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车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 摘要 随着汽车电子业的迅速发展，车身总线技术得到广泛的应用。特别是l i n 总线和 c a n 总线已分别发展为a 类和b 类总线的主流，已在国际上被众多汽车制造商所推 崇。虽然这两种总线在国产汽车上的应用还尚属起步，但与国际发展接轨已成必然趋 势。另一方面，汽车附属产品亦大行其道，尤以车辆监控系统表现最为突出。随着车 身总线在汽车上的大力发展，将总线技术应用在车辆监控系统车载终端中，使车体与 终端更好的结合，从而保证系统运行的稳定性、可靠性，将是顺应市场发展的必然结 果。 本设计的主要目的是研究c a n l i n 混合网络在车载移动终端中的应用，该终端 以l i n 总线方式获取传感器执行器数据，基于g p s 定位、g p r s g s m 数传，除实现 对车辆的监控管理调度，更兼具行驶记录仪功能，利用c a n 总线实现汽车智能控制。 但由于实验室实验条件有限，本设计是利用对汽车环境的简单模拟进行的实验性研 究。 本文以总线为核心，分两部分详细阐述了本系统的结构，介绍了系统的硬件设计 和软件设计的实现。文章共分为六部分，其内容介绍如下： 第一章 绪论：阐述了国内外汽车电子技术的发展状况和趋势，介绍了车载移动终 端的发展，较为详细地介绍了c a n 总线和l i n 总线的发展历史和应用现状。 第二章c a n 协议规范：本章详细给出了c a n 总线协议规范。首先给出了c a n 协 议中的一些基本概念；然后具体地阐述了c a n 报文的组成格式、收发机制、 仲裁机制、报文滤波、错误处理以及位定时的内容。 第三章l i n 协议规范：本章详细给出了l i n 总线协议规范。首先给出了l i n 协 议中的一些基本概念；然后具体地阐述了l i n 报文的组成格式、收发机制、 报文滤波、错误处理以及位定时的内容。 第四章 车载移动终端的硬件设计本章详细给出了基于c a n l i n 总线混合网络的 车载移动终端的硬件设计，是本文工作的一个重点。首先给出了移动终端 的功能需求分析，然后根据系统功能分析提出了系统的解决方案，选择了 相关的功能芯片，并进行c a n l i n 主从节点的硬件电路板设计。 第五章 车载移动终端的软件设计本章详细给出了基于c a n l i n 总线混合网络的 汽车车载移动终端的软件设计，是本文工作的又一重点。首先，分别详细 地阐述了c a n 、l i n 总线网络与应用程序之间的接口a p i 的软件实现方法， 分别详细给出了c a n 、l i n 报文接收、发送的处理机制及工作框图。然后， 给出了本次设计中c a n l i n 主从节点的程序整体流程框图，并详细给出 了移动终端工作程序的总流程图。最后，得出结论，给出了系统实现的全 部功能。 第六章 总结与完善对本文的研究工作做出了全面的总结，并提出了进一步完善 方案。 关键字：c a n 总线、l i n 总线、车载终端、c a n l i n 网关 d e s i g no fm o b i l et e r m i n a lo fv e h i c l em o n i t o r i n gb a s e do n t e c h n o l o g yo fb o d yb u s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ef i e l do ft h ea u t o m o b i l ee l e c t r o n i c ，t h e t e c h n o l o g yo fb o d yb u si sa p p l i e dw i d e l y l i nb u sa n dc a nb u sh a v e b e e n d e v e l o p e di n t ot h em a i n s t r e a mo fc l a s sa a n dbb u ss t a n d a r d ，a n da r eh i g hp r a i s e d b ym a n yc a r m a k e r s t oc o n n e c tw i t hi n t e m a t i o n a ll e v e li si n e v i t a b l e ，t h o u g hi ti ss t i l l u n d e r w a yt oa p p l yt h eb u st e c h n o l o g yo nh o m e m a d ec a r s o nt h eo t h e rh a n d ， a p p e n d a n tp r o d u c t s o fa u t o m o b i l ea r ed e v e l o p i n g r a p i d l y ，s u c h a sv e h i c l e m o n i t o r i n g i ti s i n e v i t a b l et oi n t e g r a t et h et e c h n o l o g yo fb o d yb u si n t om o b i l e t e r m i n a