（载运工具运用工程专业论文）汽车车身网络系统研究与开发.pdf

山躺酊大鞘蚓掣擞 摘要 汽车网络技术是计算机网络技术与工业现场总线控制技术在汽车中应用的结果。随 着汽车自动化程度的提高，车内布线困难的问题越来越突出。汽车网络的出现不仅解决 了目益复杂的线束布置问题，同时也给汽车的优化控制带来了质的飞跃。在我国，汽车 网络技术起步较晚，目前自己的汽车网络技术产品还很不成熟，加强车用网络技术的研 究，开发拥有自主知识产权的汽车网络技术产品势在必行。 本文在参考大量资料并对车用网络进行深入分析的基础上，在众多汽车网络标准的 主流协议中，采用了高性能、低成本的c a n 总线网络协议。论文介绍了c a n 网络协议的 技术规范，详细描述了c a n 总线分层结构中的数据链路层和物理层：简要介绍了c a n 总 线的一些基本概念和基本组织规则，详细阐述了c a n 总线的报文、帧格式，错误类型以 及检测错误能力。 论文设计了一种典型的汽车车身控制网络，该网络由两个车灯控制节点、一个发动 机信息检测节点和一个主控节点组成，基本实现了基于c a n 总线网络的汽车车身控制。 本文提出一种通用模块化试验扳的软、硬件设计思想，并且对硬件的电磁兼容性进 行了研究，重点对铁氧体、光电耦合器、t v s 等元器件的选用以及p c b 板的布线方法进 行了详细分析。完成了主控节点、两个车灯节点和发动机试验板硬件电路的设计以及相 应软件的设计，实现了基于c a n 总线控制的汽车车身试验网络的设计。 本文设计并开发了一套用于汽车车身网络控制的试验平台，以该试验平台为基础， 进行了汽车车身网络控制的试验研究。试验结果表明，该设计在数据传输波特率达到 6 2 5 k b s 的情况下，数据传输稳定、准确、可靠。 关键词：n e c 单片机，c a n 总线，车身控制，电磁兼容 a b s t r a c t v e h i c l em t w o kt e c i m o l o g yi st h er e s u l to f c o r - 畔rn e tw o r ka n df i e l db l 】st e d m o l o g yu s e di n l l l e a t 尬m o b i l e w a h t h e d e v e l o l r a e n t o f 删o n , a o , e l e n g t h o f l i l a e i n t h e a u t o m o b i l e g e ( s v e r y f a s t g r o wa n dl a y o u tb e c o m es v e r yd i 伍c i 】l t t h ev e h i c l en e tw o r kt 院h n o l o g yn o to n l ys o l v e s 吐i s s u eo f l a y o u t , b u ta l s oo l 砌渤o i e c o n t r o lo fv e h i c l e i n o t n e o t a 呻, t h er e 辨砌o fv e h i c l en e t w o r k 把c h n o l o g ys t a r tv e r yl a t ea n dn o ww es t i l lh a v en o to u ro w i ip l 龇s o n i ts ow es h o d ds p e e du p , h e d e v e l o p m e n t o f o u r v e h i c l e n e t w o r k ( e c h n o l o g y b a s e do nt h er e f e r e n c eo fl o t so fm a t e r i a l sa n dr e s e a r c ho fv e h i c l en e t w o r k , i na a i sd e s i g t l ，t h e p r o t o c o lo fc a nb u sn e t w o r kw i ( hh i g hp c d b 芏m 撇c ea r i dl o wc o s ti sa c 删a m o n gf n m l ym a i n p r o t o c o l s o f a u t o m o t i v e n e t w o r ks t a n d a r d t e c h n i c a l r e g u l a t i o n o f c a n b u s n 啦w o d ( i s h l c u l 粥胁。