（机械电子工程专业论文）基于canlin总线的车灯控制系统设计.pdf

i l n 删i n gu i l i v e r s i t ) ro f a e r o n a u t i c s a 1 1 da s 仃o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h 0 0 1 c 0 1 1 e g eo f m e c l 均血c a la i l de 1 e c t r i c a le n g i l l e 耐n g a d e s i g no f a u t o m o t i v el a m p sc o n t r o l s y s t e m b a s e do nc a n l i nb u s an e s i si n m e c h a l l i c a le n g i l l e e 血g b y b a 0h e c b u a n a 捌s e d b y a s s o c i a t ep r o f e s s o r l gm i i l g s u b m i t t e di np 耐i a lf u l f i n i n e n t f o rm ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e 鲥n g f e b ，2 0 0 9 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 南京航空航天大学硕十学位论文 摘要 随着汽车电子技术的发展，越来越多的电控设备被应用到汽车上，仅车身电子方面就有电 动座椅控制模块、电动后视镜控制模块、车灯控制模块等。这些电控设备在提高汽车舒适性的 同时，也带来了成本增加、布线复杂、故障率上升等问题。因此，人们提出了用串行通讯网络 代替繁琐的现场连线以解决上述问题。 本文深入研究和分析了汽车网络中应用最为广泛的串行通信总线l i n l 2 总线协议规范和 c a n 2 o 总线协议规范，探讨了l i n 总线协议和c a n 总线协议软件实现的技术。在此基础上，本 文设计了一种基于c a n l i n 混合网络的车灯控制方案。该方案开发了智能化的主机节点和从机 节点，完成了主从节点的硬件选型和电路设计，包括c a n 模块、l i n 模块、功率驱动模块、电 源模块的电路设计及其选用芯片的性能分析介绍；然后开发了符合l i n l 2 和c a n 2 0 总线协议 的软件程序，实现了单主多从的总线型网络拓扑结构；最后在p c 机上利用v i s u a l b a s i c 开发软 件设计了人机交互界面，通过u s b - c a n 网桥与车灯控制模块进行通讯，对整个车灯控制模块进 行调试和管理。 ，本系统已经在实验室完成了硬件平台的搭建，以及控制软件的设计、调试。试验证明，系 统的控制效果良好。同时本方案也可以应用于其他车身控制模块，具有良好的可扩展性和一定 的应用前景。 关键词：汽车电子，车身控制，c a n 总线，l i n 总线，车灯控制 基于c a n 几i n 总线的车灯控制系统设计 a b s t r a c t a 占n l ed e v e l 叩m e n to f 咖。虹v ee l e c 仃0 n i c s ，m o r e 柚d 砌眦e l e c 仃o l l i cc n 0 l l 铘a r ea p p l i e d a u t o l n o t i v 豁o i l l yo n 鲫t o m o t i v eb o d yc o n t r o lm e 他a s o 脚舡i ye l 缸嘶cc o n t r 0 i u e 塔s u c h 雒 e l e c t m 衄撕o ns e a tc o n 白l l e r 坞盯、，i e w 加i r r o rc o n 如r o l l e r 觚da u 咖付v el 唧sc m 仃o n e 瑙e t c a s n l e s ec 伽| 仃0 i u e 琏i m p m v et h ec o m f 0 no f 卸删v e s ，t l l e ya l s oc a 瑚en 珈哕p r o b l 即格弧c h 私l l i g h e r c o s t ，l l i 