lo fv e h i c l em o n i t o r i n gt om a k et h es y s t e mm o r es t a b l ea n dr e l i a b l e i t sd e s i g no fm o b i l et e r m i n a lo fv e h i c l em o n i t o r i n gb a s e do nc a n l i nn e t t h i s t e r m i n a lb a s e do ng p s g p r s g s mc a nu s el i nb u st og e td a t ao fs e n s o r so r a c t u a t o r s ，a n du s ec a n b u st or e a l i z ei n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 i tn o to n l yc a nm o n i t o ra n d d i s p a t c ht h ev e h i c l e ，b u ta l s oc a nf u n c t i o na sv t d r ( v e h i c l et r a v e l i n gd a t a r e c o r d e r ) a sr e s t r i c t e db yt h ec o n d i t i o n ，i t so n l yas i m u l a t e de x p e r i m e n tr e s e a r c h t h et h e s i si sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r s ： i nc h a p t e ro n e ，i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo ft h e a u t o m o b i l e e l e c t r o n i ca n dt h em o b i l et e r m i n a lo fv e h i c l e m o n i t o r i n g ，a n de x p o u n d st h e f o u n d a t i o na n da p p l i c a t i o no fc a nb u s a n dl i nb u s i nc h a p t e rt w o ，e x p o u n d st h ep r o t o c o ls p e c i f i c a t i o no fc a nb u s ，i n c l u d e ss o m e c a ng l o s s a r y , t h em e s s a g es t r u c t u r e ，t h ew o r kf l o wc o n c e p ta n do t h e rw o r k m a c h i n e i nc h a p t e rt h r e e ，e x p o u n d st h el a t e s tl i ns p e c i f i c a t i o np a c k a g er e v i s i o n2 0 ， i n c l u d e ss o m el ing l o s s a r y ，t h ef r a m es t r u c t u r e ，t h ew o r kf l o wc o n c e p t ，d i a g n o s t i c a n dc o n f i g u r a t i o ns p e c i f i c a t i o n ，a n do t h e rw o r km a c h i n e i n c h a p t e rf o u r , d e s c r i b e sh a r d w a r es y s t e mo ft h ed e s i g n ，w h i c h i so n e e m p h a s i so ft h i st h e s i s i tp r e s e n t st h et y p eo ft h ec h i p ss e l e c t e da n dt h es c h e d u l e s o fe v e r yi m p o r t a n tm o d e l i nc h a p t e rf i v e ，d e s c n b e ss o f t w a r es y s t e mo ft h ed e s i g n ，w h i c hi st h eo t h e r e m p h a s i so ft h i st h e s i s i te x p o u n d st h ea p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) o fl i n b u s ，a n dp r e s e n t st h ef l o wc h a r 【o fe v e r yi m p o r t a n tm o d e la n dt h ew h o l es y s t e m i nc h a p t e rs i x ，s u m m a r i z e st h ew h o l et h e s i s a n dg i v e se x p e c t i o n sf o rf u r t h e r r e s e a r c h k e yw o r d s ：c a nb u s ，l i nb u s ，m o b i l et e r m i n a l ，c a n l i ng a t e v 独创声明 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，也不包含未获得 ( 注；地退直基他盂噩挂型座盟 笪! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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 触 签字日期：2 0 0 6 年5 月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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。本人授权学校可以将学 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 分数 新签字剖琳 签字日期：) 口o f 年多月土罗日签字日期：如f 年上月玎日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 1 1引言 第一章绪论 汽车是现代化高速发展社会中人们普遍使用的交通工具，也是技术密集和资本密 集的工业产品。世界上近乎所有的经济强国都是以汽车产业作为国民经济支柱产业 的。几乎所有的现代化科学技术都能在汽车技术中体现出来，当今世界上汽车技术是 衡量一个国家的科技水平的主要标志【3 3 】。 2 0 世纪9 0 年代以来，汽车上的电控装置越来越多，例如电子燃油喷射装置、防 抱死制动装置( a b s ) 、电控自动变速器、安全气囊装置、电动门窗装置、主动悬架 等【2 1 。随着继承电路和单片机在汽车上的广泛应用，汽车上的电子控制器的数量越来 越多，导致车身布线庞大而且复杂，安装空问紧缺，运行可靠性降低，故障维修难度 增大。传统的点对点的单一通信方式，已远不能满足这种需求。 为了解决这些问题，自1 9 8 0 年起，众多国际知名汽车公司开始积极致力于汽车 车载网络技术的研究及应用，各种总线协议应运而生。迄今为止，已有b o s c h 的c a n 、 s a e 的j 1 8 5 0 、i s o 的v a n 、p h i l i p s 的d 2 b 、l i n 协会的l i n 等多种网络标准。为 方便研究和设计使用，美国汽车工程师协会( s a e ) 将汽车网络根据速率划分为a ，b ， c 三类。其中，a 类主要面向传感器执行器控制的低速网络，b 类主要面向独立模 块间数据共享的中速网络，c 类主要面向高速、实时闭环控制的多路传输网。 现今，c a n 总线凭借其突出的可靠性、实时性和灵活性仍然占据b 类和c 类总 线协议的主流地位。而近年来，作为c a n 总线的辅助总线网络出现的l i n 总线是一 种低成本的串行通讯总线网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。目前在国际 上，l i n 总线技术虽然还处于起步阶段，但它已经广泛地被世界上的大多数汽车公司 以及零配件厂商所接受，具有很广阔的应用前景，有望成为事实上的a 类网络标准， 是国内外汽车电子领域研究的热点之一，也是本文研究的主要内容。 1 2车载移动终端的发展状况 随着经济的迅速发展，生活水平日益提高，各种机动车辆也急剧增加，导致城市 交通和城市车辆管理之间的矛盾日益增加，如高峰时间堵车、车辆被盗、物流货运车 辆运营载货系数低、交通事故、车辆出险后不能及时反馈、骗保险等问题。据有关部 门统计交通事故的8 0 - 9 0 都是非规范驾驶、超速行驶、强行超车造成的。同时许多 交通事故由于无任何行驶记录、而造成事故责任无法确定。另外据英国有关方面统计， 英国人驾驶车辆在道上平均行驶的路程大约为每年1 9 万公里，而其中有3 0 的数字 车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 累积是走错了路。交通和车辆管理渐渐成为人们日常生活和政府管理部门的主要问题 ( 4 2 1 。 2 0 世纪7 0 年代后期，欧洲率先推出了机电模拟式驾驶记录仪。2 0 世纪9 0 年代 初，美国和德国又开发了数字式汽车事故记录仪( 亦称汽车黑匣子) 用以监督驾驶员的 超进和超速驾驶行为。由于汽车黑匣子能真实记录事故过程中驾驶员的操作和汽车运 行情况，因而它既可作为事故分析依据，同时也是考核驾驶员违规操作的重要监督手 段。由于这种“监督”、“见证”的功能大大提高了驾驶员的安全责任感，从而大幅 度降低了事故率。据德t t s 、比利时w e s t b e lg l u m 公司使用汽车黑匣子前后事 故率统计情况表明，事故率比没装前降低了3 4 一5 3 。 欧共体( e e c ) 早在1 0 多年前就有法规( 3 8 2 0 8 5 ) 规定，重型车辆( 载客8 人以上， 载货3 5 t 以上) 必须安装汽车记录仪。