（测试计量技术及仪器专业论文）汽车can网络控制系统的设计研究.pdf

摘要 摘要 随着现代汽车的快速发展，汽车电子设备不断增加，传统的点对点布线已远不 能满足汽车愈加复杂的控制系统。本课题充分利用现代电子、计算机、传感测控等 方面的技术成果，为解决汽车布线烦杂，系统可靠性低，故障维修难度大的问题， 而研发基于c a n 总线的汽车网络控制系统。c a n 总线在汽车上的广泛应用将使汽车 的实时性、稳定性、安全性、经济性都上升到新的高度，按汽车局域网发展趋势， 以c a n 为代表的c 类网将逐步普及并占据主导地位。 根据汽车电子系统的特点，在深入研究c a n 网络技术规范基础上，完成汽车在 行驶过程中各模拟信号、数字信号和开关信号的采集与处理，完成油量、水温、转 速、车速等的显示及超限报警，以及车灯的状态控制等。并设计一个c a n 网桥，以 便实现发动机高速c a n 和车身低速c a n 两种不同通信速率总线的数据通讯。 采用自行设计的r s 2 3 2 c a n 适配卡把传感器信号采集到p c 机上，同时由p c 机向 总线发控制信号，成功控制相应节点后反馈一个信号给监控软件，实现c a n 节点与 p c 机问的通信。在p c 机上，通过采用v b 设计的系统测试软件对汽车c a n 网络进行 监控，并对c a n 通讯进行测试，一方面可以监控系统运行情况，另一方面也可以进 行故障分析。 c a n 的技术规范只定义了物理层和数据链路层协议，本文针对汽车c a n 网络通 讯制定了一个简单有效的应用层协议，采用2 9 位标识符的扩展模式，定义了2 个字节 的标识符i d 和1 个字节的数据域编码，具体制定时每个功能插件的资源都留有一定的 裕度，以各将来扩展所需。 系统只需两根信号线就可实现数据传输，使线束大大简化，可靠性得到提高，有 效节约了线束安装空间和系统成本。用户能够根据实际需要选择相应的功能，针对 汽车的具体情况动态增删节点而不用对硬件作任何变动，减少了二次开发成本。经 试验调试表明，在满足c a n 网络传输速率的情况下，报文的接收和发送未见异常， 满足了发动机的高速和实时性要求以及车身的普通实时性通讯要求。 关键词：汽车网络；c a n 总线；应用层协议；c a n 适配卡；c a n 网桥 广东工业大学工学硕+ 学位论文 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 em o d e ma u t o m o b i l e s ，t h e l a s t i n gi n c r e a s eo f e l e c t r o n i cd e v i c e so fa u t o m o b i l e s ，t h et r a d i t i o n a lw i r i n gh a r n e s s e sc a nn o ts a t i s f ym u c h m o r ec o m p l e x i t yo fc o n t r o ls y s t e m so fa u t o m o b i l e s t h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mf o r a u t o m o b i l ei sd e v e l o p e d ，w h i c ht a k e sa d v a n t a g eo ft h et e c h n i c a la c h i e v e m e n t si l lt h e f i e l d ss u c ha se l e c t r o n i c ，c o m p u t e r ，s e n s o ra n dc o n t r o l l i n g i no r d e rt os o l v et h eq u e s t i o n s t h a tt h ea u t o m o b i l ew i r i n gb e c o m e sh u g ea n dc o m p l e x , t h es y s t e mi su n r e l i a b l e ，t h e d i f f i c u l t yo f b r e a k d o w nm a i n t e n a n c ei sb i g ，ak i n do fa u t o m o b i l en e t w o r kc o n t r o ls y s t e m b a s e do nc a nb u si sd e s i g n e d c a nb u sm a k et h er e a l - t i m e ，s t a b i l i t y , s a f e t ya n d e c o n o m yo ft h ea u t o m o b i l em u c hb e t t e r a st h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h el a no ft h e a u t o m a b i l e ，c a nb u s ，a st h er e p r e s e n t a t i v eo fcc l a