（机械工程专业论文）商用汽车can网络开发.pdf

一! 塞塑茎 论文题目：商用汽车c a n 网络开发 专业： 硕士生： 指导教师： 摘要 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，汽等酌电子化、智能化、网络化已成 为现代汽车发展的重要标志。随着消费者对汽车功能和性能要求的日益提高，汽车正在逐 渐由机械系统向电子系统转换，目前全球汽车电子产业面临着高速增长的机遇。在国外， 一辆普通轿车中电子系统的成本已占到总成本的3 0 ，而在高级轿车上该比例会更高。 随着电子控制系统数量和复杂性的提高，控制设备之间的数据通信变得越来越重要， 分布式控制系统通过网络进行交互控制逐渐成为众多汽车生产商电子电气控制的系统方 案。数据传输量的增加、安全性和可靠性要求的提高及成本对汽车车载网络系统提出了 新的要求。传统的点对点控制方式己无法满足现代汽车的通信要求，不但布线复杂、昂贵， 而且可靠性差、维护成本高、重量大。针对传统控制方式存在的问题，德国博士公司的 c a n 总线控制技术应运而生，凭借其优异的表现被广泛应用。 为了应对某商用车厂对车载c a n 总线控制系统应用的需求，解决网络拓扑结构对 整车线束布线的局限性，本论文以s a ej 1 9 3 9 协议的汽车c a n 总线控制系统设计与测 试作为研究内容，制定出了基于s a ej 1 9 3 9 协议的网络拓扑结构和c a n 应用层协议。 实验的方法是，首先系统分析了c a n 总线协议的特点和实现该技术的要求，并对c a n 总线的应用层仂、议规范s a ej 1 9 3 9 进行分析；然后对总线网络拓扑结构的进行设计，并 利用仿真技术对双星型网络拓扑结构进行了系统的分析。在此基础上，又从模块的信号 定义、信息发送周期选择、报文优先级分配以及节点地址定义等几个方面设计制定出了 一套具有良好扩展性的汽车c a n 应用层协议。 为了验证c a n 总线系统设计方案和所制定的c a n 应用层协议的可行性，以及测试 网络的性能，本研究又对c a n 总线控制模块和c a n 网络系统进行了c a n 模块的一致 性测试试验和实车的网络测试试验。测试的结果进一步验证了本研究中c a n 总线控制 系统的实时性、可靠性和稳定性，同时证明了本课题设计方案的可行性。本课题的研究， 将为实现具有自主知识产权的商用汽车c a n 线控制技术的产品化积累了一定的试验数 据和经验，具备继续研究开发的意义。本项目的实施，将具有广阔的社会需求和巨大的 经济效益。 关键词：c a n 总线；商用汽车；应用层协议；网络拓扑结构 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：c a nn e t v 7 0 r kd e v e l o p m e n to fc o m m e r c i a lv e h i c l e s p e c i a l i d 7 ：m e c h a n a m e ：( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) v vw a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o l ，c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n s ，n e t w o r kt e c h n o l o g i e s a u t o m o t i v ee l e c t r o n i ci n t e l l i g e n c e ，n e t w o r k i n gh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ts y m b o lo ft h e d e v e l 。p m e n t 。ft h em 。d e r na u t o m o b i l e w i t ht h ei n c r e a s 7 l p g c 。n s 啪e ra u t o m 。t i v en m c t i 。n a l a n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，t h ec a rb e i n gg r a d u a l l ym e c h a n i c a ls y s t e m sc o n v e r t e dt oa n e l e c t r o n i cs y s t e m t h ee l e c t r o n i cs y s t e mh a sa c c o u n t e df o r3 0 o ft h et o t a lc o s to fa n o r d i n a r yc m e v e nh i g h e rp r o p o r t i o nf o rl i m o u s i n e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v et e c h n o l o g y , v e h i c l e sn e e dt ob ee