据报道，欧共体己立法规定其1 5 个成员国必 须在期限内为9 0 0 万辆的商用车辆装上汽车黑匣子。 在美国，主管交通安全的国家安全委员会( n t s b ) 一直在致力于推广汽车黑匣子的 工作。三年前n t s b 正式要求各汽车生产厂家安装黑匣子，通用、福特等汽车公司纷 纷行动。据报道，仅通用一家公司就为6 0 0 万辆出厂车安装了黑匣子。 马来西亚和新加坡正式立法，要求长途巴士等客运车辆在2 0 0 1 年9 月底前必须 装用黑匣子，其它商用车也要限期安装。同样，在日本、南美、东南亚和香港等国家 和地区，也不断有使用汽车黑匣子的报道。 在我国，目前已有一些公司开发出了数字式汽车记录仪。其中北京伟航新技术开 发有限公司是首批从事汽车黑匣子开发研制的企业，其开发的i b b 系列数字式汽车记 录仪，先后经公安部、电子部、广电部、航空工业总公司等权威部门检测合格，并已 投入使用【4 ”。 国内外的使用情况表明，记录仪为国家行政管理部门提供了有效的执法工具、为 道路运输企业提供了管理工具、为驾驶员提供了其驾驶活动的反馈信息，其使用对保 障道路交通安全起到了直接的作用。2 0 0 4 年5 月1 日起施行的中华人民共和国道 路交通安全法实施条例已明确规定用于公路营运的载客汽车、重型载货汽车、半挂 牵引车应当安装、使用符合国家标准的行驶记录仪。汽车行驶记录仪已经开始与其它 电子系统( 如g p s 定位、通讯、报警、测重、测温、故障诊断等) 相结合，向大容量、 模块化、系统化、数据无线传输和数据集成处理的方向发展，形成现在的车辆监控系 统。目前，市场上已有众多产品出现，但大部分系统除了行驶记录的功能需符合汽 车行驶记录仪国家标准外，其他性能及功能参差不齐、种类繁杂，尤其在数据获取 方面没有统一的完备规则，稳定性无法保证。在车载新型传感器不断涌现、功能需求 ： 一 ：字 鐾一 车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 不断更新的今天，传统的设计将会更加加大布线的冗繁度，增加系统的不稳定性。 随着汽车电子业的发展，在车载网络大行其道的今天，将c a n l i n 总线技术与 车载移动终端相结合，将会使车载移动终端与车体更好的结合，增强系统的稳定性， 使数据获取有统一的规范。这也是本文的研究内容。 1 3c a n 总线 1 9 8 6 年2 月在s a e ( 汽车工程人员协会) 大会上，德国b o s c h 公司首次提出了 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，即控制器局域网) 总线。这个由b o s c h 公司设计的新 的总线系统，称之为“a u t o m o t i v es e r i a lc o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ”( 汽车串行控制器 局域网) ，这是一个最成功的网络协议。今天，几乎所有的欧产新轿车都至少装配有一 个c a n 网络系统。 由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而扩展到 了机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感 器等领域发展。c a n 已经形成国际标准，看并已被公认为几种最有前途的现场总线 之一。 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、实时性和灵活性。其特点可概括如下：”? c a n 总线是目前为止惟一有国际标准的现场总线。 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。 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。 c a n 总线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出现冲 突时，优先级较低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。尤其在网络负载很 重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况。 c a n 节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局 广播等几种方式发送接收数据。 c a n 的直接通信距离最远可达1o k m ( 速率5 k b p s 以下) ：通信速率最高可 达1m k b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 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。在标准帧报文 车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 标识符有11 位，而在扩展帧的报文标识符( 2 9 位) 的个数几乎不受限制。 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。 