s sn e t w o r k s ，w i l lb ep o p u l a r i z e d g r a d u a l l ya n dh o l dad o m i n a n tp o s i t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fa u t o m o b i l ee l e c t r o n i c ，b a s e do nr e s e a r c h i n gt h e s t a n d a r do f c a np r o t o c o lt e c h n o l o g y ，t h ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go f t h ea n a l o gs i g n a l ， d i g i t a ls i g n a la n ds w i t c h i n gs i g n a la r ec o m p l e t e d ；t h ed i s p l a ys u c ha so i lm a s s ，w a t e r t e m p e r a t u r e ，r o t a t i o n a ls p e e d ，t h es p e e do fv e h i c l ee t c ，a l a r mo fo v e r r u na n dc o n t r o ls t a t e o fl i g h ti sr e a l i z e d ，ak i n do fc a nb r i d g ei sd e s i g n e d ，w i t ht h ea i mo fr e a l i z i n gd a t a c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts p e e dt h a tt h e e n g i n e sh i g h - s p e e dc a na n dt h e a u t o m o b i l eb o d y sl o w s p e e d g a t h e rv a r i o u ss i g n a lo ft h es e n s o r st op cw i t hr s 2 3 2 一c a na d a p t e rw h i c hi s d e s i g n e db ym y s e l f , s i m u l t a n e o u s l y ，p cs e n d st h ec o n t r o ls i g n a lt ot h eb u s ，t h es i g n a li s f e db a c kt ot h em o n i t o r i n gs o f t w a r ea f t e rt h es u c c e s s f u l l yc o n t r o l l i n go ft h ec o r r e s p o n d i n g n o d e ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc a nn o d ea n dp ci sr e a l i z e d t om o n i t o rc a n n e t w o r ka n dt e s tc a nc o m m u n i c a t i o nw i t ht h em o n i t o r i n gs o f t w a r eo fp cw h i c hi s d e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c i nt h ef h s tp l a c e ，t h i sm o n i t o r i n gs o r w a r ec a l lm o n i t o rt h e o p e r a t i o no ft h es y s t e m , i nt h es e c o n dp l a c e ，t h ef a u l ta n a l y s i si sc a r r i e do n t h es t a n d a r do fc a nh a so n l yd e f i n e dt h ep r o t o c o lo ft h ep h y s i c a ll a y e ra n dt h ed a t a l i n kl a y e r ，s ot h es y s t e me s t a b l i s h e st h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lf o r t h ea u t o m o b i l ec a n a b s t r a c t n e t w o r kc o n t r 0 1 t h es y s t e mu s e st h ee x p a n s i o np a t t e r n so f2 9i d e n t i f i e r s ，w h i c hd e