（载运工具运用工程专业论文）can车载媒体网络管理研究.pdf

摘要 随着电子技术在汽车中的拓展，特别是在上个世纪末以后，m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 在汽车中得到了广泛应用，也出现了基于数据通讯的车载网络， 这为提高汽车性能和减少线束数量提供了有效的解决途径。随着汽车向人们生活 中的渗透，它已从一个单纯的代步工具发展成为人们的另一生活空间，与现代人 们生活具有密切相关的r r 也将不断地与汽车融合。作为r r 平台，汽车必须实现 车内i t 装置之间的信息共享。车内媒体之间的互连标准m o s t ( m e d i ao r i e n t e d s y s t e m st r a n s p o r t ) 可以实现车内c d 、o p s 和t v 等媒体装置之间的信息共享。 本文分析了当前车上网络技术的现状，讨论了车上网络的结构，c a n 总线 的技术规范，重点介绍了c a n 控制器s j a l 0 0 0 在本设计中的应用。 而p c 机要方便地连接到c a n 总线上，进行高速高性能的网络数据传输， 就需要在p c 机和c a n 总线之间设计智能通讯网卡，实现c a n 总线与主机p c 的高速数据交换。本文第2 章采用经济实惠的商性能微处理器和电子元件设计出 适合本设计的适配器，并设计出该适配器的驱动程序流程图，在实际应用中可使 适配卡高速进行数据处理和传输工作。 随后详细分析了m o s t 的网络拓扑结构、报文帧格式，并对标准帧和扩展帧 进行了比较。对m o s t 网络的底层管理进行了详细的分析，并选择出适合本设 计的发送，接收方式。要设计出1 个完整的m o s t 网络管理系统过于复杂，但是 可以设计出单个的节点，把控制单元只看做是通信终端，只考虑它的信号输入输 出端，而不需要对信号进行处理。本文设计m o s t 系统硬件的总体结构，设计 出具有c a n 接口和p c 接口c a n 适配卡。然后选择a t 9 1 r m 9 2 0 0 独立控制器 作为微控制器的适配器的接口，设计出支持c a n 协议的m o s t 网络节点控制器 接口，设计出一个独立的m o s t 网络节点。最后使用v o c t o r 公司开发的c a n o c 对网络节点进行功能测试和单元测试。测试结果显示适配器与节点控制器之间进 行了必要的数据交换和控制过程。 关键字：c a n 总线适配器，节点控制器，m o s t 网络 a b s t r a c t f o l l o w i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to f a u t ot e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s i n gn u m b e r o fa u t oe l e c t r o n i ce q u i p m e n t s ，a u t oi n t e g r a t i v ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mb e c o m em o r e c o m p l e t e da n dt r a d i t i o n a lp o i n tt op o i n tc o n t r o li sf a rf r o mm e e t i n g t h ed e m a n d n o w m c uc a ns o l v et h i sp r o b l e m ，w h i c hi su s e di na u t oe l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mw i l d l y i nt h ev e h i c l eb e t w e e nt h em e d i ai n t e r l o c k ss t a n d a r dm 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 ) t ob ea l l o w e dt or e a l i z ei nt h ev e h i c l em e d i a i n s t a l l m e n ta n ds oo nb e t w e e n c d ，g p sa n dt vi n f o r m a t i o ns h a r i n g s u r v e y i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fa u t on e t w o r kt e c h n o l o g y , a p p l y i n gt h em o s t c o m p r e h e n s i v ea r ec a n a n ds j a l 0 0 0 c a n ，f o rh i sg o o do p e r a t i o n a lu s e g r e a t r e l i a b i l i t ya n du n i q u ed e s i g n ，i sn o to n l ya d a p t e dt ot h er e q u e s to fc o m m u n i c a t i o n o f m o d e ma u t oe l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t