（机械制造及其自动化专业论文）城市客车信息集成控制系统中信息处理技术的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会的进步和科学技术的发展，社会对城市客车的功能性要求越来越 高f 大量电子控制单元( e c u ：e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 在城市客车上的应用，能 够很好的满足乘客对于城市客车舒适性、安全性和经济性的需求，同时也能满 足政府对于城市客车尾气排放的环保要求。 目前，各种电子控制单元在我国城市客车上多采用点到点的连接，在同一 车中各自独立、分离控制，相互之间的信息传递和通讯并不通畅，从而导致了 传感器的重复使用和线束的复杂。为了提高整车的性能，对城市客车中各e c u 之间实现集成控制，监控它们的工作状态，综合利用它们的信息，实现数据信 息在各个不同e c u 之间共享，并通过判断和推理构成统一的控制信息和状态信 息成为迫切需要解决的问题。 本文首先根据城市客车的特点，提出城市客车信息集成控制系统的体系结 构，通过对系统信息类型的分析，提出系统信息的分类方法，从公共信息的甄 别、信息的提取过程和信息的处理方法研究系统信息的提取方法 7 其次，以c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 总线协议和基于c a n 的乳垣j 1 9 3 9 应用层协议为基础，提出城市客车信息集成控制系统的信息描述方法。 以城市客车信息集成控制系统为对象，针对系统总线设计者的需求，设计 了基于s a ej 1 9 3 9 协议的城市客车信息报文查询数据库。 最后，本文设计了基于c a n 总线的城市客车车灯控制模拟系统。设计了车 灯前后( 围) 节点的硬件结构，以计算机模拟系统的开关控制模块，通过软件 设计的开关控制模块实现对各个车灯的控制实验证明，本文所提出的城市客 车信息集成控制系统的信息描述方法可行，软件设计的开关控制模块能够实现 对各个车灯的控制。 本文的研究工作为城市客车信息集成控制系统的基础工作，对于实现城市 客车的网络化、智能化具有一定的理论意义和显著的现实意义。 关键词：城市客车，信息集成控制，s a ej 1 9 3 9 ，报文编码 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef u n c t i o n a l i t yr e q u e s to l lc i t yb u sb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e ra l o n gw i t ht h e d e v e l o p i n go ft h es o c i e t ya n dt e c h n o l o g y t h ea p p l i c a t i o no fal o to fe c u so nc i t y b e sc a nf u l f i l lt h en e e d so fp a s s e n g e r sf o rb u s sc o m f o r t ，s e c u r i t ya n de c o n o m y m - e n d 【a b l y , a tt h ef - m et i m ei tc a ns a t i s f yt h et a i lg a se m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o n s c o n s t i t u t e db yt h eg o v e r n m e n t t h ee c u sf i r ec o n n e c t e di nt h ew a yo fp o i n t t o - p o i mn o w ；t h e ya r ei s o l a t e dw i t h e a c ho t h e ra n ds e p a r a t e dc o n t r o l ，t h ec o m m u n i c a t i o no ft h em e s s a g e si nt h e s ee c u s w o r k i n gn o tw e l l t h u s ，t h es e n s o r sh a v et ob ec o n n e c t e dr e p e a t e d l ya n dt h ew i r e s c o l l o c a t i o nb e c o m e sc o m p l e x i t y a i m i n ga t i m p r o v i n gt h eb u s p e r f o r m a n c ew e s h o u l dr e a l i z et h ei n t e g r a t i o nc o n t r o lo ft h ee c u s , s u p e r v i s et h e i rw o r ks t a t e ，a n d a c h i e v et h es h a r i