（光学工程专业论文）基于控制器局域网（can）的汽车车身控制系统设计研究.pdf

摘要 随着现代汽车的同益发展，汽车电子设备不断增加，进而带来汽车综合控 制系统中大量的控制信号需实时交换的问题，传统线束己远远不能满足这种要 求，汽车局域网应运而生。 本文从研究汽车局域网入手，主要研究了国内外汽车控制器局域网的发展 与现状，对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。并在研究中设计了采用c a n 总线控制的车灯控制系统，制定了一套 相应的可靠运行的协议。通过试验验证，本研究车灯控制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。 本文的研究，可以作为c a n 总线在汽车上应用的有益探索，对实现汽车信 息化具有一定的指导意义。 关键词：汽车电子控制器局域网c a n 总线车灯控制系统 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 r na u t o m o b i l e ，t h ee l e c t r o n i cd e v i c e so f a u t o m o b i l ei n c r e a s er 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 sn e c e s s a r yf o r v a r i e so fc o n t r o ls 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 et r a d i t i o n a l w i r i n g h a r d l y c a nn o ts a t i s f yt h i s d e v e l o p m e n t a lq u e s t ，p e o p l e t u r nt ot h e a u t o m o b i l el a n t h i sp a p e rs t a r t sf r o mt h ev e h i c l el a n ，m a i n l ys t u d i e dt h ed e v e l o p m e n to ft h 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 ew o r l d r e s e a r c h e da n da b s o r b e dt h 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 r n a t i o n a lc a ri n d u s t r yn o w t h i ss t u d yo f c a n b u si nc o n t r o l l i n gs y s t e mo f c a r l i g h t ，as e r i e so f r e l i a b l ep r o t o c o lw a se s t a b l i s h e d w e c a l lt r a n s f e ra l lt h ed a t ao n l yb yu s i n gac o u p l ew i r e s ，w h i c hs i m p l i f y i n gt h ew i r i n gh a r n e s s ， i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t y , e f f e c t i v e l ys a v et h ef i x i n gs p a c ea n d t h es y s t e mc o s t t h es t u d yo ft h i sp a p e ri st h eh e l p f u le x p l o r et oi n d e p e n d e n t l yd e v e l o pt h ec a n b u s o fo u rc o u n t r y , i th a st h em e a n i n gt og u i d et h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o no f a u t o m o b i l ei no b rc o u n t r y k e yw o r d s ：v e h i c l ee l e c t r o n i c s c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k c a n _ b u s c o n t r o l l i n gs y s t e mo fc a rl i g h t 图2 1 图3 一l 圈3 2 图3 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 13 图3 1 4 图3 15 图3 1 6 图3 1 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 - 9 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图6 1 图6 2 图6 。