（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的电动汽车通信显示系统的研制.pdf

a b s t i 队c mb a s e do nt h es y n t h e t i c 卸a l y s i so ft h er e s e a r c ha c t u a l i t y 锄dd e v e l o p m e n tt r e n d so fe l e c t r i cv e h i c l e s ( e v ) a n dt h e i rc o n t r 0 1n e t _ o r k ， i nt h i sp a p e r ，ak i n do fc o n t r o ln e t _ o r k ，n 硼e l yt h ec a nb u s b a s e dc o n t r o l n e t w o r k ，f o rt h ef u e lc e l le vi ss t u d i e d ，a n dac 伽硼n i c a t i o na n dd i s p l a y s y s t 鲫o fe l e c t r i cv e h i c l e sa n di t se x p e r i m e n tf l a t t h ec 咖u n i c a t i o na n d d i s p l a ys y s t 鲫o fe l e c t r i cv e h i c l e sc a nb eu s e dt or e c o r d a n ds t o r et h e i n f o 瑚a t i o no fv e h i c l e s ，s u c ha sv e l o c i t y ，t i m e ，d i s t a n c e ，e t c i ta c h i e v e s s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o nf o rt h ew h o l ee l e c t r i cv e h i c l e c a ns p e c i f i c a t i o nv e r s i o n2 。o ，i 旷v e h i c l en e t 们r kt e c h n o l o g ya n ds a e j 1 9 3 9p r o t o c o l s ，w h i c ha r ec o r r e l a t i v et ot h ei 旷v e h i c l ee l e c t r o n i cc a n n e t w o r k ，a r es t u d i e di nt h i st h e s i s ，卸das c h e m ei sb r o u g h tf o 瑚a r dt o d e v e l o pt h ei n - v e h i c l ee l e c t r i cc a nn e t w o r kw h i c hi n c l u d e ss e l e c t i n gh i g h e r l a y e rc 0 加帅n i c a t i o np r o t o c o l s ，d e s i g n i n gt h eg e n e r a ln e t w o r ka r c h i t e c t u r e a n dl a y i n go u tt h ed e v e l o p i n gc o u r s e a sc o n c r e t eu s et ot h ea b o v e m e n t i o n e d r e s e a r c h ， t h ec a n b u sd e v e l o p i n g t e s t i n gn e t w o r ki sf o u n d e d ，a n dan e t 霄o r k c o 删n i c a t i o ne x p e r i m e n ta n dt h ed e v e l o p 鹏n to fc a n - b u sn o d ea r ep e r f o 瑚e d b a s e do nt h ef o u n d e dp l a t f o r 札 t oa p p l yt h ea b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c ht oc o n c r e t eu s e ，i nt h es t u d y ， d e s i g n st h ec o 咖u n i c a t i o na n dd i s p l a ys y s t 明n o d e ss o f t w a r ea n d t h e h a r 曲a r eo fc a n _ b u sa n dt h er e a 卜t i 舱d i s p l a yl c di n t e r f a c e ， a d o p t e d s o f t w a r e ， h a r d w a r ea n t i i n t e r f e r e n c e嘴a s u r e