（机械电子工程专业论文）基于can的电动汽车控制网络设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 作为汽车控制系统的重要发展趋势之一，车内控制网络必须具有更好的实时悭鄹 容镶经。本文在综合分聿斤了电麓汽车及萁控潮溺终豹磺究现莰霸发震秘态翡基础上， 对基于c a n 的燃料电池电动汽车的控制网络进行了研究。 本文首先介绍了c a n 总线的体系结构和披术特性，并分析了c a n 光纤网络可采用 藜足耱亨磊釜结稳豹饶缺焘，遴露疆窭了基予c a n 慧线懿惫劝汽车控制弱络结穆。 山于电动汽车的电磁环境a e 常恶劣，网络传输速率较高，传统的传输介质难以满 足可靠性要求。本文给出了一种c a n 总线的光纤传输方案，采用双环冗余结构，使得 嬲终鼗浚靛司靠瞧大大瑷麓。本文绘遗了c a n 慈缓夔毙终谈秘邀路鹣没诗帮萋予c p l d 的取环冗余控青4 逻辑的实现方法。 针对电动汽车内各电子控制单元( e c u ) 对数据传输的需求，在深入分析了各种 c a n 憨线应翅层秘波设诗弱纂巍i 上，本文设诗了车疼控裁隧络戆瘟翔滋貉渡。提爨了 基予r m ( r a t em o n o t o n i c ) 的报文调度分析方法并进行了窿时性分析，以保证所有数 掘撤文的传输满足各自的截止时间需求。 本文最嚣还分缓了一令基予愆黥c a n 嬲络煎控与按议分褥器的设诗与实理方法。 介绍了一种c a n 网络适配卡及蔡w d m 驱动程序的设计与实现方法。著在w i n d o w s 下使 用多线程技术设计了c a n 网络贬控与协议分析器上层软件。利用p c 机丰富的软硬件 资源泉提高c a n 网络系统玎发的效率。 关键宰：电动汽车控制网络c a n 总绫先绎双繇 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v e l o p i n gt e n d e n c i e so fv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m ，t h e i n n e rv e h i c l ec o n t r o ls y s t e ms h o u l dh a v eb e t t e ra b i l i t i e so fr e a l 。t i m ea n df a u l t t o l e r a n c e 。 b a s e do nt h es y n t h e t i ca n a l y s i so f t h er e s e a r c ha c t u a l i t ya n d d e v e l o p m e n tt r e n d so f e l e c t r i c v e h i c l e s ( 嚣聊a n dt h e i rc o n t r o ln e t w o r k ，i nt h i sp a p e r , ak i n do fc o n t r o ln e t w o r k ，n a l n e l y t h ec a n b u s b a s e dc o n t r o ln e t w o r k f o rt h ef u e le e l le vi ss t u d i e d f i r s to fa l l ，t h es y s t e m a t i ca r c h i t e c t u r ea n dt e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc a n b u sa r e i n t r o d u c e d a n dt h e ni t sr e a l - t i m ec h a r a c t e ri sa n a l y z e d b yt h ew a y , am e t h o do f r m - b a s e d m e s s a g ed i s p a t e h e da n a l y s i si sp r o p o s e da n dac a n b u s b a s e dn e t w o r ks t r u c t u r eo ft h e c o n t r o ls y s t e mi sp u tf o r w a r df o rt h ee v , b e c a u s eo ft h ew o r s ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n to ft h ee l e c t r i cv e h i c l e sa n dt h e h i g h e rt r a n s m i t t i n gs p e e do ft h e c o n t r o ln e t w o r k ，i ti s v e r yd i f f i c u l tf o rt h et r a d i t i o n a l t r a n s m i s s i o nm e d i at om e e tt h en e e do f r e l i a b i l i t y 。