（机械电子工程专业论文）汽车车载网络系统管理与监控方法研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文汽车车载网络系统管理与监控方法研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者签名：j kb 如! 业年上月三日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研宄所、中国优秀博硕士学位论文全 文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名：至竺三i 土鱼f 芝年月日 指导导师签名煎墨噬丝 ! 年五月! l 日 摘要 车载网络技术在汽车工业领域内得到了迅速发展与普及，被广泛应用于对车辆底 盘与车身系统的控制。车载网络的普及程度及其所实现的功能己在报大程度上成为 衡量车辆性能的指标之一。 车载网络的设计通常基于可避免负载集中的分布式系统，通过串行通信总线实现 了车辆中各电控单元问的信息交互，每个电控单元均可视为网络系统的一个独立节点。 车载网络的拓扑结构属于计算机网络中的总线型结构，但车载应用对其网络系统在健 壮性与可靠性方面的要求却远高于普通的计算机网络。为此，本文提出在目前唯一具 有国际标准，且广泛应用于车身系统与车辆底盘动力系统控制的车载c a n 网络中，引 入遵循0 s e k v d xn m 规范间接n m 机制的车载网络管理系统。 首先对间接n m 机制中所描述的内部状态进行了简化，仅选取与监控网络中周 期性应用报文传输直接相关的内部状态，设计了遵循间接n m 机制的车载网络管理系 统的状态转换关系。接着在间接n m 计数器管理与配置信息管理的功能的支持下r 采用全局超时监控，实现了对车载c a n 网络研究平台中周期性应用报文发送过程的监 控，并制定了车载网络管理系统的通信协议以获知被监控节点的n e t l d 、n o d e l b 及 其所对应的配置信息与扩展配置信息。最后，通过对相关实验结果的分析，验证车载 网络管理系统中间接n m 机制各主要功能的实现，及对网络中周期性应用报文传输监 控的效果。 关键词：控制器局域网o s e k v d x 间接m 车载网络管理系统 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no ft h ei n - v e h i c l en e t w o r kt e c h n o l o g yi n t h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yi th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ec o n t r o lo ft h ev e h i c l ec h a s s i sa n d b o d ys y s t e m s1 1 ep o p u l a r i t yo ft h ei n v e h i c l en e t w o r ka n di t sf u n c t i o n a l i t i e sh a sb e e o m e o n ei n d i c a t o rt om e a s u r et h ep e r f o r m a n c eo f av e h i c l e t h ei n v e h i c l en e t w o r ki su s u a l l yd e s i g n e da sad i s t r i b u t e ds y s t e mw h i c hc a l la v o i dt h e i o a d i n gc o n c e n w a t i n nb yw h i c hi n f o r m a t i n ne x c h a n g eb e t w e e nt h ei n v e h i c l ee l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t s ( e c u s ) v i aas e r i a lc o m m u n i c a t i o nb u se a c he c uc o u l db er e g a r d e da sa l l i n d e p e n d e n tn o d eo f t h en e t w o r ks y s t e mmi o p o o g yo f t h ei n - v e h i c h in e t w o r ki sab u s s t r u c t u r ei nt h es c o p eo fac o m p u t e rn e t w o r k h o w e v e r t h er e q u i r e m e n t so fa u t o m o t i v e a p p l i