（机械电子工程专业论文）基于can总线的客车电控系统研究与开发.pdf

摘要 摘要 汽车电子技术步入控制系统综合化、信息共享化、机能智能化的发展新阶段。 针对目前国内客车传统的的电控方式，本文对客车电控系统进行了分析，研制了 基于c a n 总线技术、智能检测技术、微型计算机控制技术的客车电控系统。该系 统改变客车的控制方式和传统仪表的结构方式，实现了信息的集中检测、传输、 控制以及数据共享，易于功能扩展，减少了线束，提高了系统维护性和可靠性， 增强了系统功能。 本文分析探讨了车辆网络技术的发展现状及趋势，在深入研究c a n 总线技术、 客车电子控制系统和客车电器控制功能要求的基础上，提出了应用c a n 总线代替 客车传统线束的数据传输方式，设计了基于c a n 总线的客车仪表盘系统和前、后 输入输出控制单元。 仪表盘主要功能有：以具有增强c a n 控制模块的p i c l 8 f 8 5 8 5 单片机作为中央 控制器，控制t j a l 0 4 0c a n 总线驱动器实现信息的传输；通过s p i 方式与步进电机 驱动器m c 3 3 9 7 0 进行通讯，运用步进电机对车速、发动机转速、冷却水温度、机 油压力、燃油量、电压和气压等参数进行了实时显示；通过l c d 显示里程数、时 间、车况信息以及各种报警信息，并按键控$ l j l c d 翻屏显示；运用l e d 指示灯显 示客车故障和状态信息。 输入输出控制单元主要实现电器信息的检测、传输与控制。信号输入诊断模 块检测车速、电压、气压等模拟量，车灯、雨刮等数字量以及车速等频率信号， 将分散的信息集中处理，然后通过功率输出模块控制继电器、直流电机等执行相 应功能，并将采集的信息通过c a n 总线发送给仪表盘显示，实现了信息共享。 本系统通过在线调试与系统模拟试验，初步验证了c a n 总线通讯的可靠性及 系统的综合性能，初步达到了预期的目的和要求，为下一步的改进和完善奠定了 的基础。 关键词c a n 总线；单片机；t f t 液晶；步进电机 a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m o b i l ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a sc o m ei n t oan e ws t a g e0 1 1w h i c ht h ec o n t r o l s y s t e mi si n t e g r a t e d ，m e s s a g e sa r es h a r e da n df u n c t i o n sa r ei n t e l l i g e n t i na l l u s i o nt o p a s s e n g e rc a re l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mn o w ，w ed e s i g nt h en e ws t y l eo fp a s s e n g e rc a r e l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e mb a s e d o nc a nb u st e c h n o l o g y ，i n t e l l i g e n td e t e c t i o n t e c h n o l o g ya n dm i c r o - c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y t h es y s t e mc h a n g e dt h ec o n t r o l m o d eo fp a s s e n g e rc a r sa n dt h es t r u c t u r eo ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n t a t i o n s ；c a r r yo u tt h e d a t ac o n c e n t r a t e dd e t e c t i o n ，t r a n s m i s s i o n ，c o n t r o l l i n ga n dd a t as h a r i n g a l s o ，i tc a nb e e a s yt oe x p a n df u n c t i o n s ，r e d u c ew i r i n gh a r n e s s ，i m p r o v e i t sm a i n t a i n a b i l i t y a n d s e c u r i t y ，e n h a n c et h es y s t e mf u n c t i o n s t h i sp a p e ra n a l y s e sa n dd i s c u s s e st h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o na n dd i r e c t i o no fc a r s n e t w o r kt e c h n o l o g y o nt h eb a s eo fi n