（检测技术与自动化装置专业论文）基于canlin的智能车身网络系统的研究与设计.pdf

摘要 传统的汽车电控系统多采用独立模式控制，这使得车内线束过多 且布线复杂，从而造成了严重的电磁干扰，使系统的可靠性下降。采 用c a n l i n 总线技术可以简化线路，降低成本，提高各微处理器之 间的通信速度，降低故障率，使信息交换变得安全、迅捷、高效。 本文结合汽车车身网络技术的发展，研究并设计了一种基于 c a n l i n 总线技术的汽车车身网络控制系统。论文对车身网络常规 应用方案进行了深入的研究，在此基础上提出了一种带c a n l i n 专 用网关的车身网络系统，该网络由空调控制模块、c a n l i n 网关模 块、车门控制模块以及车灯控制模块等节点构成；该方案具有结构简 单、成本低和稳定性高的特点。论文完成了c a n l i n 网关硬件电路 和软件方案的设计，c a n l i n 网关在软硬件架构上采用了s a m s u n g 的基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 4 0 、独立的c a n 控制器和嵌入式操 作系统l i n u x ，并完成了c a n 控制电路板的制作和c a n 驱动程序的 设计及调试。论文给出了汽车车身网络车灯控制网络框图，车灯控制 网络节点采用了a t m e l 的8 9 c 5 2 系列单片机，并完成了车灯控制网 络节点电路板的制作和程序的调试。 本文所提出的基于c a n l i n 总线的车灯和门锁控制系统的解决 方案，对车身控制中的其他部分有着借鉴意义，为以后的仪表、车座、 雨刷等装置的控制提供了参考模型。总之，无论是从汽车模块化的发 展趋势上，还是从本身的可操作性上，c a n l i n 总线在汽车电子领 域都有着广阔的应用前景。 关键词汽车总线，c a n ，l i n ，a r m a bs t r a c t t h et r a d i t i o n a la u t o m o t i v ee l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m u s e da s t a n d a l o n em o d e w h i c hi n c r e a s e dt h ev e h i c l ew i r i n gh a m e s sa n dt h e c o m p l e x i t y , r e s u l t i n gi nas e v e r ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，s ot h a tt h e r e l i a b i l i t yo ft h es y s t e md e c r e a s e d t h eu s eo fc a n l i nb u sc a nb e s i m p l i f i e dt h ed e s i g n ，r e d u c ec o s t sa n di m p r o v ec o m m u n i c a t i o n ss p e e d b e t w e e nt h e m i c r o p r o c e s s o r sa n dr e d u c et h e f a i l u r er a t e ，s ot h e i n f o r m a t i o ne x c h a n g ec o u l db e c o m es a f e q u i c ka n de f f i c i e n t i nt h i st h e s i s ，c o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v eb o d y n e t w o r kt e c h n o l o g y , a na u t o m o b i l eb o d vs y s t e mb a s e do nc a n l i nb u s t e c h n o l o g yw a sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d a ni n t e n s i v es t u d yo ft h e c o n v e n t i o n a ln e t w o r ka p p l i c a t i o ns c h e m e sw a sm a d e ，ab o d yn e t w o r k s y s t e mw i t hd e d i c a t e dc a n l i ng a t e w a yw a sp r o p o s e d t h es y s t e m w a sm a d eo fa i r - c o n d i t i o n e rm o d u l e s ，g a t e w a ym o d u l e s ，d o o rm o d u l e s ， w i n d o wm o d u l e s ，l a m pm o d u l e s ，m i r r o rm o d u l e sa n de t