（通信与信息系统专业论文）基于轿车车身控制网络的研究和仿真.pdf

摘要 随着现代汽车产业和电子技术的迅猛发展，汽车电子设备不断增多，汽车 综合控制系统也越来越复杂，基于独立线束的直接控制已经远远不能满足增强 汽车的驾驶性能、提高汽车可靠性、方便维修等方面的要求。汽车总线网络为 解决这一系列问题提供了有效的方法。在汽车总线网络中，本地互联网络( l i n ) 提供了一种低速率、低成本的汽车车身控制总线技术。l i n 是对车载控制网络 进行分级的启动因素，驱动控制网络可选用c a n 等总线技术，而u n 总线则 是车身控制网络的较好方案。u n 联盟从u nv 1 1 规范开始，对u n 规范已经 做了五次更新，l i n 规范在不断完善，功能也不断增强。最新的u nv 2 1 规范 支持信号组和总线诊断功能，特别适合作为车身控制网络的协议。 本文以轿车的车身控制网络为开发对象，设计了基于u nv 2 1 总线规范的 汽车车身控制网络，详细论述了车载网络的拓扑结构和节点控制方案，根据控 制对象的特点设计了五条l i n 总线：车灯雨刮控制u n 总线、车门车窗控制 l i n 总线、车顶灯控制u n 总线、无线遥控控制u n 总线、座椅控制u n 总线， 并使用德国v e c t o ri n f o r m a t i k 公司的c a n o e 软件对所设计的车载网络进行仿 真，编写了l d f ( l i n 描述文件) 文件，对各条l i n 总线进行性能分析和功能 仿真；完成了车载网络仿真的可视化界面的设计，显示各节点的控制状态；最 终得到各条u n 总线仿真运行的各项数据，其结果达到设计要求。最后，给出 了车载u n 控制网络的实现方法。本文提出的方法缩短了车身控制网络的开发 周期，节约了开发成本，实现了设计的可测试性。 最后对汽车网络技术的发展做了较为全面的总结和展望。随着汽车舒适性 要求越来越高，车内智能节点数目不断增加，采用l i n 总线设计车载网络的方 案将使大量节点间的互连变得简单、且性能良好，因此是较好的车载网络的设 计方案。 关键词：汽车网络，l i n 总线，c a n o e 软件 a b s t r a c t w i t ht h em o d e ma u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ss w i f t d e v e l o p m e n t ，t h ea u t o m o b i l e e l e c t r o n i c e q u i p m e n t s i n c r e a s e sc o n t i n u o u s l yt h a t r e s u l t st h ea u t o m o b i l e sc o n t r o l l e ds y s t e mm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d t h ed i r e c t c o n t r o l l e ri nas i n g l el i n ec a n ts a t i s f yt h ed e m a n d s ，s u c ha s ：i m p r o v e m e n to ft h e p e r f o r m a n c ei nt h ea u t o m o b i l e ，t h er e l i a b i l i t y se n h a n c e m e n ta n d t h ec o n v e n i e n c eo f m a i n t e n a n c ea n de t c t h ee m e r g e n c eo ft h ea u t o m o b i l ec o n t r o l l e rb u sn e t w o r k p r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a yf o rt h e s e r i e so fp r o b l e m s l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c t n e t w o r k ) c a r r i e so nav e r yl o ws p e e dr a t e ，l o wc o s ti m p l e m e n t m e t h o d i ti st h ek e y t os t a r tt h ec l a s s i f i c a t i o no fn e t w o r ki na u t o m o b i l e c a ni sc h o s e nf o rt h ed r i v i n g c o n t r o l l i n gn e t w o r k ，b u tl i ni st h eb e t t e rw a yf o rt h ec o m f o r t a b l en e t w o r k l i n a l l i a n c eh a sm o d i