f i n e d t w o b y t ei d e n t i f i e ra n do n e b y t ed a t af i e l dc o d e e a c hd e v i c el a v e sw i d er e s o u r c e sf o r e x p a n s i o ni nf u t u r ew h e nt h ep r o t o c o lh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h es y s t e mc a i lt r a n s f e ra l lt h ed a t ao n l yb yu s i n gap a i ro fw i r e s ，w h i c hs i m p l i f i e s t h ew i r i n gh a r n e s s e s ，i m p r o v e st h er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c y , s a v e ss p a c ea n dt h ec o s to f t h es y s t e m a n dt h eu s e rc a ns e l e c tc o r r e s p o n d i n gf u n c t i o na c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d s ， n o d e sc a l lb ed y n a m i c a l l yi n c r e a s e da n dd e l e t e dw i t h o u ta n yc h a n g e so fh a r d w a r e a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cc i r c u m s t a n c e so fa u t o m o b i l e ，w h i c hc a nr e d u c et h ec o s to ft h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t h et e s ts h o w e dt h a ti ti sn oe x c e p t i o nt ot r a n s m i ta n dr e c e i v e m e s s a g ew h e nt h ed a t at r a n s m i s i o nr a t eo ft h ec a nn e t w o r k i sr e a c h e d ，a n dt h i ss y s t e m c a r lm e e tt h en e e do ft h er e a l - t i m eo fe n g i n e ，a sw e l la so r d i n a r yr e a l t i m eo fa u t o m o b i l e b o d y k e y w o r d ：a u t o m o b i l en e t w o r k ；c a nb u s ；a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l ；c a na d a p t e r ； c a n b r i d g e i i i 广东丁业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 敝作者签字：孑乏瘁 妯2 年3 月“1 7 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 课题研究的背景分析 随着计算机技术、网络通讯技术、集成电路技术、智能传感技术的飞速发展， 现场控制仪表和设备大量应用，使繁琐的现场连线被简洁单一的现场总线网络所 代替，系统设计灵活，设备维护简单，信号传输质量大大提高，为工业现场控制 用户带来巨大好处。现场总线控制系统在工业自动化中得到广泛应用，一方面， 突破d c s 系统通信专用网络的局限，采用基于公开化、标准化的解决方案，克服 封闭系统所造成的缺陷；另一方面把d c s 的集中与分散相结合的集散系统结构变 成全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。现场总线是连接智能现场设备和 自动化系统的底层控制网络，关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字 通信。现场总线是当今自动化技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机 局域网，它的出现适应了工业控制系统的分散化、网络化、智能化发展方向【t l 。 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，汽车电子化已是现代汽车发展的重要标志，给 汽车带来了划时代的变化，汽车正在迅速成为机电一体化、多种高新技术综合集 成的载体，向高可靠性、自动化、智能化方向发展，向减少污染、提高乘员舒适 性、安全性、稳定性、方便性方面发展。