a c c o r d i n g l y b r i n g i n g f o r w a r das c h e m eo fc o m p o s i n gt h eh a r d 盼r ep l a t f o 瑚， f o u n d sat w o n o d e c a n - b u sd e v e l o p i n g t e s t i n gn e t w o r ki n c l u d i n gt h e t o rc o n t r 0 1s y s t 鲫，t h e b a t t e r yr 帆n a g e m e n ts y s t e m ， t h ec o 姗u n i c a t i o na n dd i s p l a ys y s t e ma n dt h e u p p e rf ) cs u p e r v i s i n gs y s t e m ，a n dp e r f o r m sac a n b u sn e t w o r kc o 咖u n i c a t i o n e x p e r i 鹏n t t h eu p p e rp cs u p e r v i s i n gs y s t e mi n c l u d e sp c ，c a nc 伽叫n i c a t i o n c a r da n dt h es u p e r v i s i n gs o f t w a r ew h i c hi sd e s i g n e db yv b t h r o u g ht h en o d e t on o d ec o 删n i c a t i o ns y s t e m i ts t u d i e sa n da n a l y s e s ，d e p e n d a b l eo fs i n g l e a n ds e v e r a ld a t au n i tc o 咖u n i c a t i o n i nt h ee n d ，t h ec o 加眦n i c a t i o na n dd i s p l a ye x p e r i m e n ti sc o i i l p l e t e d t h e l c dd i s p l a y st h ev e l o c i ty td i s t a n c ea n d 髓r n i n gr e a l 一t i m e 腿s s a g eo ft h e m o t o rc o n t r o ls y s t 鲫a n dt h er e a l 一t i m eb a t t e r y 陋n a g e m e n tm a s s a g e t h ep i c t u r eo ft h es y s t 鲫i n c l u d e ss t a r t i n g髓p ， 髓i t i n g l a p ， i n f o 珈a t i o n 髓pa n dh e l p 唿p b e s i d e st h ed i s p l a yo fn u i n b e r ， i ta l s oc a n s h o wt h e 腿s s a g eb yd r a i n gt h ed y n a m i cc 0 1 哪s 硼dc u r v e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a te v e r yc i r c u i to ft h i sc o n t r o ls y s t 咖 | l a sal o g i c a ld e s i g na n dr u n ss m o o t h l y ，s ow eb e l i e v et h i ss y s t 鲫h a sr e a c h e d t h ea n t i c i p a t e dp u r p o s e b e s i d e s ， t h el a c ka n d t h ew o r kw h i c hn e e dt o i m p r o v eo fi l l yw o r ka r ea l s op r e s e n t k e y w o r d s ；e l e c t r i cv e h i c l e ；c a nb u s ； c o m 哪n i c a t i o n ；l c d ； d s p c l a s s n o ： j 塞窑亟盔堂亟堂焦i 金塞 致谢 本论文的工作是在我的导师王艳教授的悉心指导下完成的，王艳教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来王艳 老师对我的关心和指导。 殷天明教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向殷天明老师表示衷心的谢意。 