c a t i o n sa r em u c hh i g h e rt h a no r d i n a r yc o m p u t e rn e t w o r ks y s t e mi nr o b u s t n e s sa n d r e l i a b i l i t y t ot h i se n d t h i sp a p e rp r o p o s e sai n v e h i c l en e t w o r km a n a g e m e n tc o m p l i e d 州t h t h ei n d i r e e tn mm e c h a n i s mo f0 s e k v d xn ms p e c i f i c a t i o i li nc a n w h i c hi su s e dt o c o n t r o lt h eb o d ya n dt h ep o w e r t r a i ns y s t e mi nv e h i c l e a n di su s e dm o s tw i d e l y8 st h eo n l y p r o t o c o lh a d8 1 1i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d t h i 5p a p e rf i r s ts i m p l i f i e st h ei n t e r n a lm e c h a n i s md e s c r i b e db yi n d i r e c tn m o n l y s e l e c t i n gt h ei n t e m a ls t a t e sr e l a t e dv d t hm o n i t o rt h et r a n s m i s s i o no fp e r i o d i ca p p l i c a t i o n m e s s a g e si nt h en e l w o r k d e s i g n st h es t a t e st r a n s i t i o nr e l a t i o n s h i pf o ri n - v e h i c l en e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e mf o i l o w e dt h ei n d i r e c tn mm e c h a n i s mt h e l li m p l e m e n t st h em o n i t o rt o p e r i o d i ca p p l i c a t i o nm e s s a g es e n d i n gp r o c e s so n t h ei n v e h i a l ec a nn e t w o r kr e s e a r c h p l a t f o r mt h r o u g hg l o b a lt i m e - o u tm o n i t o r i n g u n d e rt h es u p p o r to fi n d i r e c tn mc o u n t e r m a n a g e m e n ta n dc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n tf u n c t i o n sac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo f i n - v e h i c l en e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mi sd e v e l o p e dj no r d e l - t oo b t a i nt h en e t l da n d n o d e i d a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n f i g u r a t i o na n de x t e n s i o nc o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o no f t h e m o n i t o r e dn o d e sf i n a l l y v e r i f i e dt h em a i nf u n c t i o n a l i t i e so ft h et n d i r e e tn ml nv e h i c l e n e t w o r km a i a g e m e n ts 3 ，s t e ma n dt h ev a l i d i l yo fm o n i t o rt h et r a n s m i s s i o no fp e r