据统计：】，在发达国家，汽车电子装置 的成本已平均占到整车成本的4 0 以上，在我国，各类汽车电子产品在汽车的普 及率将持续提高，预计至l j 2 0 1 0 年，中国汽车电子产品市场规模将达到近2 0 0 0 亿元。 与其它控制现场相比，汽车内温度变化范围大，噪声干扰强，环境恶劣，对 通信系统安全性、数据传输可靠性、抗干扰能力等都提出了很高要求。因此设计 高实时性、高可靠性的控制网络，是汽车控制系统研究中的一项关键技术。另外， 电子设备的大量应用必然导致车身布线庞大而且复杂，安装空间紧缺，运行可靠 广东工业大学工学硕士学位论文 性降低，故障维修难度增大。为提高信号的利用率，要求大批的数据信息能在不 同的电子单元中共享，大量的控制信号能实时交换，然而，传统的电器系统大多 采用点对点的单一通信方式，已远不能满足这种需求f ，j 。 面对上述问题，人们做了大量探索性研究【。l 。改进电缆技术，用新型高质量 的细电缆代替粗电缆，这个方法治标不治本；系统集成，把原来的多种芯片的功 能集成在一片电子控制单元中，以此减少车用芯片数量，此种方案不够灵活，不 适合车辆发展；并行网络虽然有效缩减了线缆数量，但需要连接数据线和控制线 两类公用线束，并不是一种最优解决方案；最后，在借鉴计算机网络技术和现场 总线技术的基础上，汽车网络技术应运而生，开发各种适用于汽车环境的网络技 术和设备，组建汽车内部的通讯网络，已成为现代汽车发展的趋势之一。 1 1 2 汽车网络的分类 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。美国汽车工程师协会( s a e ) 车辆网络委员会将汽车数据传 输网络划分为a b c 三类( 另有d 类) 。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 类网应用同益广泛。按发展趋势，在不久的将来c 类 网将占主导地位d l l s 6 | 。四类网络对比如表1 1 所示。 表1 1 汽车网络的分类 t a b 1 - 1c a t e g o r yofa u t o m o t i v en e t w o r k 网络类型面向对象位速率应用目标代表协议 电动门窗、座椅调节、 a 类网低速网络 1 - l o k b p s l i n l l p | a 灯光照明等 故障诊断、j 18 5 0 ，v a n ， b 类网 中速网络 1 0 1 2 5 k b p s 仪表显示等 c a n 12 5 k b p s - 发动机控制、自动变 c 类网高速网络c a n 协议 1 m b p s速器、a b s 等系统 d 类网娱乐系统 大- 于1 m b p s 视频、音频、导航等m o s t ，d 2 b 2 第一章绪论 1 1 3c a n 总线在汽车电子技术中的应用 1 c a n 总线在汽车中应用的优势 目前，国内外比较流行的几种现场总线是：c a n ，l o n w o r k s ，p r o f i b u s ，f f ，它 们各自占有一定的市场份额，在一些特定的应用领域显示了自己的优势1 7 | 。 c a n 是控制器局域网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 的简称，最早由德国b o s c h 公 司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，由于得至l j p h i l i p ，i n t e l ， m o t o r o l a ，n e c 等公司的支持，广泛应用在离散控制领域。l o n w o r k s 是局部操作网 络( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 的简称，主要应用于楼宇自动化、交通运输和工业过 程控制等行业。p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l d b u s 的简称，d d p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s f m s ， p r o f i b u s p a 组成，其中d p 型用于分散外设问的高速数据传输，适合于加工自动化 领域；f m s 意为现场信息规范，适用于楼宇自动化、p l c 等；p a 则适用于过程自 动化。f f 是基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 的简称，具有较好的互操作性， 但其产品的使用相对用户而言比较复杂，主要应用于石油化工、工业过程控制中 的仪表。 其中，从技术特点而言，c a n 和l o n w o r k s 完全胜任汽车工业的控制需求，但 l o n w o r k s 较c a n 复杂，且需专门的开发工具，适合组建大型监测网络。而c a n 总线从开始出现就应用于汽车领域，是汽车行业应用较为成熟的总线形式，虽然 c a n 的应用早已不再局限于汽车工业，但c a n 在汽车上的应用无疑是它最成功的 案例，c a n 总线具有很高的网络安全性、通讯可靠性和实时性，特别适用于汽车 电子控制，是汽车内部网络互联的一个重要标准，是国际汽车网络发展的潮流【。