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。 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。 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 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 总线在汽车电子系统中得到广泛应用，已成为欧洲汽车制造业的主体行业 标准，代表着汽车电子控制网络的主流发展趋势。现代汽车越来越多地采用电子装置 控制，例如发动机的定时注油控制，加速、刹车控制及防抱死刹车系统( a b s ) 等。世 界上很多著名的汽车制造厂商，如v o l k s w a g e n ( 大众) 、b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝马) 、 p o r s c h e ( 保时捷) 、r o l l s - r o y c e ( 劳斯莱斯) 、j a g u a r ( 美洲豹) 等都已经采用c a n 总线 来实现汽车内部控制系统的数据通信阱j 【”。 1 4l 总线 面对汽车中数目日益增长的电子模块之间的通信要求，c a n 总线有着独特的优 势和良好的表现。但是随着汽车中所实现的节点数的持续增加，c a n 网络通信( 特别 是低层设备间的通信) 的复杂性也随之增加，同时保持最低成本的要求使得c a n 总线 在性能要求不高的情况下显示了一些不尽如人意的地方，在这种情况下由b m w 、 v o l k s w a g e n 、a u d i 、v o l v o 、d a i m l e r - c h r y s l e r 、m o t o r o l a 、v c t 等公司成立的l i n 协会，提出了l i n 总线规范。 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 ) 本地互联网，是一种低成本的串行通信网络，主 要是针对低端、低速应用而生，它有效地支持汽车应用中分布式机械电子节点的控制。 l i n 网络标准是对已经存在针对中等速度应用的c a n ，高速数据速率的面向媒体的系 统传输( m o s t ) 以及安全关键的线控驾驶和线控刹车等应用f l e x r a y 的补充。对于 不需要c a n 总线提供的带宽和强大功能的智能传感器和传动装置，l i n 提供了有效 的通信手段。典型应用包括车门窗控制( 车窗、门锁以及后视镜) 、座椅、空调装置、 灯光以及雨刷传感器等。在汽车领域之外，l i n 作为c a n 的子总线用于机器控制。 l i n 总线的出现使得人们可以采用更低成本的解决方案来补充汽车高端c a n 总线的 不足。 车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 2 0 0 3 年9 月，l i n 协议规范已经由最初的v 1 0 版本发展到v 2 0 版本，规范内 容已基本成熟，各大半导体厂商和相应的技术支持方所推出的l i n 总线产品也是层出 不穷，更加显示了l i n 总线的强大生命力和广阔的发展前景。 l i n 技术规范中，除定义了基本协议和物理层外，还定义了应用程序接口a p i 。 l i n 通讯是基于s c i ( u a r t ) 数据格式，采用单主控制器，多从设备的模式，仅使用一 根1 2 v 信号线。 这种低成本的串行通讯模式和相应的开发环境已经由l i n 协会制定成标准。l i n 的标准化将为汽车制造商以及供应商在研发、应用、操作系统降低成本。 l i n 的主要特性可概括为如下几点： 低成本，基于通用u a r t 接口，几乎所有微控制器都具备l i n 必需的硬件； 仅有的一根信号线即可实现国际标准i s 0 9 1 4 1 规定： 传输速率最高可达2 0 k b i “s ： 单主控器，多从设备模式，无需仲裁机制： b 从节点不需晶振或陶瓷震荡器就能实现自同步，节省了从设备的硬件成本； 具有确定性的信号传输： 不需要改变l i n 从节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点； 通常一个l i n 网络上节点数目小于1 2 个，共有6 4 个标志符。 典型的l i 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、湿度传感器等。对于这些成本比较敏感的单元，l i n 总线可以使那些机械元 件，如智能传感器、制动器或光敏器件得到较广泛的使用。这些元件可以很容易的连 接到汽车网络中，并得到十分方便的维护和服务。在l i n 实现的系统中，通常将模拟 信号量用数字信号量所替换，这将使总线性能优化。 l i n 最初的设计目的是用于汽车电子控制系统，但l i n 也可广泛应用于工业自动 化传感器总线、大众消费电子产品如洗衣机、冰箱中【1 】【1 9 】【2 0 】【3 3 1 。 1 5 本设计研究的主要内容 本设计主要是研究c a n l i n 混合网络在车载移动终端中的应用，该终端以l i n 总线方式获取传感器，执行器数据，基于g p s 定位、g p r s g s m 数传，除实现对车 辆的监控管理调度，更兼具行驶记录仪功能，利用c a n 总线实现汽车智能控制。