d a n d d a t al i n kl a y e r 锄a p h y s i c a ll a y e fi nh i e 稚u - c h ys i n x 恤o f c a nb u si sd e s c r i b e d i t sb a s i cc o m e o t m a do r g a r a m gr u l e sa n dp a 撕c u l a i l ym p r e s e 岫t h em 瞄阻g e ，p i c t u r ef o r m a t , e r r o rs t y l ea n d 曲啪k 函g a ：i d ra b i l i t yi nc a nb u sf i l es i m # yi n t r o d u c 缸 t h ep a p e rh i n gf o r w a r dat y p i c a lu s eo f c a ni nt h ev e h i c l eb o d a y a f t e rs i m p l i f y i n gi c ，( h et w o a u t o m o b i l el i g h t sn o d ea n dt h em o t o ri n f o n m l i o nd e t e c tn o d ei ss u b s l i t t n e df o rc a nn o d e sd i r e c t l y c o m e d i n g t o c a n b u s n d w o r k a n d t h e n t o m a i n c o n t r o l n o d e a t k ：r p r e s e n t i n g a c o m m o n d e s i g n m o d u l e t h o u g h t f o r a u t o m o b i l e n e t w o 屯t h e r n 血n o d e 、咖 a u t o m o b i l e h g h t n o d e s a n d t h e m o t o r i n f o r m a t i o n d e t e c t n o d e h a r d w a r e d e s i g n w i t i a f i l er e s e m c b e d t h e e m c o f o u r 砌蝴色m 西v d t o f t h i s c h a l 船i s t h e c h o i c e o f t h e f e r r i t e 、口蜘n | b e a n d t v s 鲥t h e f a e t u r eo f t h ep c bb 蛐 di nl h ea p p l i c a t i o mo f 雠e m c z n d f b 桶出晒j g g i r 培i sc o r n p l e ( 赶w h e n t h i sl h e s i si sc 0 瑚p i 捌，t h ec a nc o m m t m i e a t i o ni nt h e 鼎p 。r j i i 搬哇o fa u t o m o b i l el i g i 吐c x n m o l n e t w o r kp l a t f o n - ni r e sb e e nr e a l i z e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ed a t ac 觚b e 位m 印供t e da t6 2 5 k n sb a u dr a t es t a b l y ，越c m a t e l ya n d c r e d i b l y t h eb a s i ct h o u g h to f t h i sd e s i 辨咖b ea l s 0u s e di no t h e rd i s t r i b u t e dc a n c o n t r o ls y s t m l k e y w o r d ：n e cs i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o r ，c a nb u s ，b u sb o d a yc o n t r o l ，e m c 独创性声明 v $ $ o t s 5 本 蓟目所呈交的沧既是我个 在剧耐旨导下j 新亍臼每研究工作及取得的i 醪溅果。尽我黟秩口，除 了文畸爿奇另咖吐啸朔碗5 1 身耐蚴卜，论文中不包含其它 、已刭罚铡游眶过的研字e 成果，也不包含 为获得山辋工= 超羟蜉驻搿晴机| 勾| 杯吲骊蝴j 如钸槲。与我一同工怍的而嘏捌弼院昕 1 蜘吲球疆i 献均已茁睑吏：中作了b 脯的谚期并表示了谢意。 一：于勘译 啪：b 9 每6 月玉日 关于论文使用授权的说明 本 完全了解山东理工大学毹皂保留、使用学崮忿瑚锨啶，即：学度有权保酗塑氆留晴攥日 件矛磁盘，总钎臼硗瞳悯币f 昔阅：学瞄河以用不而扔帮叼硐煤体上发表、传播荆蛰留珀_ 强涪贼 部分内容，可以采辟撮；印、缩e 阿拦瞄等复嗣洋段屎良? 唠稿雏娩文。 研究生签名 导师签名 0 刽辛 档韦 时间：伽f 年g 月jf 1 ， 时刚：州年莎月乡日 塑鹜塑燮 墼堂 课题来源 第一章绪论 本文的研究得到了山东理工大学重点科技基盒资助。 1 1 课题背景 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、设备的大量应用，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【l 】1 2 】。目前，已形成多种现场总线协议。 