曲盱缸l u 托眦锄di n c 他嬲i n go f 丽血g 呷l 喇够i i l d e rt 0 l v e 锄c hp r o b l 钮塔p e 叩l e s u g g e s t 懈i i l gs 舐a lc 0 删加n i c a t i m tt 0r e p l a c et h ec 伽叩l 懿f i e l dc o 曲e c t i 1 1 l i sp a p e r 他s e a r c h e sa n d 柚a l y 笳sl n b 璐p r o t o c o lv e 岱i o n1 2a n dc a nb 璐p r o t i d c o lv e 培i 2 o ，她dd i s c 璐s e ss e v e r a lt e i 妇1 0 l o 百e sb 越e d0 nc a n 锄dl np r 0 眦0 1 t h 饥t l l i sp a p 盯m 髓6 0 船a a u t 伽t i v el 锄叩sc o n 缸- o lp r 0 伊锄b 勰e do nca n i ，i nm 妇dm 细o d ! 【，d c v e l o p i n gai n t e n i g e n t m 嬲t e rn o d e 孤df 0 u rs l a y en o d e sa c c o r d i i l gw i t l lt l l ep r o t o c o l s ，丘l l i s l l i i l gc h o i c eo fc h i p s ，孤a l y z i i l go f c h i pp e m 脚姗c ea n dd c s i 弘o fc 讹血i 眦l u 血培c a nm o d u l e ，l nm o d u l e ，p o w 盯d f i v 盯m o d u l e a n dp o w c rm o d i l l e ；m l i sp 印盯d e v c l o p sas o f h a c o r d i r 唱砌lc a np 舳c o l 锄du n p r o t o c o l ，w h i c hi n | p l i l n e 鹏a tt 叩o l 哂c a ls 仃u 曲鹏诚hs i n 酉em 舔t e rn o d e 龃d 舢h y s l 撇d e s a tl a 瓯n 圮p 印e rd e v e l o p sah 1 瑚a d 加删睇i n t e m c t i o ni n t e 出c e 、历t l l s u a lb 弱i cs o f t w a p c w l l i c h 耐hc o m 删m i c a t e 丽mt 量璩a u t o m o t 抑el 鲫d p sc o n _ b o lm o d u l ew i mau s b - c a n 嘶d g c i t 谢u h e l pt 0d e b i 唱趾dm a m g e t l l ew h o l e 飙地加。石v el a i 印sc o n l x d l 皿d 硼e n l i sp r o j e c th 船觚s h c dt l 圯b u i l to fh a r d 啪t e s t b e 眦h ，强d 吐坨d e s i 弘，以b u g g i i l go fs o f h 阳代 t h e s u l to ft e s ts h d w st 1 1 ep r o j e c tw o r i 路w e u t h i sp 删e c tc 锄a l s ob ea p p l i e do n0 t h e r 越地瞰n o t i v e c o n 仃0 n e 埽，i ti se ) 曲e l 塔i v e 锄dl 皿sg p o da p p h c a 缸o np r o s p e c t k e yw o r d s ：a u t o m o t i 、他e l e c 仃o l l i c s ，m m 加缸v eb o d yc o n t r o l ，c a nb 吣，l i nb l 璐，饥曲n o t i v e l a 叩sc o n l r o i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 选题意义及背景1 1 2 汽车总线技术概述2 1 3 车用网络拓扑结构4 1 3 1 并列结构。