但 车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 由于实验室实验条件有限，本设计是利用对汽车环境的简单模拟进行的实验性研究。 全文共分六章，主要研究工作及章节如下： 第一章绪论阐述了国内外汽车电子技术的发展状况和趋势，介绍了车载移动 终端的发展，较为详细地介绍了c a n 总线和l i n 总线的发展历史和应 用现状。 第二章c a n2 o 协议规范本章详细给出了c a n 总线协议规范。首先给出了 c a n 协议中的一些基本概念；然后具体阐述了c a n 报文的组成格式、 收发机制、仲裁机制、报文滤波、错误处理以及位定时的内容。 第三章l i nv 2 0 协议规范本章详细给出了l i n 总线协议规范。首先给出了 l i n 协议中的一些基本概念：然后具体地阐述了l i n 报文的组成格式、 收发机制、报文滤波、错误处理以及位定时的内容。 第四章硬件设计本章详细给出了基于c a n l i n 总线混合网络的车载移动终 端的硬件设计，是本文工作的一个重点。首先给出了移动终端的功能需 求分析，然后根据系统功能分析提出了系统的解决方案，选择了相关的 功能芯片，并进行c a n l i n 主从节点的硬件电路板设计。 第五章软件设计本章详细给出了基于c a n l i n 总线混合网络的汽车车载移 动终端的软件设计，是本文工作的又一重点。首先，分别详细地阐述了 c a n 、l i n 总线网络与应用程序之间的接口a p i 的软件实现方法，分别 详细给出了c a n 、l i n 报文接收、发送的处理机制及工作框图。然后， 给出了本次设计中c a n l t n 主从节点的程序整体流程框图，并详细给 出了移动终端工作程序的总流程图。最后，得出结论，给出了系统实现 的全部功能。 第六章总结与完善对本文的研究工作做出了全面的总结，并提出了进一步完 善方案。 6 车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 2 1 介绍 第二章c a n2 0 协议规范 c a n 是8 0 年代初德国b o s c h 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。c a n 是一种基于广播通讯机制的 协议，这种机制通过使用一种面向消息的传输协议来实现。在这种协议下，不定义具 体的站点和站点地址，只定义消息。而通过消息标识符来区别不同的消息。这种消息 标识符在整个网络中是唯一的，它不但定义了消息的内容，也定义了消息的优先级。 优先级在多节点争用总线式将决定哪个节点获得总线的控制。由于使用了这种面向内 容的编址方式，基于c a n 的系统往往在组成和配置上具有较高的适应性。这体现在， 很容易向一个c a n 网络中添加一个节点，当这一节点仅作为接收者时甚至不需要对 已有的节点的软硬件做任何的改动。这使得可以在c a n 系统中实现标准模块的概念， 也使得可以在c a n 系统中容易的实现分布式过程的多接收和同步：数个节点都需要 的信息可以一次就实现传输。这种方式下，不需要让每个节点知道数据的产生者是谁。 由于数据传输不依靠于特定类型的节点，很容易实现c a n 网络的升级。 。 经过多次修订，p h i l i p s 于1 9 9 1 年9 月发布了c a n 技术规范2 o 版本。该版本 包括2 ，0 a 和2 0 b 两部分。其中2 0 a 主要是对c a n 的报文格式的说明，2 0 b 主要 是对标准格式和扩展格式的说明。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了高速通信盎制 局域网( c a n ) 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路 2 1 蚓。 2 2 c a n 的参考模型 c a n 遵循i s o o s i 标准模型，定义了o s i 模型的数据链路层( 包括逻辑链路控制 子层l l c 和媒体访问子层m a c ) 和物理层。图2 1 所示为c a n 的分层体系结构。 ( 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，接收器特性，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( d a t al i n kl a y e r ) 含以下两个子层： 介质访问控制子层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 tc 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 车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 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 ( 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【1 2 1 【2 1 】【3 4 】。 