i o d i c a p p l i c a t i o nm e s s a g e si nn e t w o r kt h r o u g ht h ea n a l y sso f e x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k0 s e k f v d xi n d i r e c tn mi n - v e h i c l en e t w o r k m a n a g e m e n t 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 l l 言 1 2 车载网络技术的发展现状 l l2 l 车载通信技术的发展 一1 12 2 主流车载总线协议溉述2 3c a n 总线协议的发展现状， 3 13 1c a n 总线协议的提出与发展 3 132c a n 总线协议的描述 4 i33c a n 总线协议的网络特性 5 4o s e k ，v d x 体系的提出与发展 6 14 1o s e k v d x 组织 6 l42o s e k v d x 规范的体系 6 i4 3 国内外研究现状 7 5 基于间接n m 机制的车载网络管理系统 7 6 全文的整体结构安排 8 第二章c a n 网络车载网络管理系统的设计1 0 2 1 车载网络管理系统的内部状态 1 0 2 1 1 间接n m 的内部状态及其相关功能 1 0 2 l2 操作模式 1 2 2 l3 车载网络管理系统的内部状态设计 l3 2 , 2 车载网络管理系统的监控机制 1 4 22 1 节点的状态与配置信息管理 1 4 2 22 间接n m 的监控机制及其基本原理 1 5 2 23 车载c a n 网络应用报文的监控 1 7 2 24 计数器的管理方式 1 s 23扩展配置信息的识别算法 1 9 2 4 小结 一 2 3 第三章c a n 网络车载网络管理系统的实现。2 4 31 车载c a n 网络研究平台的硬件实现 1 5 3 1 1c a n 节点硬件设计 2 5 3 1 2c a n 节点通信参数设置 一2 6 32 车载网络管理系统的软件实现 3 2 1c a n 节点的初始化设置 2 8 322 周期性应用报文监控的实现2 9 32 _ 3 中断服务程序的伪代码实现 3 2 3 , 3 车载网络管理系统通信协议的制定 3 3 3 _ 3 1c a n 总线的扩展数据帧格式 ” 3 32 网络管理系统协议格式 3 5 3 4 小结 第四章车载网络管理系统实验与数据分析 41 周期性应用报文监控的实现 3 8 4 1 1 应用报文的超时监控 3 8 4 l2 应用报文的周期传输监控4 0 4 2 多节点监控的实现4 2 第五章工作总结与研究展望 5 1 本文的主要工作 4 6 52 研究工作的现实意义 4 6 5 3 研究工作的展望一 致谢 参考文献 4 7 4 8 4 9 11 引言 第一章绪论 随着以计算机技术与微电子技术为依托的汽车电子产业的兴起由电拉单元组成 的车载网络在车辆中所实现的功能日益强大。为了使用户在享受车载网络所带来的舒 适体验的同时，确保车辆中控制系统的安全性与可靠性车载网络管理系统的研发已 经获得了相关领域内较为广泛的关注。本文的研究着眼于目前已在汽车工业领域内获 得广泛应用的车载c a n 网络系统探讨了遵循o s e k v d x n m 规范的间接n m 机制， 在车载c a n 网络系统中开发车裁网络管理系统的可行性，以期实现对车载网络系统中 周期性应用报文估输的监控。首先，从间接n m 机制的基本概念与工作原理入手，抽 取了与实现对周期性应用报文监控直接相关的部分拟定了车载网络管理系统的设计 方案。其次，通过设计各项实验以实现间接n m 机制相关功能的同时，不断修正并深 化了对其基本概念与实现原理的理解。最终通过对相关实验结果的分析验证了对 间接n m 机制理解的正确性。本文所设计的车载网络管理系统，在遵循o s e i c d v d xn m 规范间接n m 机制的前提下实现了对网络系统中周期性应用报文的发送监控，并已 应用于车载实验c a n 网络中。 1 2 车载网络技术的发展现状 121 车载通信技术的发展 目前，汽车电子产业除了需要为车辆的基本操纵需求提供必要保障之外，还需不 断地开发各项新的功能，以应对用户在安全性、舒适性与环境友好性等方面对车辆性 能不断提高的要求。在这种趋势的推动下，不久的将来，车辆将成为具有个人电脑终 端或相关娱乐设备的全部典型应用功能的载体【l i 。其将有望成为消费类电子产品中的一 员，而不再作为简单的交通工具存在口】。 自二十世纪7 0 年代以来，车辆中电子设备的数量即开始以指数的形式增长，并逐 步取代了单纯的机械或液压系统来完成相关的操作p 。电子设备在通过其硬件基础为用 户提供优异的服务性能与可靠性保障的同时通过软件技术支持了用户所需的复杂功 能的开发与实现。