3 插图清单 常见网络拓扑结构 0 s i 参考模型层次结构 c a n 节点的分层结构- 数据链路层与物理层功能框图 电压波形与逻辑电平定义 数据帧组成 标准格式和扩展格式数据帧 仲裁场组成 控制场组成 c r c 场组成 应答场组成 远程帧组成 错误帧组成 超载帧组成 非“错误被动”帧间空间一 “错误被动”帧间空间 位时间的组成 节点错误状念转换图 c a n 控制器s j a l 0 0 0 的内部结构及对外接口原理 p 8 7 c 5 9 1 的4 4 脚l c c 封装图 p 8 7 c 5 9 1 的功能图 车灯控制系统c a n 总线节点通讯相关的硬件电路原理图 初始化的流程图 “发送一个信息”( 查询控制) 的流程图 “发送一个信息”( 中断控制) 的流程图 流程图“信息的接收”( 查询控制) 流程图“信息的接收”( 中断控制) 一 中央控制器电路原理图 左前节点控制器电路原理图 电源模块电路图- 报文格式 c a n m i n i 微型接口卡- c a n 开发实验仪一 c a n 分析软件运行界面 一他 h ” m m墙体拇拇如加挖黔勰扣强弭拍”弧”如引们铝钾 图6 - 4 图6 5 图6 - 6 图6 7 图6 - 8 图6 - 9 图6 1 0 图6 1 l 图6 1 2 图6 13 图6 1 4 图6 1 5 节点控制器p c b 板 c a n 控制器节点的设计调试 c a n 主控制器节点的设计调试 实验车照片 实验现场图 右前控制器节点设计试验 右前控制器节点远光灯- 右前控制器节点超车灯 右d 口控制器节点近光灯 远光灯控制照片 车后灯控制照片 灯光控制操纵杆 驰钉舛舛舛舛 表格清单 表2 一ls a ej 2 0 5 7 的汽车网络分类 表3 - i c a n 技术规范的发展历程 表3 2 c a n 2 o a 标准帧 表3 - 3c a n 2 0 b 扩展帧 表4 - 1 p 8 x c 5 9 l 的c a n 模块特殊功能寄存器 表4 2 c a n 控制器寄存器设定 表5 - l c a n o p e n 和c a n k i n g d o m 的简单比较 表5 - 2 扩展帧中标识符内部结构划分 表5 3 主控制器发送1 个字节数据参数各位的意义 7 l o 2 1 2 1 3 0 3 3 4 4 4 7 4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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 盒目巴王些太堂 或其 他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谢意。 学位论文作者签名：蔓7 ；托签字同期： d 年厂月歹h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金妲圣、业太堂 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金月b 王些太堂 可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：童j j 札 签字日期：口f 年5 月3 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 导师签名：7 孚碾 签字日期： d6 年月多日 致谢 论文完成之际，我向在整个硕士期间给予我大力支持和帮助的老师与同学 表示深深的感谢! 我首先要感谢我敬爱的导师陈无畏教授、王启瑞副教授和王其东教授。是导师们 深厚的学术功底、严谨的学术指导、虚怀若谷的学术作风使我的硕士论文得以顺利完 成。由衷感谢我的导师陈无畏教授! 是陈老师帮我选择了本论文的研究方向，使我能 很好的结合本科专业所学知识，学以致用，也为我今后的学习和工作指明了方向。陈 老师在我的研究生学习期间，不仅在学习上对我严格要求，使我树立了认真、严谨的 学习态度，也在生活上对我关怀备至，经常询问我的生活和学习情况并给予尽可能的 帮助；同时他精湛的专业知识，务实的科研作风以及不知疲倦的工作态度都深深的影 响着我，给我留下了难以磨灭的印象。由衷感谢我的另外一位指导老师王启瑞副教授! 