n go ft h em e s s a g e sa m o n gt h ee c u su t i l i z i n gt h ei n f o r m a t i o n ，a n d c o m p o s et h eu n i f o r mc o n t r o lm e s s a g e sa n ds t a t em e s s a g e st h m u g l ij u d g m e n ta n d r e a s o n i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w ef i r s tc o n s t r u c t e dt h es t r u c t u r eo ft h ec b i i c s ( c i t yb u s i n f o r m a t i o ni n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m ) i na l l u s i o nt ot h ec h a r a c t e r so fc i t yb u s ， p r o p o s e dt h ec l a s s i f ym e t h o do f t h es y s t e mi n f o r m a t i o na n ds t u d i e lt h es e l e c tm e t h o d i nt h ep o i n to ft h ec o m m o l li n f o r m a t i o n sd i s c r i m i n a t i n g s e l e c t p r o c e s sa n dt h e h a n d l i n gm e t h o d s e c o n d l y , t h ei n f o r m a t i o nd e s c r i b i n gm e t h o do ft h ec b i i c sw a sp u tf 0 聊a r d b a s e do nt h ec a nb u sp r o t o c o la n dt h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o ls a ej 1 9 3 9 t h i r d l y , t h i sd i s s e r t a t i o nt a k i n gt h ec b i i c sa st h eo b j c c td e s i g n e dt h ec i t yb u s i n f o r m a t i o n m e s s a g ei n q u i r i n gd a t a b a s eb a s e do ns a ej 1 9 3 9t os a t i s f yt h es y s t e m b u sd e s i g n e r sr e q u i r e m e n t f i n a l l y , t h ec i t yb u sl a m pc o n t r o ls y s t e mw a se s t a b l i s h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i n t h i ss y s t e m ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ef r o n ta n dt h eb a c kn o d e sw a sd e v i s e da n d t h ep cw i k qu s e dt os i m u l a t et h em a i nc o n t r o l l e ra n dt oc o n t r o lt h el a m p s i th a db e e n v a l i d a t e dt h a tt h ei n f o r m a t i o nd e s c r i b i n gm e t h o da n dt h em a i nc o n t r o l l e re f f e c t i v eb y t h ee x p e r i m e n t a t i o n t h ew o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni st h eb e d r o c ko ft h ec b u c s ，a n di tw i l lc o n t r i b u t e t ot h ec i t yb u s sn e t w o r k i n ga n d i n t e l l i g e n t k e yw o r d s ：c i t yb u s ；i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nc o n t r o l ；s a ej 1 9 3 9 ；p r o t o c o lc o d i n g 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。