c t h ep r o p o s e d s y s t e mh a dt h ea d v a n t a g eo fs i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s ta n dh i g hs t a b i l i t y ac a n l i ng a t e w a yh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nw a sc o m p l e t e d ，t h e c a n l i ng a t e w a ym o d u l ew a sb a s e do ns a m s u n g s $ 3 c 2 4 4 0 ，w h o s e c o r ei sa r m 9 2 0 t , i n d e p e n d e mc a nc o n t r o l l e ra n dt h ee m b e d d e dl i n u x t h ec a nc o n t r o lc i r c u i tb o a r dw a sd e s i g n e du l t i m a t e l ya n di t sd r i v e rw a s d e s i g n e da n dd e b u g g e d a c a rl i g h tc o n t r o ln e t w o r kd i a g r a mw e r eg i v e n ， a p p l i c a t i o nn o d eu s e d a t m e l s8 9 c 5 2s e r i e sm c ua st h en o d e s c o n t r o l l e r ，t h el i g h t s c i r c u i tb o a r dw a sd e s i g n e da n dt h es o f t w a r ew a s d e b u g g e d t h ep r o p o s e dd e s i g ns c h e m eo fac a rl i g h ta n dd o o rl o c kc o n t r o l s d i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nc a n l i nc a nb eu s e da sa r e f e r e n c em o d e lo f d e s i g n i n go t h e rb o d yc o n t r o ls y s t e m s ，f o re x a m p l e ，t h ed e s i g no ft h e i n s t r u m e n t a t i o n ，t h es e a t sa n dt h es c r e e nw i p e r se t c i naw o r d ，w h e t h e r o nt h ed e v e l o p i n gt r e n df o ra u t o m o b i l ee l e c t r o n i cm o d u l a r i z a t i o no rt h e o p e r a b i l i t yo fc a n f l i ni t s e l f , c a n l i nb u sh a sae x t e n s i v e r e s e a r c h f u t u r ei nt h ef i e l do fa u t o m o b i l ee l e c t r o n i c s k e yw o r d sv e h i c l eb u s ，c a n ，l ，a r m i i 原创性声明 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。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 晦签名：既肝暨 日期：埠年互月堡日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：最刚良导师签作者签名：啼删乳导师签 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论弟一旱硒比 随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，汽车上的电子控制单元越来越 多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置( a b s ) 、安全气囊装置、电控门窗 装置和主动悬架等。如果仍采用常规布线方式，即电线一端与开关相接，另一端 与用电设备相通，将导致车上电线数目的急剧增加，同时复杂电路也降低了汽车 可靠性，增加了维修难度【l 】。于是，c a n 总线应运而生。l i n 则是c a n 在低端 应用的延伸，是价格相对便宜且速度较慢的子网。通常状况下，电子控制装置通 过c a n 总线提供稳定、可靠的低成本网络连接，电机、开关、传感器和车灯等 则通过l i n 进行网络连接。