王老师在我实际的学习过程中给予了极大的帮助，我所取得的每一点成绩都是跟他分 不开的。可以说学习中没有王老师不厌其烦的讲解和指导，我不可能有今天这么多的 成绩。在实验过程中，王老师给了我许多宝贵的意见和建议，使我受益非浅，王老师 丰富的实践经验永远都是我努力学习的榜样。言语上的敬意与内心中的感激都不能表 达我对王老师的深深谢意，在此我谨向王老师表示最诚挚的敬意和真心的祝福。 在本论文的研究期间，得到黄森仁、焦俊、刘立强、徐娟、孙海涛等师兄 的帮助和支持，在此对他们表示真诚的感谢。我还要感谢我亲爱的同班同学们 以及同课题组的师兄弟们，他们在我的求学生涯中给了我很多快乐和美好的 时光，我将永远不会忘记这段快乐的日子和同学间珍贵的友谊。 我还要感谢我的父母、亲人和朋友。是他们给了我学习的机会，他们关怀和鼓励 使我能够坚持完成学业。不管以后在任何岗位上，都会永远牢记他们的希望，干出一 番成绩来报答他们。 感谢所有关心我、爱护我的人们! 作者：姜竹胜 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 课题研究背景 随着计算机技术、网络通讯技术、集成电路技术的飞速发展，以全数字式 现场总线为代表的现场控制仪表、设备大量应用，使得繁琐的现场连线被单一 简洁的现场总线网络所代替，为工业现场控制用户带来巨大好处。目前，已形 成h a r t 、l o n w o r k 、p r o f i b u s 、b jt b u s 及c a n b u s 等多种现场总线协议。 同时，电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用使得汽车电子化程度越 来越高，特别是微控制器进入汽车领域后，给汽车带来了划时代的变化，汽车 的动力性、操纵稳定性、安全性、燃油经济性、对环境的友好性都得到了大幅 提升。 汽车电子设备的应用，电子设备的增多，必然导致车身布线愈长愈复杂， 运行可靠性降低，故障维修难度增大，特别是电子控制单元的大量引入，为了 提高信号的利用率，要求大批数据信息能在不同的电子单元中共享，汽车综合 控制系统中大量的控制信号也需要实时交换，传统线束已远远不能满足这种要 求，于是人们选择了网络总线技术。 汽车网络控制是研究如何利用总线数据通信原理实现现代汽车中各个独立 电子系统和控制装置间控制信息传递通道的简洁互连、实时、可靠的数据交换 及综合协调控制的门最新技术。它是以科学、合理的数据通信协议及支持这 样协议的大规模集成电路器件为基础的。和其他控制现场相比，汽车内温度变 化范围大，一般为一4 0 8 0 摄氏度，电磁干扰和其它电子噪声强，环境极其恶 劣，因此网络在车内运行的可靠性尤为重要。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，数据信号多采用p w m 、v p w 和n r z 编码。 汽车网络技术的优点是：在统一应用层协议和数掘定义的基础上，可以使 之成为一个“开放式系统”，具有很强的灵活性。对于任何遵循上述协议的供应 商所生产的控制单元都可轻易添加入该网络系统中或者从网络系统中拆出，系 统几乎不需要做任何硬件和软件的修改，这完全符合现代汽车平台式设计的理 念。 c a n ( c o n t r o e ra r e an e t w o r k ) 数据总线就是一种极适于汽车环境的汽 车局域网。c a n 总线是德国b o s c h 公司在8 0 年代初为解决数据可靠交换而开发 的一种串行数据通信总线。在现代汽车设计中，c a n 已经成为了必须采用的装 置，奔驰、宝马、大众、沃尔沃及雷诺汽车都将c a n 总线作为控制联网的手段。 由德国b o s c h 公司于九十年代初专门为汽车电子控制研发的控制器局域网c a n 协议为当前被各国汽车制造商普遍认同的世界范围内的主流协议并被定位为国 际标准。众多国际知名汽车公司早在8 0 年代就积极致力于汽车网络技术的研究 及应用。迄今为止，已有多种网络标准，如s a e 的j 1 8 5 0 、德国大众的a b u s 、 博世的c a n 、美国商用机器的a u t o c a n 、i s o 的v a n 、马自达的p a l m n e t 等。 我国在汽车电子方面的研究起步较晚，对应用于汽车领域c a n 协议的研究 尚处于起步阶段。鉴于c a n 在现代汽车电子化进程中的重要作用，自主研制支 持c a n 规范的汽车电子产品，并使之尽快产业化，对于迎接我国汽车工业加入 世贸组织后所面临的挑战具有积极意义。为缩短同国外轿车技术水平的差距， 提高自身的竞争力，单纯靠技术引进不利于长期发展，消化、吸收、研究和开 发自己的汽车网络应用系统势在必行。 1 2 国内外研究现状及发展动态 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”“”二。