d e p t hs t u d y i n go fc a nb u st e c h n o l o g y ，p a s s e n g e r c a re l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e ma n dt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to fc a r se l e c t r i ca p p l i a n c e ，w e c a nu s ec a nb u st ot r a n s m i td a t ai n s t e a do ft r a d i t i o n a lw i r i n gh a r n e s sa n dd e s i g n p a s s e n g e rc a ri n s t r u m e n tp a n e ls y s t e ma n d f o r e - - a n d a f ti oc o n t r o lu n i tb a s e do nc a n b u s t h ei n s t r u m e n tp a n e lh a ss o m em a i nf u n c t i o n s i ta d o p t st h ep i ci8 f 8 5 8 5s e r i e s e s s i n g l ec h i pm i c y o c ow h i c hi n c l u d e se n h a n c e dc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( e c a n ) m o d u l ea sc e n t e r c o n t r o l l e r ，u s i n g t j a10 4 0c a nb u sd r i v e f o rt r a n s m i t m e s s a g e s ，e x c h a n g i n gm e s s a g e s 谢t l lm c 3 3 9 7 0s t e pm o t o rd r i v e rt od r i v es t e pm o t o rt o d i s p l a yp a r a m e t e r s r e a l t i m e ：v e h i c l e s p e e d ，e n g i n e r o t a t e s p e e d ，c o o l i n g f l u i d t e m p e r a t u r e ，o i lp r e s s u r e ，o i lc a p a c i t y ，v o l t a g e ，a i rp r e s s u r e ，d r i v i n gl c dt od i s p l a y m i l e a g e ，t i m ea n dw a r n i n gm e s s a g e s ，t u r n i n gl c d s c r e e nb yk e y - p r e s s ，c o n t r o l l i n gl e d i n d i c a t o rl i g h tt os h o wb r e a k d o w no fe l e c t r i ca p p a r a t u sa n ds t a t em e s s a g e s i oc o n t r o lu n i tc a r r i e so u td e t e c t i n g ，t r a n s m i t t i n ga n dc o n t r o l l i n ge l e c t r i c a p p a r a t u sm e s s a g e s t h em o d u l eo fm e s s a g eo u t p u td i a g n o s e si su s e dt od e t e c td i f f e r e n t 1 i i d a t a , s u c ha sa n a l o gq u a n t i t yo fv o l t a g ea n da i r p r e s s u r e ，d i g i t a lq u a n t i t yo fc a rl a m pa n d w i n d s c r e e nw i p e ra n dv e h i c l es p e e dt h ef r e q u e n c ys i g n a l i tc a n c e n t r a l i z e dd i s p o s et h e d i s p e r s i v em e s s a g e s t h e n , i tc o n t r o l sr e l a y sa n dd cm a c h i n et oe x e c u t ed i f f e r e n t f u n c t i o n sa n dt r a n s m i td a t at oi n s t r u m e n tp a n e lb yc a nb u st oc a r r yo u