q u i p p e dw i t h m o r ee l e c t r i cc o n t r o lu n i t s t h ec o m p l e xs y s t e mc o n t r o ln e e d sd e t e c t i n ga n de x c h a n g i n gv a s t d a t a i ti sn o to n l yc o m p l e xl a y i n ga n dh i g hc o s t ，b u ta l s op o o rr e l i a b i l i t y ，h i g hw e i g h ta n d e x p e n s i v em a i n t e n a n c e s ot h et r a d i t i o nc o n t r o lm o d ec a n ts a t i s f yt h er e q u e s to fm o d e r n v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n t od e a lw i t ht h ep r o b l e m s ，c a nb u sw a sd e s i g n e db yb o s c hc o r p a n di sw i d e l yu s e dr e c e n t l y t om e e tt h eu r g e n tn e e d so ft h ec o m m e r c i a lv e h i c l em a n u f a c t u r e r s ，t os o l v el i m i t a t i o n s o fn e t w o r kt o p o l o g yf o rv e h i c l eh a r n e s sl a y o u t t h i st h e s i sd e s i g n e da n dt e s t e dt h ec a n b u s c o n t r o ls y s t e mb a s e do ns a e 儿9 39p r o t o c 0 1 b a s e do nt h a t ，t h et h e s i sd e s i g n e dab u s n e t w o r kt o p o l o g ya n da n a l y s e do fd u a l s t a rn e t w o r kt o p o l o g yu s i n gs i m u l a t i o nt e c h n o l 0 9 3 7 ， t h e nas e to fc a na p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lw a sd e s i g n e di na c c o r d a n c ew i t hc e r t a i n m a n u f a c t u r e r ? sr e q u e s t s ，i n c l u d i n gt h em o d u l es i g n a l s ，m e s s a g e st r a n s m i tp e r i o da n d t h en o d e a d d r e s s i no r d e rt ov e r i f 7t h ef e a s i b i l i t yo ft h ep l a na n dc a na p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l ，t h e n e w , ，o r kp e r f o r m a n c et e s to ft h ev e h i c l ea n dt h ec o n f o r m a n c et e s to fc a nm o d u l ew e r e c a r r i e do u t t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et e s tr e s u l t s ，t h er e l i a b i l i t ya n dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e o ft h ec a nb u sw a sv e r i f i e d a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g nw a sp r o v e d f u r t h e r m o r e e x p e r i e n c e i sa c c u m u l a t e df o rt h el a t e ri n d u s t r i a l i z a t i o n o fv e h i c l ec a nb u sc o n t r o l t e c h n o l o g y w h i c hh a si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s