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 r c 检验，并 可提供相应的错误处理功能、数据通讯可靠性高。这将是电动汽车中数据通汛 中最适合的现场总线之一。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问的数据交换问题，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。目前国外c a n 总线技术应用已经成熟，在汽车动力和制动 网络应用领域f 大显身手。到目前为止 2 0 0 6 1 2 5 ，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 l 等 半导体厂商，市场上已有儿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间“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 o b 信道的微控制器。 2 ) c a n 在国内的发展 虽然c a n 总线标准己推出很多年，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进之余己显示出“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 、r 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。 但理想与现实之间总有差距，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况开发车载网络，但实际上做的是具有车载 网络接口的零部件，而这种零部件一个足不行的，二个也没有意义。国内车载 网络的现状是，在e c u 中嵌入车载网络己做得不错，但与车载网络相关的工作 还十分欠缺。 上海汽车电子工程中心相关人员介绍，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 3 本文主要研究内容 本论文利用现场总线技术的目的是为了实现汽车控制部件的智能化和汽车 控制系统的网络化提供了一个有效的途径和方法。 智能化是采用了微处理器嵌入技术，对汽车电控系统中的各个测控部件进 行数字化改造，使之在成为一个智能化的仪表或执行器的同时具备网络通信能 力，从而为汽车网络化控制做好准备。 网络化就是在智能化和节点化的基础上，采用属于网络技术的现场总线将 所有汽车测控部件连接起来，在网络测控软件的支持下形成一个有机的网络控 制系统。 本研究的经济意义在于废除主电缆线束系统，从而有利于降低系统的综合 成本，并咀提高技术档次保障售价；其技术意义是为汽车性能的高档次提供技 术平台，形成新产品和技术储备。 1 、主要研究内容 车载网络技术及其主流协议的研究 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，完成车灯控制系统应用层协 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 2 、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，了解汽车网络技术的发 展和趋势，包括在汽车中常用的各种网络协议，并深入理解c a n 协议，为具体 应用奠定良好的理论基础。另一个主要任务是建立了个功能比较完善的测试 平台，不但能够模拟汽车车身控制网络工作情况，在此基础上使用仪器观察不 同状态下的c a n 器件表现的特性，进一步深入理解c a n 协议，还要求对新开发 的c a n 节点功能进行全面模拟测试，为今后研究丌发做好必要的准备。这其中 包括大量的外文资料收集、查阅和消化工作，系统的软、硬件设计和调试工作。 本论文的主要结构如下： 车载网络技术及其主流协议的研究； 汽车局域网c a n 总线的原理研究： c a n 总线系统的节点设计； 车身控制器局域网络设计； 实车实验； 结论与展望。 4 第二章车载网络技术概述 2 1 车载网络技术的发展 随着能源、排放、安全法规的日趋严格和客户对汽车舒适性要求的不断提 高，电子技术在汽车上的作用越来越重要。汽车的安全、节能、环保以及智能 化和信息化是未来汽车的发展趋势。在汽车技术的发展进程中，汽车电子的作 用尤为突出，是丌发新车型、改进汽车性能最重要的技术措施。汽车上7 0 的 技术创新来源于汽车电子，未束汽车电子的发展将主要集中在动力总成、底盘 控制、车身控制、主被动安全、汽车网络、通信系统、安全与防盗等方面，并 呈现出功能多样化、技术一体化、系统集成化和通信网络化的特点。 车载网络技术的研究最早开始于2 0 世纪6 0 年代术期，由于技术和成本等 问题的限制，直到2 0 世纪9 0 年代才真f 快速发展。