郑琼林教授、王立德教授、姜久春教授、金新民教授、汪至中教授、葛宝明 教授曾担任过我的授课老师，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李彩虹、焦阳、冯华、吕海臣等同学对我论 文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 课题来源 l 绪论 本学位论文是北京交通大学校基金项目“电动中巴车的研制”的重要组成部 分之一 1 2 课题的研究背景、目的及意义 目前世晃上空气污染最严重的1 0 个城市中有7 个在中国，按照国家环保中心 预测，2 0 1 0 年我国汽车尾气排放量将占空气污染源的“；另一方面，世界范围 的石油枯竭也是一个必然的趋势，据预测我国将在2 0 2 0 年前后出现石油产能衰退， 其进口依存度将升到6 0 ，远远超出3 0 的安全警戒线，将给人们的健康、工农 业生产都带来了很大的影响。为了降低汽车的燃油消耗，减少有害的排放物，世 界各国相继出台了严格的排放法规，汽车工作者也对传统内燃机汽车采取了复杂 的技术改造，例如：代用燃料、添加剂、催化净化器、多气门结构、稀燃、分层 燃烧、电控喷射等。这些技术的应用大大降低了汽车的尾气污染和燃油消耗。但 是传统的内燃机车由于其固有的燃烧和排放特性，对燃油消耗和排放的解决有一 定的局限性，同时复杂的技术改造直接的后果是使得传统汽车的造价不断上升， 利润空间越来越小，长此以往，不利于汽车工业的发展，也不利于汽车的普及。 因此以电动汽车为主的新能源车辆成为了汽车工业以及相关产业可持续发展的必 然趋势。 电动汽车无污染，能量效率高，能源多样化，结构简单，维修使用方便，具 有优化能源结构，降低汽车排放污染的重要作用，被视作缓解日益严重的环境与 能源危机的解决方案。近l o 年来，美国、日本、欧洲的一些国家和跨国公司已投 入超过l o o 亿美元的资金，并且以每年不少于l o 亿美元的力度继续开发。由于生 产电动汽车是设计、制造、材料、电气、控制和整个社会服务体系的全面的变革， 这就意味着以传统汽车工业为基础的国家，整个工业体系面临巨大调整，代价难 以承受。这实际上为我国提供了一个机会，我国汽车工业和西方相比，没有结构 调整的沉重包袱，这便是可以充分利用的后发优势【l 】。 早在1 9 9 5 年，李鹏总理在对国家科委有关报告中就做出了应将电动汽车作 为“九五”重大攻关项目的指示。1 9 9 6 年国家科委“国家重大科技产业工程项目 电动汽车实施方案”中也批示要加快发展步伐。1 9 9 9 年国际电动汽车研讨会( e v s ) 年会在北京召开，同年科技部、国家环保总局、国家计委、国家经贸委、国家机 械工业局、公安部和交通部等1 3 个部门联合发起“空气净化工程谤洁汽车行动” 计划，2 0 0 1 年4 月北京还成功举办了第三届北京国际电动汽车清洁、燃料汽车和 汽车环保研讨会。2 0 0 2 年7 月，北京公交线上已经有混合动力电动汽车( h e v ) 开始运营。小批量研发生产的4 种车型近4 0 辆电动公交客车和旅游客车于2 0 0 3 年1 2 月顺利通过北京市科委、公共交通总公司组织的示范运行车辆验收【2 】。预计 从2 0 0 7 年8 月开始，部分纯电动汽车将驶入奥运中心区，在部分道路上模拟运行。 在纯电动汽车的电池和电机研制方面，我国与世界先进水平差距较小，有些 方面甚至处于领先地位。 在整车开发方面，天津清源电动车辆有限责任公司和一汽天津夏利股份有限 公司牵头，中国汽车技术研究中心、天津大学、北京交通大学、天津和平海湾公 司和天津蓝天高科公司等十几个单位共同参与合作开发出x l 2 0 0 0 纯电动轿车。天 津清源电动车辆有限公司和中科院电工所还共同研制成功全国第一辆纯电动中型 客车。该电动客车单纯以电池为动力源，可载客1 7 人，最大时速可达8 0 虹l 。 在网络通信显示系统开发方面，国内在自主研究和开发汽车电子c a n 网络通 信方面尚处于试验和产业化阶段，传统仪表正在逐步向电子化、数字化发展，开 发出结合通信技术和液晶仪表显示技术的通信显示系统将是未来发展的主要趋 势。 本课题正是在这一背景下提出的。课题的研究目的在于，综合研究国外汽车 总线技术、高层通信协议的研究现状和发展趋势、车载显示仪表的技术要求，结 合国内汽车工业的发展现状，设计适合我国国情的汽车电子通信显示系统的技术 路线和实施方案。 1 3 纯电动汽车通信显示系统的发展 1 3 1 c a n 总线网络的发展现状与趋势 车内通信网络是“十五”计划目标中规定的电动汽车发展的关键技术，也是 本文研究的重点。 在电动汽车中，许多传统的机械和液力部件被电气部件所取代，控制器、智 能传感器之间的实时的、高速的、大容量数据的通讯，增加了系统的灵活性的同 时也对汽车通信系统提出了更高的要求，被公认为电动汽车关键技术之一。 汽车总线传输是通过通讯协议将汽车中各种电控单元、智能传感器、智能仪 2 表等联接起来，从而构成的汽车内部网络。其优点有： 1 减少了线束的数量和线束的容积，提高了电子系统的可靠性和可维护性。 2 采用通用传感器，达到数据共享的目的。 3 改善了系统的灵活性，即通过系统的软件可以实现系统功能的变化。 2 0 世纪8 0 年代初，c n 总线是德国博世公司开发的一种串行数据通讯协议 它的短帧数据结构、非破坏性总线仲裁技术以及灵活的通讯方式使c a n 总线具有 很高的可靠性和抗干扰性，满足了汽车对总线的实时性和可靠性的要求。 c a n 遵循i s o 0 s i 的标准模型，但只规定了7 层协议中的数据链路层，而应用 层则留给用户自己定义。