f i e dt h el i ns p e c i f i c a t i o nf o rf i v et i m e s ：t h ef i r s tv e r s i o n1 0a n d l a t e rt ot h e1 1 ，1 2 ，a n d1 4 w h e nu pt o2 1 ，s o m es p e c i a lf u n c t i o na d d si nt h el i n ， s u c ha ss i g n a l sa r r a ya n d b u sd i a g n o s t i cs p e c i f i c a t i o n t od e s i g nt h ec o n t r o l l e r s n e t w o r ko fa u t o m o b i l ea st h ep u r p o s e ，t h ep a p e rp u t s f o r w a r da na u t o m o b i l ec o n t r o l l i n gn e t w o r kb a s e do nl i n v 2 1s p e c i f i c a t i o na n dh a s c a r r i e do nt h ed e t a i ld e s c r i p t i o ni nn e t w o r kc o n s t i t u t i o na n dc o n t r o l l i n gm e t h o d f i v e l i nb u si sd e s i g n e d ：t h el i g h t s ，w i n d o w sa n dd o o r s ，r o o fl i g h t s ，t h er e m o t er a d i oa n d t h es e a t sc o n t r o l l e dl i nb u s t h en e t w o r ki ss i m u l a t e db yt h es o f t w a r ec a n o et h a t r e s e a r c h e db yag e r m a nc o m p a n yn a m e dv e c t o ri n f o r m a t i k t h r o u g ht h es o f t w a r e ， l d ff i l e sa r ew r i t t e n ；v i s u a li n t e r f a c ei sf i n i s h e dt os h o wt h ec o n t r o l l i n gs t a t u s t h e f u n c t i o np a r a m e t e r sa n dq u a l i t yo ft h en e t w o r kc a l lb o t hg e tt h r o u g hs i m u l a t i o n w h i c ha c h i e v e st h ep r e d e s i g n c o m p a r e dw i t ht h en o r m a ls c h e m e ，t h ec o s th a sb e e n l o w e r e d ；c y c l ei ss h o r t e n e da n dd e s i g nc a nb et e s t e d i nt h ee n d ，t h eo v e r a l ls u m m a r ya n df o r w a r d se x p e c t a t i o ni sg i v e n w i t ht h e r e q u i r e m e n to fc o m f o r ti nt h ea u t o m o b i l e ，m o r ei n t e l l i g e n tn o d e sa r en e e d e d ；l i n c a ns i m p l i f yt h ed e s i g no ft h eb u sa n dl o w e rd o w nt h ec o s ta n di sab e t t e rs o l u t i o n ! k e yw o r d s ：n e t w o r k i na u t o m o b i l e ，l i nb u s ，c a n o es o f t w a r e 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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。 