早期的汽车网络中，通用 网络标准并未得到广泛的认同和应用，用户通常利用自己制定的电路和通用异 步收发器( u a r t ) 设备来实现简单的串行通信。由于没有统一标准，各汽车制 造商都有一套独立定义的接口规范和专用供应商。这样，供应商虽然纵向紧密 地与汽车制造商合作，却缺乏与其他供应商的横向联系，导致生产的同类产品 不能兼容互换。 采用标准化网络技术以后，各供应商按照统一的标准生产部件，提高了同 类产品的兼容性和互换性。而汽车制造商可以委托任意一家合格的供应商开发 符合标准的模块。 国际著名汽车制造商和零部件供应商于二十世纪八十年代就致力于汽车网 络技术的研究与应用，迄今已推出多种网络标准，如j 1 8 5 0 、v a n 、a b u s 等。在 各种汽车网络中，c a n 以其独特的设计，优异的性能和极高的可靠性得到最为 广泛的应用。尤其在欧洲，d a i m l e rc h r y s l e f 、b w m 、v o l k s w a g e n 及v o l v o 公 司等都将c a n 作为他们电子系统控制器网络化的手段。美国的制造商也正逐步 将他们的汽车网络系统由j 1 8 5 0 过渡到c a n 。 2 0 世纪8 0 年代计算机局域网技术达到了实用化，这为汽车网络技术的发 展提供了成熟的技术样板。汽车网络技术中的设计目标、网络拓扑结构以及通 讯协议等都与计算机网络技术有许多相似之处。同时集成电路技术功率驱动器 件的发展也推动了汽车网络技术的进步。 2 2 车载网络技术的优势 从布线角度分析，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互 之间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。据统计，一辆采用传统布线方 法的高档汽车中，其导线长度可达2 0 0 0 米，电气节点达1 5 0 0 个，而且该数字 大约每十年增长1 倍，从而加剧了粗大的线束与汽车有限的可用空间之间的矛 盾。一般情况下线束都安装在纵梁下等看不到的地方，一旦线束中出了问题， 不仅查找相当麻烦，而且维修也很困难。另外，在汽车中增加新的用电设备对 线束的改动很大，一般只能从外面加线，从而使线路更凌乱。所以，无论从材 料成本还是工作效率看，传统布线方法都将不能适应汽车的发展。“ 从信息共享角度分析，当前的汽车电子技术可分为四大类，即动力牵引系 统控制，车辆行驶姿态控制，车身( 车辆内部) 控制和信息传送。在相应的汽 车电子控制系统中，对每一设备的控制都有一相应的电子控制单元( e c u ) ，如 果这些电子控制单元之间的信息可以实时共享，则可以大大减少传感器的数量， 降低整车的成本，而车载网络技术恰好满足了这要求。 从技术进步的角度分析，随着汽车电子化的深入，以网络通信为基础的线 控技术( x - b y w ir e ) 的可靠性、实时性满足了汽车对数据传输的要求，这是推 动汽车网络技术应用的另一个原因。所谓线控就是用电子信息的传送取代过去 由机械的或液压的或气动的系统连接的传动部分，如换档连杆、油门拉线、转 向机传动机构、制动油路系统等。线控技术不仅仅是这些连接方式的变化，而 且包括操纵机构和操纵方式的变化以及执行机构的变化( 电气化) 。线控技术的 广泛应用将形成一种全新的汽车结构。线控技术要求网络的实时性好、可靠性 高，而且，一些线控部分要求具有冗余的“功能实现”，以保证在故障时仍可实 现这个装置( 总成) 的基本功能。就像现在的a b s 和助力转向一样，在线路故 障时仍具有制动和转向的基本功能。 从汽车功能演变的角度分析，汽车正在从一种简单的交通工具演变为集交 通、办公、通讯、娱乐等多种功能于一体的移动载体。因此，接收定位信号、 提供地理信息服务、接收管理信息、发送本车状态信息、进行安全服务请求等 新功能在汽车上逐步增多，车载多媒体网络也应运而生。 汽车电子化控制采用网络化设计可以大大降低设计成本，缩短设计周期， 其经济效益是十分明显的。为此最初只属于高档车的网络概念，现己逐步扩展 到大批量生产的经济型车上。今天网络化的电子系统已成为所有级别汽车中至 关重要的部件。短短几年内，汽车网络技术的发展速度令人膛目结舌。从目前 的情况来看，世界各大汽车公司的车身网络控制和动力系统网络技术平台已经 建成，并在全球范围内大批量装车应用，并逐渐推出多媒体总线网络，如a u d i 的m o s t 总线系统。因此可以断言，近几年内网络技术在汽车中应用将迅速普及， 并延伸到各种档次的车型中。 2 3 车载网络的拓扑结构 在汽车网络拓扑结构中，常见的结构有总线型网络、星型网络以及环型网 络。“”“3 、总线型拓扑 在总线型拓扑中，传输介质为一条总线，节点通过相应的硬件接口接至总 线上，如图2 1 ( a ) 所示。当一个节点发送消息时，其他节点均可接收陔消息。 由于所有的节点共享同一信道，因此任一时刻只允许一个节点发送消息。