到目前为止，在c a n 的基础上定义的高层协议有很多， 影响较大的有：c a nk i n g d o m j 1 9 3 9 o s e k d e v i c e n e t ( a b ) s d s ( h o n e e 1 1 ) c a l c a n o p e n ( c i a ) ，其中j 1 9 3 9 和0 s e k 在汽车上应片j 广泛。 在国外，尤其是在欧洲，汽车总线技术已经成熟，c a n 总线已被广泛应用在汽 车上，一些著名的汽车制造厂商，如奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺、保时捷、 劳斯莱斯和美洲豹等都采用c a n 总线作为控制器联网的手段【3 4 】 国内引进技术生产的奥迪a 6 车型已于2 0 0 0 年起采用总线替代原有线束，帕 萨特b 5 、宝来、波罗、菲亚特的派立奥、西耶那、哈飞赛马等车型都不同程度地 使用了c a n 总线技术。此外，部分高档客车、工程机械也都开始应用总线技术。 截止到2 0 0 6 年，c a n 已占据整个汽车网络协议市场的6 3 在欧洲，基于c a n 的网络也占有了大约8 8 的市场。 从国内车用总线的发展来看，基于c a n 总线的自主研发技术已经在新能源汽 车和传统汽车上取得成功应用。我国的汽车企业和高校、科研院所，如一汽集团、 上汽集团、长安汽车公司、奇瑞汽车公司、清华大学、北京理工大学、北京交通 大学、同济大学、中科院、中国汽车研究中心等2 0 0 多家单位投入了大量的人力、 财力研发电动汽车及其总线技术。我国“8 6 3 计划”关于电动汽车的说明中已经明 确提出，新申报的电动汽车开发项目必须采用c a n 总线通信模式。 车用总线技术的研究分为两个阶段，即功能实现阶段和性能完善阶段，目前 国内第一阶段的工作已经基本完成。但国内车用c a n 总线系统在测试方面的工作 还处于起步阶段，不能满足产业化的要求。这一阶段的工作重点是确保车用总线 系统的完备性，在不同气候环境、不同电磁环境，以及意外状态下车用总线系统 都能稳健工作。 3 1 3 2 车载显示仪表的发展现状与趋势 汽车仪表是人和汽车的交互界面，为驾驶员提供所需的汽车运行参数、故障、 里程等信息，是每一辆汽车必不可少的部件。传统仪表一般是机电式模拟仪表， 只能为驾驶员提供汽车运行中必要而又少量的数据信息，已远远不能满足现代汽 车新技术、高速度的要求。汽车仪表的功能已不仅仅是单纯的指单纯的显示，而 是通过对汽车各部件参数的监测，达到控制汽车各种运行状况的目的。 随着现代电子技术的发展，多功能高精度、高灵敏度、读数直观的电子数字 显示及图像显示的仪表己不断地在汽车上应用。因此，汽车电子化仪表将逐步取 代常规的机电式仪表。未来车用电子化仪表具有以下优点： ( 1 ) 电子化仪表能提供大量复杂的信息。为了提高汽车的使用性能，汽车的电 子控制程度越来越高。电子控制装置必须能迅速、准确处理各种复杂的信息，并 通过汽车仪表盘以数字、文字或图形等方式显不出来，使驾驶员了解与掌握汽车 的当前状态，以便及时处理各种复杂的情况。目前，汽车的故障诊断、地形图显 不、导航及各种信息服务装置都已开始装备汽车，汽车仪表盘作为信息显示终端 已经是大势所趋。 ( 2 ) 满足小型、轻量化的要求。为了使有限的驾驶空间尽可能宽敞些，用于汽 车的各种仪表及附件都必须小型轻量化。电子化仪表不仅能适应各种传感器或控 制系统的电子化，雨且可实现小，轻、薄，既能节省汽车仪表盘附近的宝贵空间， 增加一定的仪表数量，还可处理日益增多的信息量。 ( 3 ) 高精度和高可靠性。实现汽车仪表的电子化，可为汽车驾驶员提供高精度 的数据信息。同时，由于没有机械仪表中的那些机械传动部分，可减少了故障的 发生率，大大提高了仪表的可靠性。 ( 4 ) 一表多用。汽车电子化仪表可采用数字显示，可用一组数字进行分时显示， 也可以同时显示多个参数，这样，汽车就不必为每个参数设置一个指示表，故使 仪表盘得以简化，实现一表多用。 基于以上优点，汽车将会越来越多地使用电子化仪表。造型新颖别致和功能 强大的电子化仪表，将是今后车用仪表的发展趋势和潮流。未来汽车仪表发展趋 势，就是充分应用光技术和机、电一体化技术，并突出现代信息技术和网络技术 的应用，其功能将极大拓宽。 本课题根据车载仪表的发展趋势和技术要求，选用液晶显示器作为显示载体， 同时结合车内通信网络技术，开发出具有通信显示功能的车载显示系统。 4 1 4 课题主要研究内容 本课题秉承理论和实践相结合的原则，进行基于c a n 总线的汽车通信显示技 术的研究和部分实现。对a n 总线技术的关键问题位定时进行详细地论述， 计算出课题的位定时选用参数。在s a ej 1 9 3 9 协议的基础上，设计了符合纯电动 汽车特点的c a n 总线高层协议。最后，开发出了c a n 通信显示节点的软硬件系统 及其实验平台，并进行了相关实验，为接下来的整车网络调试提供一个良好的基 础。 本文的主要研究内容是： 1 通过分析c a n 总线位定时理论，综合几种不同的c a n 控制器的特点， 介绍了位定时的详细设置方法，通过计算选定了本课题的实际参数。 2 通过分析s a e 儿9 3 9 应用层协议，并吸收了其他a 蝌总线协议应用层的 优点，提出了具有独立知识产权的纯电动汽车c a n 总线应用层协议。 3 提出了电动汽车控制网络的总体设计方案，确定和构建了纯电动汽车动力 系统的整个结构和控制网络拓扑结构。 