其在汽车工业领域内的大规模应用既为用户宦i 造了更为舒适、便 捷的驾驶环境也相应提升了车辆的安全性：一方面，电子设备可通过诸如防抱死制 动系统( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ，a b s ) 、电子车身稳定系统( e l e c t r o n i cs t a b i l i t y p r o g r a m ，e s p ) 、电子助力转向( e l e c t r o n i c p o w e rs t e e r i n g ，e p s ) 、引擎控制等与转向、 牵引或制动相关的功能辅助用户驾驶：另一方面，其可统一管理对车身中车灯、雨刷、 车门、车窗等设备的控制。 在汽车电子产业发展的早期，它所实现的每一项新的功能都是通过由微控制器 ( m i c r oc o n t r o lu n i t ，m c u ) 与一组传感器或执行器所组成的独立于系统来实现的， 该子系统称为电控单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t e c u ) 。然而t 随着用户对于车辆性 能不断提高的要求e c u 在车辆中所应用的领域也迅速扩展。面对车辆中需要若干分 布式的e c u 通过信息共享与数据交互所共同实现的功能，该方案报快在实际应用中被 证明难以满足汽车电子工业对于分布式的e c u 间信息交互的需求”1 。例如，车辆在转向 过程中需要通过引擎控制器或车轮转速传感器来估算车辆的速度，以达到更好的转向 效果。在目前投入量产的各款高档轿车中e c u 的数量普遍已超过7 7 0 个，而各e c u 为实现信息交互所交换的信号种类也突破t 2 5 0 0 余种h 】。因此汽车电子工业采用了点 对点的通信链路以支持各e c u 间的信息交互而该方案的应用也一宣延续至二十世纪 9 0 年代初。 然而根据计算机网络理论，当车辆中所应用的e c u 数量为n 时，为实现各e c u 间 点对点的联接方案，车辆中需要建立n ( n 一1 ) 2 条通信链路以支持任意两个e c u 间互联 的实现口1 。因此，随着车辆中所应用的e c u 数量的增加出于对车身重量、车内空问、 车辆成本控制，以及由于链路中大量使用的线束与接头所引入的链路复杂性与可靠性 等问题的考虑该方案的继续应用难以为继删。这推动了二十世纪9 0 年代末出现的以共 享通信介质为基础的复用通信技术即车载总线技术及其所对应的车载总线协议的发 展与繁荣。 22 主流车载总线协议概述 在众多的车载总线协议中，局部连接网络( l o c a l i n t e r c o n n e c t n e t w o r k l i n ) 、控 制器局域网( c o n t r o l l e r a ”a n e t w o r k ，c a n ) 、f l e x r a y 、面向媒体的系统传输( m e d i a o r i e n t e ds y s t e m t r a n s p o r t ，m o s t ) 等几款车载总线协议，分别囡其面向汽车电子工业 领域内不同应用需求的特点，提出了较为成熟、规范的解决方案，从而获得了较为广 泛地应用与关注。下面，将通过对这几款车载总线协议特性与相关应用环境的简要介 绍。概述车载网络不同于其他网络的特点及其应用价值： l i n 总线协议是由戴姆勒一克莱斯勒，大众、奥迪、宝马、沃尔沃几家欧洲的主要 汽车厂商与摩托罗拉、博世电子公司在二十世纪9 0 年代束所共同开发的低成本、单 线式、串行车载总线协议。目标是开发一种低速总线的技术标准，以应用于无需c a n 总线协议所提供的带宽与功能即可满足的网络环境即汽车工程人员协会 ( s o c i e t yo f a m o m o t i v ee n 譬i r i c e r s ，s a e ) 所定义的a 娄网络。标准的l i n 网络包括一 个主节点与若干个从节点。其通信带宽较窄，在考虑电磁干扰( e l e c t r om a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，e m i ) 的情况下，物理层数据传输速率的上限仅为2 0 k b p s 。l i n 总线协议 主要应用领域为车门、车窗、车灯、空调、座椅、i ；i 刷等车身中的电控装置1 7 1 。 c a n 总线协议是由博世公司在二十世纪8 0 年代中期开发的，用以减少车辆中所 应用的e c u 问线束使用数量的车载总线协议。其也是到目前为止，已获得最为广泛应 用的一款车载总线协议。其既可应用于网络环境属于s a e 所定义的c 类网络支持数 据传输速率为2 5 0 k b p s - l m b p s 的高速数据传输：也可应用于网络环境属于s a e 所定义 的b 类网络，支持数据传输速率为1 2 5 k b p s 左右的低速数据传输。其中前者的主要 应用范围为车辆传动系统与底盘中的，如发动机控制、悬架控制、a b s 等实时控制系 统：后者主要的应用范围为车身中的如安全气囊、仪表显示与故障诊断等模块的控 制闻。 