td a t a s h a r i n g t h es y s t e mh a sb e e nt e s t e do n l i n ea n de m u l a t e du s i n gc o m p u t e r , a n dt h er e s u l t a r g u e dt h a tg e n e r a lp e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e ma c c o r d e dw i t ht h ea n t i c i p a n tp u r p o s ea n d r e q u e s t ，a n di ta l s oe s t a b l i s h e sf o u n d a t i o nf o rt h ef a r t h e ri m p r o v e m e n ta n d p e r f e c t i n g k e y w o r d sc a nb u s ；s i n g l ec h i pm i c y o c o ；t f tl c d ；s t e pm o t o r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：够日期：巫2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权山东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，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 做储虢雉遂新躲他日期：螋6 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着计算机技术、网络通讯技术、集成电路技术的飞速发展和在客车上的广 泛应用，使得客车电子化程度越来越高。为了满足现代客车有关动力性、经济性、 安全性、可靠性和舒适性等方面的要求，需要越来越多的控制装置，例如电子燃 油喷射装置( 电控发动机) 、防抱死制动装置( a b s ) 、驱动轮防侧滑装置( a s r ) 、电子 制动力限制装置( e b l ) 、电子控制空气悬挂装置( e c a s ) 、自动变速器、缓速器、 各种车灯控制、刮水器系统、空调系统控制等【l 】，但鉴于汽车制造业的特殊性，按 功能模块化分工制作，各个厂家生产的产品及其配套的e c u 部分，均为独立的控 制系统，能够完成单个模块的预定控制功能，但是，各个子系统之间联系较差， e c u 之间联动关系几乎没有，信息共享也不充分，势必会影响到这些子系统功能 的发挥，导致整车性能下降。把它们串成一个有机整体，使之发挥1 + 1 2 的效果， 就成为必需1 2 j 。 如果运用传统方法进行布线，连线的数量将非常惊人。一辆采用传统布线方 法的高档汽车，其导线长度可达2 0 0 0 米，电气节点达1 5 0 0 个，电线的重量可以达 至a j 4 0 - - , 6 0 公斤【3 j 。并且在客车中其电子控制系统的动态信息更需具备实时性。各子 系统需要实时共享车辆的公共数据，如电机转速，车轮转向，油门踏板位置等， 由于不同控制单元的控制器不同，数据转换速度，各控制命令优先级也不同，因 此需要一种具有优先权竞争模式的数据交换网络，并且该系统除应具有较高的通 讯速率外，作为一种载人交通工具，客车必须具有较好的舒适性，故整车通讯系 统必须具有很强的容错能力和快速处理能力。同时，电动汽车内部结构复杂，多 种部件相互作用又相对独立，存在着相应的干扰。这些众多因素都决定了客车采 用基于c a n 1 q 网络的整车电气控制能够很好的解决这些问题。 山东大学硕十论文 1 2 客车电控系统的发展现状及发展趋势 汽车的各种控制系统现已经变的相当复杂，典型高档汽车安装的电子控制装 置的数量已经达到了7 0 个，存储器的用量已经超过了当年阿波罗登月飞船用量的 三倍。1 9 9 0 年，在汽车上控制系统使用的m c u 的平均数量是1 4 个，而2 0 0 0 年，却 增加到3 5 个；m c u 的类型也逐渐从8 位机，1 6 位机发展到今天的3 2 位机。据分析， 超过8 0 的汽车技术革新源于电子系统部分的创新【4 】。就成本而言，上世纪7 0 年 代，一辆汽车的电子系统的平均成本约为1 0 0 美元，而到了本世纪初，却上升为 1 8 0 0 美元。今天，在一些豪华车型中，电子系统所占整车制造成本已超过2 3 。 更有芯片制造业界预测，汽车电子设备成本将在未来1 0 年内增加到3 5 。可见， 电子系统在车辆上的“份量 是越来越重了【5 】。据统计，至u 2 0 0 7 年，世界汽车电 子产品的市场规模将达至u 3 5 4 亿美元。其中，安全和舒适类的汽车电子产品占4 8 ；动力传动系统占3 0 ：车身和底盘控制类占1 4 ；仪表和显示类约占8 【6 1 。 当越来越多的电子系统应用于同一台车时，各系统之间也就有了关联性和时 序性的要求。目前，广泛应用于汽车上的电子装置，己经实现了局部的网络控制。 在国外，c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 总线技术已广泛应用在客车上，如m a n 、 奔驰、尼奥普兰、沃尔沃等客车厂家c a n 总线技术已经很成熟。