和其它控制现场比，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据定义的基础上，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 控制单元都可轻易地加入该网络系统或者从网络系统中拆除，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。因此汽车电子控制采用网络 化设计可大大降低设计成本。专家认为，2 l 世纪的汽车电子控制将以网络技术为核心。 由世界上最大的汽车零部件供应商之一的德国b o s c h 公司于八十年代初专门为汽车 电子控制研发的控制器局域网协议，当前被各国汽车制造商普遍认同，并在世界范围内 被定位为国际标准龇1 6 l 。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 术的研究与开发。迄今为止，已有多种网络标准。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 协议的研究尚属于初级阶段。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。为缩短同国外汽车技术 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 汽车局域网分类嘲 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网络技术的研究及应用。 汽车网络的使用解决了点对点式车身布线带来的问题，使车身布线( 趋于) 规范化、标 准化，降低了成本，增强了可靠性。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 1 l 赤4 窑t 等娜举谳第晕缉；i 仑 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 三类明，如表1 1 所示。 表1 - 1s a e 的汽车网络分类 综合考虑功能和位传输速率等因素，现有的汽车总线还包括多媒体信息系统总线、 安全总线、诊断系统总线等。 1 2 1 分类标准 一、a 类网络标准 从目前的发展和使用情况来看( 如表1 2 所示) ，a 类网的主要总线是t t p a ( t i m e t r i g g e r e dp r o t o e o l a ) 雨ql i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 。 襄1 - 2a 类网络的使用情况 总线名称用户主要使用场合 备注 u a r t ( a l d l ) s i n e b u s e c 1 2 c j 1 7 0 8 1 5 8 7 1 9 2 2 c c d a c p b e a n l i n g m g m g m r e n a u l t t b c h r y s l e r f o r d t o y o t a 许多公司 多种场合 a u d i o 娱乐媒体 h v a c 多种场合 传感器总线 娱乐媒体 控制 智能执行传感器 止在淘汰 应用于无限操纵车轮控制 正在淘汰 极少使用 正逐步淘汰 正逐步淘汰 正逐步淘汰 车身控制 l i n 协会开发 t 1 w a t t t e c h 智能传感器 维也纳理1 大学开发 下r p a 协议最初由维也纳理工大学制定，为时间触发类型的网络协议，主要应用于 集成了智能变换器的实时现场总线。它具有标准的u a r t ，能自动识别加入总线的主节 点与从节点，节点在某段已知的时间内触发通信但不具备内部容错功能。 l i n 是在1 9 9 9 年由欧洲汽车制造商a u d i 、b m w 、v o l v o 、v o l k s w a g e n 、v c t 丰口 坚翟燃 ，鎏鍪 d a i m l e r c h r y s l e r 公司以及m o t o r o l a 公司组成的l i n 协会共同努力下推出的用于汽车分布 式电控系统的开放式、低成本串行通信标准，从2 0 0 3 年开始得到使用。 二、b 类网络标准【4 1 1 | 4 2 1 4 3 b 类网络的使用情况如表1 3 所示。从目前来看，主要被应用的b 类总线标准有三 种：低速c a n 、儿8 5 0 和v a n 。 表1 - 3b 类网络的使用情况 1 9 9 4 年s a e 正式将j 1 8 5 0 作为b 类网络标准协议。最早s a e j l 8 5 0 被用在美国的 f o r d , g m 以及c h r y s l e r 公司所生产的汽车中。现在，j 1 8 5 0 协议作为诊断和数据共享被 广泛应用在汽车产品中。但是，j 1 8 5 0 并不是一个单一的标准，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 公司在相同的物理层上 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。该协议预计在2 0 0 7 年将 停止使用，然后全部转至c a n 总线。 v a n 标准是i s o 于1 9 9 4 年6 月推出的，它基于i s 0 1 1 5 1 9 - 3 ，主要为法国汽车公司 所用【3 戤。 