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。 研究生签名：剖畦 日期型：生互 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：王啦导师签名；么壅鱼l 篡= 日期立望6 二哆荔 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 电子技术的发展与应用，开创了汽车工业的新时代，汽车电子化已经成为 现代汽车发展的重要标志。汽车采用电子装置的程度已成为衡量汽车水平高低 的主要标志，而未来汽车市场的竞争是汽车电子化的竞争。 有研究证明，在目前的汽车创新中，7 0 来源于汽车电子系统的革新。一辆 装配精良的高档汽车一般都有5 0 余个电子控制单元( e c u ：e l e c t r o n i cc o n t r o l u n i t ) ，顶级车型甚至还要多出4 0 。大量采用电子控制单元是提高汽车整体性 能的主要途径，能够很好的满足驾驶者对汽车舒适性、安全性和经济性的需求。 t t 汽车电子的发展 t 1 汽车电子的概念 汽车电子是指应用于汽车上的有利于增强汽车驾驶安全性、减少燃料消耗、 降低废气排放、提高驾乘舒适性和便捷性的电子装置。汽车电子化被认为是汽 车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化程度被看作是衡量现在汽车水平的 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【l l o 汽车电子是一个技术复杂、门类繁多，知识密集的高科技领域，它涉及机 械、电子、计算机等多个学科，是汽车工业和电子技术结合的产物。 1 1 2 国内外汽车电子现状及其在客车上的应用 现代汽车技术的发展主要围绕着安全、环保、节能、舒适四个主题展开， 汽车电子控制技术也正是从上述四个方面逐步提升汽车性能的。特别是随着微 处理器功能的增强，为汽车工业的发展提供了动力。飞利浦半导体副总裁兼汽 车业务总经理h a r r y i n i a 先生预言：“在今天的汽车中，9 0 的创新来自于电子技 术的推动”。汽车工业已经成为使用微控制器最多的行业之一。电子产品在轿车 的采购成本所占的比例从2 0 世纪9 0 年代的1 0 2 0 ，提高到目前的1 5 3 0 ，而且在今后1 0 年这一比例可能会提高到3 0 5 0 ；并且，从近年来汽 车电予的发展趋势来看，全球汽车电子产品需求量最大的是安全及舒适类电子 系统。2 0 0 4 2 0 0 7 年间，安全、舒适类电子产品呈较快增长：动力传动系统类 及车身和底盘控制类的电子产品市场需求量略有增长；仪表和显示类电子将趋 于稳赳5 1 。 我国汽车行业的飞速发展，推动了我国汽车电子产业的快速发展。据2 0 0 4 年的统计表明，国内生产的轿车中电子部件成本占整车成本的2 0 左右。如： 武汉理工大学硕士学位论文 帕萨特轿车为1 8 7 ，别克轿车为2 5 ，奥迪a 6 为2 8 ；此外某些高档轿车甚 至已经达到了3 ( i - - 4 0 。因此，可以预见在今后的几年内，我国的汽车电子产业 将逐步形成一定的规模，产生巨大的经济效益。但是我国的汽车电产品与国外 的先进水平相比还比较落后，至少相差1 0 - 1 5 年；主要的差距在于电子控制单 元的软硬件、系统的可靠性以及控制的精度方面。国内汽车电子企业的规模都 太小。产品单一并且技术含量低，目前在国外普遍应用的汽车电喷系统、防抱 死制动系统和安全气囊等电子产品在我国的生产还刚刚起步 加强现代电子控制技术在客车上的应用，将极大的改善客车在经济、动力、 安全、环保和舒适等方面的性能。国家行政部门也正在加大电子控制技术在客 车上应用的政策和法规引导，如交通部2 0 0 2 年7 月1 日开始实施的营运客车类 型划分及等级评定标准y r r 3 2 5 2 0 0 2 中规定：高一级以上客车必须安装a b s ， 高二级以上大中型客车必须安装缓速器。从中可以看到国家对于汽车电子技术 应用于客车的重视。 目前，在国内客车上陆续开始采用的汽车电子技术主要包括：电控柴油喷 射系统、发动机废气涡轮增压器、电控自动变速器、a b s 汽车防抱死装置、汽 车驱动防滑控制系统、底盘集中润滑系统、空气调节系统、汽车导航系统、汽 车行驶记录仪和电涡流缓速器1 8 1 。随着国内汽车电子技术水平的提高和国外先进 技术的引进、消化和吸收 中国客车的电子控制水平将得到大幅度提高。 1 1 3 汽车电子技术的发展趋势 。 当前，汽车电子技术发展进入了优化人一车一环境的整体关系的阶段，汽 车在满足安全、环保和节能要求的同时，向数字化、信息化和智能化方向发展。 未来汽车电子的发展趋势是汽车电子控制系统的功能向集成化的方向发展；软 件功能将进一步增强；车载网络技术日趋成熟【5 l 。 1 控制功能集成化 控制功能集成化就是将汽车系统的各种控制功能集成在一个控制单元中， 逐步减少每辆车的电子控制单元数量。如把发动机管理系统和自动变速器电控 系统综合集成为动力传动控制系统，使汽车在各种工况下处于最佳工作状态， 提高汽车动力性和经济性。