sw i t l lg r a d u a lu s ei no t h e rf i e l d b u ta l s or e g a r d e d o n eo ft h ec a nt e c h do fp r o m i s e a n a l y z ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nt h e o r ym o d eo fa u t oc o m p u t e rn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n e a c hn o d eo fm o s tn e t w o r kc a no n l yc o n n e c tt w oo t h e rn o d e s p h y s i c a l l y , a n dt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi sc o m p l i c a t e d i nc a nb u s ，am a i n l i n e c o n n e c t st oc o m p u t e r , w i t hh i g hl i n eu t i l i z a t i o nr a t i o t i m e - s h a r i n gv i s i tm a i n l i n e ，t h e l e n g t ho fn e t w o r k , t h en u m b e ro fn e tn o d e sa r el i m i t e db yt r a n s m i s s i o nd e l a y , d r i v e a b i l i t ya n dm e c h a n i s m c a nb u si sa d a p t e dt o t h es i t u a t i o no fs h o r t d i s t a n c e t r a n s m i s s i o na n dn o tm a n yn o d e s t h em o s tp a r to fa u t on e t w o r ka d o p tt h i st y p e ， e s p e c i a l l yi nl o wn e t w o r k a n a l y z et h en o d es t r u c t u r ea n de q u i p m e n ts t r u c t u r eo f m o s t d e s i g na t 9 1 r m 9 2 0 0f l u s hb o n d i n gc p u w h e nc h o o s ea i g l r m 9 2 0 0c p u a sc e n t r a lp a r tt od e v e l o pp u t - i nt y p es y s t e m ，t h ef i r s tp r o b l e mi st oh o wt os t a r t - u p s y s t e m a t 9 1 r m 9 2 0 0c p up r o v i d e s s e v e r a li n i t i a t e m o d e s , w h i c ht o t a l l ya r e d i s t r i b u t e di n t ot h ew a yo fe x t e r n a ld a t a f l 2 k s h ，t w ol i n ee e p r o mo rp a r a l l e l s t o r a g em e d i u ml e a d i n gt os t a r t - u pa n dt h ew a yo ff x o mi n t e m a lb o o t r o mt ol e a d t os t a n u o k e yw o r d ：c a n - b u st r a n s c e i v e r ，n o d ec o n t r o l l e r ，m o s t n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 车上网络技术概论 电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用使得汽车电子化程度越来越 高，特别是微控制器进入汽车领域后，给汽车带来了划时代的变化。如今，汽 车电子业已如同数字电视、3 g 等新兴产业一样，成为牵引业界投资与合作的新 动力。根据市场调研公司i s u p p l i 的调查，2 0 0 4 年中国汽车电子市场的规模为 3 8 亿美元，2 0 0 5 年为5 6 亿美元，而到2 0 0 7 年则有望增长至7 0 亿美元。迅猛 发展的市场刺激了对汽车半导体器件的巨大需求，全球汽车半导体市场的消费 总量也将从2 0 0 4 年的7 4 亿美元增长至1 5 1 亿美元。如宝马新7 3 5 7 4 5 ，则已 装备多达二十几个电脑系统，1 0 0 多块芯片。奔驰s 级轿车更装备多达4 5 个电 脑系统，5 0 多个m c u ，3 5 0 块芯片( 奔驰普及型c 级轿车上也有1 5 个电脑系 统) 。在未来，普通轿车的电脑成本也会占整车成本的6 0 一7 0 。 