5 1 3 2 分层结构6 1 4 本课题研究内容6 第二章c a n i ，n 总线汽车灯光控制系统总体方案介绍7 2 1 方案设计原则7 2 2 车灯控制网络拓扑结构选择7 2 2 1 现场连线控制方案8 2 2 2 单一c a n 总线控制方案9 2 2 3ca n i 矾混合网络控制方案。9 2 3 方案的结构和内容1 0 2 3 1 主控制器功能介绍1 0 2 3 2 从控制器功能介绍。l l 2 3 3a n 总线系统介绍1 2 2 3 4 【j n 总线系统介绍1 3 2 3 5c a n i 斟混合网络和协议转换1 4 第三章系统的硬件设计1 6 3 1 控制器( m c u ) 的选择1 6 3 1 1 主控制器m c u 选择1 6 3 1 2 从控制器m c u 选择17 3 2 电源设计1 9 3 2 1 车载电源工作环境分析1 9 3 2 2 电源电路设计2 0 3 3c a n 收发模块设计2 l 3 4l n 收发模块设计2 3 3 5 功率驱动模块设计2 4 3 5 1 数字量诊断输出组2 5 3 5 2 模拟电流传感器诊断输出组2 6 第四章系统的软件开发2 8 4 1 功能说明2 8 4 2c i a n 总线协议介绍2 8 4 2 1c a n 基本概念2 8 4 2 2c a n 报文传输2 9 基于c a n 几i n 总线的车灯控制系统设计 4 2 - 3c a n 总线协议特点分析3 4 4 3l 烈总线协议介绍3 4 4 3 1l 总线基本概念3 4 4 3 2l ，i n 报文结构和传输3 6 4 3 3l n 总线特点分析。3 8 4 4c a n 节点软件开发3 9 4 4 1 后台监控模块4 0 4 4 2c a n 接收模块4 0 4 4 3c a n 发送模块4 2 4 4 4u n 发送模块4 3 4 4 5l 矾查询模块4 4 4 4 6 定时查询模块4 6 4 5l 矾从机节点软件开发4 6 4 6l 烈从机节点功能模块开发4 7 第五章上位机软件开发5 0 5 1p c 机与控制系统节点通讯接口开发。5 0 5 2 上位机软件的功能介绍5 l 5 2 ，1 函数库中的数据结构定义5 1 5 2 2 接口库函数说明5 2 5 2 3 人机交互界面设计5 3 第六章总结与展望。5 9 6 1 总结5 9 6 2 展望5 9 参考文献。：6 1 致谢6 3 硕士期间发表的学术论文。6 4 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 车用并列网络结构图5 图1 2 车用分层网络结构图6 图2 1 现场连线式车灯控制方案图：8 图2 2 单一c a n 总线车灯控制方案图9 图2 3c a n l i n 混合网络车灯控制方案图。9 图2 4 系统结构示意图。1 0 图2 5 主控制器功能示意图：l l 图2 6 从控制器功能示意图。1 1 图2 7l i n 网络功能示意图。1 4 图3 1 抛负载状态下的脉冲描述2 0 图3 2 电源电路图2 1 图3 3t j a l 0 5 0 应用电路图。2 3 图3 4l i n 主节点收发器电路图。2 4 图3 5l i n 从节点收发器电路图2 4 图3 6 小功率灯驱动电路2 5 图3 7 大功率灯驱动电路2 7 图4 1c a n 总线分层结构2 9 图4 2c a n 报文的数据帧格式3 0 图4 3 数据帧中仲裁域格式3 1 图4 4 应答域格式3 2 图4 5c a n 报文错误帧格式3 2 图4 6 远程帧格式3 3 图4 7 过载帧格式3 3 图4 8 汽车中的主要网络协议。3 5 图4 9l i n 协议的o s i 参考模型3 6 图4 1 0l i n 报文帧格式3 6 图4 1 1l i n 报文帧同步间隔场3 7 图4 1 2l i n 报文帧同步场3 7 图4 1 3l i n 报文帧标识符场3 8 图4 1 4l i n 报文数据场。