f l e x r a y 总线协议是由宝马、博世、戴姆勒克莱斯勒、通用汽车、大众、摩托罗 拉与飞利浦等众多汽车产业与汽车电子产业领域内的主要公司所共同开发的新一代车 载总线协议。f l e x r a y 总线协议支持灵活的拓扑结构设置其所支持的拓扑结构包括总 线型、星型或多星型。当其使用单通道进行数据传输时，最高的数据传输速率可达 1 0 m b p s ；而当其采用双通道进行数据传输时，最高的数据传输速率则可达到2 0 m b p s 。 在仅用一条通道进行数据传输时，另一条通道所提供传输带宽冗余可保证数据传输的 可靠性。f l e x r a y 总线协议通过采用时分多址复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t d m a ) 技术的静态数据段与采用柔性时分多址复用( f l e x i b l et i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，f t d m a ) 技术的动态数据段可有效支持时间触发与事件触技的两种通信方 式实现同步数据与异步数据的分别传输。其在保证固定时间内数据传输的成功率与 稳定性的同时，还兼顾了突发数据传输的实时性吲。 m o s t 总线协议是由m o s t 台作组织为配合需要高速数据传输速率支持的车载娱 乐多媒体系统的研发在1 9 9 8 年开始开发的车载总线协议。其提供了点对点的音频与 视频数据的传输功能，支持用户对音响、视频播放器以及g p s 导航等多媒体娱乐与 驾驶辅助设备的应用，m o s t 车载总线协议按其可提供的不同数据传输速率的支持可 分为m o s t 2 5 、m o s t 5 0 与m o s t l 5 0 版本其数据传输速率分别为2 5 m b p s 、5 0 m b p s 与1 5 0 m b p s 。其中，m o s t 5 0 与m o s t l 5 0 版本车载总线协议的物理层可由塑料光纤 ( p l a s t i co p t i c a lf i b e r ，p o f ) 提供传输支持，与传统的双绞线相比，塑料光纤具有更 好的抗e m i 特性与更高数据传输速率l l i 。然而。基于多媒体流数据传输应用而开发的 m o s t 总线协议通常采用环型的拓扑结构某一环节的故障会直接导致整个网络连接 的中断及总线工作的停止。困此，目前m o s t 总线协议不适用于非动力系统或安全系 统中的应用】。 13 c a n 总线协议的发展现状 131c a n 总线协议的提出与发展 截止到二十世纪8 0 年代初，世界范围内的汽车工业仍为缺乏一款具有行业针对性 的网络执议而困扰。为此，博世公司的工程人员展开了在汽车电子领域内应用已有 成熟技术支持的串行总线通信系统的尝试。从1 9 8 3 年起，博世公司开始了一款针对车 载应用领域的全新的串行总线通信系统立项开发。应用于该串行总线通信系统的网络 协议增加了新的功能，以解决车载应用领域不同于其他网络环境的需求着力减少了 车内的线束用量。此后，梅赛德斯奔驰公司与英特尔公司也先后加入到了这款全新的 串行总线通信系统规范的制定中来。 在1 9 8 6 年2 月召开的s a e 大会上，博世公司正式提出了其称之为“汽车串行控 制器局域网( a u t o m o t i v es e r i a lc o n t o r l l e r a r e a n e t w o r k ) ”的全新的车载串行总线通信 系统c a n 。尽管随着汽车电子产业的蓬勃发展不同的汽车厂商与相关的合作组 织为满足车载应用领域内新的需求，相继提出了众多车载总线协议但c a n 作为全球 范围内唯一具有国际标准的车载总线协议，仍在汽车产业中具有着广泛的影响力与发 展空间。如今，几乎每一辆在欧洲生产的轿车都至少装配有一个由c a n 总线通信系统 所组成的车载网络而车载应用也仅是其遍及工业控制领域的诸多应用中的一种i i 。 二十世纪9 0 年代初，博世公司开始将其所提出的c a n 规范( 2 0 版) 申请作为国 际标准的努力。并在1 9 9 3 年公布了c a n 总线协议的i s 0 1 1 8 9 8 与i s o i l 5 1 9 标准，其 中定义了c a n 总线协议物理层的最高数据传输速率为1 m b p s 。此后，相继公布的有 l s o l l 5 1 9 2 、i s 0 1 1 8 9 8 2 与i s o i l 8 9 8 3 等c a n 总线协议标准，这些标准对c a n 总线 协议数据传输时可能出现的错误处理方式进行了标准化，并加入了对具有2 9 位扩展标 识符的扩展数据帧的相关描述，从而进一步完善了c a n 总线协议的体系”“。 32c a n 总线协议的描述 根据i s 0 ，o s i 网络分层模型，c a n 网络由上至下可分为应用层、数据链路层与物理 层而数据链路层又包括逻辑链路控制子层( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，l l c ) 与介质接入 控制于层( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 m a c ) u 4 1 oc a n 总线协议分别定义了数据链路层 与物理层标准。 