i na w o r d ，t h et h e s i si sw o r t h o fb e i n gr e s e a r c h e da n dh a sf a v o r a b l ee c o n o m i co u t l o o k k e vw o r d s ：c a nb u s ；c o m m e r c i a lv e h i c l e ；a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l ；n e t w o r k t o p o l o d 7 t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i h 第一章文献综述 第一章文献综述 随着电子、计算机等技术的发展，汽车的智能化、网络化已成为现代汽车发展的重 要标志。同时消费者对汽车舒适性和安全性要求日益提高，汽车已经不仅仅是交通工具， 还能给乘客带来娱乐、信息、安全以及智能管理等功能。今天，汽车的竞争格局很大程 度上取决于车辆电子控制配置和具有的智能功能水平。 汽车电子技术经过三个发展阶段。第一阶段，汽车电子设备采用的电子控制器由分 立电子元件组成，并开始由分立电子元件产品向集成电路产品过渡；第二阶段，汽车电 子设备主要采用独立控制系统，各系统间通过传统的线束连接；第三阶段，自2 0 世纪 9 0 年代开始，汽车电子技术逐渐向分布式系统方向发展，电子技术趋向于智能化、网络 化。在此阶段很多新技术和交叉学科逐渐成为研究热剧。2 0 世纪8 0 年代术德国博世公 司引入控制器局域网，简称c a n 总线，并开发出相应的符合汽车标准的总线规范。它 的超强纠错性能、非破坏性总线仲裁技术以及超长的传输距离，使c a n 总线具有较高 的可靠性和抗干扰性，满足了汽车对总线系统的高实时性和高可靠性的要求【2 】。2 0 世纪 9 0 年代不同的汽车生产企业开发出了不同原理、不同功能的总线，汽车电子控制网络进 入了多样化发展阶段。2 1 世纪汽车电子控制网络化已是必然趋势，在一些国外商用车上 已经普及，如奔驰、沃尔沃、曼、斯堪尼亚等。如今，在欧洲c a n 局域网在商用车上 得到广泛应用。同时在其他类型的交通工具中，比如：火车、轮船、工业控制领域也应 用了c a n 技术。c a n 技术几乎领导了串行总线，已经成为全球范围内最重要的总线之 一。在2 0 世纪末，已有接近6 千万个c a n 控制器投入应用；到了2 0 0 0 年c a n 器件市 场销售量已经超过1 亿个。目前，c a n 局域网技术越来越受到工业界的重视【3 j 。 1 1c a n 总线在汽车电子技术中的应用 随着电子控制系统数量和复杂性的提高，控制设备之间的数据通信变得越来越重要， 分布式控制系统通过网络进行交互控制逐渐成为众多汽车生产商电子电气控制的系统方 案。数据传输量的增加、安全性和可靠性要求的提高及成本对汽车车载网络系统提出了 新的要求。汽车总线是通过某种串行总线通讯协议将汽车载各种控制设备、传感器、执 行器等连接起来，从而构成的汽车车内局域网络【4 j 。其优点有：减少了线束的数量和线 束的复杂性，提升了整车的安全性、可靠性和可维护性，减轻了整车的重量，降低了油 耗；采用多个控制器共用传感器，达到传感器信号共享的目的，降低了传感器重复投入 造成的成本开销和系统复杂性；通过联通车辆上电控设备资源的c a n 总线网络可以方 便的将整车信息进行汇集和加工，形成信息流为远程管理、故障信息管理等车联网应用 提供数据源：c a n 总线的应用可以提升了系统的灵活性和可配置性，即更多的通过更新 系统的软件而非依靠硬件升级实现电气系统功能的提升。汽车总线技术是一项创造性的、 符合汽车电子发展方向的技术，基于c a n 总线的车载网络通信系统具有实时性高、可 西安石油大学硕士学位论文 靠性好、性能价格比高等突出优点，是汽车电子网络中应用最广泛的汽车总线1 5 j 。 1 2c a n 总线在国内汽车技术中应用 我国在车载c a n 总线通信方面的研究与国外有较大的差距，目前还处于初步应用 的阶段，对总线通信原理层面方面的研究较少。由于c a n 总线的应用处于起步阶段， 故目前的研究重点都集中在动力系统( 发动机、自动变速器、电机、电池、仪表等) 的 c a n 通讯上，基本上依靠国外的供应商的成熟产品，还没有技术能力针对汽车舒适控制 系统进行c a n 总线的应用研究【6 】。目前合资品牌乘用汽车企业大部分都采用了沿用了国 外研发成熟应用的总线系统。国产商用汽车与合资汽车在c a n 总线技术应用方面相比 还存在一定的差距，但是由于汽车电控应用技术受到汽车企业重视程度和研发投入的增 加，c a n 技术的应用研究和应用正在快速发展。 对于c a n 技术在舒适系统方面的应用，国内的一部分汽车生产企业做了一些有意 义的探索。目前像一汽，上汽，长安，奇瑞等公司都在国外技术公司的帮助下建立了相 应的标准体系，但大部分处于简单的应用阶段。车载控制系统网络化便于系统的扩展； 传感器信号共享节省了大量的线束和元器件；网络节点通过总线互联，极大地减少了车 用线束及插接件，电路系统大大简化、整车可靠性和安全性大大提高【_ 7 1 。