（机械工程专业论文）基于can总线的汽车电器系统网络化应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着汽车电子技术的发展，汽车电子产品在整车应用中所占比例越来越大，使整个 车身的布线系统变得非常复杂，电器系统可靠性降低。因此非常有必要对传统的车身 电器系统进行优化设计，提高车身电器系统的可靠性和易维护性。网络化控制也就成 为车身电器控制技术发展的方向。 本文首先对传统车身电器系统的工作原理进行分析、研究，总结出了三种传统车 身电器系统的控制模型；在此基础上首次提出了相应的车身电器控制系统的网络化控 制模型，并针对网络化的特点提出了“虚拟控制器”的概念，为车身电器系统的网络 化奠定了理论基础。然后结合c a n 总线网络的控制思想，提出了车身电器系统的c a n 总线网络拓扑结构及其设计方案；并利用c a n 总线开发工具c a n o e 对车身电器网络系 统进行了网络通信的建模与仿真，仿真结果验证了系统设计方案的可行性。最后通过 对c a n 总线通信协议的研究，结合车身电器网络系统的特点和实际需要，制订了一套 完整的车身电器网络系统的通信协议；基于此协议研究了c a n 总线车身电器网络系统 的具体实现方法，并完成了实际系统的软、硬件设计与开发；实车试验进一步证明了 车身电器网络系统的合理性和功能完整性。 本文的研究结果已经得到了实车验证，真实可信，可以用于指导车身电器系统的网 络化设计，具有很大的实用价值和广阔的应用前景。 关键词：c a n 总线汽车网络汽车电器 虚拟控制器 华中科技大学硕士学位论文 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 e c h n o l o g yo na u t oe l e c t r o n i c s ，m o r ea n dm o r ep r o d u c t so f a u t oe l e c t r o n i c s 呲u s e di nv e h i c l e s r e s u l t i n gi nc o m p l e x i t yo ft h ew i r i n gh a r n e s sa n d l e s s r e l i a b i l i t yo ft h ee l e c t r i cs y s t e m s o 。t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dm a i n t a l n a b i l i “o f v e h i c l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s i t sn e c e s s a r yt oo p t i m i z et h ed e s i g no fc o n v e n t i o n a lv e h i c l e e l e c t r o n i cp r o d u c t s v e h i c l en e t w o r kt e c h n o l o g yt h e nh a sb e c o m eah o t s p o t i nt h i st h e s i s t h ev e h i c l ee l e c t r i ce q u i p m e n t sw o r k i n gp r i n c i p l ew a sa n a l y z e da n d r e s e a r c h e df n s f l y , a n dt h r e ec o u t r o lm o d e l sf o rc o n v e n t i o n a lv e h i c l ee l e c t r o n i cs y s t e ma r e c o n c l u d e d b a s e do ft h e s em o d e l s ，t h ec o r r e s p o n d i n gn e t w o r ko u e sw e r ep u tf o r w a r d sf o rt h e f i r s tt i m e ，a n dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fn e t w o r k t h ec o n c e p to f i r t u a lc o n t r o l l e r ”w h i c h e s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i cb a s i so fn e t w o r ko nv e h i c l ee l e c t r o h i es y s t e mi sa d v a n c e d ，t h e n w i t hm ec o n t r o lt h e o r yo nc a n t h et o p o t o g i cs t r u c t u r ea n dt h ed e s i g ns c h e m eo nc a nw e r