（通信与信息系统专业论文）基于can总线的车载信息系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 车载信息系统是将车身的各种信息进行采集、处理、通信、显示及存储的 信息控制系统，是多种技术应用于汽车行业的产物。随着科技的进步，各类技 术不断发展成熟并逐步的投入，汽车行业也随着迅猛的发展，外形各异种类繁 多的汽车逐渐出现在人们的生产生活中。针对这些不同种类和用途的汽车而设 计的汽车电子仪器也越来越多，由这些汽车电子仪器和车用总线组成的车载信 息系统变得越来越完善。采用先进传感技术制造的汽车电子仪器能准确及时的 对车身信息进行采集；车身总线使数据的传输越来越迅速；数字仪器显示方式 代替指针表显示，提供了方便的观察界面；车身信息存储为汽车行驶状态的分 析提供了数据依据等。我们可以了解到车载信息系统的发展方向：车身信息的 检测因为先进电子仪表的采用更加精确；总线技术在汽车上的应用越来越成熟； 车身信息的集中显示给驾驶员提供了方便的交流界面；车身信息的存储为研究 人员对汽车行驶时的状态的分析提供了数据依据等。总体说来，车载信息系统 已经向着智能化、数字化的方向发展。 论文介绍了针对长时间和特殊地域行驶的车辆而设计的基于c a n 总线的 车载信息系统。文中还讲解了系统的设计理念与实现方式。根据车辆特殊行车 需求设计的检测模块采集车身信息数据并进行处理，采用c a n 总线作为通信方 式将处理后的信息发送到显示屏显示，实现了集信息采集，数据通信和显示为 一体的车载信息系统。论文的主要研究工作包括：车身信息检测模块的设计、 i c a n 协议的应用和显示模块的设计。 本系统设计了数个适用于车身环境的信息检测模块，研究了现代传感技术 在汽车电子仪器设计和制造方面的应用；系统采用c a n 总线和i c a n 协议，在 数据通信的稳定性和可靠性上与其他类型的总线相比有极大的优越性，将多个 模块连接并集成到同一系统；液晶显示屏代替了传统的机械指针式仪表，为驾 驶员提供更方便有效率的界面，可观性更强。整体系统具有良好的实用性。本 论文在介绍本车载信息系统的同时也为其他种类的车载信息系统的设计提供了 参考。 关键词：车载信息系统，传感技术，c a n 总线，i c a n 协议 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mi sac o n t r o ls y s t e mu s e df o ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ， i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ，i n f o r m a t i o nd i s p l a ya n ds t o r a g eo ft h e i n f o r m a t i o no fd r i v i n gc a r , t h er e a l i z a t i o no fw h o l es y s t e mi sb a s e do nv a r i e t yo f t e c h n i q u e sa p p l i c a t i o ni nt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , a l lk i n d so ft e c h n o l o g i e sb e c o m em a t u r ea n dg r a d u a l l yp u ti n t o t h e a u t o m o t i v ei n d u s t r y , f o l l o w e db yt h ev e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mb e c o m e sm o r ea n d m o r ep e r f e c t a d v a n c e ds e n s o rt e c h n o l o g yu s e di na u t o m o b i l ee l e c t r o n i ci n s t r u m e n t m a k et h ev e h i c l ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nm o r ea c c u r a t e l ya n dt i m e l y ；b u sm a k e sd a t a t r a n s m i s s i o nm o r ea n dm o r er a p i d l y ；d i g i t a li n s t r u m e n tr e p l a c e dt h ep r e v i o u sp o i n t e r t a b l ed i s p l a y ；s t o r a g eo fi n f o r m a t i o no fd r i v i n gc a rp r o v i d e se v i d e n c e f o rd a t a a n a l y s i s