汽车电子的发展主要集中在动力总成、底盘控制、车身控制、主被动安全、 汽车网络、通信系统、安全与防盗等方面，并呈现出功能多样化、技术一体化、 系统集成化和通信网络化的特点。汽车电子的发展趋势主要体现在两个方面， 一个趋势是从机械系统到电子系统的转换，即逐渐向自动化车辆转换( 如线控) 发展。另一个则是车辆向网络设备的演进。今后汽车电子将体现网络化和智能 化的发展方向，电子控制装置将通过c a n 总线提供稳定、可靠的低成本网络连 接；电机、开关、传感器和车灯等则通过本地互连网络( u n ) 进行网络连接。 而信息娱乐将是汽车电子领域的大热门应用。车载汽车设备也趋向于以计 算机作为平台，将车载通信、导航、视听娱乐、网络控制等集成为一体化多媒 体信息系统。车载信息系统与信息娱乐正在迫使整个行业对如何设计构建一辆 典型的网络连接的汽车所需的产品和系统进行重新思考。正是基于这样的需求， 亦需要新标准来构建互联互通平台。 由于国外汽车电子一直采用分散迭加的技术路线，新增一个功能就需新增 一个电子装置，在电子信息技术飞速发展和汽车功能需求日益增多的今天，一 部汽车已配备了大量的由微控制器或微处理器为核心的电子装置，使得汽车电 子产品的整体成本越来越高，许多新技术因整车厂商无力消化新增成本而柬之 高阁。因此，根据国外的技术路线，一部汽车的电脑化、智能化，需要几十个 电脑系统，上百块芯片，几万美元成本。而一部普通轿车的售价才1 2 万美元， 利润2 0 0 4 0 0 美元( 国外) ，这就给性能和价格之间带来了无法回避的矛盾1 。 虽然国外认识到综合集成是未来汽车计算和控制技术发展的必然趋势，但因汽 武汉理工大学硕士学位论文 车工业起步早、已形成的产业规模大、投入多、包袱重、实现技术转型的壁垒 重重，难以实现一步到位式的技术革命，只能采用分步集成等渐进的发展路线， 进而严重影响汽车电脑化、智能化的普及进程。 另外一个方面，汽车电子设备的应用，电子设备的增多，必然导致车身布 线越来越复杂，运行可靠性降低，故障维修难度增大，特别是电子控制单元的 大量；i 入，为了提高信号的利用率，要求大批数据信息能在不同的电子单元中 共享，汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换，在传统的汽车中， 电气信号的连接是通过线束实现的。随着汽车中电子部件数量的增加，线束与 配套接插件的数量也在成倍上升，传统线束已不能满足这种要求，在1 9 5 5 年平 均一辆汽车所用线束的总长度为4 5 米，而到了2 0 0 5 年，平均一辆汽车所用线 束的总长度达到了4 千米。线束的增加不但占据了车内的有效空间、增加了装 配和维修的难度、提高了整车成本，而且妨碍整车可靠性的提高。这无形中使 汽车研发进入了这样一个怪圈：为了提高汽车的性能而增加汽车电器，汽车电 器的增加导致线束的增加，而线束的增加又妨碍了汽车可靠性的进一步提高。 于是人们选择了汽车网络技术。 汽车上使用网络，还有一个原因是计算机网络在生活中的广泛应用和智能 交通系统的应用。这两种应用势必使汽车成为互联网上的一个或多个终端，未 来汽车上可以提供任何在办公室或者家庭中的网络信息服务，在智能交通体系 中，一个汽车应当具有接收和提供相关信息的功能，如接收定位信号，提供地 理信息服务，接收管理信息，发送本车状态信息，进行安全服务请求等。要完 成这些功能，需要很强的通信能力和数据的共享功能，这也是计算机网络的基 本功能。汽车上，信息服务部分往往与车上网络媒体系统共用一个网络，即媒 体与信息网。 车上网络的应用，不仅涉及至汽车上各个电子装置的硬件连接，网络相关 软件也必然成为每一个控制单元软件中的一部分。汽车上软件系统很快就会成 为一个相对独立的部分，它与汽车上电子系统的关系，会逐渐发展成像现在计 算机软件与硬件系统的关系一样。车上韵应用系统，将可以直接调用嵌入式操 作系统中的网络功能服务程序和其他一些通用服务功能软件。汽车上软件的设 计在汽车设计中将与发动机设计，底盎设计或车身设计等一样重要。 目前，虽然车上网络技术已经得到较广泛的应用，但从迸一步的需求来看 还有很多工作要做。目前尚没有满足成本低，性能非常可靠，具有容错能力，时阕 特性好和可扩展性好的网络系统。由于汽车上网络应用的层次和目的变化很大， 而不同的层次或目的对网络性能的要求有很大差异。汽车本身对价格非常敏感， 如果用性能高的网络系统覆盖低层次的应用，则成本上无法接受。所以，车上 2 武汉理工大学硕士学位论文 将有多个不同层次的网络标准，这决定了汽车网络将是一个多层互联网结构。 1 2 控制器局域网的现状和发展 美国汽车工程师协会( 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 ，s a e ) 将汽车网络 划分为a ，b ，c 三类。 a 类：主要应用于要求价格低、数据传输速度、实时性、可靠性要求较低 的系统，如车身系统的车门窗和后备箱网络系统。a 级网络也作为一些传感器 和执行器级别的低层局部连接总线使用。 b 类：面对独立模块问数据共享的中速网络。主要应用于车辆电子信息中 心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，以减少冗余的传感器和其他电子 部件。 c 类：面向高速、实时闭环控制的多路传输网。主要用于悬架控制、牵引 控制、先迸发动机控制、a b s 等系统，以简化分布式控制和进一步减少车身线 柬。 s a e 的网络分类仅仅是功能上的分类，a 类面向低水平的传感器执行器控 制，b 类侧重于参数共享，c 类面向实时控制，三类网络功能均向下涵盖，即b 类支持a 类网的功能，c 类网能同时实现b 类和a 类网功能。目前b 类汽车 局域网应用最为广泛，a 类网趋于淘汰，c 类网应用日益广泛。