3 8 图4 1 5l i n 报文校验和场3 8 图4 1 6 后台监控模块流程图4 0 图4 1 7m s c a n 报文接收结构4 1 图4 1 8c a n 接收中断服务流程图4 2 图4 1 9c a n 发送模块流程图4 3 图4 2 0l i n 发送模块流程图4 4 图4 21l i n 查询模块流程图4 5 基于c a n l i n 总线的车灯控制系统设计 图4 2 2 定时查询模块流程图4 6 图4 2 3l i n 从机节点流程图4 7 图4 2 4p 删信号示意图4 8 图4 2 5 近光灯开启流程图4 8 图4 2 6 转向灯开启流程图4 9 图5 1p c 机与c a n 节点连接示意图5 0 图5 2u s b c a n i 接口函数使用流程图5 2 图5 3 车灯控制面板截图5 4 图5 4c a n 总线参数初始化界面5 5 图5 5 开近光灯c a n 报文5 6 图5 6 右前节点近光灯开载故障c a n 报文5 8 表清单衣j 再早 表3 1t j a l 0 5 0 引脚功能表。2 2 表3 2b t s 7 2 4 g 故障反馈的真值表。2 6 表3 3b t s 6 1 4 3 d 故障反馈真值表。2 6 表4 1 信号量定义4 0 表4 2l i n 报文帧定义。4 3 表4 3l i n 报文帧数据场d a t a _ 0 位定义4 4 表5 1c a n 总线波特率设置表5 5 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题意义及背景 随着汽车电子技术的发展以及汽车功能的不断完善，各种电控设备在汽车中的应用越来越 多。汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是衡量现 代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技术措施。汽车不再是消 费者心目中简单的代步工具。安全性、舒适性、智能化成为消费者对现代汽车提出的进一步诉 求，而这些都是和汽车电子控制技术密不可分的。加强汽车电子控制是汽车工业的重要目标之 一，也成为汽车业者实现产品差异化的主要手段，汽车制造商认为增加汽车电子设备的数量、 促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的重要的有效手段。同时，实现汽车电子控制网络化更是 当今和未来汽车的主要发展方向。由于汽车上的电子装置数量的急剧增多，汽车电气系统变得 日益复杂。各种汽车电子装置的出现对汽车的综合布线与信息交互也提出了更高的要求n 】。 汽车中各种功能的不断完善，使汽车电子控制单元越来越多，控制装置的数量和复杂性也 不断增加，庞大的线束不但会占去大量的车内空间，增加系统的成本，同时也降低了系统的可 靠性和可维护性。传统电气节点大多采用点到点的通信方式，缺乏信息共享的同时也造成庞大 的布线系统，这无论是从成本、维护和工作效率的角度来看都是不合算的。为了减少连接导线 的数量和重量，繁琐的现场连线正在被单一简洁的现场总线网络所代替：通讯线将各种汽车电 子装置连接成一个网络，通过数据总线发送和接收信息。而现场总线技术的不断发展和其内容 的不断丰富，使各种控制、应用功能模块、控制网络的网络管理、系统管理等内容不断扩充， 现场总线已经超出了原有的定位范围，不再只是通信标准和通信技术，而成为网络系统和控制 系统。通讯线将各种汽车电子装置连接成为一个网络，通过数据总线发送和接收信息，这样电 子装置不仅可以完成各自的控制功能，还可以为其他控制装置提供数据服务。由于使用了网络 化的设计，简化了布线，减少了电器节点的数量和导线的用量，使装配工作更为简化，同时也 增加了信息传送的可靠性。通过数据总线可以访问任何一个电子控制装置，读取故障码对其进 行故障诊断，使整车维修工作变得更为简单。网络化的设计使各个功能模块之间相互独立，互 不影响，便于后期系统的扩展和升级馏1 。 汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。目前，欧美发达国家生产的汽车，每辆汽车上电 子装置的平均成本已占整车成本的3 0 5 0 。在豪华轿车上，电子产品的成本已占整车成本 的5 0 以上。有些公司生产的高档汽车上安装了专用的电子系统，例如丰田汽车公司的w t _ i 新型智能可变节气门控制系统、粥p 马莎拉蒂稳定程序、p s m 保时捷行车稳定管理系统、p t m 保 时捷牵引力管理系统、p a s m 保时捷主动悬架管理系统等等。近几年，我国汽车产业发展迅猛， l 基于c a n l i n 总线的车灯控制系统设计 特别是轿车产业。