再如将动力传动、转向、悬架、制动等控制功能进 行综合集成，可大大优化汽车行驶的综合控制性能，使动力性、经济性、稳定 性、平顺性有了很大的改善。 2 加强软件功能 现代汽车安装的电子控制单元数量的增多给汽车的可靠性带来了很大影 响。据德国汽车俱乐部a d a c 的调查，由于汽车控制系统中有缺陷的软件和硬 2 武汉理工大学硕士学位论文 件引起的故障，已占到总故障的5 2 1 5 1 。为提高系统的可靠性，汽车电子控制系 统软件的功能将进一步增强，逐步实现用软件实现硬件的功能。据麦肯锡报告 中的预测，在2 0 0 3 年的微型轿车中，汽车电子控制单元中运行的软件成本，已 占到整车制造成本的2 。预计到2 0 1 5 年，这个比例将增加到7 。另据美国汽 车工程杂志的预测，2 0 0 3 年，汽车控制系统的软件附加值已占到整车价值的5 。 预计到2 0 1 0 年，该比例将达到1 5 1 5 1 。 3 车载网络技术 车载网络技术是通信技术、电子技术和汽车控制理论相结合的产物，它将 成为现代汽车电子控制技术发展最重要的基础技术。目前，无论是采用总线技 术还是采用无线通信技术，或是总线技术与无线技术相结合，每个汽车厂商都 根据自己的需求进行着汽车网络化。在低成本的前提下，研发出实时性高、可 靠性高、精度高的汽车控制网络是各大汽车厂商的追求目标 t t - 4 车载网络技术 现代汽车的各种控制系统已经变得相当复杂，高档汽车安装的电子控制装 置多达7 0 余个为简化日益增加的电控通讯线路，提高系统的可靠性，实现各 电子控制单元之问的数据共享，网络技术开始应用于汽车上。 车载网络是借鉴计算机局域网技术和现场总线技术发展起来的一种汽车局 域网，是指能使用电气或电子媒介发送或接收信息的控制模块和接线。有些网 络允许电子模块共享输入信息，让多个模块一起工作，实现复杂的控制操作。 车载网络侧重于通信含义。网络中，按一定通信协议连接的一些电子控制单元 或智能装置( 带协议控制器的传感器、执行机构或接口) ，发出控制信号和传感器 信号，然后通过网络传送到目的系统1 9 l 。 本文所讨论的车载网络是指车辆本身的内部网络系统，它是由车载网络计 算机控制，通过数据总线连接多个子网，控制发动机及其他总成、仪表盘显示 器、车灯控制，空调控制、车门控制等，各个子网具有不同的传输速度和各自 的功能。 1 车载网络的分类方法 由于存在着多种的车载网络协议，其侧重的功能各不相同，为方便研究、 设计与应用，2 0 世纪9 0 年代，美国汽车工程师协会( 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 ) 车辆网络委员会根据标准s a ej 2 0 5 7 将车载网 络划分为a 、b 、c 、d 、e 五类1 1 2 1 ，如表1 - 1 所示。 3 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 1s a e 对于车载网络的分类标准 网络分类传输速率应用场合 a 类 低速。 l m b p s 面向更严格的实时控制场合及多媒体控制 e 类 高速， s m b p s 面向辛辆被动安全性领域，如安全系统 2 车载网络的技术特征 汽车是应用环境十分恶劣的设备。这样就使汽车网络中的电子设备经常处 于恶劣的环境下，如温度变化大，燃油污染，电池干扰，机械振动，灰尘等等。 因此车载网络传输必须具备以下特甜1 2 l ： ( 1 ) 容错和故障恢复问题； ( 2 ) 节点与总线的连接接头的电气与力学特性以及连接头的数量，连接端 越少越能防止故障的发生； ( 3 )电磁兼容问题，系统必须具有承受外来电磁干扰的能力和不能对环境 造成干扰； 1 4 ) 网络系统和应用系统的评估与性能检测方法； ( 5 ) 实时控制网络的时间特性； ( 6 ) 网络具有扩展性，网上节点的增加和软硬件的更新要容易。 车载网络系统要求可靠，廉价、与应用系统一体化、线路简单和实时性好。 特点是范围小、节点小，多数对传输速度要求不高。 3 车载网络的发展趋势 网络技术应用于计算机领域已有几十年了，而汽车中使用的网络技术只是 计算机网络的“简化版本”。其拓扑技术、传输方式与计算机网络类似，只是 采用了特殊的数据传输协议。 汽车控制网络需要完成有严格时序或参数定时刷新等实时性要求的控制任 务。这种实时性控制任务，需要高速、容错的实时总线支持，以保证及时、高 效的数据传输。因此，总线的实时性和可靠性是对车载网络技术发展的要求。 实时性表现为传输速率的高速和传输时间的确定性，可靠性表现为是否支持冗 余、容错等功能【1 2 j 。 随着汽车电子化的深入发展，传统的机械式或液压式控制方式由于无法保 证安全性能的高标准，以网络通信为基础的线控技术( x b y w i r e ) 将在车上普 4 武汉理工大学硕士学位论文 及x - b y w i r e 是欧盟为完成安全、容错的车载电子系统而起步的研究项目，该 技术大大改善了汽车的操纵性、安全性、设计的灵活度及总体结构。使用这种 技术使汽车的操纵系统、制动系统及其它辅助系统能够通过电子方式进行控制， 从而使车内的刚性传动件将会被基于网络控制的各种传感器、控制器和电动执 行器所取代i ”可以预见，x - b y w i r e 技术必将促进汽车网络向高速、实时、容 错的方向发展。 