（动力机械及工程专业论文）汽车电控系统j1939协议和诊断通信模块的开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着汽车内部电子智能部件的大量增加，对车辆内部的数据通信提出了迫切 的要求。自上世纪8 0 年代初，c a n 通信总线协议在b o s c h 公司问世以来，c a n 总线技术经历了飞速的发展，c a n 通信网络取代传统的串口通信已成为必然的 发展趋势。到目前为止，c a n 在卡车和客车领域已经发展形成一种标准协议一 - j 1 9 3 9 。 本文首先对近年来c a n 总线和j 1 9 3 9 协议的发展进行了介绍，并对c a n 通信协议和j 1 9 3 9 通信协议的通信原理进行了学习与研究。 在此基础上，本课题的主要任务是为柴油机共轨系统e c u 开发基于j 1 9 3 9 通信协议的c a n 通信模块，掌握c a n 总线最小通信节点及j 1 9 3 9 协议的开发 技术。开发对象使用的单片机为i n f i n e o n 公司的1 6 位控制器c 1 6 7 - c r 。开 发工作主要包括了：通信节点设计、硬件接口设计以及软件程序的编写三个方面。 其中，软件编写是本次开发工作的重点，包括了c a n 驱动程序的编写和j 1 9 3 9 应用程序的编写。前者用以实现基本的c a n 通信功能，后者用以实现j 1 9 3 9 协 议中的基本功能。 计算机仿真测试技术的使用，不仅可以缩短开发周期，同时也可以降低开发 成本。课题中对计算机仿真软件在j 1 9 3 9 协议开发中的应用进行了学习和研究， 并在仿真环境下创建了符合j 1 9 3 9 通信协议的虚拟网络，利用该虚拟网络完成了 对实际节点的测试工作，实现了共轨系统e c u 节点与虚拟仪表板节点以及虚拟 变速箱节点的通信。通信测试结果令人满意，开发的通信模块可以满足实时通信 的要求。 基于k 线的k w p 2 0 0 0 通信协议是国际上广泛采用的诊断通信协议，课题介 绍了k w p 2 0 0 0 协议与k 线通信原理并在柴油电控系统中实现了符合k w p 2 0 0 0 协议的诊断通信模块。 关键词：高压共轨，c a n 总线，j 1 9 3 9 协议，c a n o e ，串行通信，k w p 2 0 0 0 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e ru n i ti n c r e a s i n gq u i c k l yi na u t o ，h i g h s p e e da n d e f f e c t i v ec o m m u n i c a t i o ni sr e q u e s t e d s i n c et h ec a np r o t o c o lw a sb o mi nb o s c hi n t h e8 0 so f2 0 “c e n t u r y , i th a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y n ec o n t r o l l e ra r e an e t w o r k w i l lt a k et h ep l a c eo f t h er s 2 3 2a n di t su s ei na u t ob e c o m e sac e r t a i nd i r e c t i o n s of a r , w i t ht h ec a n p r o t o c o ld e v e l o p i n g an e w s t a n d a r db i r t h e d 一3 1 9 3 9 i th a sb e c o m ea s t a n d a r dp r o t o c o lu s e di nt r u c ka n db u s ， f i r s t l y , t h i st h e s i sg i v e sa ni n t r o d u c t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to fc a nb u sa n d j 1 9 3 9p r o t o c o li nr e c e n ty e a r s as t u d yo nt h ec a nb u sa n dj 1 9 3 9p r o t o c o lh a sb e e n c a r r i e do u ta n dd e s c r i b e di nt h et h e s i s b a s e do nt h em e n t i o n e da b o v e t h em a i nt a s ko ft h et h e s i si sd e v e l o pt h ej 1 9 3 9 c o m m u n i c a t i o nf o rt h ec rs y s t e m t l l i st h e s i sc o v e r sad e t a i ls t u d yo nt h ed e s i g no f t h