（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的车载信息系统的研究.pdf

哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 r e s e a r c ho nv e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m b a s e do nc a nb u s a b s t r a c t t h ev e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mi sas e to fc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi su s i n gt o g a t h e r , m e m o r y a n dd e m o n s t r a t ee a c ho fi n f o r m a t i o ns t a t e p r o d u c e di n t h e a u t o m o b i l et r a v e lp r o c e s s a l o n gw i t hu n c e a s i n gd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l e e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , t h ev e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m 。i sa l r e a d yg r a d u a l ly d e v e l o p i n gi nt h ed i r e c t i o no fi n t e l l e c t u a l i z a t i o na n dd i g i t i z a t i o n t h es t o r a g eo f t h ev e h i c l ei n f o r m a t i o np r o d u c e di nt r a v e l i n gp r o c e s sp r o v i d e sd i g i t a lb a s i sf o r t h ed a t aa n a l y s i so ft h ea u t o m o b i l ec o n d i t i o ni fn e c e s s a r y , t h el i q u i dc r y s t a l d i s p l a yt h a tc a nd e m o n s t r a t em a s sv e h i c l ei n f o r m a t i o nr e p l a c e st h eo r i g i n a l l i m i t e dp o i n t e ri n s t r u m e n ta n ds oo n t h e r e f o r e ，t h em a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o n o ft h em o d e r nv e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e md e s i g ni s ：o nt h eo n eh a n dp r o v i d i n g t h ed a t ab a s i sf o rt h ec o r r e l a t i o nt e s t i n g p e r s o n n e lt oa n a l y s i se a c hk i n do f i n f o r m a t i o ns t a t ea f t e rt r a v e l i n g ；o nt h eo t h e rh a n dt r y i n gi t sb e s tt op r o v i d em o r e a b u n d a n ti n t e r f a c ef o rt h ed r i v e rt ok n o wt h ev e h i c l e sc o n d i t i o n t h ev e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mi n c l u d e si n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，c a nb u s c o m m u n i c a t i o no ft h ed a t a ，s t o r a g eo ft h ed a t aa n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yo ft h e i n f o r m a t i o n t h i st h e s i sd i s c u s s e s t h e d e s i g n t h o u g h ta n dt h ei m p l e m e n t a t i o n a p p r o a c ht h o r o u g h l y , p u t sf o r w o r dt h em e t h o do ft h ei n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ， s t o r a g ea n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y b a s e do nc a nb u sc o m m u n i c a t i o n t h i s d i s s e r t a t i o n sm a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ：t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no f t h ei