e i n t r o d u c e d ，a n du s i n gc a n o ew h i c hi sad e v e l o p i n gt o o lo fc a n ，v e h i c l ee l e c t r o n i cs y s t e m w a sm o d e l e da n ds i m u l a t e d ，a n dt h es i m u l a t e dr e s u l tv a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n s c h e m e a tl a s t ，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea c t u a lr e q u i r e m e n to fv e h i c l ee l e c t r o n i c s y s t e m ，as e r i e so fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa b o u tv e h i c l ee l e c t r i ce q u i p m e n t sn e t w o r k s y s t e r nw e r eb u i l tt h r o u g ht l l es t u d yo nc a n ，a n d 、】l ，i t ht h e s ep r o t o c o l s ，t h es p e c i f i c r e a l i z a t i o no fv e h i c l ee l e c t r o n i cs y s t e mo nc a ni ss t u d i e d ，a n dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g no fs y s t e mw a sa c c o m p l i s h e d p r a t t l e a le x p e r i m e n t a t i o np r o v e dt h er a t i o n a l i t ya n d f u n c t i o n - i n t e g r a l i t yo f v e h i c l ee l e c t r o n i cs y s t e m t h es t u d yf r u i ti nt h i st h e s i sw a sa p p r o v e dc r e d i b l ei np r a c t i c a le x p e r i m e n t a n di tc a n b ea p p l i e di nt h ed e s i g no f n e t w o r ka b o t i tv e h i c l ee l e c t r o n i cs y s t e ma n dh a sg r e a tp r a c t i c a l w o r t ha n da p p l i c a t i o no u t l o o k k e yw o r d s ：c a nb u s ，v e h i c l en e t w o r k ，v e h i c l ee l e c t r i cd e v i c e s , v i r t u a lc o n t r o l l e r i i 独创性声明 木人声明所呈交f i j 学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究- r f , 1 - 及取 得的研究成果。尽我所知。除文f = i 已标咧引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的1 j 究做山贡献的个人和集体， 均已在文r ，以明确方式标 甜。幂人完全意识到本声明舱法律结果出本a 承担。 学位论文怍者签名： f j i 期：2 0 0 5 年护月宁闷 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的j i ! i l 定，即：学校有 权保铘，f ：向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查阅和 借阅。木入授权华巾科技大学可以将木掌位论文的全 i f f 或部分内容编a 有关数弼 库进行检索，可以采月j 影印、缩e 或扫扪等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱 ( i i i 在以上方枢内打“”) 学位论文作者签名；别笺肥鳇指导数师签名： ，f 珂献 同胍2 。5 年口月叼日：2 。5 年尸月) 7 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是 衡量现代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。 