签名：题日期：丝三垡至旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：衄导师签名：丝日 武汉理- t 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题相关技术的现状和发展前景 1 1 1 汽车车载网络的提出 现代汽车工业是使用微控制器最多的行业之一，微控制器系统在轿车成本 中所占的比例从9 0 年代的1 0 2 0 ，提高到目前的2 0 3 0 ，而且未来1 0 年 这一比例可能会提高到3 0 5 0 ，例如汽车引擎控冶0 单元、防抱死刹车系统、 四轮驱动系统、电控自动变速器、主动悬架系统、安全气囊系统、多向可调电 控座椅等【1 j 。微控制器从8 位简单控制器到1 6 位，甚至3 2 位高速处理器，这 些处理器需要相互共享信息，协调运行，才能保证汽车的正常工作。 在上世纪8 0 年代，主要采用集成电路和8 位微处理器开发汽车专用的独立 控制系统；2 0 世纪9 0 年代，汽车电子设备广泛采用1 6 位或3 2 位微处理器， 控制技术向智能化、网络化方向发展。在该阶段出现了很多新的技术研究领域 和研究热点。 一方面，汽车微控制器系统的发展使汽车的环保性安全性和舒适性得到了 很大提高。另一方面，微控制器的大量应用，导致车身布线庞大复杂、安装空 间紧缺、运行可靠性降低、故障维修难度增大。如果采用常规电控布线方式， 电线一端与控制开关相连，另一端与执行设备相连，那么一根线束包裹着几十 根电线的现象是很普遍的。汽车电子技术的发展给汽车带来竞争力的同时也给 汽车设计带来了困惑。在现代汽车设计中，汽车作为一个整体系统，把计算机 网络技术应用于汽车电器与电子控制系统能够减少使用体积、减轻整车重量和 节省导线等诸多问题。车载网络能够解决汽车各部件信息传输和交互、多种电 子系统造成的重量和成本增加的问题。 目前，世界上有多达十多种车辆网络标准【引，其中最主要的有：控制器局 域网c a n 、本地互联协议l i n 、车辆多媒体网络i d b l 3 9 4 和m o s t 、与计算机 网络兼容的蓝牙、无线局域网等无线网络技术等。近几年，具有高速容错功能 的网络协议f l e x r a y ，发展非常迅速。飞利浦汽车电子部门预计在2 0 0 9 年，部 1 武汉理工大学硕士学位论文 分高端应用将会从c a n 转移到f l e x r a y 系统中。 虽然车载网络技术己经得到较广泛的应用，但从进一步的需求来看还有很 多工作要做。目前尚没有满足成本低、性能可靠、具有容错能力、时间特性好 和可扩展性好的汽车网络系统。由于汽车总线网络应用的层次和目的变化很大， 而汽车本身对价格又非常敏感，如果用性能高的总线网络系统覆盖低层次的应 用，则成本上无法接受。如果以车上各个控制系统的特点匹配不同层次的网络 标准，是汽车网络技术与成本矛盾的较好的解决方案【3 1 。 1 1 2 汽车车载网络的发展历史 在上世纪8 0 年代，轿车内重要部件之间通信就使用总线式网络，但是通用 的网络标准并未得到广泛的认同和应用，汽车制造商通常利用自行制定的总线 协议和通用异步收发器( u a r t ) 设备来实现简单的串行通信。由于没有统一标 准，各个汽车制造商都拥有独立定义的接口规范、通信协议和专门的供应商【4 1 。 这样，供应商虽然纵向紧密地与汽车制造商合作，但却缺乏与其他汽车制造商 的横向联系，导致生产的同类产品不能兼容互换，而且第三方的汽车零部件厂 商得不到足够的技术支持，生产的汽车零部件成本加大，不利于汽车整车成本 的降低。各个汽车厂商之间的私有总线协议的竞争也不利于汽车行业的快速发 展。 在2 0 世纪8 0 年代初，德国博世( b o s c h ) 公司开发了一种串行数据通信 总线a 悄( 控制器局域网) ，有效解决了汽车内部众多控制器与测量设备之 间的数据交换问题。它是一种支持分布式控制系统或实时控制的串行通信网络。 由于其成本低、可靠性高、抗干扰能力和实时性强等特点使其应用范围逐渐扩 大。p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制定的c a n 技术规范( v e r s i o n 2 o ) 和i s o 颁布的 国际标准i s o l l 8 9 8 为c a n 规范化、标准化和应用系统设计铺平了道路。 本地互连网络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 ) 是低成本的汽车网络方案， 与现有多种汽车网络方案相比，它在功能上进行了补充。l i n 的标准化将简化 多种现存的多点解决方案，促进不同汽车舒适系统零部件供应商产品的标准化 和通用化。l i n 联盟在l i nv 1 2 之后提出了v 1 3 ，v 1 4 ，v 2 o 版本u n 规范， 尤其是在2 0 0 6 年，吸收了s a e ( 美国汽车工程协会) j 2 6 0 2 工作小组的实验经 验，修改了l i nv 2 0 规范，提出了很多类似c a n 总线特点的内容。 在汽车车身控制领域，l i n 总线以成本低，可靠性强，正逐步取代c a n 总 2 武汉理工大学硕+ 学位论文 线，成为车身控制网络的总线技术【5 1 。 1 2 课题的提出及意义 汽车总线网络技术能提高汽车中各种信号的利用率，汽车行驶的各项数据 信息能在不同的电子控制单元中共享。在控制总线上传递的信号可以被多个子 系统共享，这就最大限度的提高了系统的整体效率，充分利用了有限的资源与 空间，大大简化目前的汽车电路。