较。任何发送一个隐性位而监视到一个显性位电平的c a n 南京理工大学硕士论文 车身c a n 总线系统及上位机检测软件的开发 控制器立即变为总线上较高优先权报文的接收器，而不致破坏总线上的任何信息。每 段报文中的标识符和r t r 隐含地定义了该报主席的总线访问优先权。 ( 3 ) 编码解码帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列使用位填充技术进 行编码。其余的位场和帧具有固定的形式，不使用位填充方法进行编码和解码。报文 中的位流按照n i i z ( n o nr e t u r nt oz e r o ) 方法进行编码，亦即位周期期间位电平维 持恒定，或者隐性电平，或者显性电平。 ( 4 ) 出错标注当检测到位错误时、填充出错、形式错误或应答错误时，检测出 错条件的雠制器将发送一个出错标志。出错标志将破坏位填充或损坏固定形式的 位场。位填充法则的破坏将影响检测出错条件的任何c a n e d 制器。这些器件也将发送 出错标志。 ( 5 ) 超载标注一些c a n 控制器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。 下面介绍一下c a n 总线的位数值表示与通信距离州“。 c a n 总线上用“显性”( d o = 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 ”。当在总线上出现同时发送显性和隐性位时，其结果是总线数值为显 性( 即“0 ”与“1 ”的结果为“o ”) 。如图2 6 所示，v c a n _ h 和v c a n l 为在以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，v c a n 一1 1 和v c a n _ l 被固定在平均电压电平附近，v d 。近似于o 。在总线空闲或隐 性位期间，发送隐性位。显性位以大于最小阀值的差分电压表示 一1j 乙 1 w 厂l v “_ v c “- 图2 6 总线位的数值表示 c a n 总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关，表2 1 列举了相关 数据。 表2 1c a n 总线系统任意两节点之间的最大距离 位速率表k b p s 1 0 0 05 0 02 5 01 2 51 0 05 02 01 0 5 最大距离m4 01 3 0 2 7 05 3 06 2 0 1 3 0 03 3 0 06 7 0 0l 0 0 0 0 1 2 南京理工大学硕士论文车身c a n 总线系统及上位机检测软件的开发 这里的最大通信距离是指在同一条总线上两节点之间的距离。一个实际的应用系 统网络结构中可以是“树型拓扑”( 有时称为干线和支线) 。在各级“分支”的节点上 采用“网关”，实际上就是由多个c n 控制器或外加其他通信协议( 如r s 4 8 5 ，t c p i p ) 的接口芯片组成的一个设备这样几乎既不受限制地扩大了通信距离( “中继器”的 作用) ，又有“网关”或“网桥”甚至“路由”的作用。 2 4 本章小结 本章主要介绍了汽车局域网c a n 总线的原理，包括c a n 总线的性能特点，分层结构 和c a n 总线的通信协议，为以后章节的实现奠定基础。 南京理工大学硕士论文 车身c a n 总线系统及上位机检测软件的开发 3 车身c a n 总线系统总体方案设计 本系统将借鉴目前国内外类似产品的设计思想、设计特点及技术经验，根据实际 项目的具体要求，采用先进的现场总线技术和微控制器技术进行设计开发。 3 1 系统需要采集的参量 车身c a n 总线系统首先要采集汽车在工作状态下车身c a n 总线上的众多信号。这 些信号可以分成二大类，具体为： 1 模拟信号，需要a d 采集。 发动机转速，单位：r 舯； 车速，单位：b h ； 油量，单位：；该参量用来指示燃油箱内存储油量占油箱容量的百分比。 