汽车电子设备的量、促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的重要的有效手段。 传统的车身电器系统都是通过控制开关或者控制器直接进行控制。这种控制方法简 单，但是整个电器系统的不同开关信号和控制器之间相互独立，不能直接共享信息。如 果需要共享信息，必须通过增加并连信号线控制线的方法来实现。随着汽车电子产品 在整车应用中所占比例越来越大，资源浪费严重。并且导致了整个车身电器的布线系统 变得非常复杂，可靠性降低。同时，电器系统的故障维修也变得非常困难。因此非常有 必要对传统的车身电器系统进行优化设计，提高车身电器系统的可靠性和易维护性。另 外，可通过对传统的车身电器系统进行优化设计提高产品的性价比和产品的竞争力a 为了实现电子设备之间以及和外部系统间的互联，在车辆系统中，就需要采用网络 来实现系统间的相互通讯。现代网络技术和电子技术的发展为汽车电器系统的网络化 提供了技术保障。 本课题来源于东风汽车有限公司商用车研发中心的汽车电子发展研究专项课题“车 身电器系统网络化研究0 本文研究的内容属于该项目的c a n 总线车身电器网络系统部 分。通过对车身电器系统的网络化研究，提出将网络技术与汽车电子技术相结合对传 统的汽车车身电器系统进行技术改造的方案，优化整车电器系统的设计，为东风汽车 有限公司在汽车电子技术应用研究方面奠定坚实的基础。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 传统车身电器的控制方法和原理 传统车身电器系统控制方法和原理经历了开关直接控制和智能化电子控制两个阶 段。最初车身电器都是通过开关直接控制电器的工作回路来实现控制功能的。随着车 华中科技大学硕士学位论文 身电器系统功能的增加车身电器的控制逻辑变得非常复杂，开关直接控制的方法已不 能满足控制功能的需要，逐渐出现了一些电子控制系统，如智能转向灯控制系统、智 能刮水控制系统、中控锁系统、电动门窗控制系统和后视镜控制系统等“1 。经过对传统 的车身电器系统的控制方法和原理进行分析，发现在传统的车身电器系统中，存在多 种控制模型，归纳起来一共有以下几种： 直接控制型： 对于这类车身电器，控制开关是整个控制电路的一个组成部分。控制开关直接串联 在被控对象的电路中，控制开关的接通与断开就直接实现了对被控对象的控制。这类 控制对象包括雾灯、倒车灯、远光灯、近光灯、小灯、电喇叭、风窗洗涤电机等。这 类车身电器的控制方法最为简单，但由于控制开关直接串联在被控对象回路中，形成 被控对象回路的一部分，控制开关的触点经常有较大电流流过，对开关触点的材料、 制造工艺要求高，因此这类开关的成本也比较高。 直接控制型车身电器控制流程如下： “电源正极”一 “控制开关”一 “控制导线”一 “被控对象” “电 源负极”，控制模型如图卜1 所示。 。丫、。，7 。人入 _ _ _ 广u - l 广一u u 一_ 弋， 孽电池 保险 控制开关赫土 图卜l 直接控制型车身电器控制模型 这个模型的工作原理为：控制开关闭合，电流从电源的正极经过保险流经控制开关， 然后通过被控对象，流到电源的负极形成一个完整的电流回路。这时被控对象处于 工作状态。控制开关断开，被控对象的工作电流回路被切断，被控对象恢复到停止工 作状态。 逻辑控制型 对于这类车身电器，控制开关具有简单的控制逻辑关系用以实现被控对象的相关国 家标准或者被控对象工作所必要的控制逻辑。通常这类电器不是由一个控制开关单独 _、一-_l_，_-h一 华中科技大学硕士学位论文 控制，而是由多个开关组合在一起利用控制开关的机械结构和逻辑电路实现其控制逻 辑。控制开关的输出控制端直接串联在被控对象的电路中，操作控制开关使开关的控 制输出端接通与断开来实现对被控对象的控制。这类控制对象包括雾灯、小灯、车窗 玻璃升降电机、暖风电机、后视镜电机控制等。这类车身电器控制方法相对复杂，开 关设计非常复杂。控制开关的输出端同样直接串联在被控对象回路中，形成被控对象 回路的一部分，控制开关的触点经常有较大电流流过，对开关触点的材料、制造工艺 要求高，因此这类开关的成本很高。 逻辑控制型车身电器控制流程如下： t r 电源正极”一 “控制开关输入”一 “控制开关输出”一 “控制导线”一 “被控对象”一 “电源负极”。控制模型如图1 2 所示。 毳广剞若 j off 控制逻辑l望制逻辑2 o 一 _ o o -o o 一一 _ 。 o io 被控对象 图卜2 逻辑控制型车身电器简化控制模型 图卜2 是一个逻辑控制型车身电器简化控制模型车身电器简化控制模型，它实现了 对被控对象的双向控制。模型的工作原理为：控制开关打到0ff 档，被控对象两端 悬空，其工作回路被切断，此时处于停止工作状态。控制开关打到控制逻辑l 档时， 通过控制开关的内部逻辑转换，被控对象的1 端与电源正极相连接，2 端与电源负极相 华中科技大学硕士学位论文 连接。这时电流从电源的正极，经过控制开关，流入被控对象的1 端，然后从被控对 象的2 端流出，又经过控制开关，回到电源的负极，形成一个完整的电流回路，此时 被控对象处于正向工作状态。控制开关打到控制逻辑2 档时，通过控制开关的内部逻 辑转换，被控对象的1 端与电源负极相连接，2 端与被电源正极相连接。这时电流从电 源的正极，经过控制开关，流入被控对象的2 端，然后从被控对象的l 端流出，又经 过控制开关，回到电源的负极，形成一个完整的电流回路，此时被控对象处于反向工 作状态。