ec a nc o m m u n i e 缸i o nn o d ea n dt h ed e v e l o p m e n to f j l 9 3 9p r o t o c 0 1 t h eo b j e c to f t h et a s ki s1 6 - b i tm i c r o - c o n t r o l l e rc 1 6 7 c 1 lt h em a i nw o r ki n c l u d e st h ed e s i g no f t h e n o d e t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ei n t e r f a c ea n ds o f t - w a r ep r o g r a m m i n g 耶1 es o f t w a r e d e v e l o p m e n ti st h em o s ti m p o r t a n tp o i n to f t h ew o r k 1 f l l cs o f t w a r ei n c l u d e st h ec a n d r i v ep r o g r a ma n dt h ej 1 9 3 9a p p l i c a t i o np r o g r a m n ef o r m e ro n ei su s e dt or e a l i z e t h ec a nc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na n dt h el a t t e ro n ei su s e dt or e a l i z et h ej 1 9 3 9 f u n c t i o n b e c a u s eo ft h eu s eo ft h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n , t h ep e r i o d so ft h ed e v e l o p m e n t h a sb e e ns h o r t e n e da n dt h ec o s ti sd e c r e a s e d as m d yo nt h eu s eo fc o m p u t e r s i m u l a t i o ni nd e v e l o p m e n to ft h ej 1 9 3 9p r o t o c o lh a sb e e nc a r r i e do u t a l s ow e e s t a b l i s h e dav i r t u a lj 1 9 3 9n e t w o r k w i t ht h eh e l po f t h ev i r t u a ln e t w o r k , w ef i n i s h e d t h et e s to f t h er e a lc o m m u n i c a t i o nn o d ea n dr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne c u a n dt h ev i r t u a ln o d e s t 1 l er e s u l to f t h et e s ti ss a t i s f i e d k w p 2 0 0 0p r o t o c o li so n eo ft h em o s tp o p u l a rd i a g n o s t i cc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sa l lo v e rt h ew o r l d t 1 1 i st h e s i sg i v e sa l li n t r o d u c t i o nt o t h ep r i n c i p l eo f k w p 2 0 0 0a n dr e a l i z e dt h ed i a g n o s t i cc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do nk w p 2 0 0 0 i n c rs y s t e m k e yw o r d s ：c o m m o nm i l 。