安凯f i f f 6 8 9 0 k 1 7 豪华客车在没有使用总线技术之前线束重量1 2 0 多公斤，线束总长度为2 1 0 0 多米，采用 c a n 总线技术后，线束重量仅十几公斤、线束长度为2 0 0 多米。综上所述，我国在汽车 电子方面的研究起步较晚基础比较薄弱，国内一些大的汽车生产企业在国外技术公司的 帮助下开始使用c a n 网络，但核心技术在外国人手中【8 】。 1 3c a n 总线的特点 c a n 总线采用双线串行通信方式，与一般的通信总线相比具有实时性强、传输距离 远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点，具有较多的技术优势和较成熟的技术应用背景 【9 】【l o 】： ( 1 ) 多主控制。在总线空闲时，所有的节点都可开始发送消息( 多主控制) 。最先访问总 线的节点可获得发送权( c s m a c a ) 。当总线上多个节点同时开始发送消息时，发送高 优先级消息的节点可获得发送权。 ( 2 ) 总线消息的发送。c a n 总线协议中所有的消息以协议定义的固定格式发送。当总 线空闲时，所有与总线网络内的节点都可以开始发送新的消息。当两个以上的节点同时 开始发送消息时，根据消息标识符( i d ) 决定优先级，c a n 总线协议的仲裁机制对各消息 i d 的每个位进行逐位仲裁比较。仲裁获胜( 被判定为优先级最高) 的节点可继续发送消息， 仲裁失利的节点则立刻停止消息发送而转入进行消息接收工作。 ( 3 ) 系统的可扩展性。c a n 总线可以同时连接多个节点。理论上，节点数量是没有限 制的( 实际应用中受时间延时和总线负载安全的限制) 。当总线上增加新的节点时，已经 2 第一章文献综述 连接在总线上的其它节点的应用层及软硬件都不需要改变，保证了总线网络的扩展性。 ( 4 ) 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 u 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。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) c a n 总线数据多种收发方式。根据数据传输需求，c a n 可以定制点对点、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 有节点接收或特定节点接收。 ( 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，受干扰的概率低， 重新发送时间短，从根本上保证了数据极低的出错率。 ( 8 ) c a n 通讯介质选择灵活。c a n 的通讯介质根据应用需求可选用为双绞导线、同轴 电缆或光纤，并且可配合使用。 ( 9 ) c a n 总线具有较高的性价比。电子器件上c a n 总线功能集成性好，器件采购资源 丰富，容易购置，结构简单，每个节点的价格较低，且用户接口较简单，利用现有的单 片机开发工具即可开发其软件。 ( 1 0 ) c a n 节点在出现错误严重的情况下，具有自动切断它与总线的联系，强制关闭故 障节点的总线功能，以使总线上其他节点不受影响。 1 4c a n 总线通信原理分析 为了保证着c a n 总线系统的正常通信，c a n 总线通信协议中定义了许多通信传输的 规范。c a n 总线通信的基本单位是报文也称为帧( f r a m e ) ，当总线空闲时，任何连接到总 线上的节点都可以发送新报文，报文中采用的具体格式就是帧格式。在c a n 总线通信系 统中，报文共有四种格式，分别用于c a n 节点间数据交换和数据控制，这四种帧分别为： ( 1 ) 数据帧：携带从发送节点至接收节点的数据，有标准帧和扩展帧两种形式。 ( 2 ) 远程帧：向其他节点请求发送具有同一标识符的数据帧。 ( 3 ) 错误帧：节点检测到错误后发送的错误帧。 ( 4 ) 超载帧：在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间附加一段延时。 数据帧和远程帧同其前面的帧，不管它们是何种帧( 数据帧、远程帧、错误帧或超载 帧) 均以帧间空间的位场分隔开。帧间空间的作用是在连续两帧之间增加时间延迟，但是 错误帧或超载帧前面没有帧间空间。 - 西安石油大学硕士学位论文 1 4 1 数据帧 数据帧的作用是携带数据从发送节点发到接收节点，数据帧有标准帧和扩展帧两种 格式，它们之间的主要区别在于标识符的长度不同，标准帧具有1 1 位标识符，而扩展帧 就有2 9 位标示符。 数据帧按照功能分为七个不同位场，如表1 1 所示，它们分别是：帧起始、仲裁场、 控制场、数据场、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o f e n do f f r a m e ) 。 表1 - 1 数据帧组成 帧间帧起 帧 帧间 空间始 仲裁场控制场数据场c r c 场a c k 场结 空间 束 1 4 2 远程帧 远程帧的作用是请求别的节点发送携带有数据的数据帧，c a n 网络中允许任意一个 节点通过发送远程帧。对应的数据帧i d 与远程帧的帧i d 必须保持一致，不同的是远程 帧中不带有数据。