t h u s w ec a nu n d e r s t a n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fv e h i c l ej n f o r m a t i o n s y s t e m ：v e h i c l e i n f o r m a t i o nd e t e c t i o nm o r ea c c u r a t eb yt h ea d v a n c e dv e h i c l e e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ；b u st e c h n o l o g yi sm o r ea n dm o r em a t u r ea si t sa p p l i c a t i o ni n a u t o m o b i l e ； c e n t r a l i z e do fi n f o r m a t i o n d i s p l a yp r o v i d e d ac o n v e n i e n t c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ef o rt h ed r i v e r ；i n f o r m a t i o ns t o r a g ep r o v i d e sd a t ab a s i sf o r r e s e a r c h e r sa n a l y s i st h ea u t o m o b i l ed r i v i n gs t a t e g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h ev e l f i c l e i n f o r m a t i o ns y s t e mh a sb e c o m em o r ei n t e l l i g e n ta n dm o r ed i g i t a l t h i st h e s i si n t r o d u c e dav e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do nc a nt e c h n o l o g y , i ti sd e s i g n e df o rt h el o n gt i m er u n n i n ga u t o t h e s i sa l s oe x p l a i n e dt h ed e s i g ni d e a a n dr e a l i z a t i o nw a y a c c o r d i n gt os p e c i a ln e e d sd e s i g nd e t e c t i o nm o d u l e ，c o l l e c ta n d p r o c e s s t h ev e h i c l ei n f o r m a t i o nd a t a , u s ec a nb u ss e n dt h ep r o c e s s e di n f o r m a t i o nt o t h es c r e e nd i s p l a y , r e a l i z e di n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n 、d a t ac o m m u n i c a t i o na n dd a t a d i s p l a yi nav e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i s i n c l u d e s ： v e h i c l ei n f o r m a t i o nd e t e c t i o nm o d u l ed e s i g n ，i c a np r o t o c o la p p l i c a t i o na n dd i s p l a y m o d u l ed e s i g n t h es y s t e md e s i g no fan u m b e ro fd e t e c t i o nm o d u l es u i t a b l ef o rv e h i c l e e n v i r o n m e n t ，s t u d y t h em o d e ms e n s o r t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n i na u t o m o b i l e e l e c t r o n i ci n s t r u m e n td e s i g na n da u t o m o b i l em a n u f a c t u r e ；t h ea p p l i c a t i o no fc a n b u sa n dt h ei c a np r o t o c o l ，h a sg r e a ts u