（机械工程专业论文）canlin总线与汽车开关在载货汽车上的应用.pdf

摘要 汽车电气系统c a n l i n 整车网络的研究与应用在国内尚属首次，该网络系统的实际应 用，为我国同类汽车电气系统网络化提供了范例。 本文分析了c a n 几i n 网络总线的特点，根据汽车电气系统的实际需求，提出了电气系 统网络的拓扑结构并确定了节点控制器的分类、数量及安装位置。根据汽车的实际使用需 求，基于s a ej 1 9 3 9 标准，制定了具体的c a n l i n 网络的应用层协议。 为缩短产品开发周期，降低开发风险，采用了先进的c a n o e 仿真软件进行全数字仿真， 在此基础上实际设计了m a s t e r 、室内灯、左车门、右车门、左前组合灯、右前组合灯、后 组合灯等节点控制器。 该系统网络经过仿真测试，结果表明，该系统功能设计正确、合理，所有部件都能正 常工作。 关键词：c a n l i n ；拓扑结构；节点控制器 a b s t r a c t s t u d ya n da p p l i c a t i o no fc a n l i na u t o m o b i l ee l e c t r i c a ln e t s y s t e mi st h ef i r s tt i m ei nm y c o u n t r y t h ea p p l i c a t i o no ft h i sn e ts y s t e mo f f e r sae x a m p l ef o rt h es a m ea u t o m o b i l ee l e c t r i c a l n e ts y s t e mo f m yc o u n t r y t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i co fc a n l i nn e tb u s ，p u t sf o r w a r dt h et o p o l o g y s t r u c t u r eo ft h ee l e c t r i c a ln e ts y s t e m ，a n ds e t sd o w nt h es o r t , n u m b e ra n di n s t a l lp o s i t i o no ft h e n o d ec o n t r o l l e r t h i sp a p e rs e t sd o w nt h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo fc a n l i nn e tb a s e do n s a ej 1 9 3 9c r i t e r i o n a c c o r d i n gt ot h ea u t o m o b i l eu s ed e m a n d t h i sp a p e rc a l t i e so nad i g i t a ls i m u l a t i o nu s i n gt h ea d v a n c e dc a n o es i m u l a t i o ns o f t w a r e i no r d e l t os h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l ea n dr e d u c ed e v e l o p m e n tr i s k s ，a n dd e s i g n st h e n o d e c o n u o l l e r , f o re x a m p l e ，m a s t e r , i n d o o rl a m p s ，l e f t c o m b i n a t i o n l a m p s ，l e f td o o r , r i g h t d o o r , l e f t - f l o n tc o m b i n a t i o nl a m p s , r i g h t - f r o n tc o m b i n a t i o nl a m p sa n db a c kc o m b i n a t i o nl a m p s v ht h es i m u l a t i o na n dt e s to fn e ts y s t e m , t h er e s u l ti n d i c a t e st h ed e s i g no ft h es y s t e m f u n c t i o nr i g h t a l lt h ep a r t sc r nn o r m a lw o r k k e yw o r d s ：c a n l i n ：t o p o l o g ys t r u c t u r e ；n o d ec o n t r o l l e r 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 1绪论 1 1 课题技术背景 c a n 总线是由德国b o s c h 公司于1 9 8 3 年开始开发的汽车总线。