使用车载网络后，汽车整体功能得到不断完 善和优化，在市场中具有更高的竞争力。 汽车上采用总线网络技术有以下优点： ( 1 ) 节省大量的有色金属。原先要用多根动力线控制的用电器，改用总线 网络传输系统以后，仅用一根动力线即可，导线长度至少节省5 0 以上； ( 2 ) 线束生产省时省工。传统供电系统因为有多根动力线，且每种车型电 线长度不一样，其制造安装相对复杂。改用总线网络传输系统以后，包括动力 线和信号线只有3 根线，极大地简化了生产工艺，降低了成本，节省了工时； ( 3 ) 降低了组合开关成本，延长了使用寿命。传统供电系统通过组合开关 的电流为用电器本身的供电电流或继电器电流，可达几安培( a ) 至几十安培( a ) ， 改用总线网络传输系统以后仅有几毫安培细t 舢，是原有电流的千分之一，这样， 不仅延长了寿命，还降低了成本； ( 4 ) 增加了智能化控制功能。大量传感器的使用，可以实现传感器采集信 号，触发控制。如雨水传感器采集湿度信号后，启动雨刮控制；光线传感器采 集光线亮度信号后，启动车灯控制。 ( 5 ) 提高了驾乘人员的安全性、舒适性。网络传输系统的快速、适时，可 让驾驶人及时了解汽车的状态，同样也使各控制单元适时得到信息、处理信息、 控制执行器工作； ( 6 ) 提高了电子控制系统的稳定性，简化了汽车故障诊断和维修。 国产品牌轿车全面进行汽车各部件的自主研发，从发动机电子控制单元、 车身分离控制单元到车身的控制网络等【7 1 。目前，国外少数几个汽车大公司掌 握着轿车车身控制网络的研发和销售，技术保密。然而，国外公司的设计费用 相当昂贵，车身网络各部件的购买和维护均由国外公司直接提供产品，导致的 结果就是整车成本过高，在市场中没有竞争力；最终的后果是没有自主技术， 3 武汉理一l ：大学硕士学位论文 车身性能落后于国外同等车型，不能形成长远的竞争力。 该课题以轿车的车身控制智能整合为目标，实现控制台的统一智能控制， 同时支持各部件的分散控制。对轿车除发动机以外的大部分部件，如车灯、车 门、车窗、雨刮、座椅、遥控防盗系统等部件的控制进行网络智能整合。整合 后的车身舒适控制网络系统，可以实现快速可靠的智能控制。 1 3 课题完成的任务 论文在探讨l i nv 2 1 的特点后，设计了基于l i n 协议的车身控制网络，并 使用仿真软件对车身控制网络进行仿真和分析。 具体任务为： ( 1 ) 详细论述l i n 协议的特点，选取l i n 总线构成车身控制网络。 ( 2 ) 设计了汽车车身控制网络的拓扑结构，讨论了控制方案。车身控制网 络由5 条l i n 总线组成，节点包括了汽车舒适系统的大部分执行设备，控制方 案结合了实际的行驶特点，并参照了目前主流轿车的控制方案。 ( 3 ) 利用v e c t o ri n f o r m a t i k 公司的c a n o e 软件的可视化界面工具，对控制 方案进行功能性仿真，验证控制方案的合理性和达到的效果，得到网络的性能 参数。 ( 4 ) 使用c a n o e 软件，对l i n 网络进行设计、配置、仿真。针对网络实 际运行时可能发生的问题，仿真网络时人工加入总线故障，得到网络的容错性 能。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车总线技术 本章对目前主流的汽车总线技术l i n 总线和c a n 总线技术进行了深入探 讨。通过比较l i n 总线和c a n 总线与o s f i s o ( 国际标准协会开放互联系统) 的不同，论述了l i n 协议和c a n 协议各层的通信特点。最后，对本课题中使 用的l i nv 2 1 规范的特点进行详细论述，并给出选择u nv 2 1 规范作为汽车车 身控制网络总线的原因。 2 1l i n 总线技术 2 1 1l i n 总线特点 l i n 总线是车身控制总线规范的新兴标准，是对现有汽车多重传输网络的 有效补充。l i n 总线协议建立在通用的异步串行通信硬件接口上：m i c r o c h i p 公 司称之为u s a r t ( u n i v e r s a ls e r i a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e r ) ；富士 通公司称之为u a r t ；t i 和f r e e s c a l e 则称为s c i ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni i l t e f f a c e ) 。 它是将分布在车辆不同位置的智能传感器和执行器连接到车内主体网络的单总 线、局部互连的串行通信协议。l i n 的实现比较简单，只要具有s c i 功能模块 的单片机都可以用作u n 网络的从节点。l i n 网络提高了汽车分层多路复用网 络的性能，降低了汽车电子控制装置的开发、生产及诊断的服务成本。图2 1 比较了l i n 网络与国际标准组织i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ) 提出的o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 开放互联系统七层协议的不同之处。 