n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o n ，t h ec a nb u sc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l ea n di t s i m p l e m e n t a t i o n ，t h ed e s i g no ft h ee x t e r n a ls t o r a g eo ft h ed a t aa n dt h el i q u i d c r y s t a ld i s p l a yo ft h ei n f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m s f u n c t i o n ，t h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai sc h o s e nf o re c u ，a n dr e a l i z e st h ec a n c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，s i g n a la c q u i s i t i o np r o c e s s i n g ，s t o r a g eo ft h ed a t aa n d l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ya n ds oo n 1 1 哈尔滨理工人学工学硕l 学位论文 t h i ss y s t e ma p p l y sc a nb u sc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hh a se n o u g hs u p e r i o r i t y c o m p a r i n g t oo t h e rb u s e s o n s t a b i l i t y 、a n dr e l i a b i l i t y o ft h ed a t a c o m m u n i c a t i o n ；a n dd e s i g n st h ee x t e r n a ls t o r a g eo ft h ed a t ab y t h eu s b i n t e r f a c e , w h i c hp r o v i d e st h en e c e s s a r yd a t aa n dr e s e a r c hs p a c ef o rt h ea n a l y s i s w o r ko ft h ea u t o m o b i l ec o n d i t i o n ；b e s i d e s ，t h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a ym o n i t o r p r o v i d e sm o r ef r i e n d l y i n t e r f a c ef o rt h ed r i v e r , a n dt h ep r e c i s i o ni sh i g h e r , c o n s i d e r a b l ei ss t r o n g e r t h ec o s to ft h i ss y s t e mi sl o w , t h et e c h n i q u eo fp r o d u c t i o na n dt h e m a n u f a c t u r ee q u i p m e n ta r es i m p l e ，a n dt h ee l e c t r i cc i r c u i ta c c u r a t ea n dr e l i a b l e a f t e re x p e r i m e n t i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，h a sg i v e nt h ed e s i g nt h o u g h ta n dt h e m a i nf l o wc h a r t t h i ss o f t w a r ed e s i g nu s e st h em o d u l a rp r o g r a m m i n g ，s t r e n g t h e n s p r o g r a mp o r t a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y t h i ss y s t e mc a n b et h ee x a m p l eo ft h en o r m a l v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mo no n ea s p e c t ，a n di ti su s e f u lf o rm o r ep r o f c i u n d r e s e a r c hw o r ko nt h ed a t aa n a l y s i so ft h es t o r a g e di n f o r m a t i o n f i n a l l y , t h i s d i s s e r t a t i o nc a r r i e so nt h ea n a l y s i sa n dd e s i g nt os y s t e m sa n t i - j a m m i n g ，w h i c h f u r t h e re n s u r e st h er e l i a b l eo p e r a t i o no ft h es y s t e m k e y w o r d sc a nb u s ，v e h i c l ei n f o r m a t i o n ，d s p , i n f o r m a t i o ns t o r a g e ，l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于c a n 总线的车载信息 系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：日期：年月 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于c a n 总线的车载信息系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门 提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 f 请在以上相应方框内打) 作者签名： 召丧 导师签名： 阚友乏 日期：彦，7 年甲月? 