（电力电子与电力传动专业论文）重型汽车can总线控制系统的应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n s t r u c t i n gc o n t r o ln e t w o r ki nh e a v yd u t yv e h i c l eb a s e do nc a nb u sh a sb e e n e x t e n s i v e l yd e v e l o p e di ne u r o p e a na n da m e r i c a na u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r s ，w h e r e a s t h e mi sn os e l f - d e s i g nc a nb u sn e t w o r kp r o d u c ti no u rc o u n t r y t h ed e s t i n a t i o no f t h i sp a p e ri st od e s i g nh e a v yd u t yv e h i c l ec a nb u sc o n t r o ls y s t e ma d a p t e dt ot h e s i t u a t i o no f o u rc o u n t r y ，i nt h ee n d ，c a r r yo u ts e l f - d e s i g nc a n b u sn e t w o r kp r o d u c t s a u t h o rh a sc o o p e r a t e dw i t hj i n a nx i n f i a n y ua u t o m o b i l ee l e c t r o n i cc o ，l t df o r t w oy e a r st od e v e l o ph o w os e r i e si n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o rc h i n an a t i o n a l h e a v yd u t yt r u c kg r o u pc o ，l t d ( c n h t c ) a tp r e s e n t ，t h ei t e mh a sm a d ep r o g r e s s s y s t e m a t i c a l l yb yp h a s e s ，b r o u g h tf o r w a r dt h eo v e r a l ld e s i g no fh e a v yd u t yv e h i c l e c a nb u sc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns a ej 1 9 3 9p r o t o c o l ，f u r t h e r m o r ew eh a v ec a r r i e d o u ts e v e r a lt y p i c a ln o d e s t h ep r o d u c tc o m p o s e do fa u t o m o b i l ed a s h b o a r da n db o d y c o n t r o ln o d e sh a sb e e nf u r n i s h e dt op a r t i a lh e a v ym o t o rv e h i c l e so fc n h t c ，a n d a c h i e v e dp r o s p e c t i v er e s u l t t h i sd i s s e r t a t i o ni st h es u m m a r yo fi t e mo fh o w o s e r i e s i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mb yp h a s e s t h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l yi n v e s t i g a t e sh e a v yd u t yv e h i c l ee l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e m sn e t w o r kd e v e l o p i n gt r e n d ，t h e nb r i n g sf o r w a r ds e v e r a lo p t i o n a lo v e r a l l p r o j e c t so fh e a v yd u t yv e h i c l ec a n b u sc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns a ej19 3 9p r o t o c 0 1 a p p r o p r i a t ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lm o d e l s ，n e t w o r km a n a g e m e n tp o l i c y ，a n dm a i n m e s s a g e so ft y p i c a ln e t w o r kn o d e sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h e nt w ot y p i c a