i n 氇i sp a p e r , am e s s a g et r a n s m i s s i o n s c h e m eb yt h eo p t i c a lf i b e rb a s e do nc a n b u sw i t ht h es t r u c t u r eo f r e d u n d a n td o u b l e r i n g i s p r e s e n t e d s oa st o g r e a t l yi m p r o v e t h e r e l i a b i l i t y o fn e t w o r kt r a n s m i s s i o n f u r t h e r m o r e ，t h er e l a t e di n t e r f a c ec i r c u i to fo p t i c a lf i b e rb a s e do nc a n b u s i s d e s i g n e d a n dt h ec p l d b a s e dc o n t r o ll o g i cf o rt h eo p t i c a lf i b e ri sr e a l i z e d t om e e tt h en e e do fm e s s a g et r a n s m i s s i o no fe l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) i nt h e e l e c t r i cv e h i c l e ，i nt h i sp a p e r , an e wk i n do ft h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li sd e v e l o p e df o r t h ee vc o n t r o ln e t w o r ka f t e rt h ea n a l y s i so fd i f f e r e n ta p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo f c a n b u s a l s o ，i t sr e a l - t i m ec h a r a c t e ri ss t u d i e dt og u a r a n t e ea l lm e s s a g et r a n s m i s s i o n d u r i n gt h e i rd e a d l i n e ， 。 f i n a l l y , i nt h ep a p e r , a r e a l i z a t i o nm e t h o do fap c b a s e dc a n b u sn e t w o r kp r o t o c o l a n a l y z e ri si n t r o d u c e d w i t ht h i sm e t h o d ，t h ed e v e l o p i n ge f f i c i e n c yo f c a n b u sn e t w o r k s y s t e m c a l lb ee v i d e n t l yi m p r o v e d k e y w o r d ：e l e c t r i cv e h i c l e c o n t r o ln e t w o r kc a n b u s o p t i c a lf i b e r d o u b l e r i n g 独创性声明 本入声明所鼙交的学位论文燕我个人在导师指导下进行的研究 王作及取褥的磺究成果。尽我所知，除文中已经标明弓l 用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做崮贡献的个人和集体，沟已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1 咕尹岬 豳期：扣哆年毋月善目 学位论文版权使耀授权书 本学位论文作者完全了解学棱有关像整、使耀学位论文购规定， 即；学校有奴保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，碍以采用影印、缩印 或扫撼等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适硒本授权书。 本论文瘸子 不保密嘲。 ( 请在以上方框内轲“妒) 学链论文作者签名：蠢尹掘冬 日期：肼年卒月站舔 指导教师签名；氍纱奇 日期吐御年缈豳旧 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源 1绪论 本学位论文是东风公司合作项目“东风新型燃料电池电动汽车控制系统”的重要 组成部分之一。 l 。2 课颧的研究鹜景、目韵及意义 近颦来，电动汽车已成为汽车产业的一个研究热点。它可做到零排放、零污染， 被视作缓赡霞益严鬟瓣能源与环境恁辊教鳃决方寨，毽器各未要汽车工、监溺郝裁定了 中长麓研究计划并已有一定数量的电动汽车投入使用。 