其中c a n 是控制器 局域网络( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 的缩写，它是一种串行多主站控制器局域网总线，具有 完善的错误检测机制和出错重发能力。在通信距离不超过4 0 m 时，其通信速率最高可达 1 m b i t s ，而且这种通信方式采用价格低廉的双绞线作为传输介质，因此成本大大降低。c a n 总线的采用实现了多个控制器之间的数据共享，降低了汽车布线的复杂性和线束成本，使 汽车电气系统的故障诊断能力大为提高。由于上述特点c a n 总线在欧洲汽车总线中占统 治地位，美国和日本汽车工业也广泛采用c a n 总线技术。世界各大汽车公司都有各自的 c a n 应用层协议标准，配套厂商只要遵守其协议就可以连接到该汽车厂商的c a n 网络， 这使它们很容易实现车载电子系统间的通信和数据共享，构成功能强大的汽车网络“1 。 l i n 总线是一种很有价格优势的串行通信系统，l n 是本地互联网络( l o c a l i n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 的缩写。它是由a u d i 、b m w 、d c 、v o l v o 、v w 、m o t o r o l a 和v c t 联合开发的汽车底层网络协议。其主要优点为：价格低廉、性能可靠。l i n 网络通过将价 格低廉的l i n 收发器挂在普通串行口，再配以l i n 驱动软件就可以构成u n 节点。l i n 总 线为单主节点多从节点模式。从节点无须价格较高的石英或陶瓷震荡器。物理总线为低成 本的单线。因此l i n 总线对软件硬件和其它方面的系统配置要求不高，它提供了低成本的 局部汽车总线解决方案“。另一方面，l i n 总线的带宽有限，无法胜任实时性要求较高的 应用。在汽车应用中，它通常作为主干网络c a n 的子网络，l i n 网络通过主节点的网关 挂在c a n 上，其典型应用为电动门窗、门锁控制，后视镜控制，转向助力控制，座椅控 制等。在当今人们对汽车的价格和系统的复杂性十分敏感与关注，汽车网络系统低端使用 l i n 就显得十分必要”“。 1 2课题研究的目的和意义 随着电子技术的高速发展和广泛应用，实现汽车电子化，智能化和网络化是现代汽车 发展的必然趋势。技术的先进性是总线在汽车上应用的最大动力”1 。但是长期以来，汽车 电子系统一直禁锢在传统的设计模式里，即通过各种开关、继电器、保险丝等电器组件来 实现电气设备的工作，我们称这种设计为继电器控制模式。线路中每个控制线和被控器件 之间的关系都是一对一的。随着汽车电子设备的大量应用和系统各个控制器之间的信息传 输，使得电气连接点不断增加并且复杂化，新技术的应用与汽车线束导线数量急剧增加的 矛盾也同渐突出”。从而直接导致电线束安装空间紧缺，系统运行可靠性降低，故障维修 难度增大，电磁干扰增多。针对现代汽车智能化、网络化的发展趋势，为简化同益增加的 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 2 汽车电控设备的线路连接、提高系统可靠性和故障诊断水平，利于各电控设备之间数据资 源共享，并便于建成开放式的标准化模块化结构，汽车网络总线技术得到了很大发展，在 汽车上c a n 总线和l i n 总线的结合应用将是一种主流模式，总线技术的应用带来了整车 电气系统设计的革新和优化。基于串行信息传输的分布式网络结构成为一种必然选择。1 。 组建汽车电气控制系统网络已势在必行。本文建立了汽车电气控制系统c a n l i n 网 络，研制了符合一汽企业标准的c a n l i n 总线标准，开发了电气控制系统的各个控制单 元，实现了电气控制系统网络化、智能化，提高了整车技术含量，大大简化了电气线束， 由于选用高品质的电子开关组成的控制模块代替传统的保险丝、继电器等电子组件，提高 了整车电气控制系统可靠性，并实现了电气系统各电气设备的的故障诊断和自我保护功 能。该电气系统网络的实际应用，为整车资源共享提供了保证；同时为我国同类汽车电气 系统网络化提供了范例，促进了c a n l i n 总线在我国汽车上的应用，也为开发我国自主 知识产权的c a n l i n 总线技术网络奠定了基础。 