在国内2 0 0 7 年1 月 1 日实施的交通行业标准j t t 3 2 5 - 2 0 0 6 营运客车类型划分及等级评定规定：特 大型、大型高三和高二等级客车须采用c a n 技术，如宇通、金龙等客车厂家已成 功试装了c a n 总线，现正处于发展阶段【7 1 。但对于整车的集成控制，国内还处于试 验开发阶段，并不成熟。因此，如何对这些独立的控制系统实现有效、有序和安 全方便的集成控制，综合利用它们的信息己成为客车技术发展迫切需要解决的问 题【8 】o 1 2 1 客车电控系统的主要问题 国内客车电子控制系统中电子控制单元的增多，虽然提高了客车性能，但由 于相关配套技术的发展滞后，也带来了一系列急需解决的问题： 2 第1 章绪论 ( 1 ) 线束更繁杂。客车线束的组成按传统的办法是每个电器设备都需要以一根 或两根( 回路) 导线与控制开关进行连接。现代客车的电子控制系统种类繁多，导致 线束增多，控制线路复杂，进一步引发成本增加、安装不便、检修困难，并引发 安全事故。 ( 2 ) 对驾驶员要求进一步提高。目前，许多客车上采用的是传统的机械式仪表 或电子式仪表，功能较少，不便于驾驶员了解客车的各种状态信息。而客车驾驶 主要依赖于驾驶员的熟练程度，大量电子控制单元的独立工作，要求驾驶员必须 熟练掌握各单元操作方法和操作时序，从而增加了驾驶员的劳动强度和精神负担， 误操作概率上升，降低了客车行驶的安全性。 ( 3 ) 信息传递和关联性增强。现代客车的电子控制单元越来越多、越来越复杂， 各控制系统之间信息的传递和关联性也越来越重要。充分利用各类信息资源，减 少信息冗余，要求大批数据信息能在不同的电控单元中共享。例如客车在行驶过 程中，如果驾驶员误操作打开了车门，会对乘客造成严重威胁，很容易发生事故， 所以就要考虑到行驶控制系统与电动车门控制系统之间的信息传递和关联控制。 但目前客车电子控制单元各自独立，客车驾驶几乎无关联性可言，带来安全隐患。 ( 4 ) 影响客车安全性和舒适性。客车作为城市公共交通、人们外出的重要工具， 其安全性、舒适性方面的要求日益提高。客车独立电子控制单元的使用虽然有利 于提高客车某方面的性能，但电子控制单元的增多和相互之间的弱关联性，以及 驾驶员误操作概率的上升，反而导致客车的安全性和舒适性的降低1 9 1 。 1 2 2 客车电控系统的发展趋势 客车电子控制系统将运用计算机网络技术和现场总线技术，使客车与社会联 结方面获得较大的进步，包括广泛使用蜂窝电话与全球卫星定位系统( g p s ) ，以及 采用多路总线分布式网络来集成所有汽车部件的电子控制单元( e c u ) ，使整个系统 具有数据融合、故障诊断合一的自修复功能1 0 1 。客车电子控制系统的发展趋势体 现在以下几个方面： 客车电子控制集中化、智能化 山东大学硕十论文 进入9 0 年代后，汽车电子技术开始向智能化、微型化、集控化方向发展。如 a b s 功能的扩展以提高车辆动力学稳定性控制的e s p ，实现了左右纵向力的差动控 制，直接对汽车提供横摆力矩，以抵消汽车的不稳定运动；再如对各控制系统功 能进行综合集成，把发动机管理系统和自动变速器电控系统综合集成为动力传动 控制系统，使汽车在各种工况下处于最佳工作状态，提高汽车动力性和经济性， 并使排放污染减到最低。客车仪表从传统的机械式或电子式仪表发展为多用途、 智能化数字仪表，不但可以很精确地把客车上所有的待测量都显示结果，而且还 有运算、判断、预测和引导等功能。如可监视汽车各大部件的工作情况，还可以 对蓄电池电压、轮胎气压、车速等检测量的高低限量进行报警【l l 】。 客车电子控制网络化 当前汽车电子技术的应用使车辆上电控单元、传感器和执行器不断增加，连 接方式突显繁复。为简化日益增加的电控通讯线路的连接，提高系统可靠性和故 障诊断水平，利于各电控单元之间数据资源共享，并便于建成开放式的标准化、 模块化结构，汽车网络总线技术得到了很大的发展。在汽车上c a n 总线的应用已 是一种主流发展模式，总线技术的应用带来了整车电气系统设计的革新和优化。 在计算机网络和现场总线技术的基础上，开发各种应用于客车环境的网络技术和 设备，组建汽车内部的通信网络，是现代汽车发展的重要趋势【1 2 】。 系统由独立控制转向综合控制 基于产品发展的现实状况，客车上装的多属独立的控制系统，不同的车型用 不同的控制系统，从发展的眼光考虑生产厂家及用户的各方面利益，将独立的控 制系统推向综合控制系统势在必行。当今，在硬件及软件的研制方面，已具备一 定条件实现汽车各种性能的综合控制【1 3 1 。 1 3 主要研究内容 本课题采用了微处理器嵌入技术，对客车控制系统中的各个测控单元进行数 字化改造，使之成为数字化的仪表模块和集中测控的i o 控制单元，并同时具备网 络通信能力，从而为客车网络化控制做好准备。利用c a n 总线技术实现客车控制 4 第1 荦绪论 系统网络化，将客车所有模块连接起来，在j 1 9 3 9 协议支持下形成一个有机的网络 运制系统【1 4 】。 本课题的主要研究内容包括： ( 1 ) 研究和分析c a n 总线及s a ej 1 9 3 9 协议，以客车电器为控制对象、j 1 9 3 9 为通信标准，采用c a n 总线构建客车运控系统，设计出c a n 总线拓扑结构； ( 2 ) 仪表盘设计。