事实上，在现代汽车中，采用总线的意义已远远超 出节省电线的范围，它己成为车内各零部件实施信息交互的标准接口。整车的总 线网络成为整车的电器平台，也就是说只要有总线存在，就可以在这个总线平台 上不断增加汽车的智能化零部件。总线技术促进了汽车智能化的发展。专家认 为，2 l 世纪的汽车电子控制将以网络技术为核心。 汽车网络根据数据类型和传输速率，分为汽车动力传动和安全与底盘控制系 统、车身电子控制系统、车载多媒体系统和故障诊断系统4 个子网络。车身电子 控制系统即车身网络系统【2 】，是汽车网络的一个重要分支，该系统可以实现控制 电动车门和车窗、加热设备和空调、车灯、遥控车门装置和防盗锁止等功能。其 目的是提高驾乘人员的安全性和舒适性、提供车身状况信息、提高导线利用率、 方便布线、简化故障诊断和维修。车身网络系统主要包括：组合仪表、信号及照 明灯、4 门集控锁、车身座椅、空调系统、车窗及后视镜等车身电子器件。同时， 可以利用网络减少配线的连接、减少电子设备等开发成本。 在计算机网络中，和星型、环型和混合型拓扑结构相比，总线结构的特点可 归纳为：通信距离短、子功能模块化功能较好、扩充性好和可靠性高等特点。总 线结构的这些特点迎合了车身网络系统的需要，所以作为总线网络里应用较为广 泛的应用总线，控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 和局部互联网络 l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 都成为现阶段的主流车身网络。车身网络已经 成为以c a n 为主导的网络，c a n 网络既可以连接发动机控制器、变速箱控制器、 防滑系统、传感器：也可以连接车灯组、电动车窗、雨刷等开关设备。其目前的 趋势是通过增强各个模块的功能来降低车身模块总数，以减少消费；通过改良搭 配环境减少线束，以改善车身的繁琐布局。由于l i n 的单线架构，可以进一步 减少汽车中的布线量、构造更简单的动力从而节省成本。所以可以把l i n 协议 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 用作c a n 协议的补充。在基于c a n 、l i n 的架构中，车身中控模块正在成为车 身网络管理的局部中央网关。此外，随着汽车开放系统架构( a u t o s 等软件 标准的推出，软件正变得越来越标准化。c a n 、l i n 的联合应用，为在车身网络 系统中实现混合网络的开发与应用，提供了广阔空间和现实意义。 i 2 汽车网络技术综述 1 2 1 汽车网络技术的分类 自1 9 8 0 年起，众多国际知名汽车公司开始积极致力于汽车网络技术的研究 及应用。汽车网络的使用解决了点对点式车身布线带来的问题，使车身布线趋于 规范化、标准化，降低了成本，增强了可靠性。迄今为止，已有b o s c h 的c a n ， s a e 的j 1 8 5 0 ，i s o 的v a n 、p h i l i p s 的d 2 b 、l i n 协会的l i n 等多种网络标准。 为方便研究和设计应用，s a e ( s o c i e t yo fa u t o m o t i v ee n g i n e e r ) 把车用网络分为 a ，b ，c ，d ，e 等类型【3 】，其中，a 类网为面向执行器、传感器的低速网络，l i n ， t t p a 为其主流协议：b 类网为面向数据共享的中速网络，其主流协议是c a n ( i s o1 1 8 9 8 3 ) ，s a ej 1 8 5 0 ，v a n 等协议。c 类网为面向实时控制的高速网络，其 主流协议为高速c a n ( i s 0 118 9 8 - 2 ) ，t t p 州c ( t i m e t r i g g e r e dp r o t o c 0 1 ) ，f l e xr a y 等协议；d 类网主要面向多媒体、导航系统等。目前该类网络的主流协议为： d 2 b ( d o m e s t i cd i g i t a lb u s ) 、m o s t ( m e d i ao r i e n t e ds y s t e m s t r a n s p o r t ) ；e 类网是 面向乘员安全系统的网络，主要应用于车辆被动安全性领域，该类网络的协议有 b y t e f l i g h t 等。 1 a 类网络 从目前的发展和使用情况来看( 如表1 1 所示) ，a 类网络【4 】的主要总线是 t t p a ( t i m et r i g g e r e dp r o t o c o l a ) 和l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 。 t t p a 协议最初由维也纳理工大学制定，为时间触发类型的网络协议，主要 应用于集成了智能变换器的实时现场总线。它具有标准的u a r t ，能自动识别加 入总线的主节点与从节点，节点在某段己知的时间内触发通信但不具备内部容错 功能。 l i n 是在19 9 9 年由欧洲汽车制造商a u d i ，b m w , v o l v o ，v o l k s w a g e n ，v c t 和 d a i m l e r c h r y s l e r 公司以及m o t o r o l a 公司组成的l i n 协会共同努力下推出的用于 汽车分布式电控系统的开放式、低成本串行通信标准，从2 0 0 3 年开始得到使用。 