l 。 随着现代汽车工业和电子技术的飞速发展，汽车上的电子装置越来越多。一 辆高档汽车的电气节点数以千计，如果运用传统方法进行布线，连线的数量将非 常惊人，线缆重量占整车质量的4 左右，而且，根据统计，该数字大约每1 0 年增 长1 倍【。j ，而汽车线束重量每增加5 0 千克，每百公里油耗会增加o 2 升。c a n 总线彻 底解决现代汽车内部用少量的线束实现大量的控制测试仪器、微处理器、传感器 与执行机构之间的数据交换问题，避免了电子模块间大量繁杂的连线，保障了各 子系统实时共享车辆的公共数据，它实际上是一条采用双线制的允许多个控制单 元连接的串行信号通信链路总线。 广东工业大学工学硕士学位论文 不同控制单元的控制功能不同，数据转换速度，各控制命令优先级也不同， 因此需要一种具有优先权竞争模式的数据交换网络，并且该系统应具有极高的通 讯速率。此外，作为一种载人交通工具，要有较好的舒适性，故整车通讯系统必 须具有很强的容错能力和快速处理能力。同时，汽车内部结构复杂，多种部件相 互作用又相对独立，存在着相应的干扰，这些因素都决定了必须采用基于c a n 网 络的整车电气控n o l 。因此，本文选择c a n 总线作为底层控制网络的通信协议。 2 c a n 总线在汽车中应用的现状 在各种汽车网络协议中，c a n 以其独特的设计，优异的性能和极高的可靠性 得到了最为广泛的应用。c a n 技术现在已经发展的相当成熟，它在发展过程中打 败了其它一些总线标准，占据了绝对有利的地位，尤其在欧洲，各汽车制造商都 将c a n 作为汽车电子网络化的手段。奔驰是第一个将c a n 总线应用于发动机管理 系统的汽车制造商 i l l 。现在，奔驰公司生产的大部分轿车和载货汽车都使用基于 c a n 的发动机管理系统。德国大众汽车公司从1 9 9 5 年起开始c a n 的研究和开发， 并要求集团下的所有子公司都采用一致的技术标准和数据定义。欧洲其他汽车制 造商，如奥迪、宝马、保时捷、劳斯莱斯、雷诺等也都已经使用了c a n 总线来实 现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信【1 2 l 。在亚洲，韩国和同本 的汽车商都把c a n 作为技术应用的首选。就连有自己标准的美国，在c a n 强大攻 势下，也在逐渐淘汰自己的j 1 8 5 0 协谢4 1 。 s a e 的j 1 8 5 0 也是一种很成功的技术，北美的汽车商为保持其技术独立和经济 利益，一直在苦心扶持自己的该项标准。可以这样来比较，在传输率不是很高， 确切说在1 2 5 k b p s 以下时，j 1 8 5 0 和c a n 都可以顺利完成通信任务。但在1 2 5 k b p s 以上时，j 1 8 5 0 就有点力不从心了。而c a n 却不同，由于采用先进的总线仲裁技术 和编码技术，使其可以达到1 m b p s 的传输率，面对今天汽车电气化的飞速发展， 带宽突破1 2 5 k b p s 是迟早的事情，所以各大汽车商优先考虑c a n 技术。就传输率而 言，还有比c a n 更快的，像m o s t 协议最高可以达到2 5 m b p s ，但是基于目前的车 用控制电器，有1 m b p s 的上限就足够了。另外考虑到成本，c a n 却i ：i ；m o s t 低的 多，符合绝大多数厂家的经济要求，而m o s t 更适合用在对带宽要求更高的车用 娱乐系统f 1 3 】。不久前发布的i s o1 5 7 6 5 标准是一个用于故障诊断的标准化c a n 接 1 3 ，它将在欧洲被强制执行，这就意味着在不久的将来，欧洲的每一辆轿车都至 少装配有一个c a n 网络系统。 4 第一章绪论 在我国，大多的研究仅把c a n 总线作为一种性能优异的串行总线协议用在诸 如智能设备、自控系统、远距离通信等方面，而对汽车网络的研究和尝试还很少。 国内在汽车上应用c a n 总线网络技术还不多，上海大众、一汽大众、安徽奇瑞的 最新轿车中采用了c a n 总线技术，如上海大众生产的p o l o 经济型轿车应用了13 个 c a n 总线控制节点，一汽集团生产的a u d ia 4 采用了3 条c a n 总线网络，奇瑞a 5 2 0 、 一汽宝来等车上也应用了c a n 总线d 4 。但这些技术和产品的知识产权在国外，国 内还没有自主知识产权的成熟产品，基本上是直接引进国外著名汽车电子供应商 女i b o s c h 、日本电装、d e l p h i 等公司的产品。虽然国内主机厂使用国外知识产权的 电子总线控制产品，但很难拿到这些c a n 总线产品的数据和信息，国外供应商给 整车厂的技术资料仅是产品使用说明书。而诸如刮水器控制、照明灯光控制、中 央门锁控制、自动车窗控制、电动座椅控制、电机控制、防撞防盗控制等非控制 类独立电气设备在国内基本还是使用点对点通信的单一模式，并没有使用总线技 术。因此，国内的汽车电子控制网络系统只是使用预留了网络接口的国外汽车电 子厂商提供的电子设备，并不是真j 下意义上的汽车电子网络系统。 为缩短同国外汽车技术问的差距，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。