l i n 的主要特性有i o , r l ： 单主机多从机结构； 基于普通u a r t 接口的低成本硬件实现低成本软件或作为纯状态机： 从机节点不需要石英或陶瓷谐振器可以实现自同步； 保证信号传输的延迟时间； 低成本的单线设备； 速度高达2 0 k b i t s ； 典型的u n 总线应用是汽车中的联合装配单元如：车门、方向盘、座椅、 空调、照明灯、传感器等。对于这些成本比较敏感的单元，l i n 总线可以使这 5 武汉理工大学硕士学位论文 些元件可以很容易的连接到汽车网络中，并且能够得到十分方便的维护和服务。 l i n 网络结构 图2 - 1l i n 协议与o s i 七层协议比较 2 1 2l i n 总线历史 l i nv 1 0 版本在1 9 9 9 年7 月发布，它很大程度上受到v l i t e 总线的影响。 在2 0 0 0 年，l i n 标准被更新了两次；在2 0 0 0 年1 1 月产生了l i n v l 2 规范；在 2 0 0 2 年1 1 月，l i n 联盟发布了l i nv 1 3 标准，主要在物理层进行了修改，目 的在于增强节点间的兼容性。 l i nv 2 0 相对于以前的l i n 总线标准有了革命性的变化，为l i nv 2 0 设计 的l i nv 1 3 节点和l i nv 1 3 规范中的节点通信有一些不同。同时，l i nv 2 0 规 范完全被重新撰写，即使规范中已经解决的部分问题，只要有必要，就会重新 制定。 l i nv 2 0 是前几版l i n 规范的集成，它反映了车身控制技术的最新趋势， 6 武汉理工大学硕+ 学位论文 s a e ( 美国汽车工程协会) j 2 6 0 2 工作小组的三年实验经验对l i nv 2 0 做出了 很大的贡献。l i nv 2 0 同样集成了许多新特色：支持节点标准化配置和诊断文 件，大大简化了对离线从节点的处理。 表2 - 1l i n 总线规范的修改过程 l i n 总线规范版本同期说明 l 【n1 01 9 9 9 0 7 0 1l i n 规范的第一个版本 l i n1 12 0 0 0 0 3 0 6 l i n1 22 0 0 0 一1 1 1 7 u n1 32 0 0 2 - 1 2 1 3 u n2 o 2 0 0 3 0 9 1 6 最重要的修改版 详细说明和修改了总线配置部分，增 l i n2 12 0 0 6 1 1 2 4 强了传输层，增加了总线诊断功能。 l i nv 2 1 的更新之处在于对以前标准的兼容性进行增强，l i nv 2 1 对大部 分l i nv 2 0 的功能进行了详细说明，在节点通信时，引入了一些约束，因此增 加了一部分功能，同时也删除了一部分功能。表2 1 中，列出了l i n 总线规范 的修改历史。 2 1 3l i nv 2 1 协议特点 l i nv 2 1 是l i nv 1 3 的超集，l i nv 2 1 从节点不能操作l i nv 1 3 节点。u n v 2 1 的物理层向下兼容u nv 1 3 的物理层，但l i nv 1 3 的物理层不兼容l i nv 2 1 的物理层，l i nv 2 1 的物理层能够满足更加苛刻的条件。 l i nv 2 1 的主节点能够对l i nv 2 0 的从节点进行操作，只要它支持u nv 2 0 规范中主节点的功能即可，例如：对报文分配标识符的旧功能。 只要u nv 2 1 从节点预先配置，l i nv 2 1 的从节点就能够通过铜线束与u n v 2 0 主节点通信，因为：l i nv 2 1 从节点在总线网络重启之后有一个有效的配 置。 l i nv 2 1 与l i nv 2 0 的不同之处：l i nv 2 1 的工作在于使用户对l i nv 2 0 扩展规范能够进行更好的理解，因此做了如下的功能性修改： 删除了从节点帧中的消息标识符； 删除了分配帧标识符配置服务； 增加了分配帧标识符范围配置服务； 7 武汉理j ：大学硕十学位论文 增加了保存配置服务； 增加了状态报告应用； 修改了事件触发的帧冲突处理； 保留了从2 到3 1 标识符的读取服务； 增加了从等级1 到3 的诊断等级以及相应的诊断服务； 增强了基于时间的传输层规范； 阐明了在多于一个铜线束上操作一个节点； 阐明了在多于一个帧里封装一个信号； 地址0 x 7 e ( 功能n a d ) 被保留用作诊断地址； 扩展了节点功能语言规范并增加了新的参数； 配置语言规范的更新：节点属性，节点组成，事件触发帧和配置的增加； l i nv 2 1 总线规范分为四个部分：第一部分：l i n 协议规范；第二部分： l i na p i 操作规程建议。第三部分：节点功能语言规范；第四部分：l i n 配置 语言规范。 2 1 4l i n 报文传输及报文结构 l i n 总线的一个报文帧由u n 主节点发送的报文头和一个l i n 从节点发送 的响应组成。如图2 2 所示，报文帧的报文头( h e a d e r ) 包括一个同步间隔场 ( s y n c hb r e a kf i e l d ) 、一个同步场( s y n c hf i e l d ) 、一个标识符场( i d e n t f i e l d ) 。