该网 络拓扑必须使用总线访问机制，这样当两个或多个节点同时准备发送信息时， 能确定哪个节点优先获得总线的访问权。目前在汽车控制网络中使用最多的是 总线拓扑结构。 二、里型拓扑 在星型拓扑结构中，每个节点通过点对点的方式连接到中央节点，因此任 何两个节点之间的通信都必须通过中央节点，如图2 一i ( b ) 所示。 三、环型拓扑 在环型拓扑结构中有许多中继器进行点到点的链路连接，使整个网络构成 一个封闭式的环路，如图2 一l ( c ) 所示。 ( a ) 总线型网络结构 蒜 ( b ) 星型网络结构( c ) 环掣网络结构 图2 一l常见网络拓扑结构 2 4 汽车网络的分类及其主流协议介绍 2 0 世纪9 0 年代中期，s a e ( s o c ie t yo fa u t o m o t iv ee n g i n e e r s ，汽车工 程师协会) 车辆网络委员会根据标准s a ej 2 0 5 7 将汽车数据传输网划分为a 、b 、 c 三类，如表2 1 所示，d 级以上没有定义。2 o m 3 3 3 表2 一ls a ej 2 0 5 7 的汽车网络分类 网络分类对象位传输速率应崩场合 面向传感器执行 主要应用于电动门窗、座椅调节、 a 1 1 0 k b p s 器控制的低速网络灯光照明等控制。 士要应用于电子车辆信息中心、故 面向独立模块问数障诊断、仪表显示、安全气囊等系 b 1 0 1 2 5 k b p s 据共享的中速网络 统，以减少冗余传感器和其它电子 部件。 主要用于悬架控制、牵引控制、先 面向高速、实时闭 进发动机控制、a b s 等系统，以简 c 环控制的多路传输 1 2 5 k 1 m b d s 化分布式控制和进一步减少车身 网 线束。 在a 类网络中，u a r t 的应用逐渐减少，而l i 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 i8 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 o l l 8 9 8 - 2 ) 和正在发展中的t t c a n 、 t t p t m c 和f 1e x r a y 。随着成本的降低和应用系统功能的提高，网络应用范围会 下移。一些新出现的车上网络系统，可以达到几兆的速度和具有更高的可靠性。 局部互联网络( l i n ，l o c a i n t e r c o r h q e c tn e t w o r k ) 是在1 9 9 8 年由汽车 生产商a u d i 、b 1 1 w 、d a i m le r c h r y s l e r 、v o l v o 和v o l k s w a g e n 与元器件生产厂 m o t o r o l a 以及开发工具公司v c t ( v 0 1c a n oc o m m u n i c a t ior i st e c h n o l o g ie s ) 联 合发起的一个汽车低端网络协议。目前该协议有1 2 和2 o 两个版本。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。目前浚协议应用开发 的热点集中在美国、欧洲和日本，预计在未来的十年内，汽车上的l i n 节点会 达到2 0 个左右，l i n 的应用存在着巨大的潜在市场，协议本身也会在不断应用 中得到完善，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。 由b o s c h 公司提出的c a n 标准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 缴汽车网络。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i 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。 t t p c 和f ie 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一些探 索性工作。 第三章汽车局域网c a n 总线的原理研究 3 ic a n 的性能特点 c a n 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计， 与一般的通信总线相比，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。其特点可概括为：“胡瞳3 m “心6 。 ( 1 ) c a n 是到目前为止唯一具有国际标准且成本较低的现场总线： ( 2 ) c a n 为多主方式工作，网络上任一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，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。 