目前该协议有1 2 和2 0 两个版本。它采用s c i ，u a r t 等通用硬件接口，辅以 相应的驱动程序，因此适用面较广，且成本低廉，配置灵活，而且采用l i n 网 络能够提高汽车上分层多路复用网络的性能，降低汽车电子控制装置开发、生产 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 以及诊断服务的成本。l i n 将自身定位为c a n 等主流总线的辅助总线，主要用 于低速的车身电器控制。目前该协议应用开发的热点集中在美国、欧洲和日本， l i n 的应用存在着巨大的潜在市场，协议本身也会在不断应用中得到完善，它已 经广泛地被世界上大多数汽车公司以及零部件厂商所接受，有望成为a 类网络 中的世界标准。 表1 1a 类网络的使用情况 2 b 类网络 b 类网络【5 1 的使用情况如表1 2 所示。从目前来看，主要被应用的b 类总线 标准有三种：低速c a n ，j 1 8 5 0 和v a n 。 表1 - 2b 类网络的使用情况 1 9 9 4 年s a e 正式将j 1 8 5 0 作为b 类网络标准协议。最早，s a e j l 8 5 0 6 1 被用 在美国的f o r d ，g m 以及c h r y s l e r 公司所生产的汽车中。现在，j 1 8 5 0 协议作为诊 断和数据共享被广泛应用在汽车产品中。但是，j 1 8 5 0 并不是一个单一的标准， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 f o r d 采用的j 1 8 5 0 标准，其物理层与g m 和c h r y s l e r 公司使用的不同。而g m 和c h r y s l e r 公司在相同的物理层上又使用不同的数据帧格式，并且三个公司使用 各自的消息协议。该协议预计在2 0 0 7 年将停止使用，然后全部转至c a n 总线。 v a n 标准是i s o 于1 9 9 4 年6 月推出的，它基于i s 0 1 1 5 1 9 3 ，主要为法国汽 车公司所用j 。 在欧洲市场上，主流的汽车控制网络是c a n ，1 9 9 1 年首次在奔驰s 级轿车中 应用，同年b o s c h 公司正式颁布了c a n 技术规范2 0 a 和2 0 b 版本。1 9 9 3 年 1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具一数据信息交换一高速通信控制器局域 网( c a n ) 国际标准工s 0 1 1 8 9 8 ，为c a n 的标准化、规范化铺平了道路。此后， 越来越多的美国汽车公司开始采用c a n 网络。1 9 9 4 年美国汽车工程师协会选择 c a n 作为s a e j l 9 3 9 的基础。 c a n 属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术及独特的设计，与 一般通信总线相比，c a n 总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 可以肯定，c a n 总线凭借其优越的性能，必将成为b 类网络中的主流协议。 3 c 类网络 c 类标准【8 1 主要用于与汽车安全相关，以及实时性要求比较高的地方，如动 力系统，所以其传输速率比较高，通常在1 2 5 k b s 到1 m b s 之间，必须支持实时 的周期性的数据传输。目前，c 类网络中的主要协议包括高速c a n ( i s 0 11 8 9 8 - 2 ) 、 正在发展中的t t p c ，f l e x r a y 等协议，如表1 - 3 所示： 表1 - 3c 类网络的使用情况 t t p c 协议由维也纳理工大学研发，基于t d m a 的访问方式。t t p c 是一 个应用于分布式实时控制系统的完整的通信协议，它能够支持多种容错策略，提 供了容错的时间同步以及广泛的错误检测机制，同时还提供了节点的恢复和再整 合功能。其采用光纤传输的工程化样品速度将达到2 5 m b s 。t t p c 支持时间和 事件触发的数据传输。1 v r p 管理组织t t a o r o u p 成员包括奥迪、r e n a u l t ，n e c ， t t c h i p d e l p h i 等。 f l e x r a y 是b w m ，d a i m l e r c h r y s l e r ，m o t o r o l a 和p h i l i p s 等公司制定的功能 强大的通信网络协议，基于f t d m a 的确定性访问方式，具有容错功能及确定的 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 通信消息传输时间，同时支持事件触发与时间触发通信，具备高速率通信能力。 f l e x r a y 采用冗余备份的办法，并且对高速设备可以采用点对点方式与f l e x r a y 总线控制器连接，构成星型结构，对低速网络可以采用类似c a n 总线的方式连 接。 