日 日期：a 1 年丫月，日 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着汽车行业的飞速发展以及家用汽车的普及，车载信息对驾驶员的重要 性也越来越大。通过查阅有关国内外文献和调查国内汽车车载信息系统的情况 了解到：随着交通部门对汽车车载信息的重视越来越高，开发汽车电子数字车 载系统已经成为汽车车载系统领域的热点技术【。 汽车时代的来临，使道路交通事故在人类安全事故中所占的比例越来越 大。统计资料表明，全球道路交通事故的总数约占安全事故的九成左右，造成 的伤亡人数占所有安全事故伤亡人数的八成以上。道路交通事故已成为人类的 第一“杀手 。自二十世纪5 0 年代以来，我国道路交通事故死亡人数已近1 5 0 万，道路交通事故在我国所有安全事故中的比重也达到八成以上。由统计数字 表明：1 9 9 7 年，我国交通事故死亡人数约8 万人；到2 0 0 0 年，上升到9 3 万 人；而在2 0 0 1 年，我国境内约发生了7 6 万起道路交通事故，共夺去1 0 万人 的生命，增幅达两位数。根据国家安全生产监督管理局的统计，所有意外事故 死亡人数中，道路事故占了8 1 。 随着我国道路交通网络的日渐顺畅和车辆保有量的急剧增加，人流、物 流、车流骤增，造成近期交通事故频发，群死群伤的恶性交通事故屡见不鲜。 同时，随着经济的不断发展，道路危险品运输业日渐增多，对城镇、人群、河 流的威胁越来越大。摆在各级交通部门面前的问题是如何通过科学的方法提高 道路交通管理水平，减少事故发生。整个交通行业也需要出现一种能够有效保 障车辆安全、提供实时调度管理的产品，使我国的交通管理能够真正迈入智能 化时代。 统计资料表明，车载信息系统的使用，使交通事故率降低3 7 5 2 ，大 大减少了人员伤亡和财产损失，产生了显著的社会效益和经济效益。可见，准 确记录汽车的行驶过程，防患事故于未然是极为重要的。国内部分省份也已经 规定长途客运客车必须安装汽车行驶记录仪。随着微电子技术和计算机技术的 发展，车载信息系统势必将与汽车其它电子系统( 如g p s 定位、通讯、报警、 测温、故障诊断等) 相结合，向大容量、模块化、系统化、数据无线传输和数 据集成处理的方向发展( 2 1 。最终使它成为确保现代道路交通运输安全和高效物 流动态营运管理的不可或缺的记录处理、显示和数据传送的综合装置，也必将 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 成为智能交通系统( i t s ) 的重要组成部分。 1 2 国内外研究及发展现状 就国外水平来讲，2 0 世纪9 0 年代初，美国和德国开发了完整的数字式汽 车车载信息系统，用以更好地方便于汽车驾驶员的驾驶，目前这种技术又得到 修正和完善。而车载信息系统的另一种实体形式黑匣子或称之为行车记录仪已 经在美洲和欧共体试用多年。行车记录仪的历史起源于2 0 世纪2 0 年代德国的 凯茨勒公司，该公司现已并入到西门子威迪欧集团。当时的行车记录仪是由一 个振动摇锤在一张小圆形卡片上记录车的行程和停止时间。行车记录仪随后扩 展到用来记录驾驶员驾驶时间、里程和速度。到1 9 3 3 年，凯茨勒公司开发出 t c 0 2 行车记录仪，从此奠定了公司在后来的3 0 年成功的基础。t c 0 2 的核心 是一个时钟，一根钢针或一个蓝宝石以及一张涂蜡的卡片用作记录媒介。最简 单的行车记录仪可记录速度和行车时间，而较先进的型号还能测量发动机转 速。2 0 世纪7 0 年代后期，欧共体推出机电模拟式汽车行驶记录仪，用于记录 汽车行驶的速度和距离。经欧共体各国推广使用后，证实在降低事故率、提高 司机责任心和进行科学管理等方面收到良好效果【3 1 。 进入9 0 年代，科学技术飞速发展，计算机日益普及，美国、欧共体相继 推出性能更为优良的电子式汽车记录仪，并得到美国国家运输安全委员会的支 持。同时，美国通用公司和福特公司等汽车制造商也着手研制汽车记录仪，并 在其几种高档车上安装，这些记录仪中的数据已在其法律诉讼及车辆返修等事 务中提供了可靠的帮助。主管交通安全的国家安全委员会( n t s b ) 也一直在致力 于推广汽车黑匣子的工作。 就国内来讲，研发汽车车载信息系统的厂家有限，但是，考虑到中国强大 的汽车市场，我们不应该对汽车车载信息系统的市场前景持怀疑态度。现在， 在欧美等西方国家，汽车车载信息系统作为汽车驾驶室的主要行驶信息存储和 显示装置，其各方面的技术性能指标均受到高度重视。据调查，汽车车载信息 系统耗资占整车售价很大比例。最新技术资料显示，国外目前其汽车信息系统 正逐步趋向数字化、智能化、网络化、微型化发展，并结合专用大规模集成电 路的芯片，通过调整电路参数可适应不同种类和量程的产品需求。这使得系统 在结构的通用化、模组化方面产生质的飞跃，使产品的标准化、系列化程度大 为提高，简化了生产工艺和制造设备，对多品种大规模批量生产极为有利。所 以促进汽车车载信息系统智能化和数字化的研究将成为今后车载信息系统的主 哈尔滨理工大学工学硕l ：学位论文 要研究方向。 8 0 年代末，国内开始研制汽车记录仪。1 9 9 4 年，北京伟航新技术开发有 限公司率先研制成功第一代i b b 1 型汽车综合记录仪，并顺利通过有关部门检 测，开始在国内部分省市使用。伟航公司不懈努力，又开发出功能和性能更优 良的第二代i b b 2 a 型、第三代产品i b b 1 0 0 型记录仪。为此香港特区政府运 输署特邀伟航公司前往演示。经国家公安部、广电部、航天工业总公司等部门 检测认定，伟航公司的产品在技术性能及功能设置上已达国际领先水平。伟航 公司是国内唯一一家通过国家检测认定的汽车记录仪生产研制单位，它的成长 也代表了国内汽车记录仪的发展史【4 】。 