图2 1c a n 的i s o o s i 参考模型的层结构 2 3c a n 的报文传输 2 3 1c a n 总线的位数值表示 c a n 总线上用“显性”( d o m 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“0 ”) 。如图2 2 所示，v c a n h 和v c a n l 为c a n 总线 收发器与总线之间的两接1 3 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 h 和v c a n - l 被固定在平均电压电平附近，v 晰近似于0 。在总线空闲或 隐性位期间，发送隐性位。显性位以大于最小阈值的差分电压表示。 车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 v 时日j t 图2 2 总线位的数值表示 2 32c a n 总线的报文帧结构 有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同：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 支持四种类型的报文帧：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧 数据帧( d a t af r a m e ) ：数据帧将数据从发送器传输到接收器，如图2 3 它由 以下7 个不同的位域( b i tf i e l d ) 组成：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 af 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 ) 、帧结尾( e n do ff r a m e ) 。数据域的 长度可以为0 。 帧起始：标志数据帧和远程帧的开始，它仅由一个“显性”位构成，只 有在总线处于空闲状态时，才允许开始发送。所有站必须同步于首先开 始发送的那个站的帧起始前沿。 仲裁域：在标准格式中，仲裁域由1 1 位标识符和r t r 位组成；在扩展 格式中，仲裁域由2 9 位标识符和s r r 位、标识位以及r t r 位组成。 r t r 位( 远程传输请求位) ：在数据帧中，r t r 位必须是“显性”电平， 而在远程帧中，r t r 位必须是“隐性”电平。 s r r 位( 替代远程请求位) ：在扩展格式中始终为“隐性”位。 i d e 位( 标识符扩展位) ：i d e 位对于扩展格式属于仲裁域；对于标准格 式属于控制域。i d e 在标准格式中为“显性”电平，而在扩展格式中为 “隐性”电平。 车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 控制域：由6 位组成。在标准格式中，一个信息帧中包括d l c 、发送“显 性”电平的i d e 位和保留位r 0 。在扩展格式中，一个信息帧包括d l c 和两个保留位r 1 和r 0 ，这两个位必须发送“显性”电平。 d l c ( 数据长度码) ：数据域的字节数目由数据长度码给出( 数据长度码 为4 位，在控制场中被发送。 数据域：由数据帧中被发送的数据组成，可包括0 到8 个字节。 c r c 域：包括c r c 序列和c r c 界定符。 应答域：包括两位，即应答间隙和应答界定符。在应答域中发送站送出 两个“隐性”位。一个正确接收到有效报文的接收器，在应答间隙期间， 将此信息通过传送一个“显性”位报告给发送器。所有接收到匹配c r c 序列的站，通过在应答间隙内把“显性”位写入发送器的“隐性”位来 报告。应答界定符是应答域的第二位，并且必须是“隐性”位。 帧结束：每个数据帧和远程帧均由7 个“隐性”位组成的标志序列界定。 ： 墼塑堕 一 萎占i 卜盟l 型生斗塑型。肖i 饕 帧 匹 保保 数据长 数据肛8 - s 十 界间界 起1 1 位水识符 程 留留 定隙定 帧结束 请 度码 个字节 抬 求 位位 符符 a 标准格式数据帧结构 ： 墼堡塑 一 篓孑 卜堕l 型生斗塑砷型_ | 攀i 篓占 替标 匹 保保 界 间界帧 1 1 位 1 8 位 程数据长 数据o 8代识 留留 1 5 位 定隙定 帧结束 起 标识符 远符 标识符 请 度码 个字节 抬 程扩 求 位位 符符 b 扩展格式数据帧结构 图2 3 数据帧结构 远程帧：接收数据的节点可以通过发送远程帧要求源节点发送数据。它由6 个域组成：帧起始、仲裁域、控制域、c r c 域、应答域和帧结束。它没有数据 域，其r t r 位为“隐性”电平。 车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 出错帧：出错帧由错误标志和错误界定符两个域组成。接收节点发现总线上 的报文有错误时，将自动发出“活动错误标志”，它是6 个连续的“显性”位。 其他节点检测到活动错误标志后发送“错误认可标志”，它由6 个连续的“隐 性”位组成。由于各个接收节点发现错误的时间可能不同，所以总线上实际 的错误标志可能由6 到1 2 个“显性”位组成。错误界定符由8 个“隐性”位 组成。当错误标志发生后，每一个c a n 节点监视总线，直至检测到一个“显 性”电平的跳变。此时表示所有的节点已经完成了错误标志的发送，并开始 发送8 个“隐性”电平的界定符。 过载帧：过载帧包括两个位域：t 过载标志和过载界定符。