c a n 是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之 间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线，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 。1 9 9 1 年首次在奔驰s 系列汽车中实 现。同年，b o s c h 公司正式颁布了c a n 技术规范( 版本2 o ) ，该技术规范包括a 和b 两 部分。1 9 9 3 年11 月i s o 正式颁布了国际标准i s 0 11 8 9 8 ，为c a n 的标准化、规范化铺 平了道路。此后，越来越多的北美和日本汽车公司也开始采用c a n 网络。1 9 9 4 年美国 汽车工程师协会的卡车和巴士控制和通信子协会选择c a n 作为s a e j l 9 3 9 标准的基础。 低速c a n 具有许多容错功能，一般用在车身电子控制中，而高速c a n 则大多用在汽车 安全相关系统和发动机的电子控制系统上例。 目前，c a n 总线己凭借其突出的可靠性、实时性和灵活性从众多总线中突显出来， 已成为被世界接受的b 类总线的主流协议。 三、c 类网络标准t 4 7 1 【4 9 c 类标准主要用予与汽车安全相关，以及实时性要求比较高的地方，如动力系统， 所以其传输速率比较高，通常在1 2 5 k b s 到1 m b s 之间，必须支持实时的周期性的数据 燮! 鐾型娑黧墼 传输。目前，c 类网络中的主要协议包括高速c a n ( i s 0 1 1 8 9 8 2 ) 、正在发展中的t f p c 、 f l e x r a y 等协议，如表1 - 4 所示： 表l _ 4c 类网络的使用情况 t r p c 协议由维也纳理工大学研发，基于t d m a 的访问方式。n 甲c 是一个应用于 分布式实时控制系统的完整的通信协议，它能够支持多种容错策略，提供了容错的时间同 步以及广泛的错误检测机镥啦同时还提供了节点的恢复和再整合功能。其采用光纤传输的 工程化样品速度将达到2 5 m b s 。t t p c 支持时间和事件触发的数据传输。t 1 p 管理组织 t t a g r o u p 成员包括奥迪、r e n a u l t 、n e c 、t t c h i p 、d e l p h i 等 4 4 1 1 4 7 1 。 f l e x r a y 是b w m 、d a i m l e r c h r y s l e r 、m o t o r o l a 和p h i l i p s 等公司制定的功能强大的通 信网络协议，基于f t d m a 的确定性访问方式，具有容错功能及确定的通信消息传输时 间，同时支持事件触发与时间触发通信，具备高速率通信能力。f l e x r a y 采用冗余备份 的办法，并且对高速设备可以采用点对点方式与f l e x r a y 总线控制器连接，构成星型结 构，对低速网络可以采用类似c a n 总线的方式连接。 欧洲的汽车制造商基本上采用的都是高速c a n 总线标准i s 0 11 8 9 8 。总线传输速率 通常在1 2 5 k b s - 1 m b s 之间。据s l r a t e g ya n a l y t i e s 公司统计，2 0 0 1 年用在汽车上的c a n 节点数目超过1 亿个然而，作为一种事件驱动型总线，现在的c a n 无法为下一代线控 系统提供所需的容错功能或带宽，因为x - b y - w i r e 系统实时性和可靠性要求都很高，必 须采用时间触发的通信协议，所以c a n 从诞生以来一直处于发展之中。下一代的c a n 将支持x - b y - w i r e 系统。就目前来说，c a n 协议仍为c 类网络协议的主谚鞋。 1 3c a n 发展史1 7 1 1 9 j 【2 0 j 1 3 t 起源 1 9 8 6 年2 月，r o b e r t b o s c h 公司在s a e 大会上介绍了一种新型的串行总线c a n 控制器局域网，那是c a n 诞生的时刻。今天，在欧洲几乎每一辆新汽车均装配有c a n 局域网。同样，c a n 也用于其它类型的交通工具，从火车到轮船或者用于工业控制。 c a n 已经成为全球范围内最重要的总线之一。 在1 9 8 0 年的早些时候，b o s c h 公司的工程师就开始论证当时的串行总线用于客车系 统的可行性。因为没有种现成的网络方案能够完全满足汽车工程师们的要求，于是， 坐型：! 筮耋邕基兰董叠鍪 在1 9 8 3 年初，u w ek i e n c k e 开始研究一种新的串行总线。新总线的主要方向是增加新功 能、减少电气连接线，使其能够用于产品，而非用于驱动技术。来自m e r c e d e s b e n z 的 工程师较早制定了总线的状态说明，而i n t e l 也准备作为半导体生产的主要厂商。当时聘 请的顾问之一：来自于德国b r a u n s c h w e i g w o l f e n b t r t e 的a d p l i e ds c i e n c e 大学教授 w o l f h a r d l a w r e n z 博士给出了新网络方案的名字“c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k , 简称c a n 。 