按发展趋势， 在不久的将来c 类网将占主导地位。 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 是上个世纪8 0 年代初b o s c h 公司为解决现 代汽车中众多控制单元，检测仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信 协议，经多次修订，于1 9 9 1 年9 月形成技术规范2 0 版本。该版本包括2 0 a 和2 0 b 两部分。由于c a n 广泛应用，i s o 于1 9 9 4 年正式颁布了i s 0 1 1 5 1 9 ： 道路车辆低速串行数字通信( r o a dv e h i c l e s l o ws d e e ds e r i a ld a t a c o m m u n i c a t i o n ) ，于1 9 9 3 年颁布了i s 0 1 1 8 9 8 ：道路车辆数字信息交换高速 通信的控制器网络 ( r o a d v e h i c l e s i n t e r c h a n g e o f d i g i t a l i n f o r m a t i o n - - c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( c a n ) f o rh i g h s p e e dc o m m u n i c a t i o n ) 。 前者第二部分定义了低速c a n 总线。后者定义了高速c a n 。目前满足c 类网 要求且形成了国际标准的汽车控制局域网只有c a n 协议。 c a n 是应用最广泛支撑技术和元器件最丰富的标准。上世纪8 0 年代末， 英特尔公司首先研制出c a n 总线通信控制器8 2 5 2 6 ，随后菲利浦公司推出c a n 总线通信控制器8 2 c 2 0 0 。上世纪9 0 年代初，菲利浦公司生产了带有在片c a n 的微控制器p 8 x c 5 9 2 ，后又推出带数字模拟输入输出功能的c a n 总线控制器 8 2 c 1 5 0 ，可用于传感器等非开关量的传输，使c a n 总线应用技术向成熟发展。 最近几年，摩托罗拉公司推出带有在片c a n 的微控制器6 8 h 8 x 4 和6 8 h 0 5 x 1 6 ， 3 武汉理工大学硕士学位论文 西门子公司也推出带有在片c a n 的微控制器c 1 6 7 c 。此外，还有菲利浦公司 的8 2 c 2 5 0 ，西门子公司的8 i c 9 0 9 1 ，n e c 公司的7 2 0 0 5 ，s i l i o n i 公司的s 1 9 2 0 0 单片机等。在c a n 协议推出的短短几年内，便有这么多的半导体厂商开发出众 多的c a n 总线器件，足以证明c a n 总线的强大生命力和诱人的市场前景。 目前，在汽车设计领域中，c a n 几乎成了一种必须采用的技术手段，尤其 是在欧洲，如奔驰( b e n z ) ，宝马( b m w ) ，保时捷( p o r s c h e ) ，劳斯莱斯 ( r o u 奠r o y c e ) ，美洲豹( j a g u a r ) 等都采用c a n 总线实现汽车内部控制 系统与各检测和执行机构间的数据通信。此外，美国汽车厂也将控制器联网系 统逐步由c l a s s 2 过渡到c a n 。 c a n 国际标准只定义了物理层和数据链路层，实际应用中，一些厂家和公 司又定义了相应的应用层规范。如美国s a e j l 7 0 8 ，j 1 7 8 7 ，j 1 7 9 2 以及最新的 j 1 9 3 9 ，对优先权、数据格式、资源共享等问题作出了迸一步的规定。应用于工 业控制中的应用层协议就更多了。 c a n 总线的研究、应用和改进还在深入中。i t c a n ( t i m et r i g g e r e dc a n ) 是b o s c h 推出的支持对间触发访问方式的c a n 协议。它在标准c a n 协议基础 上建立了一个高层协议，在网络中它完成所有c a n 节点通信调度的同步功能， 并提供个网络全局时间同步机制，在此基础上实现时间触发的通信过程。它 弥补了c a n 事件触发访问方式在实时控制应用中的缺陷，使c a n 的应用更加 广泛，更加可靠。 1 3 本论文研究目的和意义 和国外相比，我国汽车电子技术水平还相当低，在汽车网络技术方面的应 用研究更为落后。按照我国汽车电子技术发展规划，进入2 1 世纪后轿车电子技 术可达到国外上世纪9 0 年代水平，将有大量智能电子控制单元引入。 鉴于我国在车载电子装置技术方面的应用研究剐刚起步，技术积累十分贫 乏，为了给今后的应用开发奠定坚实的基础，对其进行深入的基础研究显得非 常重要。要消化吸收c a n 协议规范，在此基础上研究开发自己的汽车电予网络， 并争取制定适用于我国汽车工业实际的控制器局域网应用层协议标准。 汽车网络通信电子系统作为汽车电子控制系统重要的子系统。其设计有自 身的特点。目前，国内对c a n 在汽车网络通信电子系统的研究还很少，对其物 理信号电平的定义，数据的定义，防错方法还没有一个全面的认识。车载媒体 的不断发展，也将为中国的汽车电子、r r 和家电制造商带来机遇。简单地讲， 车载媒体与人们生活中的媒体不但没有本质的区别，而且由于受汽车的约束， 更容易实现标准化。实施家电联网，已提了很多年了，但它至今仍未进入人们 的生活；但在汽车中由于空间、供电的标准化为媒体装置之间信息交互标准化 4 武汉理工大学硕士学位论文 创造了条件，将己成功应用的家电网络技术移植到汽车媒体，并且实现家、汽 车和办公媒体三位一体，这在技术上可行、而且与车载媒体的发展目标一致。 