4 完成了基于1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的电动汽车c a n 通信显示系统的软硬件设计 开发。 5 完成本系统主要显示画面设计：开机画面，待机画面，电机电池信息，系 统介绍 6 完成了基于8 9 c 5 l 的电机控制节点c a n 通信的硬件电路设计和软件设计。 7 开发出上位机总线监控节点，设计了基于v b 的上位机监控操作系统。 8 最后搭建了由通信显示节点、电机控制节点、电池管理节点和上位机总线 节点组成的c a n 网络，完成了联网通信显示实验。 5 2 1 引言 2 纯电动汽车通信网络的总体方案 现有的汽车通信网络技术( 包括c a n 总线技术) 并不能完全满足电动汽车 应用的需要，因此有必要在深入分析电动汽车控制需求的基础上，进行通信网络 的自主设计。本章首先介绍了电动汽车网络控制系统的总体框架，并在此基础上 介绍了各智能电子控制单元的功能；提出了基于c a n 网络的电动汽车通信网络的 整体方案，以满足电动汽车控制系统高实时性和高可靠性的需求；最后着重分析 了通信网络的c a n 底层协议和位定时技术，给出了针对本课题的位定时参数选用 方案。 2 2 电动汽车网络通信技术要求 国内外都在进行汽车局域网的研究与开发，并已取得成效。为适应汽车网络 控制的需要，更好地在各控制系统之问完成交流信息、协调控制、共享资源及标 准化与通用化，世界各国正在积极合作，制定统一标准，共同研制。国外在网络 标准、通讯协议的制定及推出符合网络通讯标准的微处理器等都己取得了一定成 果。网络标准的代表作有b o s c h 公司制定的控制器局域网络( c a n ) 协议和英特 尔( i n t e l ) 推出的s a ej 1 8 5 0 总线标准。又如飞利浦( p h i l i p s ) 、英特尔、摩托 罗拉( m o r r 0 r o l a ) 等公司推出了符合网络相关协议的微处理器产品。同时，为整 合各种标准，国际标准化组织正在起草一份有关汽车控制网络的国际标准。目前 存在的多种汽车网络标准，其侧重的功能有所不同，为方便研究和设计应用，s a e ( 汽车工程协会) 车辆网络委员会将汽车数据传输总线标准划分为a 、b 、c3 类。 a 类目前首选的标准是l i n ，面向传感器执行器控制的低速网络、数据传 输位元速率通常只有1 k b s 1 0 k b s 。主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照 明等控制。 b 类在汽车上应用的是i s o l l 8 9 8 ，面向独立模块间资料共享的中速网络， 位元速率一般为1 0k b s 1 0 0k b s 。主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、 仪表显示、安全气囊等系统，以减少冗余的传感器和其它电子部件。 c 类面向高速、实时死循环控制的多路传输网，最高位元速率可达1 mb s ， 主要用于悬架控制、牵引控制、发动机控制、a b s 等系统，以简化分布式控制和 进一步减少车身线束。到目前为止，满足c 类总线要求的汽车控制器局域网只有 7 c a n 协议。 3 类总线标准均向上涵盖，即b 类总线标准支持a 类总线标准的功能；c 类 能同时实现a 类和b 类功能。按汽车局域网发展趋势，在不久的将来c a n 的c 类 总线标准将逐步普及，并占据主导地位。 汽车网络的具体开发是一个系统工程，它包括了产品定位、整体方案设计、 局部方案设计、局部实施、局部测试、整体集成以及整体测试等各个不同的阶段， 主要分为三个步骤。 第一步：网络系统的需求分析和设计 首先，将整个网络需要实现的功能分配到不同的网络节点中，并完成各节点 的设计。这包括了定义消息、选择总线通信速率井定义每个网络节点在总线上的 行为( 例如，周期或更为复杂的行为方式) 。这部分工作完成后，就可以借助仿真 工具来进行初始评估，评估的指标包括总线负载以及在选定的通信速率下的预期 通信延迟。 第二步：网络系统的部分实现 第一步完成后，进行各个网络节点的设计和开发，这种开发通常是相互独立、 同时进行的。这时，其他节点的模型可以被每个独立的开发者在开发和测试自己 的节点时用于对总线其他部分的仿真。这时，需要一个上位机监控系统和真实的 总线之间的接口，且仿真需要以实时方式进行 第三步：网络系统的集成 在这一阶段，所有的网络上的节点的开发工作都逐步完成，这些节点被连接 到同一网络系统中。而仿真节点相对的可以被一个一个地移出系统。上位监控系 统这个时候就成为了分析实际总线上的消息传输的一个智能化的分析工具。分析 的结果被用来与第一步中的仿真结果进行比较，以确定网络是否达到了设计的要 求。 通过以上的分析，针对电动汽车的实际需求，本文设计了适合本课题的电动 汽车通信网络拓扑结构，并完成了通信显示节点和上位机监控节点的软硬件和通 信显示试验。 2 3 纯电动汽车通信系统结构 2 3 1 纯电动汽车通信系统拓扑结构 纯电动汽车的各个控制显示系统更多地依赖系统内、外部信息的获取，这要 求互相独立的控制模块和装置问进行大量的数据交换和信息传递，因而汽车电子 s 设备阃的通信是必须解决的关键问题，所以，开展通信网络研究是电动汽车发展 及应用的必然要求。 