分析仪表盘功能和工作原理；设计基于s a ej 1 9 3 9 协议的c a n 通讯接口、步进电机驱动、故障报警、l c d 显示等仪表硬件结构，根据设计电路 进行制板和电路焊接工作，并采用结构化、模块化的程序设计方法，设计出软件 系统。 ( 3 ) f o 控制单元设计。分析f o 控制单元的功能结构和工作原理；根据几何位 置靠近、功能相似、性能要求基本一致的原则划分出前后模块，设计基于s a e j 1 9 3 9 协议的c a n 通讯接口、信号输入诊断模块、功率输出模块等f o 控制单元硬 件结构，并采用模块化程序设计方法，实现客车数据信息的采集、控制以及c a n 总线通讯等。 ( 4 ) 在计算机平台上，进行程序调试与系统实验，初步实现了基于c a n 总线的 客车电控系统的综合性能测试。 1 4 研究的意义 中华人民共和国交通行业标准j t 厂r 3 2 5 2 0 0 4 营运客车类型划分及等级评定 中要求在高二级以上的客车底盘动力总成间采用c a n 总线。我国车用网络的研究 起步较晚，并且汽车电子方面的基础也较薄弱，这对于我国汽车产业跟上国际先 进技术是一大障碍。而在推进汽车产业国产化的进程中，如何保护具有自主知识 产权的电气系统，并与国际先进技术接轨，这是同样不可忽视的问题。中国要进 入汽车产品的开发、设计和生产领域，就一定要有自己的核心技术。要达到这个 目的就必须紧跟国际电子技术发展的新动态和趋势。 在比较、吸收和消化国外先进的c a n 总线方案和车身控制技术的基础上，提 出适合国情的c 删总线主身控筻0 系统方案，通过对c a n 总线控制系统方案的选定 5 山东大学硕十论文 和设计，硬件电路的实际制作，控制程序的编制，以及实物的试验性能测试的整 个过程的实践来深入理解掌握国外最新的c a n 总线技术，积累c a n 总线控制系统 的研制经验，有利于推动我国客车车载网络的标准化进程，促使客车产业链的变 革。同时，提高自己的科研能力。 本课题的研究工作，顺应国家大力发展汽车电子的科技政策，在理论、技术 和应用上都具有十分重要的意义。 1 5 本章小结 本章首先阐述了本课题的研究背景，重点介绍客车电子控制系统的发展现状 及发展趋势，接着介绍了本课题的意义，最后说明了本课题的研究内容。 6 第2 章汽乍电子系统网络结构 曼! ! m m m m 曼曼曼皇曼暑曼曼曼曼曼曼皇曼皇皇曼皇笪皇曼曼曼皇曼皇 第2 章汽车电子系统网络结构 汽车网络是指借助双绞线、同轴电缆或光纤等通讯介质，将车内众多的控制 模块( 或节点) 联结起来，使若干的传感器、执行机构和e c u 公用一个公共的数 据通道，通过某种通讯协议，在网络控制器的管理下共享传输通道和数据。汽车 网络最开始出现在当时的高档豪华汽车上，也缺少相应的标准化的通讯协议的支 持。随着越来越复杂、精密的功能单元被委托给外部供应商生产，汽车制造商开 始从定义各自的专门协议发展到采用整个业界范围内认可的标准化通讯协议，提 供了不同供应商的产品进行系统集成的可能性，使汽车网络迅速进入主流车型， 到今天车载网络已经成为现代车辆中至关重要的部分。 2 1 汽车网络分类 国外早在2 0 世纪8 0 年代就积极开展了车载网络技术的研究及应用工作。a u d i 、 b m w 、m o t o r o l a 、和v o l v o 等公司和部门成立tl i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 联 合体( l r nc o n s o r t i u m ) ，陆续发行了l i n l 0 、l i n l 1 、l i n l 2 三种版本i ”j 。r o b e r t b o s c h 公司于1 9 8 6 年提出了c a n ，并于2 0 0 0 年开发了支持时间触发的协议 t t c a n l l 6 1 7 1 。i s o 于1 9 9 3 年1 2 月出版了c a n 的国际标准i s 0 1 8 9 8 ，目前c a n 协议规 范为c a n 2 o 版本。b m w 、m o t o r o l a 和b o s c h 等几大汽车公司和半导体元件公司成 立t f l e x r a y 共同体( f l e x r a yc o n s o r t i u m ) ，为车上应用系统高层网络和线控系统开 发通信协议，建_ 立t f l e x r a y 系统标准【1 8 1 ，并且组织开发了一系列适合这个标准的 软硬件。b y t e f l i g h t i l9 】网络通信协议是由m o t o r o l a 、e l m o s 、以及i x x a t 等公司提 出的高速网络系统协议，目的是满足汽车系统需求的高速安全网络标准。b m w 、 d a i m l e r c h r y s l e r 和o a s i ss i l i c o ns y s t e m s 等公司于1 9 9 8 年建立了在汽车上推广使用 m o s t ( m e d i ao r i e n t e ds y s t e m st r a n s p o r t ) 1 2 0 j 标准的合作机构。欧洲、美国和日本等 发达国家已经将汽车网络作为车辆必须采用的装置，奔驰、宝马、大众、沃尔沃 及雷诺汽车都将网络作为电子控制器连接的手段。第5 9 届德国国际商用汽车展上， 包括e x o d u s 、m a n 、s c a n i a 、v o l v o 等世界著名的汽车生产商展出的汽车产 7 山东入学硕十论文 品都装备了汽车网络系统。