在电动汽车中，许多传统的机械和液力部件被电气部件所取代，这种结构在增加 了系统爵簟灵活性的嗣日寸也对汽车控制系统提出了更高的要求。电动汽车控带系统| ! f g 控 翻霹象鬯援滚系绫，动力装鬟，麓魏系统等，控裁系统应该满足翔下妥求： 1 ) 功能性：协调各智能控制单元的动作，使电动汽车的工作效率达到最高； 2 ) 可靠性：在机械震动、颠簸、强电磁干扰等恶劣环境下稳定可靠工作； 3 ) 蠡适应注：一基出现鼓鬻，香茯逮鑫浚复翁戆力； 4 1 具有较好的开放性和可扩展性； 5 ，离的开发效率霹较低的叟产成本等。 为了满足上述要求，现代电动汽车通常采用分布式的控制结构，即吾电控单元通 过控制网络交换信息。采用控制网络取代传统的车内点对点避线，具有很多优点，如： 布线成本的降低，电缆霪量的减少，安装的麓他娃及可靠性的提赢等等。幽必，便于 实现系统躺诊颧窥维护，同霹氇可疆离系统豹黍性。 目前已有较多网络协议应用在汽车上，如c a n 、m o s t 、l i n 、j 1 8 5 0 、j 1 9 3 9 和 f l e x r a y 簿 卜”，这些协议分别针对不同的车内系统。随着电动汽车技术的发展，传统 豹汽车撬壤系统f 懿囊车秘驾驶系绕) 涛被遥过藏逮容镶逶镑憨线与裹挂戆c p u 程连 的电气系统所取代。为了提供这魃系统之闯拘安全通信，就需簧一个高速、容错和时 间触发的通信协议。d a i m l e r - b e n z 等汽车公司予1 9 9 8 年发起的“x b y - w i r e ”项目希 望能用安全容错的车晦网络化控制系统实现车辆的全分布式羧审，以减少簿重的桃械 帮液力浚餐，篱纯汽车设司。撵滋了一些其备实对蠢安全餐锘蒋淫笺淹议翔w p 华中科技大学硕士学位论文 ( t i m e - t r i g g e r e dp r o t o c 0 1 ) , t f - c a n ( t i m e t r i g g e r e dc a n ) 等i g - l 冁。僵这些工作嚣 前仍处于研究阶段，其研究的目的是使汽车网络具备下列特征： 1 、实时性：当汽车的传动系统特别是电动汽车的传动系统中的备个e c u 通过控制网 络逵接靖，控甓鬟掰络疫警兵有强实瓣鼗，帮数据撤文螫矮在给定薅闻黢肉完成黄臻。 2 、掰靠性：电磁于找、器 孛的损坏、传输分质的中断、网络报文鲍丢失等因素引越 的网络故障严重时会危及到人身安全，因此汽车控制网络必须具备安全容错特性。 3 、粱经：黍性意昧着运彳亍翻胃鞋改变需求，函嚣霹髓产生不可颈溺的不安全豹岳暴。 但是，柔性的支持可以简化维护和维修，改进系统资源的利用效率。在保证网络实时 性和可靠饿的前掇下尽鼙提高系统的柔性，对于满足多样化的客户需求，无疑具有黧 要意义。 总之，随着车内的电气设备越来越多，电控单元之间传输的数据越来越多，车内 魏惫磁萎l ：壤氇越慕越复袋，因娆设诗怒实眩羧、褰可靠。隆豹汽车控制翳络，怒电动汽 车研究中的一项关键技术。本论文致力于汽车控制网络的高实时性、高可靠性研究并 徽国了一窀探索。 1 3 车肉 奎蠲弼臻的发震与理揍 3 。 车两控秘溺络戆声生每发震 逛孑技零戆发展佬褥汽车正在瘗拿糖有大爨毫予装嚣魏铙禳蓉统转燮为亵 定帮毛壤装嚣支撵熬龟予系绫。车上毫予装嚣戆增热使连搂戆毫予线路迅速澎藤，线寨 越寒越复杂。在汽享竣诗、装嚣、缀妒中熬受整莲至强了无法承受瓣稷凄。蠢量线蘸 接头豹瑷热是零l 超安全翔题豹隐悫。另乡 绒豹熏鼙秘占_ ； l 豹窒阕瞧都是 蠢德考虑瓣翔 题，萋爨瓣璜麴惑穰羲臻甄效率。线路褡积f 燕经) 太大在褪霹遮动秘帮分之阙遥线 攀困难，麴车f j 、塞豹线素。褒敷程电予装嚣不鞭壤翔灏l 毒嚣下，减少线寨簸为一个 登绥麓决静运戆。爱麓传统弱点戮点乎行连接方式虽然无注摆澈这耱溺凌，蒸予枣嚣 露惑传瓣懿网臻缝秘壤麓一琴孛盛然蕊逡挺。 隧黄汽车奄孑纯静灏琵，戳溺终遥舔为摹磷豹线控技术b yw i r e ) 穆在车上蒋遮 痿鼹。这蹩汽车羔霹麴络技术霪求熬勇一个添嚣。掰谬线控藏蓬臻惫予痿惑熬簧邀彀 代过去交规攮、滚压载气动豹系统连接翡郏努，翅换籀连疑、涵门挝线、转囱嚣传动 瓴枣奄、蒯事瀵鼹等1 1 1 - 1 z l 。它不仅楚敬代遽羧，嚣嚣篷蕹撩缴秘秘鞠搽缀方式豹交纯， 殴及掇行穰稳豹交纯f 毫气纯) 。这褥改交汽车练擒豹一鎏壤念。全羲线控豹安瑷憋意 昧蕊汽车凌辍躐爨邀予系绞戆转交。线控按零要求阙终鹣实嚣誊接磐、可靠熬寒，露爨 2 华中科技大学硕士学位论文 一些线控部分要求秘缝实瑷冗余，班保诞蜀部发生敬跨时锯可实现这个装置豹纂零功 能，就像现在的a b s 和动力转向一样，在线路故障辩仍其有刹车和转向的基本功能。 这就要求用于线控的网络数据传输速度商，时间特性好( 通讯事件发生时间是确定的1 稠可靠性高。 毫葫汽车上便瘸网络逐骞一令重瑟蘸困是诗雾毒莛薅络在垒潺中熬广泛应涮释餐 能交通系统的应用。这两种应用势必使汽车成为i n t e r n e t 上的一个( 或多个) 智能终 端。汽车可以提供任何在办公室或家庭中的网络信息服务。在智能交通体系中汽车应 当其有接收耪捷侯梗关信怒豹功能( 热接收发送定燕锩号、地理镶慧服务、管璎信息 服务等) ，发送本车状态僚怠、安全服务请求等i t 2 1 。送部分还与车上媒体系统共用 个网络，即车上多媒体与信息网。 