c a n 网络采用多主的工作方式，网络中的各节点均可在任意时刻主动地向其他节 点发送信息，其通过广播的通信方式支持点对点和一点对多点的数据传输| 【”。传输信 息所使用的数据帧包括帧起始、仲裁域、控制域、数据域、c r c 域、应答域、帧结尾。 c a n 总线协议的m a c 层采用的是载波侦听多路访问冲突检测( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n c s m a c a ) 机制。联入网络的各节点通过 侦听总线的活动以确定是否可以传输报文：当总线被己有的数据传输活动所占用时， 存在报文传输请求的节点将继续等待；而当确定总线未被数据传输活动所占用时，存 在报文传输请求的节点则可通过总线进行报文的传输。当总线未被数据传输活动所占 用时同一时刻若c a n 网络中仅有一个节点存在报文的传输请求则该节点的报文将 直接获得传输：若有多个节点均存在报文传输请求，此时将发生冲突。为避免冲突的 发生c a n 总线协议采用非破坏仲裁机制。该机制通过i d ( 标识符) 为报文分配了不 同的优先级，i d 越小表示报文的优先级越高当多个节点同时存在报文的传输请求时 c a n 总线协议将以比特为单位对各节点所传输报文的i d 进行仲裁。优先级较低的报文 会主动退出传输而具有最高优先级的报文则可以不受影响地继续传输”7 1 c a n 总线 协议通过该机制有效地节省了总线冲突仲裁的时间。 c a n 总线协议采用了较为独特寻址机制c a n 网络中所传输的报文不是通过其1 d 来表明其源节点或寻址到目的节点的而是根据其事先所确定的i d 被网络中的各节点 选择性地接收。为实现该机制c a n 网络需要通过对报文l d 及相应节点过滤寄存器与 屏蔽寄存器的匹配设置，以过滤报文的方式实现点对点、一点对多点以及全局广播几 种不同的通信方式。 此外，c a n 总线协议还具有错误检测功能与错误通知功能可以在检测出错误后 立即向其他节点发送出错通知。为判别错误的种类，其珏设有多种错误分类检测机制。 c a n 总线上出现的故障大体可分为：总线上所传输的数据临时出现的错误与总线上所 传输的数据连续出现的错误：前者的出现主要来自于外部的干扰，而后者的出现则往 往是由节点的软件错误或相关硬件设备的故障所引起的。当c a n 总线上所传输的数据 连续出现错误时，故障节点将通过其错误处理机制自行关闭其发送功能，以确保总线 上其他节点的正常通信不受影响地继续进行。此时c a n 总线协议所具备错误还原功 能，将在出现以上情况后不断重新启动c a n 节点的传输功能，以恢复其报文的传输 功能。 33c a n 总线协议的网络特性 c a n 总线协议具有独特的结构，其设计运用了多项新技术以保证数据通信具有的 可靠性、实时性与灵活性。应用c a n 总线协议的串行总线通信系统其网络的主要特 性可概括如下： 1 c a n 网络的数据传输速率受其直接通信距离的影响，当其直接通信距离最远为1 0 k i n 时，c a n 总线的最低数据传输速率仅能维持在5 k b p s 以下：而当其直接通信距离最远不 超过4 0 m 时，c a n 总线的晟高数据传输速率可达l m b p s 。且同一c a n 网络内部的数据传 输速率必须统一否则无法实现通信。 2c a n 网络在理论上可连接的e c u 数量是没有限制的，但在实际应用中其可连接的 e c u 数量往往会受到总线传输延迟与电负荷的限制。若降低数据传输速率，c a n 网络 中可有效联入的节点数量将会增加；反之若提高数据传输速率，c a n 网络中可有效联 入的节点数量将减少。 3 c a n 网络将相关数据的循环冗余校验码( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c r c ) 与报文 一同传输以提供良好的检错效果。此外，由于较短的帧结构报文在其短暂的传输 时间内因受到e m i 影响而产生误码的机率也相对较低。 14o s e k v d x 体系的提出与发展 41 o s e k v d x 组织 车载网络系统的设计通常基于分布式系统理论，以避免网络中的某些通信链路承 受过于集中的网络负载，以及某些节点承担过于集中的处理任务。同时作为实时安 全系统车载网络系统的可靠性也必顽得到有效保障。因此，旨在确保车载网络系 统的可靠性并可维护其健壮性的相关技术标准，及其相应实现规范的提出与应用就显 得尤为重要。 o s e k 即德文“翻译为汽车电子类的开放式操作系统与其相应的接口标准”首字 母的缩写。1 9 9 3 年5 月戴姆勒克莱斯勒公司的前身戴姆勒- 奔驰公司与宝马、欧宝、 大众、博世、西门子等多家德国著名的汽车厂商与电子公司，咀及k a r l s r u h e 大学的工 业信息技术学院联手启动了该标准的开发工作。