1 3 汽车总线网络国内外研究现状 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想，由于受当时 微电子技术水平的限制而未能如愿。在二十世纪8 0 年代，众多国际知名的汽车公司就积 极致力于汽车总线技术的研究及应用，如b o s c h 公司的c a n 、s a e 的j 1 8 5 0 、马自达的 p a l m n e t 、德国大众的a b u s 等。并且b o c s h 公司在8 0 年代末研制了专门用于汽车电 气系统的总线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信处理能力，这在 当时的汽车电气系统中很难办到。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信接口端，采用总线技 术控制汽车电气，从技术上、价格上逐渐进入了实用化阶段。c a n 总线属于现场总线的范 畴。主要用于汽车内部大量测量和执行部件之间的数据交换。由于其良好的性能及独特的 设计，c a n 总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些 著名的汽车制造厂商，如b e n z 、b m w 、p o r s c h e 、r o l l s r o y c e 、j a g u a r 和v o l v o 等都采用了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。c a n 已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。国外部分汽车制造商对 c a n 总线技术的研究已经达到很深的程度，但核心部分的关键技术还没有对外丌放。在 2 0 0 0 年，国内完全引进技术生产的奥迪a 6 车型部分功能采用总线来替代原有线束，帕萨 特b 5 、b o r a 、p o l o 等车型也都不同程度地使用了总线技术。1 9 9 5 年江苏理工大学对汽 车总线传输进行了研究。2 0 0 0 年华通电子有限公司开发出了三总线( 数字化) 汽车电气控 制系统，国内对总线的研究和开发也仅仅局限于单个节点局部系统的开发，局部功能的 应用。汽车c a n l i n 总线技术在中重型载货车上的应用还是空白。 辽宁工程技术大学工程硕+ 学位论文 1 4课题的主要研究内容 1 4 1汽车电气系统网络功能及组成 汽车电气系统网络是由低速c a n 网络、l i n 网络及其电气设备组成。在明确c a n 网 络的基础上，研究和确定l i n 网络及其子系统的功能。l i n 网络包括灯光照明子系统、门 窗子系统和主节点。其中灯光照明子系统功能是由室内灯控制节点、左前组合灯控制节点、 右前组合灯控制节点、后组合灯控制节点联合完成的，门窗子系统功能是由左车门控制节 点、右车门控制节点联合完成的，主节点除了驱动刮水洗涤器电机之外，还起到网关的作 用。在c a n 网络下研究l i n 网络的主、从节点的功能既满足实车需要，又要方便和简化 l i n 网络系统及真正节点的设计，从而降低成本。 1 4 2c a n l i n 基本技术研究与应用层协议制定 为使各节点控制器之间能够相互通信、共享系统资源，分别制定了低速c a n 网络通 信协议和l i n 网络通信协议，其中c a n 应用层协议符合s a ej 1 9 3 9 的相关规定。根据汽 车实际需要定义了灯光照明系统信息及故障诊断信息等报文。为了在仪表上显示故障信 息，定义了当各个控制对象出现故障时仪表上显示的故障码。在l 跗网络通信协议的应用 层中，不仅详细规定了各参数的名称、位长度、含义、功能、作用条件、输入开关、输入 、 节点、输出节点和执行器等信息，而且明确给出了各报文的编号、名称、优先级、更新速 率、源节点地址和目地节点地址信息等。l i n 应用层通信协议定义了7 条报文。 1 4 3 网络系统仿真 l i n 网络全数字仿真采用v e c t o r 公司的c a n o e 仿真工具进行仿真。所有节点都是计 算机建立的数学模型，而非实际的真实节点。 1 4 4 软硬件的设计 汽车电气控制系统节点控制器的总体结构见图1 1 所示。 红色虚线框内的部分为最终的节点，控制接口通过线束与节点控制器连接，在节点控 制器内部主控单元与控制器盒分开，它们之间的信号通过线或者内部接口连接。 汽车电气控制系统软件设计包括如下三个模块。 