1 9 8 6 年2 月，c a n 诞生了。在底特律的汽车工程协会大会上，由b o s c h 公司研究 的新总线系统被称为“汽车串行控制器局域网”。u w ek i e n c k e 、s i e g f i - i e dd a i s 和m a r t i n l i t s c h e l 分别介绍了这种多主网络方案。此方案基于非破坏性的仲裁机制，能够确保高优 先级报文的无延迟传输。并且，不需要在总线上设置主控制器。此外，上述凡位教授和 b o s c h 公司的w o l f g a n g b o r s t 、w o l f g m a g b o t z e n h a r d 、o t t o k a r l 、h e l m u t s c h e l l i n g 、j a n u n r u h 已经实现了数种在c a n 中的错误检测机制。该错误检测也包括自动断开故障节点功能， 以确保能继续进行剩余节点之间的通讯。传输的报文并非根据报文发送器，接收器的节点 地址识别( 几乎其它的总线都是如此) ，而是根据报文的内容识别。同时，用于识别报 文的标识符也规定了该报文在系统中的优先级。 在这种革新的通讯方案的大部分文字内容制定之后，于1 9 8 7 年中期，i n t e l 交付了 首牧c a n 控制器：8 2 5 2 6 ，这是c a n 方案首次通过硬件实现。仅仅用了四年的时间， 设想就变成了现实。不久之后，p 1 1 _ i l i p s 半导体推出了8 2 c 2 0 0 。这两枚最先的c a n 控制 器在验收滤波和报文控制方面有许多不同。一方面，由i n t e l 主推的f u u c a n 比由p h i l i p s 主推的b a s i c c a n 占用较少的c p u 载荷；另一方面，f u l l c a n 器件所能接收的报文数目 相对受到限制，b a s i e c a n 控制器仅需较少的硅晶体。今天的c a n 控卷4 器中，圊一模块 中的验收滤波和报文控制方面仍有相当的不同，制造出b a s i c c a n 和f u l l c a n 两大阵营。 1 3 2 标准化与一致性 在1 9 9 0 年早些时候，b o s c h c a n 规范( c a n 2 0 版) 被提交给国际标准化组织。在 数次行政讨论之后，于1 9 9 3 年1 1 月出版了c a n 的国际标准i s o l l 8 9 8 。除了c a n 协 议外，它也规定了最高至1 m b p s 波特率时的物理层。同时，在国际标准i s 0 1 1 5 1 9 - 2 中 也规定了c a n 数据传输中的容错方法。1 9 9 5 年，国际标准i s 0 11 8 9 8 进行了扩展，以附 录的形式说明了2 9 位c a n 标识符。 当前，修订的c a n 规范正在标准化中。i s 0 1 1 8 9 8 1 称为“c a n 数据链路层”， i s 0 1 1 8 9 8 - 2 称为“非容错c a n 物理层”，i s 0 1 1 8 9 8 3 称为“容镶c a n 物理层”。国际标准 i s 0 1 1 9 9 2 ( 卡车和拖车接1 2 ) 和i s 0 1 1 7 8 3 ( 农业和森林机械) 都在美国标准j 1 9 3 9 的基 础上定义了基于c a n 应用的子协议，但是它们并不完整。 竖型兰鹜 鎏鐾 1 3 3 从理论到实践 生产c a n 模块集成器件的1 5 家半导体厂商主要聚集于汽车工业。从1 9 9 0 年中期 起， p g l _ r l e o n 公司和m o t o r o l a 公司已向欧洲的汽车厂商提供了大量的c a n 控帝4 器。从 1 9 9 0 年后期起，远东的半导体厂商也开始提供c a n 控制器。1 9 9 4 年，n e c 推出了传说 中的c a n 芯片7 2 0 0 5 。 从1 9 9 2 年起，m e r e e d c s - b e n z ( 奔驰) 开始在他们的高级客车中使用c a n 技术。第 一步使用电子控制器通过c a n 对发动机进行管理；第二步使用控制器接收人们的操作 信号。这就使用了2 个物理上独立的c a n 总线系统，它们通过网关连接。其它的汽车 厂商也纷纷赶来斯图加特学习，在他们的汽车上也使用2 套c a n 总线系统。现在，继 v o l v o 、s a a b 、v o l k s w a g e n 、b m w 之后，r e n a u l t 和f i a l 也开始在他们的汽车上使用c a n 总线。 1 3 4c a n 前景展望1 5 1 】1 5 2 】 尽管c a n 协议已经有1 5 年的历史，但它仍处在改进之中。从2 0 0 0 年开始，一个 由数家公司组成的i s o 任务组织定义了一种时间触发c a n 报文传输的协议。b e m d m u e l l e r 博士、t h o m a sf u e h r e r 、b o s c h 公司人员和半导体工业专家、学术研究专家将此 协议定义为“时间触发通讯的c a n ( t t c a n ) ”，计划在将来标准化为i s 0 1 1 8 9 8 - 4 。