c a nb u s ，j 1 9 3 9p r o t o c o l ，c a n o e ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n , k w p 2 0 0 0p r o t o c 0 1 n 浙江大学硕士学位论文 学号2 q 垒q 墨21 至 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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，也不包含为获得逝江盘茔或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：础碧签字日期：j 钟年矿占月上曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘姿盘堂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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：且伤穷 导师签名： 闰珞 签字日期：j o ，年矿月，工臼签字口期：乒彩年，月，2 ，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题的目的和意义 柴油机电控高压共轨燃油喷射系统无疑是柴油机燃油喷射系统发展史上的 一座里程碑【1 捌。它具有柴油机理想的燃油喷射系统功能：实现高压喷射；喷油 压力不受转速的影响；实现对喷油量、喷油定时和喷油规律的全工况灵活柔性控 制，是全球柴油机行业研究的热点之一。为了应对国际市场的挑战和日趋严格的 排放法规，国内的一些研究机构和高校也纷纷投身于高压共轨的研究和开发中。 经过长时间的学习和研究，国内已经掌握了高压共轨系统电控单元及系统基本功 能模块的开发技术，并与部分国产机型进行了成功的匹配。在此基础上，为应对 今后系统产品化后面向国际市场的挑战，本课题将工作重点对准了高压共轨系统 配套应用功能模块的研究和开发，这其中包括了c a n 通信和诊断通信两大通信 功能模块的研究和开发。 近年来随着车辆电控系统数量的增加，车辆各电控单元之间已不再是互为独 立的个体，它们需要与其他相关e c u 进行实时的信息交换1 3 0 l 。然而，传统的采 用专用通信线的通信模式( 如图1 1 所示) 己难以满足车辆系统通信对于高速性、 稳定性和低成本性的要求【3 3 1 。在借鉴计算机网络和现场控制技术的基础上，人 们逐渐开发出多种适用于车辆系统通信的网络总线。这其中，c a n ( 控制器局 域网) 总线网络( 如图1 2 所示) 因其通信的稳定和相对较低的成本是目前应用 最广泛的车辆高速通信网络。c a n 通信协议为各类硬件设备制造商提供了一个 统一的标准1 4 1 。 同时，随着汽车工业全球化的发展，一家汽车制造商往往由多个供应商为其 提供不同的部件总成，而一个供应商又为多家汽车制造商提供部件总成。为统一 不同厂商和供应商间应用层的通信标准，解决控制器件兼容性问题，美国汽车工 程师协会制定了一系列的应用层通信标准。其中，j 1 9 3 9 协议是目前在中型和重 型道路车辆领域被广泛应用的信息通信协议，他以c a n 2 0 b 协议为基础，并且继 承了j 1 5 8 7 等协议中相关内型1 7 1 。可以说，j 1 9 3 9 协议为中重型道路车辆上电子 部件间的通讯以及整车网络的建立提供了一个标准的体系结构，同时促进了整车 网络体系在中重型道路车辆领域的发展。考虑到当前开发的高压共轨系统在今后 所面向的用户对象，本课题的目的之一是为该系统开发符合j 1 9 3 9 协议标准的 e c u 通信功能模块。 浙江大学硕士学位论文 图1 - 1 ；传统通信模式 图l - 2 t 总线网络通信模式 随着国内电控高压共轨系统技术的逐步成熟，如何保证共轨系统运行的可靠 性和稳定性是该系统作为产品被推广前必须解决的问题之一。而故障诊断功能模 块又是保证电控高压共轨系统稳定可靠运行的一个必不可少的环节。 电控高压共轨系统是柴油机满足g c d n 排放的关键技术之一由于各类电子原 件在高压共轨系统中的广泛应用，一方面为降低发动机的排放以及提高燃油经济 性做出了贡献，另一方面也增加了发动机维护和故障诊断的复杂性【2 lj 。同时， 一旦电控系统中某一部件发生故障失效，如果不及时发现并采取有效的措施反而 会使排放恶化。因此，为电控单元开发相应的诊断功能的工作交得e l 趋重要同时 也是电控系统市场化过程中非常关键的功能i 叫。 目前国际上普遍采用o b d i i 作为通行的故障诊断标准，它给出了统一的故 障诊断接口及故障代码格式，加快了车辆的维修速度，提高了维修质量，从而保 证了具备电控系统发动机的良好的排放性能。同时，为提高各类电控单元与诊断 设备问通信的兼容性，国际上也制定了一些相应的诊断通信标准，例如， s a e 儿8 5 0 、s a e - j 1 5 8 7 以及k w p 2 0 0 0 等。而其中，i s o - 1 4 2 3 2 标准的k w p 2 0 0 0 ( k e yw o r dp r o t o c 0 1 ) 标准协议因其硬件资源应用相对比较简单，已经成为国际汽 车行业中流行的一个诊断通信标准。 因此，本课题的另一个目的是开发符合o b d i i 标准和k w t r 2 0 0 0 通信标准 的高压共轨系统故障诊断通信模块。 2 浙江大学硬上学位论文 1 2 国内外发展现状 1 2 1 高压共轨系统的发展现状 自1 9 9 5 年日本电装公司首次将其研制的e c d - u 2 高压共轨系统应用到卡车 上以来，国际上各大高压共轨研发公司，如日本电装、德国b o s c h 公司和西门 子公司、美 亘d e l p h i 公司等已经实现了高压共轨系统产业化，并在柴油机上大量 应用【l 翔。