目前，国内在整车网络体系构建、消息接口规范等方面的研究 才刚刚起步，中国汽车技术研究中心、清华大学、北京航空航天大学等单位在c a n 为控制局域网络方面开展了一些研究，但离发达国家现有的技术水平还有一定差 距【”1 。车用统一软件平台下的软件开发及协议芯片的开发制造上还处于探索的初 级阶段，从实验室走进车间还得经过相当长的时间。 3 汽车通用c a n 网络结构 汽车内e c u 问的数据传输主要差别在于传输速率，在汽车网络结构中根据节 点的特点，将整个网络分为两个网段。动力传动系统节点主要是控制器，对通讯 实时性要求较高，且常常需要相互配合完成特定的控制策略，因此将这些节点放 在一个网段中。车身系统节点的特点是物理上分布范围广，其中很多是功能相对 简单的传感器执行器，对通讯实时性和通讯速率的要求相对较低，将这些节点放 在同一个网段中。再通过网关将两个网段连成整个网络，这样，既实现了网络分 级控制，同时也降低了车辆电子系统的开发、生产和服务的成本。按上述原则， 汽车通用c a n 网络结构示意图，如图1 1 所示。 广东t 业大学工学硕士学位论文 i 发动机控制 自动变速器a b s 系统主动悬架控制牵引力控制 j 宣1 甫，1a 、t ，杀h 士乏综、 l 闭捡o j 、ly j j 刁i 习l c a n 网桥 肿- 土，t，- a - - 白：z d ，、 l 氐j 丕乙 n 千珂尔钒， i 车灯控制 空调控制门窗控制 座椅控制 仪表显示 图1 1 汽车通用c a n 总线结构 f i g 1 一lg e n e r a ls t r u c t u r eo fa u t o m o b i l eb a s e do nc a nb u s 汽车的整车网络连接采用2 条c a n 总线。1 条用于动力系统的高速c a n ，速率 达至1 5 0 0 k b s ，主要连接对象是发动机控制器、自动变速器、防抱死制动系统、主 动悬架系统、牵引力控制器等；另1 条用于车身系统的低速c a n ，速率是1 2 5 k b s ， 主要连接对象是前后车灯控制开关、电动座椅开关、门窗控制开关、空调、仪表 显示等。这2 条c a n 总线之间相互独立，通过网桥进行数据交换和资源共享【，l 。 一 一 1 1 4 本课题研究的意义 电气系统的传输需求和控制性的提高，使得线束越来越复杂，致使汽车的设 计、生产、装配、维修和使用环节出现了很多问题，降低了安全可靠性。按照传 统的点到点布线方式，汽车线束重量占去了汽车自身总重量的很大一部分，这不 仅增加了不安全因素，而且汽车油耗增加，造成能源浪费。另外，和其他控制现 场相比，汽车内温度变化范围大，电磁干扰和其它电子噪声强，环境极其恶劣， 因此，网络可靠性尤为重要【9 】。c a n 总线有效地将各个独立的控制系统连接成为 一个综合控制系统，使整车性能大幅度提高。 c a n 总线已经成为全球现代汽车电子设备的网络互连基础，而我国国内对 c a n 总线的研究仍不够深入，在国产车中还没有整车应用c a n 总线的先例，但随 着我国汽车工业和电子工业的发展，进行汽车电器的网络化研究与开发已经成为 十分重要的课题【”1 。综合研究国外的汽车网络、总线控制技术和高层通信协议的 现状及发展趋势，结合国内汽车工业的发展现状，设计适合我国国情的汽车c a n 6 第一章绪论 控制网络，以此促进我国自主研发，实现国产汽车信息化，简化汽车电路系统， 方便故障诊断，降低汽车维修工作量及费用具有重要的现实意义。 因此，本课题研究的汽车c a n 网络控制系统就是通过双绞线将汽车各个电气 节点连接成一个总线网络，通过总线发送和接收信息，电气设备除独立完成各自 的控制功能外，还为其它控制装置提供数据服务。这样，简化了布线的拓扑结构， 减少了电子设备间繁杂导线的使用，使汽车电气装配工作简化，同时也增加了信 息传送的可靠性，传输处理的高效性。因此，研发一套基于c a n 总线的车辆网络， 以基于c a n 总线的仪表为突破，以c a n 总线系统的软硬件设计为核心，以c a n 网 络p c 机监控系统为创新，为我国车辆网络技术发展做出一点探索和试验。 1 2 本课题研究的主要内容 本课题立足于现场总线技术和单片机控制系统，先进的c a n 总线技术、合理 的应用层协议制定、完善的监控功能是本课题的特色。为解决汽车电子元件过多， 布线烦杂，系统可靠性低的问题，而研发基于c a n 总线的车辆网络系统。本课题 着眼于发动机e c u 、汽车仪表、传感器、灯控系统来考虑，并对整个c a n 网络开 发上位机监控系统，方便整个系统检测和后续研发。为了给系统提供满足要求的 c a n 通信，本文着重解决和讨论以下问题： ( 1 ) 深入研究c a n 总线协议及其技术规范，分析车用电子控制设备、仪表 板及发动机的各相关传感器及其传输电路状况，设计车用c a n 总线网络。 ( 2 ) 完成汽车在行驶过程中各状态参量的采集及显示，主要包括转速、车速、 油量、水温、本次里程、总里程的显示及超限报警，以及车灯的状态控制等。 ( 3 ) 完成c a n 节点试验电路板的设计，构建基于c a n 总线的汽车控制试验 网络。研究设计c a n 网桥，以便实现发动机高速c a n 和车身低速c a n 的数据交换。 设计r s 2 3 2 c a n 适配卡，实现c a n 节点与p c 机的通信。 ( 4 ) 研究c a n 总线网络应用层协议的制定规则，针对汽车实际应用制定适 合于本系统的c a n 总线应用层协议和通讯流程。根据智能节点的硬件设计，利用 c 5 l 编写通信协议程序，实现各节点的软件设计。 ( 5 ) 采用v b 设计的测试软件，对整个汽车c a n 控制网络进行实时监控，并 对c a n 总线上的数据进行监测，在p c 机上观察节点报文的发送和接收情况。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章c a n 总线技术分析 2 1c a n 总线的技术基础 2 1 1c a n 总线的性能特点 c a n 属于总线式串行通信网络，与一般的通信总线相比具有高可靠性、实时 性和灵活性的优点0 6 1 1 1 7 1 ，具有较多技术优势和较成熟的技术背景： ( 1 ) c a n 为多主方式工作。网络中任意节点都可作为主节点在任意时刻与 其他节点交换数据，而不分主从，当出现多个节点同时要求发送数据时，从帧起 始标志开始总线仲裁。 ( 2 ) c a n 网络上节点可分成不同优先级，满足不同的实时要求，优先级高 的数据最多可在1 3 4 i ，t s 内得到传输，c a n 总线最大的特点是废除了传统的站地址 编码，采用标识符来识别不同优先级数据块。 ( 3 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术。当两个节点同时向网络上传送信息 时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传 输数据，此后，被延后的低优先级节点重新进行数据传输。有效避免了总线冲突， 从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出 现网络瘫痪情况，不像以太网那样冲突的各节点均需重新发送。 ( 4 ) c a n 可以点对点、一点对多点、及全局广播几种方式发送和接收数据。 在c a n 网络中，可以确保报文同时被所有节点接收或没有节点接收。 ( 5 ) c a n 直接通讯距离最远可达1 0 k m 5 k b p s ，通讯速率最高可达1 m b p s 4 0 m ， c a n 系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关。 ( 6 ) c a n 总线上节点数实际可达1 1 0 个。在c a n 网络中，c a n 节点不使用有 关系统结构的任何信息，在不改变应用层以及任何节点的软硬件情况下，在c a n 网络中可直接增删节点。 ( 7 ) c a n 采用短帧结构。每一帧的有效字节数为8 个，传输时间短，受干扰 8 第二章c a n 总线技术分析 的概率低，重新发送时间短，保证了数据出错率极低。 ( 8 ) 通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，并且可配合使用，选择灵活。 ( 9 ) c a n 总线具有较高的性价比。它结构简单，器件容易购置，每个节点 的价格较低，且用户接口简单，能充分利用现有的单片机开发工具。 ( 1 0 ) c a n 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与 总线的联系，以使总线上其他操作不受影响。 2 1 2c a n 总线的基础规范 1 c a n 总线的位数值表示 由于c a n 总线中传送的是差分电压信号，双线受到的干扰是一致的，能够有 效避免或减少各种电磁噪声带来的影响。c a n 的总线数值为“显性( d o m i n a n t ) ” 或“隐性( r e c e s s i v e ) ”。如图2 1 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 之间的两接口引脚电压，静态时均是2 5 v 左右，此时状态表示为逻辑“l ”，称为 “隐性”，在隐性状态下，v c a n h 和v c a n l 被固定于平均电压电平附近，v d i f 逝 似于0 。用v c a n h l l v c a n l 高表示逻辑“o ”，称为“显性”，此时，通常电压值 为：v c a n h = 3 5 v 和v c a n l = 1 5 v ，显性状态以大于最小阀值的差分电压表示。 在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态。在“显性”和“隐性 位同 时发送时，最后总线数值将为“显性”。 3 5 v 2 5 v 1 5 v 图2 1 总线位的数值表示 f i g 2 - 1n u m e r a b l ev a l u es h o wo ft h eb u sb i t 9 广东工业大学工学硕十学位论文 2 c a n 总线的通信距离 在总线范围内保证数据的一致性是c a n 总线的一个重要特性，总线上每一帧 报文对各节点应保证同时有效，即满足时间和空间的一致性条件下，c a n 总线的 标称传输率为1 m b p s ，距离不超过4 0 m 。降低传输速率可以相应的延长总线距离， 这点在远程数据监控系统中非常有用，其传输速率与传输距离有类似比例关系， 主要与介质的通信频谱、系统网络阻抗等因素有关，图2 2 是传输率与总线长度的 关系图。