该控制模型可以实现电机的正反双向运行控制。 控制器控制型 对于这类车身电器，控制开关具有简单的控制逻辑关系用以实现被控对象的相关国 家标准或者被控对象工作所必要的控带i 逻辑，另外还有附加的外围控制宅路辅助实现 对被控对象的控制功能。通常这类电器不是由一个开关单独控制，而是由多个开关组 合在一起结合一些被控对象的状态信号，通过开关的机械结构和逻辑电路实现其控制 逻辑加上一个控制器一起实现对被控对象的控制。控制开关的输出控制端直接串联在 被控对象的电路中或者控制器的输出端直接控制被控对象，操作控制开关使控制开关 的控制输出端接通与断开或者控制器根据控制开关的通断状态来实现对被控对象的控 制。这类控制对象包括转向灯、刮水电机、综合危险报警器、门锁电机等。这类车身 电器控制方法复杂，控制开关设计也较复杂还需要额外的控制器辅助实现对被控对象 的控制。控制开关的输出端或者控制器的输出端串联在被控对象回路中，形成被控对 象回路的一部分。这类车身电器的控制最复杂。 控制器控制型车身电器控制流程如下： “开关输入”一 “控制器”一 “开关控制器输出”一 “线束” “被 控对象”。控制模型如图卜3 所示。 图卜3 是一个控制器型车身电器控制模型，它主要由“控制开关”、“控制器”和“被 控对象”三部分组成。在这个控制模型中，控制器是核心部分，它既完成控制逻辑又 负责控制功能的实现。这个控制模型可以实现复杂的控制逻辑和控制功能。模型的工 作原理为：控制开关打到0ff 档，控制器两输入端悬空，控制器执行被控对象的0 华中科技大学硕士学位论文 ff 档控制逻辑和控制过程。控制开关打到控制逻辑1 档，控制器执行被控对象的控 制逻辑1 的控制功能。控制开关打到控制逻辑2 档时，控制器执行被控对象的控制逻 辑2 的控制功能。所有不能由开关直接控制的车身电器都可以利用这个控制模型对其 实现控制功能。 off 控制逻辑l 控制逻辑2 。l 屯 oo n n ! 写。 一 一 。 2上 = 控制器 被控对象 图卜3 控制器型车身电器控制模型 1 2 2 车身电器系统网络亿研究与应用摄述 1 2 2 1 国外研究概况 在车身电器系统网络化的研究方面，国外已经开展很长时间。由于国外汽车电子技 n 丫 傩 q 是 电 一童一 华中科技大学硕士学位论文 术已经应用得非常成熟，因此国外的车身电器系统网络化研究的主要内容车身电器系 统网络的通信协议。从上个世纪八十年代早期，丰田公司已经开始在车门控制系统中 采用了专用的车身网络。随后通用公司也在灯光控制系统中采用了车身网络。但是， 上述车身网络都是各个公司自己定义的专用网络系统。并没有得到广泛应用。车身网 络的广泛应用是在博世公司推出c a n 通信协议”1 ，尤其是在1 9 9 1 年c a n 2 o b 推出以后， 该标准被奔驰、宝马、大众、沃尔沃雷诺等各大汽车公司争相采用，同时也制定针对 c a n 标准的各种通信协议，包括欧洲的c a n o o p e n ( 应用层) 、美国汽车工程学会的 s a e j l 9 3 9 ( 物理层州、数据链路层哪、应用层嘲”1 和网络管理层。3 等) 、国际标准化组 织的i s o l l 8 9 8e 9 1 0 1 ( 物理层) 。因此c a n 逐渐形成了国际上比较通用的汽车网络标准。 除了c a n 网络以外，国际上还存在一些汽车网络标准，如美国的j 1 8 5 0 汽车网络 和j 1 5 8 7 汽车网络；法国的v a n 汽车网络、车用多媒体网络m o s t 等。目前，针对车身 电器系统的网络系统逐渐被c a n 总线网络系统所替代。 虽然国际上各著名的汽车公司都已经采用了c a n 总线作为汽车网络总线，但是每 个公司都针对c a n 总线的相关协议进行了有针对性的修改，制订了自己的企业标准。 1 2 2 2 国内研究概况 在国内，由于中国汽车电子技术的发展水平还处于周9 冈q 起步阶段，因此对于车身电 器系统网络化的研究包括两个方面：车身电器系统网络的通信协议方面；针对车身电 器电子控制技术的研究。 鉴于c a n 标准已经成为国际上通用的汽车网络标准，国内在汽车网络的研究也主要 集中在对c a n 总线的研究上。国内也有对c a n 总线进行介绍专著“。汽车网络通信协 议方面的研究主要集中在高校。清华大学、浙江大学等结合国家8 6 3 计划项目，对美 国的基于c a n 总线标准的s a ej 1 9 3 9 协议进行了研究。研究的主要内容为应用层协议， 由于理论和实际应用的脱节，研究成果并不能直接应用至实际的汽车网络中。再者s a e j 1 9 3 9 协议在汽车领域内主要是针对卡车的动力系统电控单元之间的通信，并不能满足 车身电器系统控制网络的要求。 在汽车电器电子控制技术研究方面，全国有超过2 0 0 家研究机构、汽车电子产品生 华中科技大学硕士学位论文 产厂家开展了这方面的研究，目前也初步取得了一定的进展。但是由于对网络通信协 议方面缺乏研究，这类产品并不是真正意义上的c a n 总线产品。 一汽、上海大众、二汽等整车制造商，由于国家排放法规的实施，被动引进了满足 排放法规的发动机，这种发动机的电子控制器带有c a n 总线通信接口，并且要求与车 辆动力系统的其它电子控制器( 仪表、行驶记录仪等) 进行通信才能工作，因此各厂 家等于被动的在车辆中应用了c a n 总线阏络系统。