在我国的汽车市场中，奥迪a 4 、宝来、p o l o 、东风标 致3 0 7 、赛纳、雪铁龙c s 等汽车中采用c a n 连接了部分电子控制单元，以提高其性 能。北方奔驰汽车制造( 烟台) 有限公司引进美国卡特比勒发动机的基础上，在 n d 6 1 2 0 s 汽车上初步应用c a n 总线技术【2 1 1 。 早在2 0 世纪9 0 年代中期美国汽车工程师协会( s a e ) 根据系统的复杂程度、信息 量、必要的动作响应速度、可靠性要求等将汽车网络系统由低到高划分为a 级、b 级、c 级网络，如表i - i 所示。 表2 - is a e 定义的汽车网络 a 级网络主要应用于要求价格低，数据传输速度、实时性、可靠性要求较低的 情况，如车身系统的车门窗和后备箱等系统；也作为一些传感器级和执行器级的 底层局部连接网络。根据这些网络协议目前发展和使用的状况，a 类网络主要协议 是t t p a ( t i m et r i g g e r e dp r o t o c o l c1a s sa 和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 ) 。 b 级网络用于对数据传输速度要求较高的系统，包括一些车身控制系统、仪 表盘和一些低档的实时控制系统以及故障诊断系统( o d b ) 等。目前看来，b 类网络 的主流协议为c a n ( i s 0 118 9 8 3 1 、s a e j l8 5 0 ，v a n ( v e h i c l ea r e an e t w o r k ) 。 c 级网络主要用于可靠性和实时性要求较高的系统，如高档的发动机和动力传 动系统的实时控制系统、一些线控系统等。目前，c 类网络中的主流协议包括高速 8 第2 章汽车电子系统网络结构 c a n ( i s 0 1 1 8 9 8 2 ) 、正在发展中的t t p c 、f 1 e x r a y 等协议。 最近几年，随着汽车电子技术的高速发展，世界各大汽车公司、电子元器件 及各科研机构根据电子技术和汽车应用的发展推出了许多新的车用通信协议，到 目前为止大约有4 0 多种，现在已经难以将基于这些新协议的网络都归类到s a e 定义 的3 类网络中去、综合考虑功能和位传输速率等因素，现有的汽车通信网络大致可 划分为5 类，沿袭s a e 分类，又新划分d 、e 级网络。 d 类网络主要面向多媒体、导航系统等，网络协议的位传输速率在2 5 0 k b i t s - - 一 4 0 0k b i t s 之间。目前，该网络的主流协议为d d b ( d o m e s t i cd i g i t a lb u s ) 或 m o s t ( m e d i ao r i e n t e ds y s t e m st r a n s p o r t ) 。 e 类网络主要是面向乘员的安全系统，主要应用于车辆被动安全领域。在e 类 网络的应用场合中可能存在2 条或多条总线。，该网络的主要协议为b y t e f l i g h t 。 在a 类网络中，u a r t 的应用逐渐减少，而l r n 协议将会成为主流协议；b 类网 络中的主流协议将是低速c a n 、s a ej 1 8 5 0 和v a n 等协议，其中c a n 最为突出；c 类网络的主流协议有高速c a n ( i s 0 118 9 8 2 ) 禾1 e 在发展中的t t c a n 、t t p t m c 1 2 2 】 和f l e x r a y 。 局部互联网络( 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 ) 是一个汽车低端网络协议。它 采用s c i 、u a r t 等通用硬件接口，辅以相应的驱动程序，因此适用面较广，且成 本低廉，配置灵活，而且采用l i n 网络能够提高汽车上分层多路复用网络的性能， 降低汽车电子控制装置开发、生产以及诊断服务的成本。l i n 将自身定位为c a n 等 主流总线的辅助总线，主要用于低速的车身电器控制。它已经广泛地被世界上大 多数汽车公司以及零部件厂商所接受，有望成为a 类网络中的世界标准。 t t p a 是由t t t e c h 公司拥有的a 级汽车网络标准。它的应用目标与l i n 基本一 致。它是基于时间触发访问方式的协议，使用不同的物理层，数据传输速度可在 很大范围内选择。j 1 8 5 0 最初就是由美国的汽车公司f o r d 、g m 和c h r y s l e r 提出的， 他们很多车型采用j 1 8 5 0 作为b 级网络使用。但是，f o r d 采用的j 1 8 5 0 标准，其物理 层与g m 和c h r y s l e r 公司使用的不同。而g m 和c h r y s l e r 公司在相同物理层上又使用 不同的数据帧格式，并且三个公司使用各自的消息协议。 t t p c 和f l e x r a y 是以线控系统为主要应用目标的c 级汽车网络协议。相关的支 9 山东人学硕十论文 撑元器件、应用系统以及开发测试工具等，都处于初期研制阶段。在未来的线控 系统中哪一种系统会具有生命力尚难定论。 m o s t 和d 2 b 是由媒体领域引入的标准。