根据d e l p h i 公司的统计数据，到2 0 0 5 年，高压共轨系统在新生产车辆 上的应用比例将达到7 0 ，装配高压共轨系统的柴油机动力车辆将达到5 0 0 万 辆。目前b o s c h 公司已经推出了第三代采用压电晶体的高压共轨系统，而西门 子公司也将在2 0 0 6 年推出其第三代高压共轨系统。 国内高压共轨系统正处于研发的关键阶段，我们已经掌握高压共轨系统的各 项基本关键技术，无锡油泵油嘴研究所自行研制和开发的共轨系统已经完成了基 本功能模块的开发工作，目前正逐步转向产业化前的辅助应用功能的开发。同时， 国外电装、b o s c h 、d e l h i 等公司的高压共轨系统也相继进入中国市场，并开始 在中国建立合资公司生产制造。可见，早日实现国内自主知识产权共轨系统的产 业化已经势在必行。 1 2 2 c a n 总线和j 1 9 3 9 协议在国内外的发展 早在1 9 6 8 年，美国的艾塞库斯就提出了利用单线传输多路信号的构思，由 于受当时微电子技术水平的限制而未能如愿1 2 9 1 。8 0 年代末，博世公司和英特尔 公司研制了专门用于汽车电子系统的总线c a n 规范，但因c a n 总线要求每个端 口都需有单独的通讯处理能力，这在当时的汽车电器系统中很难办到。1 9 8 7 年 中期，i n t e l 开发了首个c a n 控制器一8 2 5 2 6 【4 】。不久，p h i l i p s 半导体也推出了 8 2 c 2 0 0 。这两种c a n 控制器在报文过滤和控制上有许多的不同。p h i l i p s 半导体 的方式n q b a s i c c a n ；i n t e l 的方式叫f u l l c a n ，由此后的不断发展，从而形成了 f l l l l c a n 和b a s i c c a n 两大阵营。 进入9 0 年代，由于集成电路技术和电子功率器件制造技术的迅速发展，用 廉价的微处理芯片和信号识别芯片作为总线通讯接口端，采用总线技术控制汽车 电器，从技术上，价格上逐渐进入了实用化阶段。2 0 世纪9 0 年代初，b o s c hc a n 规范( c a n2 o ) 被提交给了国际标准化组织。经过讨论，应一些法国主要汽车 商的要求，包含了吸收一些w n 网( v e h i c l e a r e a n e t w o r k ) 的内容。并于1 9 9 3 年1 1 月出版了正式的c a n 国际标准i s o l l 8 9 8 1 3 3 4 9 】。从此c a n 协议被广泛的用 于各类自动化控制领域。在1 9 9 2 年，奔驰公司首先在他们的高级轿车上使用了 c a n 技术1 5 5 。这是c a n 技术在车载网络系统中的首次实际使用随后，采用 c a n 总线标准的汽车制造公司越来越多，其中有大众、宝马、保时捷、劳斯莱 3 浙江大学硕士学位论文 斯、美洲豹等。同时，支持c a n 总线标准的电子公司有英特尔、摩托罗拉、菲 利普、m i c r o e h i p 、西门子等。同时，标准化组织s a e 和j s a e 也都制定了相应的 c a n 总线应用标准，s a e 的j 1 9 3 9 就是c a n 的新标准。 进入二十一世纪以来，c a n 协议及其网络系统已被全球汽车厂商普遍接 受，成为车载网络系统的计算机网络技术基础1 4 9 1 。到2 0 0 5 年，c a n 占据了整个汽 车网络协议市场的6 3 。在欧洲，基于c a n 的网络也占有了大约8 8 的市场 0 4 , 15 ，1 7 】。同样，c a n 也用于其他类型的交通工具，从火车到轮船或者用于工业 控制。如图1 3 所示，在1 9 9 9 年，总共有接近7 千万个c a n 控制器投入应用。 到2 0 0 0 年为止全球c a n 节点的数量接近了1 2 亿个 1 5 1 0 c a n 已经成为全球范围 内最重要的总线之一，甚至领导着串行总线阱j 。 图1 3 ：全球c a n 节点的数量 汽车总线在中国的发展却不容乐观1 4 8 ，5 。国内批量生产的车多属于中低档轿 车，这些轿车上没有进行网络化设计。不过最近国内各个汽车公司从国外引进的 新车型中电子含量大大提高，且都装备了不同规模的汽车电器网络。目前国内所 引进的车型包括有：通用别克公司的君威( r e g a l ) ，大众公司的帕萨特( p a s s a t ) ， 奥迪a 6 等，这些轿车中均已配备了基于c a n 总线的信息通信网络结构。相对于 家用轿车行业，总线通信技术在国内客车和卡车领域的应用依然是相当落后的 【5 羽。计划到2 0 0 6 年，北京地区的卡车和客车的排放要满足欧i l i 标准。因此，为 了满足日益严格的排放法规，逐步与国际汽车行业接轨，载货卡车和客车中也必 须引入计算机及控制技术。采用控制器局域网和国际公认标准协议j 1 9 3 9 来搭建 网络并完成数据传输以实现汽车内部电控单元的网络化是一种迫切的需要也是 必然的发展趋势1 5 6 1 。 目前，中国单片机实验室联合北京英贝多嵌入式网络技术有限公司以及国内 著名的汽车设计厂商，经过两年多的设计开发，实现了基于单芯片的j 1 9 3 9 网关 芯片e m 2 0 0 3 系列产品 5 0 1 。e r a 2 0 0 3 可用于汽车数字化仪表，汽车j 1 9 3 9 网关，汽 车多功能电控的核心单元，并通过了严格的可靠性测试和实际产品化验证，已投 入批量生产。