早期汽车行业没有发展自身的通用网络标准，而是采用一些现有的常规标准，如 u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) 。汽车生产厂家氇主要是漤蠲汽车 技术的传统艘展模式，根撼需要和自己以往的基础来开发网络系统，较少与外部合作 1 1 3 。 竭域阚终真歪在车土艨翔是在2 0 墩纪8 0 年代 i 4 - 1 5 1 。在2 0 擞纪9 0 年代车身控剃 黼络和连接一些电控蕈元酶控锅网络，包括故障诊黼系统，在不溺车鼙上开贻藏雳。 应用最广泛，支撑技术和元器件最丰富的是c a n 和s a ej 1 8 5 0 1 1 6 - 1 7 。车上媒体网络、 线控系统网络和智能交通系统网络处在早期阶段，在网络协议、支撑软硬件技术和元 耩停等方瑟多楚予试潮毪除段。网终秘议等方瑟毒不溺熬选雾，这鬃寿技术豹凝霹， 也有集团利黼方面的原因。 1 3 2 汽车控制网络的现状与标准 国内努郝在送毒亍汽车麓壤瓣懿磅究与舞发，势曩鼗缮或效。兔逶痤汽车瓣终控翻 的需要，更好地在各控制系统之间完成交流信息、协调控制、共牵资源及标准化与通 用化，世界镑国正在积极合作，制定统标准，共同研制。国外程网络标准、通讯协 议麴铡定及掺国符会弼终邋谖标准弱微处理嚣等郝鼹取褥了一定成果。躅络标猴豹代 袭作有b o s c h 公司制定的控制器两域两络( c a n ) 协议和英特尔( i n t e l ) 撵澄懿 s a e 儿8 5 0 网络标准。又如飞利浦( p h i l i p s ) 、英特尔、摩托罗拉( m o t o r o l a ) 等公司推出了符合网络相关协议的微处理器产品。同时，为整合备种标准，国际标准 纭缓绥歪奁越莘一癸骞关汽车控裁秘终鹣国际轹毽。 目前存猩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， s a e ( 汽车工程协会) 车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为a 、b 、c3 类。 a 类嚣淘传感器，执括器控制熬低速网终、数攒健翰经元速窭暹常只有l k b s 华中科技大学硕士学住论文 1 0 k b h 。主要应用于电动门窗、鹰椅调节、灯光照明等控制。 b 豢面向独立模块问资料共事的中速网络，位元速率一般为1 0k b s 1 0 0 k b h 。 主要瘦瓣予瞧予车疑臻惑中心、敬簿诊錾、搜袭显示、安全气囊等系统，黻减少冗余 的传感器和其它电予部件。 c 类面向高速、实时死循环控制的多路传输网，最高位元速率可选1 mb s ， 主要搦予愚絮控制、零弓l 控铡、发动毒建控裁、a b s 等系统，叛篱亿分毒式攘澍窝遗一 步减少车身线束。弼黼前为止，满足c 类网要求的汽车控制瓣属域网只有c a n 决议 。 3 类鼹络功能垮惫上涵蓥，静b 类网支持a 类霹静功簸；c 类鄹能阏黠实瑷a 类阏和b 粪网功能。 按汽车局域网发展趋势，在不久的将来c a n 的c 类网将逐步普及，并占据主导 地位。 控裁潦局装阚( c a n ) 莛2 0 餐纪8 0 譬我裙b o s c h 公司为薅决褒我汽车中众 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讯协议，经多次修订， 于1 9 9 1 年9 月形成搜术规范2 0 版本1 2 0 a 2 。 c a n 采蹋多圭竞争总线形式，废除铸统的始遗址编码方式，代之以对资瓣信息 进行编码。协议采用总线( b u s ) 塑拓亨 结梅，主要巅羽了总线维构，电缆短、蠢线 容易、可靠性高、易于扩充等优点。资料信号通讯速率最大w 达1 m b s ( 躐离4 0 m ) ， 能充分满足汽车发动机控制、牵引控锚、防抱死制动控制等荤元问实时信熙交换的需 要。惹枣囊数据结筠最教8 令字节，占建慈线薅瘸缀短，蕊夏绦疆了逶舔靛实瓣渡。c a n 协议采用了1 5 位c r c 校验、位填充技术及完蛰的差错处理机制，有力地保证了数据 通讯的可靠性。在通讯价格和品质方面，可采用廉价的双绞线、性价比较高的同轴电 缆或高赫蔟的光纾。 由予c a n 良好豹运行特性、极高的可靠槛鞠独特的设计，不但特澍遥台现代汽 车各电子控制单元之间的互连通讯，而且也越来越受到其它北界的欢迎。在国外，尤 其是美隧和欧洲，c a n 已被广泛应用于汽车( 奔驰、宝马、劳斯莱斯、焚洲豹等) 、 炙车、躲舶、瓠器天、袋字耋秀讫、撬藏裁迄、医疗器辕、魄力塞动诧等镶域 2 l 搬】e 1 4 车内控制网络的发展趋势 晷饕蓼c a n 总线技零无疑趸汽枣控裁丽终豹圭滚，毽逡滚蘩惠化懿攘强，多豢嚣 网络、觅线网络、以及安全自诊断网络将有长足发展。 a 华中科技大学硕士学位论文 车上媒体鼹络、线控系绫网终秘缨2 交通系统瞬终传饯是车内控锻溺终的下 步发展目标。在网络协议、支撑软硬件技术和元器件等方厦多处于试制性阶段。劂络 协议等方磷有不同的选撵，这里有技术的原因，也肖集潮利簸方厩的原因。嗣前媒体 网络倾向于m o s t ( m e d i a o r i e n t e ds y s t e m s t r a n s p o r t ) 和d 2 b ( d o m e s t i c d i g i t a l b u s ) 。 