电动汽车通信系统主要包括通信显示模块、电机控制模块、电池管理模块、 外围设备模块和上位机监控模块。 通信显示模块相当于纯电动汽车的大脑，起到了控制和监控全局的作用。主 控制器从传感器上获取司机的驾驶操作和车辆的运行状态，经过a d 转换后计 算、编码为c a n 报文通过c a n 总线与其他单元交换信息和传输控制指令，完成 对整车的能源和安全管理，实时地将电动汽车的必要信息通过液晶模块显示出来 同时通信显示模块还要负责外围设备的通信和显示。包括空调，电动门窗，a b s 防抱死系统，中央门锁等。电机控制模块负责电机的驱动控制，采用双闭环控制 来调速电机，使电机在需要的转速下工作。电池管理模块负责电池系统的管理。 各子系统依靠c a n 总线传输数据，进行数据信息的交换，实现整个分布式系统 的控制功能。纯电动轿车控制系统结构示意图如图2 - l 所示： 图2 - l 电动汽车通信系统示惫图 f i g2 1m 印o f 出e 蛐m i n i t e s y s 啪o f 撼e i e c 拄i c v e h i c k 上图中各控制模块之间通过c a n 总线进行通信，电机控制单元通过接收和执 行通信显示模块的部分指令，如加减速，刹车，起动等信号来控制电机，为车辆 提供必要的动力，同时将必要的汽车运行信息经过计算通过c a n 总线在液晶显示 模块上显示出来，如车速，里程，电机温度等；电池管理器对电池的电气参数和 熟参数等进行测量，完成电量计算和安全管理，并通过c a n 总线向控制显示模块 发送自身的状态参数，为整车控制提供准确的依据，提高车辆能量利用效率。 另外随着控制系统的不断优化，总线的消息包种类也在不断增加。在正常工 作下，总线负载通常为3 0 左右，通信的数据流量最快为6 5 k ，s ，数据通信量大。 为了能够准确评价电动汽车控制系统在道路运行过程中的性能，需要对车辆 9 运行的全程数据进行实时接收和记录，这就要求数据采集和存储系统具有很强的 实时性和准确性。针对开发目的和实际情况，该电动汽车控制显示系统的开发设 计要素可分为以下几个方面： ( 1 ) 车辆行驶全程数据的实时、准确通信； ( 2 ) 总线节点动态加入的智能诊断； ( 3 ) 整车状态的准确显示和总线命令的准确执行； ( 4 ) 重要数据存储； 由于采用了现场总线方式，实际布线非常简洁，只需要一条双绞线即可，系统 的扩展也非常方便，通过将专用的读取器动态搭接到总线上，即可从主节点的存 储器中读取数据转存至p c 机，由后者完成数据的分析。通信显示系统还可与车灯、 车门传感器、语音系统以及无线通信结合起来，功能将更加强大。 2 3 2 电动汽车通信显示系统功能实现 在正常工作的情况下，整车通信系统的总线消息包括以下几个方面。 ( 1 ) 通信显示控制器的电机、电池和继电器控制指令，紧急呼叫指令，状态 显示，制动踏板，驾驶开关，故障显示和总线错误情况等； ( 2 ) 电机控制器的电流、电压和温度，紧急呼叫指令，电机故障，电机转速 等； ( 3 ) 电池控制器的电流、电压和s o c ，紧急呼叫指令，电池故障，电池温度， 充电电流和放电电流等。 2 4 底层协议分析 2 4 1 c a n 总线局域网简介 随着汽车工业的发展，汽车电子系统在整车中所占比重逐年增大。汽车电子 的发展要求一种合理的总线技术提高整车的性能。c a n 总线是b o s c h 公司在 1 9 8 6 年为解决汽车中众多的测量元件与执行器之间的数据交换而开发的一种现场 总线。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于其高性能、 高可靠性及其独特的设计，c a n 越来越受到人们的重视，其应用范围也不再局限 于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械及传感器等领域发 展，并被公认为最有前途的现场总线之一。 c n 总线局域网采用了i s o ，o s l 模型的七层结构中的物理层和数据链路层， 1 0 具有较高的可靠性、实时性和灵活性。同时由于采用的i s o l l 8 9 8 标准中只定义了 物理层和数据链路层，本身并不完整，这样就需要用户在c a n 协议的基础上自 行开发自己的高层应用协议，这也是c a n 网络协议相对于其他现场总线网络协 议更为灵活之处。 在详细分析c a n 局域网前，首先对c a n 协议的媒体访闯控制子层( 传输 层) 的一些概念和特征作说明： l 、报文( m 鹤s a g e ) ：总线上的报文以不同报文格式发送，但长度受到限制。 当总线空闲时，任何一个网络上的节点都可以发送报文。 2 、信息路由( m 鼢m a l i r 0 埘n g ) ：在c a n 网络中，节点不使用任何关于 系统配置的报文比如站地址，由接收节点根据报文本身特征判断是否接受这帧信 息。因此系统扩展时，不用对应用层以及任何节点软件和硬件作任何改变，可以 直接在c a n 网络中增加节点。 3 、标识符( i d 朗t i f i 盱) ：要传送的报文有特征标识符( 是数据帧和远程帧的一 个域) ，它给出的不是目标节点地址，而是这个报文本身的特征。信息以广播方式 在网络上发送，所有节点都可以接收到。节点通过标识符判定是否接受接收到的 这帧信息。 4 、数据一致性：应确保报文在c a n 网络里同时被所有节点接收或同时不接 收。这是配合错误处理和再同步功能实现的。 