我国的巨大市场潜力吸引了全球知名汽车厂商的目光，纷纷来华投资，凭借 这些跨国企业提供的技术、硬件、以及产能上的保障，我国在短短几年时间内成为全球知名的 汽车生产国。快速发展的汽车产业为汽车电子产品提供了广阔的应用市场，从2 0 0 4 年开始我国 汽车电子市场随着汽车产业一起进入快速发展时期。当前，汽车由单纯的机械产品逐步演变为 一种高级的机电一体化产品。并向着电动汽车( 含混合动力车) 和智能汽车的方向发展。使汽车 电子市场进入了一个稳定且快速增长阶段；同时第三代移动通信、高清数字电视、卫星导航、 移动网络等越来越多的i t 技术被逐步移植到汽车上，电子装置占整车的价值比显著提高，汽车 电子产业也随之蓬勃发展1 。 现代汽车电子技术的应用不仅提高了汽车的动力性、经济性和安全性，改善了汽车行驶的 稳定性和舒适性，推动了汽车产业的发展，而且还为电子产品开拓了更加广阔的市场，从而推 动了电子产业的发展。作为汽车产业和电子产业结合的产物，汽车电子产业的发展已经驶上了 快车道。 1 2 汽车总线技术概述 汽车总线技术是现场总线的应用之一，最初现场总线只是用于工业控制。所谓现场总线是 应用在生产最底层的一种总线型拓扑的网络，进一步讲，这种总线是用作现场控制系统的，直 接与所有设备节点串行相连的通讯网络。汽车电子控制的现场范围可以从车窗升降器驱动机构 到仪表显示装置，也可以从汽车悬架系统到发动机电子点火系统、安全气囊系统。汽车上受控 设备和网络所处的环境很特殊，对信号的干扰往往是多方面的，而不同的部分要求控制的实时 性也有所区别，这决定了汽车上的现场总线既有区别于一般网络的特点又具有区别于一般工业 自动化控制现场总线的特点。 汽车数据传输网按照其网络功能分为：车身控制网络、车载数据网络、信息多媒体网络、 动力系统网络、安全系统网络等。不同汽车厂商在实现相同功能时候可能使用不同的技术。不 同类型速率的网络通过网关实现全部节点之间的信息共享。 车用总线技术种类繁多，汽车网络化的趋势使得c a n 、l i n 、f l e x r a y 、m o s t 等网络总线在 汽车中应用日趋升级。由于汽车不同的控制对象对信号传输有不同的要求，需要相应的网络总 线控制，如车身控制应用l i n 总线，动力系统和安全系统应用c a n 、f 1 e x r a y 总线，汽车多媒体 应用m o s t 等。下面介绍最为流行的c a n 、l i n 、f l e x r a y 和m o s t 等汽车网络总线技术。 1 c a n 总线。c a n 是“c o n t r o l l e r a r e a n e t 们r k ”的缩写，意即“控制器局域网”。它是国 际上应用最广泛的现场总线之一。c a n 最初出现在1 9 8 3 年的汽车工业中，由德国b o s c h 公司提 出。提出c a n 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少 不断增加的线束。1 9 9 3 年，c a n 已成为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 低速应用) 。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 c a n 是一种多主( 1 m l t i - m a s t e r ) 串行通讯总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。 c a n 通信方法是“基于报文”而非“基于地址”的，即网络中的节点通过报文标识符来决定是 否接收该数据。因此，一个由c a n 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。c n 总线具有很高的实时性，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出 产生的任何错误。当信号传输距离达到1 0 l 【m 时，c a n 仍可提供高达5 k b p s 的数据传输速率。目 前在汽车应用中的可根据流量性质的不同，使用两条独立的c a n 总线。第一条c a n 总线应用于 车身控制网络，它的功能是控制乘客的舒适系统，因此该网络主要处理多种无序或以非规律频 率出现的消息标识符。