这 个c a n 的扩展已在硅片上实现，不仅可实现闭环控制下支持报文的时间触发传输，而 且可以实现c a n 的x - b y - w i r e 应用。因为c a n 协议并未改变，所以，在同一个物理层 上，既可以实现传输时间触发的报文，也可以实现传输事件触发的报文。 t t c a n 将为c a n 延长5 1 0 年的生命期。现在，c a n 在全球市场上仍然处于起始 点，当得到重视时，谁也无法预料c a n 总线系统在下一个i o 一1 5 年内的发展趋势。这 里需要强调一个现实：近几年内，美国和远东的汽车厂商将会在他们所生产汽车的串行 部件上使用c a n 。另外，大量潜在的新应用正在呈现一不仅可用于汽车，也可用于家庭 消费。同时，结合高层协议应用的特殊保安系统对c a n 的需求也正在稳健增长。德国 专业委员会b i a 和德国安全标准权威n 已经对一些基于c a n 的保安系统进行了认 证。c a n o p e n - s a f e t y 是第一个获得b i a 许可的c a n 解决方案，d e v i c e n e t - s a f e t y 也会马 上跟进。全球分级协会的领导者之一，o e r m a n i s c h e r l l o y d 正在准备提议将c a n o p c n 固 件应用于海事运输。在其它事务中，规范定义可以通过自动切换将c a n o p e n 网络转换 为冗余总线系统。 山东里l 掌醣i 等啦馓：黼绪论 1 4 我国汽车网络发展状况 网络技术在汽车上的应用是汽车行业发展的必然趋势，特别是在网络协议的制定， 车用统一软件平台下的软件开发及协议芯片的开发制造已成为目前我国汽车领域迫切需 要解决的关键问题。总线技术在汽车上的应用也仅仅处于刚刚起步阶段，目前国内的上 海大众、一汽大众和上海通用等汽车公司的新一代汽车中都采用了总线技术。虽然在国 内生产的一些中、高档轿车和一些卡车、客车中都采用了总线技术，但这些总线技术和 产品的知识产权都在国外，国内还没有具有自主知识产权的汽车网络技术及产品【7 j 。 我国加入w t o 后，随着五年过渡期的即将结束，国外汽车电子技术的优势势必对 我国汽车工业的发展产生重大影响和巨大冲击。为了能在未来全球化的市场竞争中占据 一席之地，必须把握汽车电子技术发展的趋势，以此明确我国汽车电子发展的目标。为 缩短同国外汽车技术间的差距，提高自身的竞争力，加速合资企业国有化进程，单纯靠 技术引进不利于长期发展，消化、吸收、研究和开发具有自主知识产权的汽车网络技术 及应用系统已势在必行瞄j 。 1 5 本文的主要工作 综上所述，c a n 已经成为目前汽车网络的主流，而且c a n 是目前唯一有i 蛩标准的 现场总线。在b 类网络中c a n 可以用作车身动力控制总线，如灯光、空调控制等。在 c 类网络中c a n 主要是用在与汽车行驶安全相关、实时性要求较高的地方，如安全气囊、 悬架控制等。本文的目的就是要采用c a n 来设计一个车身网络，主要工作为： i 车身网络的设计根据某车型设计了车身c a n 控制网络，该网络主要由4 个节 点组成。分别为主控节点、前车灯节点、后车灯节点和发动机信息检测节点。 2 系统硬件电路设计除了为每个节点设计c a n 通讯部分的硬件以外，考虑到车 灯是一种较大的感性负载，并且各车灯的功率不尽相同，因此，在设计前车灯节点和后 车灯节点时，采用了不同的驱动电路；对于主控节点重点设计了翘板开关的检测电路； 对于发动机信息检测节点，主要设计了水温、机油压力、燃油量检测电路以及发动机启 动信号检测电路和发动机转速信号检测电路等。 3 系统软件设计按照c a n 协议，对各个节点所需要的软件进行了设计。制定了 各个节点的标识符、数据单元的定义以及数据发送和接收的流程。 4 电磁兼容的研究由于汽车的特殊使用环境，重点加强了节点和整个网络在电 磁兼容方面的研究。本文利用铁氧体的高频滤波特性以及由铁氧体作为磁芯和其它阻抗 组成的低通滤波器来共同抑制高频和低频的辐射、传导干扰，设计了利用光电耦合器、 t v s 等元器件来抑制线路中的传导干扰的电路。 山茸遥：_ 蝴+ 学谊娩文 2 1c a n 网络分层 第二章c a n 协议技术规范 由于c a n 协议应用于特定的场合，要求网络结构简单、价格低廉、通常还要求数据 传输速度快、满足实时性控制要求。o s i 模型显得过于庞大，数据处理耗时太大，不适 合汽车应用场合的控制，所以c a n 协议只采用了3 层网络结构例【l 9 j 。 为了实现设计的透明性和执行的灵活性，c a n 2 0 a 技术规范中，网络被划分为对象 层、传输层、和物理层三层。对象层和传输层包括了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，这两层应该划分为数据链路层范围。 对象层的功能包括：确认哪个信息要发送：确认传输层接收到的哪些信息真正有用； 为应用层提供接口。 传输层是c a n 协议的核一t l , ，其功能包括：帧组织；总线仲裁：错误检测、报警及故 障界定；确认总线是否空闲；确认是否接收信息；位定时等。