而法国著明的汽车厂商标志与雪铁龙 公司为了解决相同的问题，也于此时启动了车载分布式执行标准( v e h i c l ed i s t r i b u t e d e x e c u t i v e ，v d x ) 的开发工作。最终，两者在1 9 9 4 年合并成为o s e k v d x 组织t 并 通过o s e k v d x 指导委员会，以指导该组织内的成员制定相关的技术标准。 142o s e k v d x 规范的体系 o s e k f v d x 技术标准的制定是汽车工业领域内的一项台作计划，其体系内包括操 作系统( o p e r a t i n gs y s t e m o s ) 、通信( c o m m t m i c a t i o n c o m ) 、网络管理( n c t w o r k m a n a g e m e n t n m ) 三个部分的开发规范与其实现语言( i m p l e m e n t a t i o n l a n g u a g e ，o i l ) 。 该技术标准旨在为车载网络系统控制单元建立开放式结构的工业标准并为此分别针 对实现通信与网络管理功能的实时操作系统、软件接口及相应模块进行了系统的定义 9 i 。下面，将对o s e k v d x 技术标准中各个部分的规范加以简要的介绍： o s e k n d xo s 规范为车载网络管理系统定义了一种功能基于基本任务优先级的 实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，r t o s ) 1 2 0 lo 其所定义的应用程序接1 2 ( a p p c a d o np r o g r m n m i n gi n t e r f a c e ，a p i ) 支持，如任务管理、资源管理、中断服务 程序( i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e s ，i s r ) 管理、事件管理、计数器管理与计时管理等一 系列服务“。 o s e k n d xc o m 规范为车载网络系统定义了标准的数据传输接口，以及其在所 应用的网络环境中针对不同车载总线协议与硬件设备的扩展性口j 。此外，其还提供了 用支持诸如周期性传输报文、错误通知等功能的实用功能模块的开发标准。 o s e k v d xn m 规范为车载网络管理系统定义了标准化的功能及其接口，以此为 网络管理机制与车载网络的有机融合提供了可靠保障。o s e k v d xn m 可分别通过直 接n m 与间接n m 这两种可选的网络管理机制，为e c u 间信息交互的安全性提供可靠 的保障口l 。直接n m 通过专用的网络管理报文实现对车载网络的直接监控与间接n m 相比其所提供的网络状态信息更加精确，但其的应用也会为网络带来更高的负载。因 此，直接n m 通常用于对实时网络系统或规模较小的网络系统的监控。间接n m 通过 监控车载网络中周期性应用报文的传输来实现对网络的监控，监控过程无需使用专f j 的网络管理报文，其所提供的网络状态信息不如直接n m 精确，但其应用为阐络带来 的负载较低。因此，间接n m 通常用于对e c u 数量较多的规模较大的实时网络系统的 监控。 为保证o s e k v d x 技术标准中各部分开发工作的一致性，o s e k v d x 体系内部 各部分开发规范中所涉及的所有对象都必须通过o i l 来定义”，如任务、计时与i s r 等o s e k v d xo s 对象以及c o m 与n m 中的其他对氖。 43 国内外研究现状 国内针对o s e k i v d xn m 规范的相关研宄主要有；文献口“分析了o s e k j v d x 体 系内部的o s 规范与c o m 规范中同n m 规范相关的部分，根据n m 机制的功能与规则 设计了n m 消息的处理方式与网络站点处理睡眠的方法：文献堵重探讨了车载c a n 网络中基于o s e k v d x 规范直接n m 的车载网络管理系统的实现，并介绍了其通过车 载网关与远程控制服务器的通信过程。文献口“提出了一种改进的o s e k v d xn m 状态 转换方注，剔除或合并了冗余的节点状态，从而有效减少了系统初始化过程的相应时 间。文献1 2 7 悝出了种o s e k v d x n m 中间接n m 机制监督帧的设计与实现方法：文 献【2 8 着重探讨了通过o s e k j v d x n m 规范中间接n m 机制所实现的网络故障检测并 介绍了车载c a n 网络与远程故障诊断服务器的信息交互。 文献【驯介绍一种无需操作系统支持的o s e k v d x 规范的直接n m 机制的实现方 法。文献1 3 0 - 3 2 1 分析了o s e k v d x n m 规范中直接n m 与间接n m 分别应用于c a n 网 络与l i n 网络时，相应的网络负载与响应时间方面的不同特性。 