近几年来，国内相继出现多种汽车记录仪产品，但功能较为简单，数据读 取显示不够方便，并且所设定的记录参数相对固定。今后多功能、高集成、可 方便灵活地进行系统移植和扩展将是汽车记录仪的发展趋势。 1 3 总线技术在汽车上的运用 1 3 1 现场总线概念 现场总线是应用于生产现场，在微机化测控设备之间实现双向串行多节点 数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场 总线技术将专用的微处理芯片置入传统的测量控制仪表，从而使它们各自都具 有了数字计算和数字通信能力，并且可以用简单的连接方式( 例如双绞线) ，按 照公开、规范的通信协议把分散在生产现场的各个数字化设备以及用于监控的 上位机连接起来，组成一个各个节点可以相互沟通信息，共同完成控制任务的 网络控制系统。这样的新型系统就是现场总线控制系统【5 1 。它既是一种通信开 放的网络系统，又是一种分布式的控制系统，它融合了智能传感器、控制、计 算机、数字通信及网络等多种技术。由于现场总线及现场总线控制系统可以实 现基本控制、补偿计算、参数修改、报警提示、显示、监控、优化及控管一体 化的综合自动化功能，并且适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的 发展方向，是一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，所 以它已经成为现代控制系统的主要发展趋势。 哈尔滨理工人学t 学硕上学位论文 1 3 2 常用的现场总线 1 基金会现场总线基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 其前身是以美 国f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公 司制定的i s p 协议，以及以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司 制定的w o r l df i p 协议。1 9 9 4 年这两大集团合并，成立了现场总线基金会，致 力于开发出国际上统一的现场总线协议。主要应用于实现测量、控制、工程量 转换等应用功能的功能块，实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术 以及构筑集成自动化系统、网络系统得系统集成技术。 2 p r o t f i b u s 总线p r o t f i b u s 是德国国家标准d 矾1 9 2 4 5 和欧洲标准 e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准。由p r o t f i b u s d p 、p r o t f i b u s f m s 和 p r o t f i b u s p a 组成了p r o t f i b u s 系列。d p 型用于分散外设间的高速数据 传输，适用于加工自动化领域。p r o t f i b u s f m s 适用于纺织、楼宇自动化、 可编程控制器、低压开关等。而p a 型则是用于过程自动化的总线类型，它遵 从i e c l l 5 8 2 标准。该项技术是以德国西门子公司为主的十几家德国公司、研 究所共同推出的。 3 h a r t 总线h a r t 是h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写， 最早由美国r o s e m o u n t 公司开发并得到8 0 多家著名仪表公司的支持，于1 9 9 3 年成立h a r t 通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信 协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向 数字系统转变过程的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争 力，得到了较快的发展。h a r t 能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求， 并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。 4 l o nw o r k s 总线l o nw o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出并有它与摩托罗 拉、东芝公司共同倡导，与1 9 9 0 年正式公布而形成的。它采用了i s o o s i 模 型的全部7 层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通 信设计简化为参数设置，其通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距 离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外 线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用 控制网络。 5 c a n 总线控制器局域网络( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，是8 0 年代初德国 的b o s c h 公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交 换而开发的一种串行通信协议，经多次修订，于1 9 9 1 年9 月形成技术规范2 o 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 版本。该版本包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了c a n 报文标准格式，而2 0 b 给出了标准( 1 1 位) 和扩展( 2 9 位) 两种报文格式。1 9 9 3 年1 1 月公布了c a n 的 i s o l l 8 9 8 标准。此后，越来越多的美国汽车公司采用c a n 网络【6 i 。 