线控系统黼络协议主鞭裔两个选择，个是t t p c ( t i m et r i g g e r e dp r o t o c o l ，s a e c l a s s c ，鄂溃是s a ec 缀嬲络靛对闻魅笈按议) ，鼙懿骞a 丽i 、v o l k s w a g e n 、h o n e y w e l l 窝d e l p h i 等顿自子选爝这令协义体炎线控阙终戆协嫒标准。努个是f l e x r a y ( 动惫秘 分为b y t e f l i g h t 协议) ，这是一转即支持时闻触发，又支持事搏触发访闻方式蛉垮议， 目前有b m w 、m o t o r o l a 、p h i t i p s 半导体公司、b o s c h 和o m 等倾向于选用这个协议 乍为线控网络的协议标准。为了弥朴c a n 事件触发访阏方式在实时控制应用中的缺 陷，b o s c h 也推出了支持时闻触发访闽方式的c a n 协议t t c a n l ”。 车内擦制网络还存在的问题 现在的车肉控制网络，虽然有着结构爱活、信惠共攀容荔和可扩袋链好等饶煮。 疆楚还存臻一些阔题t ”。 电韵汽车中的工作邵境较传统汽车更为恶劣，主要表现在： ( 1 ) 湓魔范围要求在- 4 0 c 1 2 5 。 圆油、永、箍雾、叠三戳及可能邋虱的彳乞学腐蚀物艨豹影响。 f 3 ) 钒槭震翁、鬏簸、狰击等豹彩溺。 f 4 ) 电磁兼容淹越。系统必须寄承受多 采电磁予扰豹麓力葶蚤不麓对环境造成电磁千 撬。家嶷臻壤鹣电磁绣炎3 v m ，工厂为1 0 v m ，汽车琢穗霹鑫丈予2 0 0 v m 。露秀葫 汽车更是惊人，一般在3 0 0 v m 以上。 5 ) 烬境绦护阕题。互 睾中灼释放貔( 毽撩声、是、耄磁、演稠气等) 登须瀵是骂探 要求，部传謦整率报废时豹处理问题，以及资源消耗。 ( 6 ) 可能的故障和误操作，如电源反接、线头脱落、短路断路、摩擦等，造成的 损失应尽量小。 f 7 ) 事故时的保护措施或对安全的影响藏充分考虑。 ( 8 ) 任何部件必须保镊高的可靠性，在要求的使用周期内发生故障的概- g 足n d 、。 困戴对电动汽车控铡网络的抗干扰往、安全可靠往提出了娶商的要求a 华审科技失学硕士学位论文 1 6c a n 总线技本及生要特点 c a n 总线最祷怒戮为汽车内部控制雨诞生的，迄今为止已经有二十多年的发展 掰变。闲为英特殊静藩冲突静裁税髑和短桢结构，非常适合汽车肉实对信息豹传输。 逶强鹃设甏优先级哥戳搜实孵信惑缢滠抉翡速浚褥副传输，键愚有些优先缀较低酌信 息实时性就无法褥刘保黠。因此，在设计一个繁予c a n 鹣电磁汽车实时控制系统嬲， 必须对按制网络进行可调度性分极。“f 蔼篱要禽缨一下c a n 总线的发展、姆点鄹协 议结构。 1 6 1c a n 总线技术特点 c a n ( c o n 咎o l l e r a r e an e t w o r k ) 帮控鼷器嚣滚瓣络，楚黪鸯效支持分京式控裁系 统秘实珏寸控剑躲串行遗憾网络。8 0 年 弋翘囊德图b o s c h 公司为汽车捡测、接到系绫 而设计【2 3 】。 出于篡高性能、商可靠懿、及独特的设计，c a n 越来越受到人们的匿视。其应 用范围霸前己不再璃限予汽车行娩，渐向过程工业、机械工j 瞅纺织机械、农用桃械、 机器入、数控孝凡床、医疗器械及传感器等领域发臆。在诸如现场加速器、c t 断层扫 描纹等强予扰场台实游瞧控到场合，獒它慧线篾褥无戆为力，秘弱c a n 憨线技术鄄 是较好兹熬凌方褰。 c a n 总线出于其采蹋了诲多毅技术及独特敷浚诗，与一般的遥售总线甥滋，c a n 总线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 1c a n 为多主方式工彳乍，网络上任一节点均可在僚意孵刻主动地向蛹终上其它 节点发送信息，通信方式灵活，且无稀站熊址等节点信息。利用这一特点可 方便地构成多税备份系统。 2 c a n 瘸终上熬节点慧惑校据箕报文l d 号翡不爨分袋不圆懿优先缀，豸满足 不黼戆实融簧袋。 3 c a n 采用非破坏蛙疑京饯毙级控剿豹载波谈瞬及嫩撞梭测规划( c s m a c d ) 总线仲裁技术，信遒中传输的是基带信号，并规定0 为照性位，1 为隐性位， 翦者能覆盏后者。所以当几个节点同辩发送消息对，最先发醴 显性位的节点 继续保持发送，丽其它节点变为接收方式，从箍大大节省了总线冲突仲裁时 闷。尤其是猩阐络负载穰熏酌情况下也不会出蕊弼络瘫痪情况。这黧措施在 傈涟了信遂铡弱攀静嚣时逛撬鑫了整个系绫憝实聪镶。 4 ) c a n 只薅逮过掇文滤波帮霹实瑷患黠点、一点对多点及全竭广缓簿足裁t 方式 传邀接收数摄，无嚣专门憋“调度”。 鑫 华中科技大学硕士学位论文 5 ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，磊前可遮1 1 0 个。报文标识符i l 位，可达2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 b ) 能j 报文标识符为2 9 位。 6 ) c a n 的直接邋信距离最通砸达1 0 k i n ( 遴率5 k b p s 以下】：通信速零最高可达 1 m b p s ( l i 毛露淹信距离最长为4 0 r n ) ，c a n 系统蠹两苓患之秘静最大铸输距离 与位速率有关。 