e m 2 0 0 3 的各项指标己达到了国际先进水平，除支持s a ej 1 9 3 9 固 件外，还可支持s a e1 5 8 7 ，i s 0 9 1 4 1 标准，实现对汽车仪表的控制驱动。在国内 是唯一实现了对汽车全液晶数字仪表的控制，步进马达指针仪表的控制及多功能 4 浙江大学硕士学位论文 车载传感器信息运行参数的网络计算信息平台。通过了与美国、德国、意大利 j 1 9 3 9 发动机的互连测试，取得了国际化的通行证。 同时，s a ej 1 9 3 9 的技术规范及软硬件开发测试平台已由中国单片机公共实 验室完成引进消化和部分技术的国产化工作，并对国内数十家汽车厂商的控制计 算平台提供技术支持和解决方案及顾问服务。 1 2 3 国外汽车故障诊断技术的发展概况 专用的汽车故障诊断仪最早出现在7 0 年代初期。原西德在1 9 7 2 年推出了他 们研制的国民牌车外诊断装置，该装置可对特定车型的8 0 多个项目进行检测， 并能输出打印结果【椰l 。随后，美国和日本也开发了类似装置，但因为受当时技 术水平的限制，这些装置的诊断效果并不理想。 为了克服车外诊断装置的局限性，1 9 7 9 年，美国通用公司在其所生产汽车 的电控汽油喷射系统中，正式采用了随车诊断系统1 2 i , 6 2 l 。在随后的几年中，欧洲， 美国，日本等国的汽车生产厂商陆续在各自生产的汽车上配备了随车诊断系统， 随车诊断系统成为各汽车生产厂商完善其产品功能，增强市场竞争力的一个重要 标志。 随车诊断系统主要有如下功能：有严重故障时向驾驶员报警；存储并显示故 障代码；实行容错控制，使汽车在某些故障下不丧失基本行驶能力。 这些在8 0 年代和9 0 年代初的汽车上配备的随车诊断系统，多为各汽车生产 厂商独立开发的，因此，无论在检测项目，通信协议，接口标准以及故障代码的 定义等方面，不同厂商的产品都存在着较大的差异，因而也给不同车型的维修工 作带来不方便。 1 9 8 5 年，美国汽车工程师协会( s a e ) ，美国环保署( e p a ) ，加州空气资源 委员会( c a r b ) 开始制定一种统一的车载故障诊断系统的标准旬b d i 标准， 制定该标准的目的是加快燃油喷射系统的维修速度，提高其维修质量，以降低汽 车废气的排放。该标准于1 9 8 8 年开始实施。o b d - i 系统能够实时监视控制模块， 与控制模块相连的各传感器，燃油系统以及废气再循环系统等，但是o b d i 并 未指定统一的故障码和通信协议标准。 随后1 9 8 9 年，c a r b 又开始着手制定o b d i i 标准。1 9 9 3 年，美国环保署颁 布了相应的规定，一些1 9 9 4 年出厂的轻型车上开始配备o b d i i 随车诊断系统1 6 2 1 。 根据美国环保署与加州控制资源委员会的规定，自1 9 9 6 年1 月1 日起，所 有美国公司新出厂的汽车都必须配备o b d i i 随车诊断系统1 2 l 】并且，许多欧洲及 亚洲的汽车公司也在其汽车中安装了o b d i i 随车诊断系统。图1 4 所为o b d 标准 发展的一个基本时间进程。 - 5 浙江大学硕士学位论文 图1 - 4 ：o b i ) 标准的发展进程 o b d i i 随车诊断系统的优越性主要体现在如下方面： 统一了汽车内部网络的通信协议； 统一了故障诊断接口； 统一了故障代码设置； 扩大了诊断零部件范围； 增加了对系统的诊断要求。 伴随着o b d i i 随车诊断系统的出现，国外许多企业和研究部门开发出了专门 用于o b d i i 系统的监测仪。如美国b & b 公司出品的o b d i i 随车诊断系统检测仪， 就可以对所有采用o b d i i 系统的汽车进行检测，并具有自动配置，数据存储，打 印输出等功能口2 ，6 2 1 。 同时，在o b d - i i 标准出台不久以后欧洲也出台了类似的诊断标准，称为 e o b d 。而日本也出台了一套相对比较简单的j - o b d 标准，并将于2 0 0 8 年对 j - o b d 进行严格的修改。 1 2 4 国内汽车故障诊断技术的发展概况 国内的汽车故障诊断技术的研究起始于7 0 年代后期，1 9 7 7 年，国家为改变 汽车维修行业技术落后的局面，下达了“汽车不解体检验技术”的研究课题，标 志着我国汽车诊断技术研究的开始1 6 l j 。 8 0 年代以来，我国汽车诊断主要集中在专用的诊断和检测仪器的研制开发 上哪i 。目前，国内己开发成功的汽车检测设备主要有：发动机无外载加速测试 仪，发动机废气分析仪，发动机异响诊断仪，汽车制动试验台，发动机综合测试 仪等。与此同时，各科研究院所也纷纷对汽车故障的理论和方法进行了研究，将 专家系统理论，信号处理技术，模糊诊断理论以及人工智能技术应用于汽车故障 的诊断领域。 8 0 年代初，一汽奥迪与北京切诺基汽车率先在其电喷发动机中采用了随车 诊断系统，开始了随车诊断系统在我国的推广。现在，在我国生产的各类轿车中， 都已配备了随车诊断系统，并且，在1 9 9 9 年投产的上海别克轿车中还配备了先 进o b d l l 随车诊断系统。 