欧洲的汽车制造商基本上采用的都是高速c a n 总线标准1 8 0 11 8 9 8 。总线传 输速率通常在1 2 5 k b s 一1 m b s 之间。据s t r a t e g y a n a l y t i c s 公司统计，2 0 0 1 年用在 汽车上的c a n 节点数目超过l 亿个。然而，作为一种事件驱动型总线，现在的 c a n 无法为下一代线控系统提供所需的容错功能或带宽，因为x b y w i r e 系统 实时性和可靠性要求都很高，必须采用时间触发的通信协议，所以c a n 从诞生 以来一直处于发展之中，下一代的c a n 将支持x b y w i r e 系统。就目前来说， c a n 协议仍为c 类网络协议的主流。 4 多媒体网络 i d b c 是一种主要用于娱乐和信息交换的车载网络，发展较快。在理想状态 下，i d b c 不仅适合于远程信息处理，而且能当作一种通用的车载设备控制总线 使用，由于它结合了c a n 的技术，因此i d b c 引起了业界极大的关注。 m o s t 是专门用于汽车工业的多媒体光纤网络标准，此标准出现于1 9 9 8 年， 主要由汽车制造商和为汽车工业提供远程通信和信息处理技术的方案提供商开 发，包括a u d i 、b w m 、d a i m l e rc h r y s l e r 、h a r m a n b e c k e r 、m o t o r o l a 、o a s i ss i l i c o n s y s t e m s 、j o h n s o nc o n t r o l s 和d e l p h i d e l c o 。它的速率可达5 0 m b p s 。m o s t 网络 不仅提供很高的速度和性能，而且具有很好的鲁棒性，成本也相对较低。德国 b w m 目前在业界率先采用了m o s t 协议，d a i m l e rc h r y s l e r 等欧洲公司也计划 采用该协议，国内引进的某些a u d i 车型中已经使用了m o s t 总线。 5 车辆安全网络 用于车辆被动安全领域的网络协议如表1 - 4 所示。 表1 4 车辆被动安全领域的网络协议 总线名称用户备注 s a f e t y b u s b o t e p l a n e t d s i s i ( b y t e f l i g h t ) d e l p h i b o s c h - t e m i c p h i l i p s m o t o r o l a a m p b w m d e l p h i 唯一使用 l | | 也称i s i s ( i n t e l l i g e n ts a f e t yi n t e g r a t e ds y s t e m ) 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 这类网络主要用于面向乘员的安全系统，其中b y t e f l i g h t 是一种较为有前途 的安全网络协议。它是由b w m 、m o t o r o l a e l m o s 、i n f i n e o n 等公司针对应用在汽 车主动安全性、被动安全性及车身电子系统制定的网络通信协议。该网络的物理 介质为塑料光纤，可能的拓扑形式为星型、总线型等，数据传输速率最高可达 l o m b p s ，净传输速率可达51 0 m b p s ，完全可以满足下一代汽车在安全性领域的 要求。 1 2 2 嵌入式系统在汽车电子中的应用 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上p d a 、移动计算设 备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家 庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设 备、工业自动化仪表与医疗仪器等。 嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，广泛应用 于汽车电子。随着3 2 位微处理功能的不断提高、价格的不断下降、产品的不断 丰富，3 2 位计算在汽车上的应用是一个必然的趋势。a r m 微处理器是全球领先 的1 6 3 2 位嵌入式微处理器，被广泛应用于便携式通信产品，多媒体和嵌入式解 决方案等领域。汽车m c u 实际上处于一种支离破碎的状况，很多厂家的m c u 架构不相互兼容，这些不兼容的架构导致软件开发效率降低，开发成本提升和可 靠性下降，目前a r m 已经构建了完善的生态系统，涵盖了芯片设计、软件工具、 培训和设计支持的整个环节1 9 l ；预测m c u 的软件开发成本比例将从目前的9 上升到2 0 1 0 年的1 3 ，所以采用统一架构的m c u 有助于降低开发成本，提升 利润空间。 在所有的操作系统中，l i n u x 是发展最快，应用最广泛的。l i n u x 的种种特 性使它成为嵌入式开发的首选，在进入市场的前两年中，嵌入式l i n u x 的设计通 过广泛应用而获得了巨大成功。 1 3 目前国内外研究现状 上世纪9 0 年代初，总线技术开始在汽车中应用，如今该项技术已经成为现 代汽车的标准技术，几乎所有的车都开始采用c a n l i n 总线。