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 4 图1 1 节点控制器总体结构 1 ) l 玳驱动模块； 2 ) 执行器驱动模块； 3 ) m a s t e r 应用程序模块。 l i n 驱动模块采用m o t o r o l a 公司提供的l i n 0 8d r i v e r 。l i n 0 8d r i v e r 提供了一套完整 的a p i 来完成l i n 网络的各项控制任务“。 执行器驱动模块包括门窗电机驱动、刮水电机，洗涤泵电机驱动、后视镜电机驱动、 门锁电机驱动、前照灯驱动、转向灯驱动等。 m a s t e r 应用程序包括l i n 调度程序、l i ns l a v e 应用程序、c a n l i 媳网关处理程序。 1 4 5 网络系统测试及实车试验 依据国家对汽车电气系统相关的技术法规和标准，对汽车电气控制系统c a n l i n 网 络进行测试和实车试验。测试内容包括：功能性测试、温度测试、e m c 测试和实车试验四 部分。 辽宁王疆羧零犬学工程硬圭学霞论文 s 2电气系统网络功能的设计 2 1实现网络纯静电气设备说躁 本课题研究目标为汽车嘏气系统，包括门窑予系统、灯光照明子系统和刮水洗涤功能。 传统的电气控制是通过组合开关和线束结构的搭粼，实现电气的逻辑控制，并且为了保诫 系统的安全，使用保险丝对电气线路进行保护，一然小功率的灯具使用开关直接驱动，一 些大功率翳眩气受载，使用继电器送行驱动控铡。嚣先对实现鼹终化懿敷气设备进行说嗳。 麸瑟臻确瓣终系统各个部俸豹缀戒及安装位置。魄气设备在系统孛熬奄嚣觅下鋈2 - l 蘼拳。 图2 - 1j 6 汽车电气设备在熬车上的布置 蒸一 辽宁工程技术大学：啊鼙硕十学位论文 6 在以上结构中，汽车门窗、刮水、灯光照明系统中电气设备功能见表2 1 和表2 - 2 。 表2 - 1 门窗系统电气功能 电气部件名称输入输出电气参数 左门玻璃升降器控制开关 左门上控制右门升降器开关 后视镜切换开关 左玻璃升降器电机 左车门闭锁器输出，2 4 v ，2 5 a 左后视镜电机 左踏步灯 左后视镜除霜设备 右门玻璃升降器控制开关 输出，2 4 v ，s o m a ， 输出，1 0 w 输出。2 a 输入 右玻璃升降器电机输出，2 4 v 。4 a 右车门闭锁器 右后视镜电机 右踏步灯 右后视镜除霜设备 输出，2 4 v ，2 5 a 输出，2 4 v ，5 0 m a ， 输出，1 0 w 输出，2 a 表2 - 2 灯光照明系统电气功能 电气部件名称 点火开关 组合开关 喇叭开关 功能开关 制动灯开关 倒车灯开关 刮水电机 洗涤泵电机 左室内照明灯开关 右室内照明灯开关 左车门开关 右车门开关 车速灯1 车速灯2 车速灯3 左前示廓灯 左后示廓灯 右前示廓灯 右后示廓灯 左室内照明灯 左fj 开警报灯 右门开警报灯 右室内照明灯 左侧转向灯 右侧转向灯 左前远光灯 左前近光灯 左前转向灯 输入输出电气参数 输入 输入 输入 输入 输入 输入 输出，2 4 v 。3 a 输出，2 4 v ，1 5 a 输入 输入 输入 输入 输出，5 w 输出，5 w 输出，5 w 输出，5 w 输出，5 w 输出，5 w 输出，5 w 输出2 5 w 输出，1 0 w 输出，1 0 w 输出，2 x 5 w 输出，2 1 w 输出，2 l w 输出，7 0 w 输出，7 0 w 输出，2 i n a4入入入w输输输： 出输 辽宁工程技术大学- 【程硕士学位论文 7 左前位置灯 左前雾灯 右前远光灯 右前近光灯 右前转向灯 右前位置灯 右前雾灯 左后雾灯 左后转向灯 左倒车灯、 倒车蜂鸣器 左后制动灯 左后位灯 牌照灯 左侧标志灯 左后示廓灯 右后雾灯 右后转向灯 右倒车灯、 右后制动灯 右后位灯 右侧标志灯 右后示廓灯 输出，5 w 输出，7 0 w 输出，7 0 w 输出，7 0 w 输出，2 1 w 输出，2 1 w 输出，7 0 w 输出，2 1 w 输出，2 1 w 输出，2 1 w 输出，0 6 a 输出，2 l w 输出，5 w 输出，2 x 5 w 输出，5 5 w 输出，5 w 输出，2 l w 输出，2 1 w 输出，2 l w 输出，2 1 w 输出，5 w 输出，5 x 5 w 输出，5 w 2 2汽车电气系统网络结构的确定 2 2 1 电气系统网络结构方案 电气网络控制系统方案包含三个c a n 网络节点，其中有c a n 仪表和两个网关m a s t e r l 和m a s t e r 2 节点，以及控制车门与照明的l i n 网络。主控节点m a s t e r l 与控制车门的l i n 网络通信，连接2 个从控制节点，分别包括左右门控制节点；主控节点m a s t e r 2 与控制照 明的l i n 网络通信，连接