这里的最大通信距离是指在同一条总线上两个节点之间的距离，在实际 运用中，还要根据设定的网络传输速度、c a n 收发器特性，通过具体计算才4 能准 确得到系统两点间最远距离。 1 0 0 0 1 0 0 l o 5 4 01 0 0 1 0 0 01 0 0 0 0 位速率( k b p s ) 最大总线长度( m ) 1 0 0 04 0 5 0 01 3 0 l o o6 2 0 5 013 0 0 2 03 3 0 0 51 0 0 0 0 图2 2c a n 总线最大总线长度与位速率的关系 f i g 2 2r e l a t i o nb e t w e e nt h ed i s t a n c eo f t w o n o d e sa n dt h es p e e do fb i t 3 c a n 总线的拓扑结构 c a n 采用总线型网络拓扑结构，所有节点通过相应的硬件接口接至总线上， 任何一点发送的报文，其他节点都可接收到。当多点同时发送数据时，会造成信 号碰撞而传输失败，因此总线传输需要在链路层作仲裁。总线型网络结构中，所 有节点共享一条总线，一条物理介质完成多变量通信，因而电缆用量大大减少。 系统中各节点之间彼此相对独立，只有在数据交换时才通过网络相互联系，所以 当某一节点出现故障时，不会引起整个网络的瘫痪，系统运行可靠性提高。其另 一优点是易于扩充，增加节点只需在总线上适当位置挂接即可，不会破坏原来系 统。但缺点是系统应用范围受传输速率和传输距离的相互制约限制。 1 0 第二章c a n 总线技术分析 2 2c a n 总线的技术规范 c a n 技术规范( v e r s i o n 2 0 ) 包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了标准c a n 报文 格式，而2 0 b 给出了标准和扩展两种报文格式。标准帧报文标识符有1 1 位，扩 展帧的报文标识符有2 9 位。 2 2 ic a n 总线的分层结构 c a n 总线的参考模型包括物理层、数据链路层及应用层。c a n 的分层结构和 功能如图2 3 所示。其物理层使用双绞线，数据链路层采用具有优先级控制的载波 侦听及冲突检验机s j ( c s m a c d ) 。 l l c ( 逻辑链路控制子层) 接收滤波 一界定 数过载通知 据m a c ( 介质访问控制子层) 链 数据封装与拆装 路 帧编码( 填充与解除填充) 层 媒体访问管理 错误检测 出错标定 p l s ( 物理信令层) 位编码解码 总线故障管理 物位定时 理p m a ( 物理介质附加属性) 层 驱动器接收器特性 m d i ( 与介质相关的接口) 连接器 图2 - 3c a n 的分层结构 f i g 2 - 3l a y e r da r c h i t e c t u r eo fc a n 广东工业大学工学硕士学位论文 物理层的作用是在物理传输介质上传送各种数据的比特流，不考虑数据类型 和数据结构。物理层定义了信号怎样进行发送，因而涉及位定时、位编码和位同 步的描述，没有定义驱动器接收器的特性，以便根据具体应用对发送媒体和信号 电平进行优化。自然，在一个网络内，所有节点的物理层必须是相同的。 数据链路层基于物理层之上，通过一系列协议，在不可靠的物理链路上实现 可靠的数据传输。划分为逻辑链路控制子层( l o g i cl i n kc o n t r 0 1 l l c ) 和介质访问 控制子层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 。m a c 子层是c a n 协议的核心，负责把 接收到的报文提供给l l c 子层，并且m a c 子层由称为故障界定的一个管理实体监 控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制，对错误做出界定，对己损报文 进行标注，并自动重新发送。l l c 子层的主要功能为数据传送和为远程数据请求 提供服务，进行报文滤波、过载通知和恢复报文管理。 c a n 总线采用半双工通信方式进行数据发送和接收，发送过程为：首先按照 应用层定义好的协议生成数据，向下传递给数据链路层，在总线开放后再把数据 包传递到物理层，物理层按照接口规范通过编码电路完成发送数据的位编码，再 通过传输介质发送到c a n 总线上。接收过程为：c a n 接收节点的总线控制器通过 物理层时刻监视总线上的数据，当有数据在总线上传输时，将数据进行解码后向 上传递到数据链路层，接收到的数据通过正确性检查和验收滤波器检查后，被写 入c a n 总线控制器的接收缓冲区，等待应用层程序访问否则丢弃。物理层、数据 链路层和应用层间通信关泵l ，如图2 4 所示。 发送节点 接收节点 图2 4c a n 总线通信过程 f i g 2 - 4c o m m u n i c a t i o np r o c e s so fc a nb u s 1 2 第二章c a n 总线技术分析 2 2 2c a n 网络通信流程及报文传输 1 c a n 数据传输流程 c a n 技术规范虽然对一些基本概念、报文传输格式做了规定，但没有给出完 整的网络通信流程。通过大量的相关资料分析，得出c a n 数据交换的