国内在汽车上应 用c a n 总线网络技术还不多，上海大众、一汽大众、安徽奇瑞的最新轿车中采 用了c a n 总线技术，如上海大众生产的p o l o 经济型轿车应用了1 3 个c a n 总线 控制节点，一汽集团生产的a u d i a 4 采用了3 条c a n 总线网络，奇瑞a 5 2 0 、一 汽宝来等车上也应用了c a n 总线。但这些技术和产品的知识产权在国外，国内 还没有自主知识产权的成熟产品，基本上是直接引进国外著名汽车电子供应商如 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 b o s c h 、日本电装、d e l p h i 等公司的产品。对于我国来说，由于国内汽车制造和 零部件的发展水平不平衡。虽然合资品牌和自主品牌的量产车大都采用了 c a n l i n ，但由于国内零部件配套体系在电器零部件，特别是在智能零部件上的 弱势，国内真正自主研发的具有总线接口的零部件在量产车中( 年产量超过1 万 辆以上的) 几乎没有【l0 。为缩短同国外汽车技术间的差距，提高自身的竞争力， 单纯靠技术引进不利于长期发展，消化、吸收、研究和开发具有自主知识产权的 汽车网络技术及应用系统己势在必行。目前，国内在整车网络体系构建、消息接 口规范等方面的研究才刚刚起步，中国汽车技术研究中心、清华大学、北京航空 航天大学等单位在c a n 控制局域网络方面开展了一些研究，但离发达国家现有 的技术水平还有一定差距l 。车用统一软件平台下的软件开发及协议芯片的开发 制造上还处于探索的初级阶段，从实验室走进车间还得经过相当长的时间。 在国外，许多国际化的汽车公司早在8 0 年代就积极致力于汽车电子【1 2 】网络 技术的研究和应用。从1 9 9 2 年起，奔驰公司开始在他们的高级客车上使用c a n 技术。第一步，使用控制器通过c a n 对发动机进行管理：第二步，使用控制器 接收人们的操作信号。也就是使用了两个物理层上独立的c a n 总线系统，它们 之间通过网关进行连接通信。现在，继v o l v o ，s a a b ，v o l k s w a g e n ，b m w 之后， r e n a u l t 和f i a t 也开始在他们的汽车上使用c a n 总线l l3 。在欧洲，几乎每一辆 新客车上均装配有c a n 控制网络。同时c a n 总线自其诞生以来，以其独特的 设计思想、优良的性能和极高的可靠性受到工业界的重视。在国外，尤其是美国 和欧洲，c a n 已经被广泛应用于汽车、火车、轮船、机器人、机械制造、数控 机床、纺织机械、医疗机械、农用机械、传感器和自动化仪表等领域。尽管c a n 协议已经有将近2 0 年的历史，但它仍处于改进之中。从2 0 0 0 年开始，一个由数 家公司组成的i s o 组织定义了一种时间触发c a n 报文传输的协议。b e m dm u e l l e r 博士、t h o m a sf u e h r e r 、b o s c h 公司人员和半导体专家、学术研究专家将此协议 定义为时间触发通信的c a n 一一“t t c a n ，并计划将其标准化为i s o 1 1 8 9 8 4 。 这个c a n 的扩展己在硅片上实现，不仅可实现闭环控制下支持报文的时间触发 传输，而且可以实现c a n 的x - b y w i r e 应用。因为c a n 协议并未改变，所以在 同一物理层上，既可以实现传输时间触发的报文，也可实现传输事件触发的报文 1 1 4 j ，在国外c a n 应用层协议主要应用c a n o p e n ”j 。 c a n 是在汽车上应用最广泛的网络，而l i n 是近几年出现的一种低成本汽 车网络，两者在实际应用中不是竞争关系而是互补关系，c a n l i n 混合网络能 够在不影响网络性能的前提下降低网络成本。另外3 2 位m c u 的成本已经降低 了很多，有的甚至还低于1 6 位的m c u ，因此，基于a r m 的针对此两类总线进 行应用研究在目前有很大的意义。 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本文的主要工作 综上所述，c a n 已经成为目前汽车网络的主流，而且c a n 是目前唯一有国 标准的现场总线。l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 总线是一种新型的低成本 汽车车身网络系统，随着l i n 总线成功应用以及自身标准的不断完善，它成为 了车身电子网络串行通信中的新兴标准，代表了车身电子网络系统的发展方向之 一。本文的目的就是要采用c a n 与l i n 来设计一个车身网络系统，主要工作为： 1 车身c a n l i n 混合网络的研究与设计 通过对c a n 总线和l i n 总线网络拓扑结构的分析和研究，在车身网络系统 常规方案的基础上，设计一种成本低、结构简单和稳定性高的车身网络系统优化 方案。 2 c a n l i n 网关硬件电路设计及实现 通过对多种c a n l i n 网关硬件电路设计方案的分析和研究，选择一种可移 植性强，系统稳定性高和较强的处理能力的c a n l i n 网关硬件电路设计方案， 完成微控制器芯片的选择和外围电路的设计，并制作c a n 控制器电路板。 