ln o d e s d e s i g no f h a r d w r ea n ds o f t w a r ei si n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c he m p h a s i z e so n t h ea c h i e v e m e n to fc o m m u n i c a t i o ni nn o d e s ，a n dt h es o l u t i o nt os o l v ee m ci nt h e s y s t e mi sa l s og i v e n i nt h ee n d ，t h ec o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n to fc a nb u sc o n t r o l s y s t e mb a s e do ns a ej 1 9 3 9p r o t o c o la n dp r o s p e c t i v er e s u l ti sg i v e n ，w h i c hv e r i f i e s t h es c i e n t i f i c a l n e s so f n e t w o r k p r o j e c t sr e c o m m e n d e d i nt h i sp a p e r a sd i f f e r e n c et oo t h e rd i s s e r t a t i o n s ，c a nb u sc o n t r o l s y s t e m i s s p e c i a l l y d e s i g n e df o rh e a v yd u t yv e h i c l ei nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c ha d o p t ss a ej 1 9 3 9p r o t o c o l a sa p p l i c a t i o np r o t o c o l ，a n ds e v e r a lt y p i c a ln o d e sa r ec a r r i e do u t a st h ef o l l o w i n g l l 山东大学硕士学位论文 w o r k ，w ew i l lc a l t yo u to t h e rn e t w o r kn o d e s ，t h e nf i n i s ht h et o t a lh e a v yd u t yv e h i c l e e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do i lc a nb u s k e y w o r d s ：c a nb u s ；s a ej 1 9 3 9p r o t o c o l ；h e a v yd u t yv e h i c l e ：e l e c t r o n i cc o n t r o l u n i t ；m e s s a g e 附件一 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。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已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：冯垒颦日期：2 q ! 拿翊，日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定同意学校保留或向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅：本人授权山东大 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，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：。虽垂墅导师签名多幺型弛日期：趁。缱凰7 。日 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 重型汽车的电子系统及其对控制的要求 重型汽车从结构方面看，发动机、底盘、和车身三个主要部分组成。首先重 型汽车要拥有能够提供足够动力的发动机，其次要有满足不同道路行驶的底盘， 包括传动系、制动系、转向系和悬挂行走系，最后是为驾驶员和乘员提供一个安 全、方便、舒适的使用和休息环境的乘坐空间以及货物的装载空间的车身。现代 汽车，不管是发动机、底盘还是车身，都离不开电子控制。在早期的重型汽车中， 由于电子技术的欠发达，电子控制仅用于发动机、灯光照明等控制。随着现代电 子技术的发展，特别是微型计算机技术在重型汽车上的广泛应用，使得电子控制 在重型汽车中的应用越来越多。电子控制系统的组成按控制原理和各部件的功用 可分为传感器、电控单元e c u 和执行器三个部分。传感器作为输入部分，用于测 量物理信号( 温度、压力等) ，并将其转换为电信号。重型汽车上的传感器的种 类很多，常用的传感器有：温度传感器、流量传感器、进气压力传感器、节气门 位置传感器、发动机转速传感器、车速传感器、曲轴位置传感器、氧传感器、爆 震传感器、轮胎压力传感器等，按工作原理又可分为磁电式传感器、霍尔式传感 器、压电式传感器、光电式传感器。汽车传感器的工作条件极为恶劣，因此，传 感器需要可靠工作。在某些情况下，会出现多个e c u 需要同一个传感器信号的情 况，如制动防抱死系统和发动机控制系统都需要车轮速度信号。