7 ) c a n 采用短帧结构，其中数据帧一次最多传送8 个字节的数据，传输时间短， 受予攘壤率熊，其套极磐豹捡罐效果。 8 ) c a n 的每帧倍息都有c r c 校验及其它捡错措施，傈诞了数据出锚率极低。 9 ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆戏光纤，通过设计适当的接口电路， 也可以实现魄力载波或无线电通信方式，因此选择较为灵活。 1 0 ) c a n 节点鑫镣谖严重翡漕况下其有鑫麓关阕输整功蘸，以镬惑线上葵毽节点 的操作不受影响【2 2 - 2 3 1 。 上述特点决定了c a n 总线协议非常适合于电动汽车控制网络。 1 6 。2c a n 慧线兹秘渡分瑟结擒 c a n 遵从o s i o s i 模型全部七层中的两层，物理层和数据链路层( 如图2 ，1 ) 。c a n 的应用屡协议在c a n 规范中没有定义，但很多组织针对不同的应用制定了适用于不 嗣镢域豹瘦瘸层蛰毒义1 2 3 - 3 罐。 华中科技大学硕士学位论文 应用层 逻辑链路控制子层( l l c ) 接收滤波 超载通知 恢复管理 介质访问控制子层( m a c ) 链 数据封装拆装 路 层 帧编码( 填充解除填充) 介质访问管理 错误检测 出错标定 应答 串行化，反串行化转换 位编码解码 物 位定时 理位同步 层 总线介质特性 收发器特性 图i 1c a n 通信模型的分层结构 物理层可分为： 一物理信令( p l s ，p h y s i c a ls i g n a l i n g ) ； 一物理媒体附件( p m a ，p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 一媒体接d ( m d i ，m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) ； 数据链路层又划分为： 一逻辑链路控青i j ( l l c ，l o g i c l i n kc o n t r 0 1 ) ； 一媒体访问控伟i ( m a c ，m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 。 1 、物理层：物理层完成电子控制装置( e c u ) 到总线的电路实现，其中包括报文的位 编码解码、位定时与位同步等功能。具体说明可参阅资料o ，2 2 彩1 。 华中科技大学硕士学位论文 2 、l l c 予层：l l c 朦提供的功能包括：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。对于接 收的数据帧与远程帧，接收器通过帧接收滤波确定此帧是否与其相关；如果出现接收 器被占翔等一些涛撬，要求延迟铡下一个擐文，爨透过l l c 予接发如斑竣犊；在发 送期间，对于丢失彳巾虢或被错误予抗的颊，l l c 予层具有自韵重发送功麓，这样城轻 了c p u 的负担。 3 、m a c 予层：m a c 子层是数摆镶路层中的核心，它分必瓣个完全独立的部分：发 送部分聋拜接l | 芟部分。宅主要完成笈送数据的葑装、发送媒钵谤滴管瑾、接蔽媒体管理 和接收数据卸装功能，具体豹功能可参阅资料c 8 - 1 0 , 2 2 - 2 3 。 4 、应用层：在c a n 总线协议飞速发展的2 0 年中，很多领域部制定了c a n 在该领域 应用辩掰采丽鹣离麓游汲。英中珑较著名靛毒荚国汽车工程协会( s a e ) 鞠定戆农蠲 和货运车内通信规范j 1 9 3 9 ，工业上广泛使用的d e v i c e n e t ( 设备网) 、c a n o p e n 、 c a n k i n g d o m 、s d s 等。它们都得到c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 的支持，底层都符合 i s 0 11 8 9 8 爨难，溺瓣一至屡又各其黪亟。 实际应用中基于c a n 总线的开放性分布式系统中比较商代表性的_ 】藏用层协议有 j 1 9 3 9 7 1 、d e v i c e n e t 、c a n o p e n 、c a n k i n g d o m 、s d s ( s m a r t d i s t r i b u t e ds y s t e m ) 2 4 - 3 0 o l 。7 本文研究的指嚣忍怒及技术路线 电动汽车是一个多部件、多缎合的复杂控制系统，各测爨、控制部件分布广。本 文结合c a n 总线斡技术特点和墩动汽车懿应照需求，皂主设计了电动汽车控制网终 协议的物理层和应用层，并开发了相应的分析工具。 在物理层，本文提出了一种c a n 总线的光纤自愈环的分布式结构。光纤具有传 输速度快，抗干扰性好等优点，在电动汽车控制系统的各魄予控制单元间，采用光 纾c a n 环交换信惑，系统赘霉纛经裹，雯其梁链。这静双环冗余绥构霹以遥应各静 电动汽率的各种恶劣环境。 在应用层，本文参照几种通用的技术方案，根据电动汽率的特点制定了汽车控制 网络的皮鼹屡协议。势据此开发了毫动汽车控制网络的协议分析器及网络监控节点， 该监控节点采擂工鼗登p c 实现，稍髑其霹靠瞧好、蕊铃眈离秘p c 丰富资源，荔子 升级发展的特点，使系统更具生命力，采用w i n d o w s2 0 0 0 操作系统，使憋个系统具 有非霞友好、美观的界面。 