6 卜妄m11若u 浙江大学硕士学位论文 9 0 年代以来，我国出现了企业自行研制开发的汽车电控系统检测仪，这类 检测仪大多采用单板机技术制造，并配备有多种车型的检测卡和连接器，可以对 欧，美，亚及国内生产的多种电控汽车进行故障检测。9 0 年代后期，带有o b d i i 随车诊断系统的电控汽车在我国的保有量逐渐增多，一些厂商生产出了具备 o b d i i 检测功能的电控汽车检测仪。例如深圳元征计算机公司生产的“电眼睛” 汽车电控系统检测仪，适用于亚、欧、美各大车系2 0 0 0 多种车型的发动机，变 速箱，a b s ，安全气囊等系统的故障检测，可进行数据流，故障代码及o b d i i 测试，并具备直接打印及与p c 机联机打印等功能。 1 3 论文各部分内容 论文第二部分对c a n 通信协议和j 1 9 3 9 协议的通信原理进行了初步的研究 分析，作为后面通信模块单元开发的基础；第三部分是对j 1 9 3 9 协议的开发进行 了研究，开发工作包括了：节点的设计、c a n 接口硬件电路的设计以及c a n 模 块驱动程序与j 1 9 3 9 通信应用程序的编写；第四部分对计算机仿真测试软件一 c a n o e 在j 1 9 3 9 开发中的应用进行了学习和研究，并利用在c a n o e 中建立的虚 拟节点完成了对实际开发节点的测试工作；第五部分是基于k w p 2 0 0 0 协议的诊 断通信模块开发的相关内容。 - 7 浙江大学硕士学位论文 第二章c a n 总线和j 1 9 3 9 协议 2 1 c a n 总线的特点及通信协议1 4 l 2 1 1 c a n 总线的特点 c a n 总线是控制器局域网( c o n 订o l l e ra r e an e “v o r k ) 的简称。最早是由德 国博世公司为其产品开发的一套内部规范。目前国际上所通用的标准是c a n 2 0 b 规范，其中描述了标准格式和扩展格式两种报文。标准格式与扩展格式的 主要区别在于其标识符i d ，在标准格式种标识符为l l 位，在扩展格式中标识符 位2 9 位。 c a n 为多主工作方式，网络上任意一个节点均可在任意时刻主动地向网络 上其他节点发送信息。在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可 满足不同的实时要求。c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，大大节省了总线冲突 仲裁时间。c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k i n ( 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 0 m ) 。报文采用短帧结构，传输时间短， 受干扰概率低，保证了数据出错率低。c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检 错措施，具有极好的检错效果。c a n 的通信介质可为双绞线，同轴电缆或光纤， 选择灵活。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 其他节点的操作不受影响。 如图2 1 所示，c a n 总线上具有两种逻辑互补数值：显性电平和隐性电平。 当两种数值一起发送时，总线上总显示“显性”。因为总线上是逻辑与的关系， 因此显性电平为逻辑“0 ”，隐性电平为逻辑“l ”。实际上一条c a n 总线是由两 根线组成的，分别为v e a n - h 和v e a n - i ，在“隐性”状态下，v c a n - h 和v e a n - l 被 固定于平均电压电平，v d i f f 近似为0 。在总线空闲或隐性位期间，发送隐性状 态。“显性”状态以大于最小阈值的差分电压表示。在显性位期间，显性状态改 写隐性状态并发送。 平均电压屯平u 厂r 厂 八l l t l 僵- 牲位性藏 图2 - l 总线位电平 8 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 c a n 总线帧格式 在进行数据传输时，发出报文的单元称之为该报文的发送器。该单元在总线 空闲或该单元丢失仲裁场前恒为发送器。若一个单元不是报文发送器，并且总线 不处于空闲状态，则称该单元为接收器。 报文传送由四个不同类型的帧表示和控制，数据帧携带数据由发送器至接收 器，远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧由 通过检测发送总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧 或远程帧之间的附近延迟。 ( 1 ) 数据帧： 数据帧由7 个不同的位域组成：帧起始，仲裁场，数据域，c r c 场，应答 场，帧结束。数据域长度可为0 。 帧起始是标示数据帧和远程帧的起始，它仅由一位显性位构成。 对于标准格式的帧和扩展格式的帧，其仲裁域的格式也不同。在标准格式中， 仲裁域由1 l 位标识符和远程发送请求位组成，标识符位为i d 2 8 到l d - 1 8 ，而在 扩展格式中，仲裁常由2 9 位标识符和替代远程请求( s r r ) 位，标示位和远程 发送请求位组成，标识符位为i d - 2 8 到i d - 0 。 