存在三种导致发送 过载标志的过载条件类型：一是要求延迟下一个数据帧或远程帧的接收器的 内部条件，二是在间歇域的第一和第二位上检测到“显性”位，三是如果c a n 节点在错误界定符或过载界定符的第8 位采样到一个显性位，节点会发送一 个过载帧。过载标志由6 个“显性”位组成，超载界定符由8 个连续的“隐 性”位组成【1 2 1 【2 1 】f 3 4 】【3 5 】。 2 3 3c a n 的通信机制 2 3 3 1c a n 的位仲裁技术 c a n 总线使用的是一种叫做“载波检测，多主掌控，冲突避免”( c s m a c a ) 的” 通信模式。当总线空闲时呈隐性电平，此时任何一个节点都可以向总线发送一个显性 电平作为一个帧的开始。如果有两个或两个以上的节点同时发送，就会产生竞争，这 时，c a n 总线就会按位对标识符进行仲裁。各发送节点再向总线发送电平的同时， 也对总线上的电平进行读取，并与自身发送的电平进行比较，如果电平相同则继续发 送下一位，不同则停止发送，退出总线竞争。剩余的节点则继续上述过程，直到总线 上只剩下一个节点发送的电平，总线竞争结束，优先级最高的节点获得了总线的使用 权。报文的优先级结合在标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这 种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。 如图2 4 为三个节点同时发送信息帧竞争总线的情况【13 】【2 1 】【洲。从图中可以看出， 在标识符的第5 位处，节点1 和节点3 为显性电平，而节点2 为隐性电平：根据“线 与”机制，此时总线为“显性”电平，节点2 发送“隐性”电平却检测到“显性”电 平，于是节点2 丢失总线仲裁，立刻变为“只听”模式，并且开始发送隐性位：同理， 在数据第2 位处，节点1 将丢失仲裁，变为“只听”模式。通过这种方式，优先权高 的节点3 最终赢得总线仲裁并且开始发送数据。 车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 节点1 节点2 节点3 总线电平 o、 o1t控制域数据域 f09876543210 r 。_ l 一 i 霹爨鼎臻瓣飘；i 塑! 璧蠹爨飘黑嘲翳鹦 濯曜凌麓圈l 墨望塑查霪慧辫鼹霭i 目l 烈 隐性 _ 一 显性 图2 4 三个节点同时发送信息帧竞争总线的情况 2 3 3 2c a n 的位填充技术 c a n 总线中采用多种抗干扰措旌以减少消息帧在传送过程中的出错，位填充技 术是其中很重要的一种。 数据流 位流 123456789l o1234567891 0 j _ _ 12 3451234512345123 _ _- _ _ 注：数字标号表不相同极性的连续位编号 图2 5c a n 总线位填充过程示意图 在c a n 的消息帧中，帧起始、仲裁域、控制域、数据域和c r c 序列帧段均以位 填充方法进行编码。数据帧或远程帧的其余位域( c r c 界定符、a c k 场和帧结束) 为 固定形式，不进行位填充。当发送器在发送位流中检测到5 个极性相同的连续位时， 它在实际发送时，自动插入个补码位。如图2 5 ，从示意图中我们可以看到有3 个 填充位，其中第3 个填充位之前的5 个连续的相同的极性位中包含有第2 个填充位， 可见在实施填充技术时，填充位也被当成总线数据位处理。 车身总线在车辆监控系统车载终端中的应用与研究 2 3 3 3 c a n 的报文滤波技术 在c a n 总线中，存在多种传送和接收数据的方式，比如点对点、一点对多点及 全局广播等多种方式。这几种方式的选择和转换就是通过c a n 总线中的报文滤波技 术实现的，而无须专门的调度。 以s j a l 0 0 0 为例，在s j a l 0 0 0 中，无论是何种模式，都是c a n 的某一地址存 在验收滤波器中。在验收滤波器的帮助下，c a n 控制器能够允许r x f i f o 只接收同 识别码和验收滤波器中预设值相一致的信息。只有当接收信息中的识别位和验收滤波 器预定义的值相等时，c a n 控制器才允许将以接收信息存入r x f i f o 。验收滤波器由 验收代码寄存器( a c r n ) 和验收屏蔽寄存器( a m r n ) 定义。要接收的信息的位模 式在验收代码寄存器中定义。相应的验收屏蔽寄存器允许定义某些位为“不影响”( 即 可为任意值) 。 有两种不同的过滤模式可在模式寄存器中选择：单滤波器模式和双滤波器模式。 【12 1 【13 1 具体配置方法将在后面硬件设计一章中详细介绍。 2 4o a n 的错误处理机制。” 2 4 1 错误检测 在c a n 总线中存在5 中不同的错误类型，他们并不互相排斥。 位错误：向总线发送数据的节点同时也在监视总线。当监视到的总线位数值 与发送的位数值不同时，则在该位时刻检测出一个位错误。例外情况是：在 仲裁域的填充位流期间或应答间隙期间送出“隐性”位，而监测到一个“显 性”位时，不视为错误。送出认可错误标志的发送器，而检测到“显性”位 时，也不视为错误。 填充错误：如前所述，在应使用位填充方法进行编码的报文中，如果出现了 第6 个连续相同的位极性时，将检测出一个填充错误。 c r c 错误：c r c 序列是由发送器c r c 计算结构组成的。接收器以与发送器 相同的方法计算c r c ，如果计算结果与接收到的c r c 序列不相同，则检测 出一个c r c 错误。 形式错误：该