报文帧的响应( r e s p o n s e ) 包括由2 、4 或8 字节的数据场( d a t a f i e l d ) 和一个校验和场( c h e c k s u mf i e l d ) 。 1塑室送 卜、 ，1响廛 卜 嚣峥场罔符般篙l 数据场陋和场 图2 2l i n 报文帧 同步间隔场是为了能清楚识别报文帧的开始。同步间隔场是由主机任务发 送，它使所有的从机任务有均等的机会与总线时钟信号同步。同步间隔场由两 个不同的部分组成，第一个部分是大约持续1 3 个位定时的显性总线电平。接着 的第二部分是1 个位定时的隐性电平，作为同步界定符。第二个场允许用来检 测接下来的同步场( s y n c hf i e l d ) 的起始位，具体结构如图2 3 所示。 8 武汉理工人学硕士学位论文 同步间隔场同步场 图2 3 同步间隔场示意图 同步场包含了时钟的同步信息。同步场的格式是“0 x 5 5 ，如图2 4 所示， 表现在8 个位定时中有5 个下降沿，即“隐性 跳变到“显性”的边沿。 起始位0 12 3 456 7 停止位 图2 4 同步场示意图 标识符场定义了报文的内容和长度。其中，内容是由6 个标识符位和两个 奇偶校验位表示。标识符位的第4 和第5 位( i d 4 和i d 5 ) 定义了报文的数据场数 量见表2 2 。这将把6 4 个标识符分成4 个小组，每组1 6 个标识符，这些标识符 分别有2 、4 和8 个数据场。标识符的奇偶校验位通过下面的混合奇偶算法计算。 表2 2报文帧中数据场字节数 i d 5i d 4 数据场的字节数 o02 o 1 2 10 4 1 1 8 数据场通过报文帧传输，由多个8 位数据的字节场组成。每个字节由一个 起始位，8 个数据全，1 个停止位，传输由最低位( l s b ) 开始。 校验和场是数据场所有字节的和的反码，校验和按“带进位：j i ( a d d c ) 方 式计算，每个进位都被加到本次结果的最低位( l s b ) 。这就保证了数据字节的可 9 武汉理工大学硕士学位论文 靠性。所有数据字节的和的补码与校验和字节相加的和必须是“0 x f f 。 2 1 5l i n 总线报文滤波和确认 报文滤波是基于整个标识符的，用户必须通过网络配置来保证：与某一指 定的传送标识符对应的从机任务不能多于一个。 校验报文是否有效的时间点，发送器与接收器各不相同。发送器如果直到 帧的术尾均没有错误，则此报文对于发送器有效。如果报文破损，则主机会重 新发送报文。接收器如果直到最后的一位( 除了帧末尾位) 均没有错误，则报 文对于接收器有效。总线上传送的事件信息也可能丢失，而且这个丢失不能被 检测到。如果报文发生错误，则主机和从机任务都认为报文没有发。 值得注意的地方是：主机任务和从机任务在发送和接收到一个错误报文时 所采取的措施并没有在协议规范中定义。像主机重新发送或从机的后退操作都 由用户按照应用要求在应用层程序中来实现。在总线上传送的时间信息也可能 丢失，而且这个丢失不能被检测到。 2 2c a n 总线技术 控制器局域网( 是现场总线技术的一种，它是一种架构开放、广播式 的新一代网络通信协议，称为控制器局域网现场总线，是国际上应用最广泛的 现场总线之一。随着汽车电子技术的不断发展，汽车上各种电子控制单元的数 目不断增加，连接导线显着增加，因而提高控制单元间通讯可靠性和降低整车 成本已成为迫切需要解决的问题。c a n 推出之初是用于汽车内部测量和执行部 件之间的数据通信。例如汽车刹车、防抱死系统、安全气囊等。机动车辆总线 和对现场总线的需求有许多相似之处，即能够以较低的成本、较高的实时处理 性能在强电磁干扰环境下可靠地工作【8 1 。 c a n 为串行通讯协议，能够有效地支持具有各种安全等级的分布式实时控 制系统。c a n 的应用范围很广，从高速的汽车驱动网络到低成本的多路接线都 可以使用c a n 。在汽车电子行业里，c a n 用于连接发动机控制单元、传感器、 防刹车系统等等，其传输速度可达1 m b i t s 。同时，可以将c a n 安装在汽车的 车载电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等等，用以代替接线配线装置。 c a n 控制芯片集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 c a n 差分线路的信号接收和发送、地址过滤等帧处理。在c a n 控制芯片基础 上，可以开发适应系统实际需要的应用层通信协议，流行的c a n 应用层协议有 c a n o p e n l 9 1 ，d e v i c e n e t 等。 c a n 采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先 级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据， 有效避免了总线冲突，节省了总线冲突仲裁时间； c a n 采用短帧结构，数据段长度最多为8 个字节( c a n 技术规范2 0 a ) ， 数据传输时问短，受干扰的概率低，重新发送的时间短，8 个字节不会占用总 线时间过长，从而保证了通信的实时性。 