目前，中国车载媒体电子领域开始出现的研发趋势也体现了业界在低成本 化上的努力，这个趋势就是将显示、音响、倒车雷达、仪表、信息服务系统等 装置的控制集中在一个m c u 上来完成，这样可极大地降低成本。当然这也带 来一卜负面影响，即系统在灵活性上有缺陷，且核心控制器件的可靠性要求更 高了，选择器件要特别注意。而就算车载媒体系统仍保留多个m c u 的控常i 方 式，m c u 与电子控制单元分离的传统方案还是会在若干年内占据中国的主流。 这主要是受当初模仿台湾地区、韩国的这类技术方案的影响。而且分离式方案 如今已经发展得很成熟，勿庸置疑，今后汽车电子将体现网络化的发展方向， 如电子控制装置将通过c a n 总线提供稳定、可靠的低成本网络连接，在多媒体 设备上则通过m o s t 进行网络连接。虽然c a n 总线标准已推出很多年，但由 于属于前装市场，在中国的应用开发还刚刚开始，未来几年还是研发的热点， 更多的还主要是开发支持c a n 的车载设备，配合某种车型的c a n 网络使自己 的产品支持这种总线通信协议。更长远来看，车载媒体电子装置趋向于以高端 控制器或c p u 作为平台，将车载通信、导航、视听娱乐、网络控制等集成为一 体化多媒体信息系统，例如飞思卡尔的基于p o w e r p cm o b i l e g t 平台的远程信 息处理车载信息娱乐方案就是针对实现这一概念而推出的。 汽车网络总线一般通过收发器、控制器进行信号传输，汽车上用网关可将 多个同质或不同质网络连接，其意义在于减少网络上的信息量，提高系统的稳 定性。飞利浦推出的s j a l 0 0 0 车内网络控制器是支持高达4 个l i n 主控制器与 6 个c a n 2 o b 信道的微控制器，先进成熟的s p i 与外部总线接口可以快速接入 m o s t 多媒体网络。未来收发器演变一是适应不断提高的标准要求，如l i n 标 准已从最初的1 0 版扩展到2 0 版，因而需要做相应的升级改进。二是提高抗干 扰性，提高可靠性。目前国内从事车载网络的企业虽然说开发车载网络，但实 际上做的是具有车载网络接口的零部件，而这种零部件一个不但不行，而且没 有意义。由此得出国内车载网络的现状是，在e c u 中嵌入车载网络已做得不错， 但与车载网络相关的工作还十分欠缺。对车载媒体网络进行实时控制和管理， 考虑到车上网络技术不是单一的网络技术，两是多个级别的网络共存的网络， 而各级别的网络的物理特性和具体通信协议有所不同，所以本文在基于c a n 总 线的基础上，开发车载媒体网络控制器，在c a n 总线和m o s t 总线之间的数 据交流处理上进行研究，对于一部分多媒体设备数据流进行控制并能经处理后 通过c a n 传送到汽车动力系e c m 中，从而对汽车的行驶状况进行调节，避免 因多媒体的存在而影响驾驶员的驾驶安全性。 5 武汉理工大学硕士学位论文 本文共分3 个设计部分： ( 1 ) 由s a j l 0 0 0 和8 2 c 2 5 0 控制器作为主要处理器设计出支持c a n 协议 2 0 标准的通信适配器。 ( 2 ) 用s j a l 0 0 0 为c a n 控制器，同时还使用了p c a 8 2 c 2 5 0 作为c a n 控 制器的接口芯片，用8 9 c 5 1 作为微处理器，设计出单个的m o s t 网络节点。 ( 3 ) 设计出带有自动复位功能的m o s t 总线接口控制器o s 8 1 0 4 。其中自 动复位控制电路用a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器作为核心处理器。 本设计能实现的功能以车载电话的应用为例进行说明，当汽车在正常行驶 过程中，车载电话接收到来电时，驾驶员的注意力会受到不同程度的影响，而 这时候如果汽车是处于高速行驶中时，有必要把汽车的速度控制在较安全的行 驶状态下。当m o s t 网络接收到车载电话来电的数据时，m o s t 网络将该数据 发送到节点控制器中进行识别和处理，随后得到反馈信号后将送出1 个具有显 性特性的电平信号，通过车身c a n 网络传送到发动机控制e c m 中，e c m 则 控制汽车发动机的点火、进气和传动机构，使汽车的车速控制在安全状态下， 从而保障驾驶员的人身安全。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章控制器局域网c a n 2 1c a n 总线原理【2 j 嘲 c a n 最初出现在上个世纪8 0 年代末的汽车工业中，由德国b o s c h 公司最 先提出。当时由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大 多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着 需要更多的连接信号线。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，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一 个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。而如今，为适应 未来汽车多媒体娱乐系统发展的需要，未来d v d 、导航仪、汽车音响将通过数 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。 