另一条c a n 总线应用于汽车动力网络( p o w e r t r a i nn e t w o r k ) ，它的功能 是传输与引擎和传动控制有关的消息，这些待处理信息的类型相对单一，但出现的频率却非常 快，也非常有规律。由于需要处理的信息类型的不同，导致两种网络在硬件和软件系统设计上 也大相径庭。总的来说，车身控制网络的c a n 在速率上远低于动力网络的c a n 。但车身控制网 络c a n 的技术含量要高于动力网络c a n ，因为车身控制c a n 系统中使用了网络管理的方法，实 现了单线工作。 2 l i n 总线。l i n ( l o c a li n t e r c o 姗e c t e dn e t 们r k ) 即“本地互联网络”，由a c e a ( 欧洲汽 车制造商协会) 设计，是一种基于s c i ( s e r i e sc o 删n i c a t i o ni n t e r f a c e ) 、u a r t 串行接口的 单主节点多从节点的低成本、短距离、低速网络。l i n 最早是为汽车传感器和制动器的联网应 用而开发的，旨在传送开关设置和传感器输入等状态的变化，并对这类变化做出响应，因此可 用于传送发生时间约为几分之一秒的事件，并不适用于汽车应用中的高速事件( 如引擎管理) 。 由于l i n 网络瞄准的是低端应用，所以l i n 网络节点的通讯成本都必须大大低于c a n 节点， 且无需c a n 的高性能、高带宽和多功能。l i n 相对于c a n 的成本节省主要是由于采用单线双向 传输、芯片中硬件或软件的低成本实现，以及采用r c 振荡电路的m c u 而无需在从属节点中使用 石英或陶瓷振荡器。l i n 是现有汽车多重传输网络的补充，因为汽车制造商对不同的应用使用 不同的总线系统。例如动力传动系统多数采用c a n 总线来连接，而通讯不太密集的应用则使用 l i n 协议。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、 湿度传感器、交流发电机或r f 接收器等。对于这些成本比较敏感的单元，l i n 可以使那些机械 组件如智能传感器、制动器或光敏器件得到较广泛的使用。这些组件可以很容易的连接到汽车 网络中，并接入各种类型的诊断和服务。在l i n 实现的系统中，通常用数字信号替换模拟信号 而使总线性能得到优化。 3 f 1 e x r a y 总线。f l e x r a y 联盟由汽车厂商和半导体厂商组成，目标为制定满足人们对能够 与汽车中复杂度不断增加的电子装置相适应的、性能更高的汽车总线的需求。作为灵活的通讯 系统，f 1 e x r a y 能够满足未来先进汽车应用或“线控”( x - b y l r i r e ) 应用的高速网络通信系统的 需要。 3 基于c a n l i n 总线的车灯控制系统设计 f l e x r a y 支持双信道通信，每个信道的速率达到1 0 m b p s 。双通信信道主要用来实现冗余， 但并不是所有消息都必须冗余传输，这就避免了带宽的过多损耗。与c a n 协议相比，它能将可 用带宽提高1 0 4 0 倍。f 1 e x r a y 具有如此高的数据速率，因而非常适合于汽车骨干网络，用于 连接多个独立网络。随着丰田、日产、本田、现代以及起亚等主要亚洲汽车生产商的加入，f 1 e x r a y 进一步加强了其创建针对汽车线控操作技术通用标准上所做的努力。此外，f l e x r a y 还能让汽 车实现主动安全，并通过智能驾驶辅助系统获得新的舒适性。 4 车载媒体总线。为适应未来汽车多媒体娱乐系统发展的需要，未来车载d v d 、导航系统、 音响、显示器等将通过数据总线集成在一起，以传输移动图像，这也就需要传输速率更高、更 快的网络总线。这些车载媒体总线也很多，主流的有m o s t 、i d b 一1 3 9 4 、d 2 b 、蓝牙。 汽车总线技术的先进性加速了汽车使用现代先进电子技术的发展，提高了汽车的性能。汽 车网络化是大势所趋。世界各大主要汽车厂商所制造汽车的车身网络控制、底盘网络控制和动 力网络控制的技术平台均己建立。不断提高各网络平台安全性和可靠性的同时，全面采用网络 控制技术已成为各大厂商的追求。使用线控作为一项全新的汽车工程概念，必将促进控制系统 网络向高速、实时、容错方向发展。