c a n 的每帧数据都有c r c 效验及其它检错措施，保证了数据传输的高可 靠性，适于在高干扰环境中使用。 i s o o s i 七层结构c a n 网络三层结构 应用层 c a n o p e n 协议 数据链路层 逻辑链路控制子层 报文接收滤波； 总线过载提示； 总线错误管理； 媒体访问控制子层 数据打包解包； 帧编码( 填充、消 除填充) ； 媒体访问管理： 错误检测； 应答； 并行、串行转并换 物理层 位编解码； 位定时； 位同步； 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图2 5i s o o s i 七层协议与c a n 网络三层协议比较 c a n 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线 的联系，保证总线上的其它操作不受影响。c a n 是一种多主总线，即每个节点 机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信，网络上任意节点均可以在任意 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 时刻主动地向总线上其它节点发送信息，可以点对点、一点对多点及全局广播 集中方式传送和接受数据；c a n 总线提供高速数据传送，通信介质可以是双绞 线、同轴电缆或光导纤维，在短距离( 4 0 m ) 条件下具有高速( 1 m b i t s ) 数据传输能 力，而在最大距离1 0 0 0 0 m 时具有低速( 5 k b i t s ) 传输能力。c a n 总线采用不归 零码( n r z n o n r e t u r n t o z e r o ) 编码、解码方式，并采用位填充( 插入) 技术， 增加了总线的抗干扰能力，适应汽车恶劣的电磁环境。 图2 5 比较了c a n 网络与国际标准组织i s o ( i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o n o r g a n i z a t i o n ) 提出的o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) t f 放互联系统的七层协议 不同之处。 2 3 总线方案的确定 车载网络可分为驱动控制网络和车身舒适控制网络，一般情况下，c a n 协 议用于驱动控制网络，l i n 协议用于车身舒适控制网络【1 0 l 。 相对于高速c a n 网络，l i n 网络的节点开发技术门槛不高。l i n 瞄准一些 低端应用，在这些应用中每个节点的通信成本尽可能低于c a n 而且不需要c a n 的高性能、高带宽和多功能。u n 相对于c a n 的成本节省主要是由于采用单线 传输、控制芯片的硬件低实现成本和无需在从属节点中使用晶体振荡器。普通 c a n 节点的成本大约在人民币2 0 3 0 元，对于关键部件此价格还会成倍增加。 于是在车灯，车门，车窗等部件的控制方面，引入了u n 总线，总线速率和可 靠性不及c a n 总线，但是整车成本可以得到减少。 因此，在本课题中，整车车身控制均采用l i n 总线，组成l i n 总线网络， 并使用2 0 0 6 年u n 联盟通过的v 2 1 规范。 1 2 武汉理一i ：大学硕士学位论文 第3 章车身控制网络的结构和控制方案 本章在详细分析了汽车车身控制对象的特点后，设计了车身控制网络的结 构和控制方案。车身控制网络由中央控制单元和5 条l i n 总线组成，5 条总线 通过中央控制单元实现信息共享，然后针对5 条总线控制对象的特点，设计了 合理的控制方案。 3 1 车身控制网络的结构 车身控制网络控制的对象有车灯群、雨刮、车门、车窗、无线遥控设备、 座椅等设备【1 1 1 2 ，1 3 】。这些设备功能独立，几乎不会出现功能交叉的两种设备。 同样功能的控制对象在总线的通信行为一样，可以充分利用l i n 总线提供的报 文帧群发，群接收完成。因此在设计总线时，尽量使功能一致的节点接入到同 一条l i n 总线。其次，如果一条l i n 总线的节点数目很多，主节点的软件设计 将会很复杂，例如进程调度表的设计将很困难。基于此两点原因，本文设计的 车身控制网络由5 条l i n 总线组成，分别是车灯雨刮控制、车门车窗控制、无 线遥控设备控制、座椅控制、车顶灯控制l i n 总线。 在车灯雨刮控制l i n 总线中，本文把四个车灯群的控制l i n 从节点接入同 一条l i n 控制总线。雨刮控制从节点在控制距离上和车灯控制l i n 总线最接近， 所以把雨刮控制节点接入车灯控制u n 总线，与车灯控制节点一起组成车灯雨 刮控制l i n 总线。 对于车门车窗控制l i n 总线，本文设计的车型是两个车门的车型，每个车 门安装有前后两个车窗，车门与车窗控制节点的距离最接近，左右车门控制节 点、每个车门的两个车窗控制节点一起构成了车门车窗控制l i n 总线。 无线遥控设备控制l i n 总线实现的功能是接收远距离控制车门锁开关的指 令。功能较为单一，所以设计独立燃l i n 控制总线用于无线遥控设备的控制。 座椅控制l i n 总线实现的功能是调节座椅的位置，给座椅加热，显示座椅 的位置【1 4 1 。