由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而 扩展到了机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家 用电器及传感器等领域发展。c a n 已经形成国际标准，并已被公认为几种最 有前途的现场总线之一。 1 3 3c a n 总线在汽车上的应用 随着现代汽车性能的不断提升，新的控制功能不断增加，如中央门锁、灯 光控制、玻璃升降、后视镜调节、天窗控制、座椅调节和点火延时控制等。传 统的控制系统多采用继电器和独立模式控制，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，导致系统的可靠性下降。目前，很多汽车采用 c a n 总线将整个汽车控制系统联系起来统一管理，实现数据共享和相互之间 协同工作，使车内线束布线方便可靠，提高了汽车整体的安全性和性价比，增 强了自身的竞争力。通讯网络作为数据传输的桥梁，其可靠性直接影响着系统 整体运行的可靠性。c a n 总线作为一种有效支持分布式控制和实时控制的技 术，以其稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低及其 独特的设计越来越受到人们的重视【7 】。 c a n 总线网络技术的应用可以说是躬逢其盛。德尔福电子与安全部中国 工程经理许向东指出，随着排放法规的驱动以及在线诊断的需要，通过以 c a n 总线将各系统中的诊断总线连接在一起，通过e c u 软件来实时诊断与维 修。并且，随着安全性能日益受到重视，安全气囊也将逐渐增多，以前是在驾 驶员前面安装一个，今后侧面与后座都会安装安全气囊，这些气囊通过传感器 感受碰撞信号，通过以c a n 总线将传感器信号传送到一个中央处理器内，控 制各安全气囊的启动弹出动作。同时，先进的防盗设计也正基于c a n 总线网 络技术。首先，确认钥匙合法性的校验信息通过c a n 网络进行传递，改进了 加密算法，其校验的信息比以往的防盗系统更丰富；其次，车钥匙、防盗控制 器和发动机控制器相互储存对方信息，而且在校验码中掺杂随机码，无法进行 破译，从而提高防盗系统的安全性【8 1 。而这些功能的实现无一不借助c a n 总 线来完成。 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 1 4 课题来源及主要研究内容 本课题是教育部科学技术研究重点基金项目，项目编号是2 0 8 0 3 7 。 本课题立足于现场总线技术和d s p 控制系统，运用先进的d s p 芯片及外 围扩展设备，设计具有良好性能的集成电路，使最终研制的产品操作方便、功 能齐全、移植性好等，达到同类产品的国内先进水平。本课题在充分了解国内 外相关产品的开发现状，认真研究当前市场上同类型产品的优点和不足，并且 很好的结合国内用户的使用环境及需求后，进行的相关开发与设计。事实证 明，本课题经过一年多的市场调查、方案设计、研究开发、仿真调试，取得了 较好的研究效果，达到了预期的目的，实现了行车记录仪的网络化、数字化与 智能化的要求。本课题的主要研究内容如下： 1 查阅大量资料了解国内外车载信息系统的发展概况和技术现状，分析车 载信息系统的发展趋势； 2 对汽车上主要车载信息进行采集：包括信号量采集的传感器选择和采集 过程的软硬件设计； 3 车载信息的c a n 总线通信：对c a n 总线协议进行认真分析与研究，以 便对其有一个全面而深刻的了解，从而遵循协议规定进行设计，包括总线通信 协议及通信过程的软硬件设计和通信数据的软件过滤实现； 4 信息的外存储和液晶显示：在认真研读u s b 2 0 协议的基础上，主要做 u s b 通信接口转移数据的软硬件设计工作；液晶显示部分主要包括液晶显示 的软硬件驱动、车载信息的分类显示和按键控制翻屏操作等。 此外，采用软硬件抗干扰并用的方法，互相补充完善，保证系统工作的可 靠性和稳定性。 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 第2 章c a n 总线协议与应用 2 1c a n 总线的概念及特点 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网络，是8 0 年代初德国的 b o s c h 公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换 而开发的一种串行通信协议，经多次修订，于1 9 9 1 年9 月形成技术规范2 0 版 本。该版本包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了c a n 报文标准格式，而2 0 b 给 出了标准和扩展两种报文格式 9 1 。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 ) m 际标准i s o l l 8 9 8 ，为控 制器的标准化、规范化铺平了道路。 c a n 属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特的设 计，与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时 性和灵活性。其特点可以概括如下： 1 c a n 是到目前为止唯一有国际标准的现场总线； 2 通信方式灵活。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信息，而不分主从； 3 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。 优先级高的数据最多可在1 3 4 t a s 内得到传输； 4 c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现 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 地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间； 5 c a n 节点只需通过对报文的标识符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送、接收数据，无需专门的调度； 6 c a n 的直接通信距离最远可达1 0k m ( 速率5k b p s 以下) ；通信速率最高 可达1m b p s ( 此时通信距离最长为4 0m l ； 7 c a n 上节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。