远程帧由6 个不同的位场组成：帧结束( e o f e n do f f r a m e ) 和a c k 场、c r c 场、仲裁场、控制场、帧起始，如表1 2 所示。 表1 - 2 远程帧组成 1 4 3 错误帧 错误帧由两个不同场组成：错误标志和错误界定符。当节点检测到总线错误后，向 总线发送错误帧用以通知总线错误。因为一种错误可能会导致另一种错误发生，因此， 错误标志在总线上可能存在叠加，错误帧的组成如表1 3 所示。 表1 - 3 错误帧组成 数据帧内或错误帧错误标志错误标志叠加错误界定符 帧问空间或超载帧 1 4 4 超载帧 超载帧和错误帧基本相同，由两个不同场组成，分别是超载界定符和超载标志。如 表1 4 所示。它们的区别是：超载界定符由8 个连续隐性位组成，而超载标志由6 个连 续的显性位组成。其全部格式同主动错误帧格式一样。 表l - 4 超载组成 4 第一章文献综述 1 4 5 帧间空间 根据节点的状态，帧间空间分为两种：如果节点处于主动错误状态，其帧问空问包 括间歇场和总线空闲场；如果节点处于被动错误状态，则其帧间空间除了间歇场和总线 空闲场，还包括一个“发送挂起场”，如表1 5 和表1 - 6 所示。 表1 - 5 主动错误节点帧间空间结构 c a n 帧 间歇场总线空闲场c a n 帧 表l - 6 被动错误节点帧间空间结构 c a n 帧间歇场发送挂起场总线空闲场c a n 帧 1 5c a n 总线协议的分层结构 c a n 协议建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上，不过其模型结构只有3 层，即只取o s i 的物理层、数据链路层和应用层。数据链路层和物理层是保证可靠通信 至关重要、不可或缺的部分，也是网络协议中最复杂的部分。c a n 的数据结构比较简单， 又是范围较小的局域网，因此不需要其它的中间层，应用层数据直接读取来自数据链路层 或者直接向数据链路层写数据。数据链路层包括逻辑链路控制子层l l c ( l o g i c a ll i n k c o n t r 0 1 ) 和媒体访问控制子层m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 。c a n 总线分层结构和功能 如图1 1 所示。 在实际应用中，摩托罗拉、飞利浦等半导体供应商都开发了c a n 控制器以实现数据 链路层和物理层的功能。c a n 控制器是以一块可编程芯片上的逻辑电路的组合来实现数 据链路层、物理层以及监督器的功能。用户通过编程操作c a n 控制器来设置c a n 控制 器的工作状态、进行数据发送和接收、管理总线错误。部分c a n 控制器产品为独立的半 导体芯片，如s j a l 0 0 0 ( 飞利浦公司) ，部分c a n 控制器则嵌入微处理器成为微处理器的 功能模块。独立的c a n 控制器提供与微处理器的接口，内嵌的c a n 控制器映射为微处 理器的内部控制单元。对于物理媒体，可以采用双绞线、同轴电缆、光纤等常用的传输介 质。在实际应用中，普遍采用双绞线或屏蔽双绞线作为c a n 网络的物理媒体，n x p 等半 导体公司提供了c a n 总线收发器来实现c a n 控制器到双绞线这种物理媒体的接口功能。 l l c 子层的主要用于为数据传输和远程数据请求提供服务，确认由l l c 子层接收 的报文实际应接受的部分进行过滤，为恢复管理和通知超载提供手段。在定义目标处理时， 存在许多灵活性。m a c 子层是c a n 的核心，它的功能主要是传送规则，亦即控制帧结 构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。为开始一次新的发送，m a c 子层也要 确定，总线是否空闲或者是否刚刚开始接收，位定时特性也是m a c 子层的一部分，m a c 子层不存在修改的灵活性。物理层的功能是有关全部电气特性的节点间的实际传送。所以， 在一个网络内，所有节点的物理层必须相同i l l j 。 西安石油大学硕士学位论文 o s l 分层 物理层 c a n 协议2 0 逻辑链路控制子层( l l c ) 验收滤波 过载通知 恢复管理 介质访润控制子层( m a c ) 数据包装解包 帧编码( 填充消除填充) 介质访润管理 错误检测与标定 图1 - 1c a n 协议网络分层结构 1 6 j 1 9 3 9 通信协议的概况 s a e j l 9 3 9 通信协议是在基于c a n 协议，由美国汽车工程师协会( s a e 卜卡车和 大型客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。 它主要用于为重型商用汽车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 商用汽车中应用最广泛的应用层协议，并被绝大部分商用车零部件供应商所接受和推荐， 成为该行业内共同遵守的网络通讯协议之一。j 1 9 3 9 的速率可达到2 5 0 k b p s ，是一个高速 的通信网络。j 1 9 3 9 的前身是低传输速率j 1 7 0 8 和j 1 5 8 7 ，只提供了e c u s 之间诊断信息 和简单的信息交换。j 1 9 3 9 完全兼容了前两种协议的功能【1 3 】。 