未来的汽车上应该可以提供任何在办公室或家庭中的网络信息服务，它能 使车主感到更加的方便、舒适。在智能交通体系中，一个汽车应当具有接受和 提供相关信息的功能，如接受定位信号、提供地理信息服务、接受管理信息、 发送本车状态信息、进行安全服务请求等1 1 2 1 。要完成这些功能就要求未来的汽 车网络将是一个高带宽、多媒体的网络。 未来的汽车中将提高软件含量，通过软件来主导硬件，减少硬件的数目， 降低制造成本可以预计，在将来的汽车设计中，汽车专用软件开发变得愈来 愈重要，汽车软件的设计分工会逐渐的细化。现在的汽车零部件厂商有一部分 会逐渐转移其研发的重点和方向，他们会逐渐发展成为汽车专用软件供应商， 为汽车制造商提供更专业的服务 当前在汽车行业中存在很多网络通信协议，由于标准不统一，从而在实际 上提高了汽车的制造成本。这就迫切要求建立一个统一的汽车网络协议体系。 目前，各大汽车厂商对于统一开发环境o s e k v d x ( o f f e n es y s t e m eu n dd e r e n s c h n i t t s t e i l e nf l i e rd i ee l e k t r o n i ki r ak r a f i f a h r z e g v e h i c l ed i s t r i b u t e de x e c u t i v e ) 倍 加关注；因此，在不久的将来，各个网络标准合并成为一个统一的标准还是值 得期待的。 1 2 汽车信息集成控制系统的研究现状 汽车电子技术的发展，多是为了实现某种特定的功能而不断开发的，都有 其各自的控制目标和对象。但当多种电子系统应用于同一台车时，各系统之间 也就有了关联性和时序性的要求。目前，广泛应用于轿车上的电子装置，已经 实现了局部的网络控制，在我国的汽车市场中，奥迪a 4 、宝来、p o l o 、东风 标致3 0 7 、赛纳、等轿车中采用c a n 连接了部分电子控制单元，以提高轿车性 能，但对于整车的集成控制，国内还未见报道。因此，如何对这些独立的控制 系统实现有效、有序和安全方便的集成控制，综合利用他们的信息已成为轿车 和客车技术发展迫切需要解决的问题。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 t 轿车信息中央控制系统的研究现状 轿车信息中央控制系统( c i c c s ：c a ri n f o r m a t i o nc e n t r a lc o n t r o ls y s t e m ) 是集中控制轿车上各种功能控制系统的一种控制系统，它针对轿车某种具体的 事件，借助微计算机按照存储器里设定的标准值来实现对各种相关功能控制系 统的控制，以减少对驾驶者本身驾驶水平的依赖性，达到有效的提高驾驶和乘 坐的舒适性和安全性的要求【堋。 本实验室在近几年提出了轿车中央控制系统，并在一定的领域取得了一些 成果。 目前，国外的豪华轿车上使用的轿车中央控制系统可分为以下几种1 1 4 1 ： 1 完全集中控制系统：如美国通用汽车公司的汽车集中控制系统。它只有 一个以c p u 为中心的微机系统，分别控制计数器、四轮防滑制动、牵引力控制 等 2 分级控制系统：如日产公司的分级控制系统。它用一台中央控制计算机 指挥四台末级控制计算机。四台末级控制计算机分别控制防滑控制、优化点火、 燃油喷射、数据传输等。中央计算机除去控制四台末级计算机外，还根据各分 级的共同需要部分进行集中式控制。 3 分布集中控制系统：根据汽车各部分的分块进行的分块集中控制，如发 动机集中控制系统、信息显示和报警、底盘电子控制系统等。 1 2 2 客车信息集成控制系统 目前国内客车已有厂家采用了总线技术应用到其产品上，如北方奔驰客车 制造( 烟台) 有限公司引进美国卡特比勒发动机的基础上，在n d 6 1 2 0 s 客车上 初步应用c a n 总线技术。但其应用也仅仅只是局部的。本实验室在近两年开始 城市客车信息集成控制的研究。 1 3 构建城市客车信息集成控制系统的目的与意义 城市客车是城市公众服务体系中一个重要环节，是一个城市整体形象的窗 口，其服务质量的好坏就显得非常重要。提高城市客车的服务质量，除了乘务 人员的素质外，离不开客车自身硬件水平的提升。同时，随着社会的进步和科 学技术的发展，乘客对城市客车舒适性、安全性和经济性的需求越来越高，政 府部门对环境污染问题的要求也越来越严格。大量采用电子控制单元( e c u ： e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 是综合解决这个问题的主要途径。伴随着城市客车动力 环保化、形体大型化、技术多样化、整车高档化、设计人性化( 低地板化) 、结 6 武汉理工大学硕士学位论文 构轻型化、乘务电子化、寿命缩短化、造型艺术化、信息智能化、操作自动化、 控制网络化、设备可靠化的发展趋势，城市客车在技术上必然要求实现三低( 低 地板、低排放、低能耗) ，三高( 高比功率、高可靠性、高舒适性) 和三新( 新 技术、新工艺、新材料) 。 目前，各种e c u 在我国城市客车上的使用多是采用点到点的连接，在同一 辆车中采用的电子装置，基本上都是独立系统，其控制的复杂性和彼此之间的 信息传递与控制就意味着越来越多信号线和传感器是不可避免的，同时也引起 了大量的冗余信息。