和对象层相比，传输层不 能被灵活修改。 物理层定义实际信号的传输方法。物理层在c a n 2 0 a 中没有被定义，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。 如图2 1 所示，c a n 协议技术规范2 ，o b 严格遵守i s o o s i 参考模型，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( l l c ) 子层和媒体访问控 制( m a c ) 子层，这两层的功能分别与2 0 a 中的对象层和传输层功能相对应。 l l c 子层的主要功能有：为数据传输和远程数据请求提供服务；确认l l c 收到自q 数 据是否真正要被接收；过载报警及恢复管理。 m a c 子层是c a n 协议的核心，主要功能是定义传输规则，如帧结构控制、错误检测 及故障界定等服务。和2 0 a 的传输层一样，m a c 子层不能被灵活修改。 物理层定义了信号怎样被实际传输，包括位定时、位编码和位同步等功能。和2 o a 一样，技术规范2 0 b 的物理层中也没有定义驱动器缓收器特性，以便在实际应用申对传 输介质和信号电平进行优化。从对节点的分层结构不难看出，技术规范2 0 b 对c a n 的网 络层次划分更符合i s o o s i 参考模型h 应用层 对象层 一报文滤波 一报文和状态的处理 传输层 一敞障界定 一错误检测和标定 一报文校验 一应答 一仲裁 一报文分帧 一传输速率和定时 物理层 一信号电平和位表示 一传输媒体 图2 - 1c a n 协议2 0 a 和2 0 b 分层结构 2 2c a n 协议的报文帧结构 2 2 1 逻辑电平定义 c a n 能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线。信号采 用差分电压传送，两条信号线被称为“c a n h ”和 c a n l ”，静态时均为2 5 v 左右，此时状 态表示为逻辑l ”，也可以叫做“隐性”。用c a n h l p c a n l 高表示逻辑o ”，称为“显性”。 通常电压值为：c a n h 一3 5 v 和c a n l = i 5 v t 7 1 。 2 2 2 帧类型 报文传输有以下4 个不同的帧类型： l 、数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器 山帮誉d 蝴舞硝啦诧文 2 、远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧： 3 、错误帧：任何单元检测到一总线错误就发出错误帧： 4 、过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附加的延时。 数据帧( 或远程帧) 通过帧间空间与前述的各帧分开。 2 2 3 技术规范2 o a 中的报文格式 数据帧由帧起始( s t a r to f f r a m e ) 、仲裁域( a r b i t r a t i o nf r a m e ) 、控制域( c o n t r o lf r a m e ) 、 数据域( d a t af r a m e ) 、c r c 域( c r cf r a m e ) 、应答域( a c kf r a m e ) 、帧结尾( e n d o f f r a m e ) 等7 个不同的位域组成。数据域的长度可以为0 。 图2 2 技术规范c a n 2 0 a 中的报文格式 仲裁域包括标识符和远程发送请求位( r t r ) 。标识符的长度为位。这些位的发 ：i 差j 瓶序是从i d l o 到d o ，最低位是i d o 。最高的7 位( i d l 0 到) 4 ) 必须不目瞪! 是隐性”。 r 【r 位在数据帧里必须为“显性，而在远程帧里必须为“隐佐。 帧 图2 ，3 伸裁域 控制域由6 个位组成，包括数据长度代码和两个将来作为扩展用的保留位。所发送 的保留位必须为“显性”。接收器接收所有由“显性和“隐性”组合在一起的位。数据长度 代码指示了数据场中字节数量，共4 个位，在控制域罩被发送。 图2 - 4 控制域 数据长度代码是数据字节数的编码( d a t el e n g t hc o d e ) 。数据帧允许的数据字节数 为 o 1 ，7 ，8 ) ，其它的数值不允许使用。数据域由数据帧中的发送数据组成，它可以为 0 8 个字节，每字节包含8 个位。 c r c 域包括c r c 序列( c r cs e q u e n c e ) ，其后是c r c 界定符( c r cd e l i m i t e r ) 。 l l 睬盯；峭婶u 学曲诧空 图2 5c r c 域 c r c 序列是由循环冗余码求得的帧检查序列，最适用于位数低于1 2 7 位( b c h 码) 的帧。为进行c r c 计算，被除的多项式系数由无填充位流给定，组成这些位流的成分是： 帧起始、仲裁域、控制域、数据域( 如果有) ，而1 5 个最低位的系数是0 。将此多项式被 下面的多项式发生器除( 其系数以2 为模) ：x 1 5 + x 4 + x 十x 8 + x 7 + 曩+ 费+ 1 这个多项式除 法的余数就是发送到总线上的c r c 序列( c r cs e q u e r l c e ) 。 