这种被动的引进秘应用，并来使整 车厂拥有自己的网络核心技术。为了提高车辆的技术含量，充分发挥汽车网络的优势， 车身电器系统网络化也同时被提到了 义事日程。 1 3 车身电器can 总线网络系统概述 车身电器can 总线网络系统采用can 总线网络技术和嵌入式控制技术相结合 的方法，通过对传统车身电器系统的功能进行重新划分和控常4 方法定义，整台系统资 源，对车身电器系统的控制方法进行技术改造，由传统的中心直接控制改为通过ca n 总线网络由各个控制模块进行分布式间接控制，可以实现对车身电器系统进行优化 设计。车身电器阿络系统包括网络系统和嵌入式控制系统两部分：其中网络系统通过 车身电器网络系统中各个模块的数据交换实现整个系统的数据共享：嵌入式控制系统 实现车身电器系统信号的采集和控制功能。车身电器网络系统的can 总线通信协议， 保证了控制命令和被控对象的状态等数据在can 总线网络上的节点之间相互可靠传 输，实现所有的车身电器系统信息的共享。采用先迸的半导体智能器件替代传统的开关 继电器控制方式，实现车身电器系统控制的智能化。这样既可以实现传统的控制功 能，又具存极强舶可扩展性和灵活性。 1 4 车身电器can 网络系统通信协议及网络建梗概述 车身电器网络系统ca n 总线通信协议是根据车身电器系统的特点和实际应用的 需要，参考国际汽车界广泛采用的can 总线通信协议。制订舶一套车身龟器网络系 统专用ca n 总线通信协议。包括物理层、数据链路层、网络管理层、和应用层等几 华中科技大学硕士学位论文 个部分。车身电器系统can 总线通信协议为车身电器网络系统提供数据传输的物理 介质、流控制、网络管理以及应用定义，是车身电器系统网络化的核心。 车身电器系统网络化，首先就要建立车身电器系统的网络模型。车身电器网络系 统的c a n 总线网络模型是针对车身电器网络系统的通信部分建立的通信模型。利用c a n 总线开发工具c a n o e i z 1 3 c 1 4 建立车身电器网络系统的c a n 总线网络模型并进行仿真分 析，用于验证车身网络系统通信部分设计的合理性与可靠性。从而为车身电器系统网 络化提供依据。 1 5 本文研究的主要内容 论文以东风有限商用车研发中心“车身电器网络化应用研究”为背景，本文作者主 要承担了车身电器网络系统的设计、c a n 总线网络通信协议制定、车身电器c a n 总线网 络建模与仿真和系统软件设计等方面的研究工作。在理论研究上，主要对传统车身电 器系统的控制方法和原理进行了归纳、提出网络化的控制模型和虚拟控制器概念；在 实验研究上，主要进行了车身电器网络系统建模与仿真，对车身电器网络系统设计的 合理性进行了研究；在网络通信协议方面，针对车身电器网络系统的实际需要，对c a n 总线通信涉及到的主要协议：物理层、数据链路层、网络管理层和应用层进行了研究； 本文从整车系统的角度出发，对车身电器系统的网络化进行研究，建立起基于c a n 总 线的车身电器网络系统的模型，制定出一套完整的基于c a n 总线的车身电器网络系统 的通信协议，并设计出一个可行的基于c a n 总线的车身电器网络控制系统。 本文所做的主要工作有： 1 ) 研究汽车电器网络化控制原理，建立车身电器网络控制模型。 2 ) 设计车身电器c a n 总线网络拓扑结构，并通过对车身电器c a n 总线网络的建模 与仿真，验证车身电器网络系统设计的合理性和可靠性。 3 ) 针对车身电器网络系统的实际需要，制定车身电器网络系统的c a n 总线通信协 议。 4 ) 车身电器网络系统控制模块软，硬件的设计。 华中科技大学硕士学位论文 本文的基本结构为：第一章为全文的绪论，简要介绍了课题的背景和国内外在车身 电器网络化方面的研究和应用情况，并对传统的汽车电器控制方法和原理进行了阐述； 第二章是车身电器系统网络化理论研究部分，提出了网络化的汽车电器控制模型，并 根据网络控制的特点提出了“虚拟控制器”的概念；第三章对车身电器网络系统建模 与仿真进行了研究，阐述了使用c a n 总线开发工具软件c a n o e 对车身电器网络系统进 行建模与仿真的原理、方法和步骤；第四章详细阐述了车身电器c a n 总线网络的各层 通信协议的内容；第五章介绍了车身电器网络系统控制模块的软、硬件设计；第六章 是全文的总结并提出了需要进一步研究的内容。 华中科技大学硕士学位论文 2 车身电器系统网络化理论研究 传统的车身电器系统控制方法都是直接控制：简单控制功能通过控制开关直接实 现：复杂的控制功能由控制器来实现。实现车身电器系统网络化，就是改变这种传统 的控制方法控制对象和控制信号之间不再是单纯的直接控制方法，而是根据实际 的需要由网络上的各个模块分别执行信号采集或者控制功能，各个模块之间通过车身 电器网络系统建立连接并相互交换数据。根据车身电器网络系统的应用层协议，在车 身电器网络系统中负责控制信号采集的模块把采集到的控制命令发送到车身网络上， 负责执行控制功能的模块一直侦听总线消息并把网络上与本模块相关的数据接收过 来，然后由软件部分实现控制逻辑和算法，并通过智能控制器件实现对车身电器的控 制功能。 