p e r i o r i t yi ns t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 d a t ac o m m u n i c a t i o nt h e no t h e rb u s ；l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yi n s t e a do ft h et r a d i t i o n a l m e c h a n i c a lp o i n t e rt y p ei n s t r u m e n t ，p r o v i d em o r ec o n v e n i e n ta n de f f i c i e n ti n t e r f a c e f o rt h ed r i v e r , i th a ss t r o n g e ro b s e r v a b i l i 够t h et h e s i sn o to n l yi n t r o d u c e dt h i s v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mb u ta l s op r o v i d ed e s i g nr e f e r e n c ef o ro t h e rt y p e so f v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，s e n s i n gt e c h n o l o g y , c a n - b u s ，i c a n p r o t o c o l i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1q 1 课题的研究背景及意义 随着科技的进步，电子技术的发展对汽车行业的作用越来越重要，车身采 用的电子仪器也越来越多。通信技术的采用使这些汽车电子仪器不再是相互孤 立的单元，而是成为了车身网络系统中相互联系的重要节点，车载信息系统也 随之产生。车载信息系统的采用为驾驶员掌握车身信息提供了方便快捷的途径， 作为辅助系统方便了驾驶员的驾驶行车，并逐渐的被广泛采用。现在，汽车行 业的飞速发展和各类新技术在汽车行业的应用使车载信息系统不断的向着数字 化、智能化的方向发展【。为满足各种需求而设计的的汽车电子仪器不断增加， 相应的车载信息系统也不断的被开发出来并装载到车辆上使用1 2 j 。 近年来，我国大力进行公路建设，运输线路覆盖全国各地，不仅为物资的 长途运输提供了方便，还使一些地区资源的车辆运输成为可能，但也增加了车 辆的长时间行驶和特殊环境下的物资运输等情况。针对这些情况下因某些车身 信息无法明确掌握而影响行程的问题，本课题以实习期间公司与某军工厂合作 的车载综合电源项目和公司的车载仪器研发项目为基础，设计了相应的车载信 息系统并载入车身使问题得以解决。 与日常的短途行车相比，长时间行驶的车辆对动力能源的配置、车上各种 日常生活物质的存储和车内环境的控制等方面更加的重视，这些都是影响驾驶 员和车辆能否顺利完成行程的重要因素。掌握了这些信息，驾驶员可以做出良 好的行车计划，有利于行程的顺利完成。本课题以此为出发点，设计了适用于 长途和某些特殊环境行车的车身信息检测模块，根据检测对象的不同采用不同 的传感技术和传感器对对象信息进行检测并显示，通过对这些车身信息的掌握， 驾驶员可以对用车进行合理的安排，有利于进行长时间或特殊地域的行车。单 独设计的各车身信息检测模块采用了一对一的通信和显示方式，在数量较少时 车内增加的布线和显示仪表较少，但若采用模块较多会使车内布线冗繁，过多 的显示仪表会影响驾驶。本课题采用总线将车身信息检测模块连接起来，并将 各模块检测的信息汇总显示，可以减少布线和显示仪表数量，使各车身信息检 武汉理工大学硕士学位论文 测模块集成为一个统一的系统。针对用于长时间和特殊地域的车辆，本系统有 极大的实用性，且本系统对其他类型车载信息系统的研究具有极大的参考价值。 1 2 车载信息系统在国内外的研究和应用状况 一 随着汽车行业的的迅猛发展和家庭汽车的普遍化，人们的日常出行越来越 多的使用汽车代步。为方便驾驶员而设计的车载信息系统的重要性也越来越大， 车载信息系统的开发也逐渐的成为了汽车车载系统领域的热点技术【3 1 。 国外对车载信息同的的研究开始于2 0 世纪9 0 年代初，德国和美国相继开 发出了完整的数字式车载信息系统，使汽车驾驶员的行车变得更加的方便。目 前，车载信息系统的开发得到进一步的修正和完善，它的另一种实体形式 黑匣子，多年前已经在欧洲和美洲试用开来。自1 9 9 9 年起，美国的f o r d 汽车 公司开始在它生产的车辆上安装此类黑匣子，美国其他的知名汽车公司也同时 开始在车辆上试装黑匣子，并已经于2 0 0 0 年开始对所有生产的车辆进行安装， 德国、美国和瑞典的汽车在2 0 0 1 年也将相继安装黑匣子1 4 j 。 就国内车载信息系统的发展来讲，进行研发的厂家较少，但是考虑到中国 强大的汽车市场潜力和发展趋势，我们应该对汽车车载信息系统的市场持积极 的态度【5 1 。根据最近几年国内汽车市场的的数据表明，我国汽车行业进入高度 发展阶段，产业集中度不断提高，产品技术水平明显提升。