利用这一特点可方便地构成多机备份系统； ( 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 肛s 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时， 优先级较抵的节点会主动地退出发送，而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； ( 5 ) 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 种方式传送接收数据，无需专门的“调度”； ( 6 ) c a n 的直接通信距离晟远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高 可达i m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ： ( 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 o a 标准帧报文中标识符有11 位，而在c a n 2 o b 扩展帧报文中标识符有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 n 的通信介质可选择双绞线、同轴电缆或光纤，选择十分灵活； ( 1 i ) c a n 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出的功能，以使总线 上其他节点的操作不受影响，而且发送的信息遭到破坏后，可以自动重发。 3 2c a n 协议发展历史 通信协议是指通信双方控制信息交换规则的标准、约定的集合。要实现车 内各e c u 之间的通信，必须制定规则，即通信方法、通信时间、通信内容，保 证通信双方能相互配合，使通信双方能共同遵守、可接受的一组规定和规则。 就好象现实生活中的交通规则一样。 c a n 协议由b o s c h 公司最初于1 9 8 5 年推出“”，经多次修订，于1 9 9 i 9 年9 月形成技术规范2 0 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 l 版本 年份修订内容 1 01 9 8 5制定摄初版本 1 11 9 8 7重新修订值定时要求 1 21 9 9 0提高振荡器容若 a 部分：同l 2 版本 2 01 9 9 】 b 部分：增加了报文扩展格式 在版本1 0 到1 2 之间，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 版本中对削歇场和错误超载界 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 l 重新制定并颁布的c a n 技术规范2 0 版包括 2 o 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“。“”。 2 0 b 给出了报文的标准和扩展帧两种格式，推出2 o b 是为了满足美国汽车制 造商对c 类网应用的要求，这是因为扩展格式使用2 9 位标识符，能实现和j 1 8 5 0 类似的信息标示策略。随后，s a e 的卡车巴士控制和通信网络委员会j j9 3 9 投 票通过了将c a n 作为c 类数据交换网应用于巴士、卡车、农业及建筑车辆，并 将其作为j 1 9 3 9 标准的核一心内容。 由于c a n 的广泛应用，i s o 于1 9 9 3 年1 1 月正式颁布了道路交通运载工具 一一数字信息交换_ - - 高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准i s 0 11 8 9 8 ，为控制 器局域网的标准化、规范化推广铺平了道路。 c a n 技术规范2 0 a 和2 0 b 以及国际标准i s 0 1 1 8 9 8 是设计c a n 应用系统的 基本依据，也是应用设计的基本规范。下面对c a n 协议作一概括介绍。 3 3c a n 的一些基本概念 报文( m e s s a g e s )总线上的信息以不同固定格式的报文发送，但长度有 限制，当总线空闲时，任何一个连接的单元都可以开始发送一个新报文。 信息路由( i n f o r m a t i o nr o u t i n g ) 在c a n 系统中，一个c a n 节点不使用 任何有关系统配置的信息( 比如站地址) ，这里包含一些重要概念： 系统灵活性不需要任何节点和应用层的软件或硬件改变，就可以在c a n 网络中添加节点。 报文路由一个报文的内容由其标识符i d 命名。