应答域长度为2 个位，包含应答间隙( a c ks l o t ) 和应答界定符( a c kd e l i m i t e r ) 。 在应答域里，发送站发送两个“隐性”位。当接收器正确地接收到有效的报文，接收器就 会在应答间隙( a c ks l o t ) 期间( 发送a c k 信号) 向发送器发送一“显性”位以示应答。 圈2 _ 6 应答域 应答间隙：所有接收到匹配c r c 序列( c r cs e q u e n c e ) 的站会在应答间隙期间用一 “显性”的位写入发送器的“隐性”位来作出回答。a c k 界定符是a c k 域的第二个位，并且 是一个必须为“隐性”的位。因此，应答间隙被两个“隐性”的位所包围，也就是c r c 界定 符和a c k 界定符。帧结尾是数据帧和远程帧的一个标志序列。这个标志序列由是7 个连 续“隐性”位组成。 2 2 4 技术规范2 0 b 中的报文格式 帧 技术规范2 o b 中的报文格式与2 o a 的报文格式一样也是由7 个不同的位域组成 s e o 仲裁域控制域 数据域 c r c 域a c k 域 o帧间空间 间空间 f f 圈2 7 技术规范2 0 b 中的报文格式 帧起始( s o f ) 标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个“显性位组成。只在总线空 闲时才允许发送。所有的站必须同步于首先开始发送报文的站的帧起始前沿a 标准格式帧与扩展格式帧的仲裁域格式不同。标准格式里，仲裁域由l l 位标识符和 r t r 位组成。扩展格式里，仲裁域包括2 9 位标识符、s r r , 位、i d e , 位、r 1 限位。其标识符 盥型燮 i 警型氅些i 坠 l - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - t _ _ - _ _ _ - s _ 一”= ：= 二 由i d 2 8 一i d o 组成。为了区别标准格式和扩展格式，c a n 2 o a 的保留位r i 在c a n 2 0 b 中表 示为i d eb i t 。 扩展格式 仲裁域 控制域 萎蓦卧t 符i 卜黼b ri d l ct = 图2 - 8 标准格式和扩展格式的仲裁域比较 标准格式标识符的长度为1 l 位，相当于扩展格式的基本i d 。这些位按) 2 8 到i d l 8 的 顺序发送，最低位是d 1 8 ，7 个最高位( i d 2 8 i d 2 2 ) 必须不能全是“隐性”。扩展格式标 识符的长度为2 9 位，包含两个部分：1 l 位基本i d 、1 8 位扩展i d 。基本i d 包括l l 位，按i d 2 8 到i d l 8 的顺序发送，相当于标准标识符的格式。基本l d 定义扩展帧的基本优先权。扩展i d 包括1 8 位，它按d 1 7 到i d o j i 魔字发送。标准帧里，标识符其后是r t r 位。 r t r 位的全称为“远程发送请求位( r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s tb i t ) ”。在数据帧 里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性”。扩展格式里，基本i d 首先发送，其次是 i d e 位和s r r 位。扩展i d 的发送请求位位于s r r 位之后。 s 呲的全称是替代远程请求位( s u b s t i t u t e r e m o t e r e q u e s tb i t ) ”，是一隐性位。 它在扩展格式的标准帧r 1 限位位置。代替标准帧的舳t 位。因此，标准帧与扩展帧的冲 突是通过标准帧优先于扩展帧这一途径得以解决的，扩展帧的基本舫如同标准帧的标识 符。 i d e 位的全称是标识符扩展位( i d e n t i f i e re x t e n s i o nb i t ) ”属于扩展格式的仲裁域， 标准格式的控制域。标准格式里的i d e 位为“显性”，而扩展格式里的i d b 位为“黪性”。 控制域由6 个位组成。标准格式的控制域和扩展格式的不同，标准格式控制域包括 数据长度代码、i d e 位、及保留位l o 。扩展格式控制域包括数据长度代码和两个保留位： r l 和r o ，其保留位必须发送为显性，但是接收器认可显性”和“隐性位的组合。 图2 - 9 控制域 数据长度代码指示了数据域里的字节数量，扩展帧与标准帧的数据长度代码和意义 都一样。扩展帧中的c r c 域和a c k 域与标准帧的相同，就不再赘述【嘲。 i l 捆：艚 j l 醑目啦毙业 2 2 5 远程帧 通过发送远程帧，作为某数据接收器的站可以初始化通过其资源节点传送不同的数 据。远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6 个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、 控制域、c r c 域、应答域、帧结尾。与数据帧相反，远程帧的r t r 位是“隐性”的。它没 有数据域，数据长度代码的数值是不受制约的( 可以标注为