近几年来，我国已 经成为了世界汽车生产及消费大国。针对目前国内的汽车行业发展趋势，为了 提高我国的汽车行业的国际竞争力，进行车载信息系统的研发势在必行。 根据最新技术资料显示，国外的汽车信息系统已经向着智能化和数字化方 向发展。采用先进主控芯片设计的汽车信息系统根据不同的产品需求调整系统 的参数设置就可以投入使用，这使汽车信息系统结构在模组化和通用化方面有 了明显的进步，提高了产品的系列化和标准化程度，有利于汽车信息系统的大 规模生产。随着现代微电子技术的发展，促进汽车车载信息系统智能化和数字 化的研究将成为今后车载信息系统的主要课题【6 】。 1 3 汽车电子技术的应用 根据不同情况的需求，各种汽车电子仪器不断的被设计和生产出来并用于 在汽车上，使汽车不断的电子化。如今，汽车电子化已被公认为汽车技术发展 2 武汉理工大学硕士学位论文 过程中的重要进步，汽车的电子化程度作为衡量现代汽车各方面技术水平的一 个重要标志，是现今汽车产业用来开发新类型产品、改进汽车总体性能的重要 手段和措施1 7 j 。 汽车的出现改变了世界，而改进汽车并使其发生巨大变化的是汽车电子化。 汽车广泛地采用电子技术，用来提升总体性能和增添各种服务功能，以满足人 们各方面的方面的需求。汽车电子技术来源于半导体行业、传感器和软件行业 等电子技术行业的发展，是一个复杂、多门类、知识度密集的高新技术领域。 汽车电子技术涉及电子、机械、通信、计算机等多个前沿学科【8 】。新一代的汽 车被称为电子化汽车，是先进的汽车工业和电子技术相结合的产物。如今，汽 车电子技术的发展以提高舒适性、节能性、环保性、安全性这四个方面为主题。 汽车电子化正是围绕这四个方面来逐步的提升汽车的总体性能p j 。 随着电子技术的迅猛发展及其在汽车上的广泛应用，汽车电子化的程度越 来越高，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全 保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为了提高舒适性而进行的各种研究， 使汽车电气系统成为了一个庞大且复杂的系统【。这些系统除了各自的电源线 外，还需要相互之间通信。未采用总线技术的电气系统大多是点对点的单一通 信方式，相互之间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。不难想象，若仍 沿用常规的点对点的布线法进行布线，那么整个汽车的布线将极其冗繁。无论 从电气布线材料成本还是整体的工作效率来看，传统布线方法都将不能适应如 今汽车产业的高速发展。若采用总线网络的方式布线( 如图1 1 所示) ，将车身 电子仪器( 比如电动座椅、电动门窗、安全气囊、传输系统、悬挂系统、空调 系统等) 用总线的方式连接起来就可以减少导线数量，提高电气系统布线的可 靠性和可维修性，也使车辆更加的自动化、智能化，提高了车辆的总体性能j 。 因此，针对汽车电气系统研发和设计总线网络逐渐的流行起来。目前的汽车网 络领域已存在多种总线网络标准，其侧重的功能各有不同l l 2 。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 汽车电气系统c a n 网络的应用 目前，绝大多数车用总线都被s a e ( s o c i e t yo f a u t o m o t i v ee n g i n e e r s 美国汽 车工程师协会) 下属的汽车网络委员会按照协议划分为a ，b ，c ，d 四类：a 类 是面向传感器或执行器管理的低速网络，它传输数据的位速率通常小于 1 0 k b s 主要用于调整后视镜、电动窗和灯光照明等设备，以l i n ( l o c a l i n t e r c o n n e c tn e t w o r k 本地互联网) 为代表；b 类是面向独立控制模块中信息共 享的中速网络，位速率一般在1 0 k b s 1 2 5 k b s 之间，主要用于车身电子的舒 适性模块和显示仪表等设备中，以低速容错c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 控 制器局域网) 为代表；c 类是面向闭环实时控制的多路传输高速网络，位速率 多在1 2 5 k b s l m b s 之间，主要服务于动力传动系统，以高速c a n 为代表； d 类网络则是面向多媒体设备，高速数据流传输的高性能网络，位速率般在 2 m b s 以上，主要用于液晶显示等设备，以m o s t ( m e d i ao r i e n t e ds y s t e m s t r a n s p o r t 面向媒体的系统传输网) 为代表【l 3 1 。 就目前车用总线的主流而言，由c a n 规范所衍生出来的b 类( 低速容错 c a n ) 和c 类( 高速c a n ) 车用总线系统覆盖了汽车中绝大部分可以用到网 络的范围，而且由于c a n 总线的网络特性与节点成本等特性在汽车行业中受到 了人们的青睐i l4 。 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。随后c a n 总线 技术逐渐的应用于各行各业，比如汽车制造生产行业。