机油压力，单位：m p a 该参量可用来指示发动机机油压力的大小和发动机润滑工 作是否正常。 水温，单位：该参量用来指示发动机水泵中冷却水的工作温度是否正常。 2 开关量信号，具体分为三类。 ( 1 ) 车身控制开关量；表征车内控制开关的状态，有远光灯开关、近光灯开关、 雾灯开关、雨刮开关、转向开关、风量开关、倒车开关、高水温报警开关等，具体见 表3 i ( 可根据要求增加或者减少) 。 内室灯开关 雾灯开关近光灯开关小灯开关远光灯开关 钥匙开关 c c钥匙开关s t a雨刮快档开关 雨刮慢档开关钥匙开关o n 雨刮间歇开关 喇叭转换开关轮间差速开关a c 空调开关喇叭开关 右转向开关左转向开关全驱到位开关取力器到位开关 危机报警 驾驶室到位开关 举升到位开关轴差到位开关提升桥到位开关倒车开关 低油压报警开关水位报警开关风量二档开关风量三档开关 温控开关 风量四档开关风置一档开关 轮差到位开关水温报警开关 ( 2 ) 驱动输出信号量：表征车辆驱动是否输出的量，如左制动灯驱动输出、左 倒车灯驱动输出、点烟电源驱动输出、挂车右转向灯驱动输出、启动继电器驱动输出 等，具体见表3 2 ( 可根据要求增加或者减少) 。 1 4 南京理工大学硕士论文车身c a n 总线系统及上位机检测软件的开发 表3 2 驱动输出信号量 右后转向灯驱动输出 左制动灯驱动输出取力器电磁阀驱动输出 右制动灯驱动输出右倒车灯驱动输出轮差电磁阀驱动输出 右后位置灯驱动输出左倒车灯驱动输出全驱电磁阀驱动输出 右后雾灯驱动输出左后雾灯驱动输出 轴差电磁阀驱动输出 提升桥电磁阀驱动输出 挂车左位置灯驱动输出左门电源驱动输出 左后转向灯驱动输出挂车倒车灯驱动输出右前位置驱动输出 洗涤输出驱动输出左辅助转向驱动输出排气制动驱动输出 备用电源驱动输出右辅助转向驱动输出 室内顶灯驱动输出 左前雾灯驱动输出左前位置驱动输出工作灯驱动输出 右门电源驱动输出室内位置灯驱动输出启动继电器驱动输出 空调电源驱动输出?点烟电源驱动输出暖风电机驱动输出 左转向驱动输出左后位置灯驱动输出电喇叭驱动输出 右转向驱动输出 挂车右位置灯驱动输出右前雾灯驱动输出 空气干燥器驱动输出挂车制动灯驱动输出嗽叭驱动输出 后视镜加热驱动输出挂车左转向灯驱动输出左前近光驱动输出 雨刮慢驱动输出 挂车右转向灯驱动输出 雨刮快驱动输出 左前远光驱动输出 右前远光驱动输出右前近光驱动输出 ( 3 ) 故障信号量，汽车发生故障或者损坏时产生信号，有：车灯故障、驱动故 障、制动损坏等，具体见表3 3 ( 可根据要求增加或者减少) 。 表3 3 故障信号量 左倒车灯故障挂车倒车灯故障左后转向损坏右制动故障 右倒车灯故障挂车左位置故障左制动损坏右后位置故障 挂车左转故障挂车右转损坏左后位置损坏右后雾故障 挂车右转故障挂车右位置损坏左后雾灯损坏提升桥驱动故障 挂车右位置故障挂车制动损坏 轴差驱动故障 右后转向损坏 挂车制动故障挂车左转损坏 全驱驱动故障 右制动损坏 左制动故障挂车左位置损坏轮差驱动故障右后位置损坏 左后转向故障挂车倒车灯损坏取力器驱动故障右后雾损坏 暖风电机驱动故障洗涤输出驱动故障 左辅助转向驱动故障右前位置驱动故障 电喇叭驱动故障备用电源驱动故障右辅助转向驱动故障 捧气制动驱动故障 右前雾灯驱动故障右转向驱动故障左前位置驱动故障室内顶灯驱动故障 嗽叭驱动故障左前雾灯驱动故障室内位置灯驱动故障工作灯驱动故障 南京理工大学硕士论文 车身c a n 总线系统及上位机检测软件的开发 左前近光驱动故障右前远光驱动故障点烟电源驱动故障 启动继电器驱动故障 左倒车灯损坏右前近光驱动故障后视镜加热驱动故障 左后雾故障 右倒车灯损坏雨刮慢驱动故障左前远光驱动故障右后转向故障 左后位置故障空调电源驱动故障左转向驱动故障 雨刮快驱动故障 3 2 系统解决方案的选择 随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用，汽车电子化程度越来越高。电 子设各的大量应用必然导致车身布线庞大而且复杂，安装空间紧缺