这除了导致高成本、高维护度、低可靠性之外，还导致线 束增多，成本增加、安装不便、检修困难，反而增加了对驾驶员驾驶技术的依 赖，降低了整车的安全性和经济性。同时，为了综合提高服务质量和整车性能， 现代城市客车中各e c u 之间控制的时序性和关联性也越来越重要。因此，如何 对这些系统实施安全方便地集成控制，综合利用它们的信息，实现数据信息在 不同e c u 问共享，并通过判断与推理构成统一的控制信息就成为迫切需要解决 的问题。 本文所研究的城市客车信息集成控制系统正是应用汽车电子控制技术、汽 车网络技术和智能控制技术，以车载总线为信息通道，针对特定事件产生控制 策略，实现e l u 之间的信息共享和关联实时控制，以增强城市客车安全性、舒 适性，提高检测、诊断能力，并达到减少对驾驶员依赖性；纠正误操作的目的。 1 4 本文的课题来源、主要工作和意义 本文的课题来源于： 高等学校博士学科点专项科研基金项目：“基于网络的轿车信息集中控制系 统关键技术研究”( 项目编号：2 0 0 2 0 4 9 7 0 0 9 ) 本文的主要工作包括： 1 分析了城市客车信息集成控制系统的构成，提取城市客车中各电子控制 单元的信息；分析了不同的信号分类方法在本系统中的应用，并研究了单个节 点的信号处理技术。 2 通过分析c a n 总线的报文帧的结构和研究s a ej 1 9 3 9 应用层协议的编码 规则，提出城市客车信息集成控制系统的信息描述方法，完成对城市客车信息 集成控制系统信息的统一描述。 3 构建了基于s a ej 1 9 3 9 的通信报文查询数据库，用户通过访问该数据库 能够方便的查询各个电子控制单元所需的信息。 7 武汉理工大学硕士学位论文 4 设计了基于c a n 的城市客车车灯控制系统的仿真实验平台，验证了所设 计的信息描述方法的正确性。 对于城市客车信息集成控制系统，各个e c u 信息的提取对于系统的构建至 关重要，是整个系统的基础；而对于信息特性的分析研究，设计其描述方法则 为城市客车集成控制系统中电子控制单元的通信与信息共享，提供了解决办法。 本文所做的工作是城市客车信息集成控制系统的基础性研究，对于实现城市客 车的网络化、智能化具有一定的理论意义和显著的现实意义。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章城市客车信息集成控制系统 信息的分类和提取 随着电子技术、传感器技术、计算机技术的飞速发展，汽车电子控制技术 日趋成熟和完善，各e c i j 在轿车上已得到广泛应用，许多电子装置已经成为轿 车的标准配置或选装配置；而城市客车作为城市公共交通重要工具，在国内却 较少应用电子控制技术。加强现代电子控制技术在城市客车上的应用，将大大 改善城市客车在经济、动力、安全、环保、舒适等方面的性能。大量的汽车电 子技术在给予车辆智能化的同时，也带来了一系列问题：信息量过大，数据量庞 大，给及时、有效的处理信息带来了困难。本章分析了城市客车信息集成控制 系统的结构，指出了系统的设计原则，并对系统的分层网络功能进行了分析； 对信息的分类方法进行了介绍；介绍了城市客车信息集成控制系统信息的提取 方法。 2 1 城市客车信息集成控制系统的体系结构 2 f t 城市客车信息集成控制系统的设计思路 为了使所设计的汽车网络适应不同车型上的不同环境，在设计系统是首先 要确定的是： ( 1 ) 信息传输模式； ( 2 ) 信息传输介质，即信息总线； ( 3 ) 总线信号的表示方法； ( 4 ) 信息交流协议，即指在网络间进行数据传输所需要遵循的电子语言通 信规则和格式( 如编码、传输速度等) 。 本文的城市客车信息集成控制系统采用多路传输技术。所谓多路传输，即 指在计算机局域网中，将多种信息混合或交叉通过一个通信信道传送的方式。 一个具有多路传输的功能的网络允许多个计算机同时对它进行访问【纠。每个节点 由普通双绞线相互连接，并使用数据链接插口作为诊断接口。节点之间采用s a e j 1 9 3 9 协议进行通信。信息内容涉及控制、状态或诊断信息以及运行参数等。 针对汽车控制系统中以事件为控制目标、每个功能控制系统都有其明确的 控制目标等特点，在设计城市客车信息集成控制系统时还应遵循以下原则1 1 4 j ： ( 1 ) 以事件为控制目标，事件的叙述形式统一，并且具有各自的功能； ( 2 ) 模块化。把每个事件看作独立的模块，它们之间相互独立，系统对于 事件的定义、修改和补充都可独立完成； 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 具备解释和冲突消解功能； ( 4 ) 系统应能反映各功能控制系统的彼此关联程度和动作的时序特性。 2 1 2 城市客车信息集成控制系统的网络拓扑结构 城市客车信息集成控制系统是是以城市客车为对象，以车载总线为信息通 道，针对特定控制功能，由与之关联的客车电子控制单元e c u 构建而成的一个 信息集成控制的网络控制系统；该系统综合应用汽车电子控制技术、车载网络 技术和智能控制技术，实现城市客车各e c u 的信息共享和关联实时控制，以达 到整体提高城市客车安全性、舒适性的目的，减少对驾驶员技能的依赖度。 