如今，世界上一些著名 的汽车制造厂商，如奔驰、宝马、保时捷和美洲豹等都采用了c a n 总线来实现 汽车内部的控制系统和各检测和执行模块间的数据通信。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，仅在欧洲地区销售的带有c a n 的器件数量就过亿件【1 5 】。c a n 总线己被公认为最有前途的现场总线之一【1 6 l 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 a b s i 发动机 接口ii 接口 变速箱iia m t 接口il 接口 空调fi 车门ii 座椅ff 车灯if 车厢 模块il 模块l i 模块i i 模块il 模块 接口ll 接口ll 接口ii 接口il 接口 动力系统传送子网高速网段c心等圃1：3 车身电子子网低速网段l m 、c a n 等 i 接i 控制显i 接1 i 示面板l 口i i 接口l 接口j ) m o s t 等i 故障诊断子网( 低速网段) 口 - 一 载 响 统 接口 车载 诊断 图1 2 车身网络子网结构图 如图1 2 所示的车身网络子网结构图，汽车上各种仪器根据功能、车身位 置和数据传输速率等组成各个车身子网( 信息娱乐子网；动力传动子网；车身 电子子网；故障诊断子网) ，然后各个子网通过网关并联组成了整体车身网络。 可以看到c a n 总线的网络覆盖范围较其他总线更广。随着c a n 总线技术的进 步，高速c a n 总线网络的发展，当高速c a n 总线技术的传输速率可以适用f 信息娱乐子网时，汽车内部网络只需要增设高低速c a n 驱动转换功能就可实现 车辆整体信息的c a n 总线网络控制i i 。 随着人们对汽车各方面提出更高的要求和汽车制造业的各种技术不断的提 高和发展，车载网络的市场规模必然会不断的发展壮大。就目前而言，市场上 不可能在短时间内出现一套统一的解决方案能完全满足人们针对车载网络在性 能成本上所提的一切要求。车载总线领域仍将长期保持目前这种多协议规范互 相竞争共存的态势，甚至还会出现在同_ 二国际标准下并存有多种兼容总线的格 局【1 引。 相比国外的汽车生产行业，国内对车载总线的研究还处于发展阶段，车载 总线技术方面并未形成较为完善的系统，围绕车载总线技术的相关汽车电子产 品也比较缺乏，现有的相关应用技术远远落后于国外同行业【1 9 】。部分汽车总线 的重要技术只能采用国外的现有技术，从而限制了我国汽车行业的发展速度， 使我国汽车行业处在一个较弱势的地位【2 0 1 。因此，在国内汽车行业蓬勃发展的 今天，加大车载总线技术方面的研发力度，多自主创造符合国际总线技术类的 产品，不仅能从根本上提升我国汽车行业的高端产品研发能力，还对我国发展 高端汽车电子相关技术有着重要的意义，从而从根本上提升我国汽车行业的整 5 武汉理工大学硕士学位论文 体实力。 1 4 本文研究内容及论文结构 该系统专为需要长时间行驶的车辆而设计，设计中采用了c a n 总线网络， 对车载总线技术进行了初略的研究；采用了多种传感技术和传感器设计了多个 车身信息检测模块，为汽车电子仪器的开发提供了参考。整体设计的完成为车 载信息系统的数字化、智能化研究提供良好的参考。该系统可以作为设计其他 。 种类车辆的车载信息系统的参考，也可以作为同类型系统设计的参考，在此基 础上进行更深入和完善的开发和研究。 本课题主要完成的工作如下： ( 1 ) 根据系统设计要求，给出了车辆信息系统设计的总体方案，包括网络结 构设计、硬件设计、软件设计； ( 2 ) 针对长时间行车的需求和基于对各类传感器工作原理的了解，选择合适 的传感器和传感技术，完成了车身信息检测模块的设计； ( 3 ) 设计了主屏显示模块将其他模块需要显示的信息和数据载入显示，并添 加了检测模块的状态判断； ( 4 ) 设计c a n 总线接口电路，应用i c a n 协议实现了模块间的数据传输。 本论文以课题的研究内容为基础，对研究的整体过程和结果作了全面的展 示。论文的整体结构如下： 第1 章，绪论。主要介绍了车载信息系统国内外的研究和应用情况，并介 绍课题的背景和主要研究内容。 第2 章，车载信息系统总体结构设计。描述了系统的总体功能，讲解了系 统的总体设计方案，包括网络结构设计、硬件结构设计和软件设计。 第3 章，车载信息系统硬件设计。主要介绍如何完成各个模块的硬件设计， 包括设计原理、器件的选择和电路的具体设计。 第4 章，车载信息系统软件设计。根据系统的功能要求和电路设计，完成 了系统的软件设计。 第5 章，系统调试结果。这章主要介绍了各模块的功能调试和系统的数据 传输调试，并列出调试结果。 第6 章，总结与展望。本章是对课题研究的总结和系统后续工作的展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章车载信息系统总体结构设计 基于c a n 总线的车载信息系统的基本功能是车身信息的采集、处理、传输 和显示。系统设计了采集车身信息并进行处理的车身信息检测模块和兼容了读 取车身信息数据和判定各模块工作状态的主屏显示模块。这些模块通过c a n 总 线相互连接，组成车载信息系统。本章讲述的就是系统的总体结构设计方案， 重点讲述了车载信息系统网络结构、车载信息系统模块的硬件和软件的设计。 