同时，要实现完善的车内办公和娱乐功能，信息处理和多 媒体网络的带宽必将越来越高。多种汽车网络通信协议的存在，致使行业缺乏统一的标准，无 形中增加了各车厂的制造成本，由于市场竞争的缘故，建立统一的汽车网络协议体系将会是十 分艰巨的。但随着技术及应用的发展，建立统一标准必然成为各汽车制造商、半导体厂商以及 汽车电子系统商之间的取向。总之，车载网络远未成熟，还有很大的发展空间，汽车网络化的 发展向汽车电子提出更高支持要求的同时也出现更多的需求疆7 1 。 1 3 车用网络拓扑结构 早期的汽车网络中节点的数量不多，一般为4 5 个，主要由控制器和现实设备组成，这一 时期汽车网络的网络结构多采取了单总线形式，所有节点连在同一类型的总线上，通过合适的 仲裁机制即可实现多路传输。然而随着节点的不断增多，通讯量不断增大，节点间对通讯功能 的要求的区别也越来越大，同时节点在车内分布的范围越来越广，单一的总线网络结构在实现 车内通讯时越来越显得力不从心，这主要体现在： 总线带宽难以满足通讯负载：所有节点的消息在同一媒质上传输，节点的增多使得总线上 越来越“拥挤”。 通信效率减低：所有的节点都连接在同一总线上，但是很多节点之间是不经常通讯的，这 就浪费了系统资源，降低了通信的效率。 实时性降低：网络上的某些节点对通信的实时性有很高的要求，如果所有节点连接到同一 媒质上，必然导致资源的竞争，即使在合适的仲裁策略下，优先级最高的消息在大通讯负 4 南京航空航天大学硕士学位论文 载下也有很大概率被延迟。 性价比降低：不同节点对通信的性能要求是有较大差别的，如果所有节点连接在同一媒质 上，则该网络必须满足对性能要求最高的节点，而这将造成很大的浪费，降低了整个网络 的性能价格比。 针对这些问题，近年来的汽车网络采用机制较为复杂的网络结构。针对通讯负载、实时性 问题，网络上的节点经过了精心划分，被连接到不同网段中，对通讯性能要求接近同时功能密 切相关的节点被配置到同一网段中，以总线连接，网段之间以网关连接。近年来出现了“子总 线一概念，用于接入子网骨干网的两层结构组织网络。一些物理上分布接近的节点先通过子总 线连接成本地网，本地网再通过网关接入到速率较高的主控制器网络嘲。 目前有两种最基本的网络结构，分别是并列结构和分层结构，它们各自适用于不同的网络 特性。 1 3 1 并列结构 发动机控制 悬架控制牵引力控制 e ( e c ue c u e c u ooo c a n 总线。高速网络， 0 h 冲央控制器 n l i n 总线( 低速网络) nnnn 车灯控制电动座椅控 车门控制 e c u 制e c ue c ue ( 图1 1 车用并列网络结构图 并列结构适合连接功能相对独立的网段，在这种网络结构中，不同网段之间的信息交换一 般较少，网段问的信息交换通过网关实现，图1 1 是一个典型的并列结构。 并列式网络结构的特点是：同一子集的节点以总线方式连接；不同总线之间通过专门的网 关连接；不同总线上设备之间是相互通信的关系；网络管理功能往往集成在网关中实现；不同 子集之间通信一般较少口1 5 基于c 州l i n 总线的车灯控制系统设计 1 3 2 分层结构 分层结构式随着近年来“子总线 的出现而出现的，它适合连接子网和控制器网络，在这 种网络结构下，功能相对简单的传感器执行器被连接到本地子网络，再通过网关连接到控制器 网络上。图1 - 2 是分层结构的典型应用。这种结构最主要的特点是：同一子集的节点以总线方 式连接；通过网关实现下层总线和上层总线之间的信息交换；局部的网络管理功能集成在网关 中实现；网关和下层总线上的节点之间通常是主从关系，从节点不能自己开始通讯，而只有在 主节点要求时才可以进行u 叭1 。 1 4 本课题研究内容 图1 2 车用分层网络结构图 本课题研究开发了一套基于总线技术的汽车车灯控制系统，在总线类型选择上采用目前国 际主流的c a n 和l i n 总线协议，符合c a n 2 o b 协议和l i n l 2 协议。主要做的工作如下： 1 _ 分析确定整个控制系统的总体方案，并按照最终方案进行系统的软硬件设计。 2 选定系统所需的各种芯片，以及芯片资料的收集研读，原理图的设计，p c b 板制作，搭 建了硬件实验平台。 3 研究分析c a n 2 o b 协议和l i n l 2 协议内容，制定出符合协议要求的通信网络。 4 软件的编写调试，主要包括c a n 通信模块的开发，l i n 通信模块的开发，c a n l i n 通信 网关开发，以及各个l i n 从节点的功能模块开发。 