5 、位速率：不同的a n 系统速度不同，但在一个给定的系统里，位速率是 唯一的，并且固定的。 6 、优先权：由发送数据的报文中的标识符决定报文占用总线的优先权。标识 符越小，优先权越高。 7 、远程数据请求( r 锄o t ed a t ar 棚u e s t ) ：通过发送远程帧，需要数据的节点 请求另一节点发送相应的数据。回应节点传送的数据帧与请求数据的远程帧由相 同的标识符命名。 8 、总线空闲时，任何单元都可以开始传送报文。具有较高优先权报文的单元 可以获得总线访问权。 9 、仲裁( a r b i 昀t i o n ) ：只要总线空闲，任何节点都可以向总线发送报文。如 果有两个或两个以上的节点同时发送报文，就会引起总线访问冲突。通过使 用标识符的逐位仲裁可以解决这个问题。仲裁的机制确保了报文和时间均不 损失。利用c s m a c d 访问总线可对总线上信号进行检测，只有当总线处于空闲 状态时才允许发送。利用这种方法可以允许多个节点挂接到同一网络上，当检测 到一个冲突位时所有节点重新回到监听总线状态，直到该冲突时间过后才开始发 送。在总线超载的情况下，这种技术可能会造成发送信号经过许多延迟。当总线 上有两个节点同时进行发送时必须通过时间无损的逐位仲裁方法来使有最高优先 权的报文优先发送在c a n 总线上。发送的每一条报文都具有唯一的一个1 1 位 或2 9 位二进制数字的标识符( i d ) 。因为显性电平覆盖隐性电平，所以c a n 总 线状态取决于逻辑值0 ( 显性电平) 而不是1 ( 隐性电平) ，所以m 号越小则该 报文拥有越高的优先权，因此一个为全o 标志符的报文具有总线上的最高级优先 权。在消息冲突的位置，一个节点发送o 而另外的节点发送l ，那么发送o 的 节点将取得总线的控制权并且能够成功的发送出它的信息。采用这种仲裁机制确 保报文和时间均不会损失。 l o 、安全性：为了保证发送的报文正确可靠，c a n 采用发送监听的位错误检 测、帧数据的循环冗余码c r c 校验、位填充技术、帧格式校验和应答检测等五 种错误检测方法。这些措施使c a n 具有识别全部的全局错误、发送端的局部错 误、一帧信息中的5 个以上随机错误、报文中长度小于1 5 的突发性错误和报文中 任一奇数个错误，使报文错误漏报率非常小。 1 1 、故障界定( c 0 n 硒锄e n t ) ：c a n 节点能区分瞬时扰动引起的故障和永久 性故障。故障节点会被关闭。 1 2 、连接：c a n 串行通信链路是可以连接许多单元的总线。理论上，可以连 接无数个单元。但实际上由于受延迟时间以及总线线路上电气负载能力的影响， 连接单元的数量是有限的。 1 3 、同步：c a n 节点之间采用串行线连接，数据和同步信号都由这个通道承 担。信息发送有起始同步信号，传送过程中接收节点进行再同步。 1 4 、总线状态：总线有“显性”和“隐性”两个状态，“显性”对应逻辑“o ” “隐性”对应逻辑“l ”，“显性”状态和“隐性”状态线与为“显性”状态，所 以两个节点同时分别发送“o ”和“l ”时，总线上呈现“0 ”。c a n 总线采用二 进制不归零( n r z ) 编码方式，所以总线上不是“0 ”，就是“l ”。但是c a n 协议并 没有具体定义这两种状态的具体实现方式。 1 5 、位流编码：一帧报文中，起始域、仲裁域、控制域、数据域和c r c 域 的二进制位通过位填充方式编码。当连续出现5 个相同极性位时，自动插入一个 补码；报文中其他域不使用位流编码，错误帧和过载帧也不使用。 1 6 、应答：接收节点对正确接收的报文给出应答，对不一致报文进行标记。 c a n 总线的几个主要特点是： ( 1 ) c a n 总线的最大特点是，任一节点所发送的数据信息不包括发送节点或 接收节点的物理地址。信息的内容通过一个标识符( ) ) 作上标记。在整个网络中， 该标识符是唯一的。网络卜的其他节点收到信息后，每一节点都对这个标识符进 行检测，以判断此信息是否与自己有关若是相关信息，则它将得到处理；否则被 忽略。这一方式称为“多主”方式。采用“多主”方式的优点是可使网络内的节 点数在理论上不受限制( 实际上受限于电器负载) ，也可以使不同的节点同时接收到 相同的数据。数据字段最多为8 字节。既能满足一般要求，又可保证通信的实时 性。标识符还决定了信息的优先权。d 值越小，其优先权越高。c a n 总线确保发 送具有最高优先权信息的节点获得总线使用权，而其他的节点自动停止发送。总 线空闲后，这些节点将自动重新发送信息。 ( 2 ) c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送报文 出现冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影 响的继续发送数据，从而大大节省总线冲突仲裁时闯，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( 以太网则可能) 。 ( 3 ) 多主站结构：通过数据辨识码的数据源编号和目的地址编号可以支持点 对点、点对多点、全局广播传输方式。 ( 4 ) 最大8 个字节的数据域：数据编码原则将相关数据打包到一个数据 帧，保证了数据发送的效率，在一帧中有效的数据位数占更大的比例；对于需要 快速发送的数据，减少数据位，保证了发送一帧的时阃足够短，提高了数据传送 的实时性。 ( 5 ) 可扩展性：除了硬件上n 总线支持新节点的加入以外，在应用层协 议编码上也留有一定的保留位为将来扩充提供支持。同时，c a n 通信每帧信息都 有c r c 校验机制，并可以方便的通过软件增加冗余的检错功能。 ( 6 ) c a n 的直接通信距离最远可达l o h n ( 速率在5 k p s 以下) ，c a n 总线的通 信速率最高可达l m b 此时通信距离最长为4 0 m 1 。 ( 7 ) a n 总线通常采用屏蔽或非屏蔽的双绞线，总线接口能在极其恶劣的环 境下工作。根据i s o1 1 8 9 8 的标准建议，即使双绞线中有一根断路，或有一根接地 甚至两根线短接，总线都必须能继续工作。 2 4 2c a n 总线的网络系统结构 底层协议包括c a n2 o 规范和国际标准i s o l l 8 9 8 ，其中c a n2 o 规范包括a 和b 两部分：2 o a 给出标准报文格式，2 o b 给出标准和扩展两种报文格式。由于 篇幅所限，文中只重点引入3 个概念，并做出分析，这些分析是后续章节的部分 理论基础，也是设计c a n 总线应用系统的基本依据。对底层协议深入分析是进行 c a n 总线系统开发设计的第一步。为使设计透明和执行灵活，遵循1 s o ，o s l 标准 模型，c a n 分为数据链路层( 包括逻辑链路控制子层u 和媒体访问控制子层 m a c ) 和物理层。m a c 子层运行称之为“故障界定实体( ( f c e ) ”的管理实体进行 监控。故障界定是使判别短暂干扰和永久性故障成为可能的一种自检机制。物理 层可借助检测和管理物理媒体故障实体进行控制( 例如总线短路或中断，总线故障 管理) 。l l c 和m a c 两个同等的协议实体通过交换帧或协议数据单元( p 叫- p r 0 1 俄m c ( m n d lh l f o l m 撕咖1 和用户数据组成。c a n 的分层结构和功能如图2 - 2 所示 图2 吨c a n 的i s 0 0 s i 参考模型的分层结构 f i 9 2 - 2l a y e r e da r c h i t e c t u r e0 fc a na c c o r d i i i gt ot h e i 洲0 s ir e f e r e n c e d e l 在c a n 规范2 o a 的版本中，数据链路层的u c 和m a c 子层的服务和 功能被描述为“目标层”和“传送层”。l l c 子层的主要功能是：为数据传送和远 程数据请求提供服务，确认由l l c 子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理 和通知超载提供信息。在定义目标处理时，存在许多灵活性。m a c 予层的功能主 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。 m a c 子层也要确定，当下一次新的发送开始时，总线是否开放或者是否马上开始 接收。位定时特性也是m a c 子层的一部分。m a c 子层特性不存在修改的灵活性。 物理层( p l l y s i c a l 【丑y e r ) 定义信号是如何传输的。物理层的功能是有关全部 电气特性的不同节点间的实际传送，可划分为物理信令( p h y 8 i c a lm e d i l m a t 陬妇n e n t ，p m a ) 和媒体相关接口( m e d i 啪d t 拼n d 曲t 瑚髓f ；嘴，m d i ) 。自然， 在一个网络内，所有节点的物理层必须是相同的。c a n 总线物理层功能和对应的 1 4 节点构成如图2 3 所示： 图2 - 3c a n 总线物理层功能和对应的节点构成 f i 9 2 - 3 锄d 舭o f m e p h y 晒l a 弦o f c a n b l l s c a n 规范2 o b 定义了数据链路中的m a c 子层和l l c 子层的一部分，并 描述了与c a n 相关的外层f l o 】在这部分规范中，未定义物理层中驱动器接收器 的特性，以便允许根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。m a c 子层是 c a n 协议的核心，它描述由u c 子层接收到的报文和对l l c 子层发送的认可报 文。m a c 子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 子层由称为 故障界定的一个管理实体监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。l l c 子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。物理层定义了信号怎样进行 发送，因而涉及位定时、位编码和同步的描述。 2 5 位定时分析 c a n 总线采用同步串行通信方式，数据流中的字符与字符之间、字符内部的 位与位之间都同步。这就要求收，发双方必须以同步时钟来控制数据的发送、接收。 接收端要在相当长的数据流中保持位同步，必须能识别每个二进制位是从什么时 刻开始的，这就是位定时【1 3 j 在c a n 总线中，位定时有一点小错误就会导致总线性能严重下降。虽然在许 多情况