由于媒体信息音像的传输数据量大， 所以比车上控制网络要求更高的传输速度( 宽带) ，一般要求光纤或同轴电缆作为物 理层媒介。无线局部网络在汽车控制系统或媒体系统中的应用只有些探索性工作。 2 2c a n 总线协议 2 0 世纪8 0 年代，德国b o s c h 公司最初为汽车监测和控制系统设计了c a n 总线。 在1 9 9 1 年b o s c h 公司制定并发布了c a n 技术规范。该技术规范包括a 和b 两部分1 2 3 1 ， 2 0 a 给出了c a n 的报文格式，2 0 b 给出了标准和扩展的两种报文格式。1 9 9 3 年i s o 正式颁布t c a n 国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ) 。它最早在欧洲汽车上被广泛采用。后来包括 美国、日本的汽车公司也适用它作为b 级或c 级汽车网络。随着c a n 总线国际标准 的形成，其应用范围目前不仅局限于汽车行业，推广到了机械工业、纺织机械、 农用机械、机器人、数控机床、医疗机械、家用电器等领域。它是一种多主总线， 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率可达1 m b p s 。c a n 总线凭借其 突出的可靠性、实时性和灵活性成为b 类总线中的主流协议。 c a n 协议是建立在国际标准组织的开放系统互联模型( i s o o s i ) 基础上的。考 虑到现场总线的应用特点，c a n 协议规定的网络系统结构i 扫( i s o o s i ) 七层中的物 理层、数据链路层和应用层组成。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直接向链路层 写数据。结构层次少，有利于系统中实时控制信号的传输。 在c a n 技术规范2 0 a 中，网络被划分为目标层、传输层和物理层三层。节点 的分层结构和功能如图2 2 ( a ) 所示。目标层和传输层包括了由i s o o s i 模型定义的 数据链路层的所有服务和功能，按i s o o s i 参考模型层次定义，这两层应被划分为 数据链路层范围。 目标层的功能包括： ( 1 ) 确认哪个信息是要发送的； ( 2 ) 确认哪个传输层接收到了信息； 1 0 第2 章汽车电子系统网络结构 _lmnm_m ( 3 ) 为应用层提供接口。 在目标处理方面，c a n 提供很大的自由。 传输层的功能范围包括： ( 1 ) 帧组织： ( 2 ) 总线仲裁： ( 3 ) 检错、错误报告、错误处理。 物理层是将e c u 连接至总线的物理实现。e c u 的总数将受限于总线上的电气 负载。 c a n 2 0 b 严格遵循i s o o s i 参考模型，节点的分层结构和功能如图2 1 ( b ) 所示。 将c a n 分为数据链路层和物理层，其中数据链路层又被划分为逻辑链路控制子层 ( l l c ，l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 和媒体访问控制子层( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) ， 这两层的功能分别与2 0 a 中的目标层以及传输层功能相对应。 应用层 目标层 报文滤波 报文和状态处理 传输层 故障鉴定 错误监测与标定 报文确认 接收应答 总线总裁 报文帧处理 传输速率与定时 物理层 信号电平和位表示 传输介质 数据链路层 数据链路控制子层 接收滤波 超载报告 恢复管理 媒体访问控制子层 数据封装与拆装 帧编码 媒体访问管理 错误检测 错误标定 接收应答 串行化解除 物理层 位编码解码 位定时 同步 驱动器接收器特性 监控器 ( a )( b ) 图2 1c a n 的分层结构 ( 1 ) 数据链路控制子层l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 涉及报文滤波、过载通知、以 及恢复管理。 山东大学硕十论文 ( 2 ) 媒体访问控制子层m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 是c a n 协议的核心。它把 接收到的报文提供给l l c 子层，并接收来自l l c 子层的报文。m a c 子层负责报文 的分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 子层也受一个名为“故障界定”( f a u l t c o n f i n e m e n t ) 的管理实体监管。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。 c a n 协议是串行协议，能够有效地支持具有高安全等级的分布实时系统。c a n 是一个多主机系统，所以它设计了高效率的仲裁机制来解决传输冲突问题，具有 高优先级的系统总能优先得到总线的使用权。c a n 还同时使用了其它一些防错手 段，能够判断出错的节点并及时关闭之，这样就在很大程度上保证了总线的可靠 性。c a n 的传输速率和总线长度相关，最高可以至l j l m b p s ，一般车内使用的速率是 5 0 0 k b p s 至u 2 0 0 k b p s 。表2 2 y u 举了相关的数据。 