报文标识 符可达2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 b ) i 拘报文标识符几乎不受限 制； 8 c a n 总线通信格式采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有 极好的检错效果； 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 9 c a n 通信的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活； 1 0 c a n 总线接口集成了c a n 协议物理层和数据链路层功能，可完成对 通信数据帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等： 1 1 c a n 总线具有较高的性能价格比。它结构简单，器件容易购置，每个 节点的价格较低，而且开发技术容易掌握。 2 2c a n 总线的模型结构与技术规范 2 2 1c a n 总线的分层结构 c a n 的i s o o s i 参考模型分层结构如图2 - 1 所示i 加i 。 图2 - 1c a n 的i s 0 0 s i 参考模型的层结构 f i g 2 - 1l a y e rs t r u c t u r eo fc a n b u sp r o t o c o l 一8 哈尔滨理工人学工学硕l ：学位论文 为了达到设计的透明度及实施的灵活性，根据i s o o s i 参考模型，c a n 被细分为数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 茅- 1 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 。其中，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 i l l 【c o n t r 0 1 ) 和介质访问控制子层 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 。在c a n 技术规范2 0 a 中，数据链路层的l l c 和m a c 子层的服务和功能分别称为“目标层 和“传输层”。物理层的作用 是在不同节点之间根据所有电气属性进行位的实际传输。同一网络的物理层对 于所有节点是相同的。 2 2 2c a n 总线的位数值表示与通信距离 c a n 总线用“显性”和“隐性 两个互补的逻辑值表示“o 和“1 。 当在总线上出现同时发送显性和隐性位时，其结果是总线数值为显性( 即“0 与“1 ”的结果为“0 ) 。v c a n h 和v c a n l 为c a n 总线收发器与总线之间的两 接口引脚，信号是以两线之间的“差分 电压形式出现，如图2 2 所示【1 1 i 。在 隐性状态，v c n n - a 和v c a n - l 被固定在平均电压附近。在总线空闲或隐性位期 间，发送隐性位。显性位以大于最小阀值的差分电压表示。 图2 2 总线位的数值表示 f i g 2 - 2n u m e r i cr e p r e s e n t a t i o no fb u sb i t c a n 总线上任意两节点间的最大传输距离与其位速率有关，如表2 1 所 示。这里的最大通信距离指在同一条总线上两个节点之间的距离。一个实际应 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 用系统网络结构中可以是树型拓扑。在各级分支的节点上采用网关，实际上就 是由多个c a n 控制器或外加其他通信协议的接口芯片组成的一个设备。这样 几乎既不受限制地扩大了通信距离，又有网关或网桥甚至路由的作用。 表2 1c a n 总线系统任意两节点之间的最大距离 t a b l e2 - 1m a x i m u md i s t a n c ea m o n gn o d e so fc a n s y s t e m 位速率k b p s 1 0 0 05 0 02 5 01 2 51 0 05 02 01 05 最大距离m 4 01 3 02 7 05 3 06 2 01 3 0 03 3 0 06 7 0 01 0 0 0 0 2 2 3c a n 总线的技术规范 c a n 总线的物理层是将e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 连接至总线的电路实 现。e c u 的总数将受限于总线上的电气负载。物理层定义了物理数据在总线上 各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码解码、 位定时和同步的实施标准。b o s c hc a n 基本上没有对物理层进行定义，但基 于c a n 的i s o 标准对物理层进行了定义。设计一个c a n 网络时，物理层具 有很大的选择余地，但必须保证c a n 协议中介质访问层非破坏性位仲裁的要 求，即出现总线竞争时具有较高优先权的报文获取总线竞争的原则。所以要求 物理层必须支持c a n 总线中隐性位和显性位的状态特征。在没有发送显性位 时总线处于隐性状态，总线空闲时总线处于隐性状态；当有一个或多个节点发 送显性位，显性位覆盖隐性位，使总线处于显性状态。在此基础上，物理层主 要取决于传输速度的要求。在c a n 网络中，物理层从结构上可分为三层：分 别是物理信号层( p l s ，p h y s i c a ls i g n a l i n g ) 、物理介质附件层( p m a ，p h y s i c a l m e d i a a t t a c h m e n t ) 和介质接口层( m d i ，m e d i ad e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 。其中p l s 层 连同数据链路层功能由c a n 控制器完成，p m a 层功能由c a n 收发器完成， m d i 层定义了电缆和连接器的特性。