为了区别标准格式和扩展格式，先前c a n 技术规范1 0 版本中的位r 1 现在 记为i d e 位。标识符分为标准格式标识符和扩展格式标识符。标准格式标识符 的长度为1 1 位，并且对应于扩展形式中的基本i d 。这些位以i d - 2 8 至i d 1 8 的 顺序发送，最低位为l d 1 8 ，其中最高7 位( i d - 2 8 - 4 d - 2 2 ) 必须不是全隐性，而 扩展格式标识符与标准格式不同，其由2 9 位组成，这种格式分为两部分：1 1 位 基本的l d 和1 8 位扩展的i d 。 r t r 位( 标准格式和扩展格式) 在数据帧中，r t r 位必须为显性电平，而 在远程帧中必须为隐性在扩展格式中，先发送基本i d ，其后是i d e 位和s r r 位。扩展i d 在s r r 位后发送。 s r r 位( 扩展格式) 为隐性位。在扩展格式中，它在标准格式的r t r 位位 置上被发送，并替代标准格式中的r t r 位。这样，标准格式和扩展格式的冲突 由于扩展格式的基本l d 与标准格式的i d 相同而解决。因此，标准格式较之扩 展格式更为流行。 i d e 位( 扩展格式) i d e 位对于扩展格式属于仲裁场，对于标准格式属于控 制场。i d e 在标准格式中以显性位发送，而在扩展格式中为隐性位。 控制常由6 位组成。标准格式和扩展格式的控制域格式不同。标准格式里的 控制域包括数据长度代码，i d e 位及保留位r o 。扩展格式里的控制域包括数据长 度代码和两个保留位r 1 和r o 。其保留位必须发送为显性，但是接收器接收的显 性和隐性位是位的组合。 数据长度代码为4 个位，它在控制域里发送。数据字节允许使用的数目为， 0 到8 ，不能使用其他数值。 9 浙江大学硕士学位论文 数据域由数据帧中被发送的数据组成，它可以为0 - - 8 个字节，每字节包含8 位，首先发送m s b 。 循环冗余码( c r c ) 域包括了c r c 序列，其后是c r c 界定符。c r c 界定 符包含一个单独的隐性位。 应答域的长度为2 个位，包含应答间隙和应答界定符，在应答域里发送站发 送两个隐性位。所有接收到匹配c r c 序列的接收站都会在应答间隙期间用一个 显性位写在发送站的隐性位置上来做出应答。应答界定符是应答域的第二位，并 且必须是一个隐性位。 每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定，这便是帧结尾，这个标志序列 由7 个隐性位组成。 接收站通过发送远程帧可以启动其资源节点传送它们各自的数据。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。远程帧的r t r 位是隐性的；它没有数据帧，因 此数据长度代码的数值没有意义，但应在o 8 之间且与数据帧的d l c 相对应。 ( 2 ) 错误帧： 错误帧由两个不同的域组成，第一个域是不同站提供的错误标志的叠加；第 二个域是错误界定符。错误标志有两种形式，一种是激活错误标志由6 个连续的 显性位组成，另一种是认可错误标志由6 个连续的隐性位组成，除非被其他节点 的显性位覆盖了。 检测到错误条件的“错误激活”的站点通过发送“激活错误”标志来指示错 误。而其他的站点由此也检测到错误，并且开始发送错误标志。因此，激活错误 标志的显性位的序列的形成就是各个站发送的不同的错误标志叠加在一起的结 果。这个序列的总长度最小为6 个位，最大为1 2 个位，可以在总线上监听到。 检测到错误条件的“错误认可”的站点通过发送“认可错误”标志来指示错 误。“错误认可”的站从“认可错误”标志的开头起，等待6 个连续的相同极性 的位。当这6 个相同的位被检测到时，“认可错误”标志就完成了。 错误界定符包括8 个隐性位。传送了错误标志以后，每一站就发送一个隐性 位，并一直监听总线直到检测出一个隐性位为止。然后就开始发送其余7 个隐性 位。 ( 3 ) 过载帧： 过载帧包括两个位域：过载标志和过载界定符。 过载的三种情况： 接收器内部的原因，它需要延迟下一个数据帧或远程帧； 在间歇的第一位和第二位检测到一个显性位；( 如果在间歇的第3 个位期 间检测到显性位，则这个位将被解释为帧起始) 如果c a n 节点在错误界定符或过载界定符的第8 位( 最后一位) 采样 到一个显性位，节点会发送一个过载帧( 不是错误帧) 。错误计数器不会 增加。 1 0 浙江大学硕士学位论文 过载标志由6 个显性位组成。其所有形式与“激活错误”标志的一样。 过载界定符包括8 个隐性位。其形式与错误界定符形式一样。 “) 帧间空间： 数据帧( 或远程帧) 与它前面的帧( 无论是何种帧) 的分隔是通过帧间空间 来实现的，而过载帧与错误帧之前没有帧间空间，多个过载帧之间也不时由帧间 空间隔离的。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”站，则还包括称作“挂起传送”( 暂停发送) 的位域。 间歇由3 个隐性位组成。在此期间，所有站不允许发送数据帧或远程帧，唯 一可做的是标示一个过载条件。 总线空闲的时间是任意的。只要总线被认定为空闲，任何等待发送报文的站 就会访问总线。 