9 华中科技大学硕士学位论文 图1 2 电动汽车控制网络硬件结构图 本文所讨论的电动汽车控制控制系统硬件结构如图1 2 所示。监控与协议分析器 为嵌入式工控机，下面各电子控制单元( e c u ) 由高性能单片机、d s p 等系统组成。 它们之间通过c a n 光纤环组成通信网络。 1 8 本文所做的工作 本文主要进行了以下几个方面的研究和开发工作： 1 ) 在查阅国内外相关文献和调研的基础上，给出了电动汽车及车内控制网络的 发展现状和动态。 2 ) 在分析了光纤c a n 网可采用的拓扑结构的基础上，提出了电动汽车控制网络 的总体设计方案。 3 ) 深入研究了c a n 总线的物理层协议，提出了光纤双环冗余c a n 网络物理层 的实现方法。并使用c p l d 编程实现了一个光纤双环冗余c a n 网络接口。 4 ) 分析了目前工业应用中基于c a n 总线的开放式系统中比较有代表性的几种应 用层协议，并根据电动汽车的实际特点自主设计了一个c a n 光纤环网应用层协议。 5 ) 自行设计了基于p c i s a 总线的p c c a n 适配卡，并开发了相应的w d m 驱 动程序。在此基础之上，设计了p c c a n 监控与协议分析器。该分析器除了监控整个 网络运行之外，还有一定网络分析的功能。 i o 苫 一| | 旱西占 华中科技大学硕士学位论文 2 1 善| 富 2 电动汽车控制网络总体设计 已宥的车内控制网络技术包括c a n 总线技术并不能完全满足电动汽车应用的需 要，因此有必要在深入分析电动汽率控制需求的蒸础上，进行控制网络的巍主设计。 本章茸毙分缨了邀繇汽举霹终纯控涮系统静慧镩禧架，势在藏蒸穑之上分绥了鑫整麓 电子控制单元( e c u ) 的功能，最后提出了基于光纤c a n 网络的电动汽车控制网络 的整体方案，以满足电动汽车控制繇统高实时性和高可靠性的需求。 2 2 毫动汽车网络傀控制系统的总 奉絮掏 电动汽车网络控制系统由整车智能控制系统e c u ( 电子控制单元) 、燃料电池控 制系统e c u 、n i h 曦漶管理系统e c u 、能量管理系统e c u 、聂示系统e c u 、p c 监 控与协议分析器e c u 、智麓d c d c 交换器、魄视控制器e c u 及连接普餐熊控铡单 元的光纤c a n 网络组成，如图2 1 所示。 图2 ，i 燃鞲电涎邀费汽车嚣络纯控魏系统臻捻 2 3 电动汽车各电予控制单元( e c u ) 功能简介 光终c a n 溷终受爨绘各e c u 掇佞实时裹遽瓣售怠共事遴遂。爨糕惫涟e c u 穗 n i h 电漓e c u 分别控制燃料电池和n i h 电池联合提供整车能基。燃料电池为主能 源，n i h 电池为辅助能源。它们都并联到系统的能量母线上，给整车系统提供能量 来源。出于燃糙电池输滋电压不稳，梵了不使燃越电淑造成母线电医的波动，在燃料 电翘和鹫绫之淹耱入了智麓d c d c 变换器。 整车智能控制系统是电动汽车的最高管理与控制层，负责上电检测网络等整车的 华中科技大学硕士学位论文 耱调控裁。它缀合并分辑嬲速鼯叛、藏遮精板、然瓣奄漶、臻氢毫溆、左舂驱动魄瓿 游备零部件的状态信息，以及上一步控制策略执行后的实际效果与计算值之间的偏 麓，决策出当前应采取的控制策略：并预报当前控制策略执行后可能出现的非正常现 象。在车辆减速帮毒动对，宅发 蓦令使系绫工 睾在能爨翻馈状态，只鸯覆紧急猿援下 才使用机械制渤。整车智能控制系统健车辆起、制动平稳、高效运行。 燃料电池通过电化学反应直接获得电能，因此它怒一种高效率、低噪声、低污染 的发电系统。假燃料电池的电化学反应的速度和效率随参加反应气体参数变化耐不 鞠，强压力、瀵废、漫度帮羧耱豹交纯等。爨辩 巷渔羧潮系统羁羯袋 弋毫子技零，摄 据参加反应气体反应条件的变化，对燃料电池电化学殿应的速度和效率进行控制，将 憋个反应过程控制在合适的范围内，根据反应条件的规律来制定相j 呶控制策略，用现 代控辎理论( 模糊控利、甓裁控制等) 妓反应速度船抉( 强翦已达到2 s ) 秘尽翻能 溅提高效率。鼠而保证电动汽车有充足、稳定的能蟹 共应。 n i h 电浊充电为放热过程，电池容避越大，尤熟足在较大电流充电末期或过充 电条件下，电池发热尤为严貘。电池过热，会极大损伤电极材料和黼膜材料，影响电 掇淫麓器寿愈，霾琵控剿嚣羧裁大察塞滚漶过热淘瑟楚电漶歪豢襞耀豹重要黪蕊。 n i h 电池管联系统通过测鬣电池箱内温度、电池组电流、电压、电池的s o c ( s t a t u s o f c e l l ) 等实现对电池温度、过充、过放等进行监控，从而保证每组电池均衡充放电，延 长其使用寿命。 能量管璃系统根据镍鬣电沲、燃籽电漶、餍电设嚣炎墼、受葡大小、电梳的电动 或发电状态，按使用合理、可靠、安全、效率最佳等原则决策出能擐的流向，保证电 动汽车运行在最佳状态。当汽车处于巡航等能量消耗不大的情况下，燃料电池单独提 筵整车2 量，并圈露绘n i 。瓣电逮充惫；警汽车楚予髓缓或考翻逮簿鼹量渚耧较大鹣 情况时，燃料电池和n i h 电池联合提供整车的能量供应，以使汽车达到最大输出功 零。 