3 c a n l i n 网关软件设计及实现 根据应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗的要求，选择其中一种嵌 入式操作系统作为c a n l i n 网关系统的操作系统，并将其移植到网关微控制器 上，完成嵌入式软件开发平台的搭建；同时完成该操作系统下c a n 设备驱动程 序的编写和调试，满足后续应用层开发的需要。 4 基于c a n l i n 网关的车灯网络的设计及实现 通过对车灯控制网络的结构特点的分析和研究，提出车灯控制网络实现方 案，并完成车身网络车灯控制节点硬件电路板的制作、软件的设计和电路板的调 试。 8 中南大学硕士学位论文第二章车身c a n 几i n 混合网络的研究与设计 第二章车身c a n l i n 混合网络的研究与设计 2 1c a n 总线组网技术 2 1 1c a n 总线网络结构 c a n 总线是计算机网络的一种，也存在着形形色色的网络拓扑结构，这些 形状也可自由组合成为混合的拓扑网络结构。按照c a n 总线协议，c a n 总线可 以是任意拓扑结构的，但一般来说，主要有以下四种常见的的拓扑结构【1 6 】： 1 总线拓扑：这是c a n 总线的最基本的拓扑结构。总线拓扑结构由单根 电缆组成，该电缆连接网络中所有的节点。单根电缆称为总线，所有节点共享总 线的全部带宽。在总线网络中，当一个节点向另一个节点发送数据时，所有节点 都将被动的侦听该数据，只有目标节点接受并处理发送给它的数据后，其他节点 才忽略该数据。 2 环形拓扑：每个节点与最近的两个节点相连接以使整个网络形成一个环， 数据沿着环向一个方向发送。环中的每个节点如同一个能再生和发送信号的中继 器，它们接受环中传输的数据，再将其转发到下一个节点。 3 星形拓扑：网络中的每个节点通过一个中央设备，如集线器，连接在一 起，网络中的每个节点将数据发送到中央设备，再由中央设备将数据转发到目标 节点。 4 网状拓扑：每两个节点之间都是直接互联的，是最具容错性的结构，但 成本过高。 本设计中采用的c a n 总线拓扑结构是总线型的。在节点数量不多的情况下， 选择总线型的网络的优势在于比较容易实现，组建成本低，可以在总线上添加节 点而无须对其他节点做大的改动。 2 1 2c a n 总线组网形式 c a n 总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络i l ，隶属 于控制网络的范畴。c a n 是多主发送的网络结构，是一种对等网络，从c a n 的 角度无所谓主节点和从节点的概念，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动 地向网络上的其他节点发送信息，具有优先级仲裁功能。但在有些具体的应用中， 为了系统的可靠性以及整体设计的考虑，会区分出主节点与从节点。c a n 总线 控制系统的一般结构如图2 1 所示。 9 中南大学硕士学位论文第二章车身c a n l i n 混合网络的研究与设计 i 鞘ii 鬻l i 鬻i1 人嚣li 检刮 llilii 1 1 人嚣ll 嚣| 鬻ll 鬻ll 鬻1 - - 鬻ll 网关i i 其他网络l l 图2 - 1c a n 总线控制系统的一般结构 从控制系统角度来看，最小的控制系统是一个单回路的简单的闭环控制系统 一由一个控制器、一个传感器和一个执行器组成。以c a n 为基础的网络控制系 统也可以由多个互不相关的控制回路组成，而它们共享一个控制网络一c a n 总 线。从现场总线控制系统的概念来说，传感器节点、执行器节点都可以集成控制 器，即所谓的智能节点，这样就形成了真正分布式的网络控制系统。在汽车里的 总线节点大多数是传感、控制、执行为一体的智能节点【1 8 】。 2 2l i n 总线组网技术 l i n 总线是一个低成本的串行通信的汽车底层网络协议，其目的是实现一个 价格低廉、性能可靠的低速网，为现有的汽车网络( 如c a n 总线) 提供辅助功能。 l i n 的通信速率在2 0 k b p s 以下，属于汽车上的a 级网络。在不需要c a n 总线 的带宽和多功能的场合，比如智能传感器和制动装置之间的通讯，使用l i n 总 线可大大节省成本。 l i n 总线同c a n 总线相比成本降低，主要表现在以下几点： ( 1 ) l i n 节点问进行通信仅需要一根1 2 v 的信号线； ( 2 ) l 1 n 节点的成本远低于c a n 节点：每个l i n 节点仅需要一个收发器， 通信协议由于比较简单，所以可以通过软件实现，不需要额外的控制器；l i n 接 口基于u a r t s c i 串行口，几乎每个微控制器上都有此类接口，即便没有也可以 通过普通i o 用软件模拟实现。 ( 3 ) l i n 从节点不需要晶振或陶瓷振荡器就能实现自同步，节省了从设备 的硬件成本。 2 2 1 l i n 总线网络结构 1 0 中南大学硕士学位论文第二章车身c a n 几i n 混合网络的研究与设计 一个l 1 n 总线网络由一个主机节点和若干个从机节点组成。受总线物理特性 的限制，通常一个l i n 网络的节点数目小于1 2 个。每个l i n 节点由微处理器、 收发器以及传感执行部件组成。l i n 网络的基本结构如图2 2 所示。 