5 利用v i s u a lb a s i c 软件开发人机交互界面，通过u s h n 协议转换器作为一个c a n 节点 与车灯控制模块通信，模拟各种车灯控制量的发送，并实时显示车灯模块内产生的故障信息。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章c a n l in 总线汽车车灯控制系统总体方案介绍 本章主要介绍汽车车灯控制方案的的设计原则，车灯控制网络拓扑结构的论证和确定依据， 并详细叙述了选定方案的各个功能模块的硬件选型及结构。 2 1 方案设计原则 汽车电子网络化的主要目的是解决成本增加和多种电子系统造成的重量增加的问题，非网 络化系统中的每个子系统通常含有自身的配线线束，该配线线束连接到电子控制单元、电池、 仪表控制板、传感器，由分开的铜线组成的配线明显地增加了车载的重量和成本。对于这一问 题的解决方案是在可能的地方替换掉原有的独立的配线系统，采用复用串行通信总线。理论上 讲，采用总线系统可以将车载中所有的相关系统连接起来，这样会减少线束的数量、重量、缩 短装配周期，并且通过减少连线的数量还能够提高系统的可靠性。 本课题主要研究对象为汽车的照明系统，属于车身控制网络中的一部分，系统主控制器通 过低速c a n 总线挂接在整车控制网络中，实现与整车网络的数据传输和信息共享。汽车的照明 系统属于汽车网络控制中的低端应用，不需要c a n 网络的高传输速率和高带宽，而l i n 总线无 论是从成本还是控制性能来看都能够满足照明系统的控制要求，因此通过l i n 总线构建主控制 器与各个从控制器间的通讯网络，主控制器作为c a n l i n 的网关节点实现照明系统与整车网络 的数据传输。 对于本系统而言，设计时必须考虑系统的性能、功耗、成本、可靠性、可升级和可扩展性， 这些技术或使用要求有些是相互影响的，有些是相互矛盾的，这就要求根据系统需求进行权衡， 突出重点加以折中。这样的考虑在需求分析后，应该贯穿于设计的全过程，包括理论分析、方 案论证、器件选择、原理图绘制、p c b 板制作、软件编写和系统调试等各个阶段。成本对于任 何希望产品化的设计来说都是一个很重要的因素，决定了产品的生命力，特别是在汽车电子应 用中。功耗对于任何产品的设计也同样是一个需要关注的指标，在硬件上要首先选择低功耗的 c m o s 电路以及有空闲模式和集成度较高的器件。在软件设计中，要优化逻辑，充分利用器件的 空闲模式。 2 2 车灯控制网络拓扑结构选择 通过绪论中叙述，可以得知车身控制网络可以有多种网络拓扑结构可以选择，本节主要分 析几种车灯控制网络各自的特点，确定最终的控制方案。 7 基于c a n l i n 总线的车灯控制系统设计 2 2 1 现场连线控制方案 此方案将车灯控制模块，作为一个c a n 网络节点，连接在低速c a n 总线上，所有的车灯控 制线与一个微控制器( m c u ) 的多个i 0 口连接，由单个微控制器实现所有车灯开关的控制，如 图2 1 所示1 羽。 溉 谴 甑疑 图2 1 现场连线式车灯控制方案图 由图2 1 可知，所有的车灯直接由一片微控制器的i o 口通过控制线连接控制，这就对微 控制器的性能提出了很高的要求，考虑到系统后期的扩展升级，备选的微控制器需具有较多的 i o 口；由于车灯在汽车车身的前端和后端均有分布，这就需要大量的控制线束连接各个车灯， 很容易产生电磁干扰，影响整车网络的正常运行，同时线束的增多也增加了车灯控制模块的重 量和成本；由于所有的车灯只由一块控制器控制，一旦此控制器出现异常，将导致整车的车灯 均不能正常运作，从而不利于行车安全。综合以上几点论述，我们认为现场连线式车灯控制方 案不是最优方案。 8 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 2 单一c a n 总线控制方案 考虑到汽车车灯在车身的分布范围，将车灯按其分布位置将其分为四个节点，即右前控制 节点，右后控制节点，左前控制节点，左后控制节点。各个节点通过c a n 总线相连如图2 2 所 示。 左前节点 右前节点 蛐c u 砾叫 c a n 总线 左后节点 右后节点 m c u m c u 图2 2 单一c a n 总线车灯控制方案图 由图2 2 可知，车灯控制模块共有四