挂起传送是指“错误认可”的站发送报文后，在下一报文开始传送之前或确 认总线空闲之前发出8 个隐性位跟随在间歇的后面。如果其间一个报文由另一个 站点开始发送，则此站就成为这个报文的接收器。 2 2 j 19 3 9 协议协议规范及通信原理 在早期载货卡车，大客车上的电子系统采用传行通信的方法，用s a e - j 1 5 8 7 标准来实施，但是其速度较慢且传递的数据量少，不适用于高速通信的场合【l3 1 。 近年来c a n 总线已发展成为车辆电子系统的主流总线，载货车及大客车已制定 了s a e - j 1 9 3 9 协议作为它的通信标准。 j 1 9 3 9 是一种支持闭环控制的在多个e c u 之间高速通信的网络协议，主要运 用于载货卡车和客车上【1 7 1 。它是以c a n 2 0 为网络核心，取自o s i 七层模型的其 中四层，物理层，数据链路层，应用层，网络管理层【3 6 j 。 2 2 1 物理层7 , a l 物理层解决的主要问题是：1 数据信号的位电平；2 信号传输的物理媒介； 3 实现位同步；4 通信硬件接口的设计等1 3 1 。 根据1 9 3 9 协议的描述，在不使用网络连接设备的条件下，单个j 1 9 3 9 网段 区域内，最多可以连接3 0 个e c u 节点。信号的物理传输介质为屏蔽双绞线，协 议将双绞线分别命名为c a nh 和c a nl 。相应的e c u 引脚也如此命名。连接 于中断屏蔽外壳的第三根线称为c a ns h l d 。 j 1 9 3 9 协议总线的电平及位仲裁方式与c a n 2 0 b 中所描述的基本相似。总线 具有两种逻辑状态“隐性”( 逻辑1 ) 或“显性”( 逻辑o ) 之一。在“隐性”状 态下，v c a n l 和v c a n h 被固定在平均电压电平，v d 。瓶似为零。在总线空闲或“隐 性”位期问，发送“隐性”状态。“显性”状态以大于最小阀值的差分电压表示。 在“显性”位期间，“显性”状态改写“隐性”状态并发送。v c nh 和v c a nl 间 浙江大学硕士学位论文 的差分电压由下式计算：p o = ，。一p 乙，。 仲裁采用的是“线与”机制，即在仲裁期间，各种e c u 可以同时发送“显性” 位，在这种情况下，v 山施过单个e c u s e 作期间的v d l 加但是此时，总线仅被一 个e c u 驱动；并且，在仲裁期间，若两个e c u 同时向总线分别发送显性位和隐性 位，总线上仅表示为显性位。 图2 - 2 是一张描述j 1 9 3 9 协议网络功能的简图。其中总线的每个末端均接有 以r l 表示的抑制反射的负载电阻，并且该负载电阻不能是某一e c u 的内阻，因为 如果其中一个e c u 从总线断开时，总线将丢失终端。 如图2 2 所示，若所有e c u 的成对晶体管均被关闭，则总线处于“隐性” 状态。在这种情况下，总线平均电压由具有高内阻的每个e c u 电压源产生 2 2 2 数据链路层1 9 i 图2 - 2 - j 1 9 3 9 连接简图 数据链路层是o s i 模型的第二层，该层的主要任务是提供一种可靠的通过物 理介质传输数据的方法 3 1 。 2 2 2 1 j 19 3 9 协议与c a n 2 0 b 协议 j 1 9 3 9 是一种基于c a n 总线的网络协议。其消息格式也基本遵从c a n2 0 b 总线规范，但有所不同。j 1 9 3 9 协议对c a n 标识符进行了重新定义，并且仅使 用c a n 扩展帧格式作为其标准的通信消息帧格式并进行了详细的划分和定义， 而c a n 标准帧则留给用户作为自定义通信消息帧。同时，为了防止多个节点使 1 2 浙江大学硕士学位论文 用相同的c a n 标识符域，j 1 9 3 9 协议规定总线上的各节点必须拥有一个或多个 唯一地址。此外，j 1 9 3 9 协议并未使用c a n 协议中远程发送请求( r t r ) 这一 特性。下表为j 1 9 3 9 消息标识符与c a n 仲裁域及控制域的映射关系。 表2 - 1 ：, 1 1 9 3 9 消息标识符与c a n 仲裁域及控制域的映射关系 旧# 岫2 m - 8 1 t n l i c i t 邺弹i 1 4 5 1 t 目r c 埘t 艇冉，转 嘲t 釉t _ c j n 鳗h i ， r0 0 pis i d 算p ；2dpi i d 嚣：，1 0 幢p 2 d 嚣 o p d 砖 s略ti 蛰牲op蝣7 弘 d n弹，站$ d 越件7#心5孰e o l 弹5蹬s 静弹s 谨站3鼽3 o悖御o ，l 啦lt ： o 镥镥o轴1 0 ，氍辨s 紫碍# ? 略，娃帮褥 m h 褐w d 竹芹2堪 1 0r r o幡，i镰olc髓c d 撙慰t霄0l0毒oc3 d u瓣7梯凇2 凇2 d ” t l 廿廿糌$ 懈期 i d 嫱魁l丝 d憋i嚣 d 超1翻 d rs 驾 d5，嚣 d嚣 d0箱 d 瓠冀 d2，摊 b12 甜 os l辣 孤街村胃游 饕 t or 矿薜 札c d 并 o l c l0 3对 o c 2o 2冀 2 2 2 2 协议数据单元( p d u ) p d u 是1 9 3 9 协议定义的一个框架，用以组织c a n 数据帧中与j 1 9 3 9 协议 相关的关键信息。协议数据单元由7 个位域组成。它们分别是优先权域，保留域， 数据页域，p d u 格式