c a n 是一种多主从方式的串行通讯总线，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 k m 时，c a n 仍可提供高达5 0 k b i t s 的数据传输速率。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，如图2 - 1 所示。实际应用中，节 点数目受网络硬件的电气特性所限制。当使用p h i l i p sp 8 2 c 2 5 0 作为c a n 收发 器时，同一网络中允许挂接1 1 0 个节点。c a n 可提供高达1 m b i t s 的数据传输 速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了c a n 的抗电磁干扰能力。 图2 1c a n 总线示意图 武汉理j 二大学硕士学位论文 c a n 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多技术及其独特的设计， 与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性，因 而一些世界著名的汽车厂商如b e n z 、b m w 、r o l l - r o y c e 等都采用c a n 总 线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行几个间的数据通信。其工作特点可 概括如下： ( 1 ) c a n 为多主方式工作，也就是说网络上的任何一个节点均可在任意时 刻主动的向网络上的其它节点发送信息，而不分主从，通信方式比较 灵活，而不用站点地址等节点信息。 ( 2 ) c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 高优先级的数据可在很短时间内得到传输。 ( 3 ) c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信 息时，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，从而大大地节省了总线冲突仲裁地时间。 ( 4 ) c a n 总线只需通过报文滤波即可实现点对点，一点对多点及全局广播 等几种方式传送接收数据。 ( 5 ) c a n 的直接通信距离最远可达1 0h ( 速率5 k b p s 以下) ：通信速率最 高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 2 k m ) 。 ( 6 ) c a n 上的节点主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；报文标识 符可达2 0 3 2 钟( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 b ) 的报文标识符 几乎不受限制。 ( 7 ) c a n 总线采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率小，具有极好的检 错效果。 ( 8 ) c a n 的每帧信息都有c r c 检验及其它检错措施，保证了数据出错极好 的检错效果。 ( 9 ) c a n 通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 ( 1 0 ) 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 它节点的操作不受影响。 2 2c a n 网络的结构嘲 总体来说，计算机网络是具有资源共享和通信功能的计算机系统的集合体。 汽车上的网络是按照通信协议连接的一些控制单元或智能装置( 带协议控制器 的传感器、执行机构或接口) 控制信号、传感器信号通过网络传送到计算机目 的系统。汽车上的网络是多个局部网络的互联结构。多个局域网又可以通过网 关( g a t ew a y ) 连接在一起构成互联网络。网关是连接不同网络能实现不同网 络协议转换的设备。 8 武汉理工大学硕士学位论文 按网络拓扑结构分，车上网络可分为总线网、环行网。总线网络是由一条 总线连接入网计算机。其特点是信道利用率高，分时访问总线，网络长度n n 络节点数受传输延时、驱动能力以及访问机制的限制，适合于传输距离较短、 节点树不是很多的情况，大多数车上都采用这种结构的网络，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 总线型网络拓扑结构 环行网络中入网计算机通过网络接口部件连到一个环行物理链路中。其特 点是信息在网络中传输最大时间固定，实时性好；每个节点只与其他两个节点 有物理连接，传输机制，比较复杂，由于汽车上线控技术要求实时性好的网络 系统，有一些车上网络系统支持这种结构，采用冗余通道提高可靠性，如图2 3 所示。 图2 3 环行网络拓扑结构 在车上网络通信中，任何一个可以作为信息发送或接收的个体称为通信实 体，如终端、用户程序等。一个系统，如一个电控单元，可以包含一个或多个 通信实体。当两个通信实体进行通信实体之间控制信息交换的规则和约定就是 通信协议。一个通信协议通常对语法、语义和定时三个方面进行约定。语法确 定通信双方“如何讲”，定义传输的信息格式，相当于说明语言中的语句的格 式。语义确定通信双方之间“讲什么”，对请求、执行的功能等进行解释，包 括识别结果的处理，相当于对于一个语句含义的说明。定时规则说明事件发生 的顺序、速度匹配、同步规则等。 