2 1 车载信息系统网络结构设计 2 1 1 车载信息系统数据传输网络结构 进行系统设计时首先考虑了整体的网络规划。针对基于c a n 总线的车载信 息系统从电源和数据传输两方面设计了供电网络和信息传输网络。本小节介绍 了系统信息传输网络结构。 图2 1 系统网络拓扑结构图 系统网络拓扑结构如图2 1 所示，系统为典型的总线型拓扑结构图，总体 模块根据功能划分为车身信息检测模块和主屏显示模块两类。车身信息检测模 块主要采集所需的车身信息并进行处理，然后经过c a n 总线将信息传递给主屏 显示模块，由主屏显示模块进行一步的处理后显示。主屏显示模块与各检测模 块之间的相互通信组成了系统的信息传输网络。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 通信方式和通信协议的选择 在进行系统信息传输网络的设计时，根据本系统的特性和实际的应用性从 现有的几种较为普遍的车用总线中选择了c a n 总线作为通信网络。 作为车用总线系统中覆盖范围最广的总线，c a n 总线的主要特点：总线为 多主站总线，通信灵活；采用独特的非破坏性总线仲裁技术，从而避免了总线 冲突，满足了实时性要求；支持多主工作方式，支持点对点，一点对多点的全 局广播方式接受发送数据方式；采用短帧结构传输，每帧有效字节数最多为8 个，数据传输时间短，并有c r c 及其他校验措施，数据出错率极低：具有自动 关闭严重错误节点的功能，抗干扰能力强，可靠性高；系统走线少，扩充容易， 改型灵活；最大传输速率可达1 m b s ，直接通信距离最远可达l o k m ；总线上的 节点数量主要取决于总线驱动电路，标准帧( 1 l 位报文标识符) 可达1 1 0 个，而扩 展帧( 2 9 位报文标识符) 个数几乎不受限制1 2 。 系统要求车身信息及时显示，各检测模块与主屏显示模块间的信息传输速 率范围在l o k b n 1 2 5 k b s 间；显示模块与检测模块之间能实现点对点，一点对 多点、全局广播的数据通信模式；当总线上的一个模块出现问题时不影响到其 他模块的通信。基于以上的设计要求本系统选择了b 类c a n 总线作为通信网络。 由于c a n 总线协议只规定了物理层和数据链路层，没有对应用层进行规 定，导致整体功能并不完整f 2 2 1 。因此在基于c a n 总线技术的分布式控制系统 中，有些功能必须要通过一个更高层的协议来实现，从而实现在c a n 网络中通 讯模式、网络管理功能执行、以及设备功能描述方式的统一j 。 目前占领主要国际市场的两个应用层协议为：c a n o p e n 协议和d e v i c e n e t 协议。c a n o p e n 协议适用于产品内部的嵌入式网络通信应用，d e v i c e n e t 协议 是用于工业自动化控制，两种协议规范的复杂度较高，理解开发的难度较大1 2 4 j 。 这两种协议本车载信息系统设计中均不太适用，因此选用了一种简单可靠的 c a n 总线应用层标准协议一i c a n 协议。 i c a n 协议全称为“i n d u s t r yc a n b u sa p p l i c a t i o np r o t o c o l ”，即工业c a n 总线应用层协议，该协议为现场设备和管理设备之间的连接提供了一种成本低 廉，结构简单的通信方案，详细的定义了传输的c a n 报文中各i d 以及数据 的分配和应用，定义了各设备的i 0 资源和访问规则，建立起了统一的设备模 型2 5 1 。i c a n 网络的使用符合c a n 标准规定的拓扑结构。网络上最多支持6 4 个主从节点的连接，节点和总线网络线缆之间的连接使用分支方式。表2 1 为 8 武汉理工大学硕士学位论文 网络中通讯速率与通信距离的关系。 表2 1 最大通信速率与最大距离关系 最大位速率k b s 1 0 0 0 5 0 02 5 01 2 51 0 0 5 01 0 - _ _ _ - - 。i 。_ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一- _ _ _ _ _ _ - _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ - - - 。一 最人距离m 4 01 3 02 7 05 3 06 2 0 1 3 0 06 7 0 0 i c a n 网络采用命令响应的主从通讯方式来保证数据报文传输的确定性， 主控设备( 主站) 为通信的发起方，受控设备( 从站) 为通信的响应方。主控设备发 送命令帧，当受控设备接收到命令帧后，向主控设备发送响应帧，从而实现数 据交换1 2 6 1 。这种对服务进行确认的数据传输方式可靠性好。然而，这种命令 响应的通信方式只能由主控设备发起，总线的利用率较低【27 1 。因此i c a n 协议 规范中还定义了事件触发传送的传输方式，弥补了命令响应模式状态的这一缺 点。 如图2 2 所示，每一个节点在i c a n 网络中拥有唯一的标识值m a c i d ，不 同节点之间的通信是基于对相应节点的寻址实现的。i c a n 协议保留了特定的 地址对一组节点或所有节点进行寻址、帧传输的方式。源节点和目的节点之间 的通讯并不是随机进行。