2 1 车身电器系统网络化设计 车身电器系统网络化设计，就是把上一章对传统车身电器系统的工作原理的分析、 研究所得出的控制模型转化为网络化的控制模型，通过车身电器网络系统实现对车身 电器的控制功能。具体方法如下： 2 l 1 直接控制型车身电器控制模型的网络化 这种类型的车身电器的网络化比较简单，只需要把原控制模型中控制输入部分与控 制执行部分分隔开。其中控制输入部分的功雒由负责控制信号采集的模块实现，控制 执行的功能由负责控制功能的模块实现。控制信号采集的模块采集到控制开关的控制 信号并直接对其进行编码，然后把数据发布到车身电器网络上。执行控制功能的模块 从车身电器网络总线上接收数据，然后通过解码得到正确的控制信号并执行相应的控 制动作，完成整个控制过程。与传统的控制模型相比，在该模型中增加了两个控制模 块，模块之间通过ca n 总线连接起来。取消了原来模型中控制开关与控制对象直接 1 0 华中科技大学顽士学位论文 相连的线束。由于控制开关和控制对象的分离， 关的结构可以进行简化设计，对于开关的材料、 本。其网络化的模型如下： 一。1 、f丫 - 控制开关 控制信号采集模块 没有大电流从开关流过，原来控制开 工艺要求降低从而降低控制开关的成 下 j c a n 总线 图2 - 1直接控制型车身电器控制网络化模型 其数据流程表示如下： “开关信号”一 “控制信号采集模块”一 “车身电器网络总线” 一 “控制功能执行模块”一 “被控对象” 2 1 2 逻辑型车身电器控制模型的网络化 这种类型的车身电器的网络化稍微复杂，需要在直接控制型车身电器控制网络化模 型基础之上增加一个逻辑分析部分，其功能就是实现原来开关的控制逻辑。具体方法 为，把原控制模型中控制输入部分与控制执行部分分隔开，其中控制输入部分的功能 由负责控制信号采集的模块实现，控制执行的功能由负责控制功能的模块实现。负责 控制信号采集的模块对采集到控制开关的控制信号进行逻辑分析并转换为实际控制的 逻辑信号，然后对转换过的逻辑信号进行编码，再把数据发布到车身电器网络上。执 行控制功能的模块从车身电器网络总线上接收数据，然后通过解码并根据其控制逻辑 华中科技大学硕士学位论文 得到正确的控制信号，执行相应的控制动作，完成整个控制过程。与传统的控制模型 相比，在该模型中增加了两个控制模块，模块之间通过ca n 总线连接起来。取消了 原来模型中控制开关与控制对象直接相连的线束。由于原来控制开关的逻辑功能改由 信号采集模块的软件部分实现，所以控制开关的结构可以大大简化设计，再者控制开 关和控制对象的分离，没有大电流从开关流过，因此对于开关的材料、工艺要求降低 从而降低控制开关的成本。其网络化的模型如下： c a n 总线 图2 - 2 逻辑型车身电器控制网络化模型 其数据流程表示如下： “开关信号”一 “控制信号采集模块” “控制信号逻辑处理” 一 “车身电器网络总线”一 “控制功能执行模块”一 “控制信号逻辑处理” 一 “被控对象” 2 1 3 控制器型车身电器控制模型的网络化 这种类型的车身电器的网络化比较复杂，首先要对控制开关信号进行采集。其次需 1 2 华中科技大学硕士学位论文 要一个逻辑处理机以实现原来开关上实现的控制逻辑。另外，还需要增加一个“虚拟 控制器”，实现原来的控制器的功能。具体方法如下： 首先划分控制器的功能，把原控制模型中控制输入部分、控制器与控制执行功能分 隔开。其中控制输入部分的功能由负责控制信号采集的模块实现；控制器的功能由车 身网络上的具有主控功能的模块实现；控制执行的功能由负责控制功能的模块实现。 负责控制信号采集的模块采集到控制开关的控制信号进行逻辑分析并转换为实际控制 的逻辑信号，然后对转换过的逻辑信号进行编码，再把数据发布到车身电器网络上。 负责控制器功能的模块从车身电器网络总线上接收数据，根据一定的控制算法和逻辑 得出控制命令经过编码发布到车身电器网络上。执行控制功能的模块从车身电器网络 总线上接收数据，然后通过解码并根据其控制逻辑得到正确的控制信号，执行相应的 控制动作，完成整个控制过程。与传统的控制模型相比，在该模型中使用了三个ca n 模块，模块之间通过can 总线连接起来。取消了原来模型中控制开关与控制对象 直接相连的线束。由于原来控制开关的逻辑功能改由信号采集模块的软件部分实现， 控制器的功能由负责主控功能的模块实现。所以控制开关的结构可以进行简化设计、 原来的控制器部分也可以取消。再者控制开关和控制对象的分离，没有大电流从开关 流过，因此对于开关的材料、工艺要求降低从而降低控制开关的成本。其网络化的模 型如图2 3 。 其数据流程表示如下： “开关信号”一 “控制信号采集模块” “控制信号逻辑处理” 一 “虚拟控制器”一 “车身电器网络总线”一 “控制功能执行模块， 一 “控制信号逻辑处理”一 “被控对象” 华中科技大学硕士学位论文 2 2 虚拟控制器 图2 。3 控制器型车身电器控制网络化模型 在车身电器网络系统中，从整车的角度出发对传统的车身电器系统进行资源整合与 优化设计，把传统的车身电器控制中带有控制器部分的功能进行分割，其中控制算法 和控制逻辑部分作为一个独立的部分由软件实现，这部分控制软件就称为“虚拟控制 器”。使用虚拟控制器可以实现车身电器系统中的复杂控制功能，从而大大简化车身电 器系统的布线系统和控制电路的设计。 “虚拟控制器”包括三部分组成：输入信号、控制器核心单元、输出信号。