j 1 9 3 9 使用的c a n 协议每一个消息包括了一个用来定义消息优先级、谁发送的消息 以及消息中包含了什么数据的标识符，允许任何一个e c u 在总线空闲的时候向网络发送 消息。标识符同时还避免了消息冲突的产生。这种机制允许在发生竞争的时候高优先级 的消息得到总线的访问权1 1 3 , 1 4 1 。 1 6 1j 1 9 3 9 通信协议的特点 j 19 3 9 使用c a n 扩展帧格式( 2 9 b i t s 标识符) ，如图1 2 所示，同时也兼容标准帧存在 ( 11 b i t s 标识符) 。 2 9 b i t s 标识符的前3 位用来在仲裁阶段决定消息优先级。比如：“0 0 0 ”表示最高优 先级。更高的优先级总是被分配到需要高速传输的消息。优先级域是可以通过编程控制 的。较低的优先级用来传输不是时间紧急的数据，典型的例子：发动机配置信息，每一 6 翌一l一 第一章文献综述 个消息类型的优先级都是可改变的，根据协议设计需要可以协调原始设备制造商( 0 e m ) 来进行网络调整【1 5 】。 1j 位标识符 1 8 位扩展标识符 s “n 扩展祯格式 0 p p d u , 榕式( p f ) s r ri d e p f p d u 特定域( p s )琢地址( s 一) r t r f rd p s a ej 19 3 9 32l8 76 5 4 32l8 7 65 4 321b 7 65 4 321 s a ej 1 9 3 9 顿位位置1234567891 0】112131 415：61 71819202 l 2 2232 42 52 62 72 8 2 9 3 0 3 1 3 2 3 3 c ni d 帧位位置 2 8272 6 2 j 2 42 32 22 】2 0l9】8】7l615141 3 1 2】ilo 98765432lo 表1 - 2j1 9 3 9 c a n 报文标示符 预留位( r ) 是在优先级位后面的1 个b i t 位。报文的这位一般情况下应该被设置 为0 。它被预留用于s a e 委员会在将来的某个时候能够使用这一位。 接下来的1 位是数据页位( d a t ep a g e ，d p ) ， d p 位是一个页选择器，页0 包含了所 有已经定义的消息。当页0 定义完毕之后，页1 提供了未来的额外扩展能力。 之后的8 位是p d u 格式域( p f ) 。p d u 是协议数据单元( p r o t o c o l d a t eu n i t ) ( 消息格式， m e s s a g ef o r m a t ) 的简称。p f 域定义了两种p d u 格式中的一种。协议文本j 1 9 3 9 - 2 1 ，3 3 节中描述了p d u 的格式。s r r 位和i d e 位在j 1 9 3 9 协议没有描述和修改，它们是完全 由c a n 控制的。 标识符中接下来的8 位是p s ( p d us p e c i f i c ) ，它与p f 的值有关。如果p f 域在2 4 0 和2 5 5 之间( p d u 2 ) ，p s 域包含p d u 格式的组扩展( g r o u p e x t e n s i o nt ot h ep d uf o r m a t ) ， 它提供一个更大的值的集合来确定广播到网络中所有e c u 的消息。如果p f 的值在0 和 2 3 9 之间( p d u l ) ，这个p s 域包含了一个目的地址。 j 1 9 3 9 的绝大多数的消息是预期使用p d u 2 格式来广播的。在网络中使用p d u 2 格 式来传输的数据不能被指定到一个特定的地址。当一个消息必须被指定到一个特定的 e c u 时，它必须被分配一个p d u l 格式范围的p g n ，这样特定的目的地址才能够被包含 在消息的标识符中。 标识符的最后8 位包含了发送消息的e c u 地址，即源地址( s a ) 。对于确定的c a n 总线网络，每一个e c u 的地址必须是唯一的。所以在同一个网络中两个不同的e c u 不 能够同时使用同一个地址。p g n 与源地址是相互独立的，可以理解为，每个e c u 都能 够发送非自己源地址任何消息。 1 6 2j 1 9 3 9 通信协议的框架 j 1 9 3 9 协议被划分为5 个层： ( 1 ) j 1 9 3 9 1 1 、j 1 9 3 9 1 5 ：物理层，该层涉及网络总线电路原理，信号电平，拓扑 西安石油大学硕士学位论文 结构，线束及接插件，收发器，采样点的设置。 ( 2 ) j 1 9 3 9 2 1 ：数据链路层，该层涉及c a n 总线协议数据单元( p d u ) ，参数组 类型，传输协议。 ( 3 ) j 1 9 3 9 3 1 ：网络层，该层涉及网段互联设备。 ( 4 ) j 1 9 3 9 7 1 、j 1 9 3 9 7 3 ：应用层，该层主要与汽车的具体应用相关。 ( 5 ) j 1 9 3 9 8 1 ：网络管理层，该层涉及网络管理参数组，通信逻辑，错误处理。 s a e j l 9 3 9 的数据链路层处于物理层之上，主要提供了可靠的数据传输功能。在数据 链路层的组织下，完成总线报文发送具有必需的顺序控制、同步、流控制和错误控制等 功能。其中，流控制是通过一致的信息帧格式完成。数据链路层的功能通过请求、命令、 应答、广播响应、组功能和传输协议来实现。