表2 2c a n 总线任意两节点的通信距离 1 9 8 9 年，i n t e l 公司率先开发出c a n 总线协议控制器芯片，到目前为止，世界 上已经拥有2 0 多家c a n 总线控制器芯片生产商，1 1 0 多种c a n 总线协议控制器芯片 和集成c a n 总线协议控制器的微处理器芯片。在北美和西欧，c a n 总线协议已经 成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以c a n 为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的j 1 9 3 9 协议。我国的汽车c a n 总线 技术起步较晚，但随着现代汽车电子的不断进步发展，其研究和应用正如火如荼 的进行中。c a n 总线是一种串行多主站控制器局域网总线，是一种有效支持分布 式控制或实时控制的串性通讯网络。c a n 总线的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 4 0 m ，通信距离可达1 0 k m 4 0 k b p s 。由于其通 信速率高，可靠性好以及价格低廉等特点，使其特别适合中小规模的工业过程监 控设备的互连和交通运载工具电气系统中。c a n 总线有如下基本特点： ( 1 ) c a n 的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性； 第2 章汽乍电子系统网络结构 n l_inmmn n , 鼍 ( 2 ) c a n 是到目前为止惟一具有国际标准的现场总线； ( 3 ) c m q 为多主方式工作，网络上任一节点均可以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，通讯方式灵活，且无须站地址等节点信息； ( 4 ) 在报文符号上，c a n 网络上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时 要求，高优先级的数据最多可在1 3 4ps 内得到传输； ( 5 ) c a n 采用非破坏总线仲裁技术。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，而高优先级的节点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 网络瘫痪现象； ( 6 ) c a n 节点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； ( 7 ) c a n 的直接通信距离最远可达至u l o k m ( 速度5 k b p s 以下) ，通信速率最高可达 1m b p s ( 此时最长距离为4 0 m ) ： ( 8 ) 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，报文标识符有 1 l 位，而扩展帧的报文标识符( 2 9 位) 几乎不受限制； ( 9 ) c a n 总线报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出 错率低； ( 1 0 ) 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 1 ) c a n 的通讯介质为双绞线，具有极高的总线利用率且成本低廉： ( 1 2 ) 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 3 ) c a n 总线可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文，发送的信息遭到破坏 后，可自动重发； ( 1 4 ) c a n 总线结构简单，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，能充分用现有片开发工具。 c a n 总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、总 线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点。是目前应用最广 泛的汽车网络标准。 山东人学硕十论文 s a e 的货车客车控制和通信网络小组委员会投票通过了将c a n 协议作为c 类数 据交换网应用于客车、货车、农业及建筑等，并形成s a ej 1 9 3 9 标准。 2 3s a ej 1 9 3 9 协议 s a ej 1 9 3 9 协议是美国汽车工程师协会s a e 发布的以c a n 总线为基础、以c a n 2 0 b 作为网络核心协议的车辆网络串行通信和控制协议。它是按照i s o 的开放式数 据互联模型定义的七层基准参考模型制定的，采用串行通信协议c a n2 0 b 作为网 络核心协议。其特点是：使用所谓多路复用技术( m u l t i p l e x i n g ) ，为车辆上各传感器、 执行器和控制器提供建立在c a n 总线基础上的标准化的高速网络连接，在车辆电 子装置之间实现高速数据共享，有效减少电子线束的数量，利于提高车辆电子控 制系统的灵活性、可靠性、可维修性和标准化程度。目前，s a ej 1 9 3 9 标准已经成 为世界各大车辆部件制造商均支