进行通信时，首先必须建立通讯连接。只有当连接建 立好后，源节点才能够与目的节点进行通讯。这样使对任何拥有m a c i d 设备 的通讯进行监控成为可能【2 引。 报文从源节点到目的节点 图2 2i c a n 报文传输 在i c a n 协议规范中，i c a n 设备的结构由通信端e l 、资源节点和应用端c i 三部分组成【2 9 】。 通信端e l ：通信端口的作用是实现与c a n 总线网络的数据交换，接收网络 中发送的c a n 报文并按照一定的规则将收到的报文进行处理，端口还进行c a n 报文的发送。 资源节点：资源节点决定了设备的通信行为，应用端口的属性，还定义了 9 武汉理工大学硕士学位论文 与通信和应用相关联的一系列数据表格。 应用端口：定义各个设备在实际应用中所起的功能，并且描述了应用和处 理这些数据或信息的相应过程【3 0 】。 i c a n 协议规范只使用了扩展帧格式的c a n 报文( c a n 2 0 b 协议版本) ， 并对报文的2 9 位标识符和报文数据部分的使用作了详细的定义。 表2 2i c a n 标识符分配表 帧 标 _ - i d 2 8i d 2 7ii d 2 6 i d 2 5i d 2 4i d 2 3i d 2 2i d 21 0 0 ls r c m a c i d ( 源节点地址) j d 2 0r d l 9ll d l 8 i d l 7i d l 6i d l 5l d l 4i d l 3 o o i d e s t m a c i d ( 目标节点地址) ，_ 、- r - - _ _ - - - 。_ 。o 。- - 。o 。o 1 。o o o _ _ 。“一 。li d l 2ii d l l i d l 0i d 9i d 8 li d 7 i d 6i d 5l d 4i d 3l d 2i d l u ) o r f r i _ _ _ - - 。_ _ _ _ 。- _ _ 。_ _ _ _ _ - - _ _ - - _ _ _ _ - - _ - - _ _ _ 。_ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ - - - _ _ _ _ _ i _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 。_ 。_ 。_ 。_ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 。_ 。- 。_ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ 。_ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一ia c k f u n c ( 功能码) i s o u r c e d ( 资源节点地址) i c a n 报文标识符的分配如表2 2 所示。标识符指定了数据通讯中的源节点 地址s r c m a c i d 和目标节点地址d e s t m a c i d ，并指示了报文的功能和要访问 的资源节点地址s o u r c e i d 。 一 按照标识符的排列和功能的划分，整体报文主要被分为7 个部分，其中 s r c m a c i d ( 源节点地址) 、d e s t m a c i d ( 目标节点地址) 、a c k 位、f u n c l d ( 功 能码) 和s o u r c ei d ( 资源节点地址) 5 个部分起主要作用【3 。 2 1 3 车载信息系统各模块的节点分配 车载信息系统内的模块根据功能划分为车身信息检测模块和主屏显示模块 两类，再由模块数量分为1 个主屏显示模块节点和5 个车身信息检测模块节点。 主屏显示模块节点：车载信息系统正常工作状态时，车身检测模块将各自 检测的信息处理后转化为c a n 报文通过总线发送给主屏显示节点。主屏显示模 块节点接收报文并送入模块，报文内的车身信息在模块内被读取并送到显示屏 显示。同时模块内的状态检测部分会根据检测到的其他信息数据来判断车身信 息检测模块的工作状态。首先根据响应时间内是否收到目标节点发送的报文判 断目标节点是否连接c a n 总线，然后根据设定值与报文内的检测值相对比来判 断该检测模块是否正常工作，最后将结果送到显示屏显示。判断结果分为目标 模块连接与否、正常工作与否等。 车身信息检测模块节点：检测模块节点是主要将处理后的车身信息数据编 译成c a n 报文的形式，发送到主屏显示节点。根据采集对象的不同，车身检测 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 模块各自软硬件的设计也不同，但从功能上来说，各检测模块大致相同。 本系统设计的6 个模块的节点地址分配如表2 3 所示。 表2 3 节点地址分配 2 2 车载信息系统硬件结构设计 本论文设计的车载信息系统的节点数量不多，且各模块为单独的小系统。 车身信息采集模块节点数量占多数，但总线上传输的信息量少，系统针对这方 面的设计比较简单。实际车载信息系统中模块的数量众多，多为集中控制系统， 总线上传输的信息量大，节点设计和总线利用率的方案复杂。 