9 武汉理工大学硕士学位论文 系统中通信控制部分( 包括软件和硬件) 的功能，就是根据协议完成通信 处理过程，一般包括数据的拆分与重装、数据标记、同步处理、错误检测、容 错处理、错误信令以及网络访问控制等。数据拆分是把要传输的数据拆成一些 数据块，按照协议要求构成发送的信息格式( 信息帧) ；数据重装是在接收到数 据信息帧后，从中提取出有效数据并恢复原来数据报文的过程。数据标记是对 发送的数据进行编号或特征描述，以便在传输和接收时进行处理。同步处理用 来保证发送和接收端在时间上的一致性。错误检测是判定传输过程和传输的信 息是否发生错误。发生错误时对错误进行纠正称为容错处理。当一个网络节点 判定传输中出现错误时，应当向网上发布这个错误消息，错误信令规则定义发 布错误消息的操作过程。网络访问控制用来处理网络媒体使用的分配、竞争的 仲裁等过程。 2 2 1c a n 技术规范1 】 1 8 1 ( 1 ) o n 网络分层结构 按照o s i 基准模型，c a n 结构划分为两层：数据链路层和物理层，其中数 据链路层包括逻辑链路层l l c 和媒体访问控制层m a c ，如图2 - 4 所示。 应用屡 目标层： 报文滤波 - 纵文和状态处理 传辖羼； - 故障界定 - 错误检测和标定 - 报文确定 - 接收应答 一总线仲裁 - 报文帧处理 传输遵度和定时 物理层， 一信号电平和位襄示 - 传输介质 图2 4c a n 网络分层结构 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 l l c 子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由l l c 予层接收的报文已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。m a c 子层的功 能主要是传送规则，亦即控制帧的结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故 障界定。物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点间的实际传送。c a n 技 术规范2 0 b 定义了数据链路中的m a c 子层和l l c 子层的一部分，并描述与 c a n 有关的夕 层。物理层定义了信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编 码元和同步的描述。在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器，接收器特 性，以便设计时根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 m a c 子层是c a n 协议的核心，它描述由l l c 子层接收到的报文和对l l c 子层发送的认可报文。m a c 子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测标定。 m a c 子层由称为故障界定的一个管理实时监控，它具有识别永久故障或短暂扰 动的自检机制。l l c 子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。 按照i e e e 8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，物理层划分为： 1 ) 物理信令( p l s - - p h y s i c a ls i g n a l i n g ) ； 2 ) 物理媒体附属装置( p m a - h y s i c a lm e d i u m a t t a c h m e n t ) ： 3 ) 媒体相关接口( m d i - - m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 。 数据链路层划分为： 1 ) 逻辑链路控制( u 。c - 一l o g i c n l l 】( c o n t r 0 1 ) ： 2 ) 媒体访问控制( m a c - - m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 。 在课题的编程中依据的是c a n 技术规范2 0 b 版本，所以在本文中主要介 绍c a n 2 0 b 规范的报文传送及其帧的结构。 规范中由两种不同的帧格式，不同之处在于每帧的标识符的长度不同：标 准帧的标识符长度为1 1 位，而扩展帧的长度为2 9 位。 ( 2 ) 帧类型 报文传输由以下4 个不同的帧类型所表示： 1 ) 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。 数据帧由7 个不同的位域组成；帧起始、仲裁域、控制域、数据域、c r c 域、应答域、帧结尾，数据域的长度可以为o 。 数据帧在c a n 2 0 1 3 协议中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标准帧 具有1 1 位标识符，而扩展帧具有2 9 位标识符。标准帧格式和扩展帧格式的数 据帧结构如图2 - 5 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 最大帧长度如位 椭 域控制峨数据域 s 标 5 格 si 标识符 r帕rc数据域c r cc 蛳a c ke o f 0 r d扩展 t 1 f1 1 使re l s 位 r 4 使 肌6 4 位 1 j 应界定2 位7 位 符 卜_ 一位城一 一无黼舟一 图2 - 5 数据帧结构 帧起始( ( s o f s t a r to ff r a m e ) 标志数据帧或远程帧的起始，它仅由一 个“显性”位构成。