目前也有支持c a n 的微控制器内部集成 了c a n 控制器和收发器电路。p m a 和m d i 两层有很多不同的国际、国家或 行业标准，也可自行定义，比较流行的是i s o l l 8 9 8 定义的高速c a n 发送接 收器标准【1 2 1 。 m a c 是c a n 协议的核心，它描述由l l 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。 哈尔滨理工人学工学硕卜学位论文 2 3c a n 报文的帧结构 在c a n 2 0 b 的版本协议中有2 种不同的帧格式，不同之处为标识符域的 长度不同，含有1 1 位标识符的帧称之为标准帧，含有2 9 位标识符的帧称为扩 展帧。在c a n 规范1 2 中，标准格式等效于数据远程帧格式，然而扩展格式 是c a n 协议的新特性。为使控制器设计相对简单，并不要求执行完全的扩展 格式，但必须不加任何限制的支持标准格式。但无论是哪种帧格式，在报文传 输时都有以下4 种不同类型的帧【1 3 ，1 4 1 ： 1 数据帧，数据帧将数据从发送器传送到接收器； 2 远程帧，总线单元发出远程帧来请求发送一个具有相同标识符的数据 帧； 3 错误帧，任何单元检测到总线错误就发出错误帧； 4 过载帧，过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。 数据帧由7 个不同的位域组成，即：帧起始( s t a r to ff r a m e ) 、仲裁域 ( a r b i t r a t i o nf i e l d ) 、控制域( c o n t r o lf i e l d ) 、数据域( d a t af i e l d ) 、c r c 域( c r c f i e l d ) 、应答域( a c kf i e l d ) 、帧结尾( e n do ff r a m e ) 。其格式见图2 3 。 。伙i 口j 工i 口j r i 帧起始 l 仲裁域 控。刨域 数j 徭域c r c 校验码域 空间 应答域帧结束 图2 3 数据帧结构 f i g 2 3s t r u c t u r eo fd a t af r a m e 远程帧由6 个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、c r c 域、应答域、帧 结尾，见图2 4 。与数据帧相反，远程帧的r t r 位是隐性的。它没有数据域， 所以数据长度代码的数值没有意义( 可以标注为0 8 范围里的任何数值) 。r t r 位的极性表示了所发送的帧是个数据帧( r t r 位显性) 还是一个远程帧( r t r 哈尔滨理1 二人学工学硕上学位论文 位隐性) 。 1 _ l 1 一恍l 口j 工i o i 崎杏己l l 帧起始 。 仲裁域 括! 制域 c r c 校验码域 f 岛旌愤 帧结束 图2 4 远程帧结构 f i g 2 - 4s t r u c t u r eo f r e m o t ef r a m e 错误帧由两个不同的域组成，第一个域是来自控制器的错误标志的叠加， 第二个域为错误界定符，其结构如图2 5 所示。 数据帧叫_ _ 型塾生+ 卜帧间空间或过载帧 错误标志 错误标志的叠加 。 童磐涅照常绍 图2 5 错误帧结构 f i g 2 5s t r u c t u r eo fe l l o rf r a m e 过载帧包括两个位域：过载标志和过载界定符，如图2 - 6 所示。 帧结束或错误界定_ l 一过錾噬一 ，f +帧间空间或过载帧 符或过载界定符 过载标志 过载标志能重叠 。 对菏具电摺 图2 - 6 过载帧结构 f i g 2 6s t r u c t u r eo fo v e r l o a df r a m e 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 2 4c a n 总线系统的构成 c a n 总线是现场总线的一种，是一种有效支持分布式控制或实时控制的 串行通信网络，隶属于控制网络的范畴。从原理和实现的角度，只要有两个 c a n 节点和将它们连接成一体的通信媒体( 女n x 2 绞线) 就可以构成一个c a n 总 线系统，这两个节点之间通过通信媒体交换信息。而由c a n 总线构成的控制 网络的结构一般是由控制器节点、传感器节点、执行器节点以及其他的监控节 点如人机界面组成，c a n 作为控制局域网还可以通过网关和其他网络如以太 网互联构成大型复杂的控制网络结构，如图2 7 所示。 从控制系统的角度来看，最小的控制系统是一个单回路的闭环控制系统， 由一个控制器、一个传感器和一个执行器组成；以c a n 总线为基础的网络控 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 c a n 总线。从现场总线控制系统( f c s ) 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【1 5 1 。c a n 这个局域网控制系统也可以作为整个大型控制系统的一个子系 统，这时，c a n 通过网关和整个系统建立联系。 控制器1控制器2控制器n c检测设备 人机界面 f filf 嚣1i l 嚣i | 霉慧fi 嚣1 | 嚣川豁n 器x 仆关i 节点 i 节点2l 节点n si 节点ii 节点2l 节点r v i 其他网络 图2 - 7 典型c a n 总线网络系统结构 f i g 2 - 7t y p i c a lc a nb u sn e t w o r ks y s t e ms t r u c t u r e 一个简单的c a n 总线系统主要由上位机和微控制器构成，包括通用个人 计算机和c a n 的接口( c a n 适配卡和若干个c a n 网络节点) 。c a n 适配卡是 实现上位机系统和c a n 总线的连接接口，它的作用和以太网网卡相同。带 c a n 适配卡的上位机在c a n 总线系统中相当于一个网络节点。而一般的 c a n 节点都是由微控制器系统组成的，根据节点的功能，分别完成某一个特 哈尔滨理工大学工学硕l ：学位论文 定的任务，如将传感器数据上传到总线上，或将网络中传来的控制数据输出到 执行器来控制该执行器的动作。 2 5 本章小结 本章主要介绍了c a n 总线网络协