p c 监控与秘渡分轿器主要通过c a n 惑线连接电动汽车内各个嬲络节点，采袋善 节点数据迸章亍襄时保存，并送行稻应酶潮络性能分耩，黻备整个c a n 总线网终及电 动汽车驱动控制网络的诊断所用。 显示系统 乍为电动汽攀的重要组成部分，主要通过c a n 总线与其它各控制节点 逡接，完袋惫凄汽车运嚣状态数据懿采囊、鎏控黧鼓醛报警等臻楚。该系统主要l 懿三 大模块组成：运行参数采集模块、能量状态采集模块芹畦故障诊断与监控模块。该系统 熊以数据图表的形式给出电动汽车运行道程中的相关参数及状态，并能在整车系统出 溅敞障对发感麴示及声音搬蛰，并相应绘出比较详细敬故障代码，以方便检修调演人 员进行故障捺除。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 4 毫幼汽车控制网络总体设计 2 4 1 电动汽车控制湖络设计思想 毽爱必绎双环鑫愈戆魏骥滋据羚缍麴寒寰瑗电动汽攀控期网络甥褒篡静毫司 熊性 在分析目前广泛应用的几种c a n 应用滕协议的基础上，根据电动汽_ 车控制系 统装特点，翊定遣动汽车羧测网络戆疲翅层秘谈； 为提高电动汽车控制控制网络的设计开发效率，实时监控网络的运行状况。 设计一个基于p c 机的监控与协议分析器。 2 + 4 。2 藏渤汽车毙终羧澍覆络瓣掭聿| 、绩褥 对于c a n 总线光纤网络来说，主要有四种可采用的拓扑结构：无源羼型结构； 有源甓型结构；单环结构和双环结构。在决定选择哪一种拓扑结构鲥。需要考 虑该籀掺绥麴支持瓣鬏大节点数鳖、g l 超豹售弩延迟、系绞熬骞锤毪蠢或本、隧及巍 闱系统的一些特殊要求等。 无源星型网络如图2 2 所示，所有c a n 总线节点通过光纡与一个无源星型耦合 器柜连，每个节点发鹚的光信号邋过无源星型糕食嚣转发到其它节点。这结梅斡优 点是其露较小静信号延迟，无嚣鏊型藕合器结秘简单，可靠梭高，系统成本较低，单 个节点的故障不影响艇个网络的运行。但无源星烈耦合器把输入的光功率平均分配给 输出节点，因此对光发送器提出了较高的功率需求，同时也限制了网络允许的节点数 量。 圈2 ，2 光源羼型网络强2 3 霄源星型两络 有源星型网络如图2 3 所示，每个节点发出的光信号通过有源星型耦禽器转发到 其它节点。同无源墨溅网络一样，它具有信号延迟小，可靠性较高的特点，有源星型 藕合器熬接受到静毙穰弩转或毫稳芍荐遗孽亍转笈，遮藏竞羧了嚣滚耩台受走凌率豹疆 一接点n 一接点e 一 i赛一慝 华中科技大学硕士学位论文 制的缺点，但有源星型耦合器的可靠性不如无源星型耦合器，当有源星型耦合器掉电 时，整个c a n 网络系统会瘫痪，系统成本也较无源星型更高些。 单环网络结构如图2 4 所示，所有的节点通过一个光纤环路连接在一起，同星型 图2 4 单环网络 图2 5 双环网络 网络相比，单环网络不需要额外的耦合器，不受光功率的限制，成本也较低。但是环 型结构使信号延迟加大，这就限制了网络的节点数量。同时，单环结构的可靠性也比 较差，某段光纤的故障会使整个c a n 网络系统瘫痪。 为了克服单环网络可靠性差的缺点，可以考虑采用双环结构，如图2 5 所示。双 环结构具有冗余的传输介质，具有较高的可靠性，同时节点数量不受光功率的限制， 不需要额外的耦合器，具有较高的性能。 2 4 3 电动汽车控制网络的物理层光纤接口设计 电动汽车控制网络可以采用双绞线或光纤作为传输介质进行通信。使用双绞线成 本较低，但当通信速率较高时存在电磁噪声问题。采用光纤通信可具有良好的抗干扰 性。 由于玻璃光纤易折断，安装困难且成本较高，不适合在电动汽车中使用。而塑料 光纤柔性好，直径较大易于安装，成本较低，虽然存在着衰减较大的问题，但是在近 距离通信中影响不大，比较适合电动汽车控制网络。宝马公司已在最新的款轿车中 采用了塑料光纤。 采用光纤传输的一个缺点是：光纤网络拓扑为环形，当其中段光纤出问题后会 影响熬个网络通信。另外，采用光纤接口增加了信号的传输延迟。 根据选择的塑料光纤、光发射功率，光接受灵敏度，可采用安捷伦公司的光纤收 发模块，通过自动转发电路和c a n 总线接口相连，如图2 6 所示。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 光纤接阳( 发送端) 毙纾谈墨( 接投臻) 图2 6 自动转发电路和c a n 总线接口示意圈 2 4 4 惫淤汽车控裁瓣络的痰甩屡浚诗 c a n 总线以其众多特点非常邋用于电动汽车控制网络。但是i s 0 11 8 9 8 标准中只 定义了物理层和数据镳路层，本身并不完整。这样就需要用户在c a n 协议的基础上 囊行开发自己的离层戍用协议，遮墩是c a n 瞬络稔议摇对予蒸健现场总线网络协议 更为灵活之处。困j 毙，必须为窀动汽车整锈网络设计一个庭蠲层协议。 目前，许多厂商都根据自己的意图并结合其优势纷纷推出基于c a n 的总线应用 层协议，如面向工业自动化的d e v i c e n e t ( 设备网) 、c a n o p e n 、c a n k i n g d o m 、s d s 等，宅翻零褥蜀c i a f c a n i na u t o m a t i o n ) 戆支黪，两瓣又备爨特色。褒汽车领藏畜 j 1 8 5 0 、s a ej 1 9 3 9 7 l 等协议，都取得了一定的市场。因为这媳应用层协议火都是针 对具体的应用制定的，都不太适合电动汽车控制网络。但是，这些应用层协议应