四个方向控制从节点，加热控制从节点，座椅位置传感器节点共同 组成座椅控制l i n 总线。 车顶灯控制l i n 总线独立设计成一条l i n 总线，没有接入车前后灯控制 u n 总线是因为在某些车型中，车顶灯是可选配置。在u n 主节点的软件设计 1 3 武汉理工火学硕十学位论文 时，把车顶灯接入或不接入到车灯控制l i n 总线会遇到问题。由于l i n 进程调 度表需要修改，按入车顶灯时主节点对应一个软件版本，不接入车顶灯时主节 点对应另一个软件版本，影响实际生产，所以车项灯控制独立运行于一条u n 总线。 5 条l i n 总线的主节点与中央控制单元集成在一起。中央控制单元提供控 制开关接口，用于控制车身系统的对象；同时中央控制单元提供车身网络的自 诊断接口，为车身节点故障定位提供服务【1 5 l 。图3 - 1 所示是车身控制网络结构 组成示意图。 图3 - 1 车身控制l i n 网络的组成示意图 中央控制单元是位于仪表盘下方的设备，中央控制单元连接有带显示功能 的开关阵列，分布在驾驶仪表盘的周围，实现司乘人员集中控制和监控车内各 个设备的工作状态【1 6 】，包括：车灯控制开关阵列，车门车窗控制开关阵列，座 椅方向控制和加热开关控制阵列。中央控制单元的微控制器( m c u ) 用于扫描开 关阵列的状态，一旦有开关按下，m c u 根据按键的控制对象，向不同的l i n 1 4 武汉理工_ 人学硕士学位论文 控制总线主节点发送消息。 由于l i nv 2 1 规范支持l i n 从节点的工作状态和错误反馈。在从机任务中， u n 从节点可以发把工作状态和错误反馈给u n 主节点。 中央控制单元时刻收集来自5 条u n 总线主节点的诊断信息，把信息译码 后，显示各个节点的工作状态旧。它也具有自诊断接口，能够把各个节点的工 作状态和错误信息通过自诊断接口输出到专用诊断设备，诊断设备会解释每条 诊断信息帧的具体含义，把汽车舒适系统的各部件状态以简便易懂的形式告知 维修人员，便于故障定位和维修。 3 2 车身控制网络的控制方案 3 2 1 车灯雨刮总线控制方案 对于一般轿车，车灯可分为：左右前灯群、左右后灯群、车顶灯群。其中 左右前灯群包括：大灯、转向灯、雾灯；左右后灯群包括：转向灯、驻车灯、 尾灯、倒车灯、雾灯；车顶灯群由左右项灯组成。这些灯由4 个l i n 从节点控 制，4 个u n 从节点控制4 组灯群：左前l i n 节点控制左前大灯、左前转向灯、 左前雾灯；右前l i n 节点控制右前大灯、右前转向灯、右前雾灯；左后l i n 节 点控制左后转向灯、左后驻车灯、左后尾灯、左后倒车灯、左后雾灯；右后l i n 节点控制右后转向灯、右后驻车灯、右后尾灯、右后倒车灯、右后雾灯。如图 3 2 所示，这四个节点都连接在一条l i n 总线上，与雨刮l i n 从节点共享一条 u n 总线。 车灯控制可以选择自动控制或手动控制两种方式。在仪表板上，可以选择 武汉理工大学硕士学位论文 自动模式控制车灯，也可以选择手动模式控制车灯系统。手动控制时，手动开 关状态的改变被中央控制单元检测到以后，通过l i n 总线的主节点向l i n 从节 点发送车灯控制指令。车灯控制l i n 从节点只是执行设备，车灯l i n 节点接收 到报文后，做出相应动作：打开车灯，或者关闭车灯，或者以间隔不同时问闪 烁打开车灯。 车灯自动控制的关键部件是光线探测传感器，它向车灯控制u n 主节点提 供外界光线亮度值。当光束透过挡风玻璃进入，感光器内的光敏电阻阻值随着 感光强度的变化而变化。电信号输入到u n 总线的主节点，经过判断后，根据 车灯控制方案，向l i n 总线发送相应的l i n 报文帧，车灯控制u n 从节点接收 到l i n 报文帧，控制各灯光电路的工作。 车灯的自动控制方案为：白天时，光线亮度传感器探测的光线亮度由l i n 主节点的m c u 模数转换后，与设定的阀值比较，向l i n 灯光控制从节点发出 各种灯光均熄灭报文帧；黄昏时，由于外面的光线昏暗，将尾灯和驻车灯点亮： 夜晚时，由于外面的光线更弱，将远光灯点亮，并将驻车灯熄灭；两车交会车 时，为了避免对方驾驶人员眩目，会使近光灯点亮，会车后，将近光灯熄灭， 点亮远光灯；夜晚模式下，车辆左转，关远光灯，开近光灯和左侧灯，左转后， 关近光灯和左侧灯，开远光灯；右转时，控制方法相似。如果车于危急状态， l i n 主节点会向l i n 总线发送报警控制信号，所有灯处于闪烁状态【1 8 】。 构造l i n 控制总线是进行l i n 网络设计和仿真的基础【1 9 】。在仿真软件 c a n o e7 0 中，设计了如图3 3 所示的车灯控制l i n 总线。在仿真软件中，取 每一组灯群中的一种灯进行控制。u n 总线有5 个l i n 从节点，分别是：右前 车灯控制i ) l fr i g 从节点、左前车灯控制d l fl e f t 从节点、右后车灯控制 d l r 从节点、左后车灯控制从节点、雨刮从节点，与一个rig d l rl e f tw w s l i n 主节点g w e 一起组成了车灯雨刮控制l i n 总线。雨刮从节点w w s 将在 3 2 2 节中描述。 1 6 武汉理i 。人学硕十学位论