主屏显示 c a n 接口 c a n 总线 c a 洲 o 6 c a n i c a nc a nc a nc a n c 人n 接口 接口 接口接口 接口 电量检测双电池隔离水位检测温度检测湿度检测 电池电压 电流温度采样水位温度采样 温度采样湿度采样 手动信号采样 图2 3 系统硬件模块结构 从系统硬件模块结构图2 3 可以看出，本系统设计的6 个模块分别为主屏 显示模块、电池电量检测模块、双电池隔离模块、水位检测模块、温度检测模 块和湿度检测模块。车身1 2 v 的d c 供电为这6 个模块提供驱动电源，模块间 通过c a n 接口电路连接总线传输信息。 武汉理工大学硕士学位论文 主屏显示模块主要包括以s t m 3 2 f l0 3 r 8 t 6 微控制器为核心的中央处理单 元和显示单元。显示单元采用液晶屏显示车身信息和各检测模块的工作状态。 显示单元设置了分页面选择按键和翻页，可以进行分类选择和多页面显示。 系统采用c a n 总线进行通信，各模块均需要通过c a n 接口电路接入总线。 主屏显示模块采用了s t m 3 2 f 1 0 3 r 8 t 6 微控制器，各检测模块采用了 s t m 3 2 f 1 0 3 c 6 t 6 微控制器作为主控芯片。由于采用的s t m 3 2 芯片内部均拥有 集成的c a n 控制器，所以设计的各模块只需外接c a n 收发电路即可完成接口 电路。 2 3 车载信息系统软件设计 从车载信息系统网络结构设计中可知数据的传输过程：主屏显示模块节点 向检测模块节点发送读取指令；车身信息检测节点收到指令后开始发送报文； 。 主屏显示模块节点收到响应后接收车身信息检测模块节点发送的报文，然后对 报文进行处理。由此可见，系统通信程序主要由两部分组成：数据接收程序、 数据发送程序。 。 数据接收程序：c a n 控制器通过c a n 收发器将信息从总线接收到i c a n 接收缓冲区，接收程序只需要从接收缓冲区读取接收的数据就可完成数据的接 收【3 2 1 。 数据发送程序：c a n 控制器将待发送的信息通过c a n 收发器发送到总线， 发送程序只需要将要发送的数据送入i c a n 发送缓冲区，同时启动发送命令即 可。 主屏显示模块除了数据接收和发送程序的设计外，还需要各检测模块工作 状态的判断，以及进行液晶屏显示的设计。本模块主要进行状态判断和车身信 息分块显示软件的设计。 车身信息检测模块除了数据接收程序和数据发送程序的设计外，还需要根 据传感器采集信息方式、补偿参数信号和数据处方式等参数，进行软件设计。 各模块具体的软件设计会在第四章中描述。 2 4 本章小结 本章详细的介绍了基于c a n 总线的车载信息系统的总体设计方案。首先针 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 对整个系统需要实现的功能作用进行了大致的描述。根据系统的通信方式和模 块的布局，选定了系统的通信协议。其次，根据设计的模块间的通信和总线上 数据的传输给出了系统的通信网络图和节点分配，并说明了各个模块对应节点 的功能。本章说明了采用的作用等。本章还给出了大致整体系统的硬件设计方 案和框架以及各模块的软件设计思想。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章车载信息系统硬件设计 从第二章的系统总体方案和各模块的介绍中可知，基于c a n 总线的车载信 息系统从硬件结构上分为c a n 总线接口电路，1 个主屏显示模块和5 个车身信 息检测模块。本章重点讲述系统各模块的硬件设计。 3 1 车身信息检测模块硬件设计 基于c a n 总线的车身信息检测系统的信息采集由多个检测模块共同完成， 检测模块的设计是基于采样对象的特点来进行的，采用的传感技术和传感器都 有相应的针对性，因而各模块之间的硬件电路设计大都不相同。影响车辆长时 间行车的因素众多，本系统从中选择了几个较为重要的，设计了相应的车身信 息检测模块，分别为电池电量检测模块、双电池隔离模块、水位检测模块、温 度检测模块和湿度检测模块。下面分5 个小节讲述了这些模块的设计原理和主 要电路。 3 1 1 电池电量检测模块 需要长时间行车时，汽车电池电量的掌握对行车计划起着重要的作用。电 池电量检测模块的设计是为了给驾驶员提供车辆电池电量信息，驾驶员以电池 电量信息为依据做好行车计划。 汽车采用的大容量电池多为铅酸蓄电池。密封的铅酸蓄电池可看作物理学 上的黑匣子，黑匣子上的两极柱仅仅能提供电压和内阻两个独立的电学物理参 数，电池的电量与这两个参数有着密切的联系【3 3 1 。首先需要分析铅酸电池独立 的充放电过程；电量充足时，电池输出电压较高，内阻较低；随着放电过程的 持续，电池的输出电压逐渐下降，内阻上升。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 i 0 0 电8 0 鲨6 0 量4 0 2 0 - r ll毪lu 电池内阻( m q ) 图3 1 电池电量与电池内阻特性曲线 如图3 1 所示的电池电量与电池内阻的特性曲线图。当电池电量充足时， 电池内阻较小，随着电池放电过程的进行，电池电量逐渐降低，电池内阻随之 增加。当电池电量足够充足时，放电过程中电池内阻变化较为缓慢；当电池放 电到一定程度时( 一般到剩余电量为4 0 左右时) ，电池内阻变化较大，开始急