控制器局部网c a n 是一种串行数据通信总线，满足s a e 所定义的三类车 载网络 帧问空间 数据帧( 或远程帧) 与它前面帧的分隔是通过帧问空间来实现的，无论前 面的帧是何种类型。而过载帧与错误帧之前没有帧间空间。帧间空间包括“间 歇”、“总线空闲”的位域。如果是发送前一报文的“错误认可”节点，则还 包括“挂起传送”( 暂停发送) 的位域。 3 1 2s a e j l 9 3 9 通信协议 s a ej 1 9 3 9 通信协议是由美国汽车工程师协会卡车和公共汽车电气电子 委员会下的控制和通信网络分委员会制定的高层c a n 网络通信协议；它主要用 于为重型道路车辆上电子控制单元之间的通信提供标准的体系结构，是目前在 大型汽车中应用最广泛的应用层协议。j 1 9 3 9 是一个高速的通信网络，可达到 2 5 0 k b p s 的速率。它的前身是j1 7 0 8 和j 1 5 8 7 ，但它们是低速的，只提供了电子 控制单元之间的简单的信息交换，包括了诊断信息。j 1 9 3 9 完全兼容了前两者的 功能旧。 1 s a ej 1 9 3 9 通信协议的文档架构【3 1 l s a ej 1 9 3 9 主要用到了c a n 协议的四个层：物理层、数据链路层、网络层 和应用层，下面将分别介绍各层相应的子标准的功能。 s a ej 1 9 3 9 ：通用标准( 总标准) ，描述了o s i 通信结构、子标准结构、 提供命名和分配值的控制，在这一文件中，对各个子标准进行了总体概 括性的介绍，并在附录中给出了三大类编码表，即：参数组数编码、源 地址编码和故障报告编码。用户的c a n 通信遵循这些附表来定义参数 组数、源地址和故障报告编码。 s a ej 1 9 3 9 0 1 ：载货车、客车控制和通信网络应用文档。 武汉理工大学硕士学位论文 s a ej 1 9 3 9 1 1 ：物理层文档，定义物理层。如通信速率、双绞线连接、 同一网络连线上最大子系统数等。物理层可实现的功能为：位表示、位 定时、同步、总线故障检测、物理媒体及其附属装置之间的机械和电气 接口。这些由c a n 硬件来实现。 s a ej 1 9 3 9 2 1 ：数据链路层文档。主要定义了信息帧的数据结构、编码 规则。包括通信的优先权、通信格式、通信要求、总线仲裁、错误检 测及处理。 s a l ej 1 9 3 9 3 1 ：网络层文档。定义网络之间的连接协议。 s a ej 1 9 3 9 4 x ：运输层文档；s a ej 1 9 3 9 5 x ：会话层文档；s a ej 1 9 3 9 6 x ： 表示层文档。这些都是预留的。 s a e j l 9 3 9 1 ：应用层文档。用于车辆应用层，定义常用物理参数的格 式主要有控制参数、驱动状态参数、驱动系控制、驱动系配置、信息 参数、信息状态参数。数据格式规定数据的长度、分辨率、取值范围和 类型。状态值一般用2 位离散值来表示、测量值用多个字节表示。用户 对自己的实际系统按s a ej 1 9 3 9 的数据格式进行定义，形成实际的应 用网络。本文的研究中，主要应用该文档，它主要定义了c a n 车辆控 制的各种参数和优先级。 s a ej 1 9 3 9 7 3 ：应用层文档，用于诊断应用层 s a ej 1 9 3 9 8 1 ：网络管理协议。为了识别和了解网络上其他e c u 的功 能，网络管理协议定义了一套e c u 的命名方法，目的一是提供了e c u 的功能描述；二是提供了e c u 源地址仲裁的数字值。 2 s a ej 1 9 3 9 编码定义规则i 蚓 s a ej 1 9 3 9 是一种支持闭环控制的实现多个e c u 间高速通信的网络协议， 主要应用于载货车和客车上。它是以c a n 总线通信协议为基础制定的，借用 c a n 的信息帧传递s a ej 1 9 3 9 的信息，利用c a n 2 0 1 3 扩展帧的2 9 位标识符形 成s a ej 1 9 3 9 的编码系统，这样就约定了货车和客车的通用编码，并按这一规 则形成了s a ej 1 9 3 9 通信协议。 表3 - 1 介绍了c a n 2 0 的标准和扩展格式，及s a ej 1 9 3 9 协议所定义的格式。 从中我们可以看到，s a ej 1 9 3 9 标识符包括p r i o r t y ( 0 1 t 先权位) 、r ( 保留位) 、 d p ( 数据页位) 、p d u f o r m a t ( 协议数据单元) 、p d us p e c i f i c ( 扩展单元) 、 s o u r c ea d d r e s s ( 源地址1 。而报文单元还包括6 4 位的数据场。 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 1c a n 和s a ej 1 9 3 9 信息帧仲裁域、控制域比较 c a n 扩展帧格式 1 1 位标识符 sl 1 8 位扩展标识符 s rd o re c a n i d 位置 f 2 8 玎) 1 81 7 _ 】d o 优先权pd砰 p f p s源地址 $ 1 9 3 9 帧格式 置 3 ，2 ，1 p 8 02 。