15 基于间接洲机制的车载网络管理系统 如前所述o s e k v d xn m 规范为网络管理系统的实现提供了两种可选的机制： 通过监控车载网络中周期性应用报文的传输所实现的间接n m 与通过使用专用的网络 管理报文所实现的直接n m 。在目前的实际应用中车载网络作为包含了众多e c u 的 大规模网络其网络通信中存在着大量的为实现对电子设备中e c u 的控制而频繁出 现的应用报文传输，且周期性传输的应用报文传输构成了网络通信的主体。因此，车 载网络在很大程度上符合间接n m 应用对网络环境的要求。 在车载网络中，每个用于采集车辆状态信息的e c u ，对于驾驶车辆的用户来说都 起着举足轻重的作用。因此，o s e k v d x 间接n m 机制的首要任务是不断地监控并评估 负责采集车辆状态信息的每个e c u 当前所处的状态，从而为实时正确显示车裁的状态 信息提供安全性与可靠性的保障。 本文所做研究的最终目标，是在所搭建的车载c a n 网络研究平台上，实现并验证 基于o s e k f v d x n m 规范间接n m 机制开发的车载网络管理系统的主要功能。使数字 仪表在接收与处理各车辆状态信息采集节点发送的车辆状态信息的同时，也可较为实 时地监控各节点的状态从而及时识别车辆状态信息的缺失与节点故障t 并做出适当 处理或告知用户。鉴于车载c a n 网络较大的网络规模、数量众多的e c u 间频繁的信 息交互其对c a n 总线所承受网络负载与其信息交互的实时性有着极为严格的限制。 相比o s e i c d v d xn m 规范中的直接n m 机制的相关应用所带来的较重的网络负载增 量，可能对车载网络信息交互的实时性与安全性造成的影响，间接n m 机制的引入能 更好地兼顾二者之间的关系。车辆启动后车载c a n 网络中的各节点即开始其相关的 应用通信间接n m 在此过程中需对总线上周期性传输的应用报文进行监控，通过及 时更新的各节点的配置信息与扩展配置信息对节点的状态做出判断。 首先设计井实现车裁c a n 网络的研宄平台，实现该平台中c a n 节点间的基本 通信功能。以此为基础编写并调试能够在单一节点上实现o s e k v d x n m 规范中间接 n m 机制基本状态转换功能的程序框架，并以模块化的程序设计实现与间接n m 机制 实现相关的主要功能如较为典型的计时器计时的操作、计数器计数的操作与配置信 息更新等功能：其i j = ，通过两个节点间周期性传输的应用报文，调试并完善节点内部 间接n m 机制的实现细节，如根据间接n m 机制中n e t l d 、n o d e l d 与节点相关状态的 参数定义符台问接n m 机制的通信需求并可反映当前网络状态的应用报文格式；最 后，在由两个节点的应用报文通信中引入更多的节点，以进一步验证间接n m 机制的 实现细节以便实现o s e k v d x 规范中间接n m 机制在车载网络中的应用要求。 1 6 全文的整体结构安排 第一章绪论，简要介绍了车载通信技术的发展历程及车裁网络技术的提出与发展 现状：重点介绍c a n 总线协议与o s e k v d x 体系的提出与发展现状，分析了 o s e k n d x n m 规范的间接n m 机制对所应用的网络环境的要求，阐述了将其应用于 车戟网络的可行性，提出了本文研究思路与实验方法。 第二章c a n 网络车载网络管理系统的设计，给出了车载c a n 网络基于 o s e k v d x 规范问接n m 机制的网络管理系统的设计开发方案。其中，第一节对比 o s e k v d x n m 规范中关于间接n m 机制内部状态的描述提出了在将该机制实际应 用于c a n 网络的过程应作出的调整。第二节着重叙述了间接n m 机制的主要原理与相 关算法的运行机制。 第三章c a n 网络车载网络管理系统的实现，介绍了车载c a n 网络管理系统的实 现细节。第一节介绍了车载c a n 网络研究平台中c a n 节点的硬件设计与实现方案。 第二节重点对车载网络管理系统软件的实现进行了详细说明通过中断服务程序的伪 代码描述了间接n m 机制相关功能实现。第三节则根据c a n 总线协议的具体应用情况 定义了符合间接n m 机制的通信需求井可反映当前网络状态的应用报文格式。 第四章车载网络管理系统的实现介绍了为验证车载c a n 网络基于o s e k v d x 规范间接n m 机制的网络管理系统相关机制的具体实现而设计实验的方案t 并对实验 数据进行了细致的分析，从而得出车载网络管理系统相关功能实现的结论。 第五章总结与展望总结为实现本文目标所做研究与实验工作后，对本文所述的 研宄成果在未来相关领域内的发展前景做出了展望。 第二章0 a n 网络车载网络管理系统的设计 随着用户对于车载网络信息交互的实时性与控制操作的安全性需求的不断提高t 车载网络管理系统的研发与应用迫在眉睫。然而，考虑到系统设计方面的相关因素 某些硬件环境相对简单的网络系统由于无法提供支持o s e k j v d x 规范中直接n m 机制 所需的系统资源。因而无法实现通过专用的网络管理报文进行的直接网络监控：而某 些具有实时响应特性的网络系统由于可通过其自身较为及时的信息反馈为信息交互 相提供相对完