只有总线处于空闲状态时，才允许开始发送。 仲裁域由标识符和远程发送请求位( r t r ，r e m o t e t r a n s m i s i o nr e q u e s t ) 组成，如图2 - 6 所示。 蝴呻卜鞔起始刮日_ 书卜一控黼 标识符( 1 1 位) r t r 位 图2 - 6 仲裁域结构 标识符分为标准格式和扩展格式。标准格式标识符的长度为1 i 位，并且对 应于扩展格式中的基本m 。扩展格式标识符的长度为2 9 位，1 1 位基本i d 和 1 8 位扩展i d 。基本m 确定了扩展格式的基本优先权。 r t r 位在数据帧中必须是“显性”电平，而在远程帧中必须是“隐性”电 平。扩展格式中的s r r ( s u b s t i t u t er e m o t er e q u e s t ，替代远程请求) 位为“隐 性”电平，它在标准帧格式的r t r 位位置上被发送，并替代标准格式中的r t r 位。i d e ( i d e n t i f i e r e x t e n s i o n ，标识符扩展) 位在标准格式中以“显性”电平 发送，而扩展格式中为“隐性”电平。 控制域由6 位组成，标准格式和扩展格式的格式不同。在标准格式中， 帧包括数据长度码、发送“显性”电平的i d e 位和保留位r 0 。在扩展格式中， 一帧包括数据长度码、两个保留位r l 和r 0 。数据场的字节数由数据长度码d l c ( d a t a l e n g t h c o d e ) 指出，数据长度码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，它可包括0 - 8 个字节，首先发送 的是最高有效位。 c r c 场包括c r c 序列和c r c 界定符。c r c 序列由循环冗余码求得的帧 武汉理工太学硕士学位论文 检查序列组成，最适用于位数小于1 2 7 的帧。c r c 界定符只包括一个“隐性” 位。 应答域为两位，包括应答间隙和应答界定符。在应答场中发送器送出两 个“隐性”位，一个正确地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”位报告给发送方。所有接收到匹配c r c 序列的节点， 通过在应答间隙内把“显性”位写入发送方的“隐性”位来报告。应答界定符 是应答场的第二位，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。 2 ) 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。 远程帧由6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答 场和帧结束。与数据帧相反，远程帧的r t r 位是隐性位。远程帧不存在数据场。 d l c 的数据值是没有意义的，它可以是o 8 中的任何数值，这恰数值位对应 数据帧的d l c 。远程帧的结构如图2 7 所示。 篡藩峰一锗黼燃 艄 傣鼢控制场c r c 塥 砬答场 帻结束 起l 始l 图2 7 远程帧的结构 3 ) 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 错误帧由两个不同的场组成：第一个场用作为不同站提供的错误标志 ( e r r o rf l a g ) 的叠加。第二个场是错误界定符，如图2 - 8 所示。 帻闻空闻1 。 赣闻空间 稍枷叫如一锆酬斗唁茹赫 帧 伺撕 控制蛹 c r c 辐 应答场 帻结柬 起i 始l 图2 - 8 错误帧的结构 为了能正确地终止错误帧，一种“错误认可”的节点要求总线至少有长度 为3 各位时间的总线空闲( 如果“错误认可”的接收器有本地错误的话) 。因此， 总线的载荷不应为1 0 0 。 有两种形式的错误标志，一种是活动错误标志，另一种是认可错误标志。 武汉理工大学硕士学位论文 活动错误标志由6 个连续的“显性“位重写。 检测到错误条件的“错误激活“的节点通过发送活动发送活动错误标志， 以指示错误。错误标志的形式破坏了从帧起始到c r c 界定符的位填充规则，或 者破坏了应答场或帧末尾场的固定形式。所有其他的站由此检测错误条件并与 此同时开始发送错误标志。因此，显性位的系列的形式就是各站发送的不同的 错误标志叠加在一起的结果。这个系列的总线长度最小为6 个位，最大1 2 个位， 在总线上可监视到。 检测到错误条件的“错误认可“的站视图通过发送认可错误标志，以指示 错误。“错误认可”的等待6 个相同极性的连续位( 这6 个位处于被动错误标 志的开始) 。当这6 个相同的位被检测到时，被动错误标志的发送就完成了。 出错界定符包括8 个隐性的位。错误标志传送了以后，每一站就发送隐性 的位并一直监视总线直到检测出一个隐性位为止。然后就开始发送7 为以上的 隐性位。 4 ) 过载帧：超载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符。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，如图2 - 9 所示。 或簇嚣蠢黧叫卜一一呻一然 1 趣篙叫厂1 一 i 一l - - - - - - - - - - - - - 一 司一趣靛叠加标志( 6 1 2 位) 伊寸一赶超载傩界定符协 ( 8 位) 图2 9 韶载帧的结构 有三