i d 并不指出报文的目 的地，但解释数据的含义，以便网络中的所有节点可以通过报文滤波决定是否 对该数据做出反应。 多播一由于引入报文滤波的概念，任何节点都可以接收报文，并与此同 时对此报文做出反应。 数据相容性在c a n 网络里，可以确保报文同时被所有节点或者没有节 点接收，因此，系统的数据相容性是通过多播和错误处理原理实现的。 位速率( b i tr a t e )在不同的c a n 系统中可以有不同的位速率，但在 个给定的系统中，位速率是唯一固定的。 优先权( p r i o r i t i e s ) 在总线访问期间，根据发送数据的标识符判断数 据占用总线的优先权，标识符小则优先权高。 远程数据请求( r e m o t ed a t ar e q u e s t )需要数据的节点可以通过发送远 程帧请求另一个节点发送相应的数据帧，该数据帧与远程帧具有相同的标识符。 多主站( m u l t i m a s t e r )当总线空闲时，任何单元均可开始发送报文，发 送具有最高优先权报文的单元赢得总线访问权。 仲裁( a r b i t r a t i o n )当总线空闲时，任何单元都可以开始发送报文。若 同时有2 个或更多的单元开始发送报文，则总线访问冲突使用逐位仲裁，借助 标识符解决。这种仲裁机制可以使信息和时间均无损失。当具有相同标识符 的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。仲裁期恻，每一个发 送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则该单 元可以继续发送。如果发送的是一“隐性”电平，而监控到的是一“显性”电 平，该单元则失去仲裁，必须退出发送状态。 安全性( s a f e t y )为获得尽可能高的数据传送安全性，在每个c a n 节点 中，均采取了强有力的错误检测、出错标定及错误自检措施。为检测错误，采 取的措施有：监视( 发送器对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较) 、循 环冗余检查、位填充、报文格式检查。 错误检测具有下列特性：所有全局性错误均可被检测；发送器的所有局部 错误均可被检测；报文中的多至5 个随机分布错误均可被检测：报文中长度小 于1 5 的突发性错误均可被检测以及报文中奇数个错误均可被检测。对于未检测 出的已损报文的剩余错误概率小于报文出错率4 7 1 0 。 出错标定和恢复时间( e r r o rs i g n a l l i n ga n dr e c o v e r yt i m e )当节点 检测出错误时，已损的报文会被标记而失效，报文将被自动重新发送。如果没 有新的错误，从检测到错误到下一个报文开始发送的恢复时间最多为2 9 位时 间。 故障界定( c o n f i n e m e n t ) c a n 节点能够把永久故障和暂时扰动区别歼来。 故障节点将被关闭。 连接( c o n n e c t i o n s )c a n 串行通信链路是一条众多单元均可被连接的总 线。理论上，c a n 总线上的单元数量没有限制，但由于实际上受信号传输延时 和电气负载能力的影响，单元数量是有限的。 单通道( s i n g l ec h a n n e l )由单一双向进行位传送的通道组成的总线。 借助数据重同步信息可被获得。在本技术规范中，实现这种通道的方法不是固 定的，例如，可咀是单线( 加接地线) 、两条差分连线、光纤等。 总线数值表示( b u sv a l u e s ) 总线可以具有两种互补逻辑数值之一：“显 性”和“隐性”，当“显性”位和“隐性”位同时发送时，总线为“显性”状态。 例如，在总线的线与操作情况下，“显性”电平由逻辑“o ”表示，“隐性”电平 由逻辑“l ”表示。本技术规范中未给出表示这些逻辑电平的物理状态( 例如， 电压、光) 。 应答( a c k n o w l e d g e m e n t ) 所有的接收器均对接收报文的相容性进行检查， 回答一个相容报文，并标志一个不相容报文。 睡眠模式唤醒( s l e e pm o d e w a k e u p )为了降低系统功耗，c a n 器件可 被置于睡眠模式以便停止任何内部活动以及断开与总线驱动器的连接。c a n 器 件可由总线激活，或系统内部状态而被唤醒。唤醒时，虽然m a c 子层要等待一 段时间使振荡器稳定，然后还要等待一段时间直到与总线活动同步( 通过检查 1 1 个连续的“隐性”位) ，但在总线驱动器被重新设景位“总线在线”之前， 内部运行已重新开始。 3 4c a n 协议网络分层模型 在i s o 提出的o s i 模型中，网络被分成七个不同的层次，这些层次描述了 在不同的传输阶段，数据信息被如何处理。o s i 七层结构及各层功能m 川川 如图3 1 所示。 o s i 层次o s i 层次层次功能 应用层应