其中长度大于8 个字节的参数组( p g n ) 的 收发可以通过传输协议实现。传输协议通信方式又分为广播和点对点会话，涉及报文的 拆装和重组，对传输过程还定义了超时监测和错误处理，是数据链路层最复杂的部分6 1 。 s a e j l 9 3 9 网络层负责不同s a e l j 9 3 9 网络段之间的互联，定义了网络互联e c u 的 服务和需求。另外，不同类型的网络互联e c u 和它们所提供的功能也是由网络层定义的。 s a e l j 9 3 9 的应用层包含管理功能和所采用的支持应用的机制，定义了s a e j l 9 3 9 协 议应用层所用到的p g n ( 参数组) 和s p n ( 可疑参数编号) 。在应用层技术要求中，对报文 格式、拉丁字符集、参数范围、传输重复率、发动机参数的命名规则等方面都有具体的 规定和描述【i 川。 s a e j l 9 3 9 7 3 应用层提供了诊断功能，主要包括：周期性广播活动诊断故障代码； 确定控制器诊断灯状态；读取或清除诊断故障代码；读写控制器存储器；提供安全功能； 停止起动报文广播；报告诊断就绪状态；监测发动机参数等。这些功能分别由诊断报文 d m l d m l 9 具体实现i i 引。 j 1 9 3 9 协议报文发送方式可以分为3 类：当报文的长度小于8 个字节时，直接发送 消息；当报文长度大于8 个字节时，首先要通过握手建立连接，然后再通过传输协议分 包发送报文：另外报文还可以进行广播发送，接收者为连在总线上面所有的e c u 【l 踞。 1 7 研究的目的和意义 鉴于c a n 在汽车电子化进程中的重要作用，自主研发支持c a n 规范的商用车电控 系统应用平台并使之尽快产业化，对于迎接我国商用汽车工业加入世贸组织后所面临的 挑战具有积极意义。研究开发自主知识产权的汽车网络应用系统，缩短同国外汽车技术 水平的差距，提高自身竞争力势在必行。 国内的商用车公司在c a n 总线技术的应用上不遗余力，新一代的商用车，如：一 汽j 6 、东风天龙、重汽豪沃a 7 等都竞相采用了c a n 技术构建车辆电控系统平台。但是 关于c a n 网络拓扑优化、应用层协议制定、可靠性设计方面研究不够深入，造成c a n 系统功能拓展性不强、性能可靠性较低、系统成本过高等问题。据其原因在于国内商用 8 第一章文献综述 车公司大部分采用从国外直接引进技术，总线网络平台设计方面借用国外现成技术，自 主开发的研究方面深度尚不足。从f 向开发的角度，对以上问题进行深入研究将会对 c a n 总线在国内商用车领域的应用方面起到积极作用。 1 8 研究的主要内容 本论文以商用车c a n 网络为研究对象，结合网络正向开发流程，研究了网络拓扑结 构设计与优化，网络应用层协议开发，网络通信矩阵设计，网络协议仿真及优化。本文重 点研究和讨论了以下问题： ( 1 ) c a n 总线控制系统的应用层协议的制订。通过调研、收集、查阅相关技术资料 和专利，深入研究商用车c a n 协议( s a e j l 9 3 9 ) 。 ( 2 ) 网络拓扑建立。根据商用汽车控制系统中各子系统的布置位置、功能划分、信 号类型等特点，合理划分控制模块。 ( 3 ) 网络丌发。定义每个子控制系统的通信报文及其信号内容形成矩阵，羞整墓进 堑虐塑伍真及趔这：评估网络负载对报文和信号产生的传输延迟，并进行优化。 9 西安石油大学硕士学位论文 第二章网络拓扑设计及优化 计算机、智能手机等i t 设备品的广泛使用，这些设备基于用户的需求多具备一定数 据处理与计算能力。这些计算机和以计算机为基础的智能设备并非孤立的存在，它们之 间更多的需要彼此共享资源，沟通信息，协同工作，于是形成了用通信线路将各计算机 连接起来的构成计算机群，以实现资源共享和作业分布处理，这些通信连接就是“通信 网络”，连接方式和结构就是“网络拓扑结构”，互联网就是计算机网络的一个实例。同 样的道理，在汽车c a n 总线上各控制器( 如：仪表、发动机e c u 、变速器e c u 等) 之 间按照网络拓扑结构通过双绞线互相连接起来构成c a n 网络从而。可以发现，网络拓 扑结构是影响网络性能的主要因素。 网络的拓扑结构是指网络中节点的互连形式。计算机网络常用的网络拓扑结构有星 型、环形、总线型及树形。 2 1网络拓扑结构形式 根据网络连接形式的不同，常用的网络拓扑结构包括三种：星型、环形和总线型2 。 如图2 1 所示。 a 星型网络拓扑结构 ，_， b 环型网络拓扑结构 c 总线型网络拓扑结构 图2 - 1 常见的网络拓扑结构形式 星型网络结构中的所有报文都有通过一个中央连接设备，这种结构易于增加新的设 备，缺点是网络工作可靠性较差，中央处理器出现故障，则整个网络瘫痪。 环型网络拓扑结构中若干个设备顺序连接在一起构成一个逻辑环路。报文沿着环路 顺时针或逆时针方向从一个设备传递到下一个设备，有些环型网络能够双向发送报文， 但每一次报文传输沿着一个方向传递。 在总线型网络结构中，所有设备共享一条总线，一条物理介质进行多变量通信，因 此电缆用量大大减少，结构简单。但是当设备增加较多时，网络的实时性和可靠性降低， 故这种结构拓展性较差。 c a n 网络属于局域网，其最常使用的网络拓扑结构是总线型拓扑与星型拓扑。 