18 一l8 - 1 1 1 9 3 9 帧位置12 一1 21 31 41 5 ，1 61 7 - 2 42 5 3 2 s a ej 1 9 3 9 将c a n 2 o b 扩展帧的2 9 位标识符( i d ) 进行了重新定义，制定了 相应的数据编码系统。c a n 的扩展格式变为& 墟3 1 9 3 9 是通过协议数据单元 p d u ( p r o t o c o l d a t a u n i t ) 来实施和封装的。每个p d u 信息帧由7 个部分组成，结 构为p ，r 、d p 、p f 、p s 、s a 、d a t a 。p d u 的实际意义就是c a n 的2 9 位标 识符加上数据。其意义如下。 ( 1 ) 优先权( p ) ：由3 位组成，即o 7 ，共8 级，其中0 最高、7 最低。 一般面向控制的信息优先级为3 ，面向数据信息的优先级为6 ，速度快的控制系 统则优先级高。 ( 2 ) 保留位( r ) ，1 位，对发送信息体，此位应清零。用于留待将来使用。 ( 3 ) 数据页( d p ) ：1 位，即0 和1 页。数据页用于扩展的参数组，目前定 义的参数组p g n ( p a r a m e t e rg r o u p sn u m b e r ) 大部分定义在0 页。 ( 4 ) p d u 格式( p f ) ：用于决定分配到数据域的参数组有两种特定的标 识不同的参数p d u 格式，即p d u l 和p d u 2 。p d u l 格式可用于传递c a n 数据 帧到特定的目标地址( d a ) ，即某个e c u ；p d u 2 用于将c a n 数据帧传递到一 个扩展参数组( g e ) ，而不是一个特定的地址。 ( 5 ) 特定p d u 树状查询方法：数据库系统提供信息分类树状结构，点击相关的父类 或其之类，其下属的信息将显示出来，单击某条报文，其所包含的属性显示出 来，双击某条保文，其所包含的信息排序显示出来。 ( 2 ) 关键字查询：数据库系统提供关键字查询，通过相关的检索关键字， 可以快速查询所需信息。如输入变速器点击查询，系统显示与变速器相关的信 息。 4 3 3 数据库系统的设计 城市客车信息集成控制系统数据库中存储的对象包括：城市客车各个e c u 发出的各种状态信息、控制信息、c a n 总线上发送接受的报文和各个节点控制 器的源地址代码。系统用三个表来记录这三组数据的属性，其相互的联系如图 4 - 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 n a m c d 比 t xm e t h o d c y c l et m t e - c o m m e n t p g n s o u r c e s y s t e m p r i o r i t y s a e d o c 参数组名称 参数组标识符 字长 发送方式 发送周期 注释 参数组编号 源地址 所属系统一 优先级 文档类型 源地址代码表 系统信息特征表 n a m e l e n g t h o f f s e t m i n i m u m m a x i m u m u n i t c o m m e n t s i g t y p e s p n p g n d c f o f b i t s a e d o c 字长 精度 最大值 最小值 单位 注释 信号类型 信息编号 参数组编号 位定义一 文档类型 c o n t r o l l e r c o m m e n t s a e d o c 控制器 注释 文档类型 图4 1 信息存储关系图 信息报文编码表用来描述总线上发送接受的报文编码。它的字段包括参数 组名称、参数组标识符、字长、优先级、发送方式、发送周期、源地址、参数 组编号、系统等信息。其中参数组编号是每条报文的唯一编码；发送方式标明 了数据报文是否为周期性发送；注释则解释了数据报文的适用范围；标识符给 出了数据报文( 不含数据) 的编码。该表格中的源地址字段与源地址代码表格 中的源地址代码和参数组标识符字段关联，通过查询相关的源地址代码，来完 成对于报文标识符编码。 系统信息特则表用来描述每条信息的特征。它包括信息名称、字长、精度、 最大值、最小值、信号类型、信息编号、参数组编号、位定义等字段。其中信 息编号是每条信息的唯一编码；精度给出了计算量信息的表示方法。最大值和 最小值给出了数据范围，信号类型则指明信息的属性，p g n 编号显示了每条信 息所属的报文，它与信息报文编码表的p g n 相关联，位定义则给出了每条信息 在信息报文数据位中所属的位置它与信息报文编码表中的参数组标识符相关 联，它们一起构成一条完整的p d u 代码。 在得到相关数据表格的逻辑关系之后，即可以在d e l p h i 中设计相关的可视 化界面，来实现对相关的s o l 表格里的数据进行管理和查询。以下是以调用一 条信号的相关属性为例，介绍了d e l p h i 是如何调用s o l 表格里面的数据的。 武汉理工大学硕士学位论文 p r o c e d u r et f o r m s p n b i t b t n 3 c l i c k ( s e n d e r ：t o b j e c t ) ； b c g 证 f o r m s p n i n p u t b u t t o n 3 e n a b l e d ：= t r