其中输 入信号包括传统控制模型中的控制输入信号、状态信号等；控制器核心单元封装了相 关标准、控制算法和控制逻辑，最终实现从输入信号得到正确的输出信号。核心控制 单元不参与对被控对象的控制，对被控对象的控制功能由网络上的控制部分实现；输 出信号是指虚拟控制器根据控制算法和控制逻辑得到的控制命令，该命令发布到车身 电器系统网络上，负责控制功能的模块使用该命令实现对被控对象的控制功能。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ r j - _ _ u _ _ _ _ _ _ _ _ _ r 1rf一 t 厂f j c a n 二 l 一、i 一翅叁焦量一爿 控制器核心单元 1 。一 一 l 一一 l 塑焦呈 。输出信号 虚拟控制器模型 图2 4 虚拟控制器模型 上面是虚拟控制器的模型，其工作原理如下：控制器核心单元从can 总线或者本 地开关获取输入信号( 控制信号或者状态信号) ，根据实际控制器的功能，确定控制算 法和控制逻辑，通过对输入信号的处理得到输出信号，然后把输出信号进行编码发布 到ca n 总线或者本地使用。连接在ca n 总线上负责执于亍控制功能的模块，从ca n 总线上接收虚拟控制器输出的信号执行相应的控制功能。 利用虚拟控制器的工作原理，可以实现所有复杂的传统车身电器控制系统的网络 化。利用虚拟控制器的桥梁作用，在网络系统中把传统控制方式中的要素连接起来， 进而实现从传统的集中控制方式到网络化分布式控制的转换。目前，转向灯的控制、 刮水系统的控制、中控锁的控制、暖风空调系统的控制等都可以采用这种控制模型。 2 3 控制器局域网( c a n ) 对车身电器系统网络化，除了上述把传统的车身电器控制模型转化为网络化的车身 电器控制模型外，还需要建立车身电器网络通信系统。所谓车身电器网络通信系统就 是建立在某种总线通信协议基础之上，并根据车身电器系统控制需要制订的网络通信 协议、网络拓朴结构和硬件系统，为网络化的车身电器控制模型提供信息传输的路径。 ca n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线是国际汽车界广泛采用的网络总线，是一 种架构开放、多主式的新一代网络通信协议，称为控制器局域网现场总线。 华中科技大学硕士学位论文 c a n 网络是德国b o s c h 公司于1 9 8 3 年为解决汽车应用中日益增加的汽车电子产品之 间的通信问题而开发的，希望用此项技术即解决车辆中电子产品的通信，又能够取代原 本昂贵的汽车配线。c a n 网络具有反应快可靠度高，非常适用于分布式实时控制系统。 具有如下特点： can 采用双线差分传输信号，抗干扰能力强。 c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节 点发送消息，而不分主从，通信方式灵活。 c a n 网络上的节点消息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级 的数据可得到优先传输。 c a n 采用非破坏性总线性仲裁技术，当多个节点同时向总线发送消息时，优先 级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输 数据，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。 c a n 采用不归零( n r z ) 编码，直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s ) ；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 ) 。 c a n 只需通过帧滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传输 数据，无需专门的“调度”。 c a n 采用短板结构，传输时闻短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 c a n 的每帧消息都有c r c 效验及其他检错措施，保证数据出错率极低。 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能， can 总线i 网络的这些特点，完全可以满足车身电器网络化控制的三种模型，因此 可以选择ca n 总线网络作为车身电器的网络系统。 2 4 本章小结 本章从工作原理上对车身电器系统网络化进行研究，提出了车身电器系统的两络化 的控制模型理论。这种基于控制模型的网络化方法，具有目标明确、灵活性高和实现 简单等特点，具有很高的实用价值。 华中科技大学硕士学位论文 3 基于can 总线的车身电器网络系统网络建模 根据车身电器网络化控制的三种模型，车身电器系统的网络化控制采取区域就近控 制的原则，针对车身电器系统在车辆上的分布情况，把整车划分为7 个区域，这样就 得到了7 个can 总线网络模块，分别是：前部模块、左门模块、右门模块、尾部模 块、仪表模块、开关模块和控制模块。车身电器网络系统的can 总线网络的拓扑结 构如图3 1 rl 图3 - 1 车身电器网络系统的can 总线网络拓扑结构 上面的这个车身电器网络是一个基于c a n 总线的车身电器网络系统的网络拓扑结 构e 网络的主干线有两条双绞线组成，分别称为c a n h 和c a n l ，总线的两端接了两个终 端负载。