图2 - 2l i n 网络的基本结构 2 2 2l i n 总线组网形式 l i n 总线主要应用在车身控制方面，节点主要分布在四个车门以及前面主面 板的车身控制模块( b c m ) 上。汽车上的l i n 网络组网可以采用单个l i n 网络、 多个l i n 网络和c a n l i n 混合网络【1 9 】的形式。 ( 1 ) 单个l i n 网络( 多个门节点) 在这类网络中，车身控制器模块( b c m ) 将通过单个l i n 网络与其它所有 节点相连。如图2 3 所示： 图2 - 3 单个l i n 网络的结构图 这类网络具有非常直接的结构体系，l i n 连接有效地取代了c a n 解决方案。 虽然l i n 协议最初是设计为对c a n 进行补充( 而不是替换c a n ) ，但是如上图 所示的连接可以实现一个简单的l i n 解决方案。 ( 2 ) 两个l i n 网络( 左边和右边) 为了克服单个l i n 网络的缺点，部分公司开始使用双l i n 网络。结构如图 中南大学硕士学位论文第二章车身c a n l i n 混合网络的研究与设计 2 4 所示： 图2 - 4两个l i n 网络的结构图 b c m 控制两个完全独立的l i n 网络，使得制定调度表变得相对简单，网络 灵活性也增强，即使出现撞车事件，大部分网络仍能保持完整状态。同时采用两 个完全独立的l i n 网络，有利于各个网络准时进行通信。 ( 3 ) 具备l i n 分层结构的c a n 仅仅依靠l i n 不能克服所有的局限。因此，在汽车应用中，怎么应用l i n 呢? 我们在前面的介绍中提到，l 1 n 是作为c a n 的补充，而不是彻底替换c a n 。 如图2 5 所示是c a n l i n 混合网络的解决方案： c 心冈络 图2 - 5 具备l i n 分层的c a n 网络的结构图 如前所述，通常b c m 和四个车门通过一个c a n 网络连接。这是目前大量 生产商采用的典型方案。这时，每个车门内的高性能控制器( m c u ) ，如常见的 f r e e s c a l eh c 9 0 8 a z 6 0 a ，直接控制车窗和车镜。 采用l i n 结构实现车门功能，就可以选择规格更小的m c u ( 如 h c 9 0 8 g z l 6 ) ，其除了能为b c m 通信提供必要的c a n 接口，还有足够的资源去 控制单个l i n 网络。在本例中，驾驶员车门m c u 除了是b c m 的c a n 接口， 1 2 中南大学硕士学位论文第二章车身c a n l i n 混合网络的研究与设计 还是控制后视镜、键盘、锁和车窗升降等操作的l i n 网络的主节点。 这样做虽然会增加车门内的m c u ，但如果对m c u 和l i n 状态机进行合适 的选择，就可以获得功能更强大、更灵活的分布式系统。 2 3 车身c a n l i n 混合网络网关模型 单个l i n 节点相比单个c a n 节点，一般前者的成本是后者成本的i 3 或1 2 ， 前者具有较大的成本优势，由于汽车上用于车身控制的电子单元是众多的，这样 加起来总的成本节约是很可观的。同时，l i n 子网内部的通讯可以大大减轻c a n 主干网的负担，减少主干网数据拥塞的可能，这一点对于实时控制系统来说十分 重要。因此，现在的汽车厂商都倾向于采用c a n l i n 混合网络的解决方案。 由于c a n 和l i n 是不同的网络协议，两者之间的通信需要网关( g a t e w a y ) 2 0 j 来完成。汽车网关是汽车上连接异型网络的接口装置，能在o s i 参考模型的物 理层、数据链路层和应用层上对双方不同的协议进行翻译和解释【i 引。网关主要 “处理”有关下面三部分的内容：从第一个网络读取所接收的信息，翻译信息， 向第二个网络发送信息。如果有必要，这个处理过程应该是可逆的，亦即双向的 通信。c a n l i n 网关的模型如图2 - 6 所示。 l i 聪线 图2 - 6c a n l i n 网关模型 2 4 车身c a n l i n 混合网络系统实施方案设计 c a n 总线 2 4 1 车身c a n l i n 混合网络常规应用方案 如图2 7 所示是常规应用方案的节点连接方式，本方案采用了四个灯控制器 都作为c a n l i n 网关的方法【2 1 1 ，四个车灯节点、仪表控制单元、空调控制单元、 中南大学硕士学位论文第二章车身c a n l i n 混合网络的研究与设计 座椅控制单元、天窗控制单元、行李箱控制单元和中央控制器构成c a n 网络控 制系统；该方案采用了低速c a n 作为各子系统的通信媒介，将车灯控制系统作 为c a n l i n 网关，各门子系统则采用l i n 协议实现，而且每个门模块用一个控 制器来实现，即通过一个控制器对门锁、后视镜及玻璃升降器进行控制。 低速c n l i n 图2 - 7 车身网络常规应用方案 基于成本和实际设计可行性考虑将车门控制系统置于l i n 网络之中，同时采 用四个灯控制器都作为网关，必然增加整体网络设计的软件程序，但由于本方案 中四个节点作为网关的处理程序几乎一样，l i n 网络的连接方式也差不多，因此 在某种程度上降低了设计的难度。 这是目前大量生产商采用的典型方案。这时，每个车门内的高性能控制器 ( m c u ) ，如常见的f r e e s c a l eh c 9