1 0 第二章网络拓扑设计及优化 2 1 1 星型网络拓扑 在星型网络拓扑结构中，各节点通过点对点唯一的直接连接到中央节点，任意两节 点之间通信都通过中央节点进行转发。由于c a n 总线是个多主结构的通信网络，只要 总线是空闲的，任何一个端接节点都可以发送数据，并通过比较优先级的仲裁方式进行 竞争。星型拓扑结构也遵从这种工作方式，因此，在中央节点处不能出现c a n 控制器， 否则，便构成了节点与中央节点间的点对点通信网络，不是严格意义上的c a n 总线星 型网络拓扑，因此，中央节点的结构显得相对简单，仅是工作在物理层上的c a n 总线 集线器才是严格意义上的星型网络拓扑，而工作在其它层上的例如：c a n 网桥或c a n 网关等连接器则都不属于星型网络拓扑结构2 3 1 。c a n 总线采用星型网络拓扑将有很多方 面的优点，如： ( 1 ) 网络没有支线的概念，不存在支线反射现象。 ( 2 ) 网络布线要求低，设计难度低。 ( 3 ) 各节点相互独立，一个节点的故障不会影响整个系统的工作。 ( 4 ) 各节点可以实现“即插即拔”，而不用增加额外的软硬件工作。 2 1 2 总线型网络拓扑 在总线型拓扑中，传输介质是一条总线，节点通过相应硬件接口接到总线上。一个 节点发送数据，所有其它节点都能接收。树形拓扑是总线拓扑的扩展形式，传输介质是 不封闭的分支电缆。它和总线拓扑一样，一个节点发送数据，其它节点都能接收。因此， 总线和树形拓扑的传输方式称作多点式或广播式。因为所有节点共享一条传输链路，一 次只允许一个节点发送信息，需有某种存取控制方式，确定下一个可以发送的节点。信 息也是按分组发送，达到目的站后，经过地址识别，将信息复制下来。总线型拓扑有很 多方面的优点，总结如下【2 2 1 ： ( 1 ) 需要的电缆数量少，连线成本低，重量轻。 ( 2 ) 总线结构简单，有较高的可靠性。 ( 3 ) 易于扩充，增加或减少用户比较方便。 2 2 网络拓扑结构设计 合理的网络拓扑结构的设计是十分重要的，综合总线型拓扑结构与星型拓扑结构的 特点，本项目设计基于可靠和稳定性要求的汽车c a n 网络控制系统如图2 2 所示，其拓 扑结构可以被称为“双星型网络拓扑结构”。 网络节点有：e c m 发动机管理单元、t c u 变速箱控制单元、e p se c u 电动助力转 向系统、b c m 车身控制模块、d i a g 诊断接口、p e p s 无钥匙进入与启动系统、s r s 安 全气囊模块、m e t e r 仪表。其中e c m 和m e t e r 为终端节点。d i a g 、p e p s 、s r s 和 m e t e r 为一个星型拓扑结构。其余节点为另一个星型拓扑结构【2 4 】。 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 2 双星型网络拓扑结构 2 3 网络拓扑结构仿真模型 采用s a b e r 仿真软件，对整个总线的信号反射、信号完整性、系统鲁棒性进行分析， 解决网络拓扑结构存在的问题，做好整个系统的阻抗匹配。系统仿真模型示意图如图2 3 所示。网络仿真模型如图2 4 和图2 5 所示。 图2 - 3 系统拓扑仿真模型示意图 1 2 第二章 网络拓扑设计及优化 图2 4 网络拓扑仿真模型 图2 5 网络拓扑仿真分析信号波形 2 4 网络拓扑结构仿真分析结果 2 4 1 所有节点发送报文 所有节点发送报文时，仿真结果如图2 - 6 所示。 由图2 6 可以看出，所有节点报文发送正常，信号反射现象可以忽略。 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 6 所有节点发送报文仿真结果 2 4 2 脱离总线的节点发送报文 脱离总线的节点发送报文时，仿真结果如图2 7 所示： 图2 7 脱离总线节点发送报文仿真结果 当终端节点的c a nh 或者c a nl 线断开一条时，此时该节点不能发送或接收任 何报文。当非终端节点的c a nh 或者c a nl 线断开一条时，节点仍可以发送或接收 报文，但此时信号波形较差。 2 4 3 断开一个终端节点 断开一个终端节点后其余节点发送报文的仿真结果如图2 8 所示。结果表明，断开 1 4 第二章网络拓扑设计及优化 一个终端节点后信号的信噪比下降，但仍可正常接收和发送报文。 图2 - 8 断开一个终端节点后仿真结果 2 5 小结 通过对双星型网络拓扑结构的虚拟仿真测试，发现在所有节点发送报文、脱离总线 的节点发送报文、断开一个终端节点的典型极限工作情况下，网络工作能够满足运行要 求。 西安石油大学硕士学位论文 第三章基于s a e j l9 3 9 的应用层协议设计 本课题要参照s a ej 1 9 3 9 协议规范来制定自己的c a n 应用层协议，就必须首先深 入理解并掌握s a ej 1 9 3 9 协议规范的各个细节内容，以下就是对s a ej 1 9 3 9 协议的各项 规则进行了深入的分析和研究【2 卯。 3 1s a ej 1 9 3 9 协议的分析和研究 3 1 1 协议信息类型 s a ej 1 9 3 9 协议信息类型共支持五种类型：请求、广播珥句应、命令、应答和组功能， 信息各自的参数组( p g n ) 编码可以区别这些不同类型的信息。 ( 1 ) 请求( r e q u e s t ) ：用于向某一目标或全局目