所有的模块都通过c a n 收发器连接在车身c a n 总线上，实现相互通信。 3 1 车身电器网络系统模块功能定义 前部模块功能定义 在车身电器网络系统中，前部模块主要完成的功能有： 1 7 华中科技大学硕士学位论文 车辆前部电器( 远光灯、近光灯、转向灯、喇叭、位置灯等) 的控制 车辆前部开关信号的采集； 车辆前部电器的故障检测。 左门模块功能定义 在车身电器网络系统中，左门模块主要完成的功能有： 车辆左边电器( 电动车窗、门锁、后视镜、侧灯等) 的控制： 车辆左边开关信号( 车门开关、车窗控制开关、门锁开关) 的采集； 车辆左边电器的故障检测。 右门模块功能定义 在车身电器网络系统中，右门模块主要完成的功能有： 车辆右边电器( 电动车窗、门锁、后视镜、侧灯等) 的控制； 车辆右边开关信号( 车门开关、车窗控制开关、门锁开关) 的采集； 车辆右边电器的故障检测。 尾部模块功能定义 在车身电器网络系统中，尾部模块主要完成的功能有： 车辆尾部电器( 尾灯等) 的控制； 车辆尾部电器的故障检测。 仪表模块功能定义 在车身电器网络系统中，仪表模块主要完成的功能有： 传统汽车仪表的功能； 车身网络系统故障信息的显示和报警指示。 开关模块功能定义 在车身电器网络系统中，开关模块负责采集驾驶内部的所有开关信号。 控制模块功能定义 在车身电器网络系统中，控制模块主要完成的功能有： 华中科技大学硕士学位论文 虚拟控制器； 车身电器网络系统的故障记录。 3 2 基于c a n 总线的车身电器系统网络通信建模与仿真 c a n 总线开发工具c a n o e 可以对基于c a n 总线的车身电器网络系统的通信进行建 模和仿真。该工具集成了网络数据库工具、建模仿真工具、仿真界面设计工具、仿真 程序设计工具和仿真测试工具等。网络数据库工具记录所有网络节点的定义、信号的 定义、can 数据帧的定义、外部环境变量的定义、数据传输方向的定义等整个网络 通信必须的所有信息。其它的工具都以网络数据库为核心，使用c a n o e 建模仿真工具 根据网络数据库节点信息建立网络通信模型，构筑起网络通信的框架。_ 币用c a n o e 的 界面设计工具把根据网络数据库中外部环境变量与虚拟的开关、被控对象关联起来， 建立起虚拟的仿真环境。使用仿真程序设计工具对整车网络定义的逻辑部分进行编程， 模拟出真实的控制逻辑。使用仿真测试工具对接个网络模型工作的过程进行观察、记 录分析等。通过建立网络数据库、建立网络通信模型、网络功能模拟和网络测试几个 步骤，就可以完全实现整个网络通信功能、控制逻辑、控制模型的完全模拟，可以检 查出网络系统中建立的网络化控制模型是否正确、合理，并进行及时修改和优化，同 时也可检验出各个节点功能的完善性以及网络的合理性。 3 2 ，1 车身电器c a n 总线网络系统建模、仿真白9 重点 capl 语言是一种基于事件触发的编程语言，编程风格类似v c ，语法类似c 语 言。使用capl 语言编写仿真软件，验证车身电器c a n 总线网络系统的通信功能和 实现网络化的车身电器控制模型的控制功能是车身电器c a n 总线网络系统建模与仿 真的重点。因为对车身电器系统网络化是否成功评价的最终标准是：车身电器c a n 总 线网络系统的各个模块之间是否能够实现信息共享以及网络化的车身电器网络控制模 型是否能够实现其传统的控制功能。 1 9 华中科技大学顽士学位论文 3 2 2 基于c a n 总线的车身电器网络系统仿真控制模型 我们在前面章节中对传统的车身电器系统归纳出三种控制模型，并据此提出三种对 应的网络化控制模型。对于车身电器c a n 总线网络系统的仿真与建模，同样需要建立 对应的控制模型。 3 2 2 1 直接控制型车身电器网络仿真控制模型 这是一种最简单的车身电器网络仿真控制模型，该模型需要仿真两类节点：开关节 点和控制节点。其中开关节点利用仿真界面的人机接口可以仿真出开关的状态。可以 设计仿真程序，在开关状态发生改变时仿真出信号的打包与c a n 消息的发送；对控制 节点进行编程，可以仿真出c a n 消息的接收与信号的解包，并根据控制逻辑通过仿真 界面显示出控制对象的工作状况。如图3 2 所示： 开关节点 控制节点 r i l i i i i j i i f 总线 图3 - 2 直接控制型车身电器网络仿真控制模型 2 0 一ii，i0 ij 华中科技大学硕士学位论文 3 2 2 2 逻辑型车身电器网络仿真控制模型 这种车身电器网络仿真模型也比较简单，需要仿真两类节点：开关节点和控制节点。 其中开关节点利用仿真界面的人机接口可以仿真出开关的状态。可以设计仿真程序， 增加控制逻辑仿真函数就可以仿真出开关的控制逻辑，在开关状态发生改变时仿真出 信号的打包与c a n 消息的发送；对控制节点进行编程，可以仿真出c a n 消息的接收与 信号的解包，并根据控制逻辑通过仿真界面显示出控制对象的工作状况。如图3 3 所 示： i i i i i i i i i 一 。1 。一。 开关状态变化) 、一 进入事件处理程序 - i i i l i i i l i _ j c a n 总线 i f 尘缕一i i 厂一_ i 读取c