e c u 是以微型计 算机为中心，还包括前置的a d 转换器、数字信号缓冲器以及后置的信号放大器， 辅以各种电子元器件。e c u 的作用是接收传感器的输入信号，并按设定的程序进 行计算处理，输出处理结果：执行器则根据e c u 的电信号驱动执行机构。执行器 用来准确无误地执行e c u 发出的命令信号，重型汽车上用的执行器有电磁阀、电 动机、压电元件、点火器、电磁继电器、热电偶等。 重型汽车的电子控制系统主要有发动机控制系统、电控自动变速器系统、防 抱死制动系统( a b s ) 、驱动防滑牵引力控制系统( a s r t c s ) 、电子控制助力转 向系统( e p s ) 、电涡流缓速器、行驶记录仪、组合仪表、车身电子控制系统、空 调系统等。尽管有的系统可以实现单独控制，但更多的是与外围设备及其他电控 单元进行信息交流，如行驶记录仪和组合仪表都需要车速信号，发动机与a b s 之间频繁交换数据等。现代汽车采用网络技术是一种必然，采用汽车内部网络来 山东大学硕士学位论文 解决各个系统问进行数据交换的问题，通过汽车内部网络的信息通信来实现汽车 高度的集中控制及故障集中诊断，完成系统问各种必要的信息交换。在网络系统 中，各e c u 可以单独实现测量和控制，也可以互相共享数据实现控制，还可以给 诸如车辆信息中心提供需要的信息。综上所述，采取网络互联达到数据共享，成 为现代重型汽车电子控制的必然要求。 1 2 传统的重型汽车电子控制系统及其局限性 传统的重型汽车的电子控制系统和其他汽车一样大多采用点对点的单一通 信方式，相互之间少有联系，电子控制系统中仅有开关和执行器等简单设备，并 通过点到点的连线方式实现这些车载设备的通信。随着车内电子系统和电器的增 加，这种通信方式导致了日益复杂的线束，并因此带来了汽车整体布置空间缩小、 制造和总成难度增加、成本和利润比率提高、不符合汽车轻量化要求、可靠性降 低等问题。据统计，一辆采用传统布线方法的高档轿车中，其导线长度可达2 0 0 0 米，电气节点达1 5 0 0 个，而且该数字大约每1 0 年增长1 倍。而汽车线束重量每增 2 n 5 0 千克，每百公里油耗会增加o 2 5 + 。虽然在重型汽车中对减少导线的重量和 长度并没有轿车中那么迫切，但无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法 都将不能适应重型汽车的发展。 重型汽车的发动机主要为柴油机，目前国内的重型汽车的柴油发动机尚未大 量的采用电子喷射技术。随着我国国标准和欧标准的逐步实施，届时国内的 重型汽车将大量使用电子喷射技术的发动机。采用了电子喷射技术的发动机控制 需要采集刹车状态、离合器状态、空调器状态等信息，并将有些信息传递给a b s 等控制类e c u 。类似于发动机，重型汽车上的其他电控单元并不仅与负载设备连 接，更多的是与外围设备及其他电控单元进行信息交流，并经过复杂的控制决策 运算，发出控制指令，这不是传统的控制方式就能实现的。此外，在不同子系统 中的电控单元常常会同时需要一些相同的传感器信号。这样就要求同一传感器信 号必须被同时发送到不同的控制器。由此要求各电控单元与此传感器之间通过导 线连接起来，而导致车内导线数目和长度大大增加，电气节点数剧增，电气原理 图繁琐复杂。采用传统的控制方式，不仅使系统增加了成本，也增加了发生故障 的可能性。 目前，重型汽车电子控制正在从传统的“独立系统的精确量化反馈控制”阶 山东大学硕士学位论文 段，向“整车控制优化、整车控制智能化”的方向发展，即把整体上相关，功能 上相对独立而位置上分布安装的电子控制系统组成一个协调控制的网络系统。应 用网络系统的电子控制手段，己成为汽车设计研究部门考虑汽车结构革新的重要 手段，且已取得显著效果。比如，汽油发动机采用电控喷射系统精确地控制空燃 比，实现了闭环控制并采用三元催化剂转化器取代了传统的化油器，使其汽油机 的有害排放物降低9 5 以上，燃油效率较2 0 年前提高近两倍。又如，由于安装了 制动防抱死系统( a b s ) ，使汽车在湿滑路面上伤亡事故的发生率降低t 2 4 2 8 。 1 3 重型汽车电子控制系统的网络化发展趋势 萨3 1 汽车电子控制系统网络化 为了解决日益增长的线束问题，国际上汽车业界在借鉴计算机网络技术和工 业现场总线控制技术的基础上选择了汽车网络技术，并开发出了各种车用总线及 ：一 协议。目前，车载局域网络已成为汽车电子技术发展的主要方向，汽车的网络化 控制亦将成为未来汽车电子发展的三大趋势( 智能化、系统化和网络化) 之一。 在汽车中引入网络技术不仅为了解决日益增长的线束问题，而且兼具另外一 个重要功能，即实现电子控$ , j e c u 间的信息交流达到优化汽车电子控制。首先， 为了实现多目标的优化控制，进一步全面提高汽车的整体性能( 动力性、操纵性、 安全性、舒适性和经济性) ，根据智能化的要求和综合协调控制的特点，综合控 制系统将更多地依赖系统内、外部信息的获取，这要求互相独立的电子系统和装 置间进行数据交换和信息传递。因此，现代汽车采用网络技术解决分布式控制是 一种必然，使用汽车网络不仅可以减少线束。而且能够提高各控制系统的运行可 靠性，减少冗余的传感器及相应的软硬件配置。实现各子系统之间的资源共享， 便于集中实现各子系统的在线故障诊断。 在一些早期的汽车网络中，通用网络标准并未得到广泛的认同和应用，汽车 制造商通常利用自己定制的电路和u a r t ( 通用异步收发器) 设备实现简单的串行 通信。由于没有统一的标准，各汽车制造商都有一套独立定义的接口规范，有自 己的专用供应商，这种做法造成的后果是，供应商虽然纵向紧密地与汽车制造商 合作，却缺乏与其他供应商的横向联系，导致生产的同类产品不能兼容互换。这 种矛盾的发展导致了采用标准化网络技术，各供应商按照统一的标准生产部件， 提高了同类产品的兼容性和互换性。而汽车制造商可以委托任意一家合格的供应 山东大学硕士学位论文 商开发符合标准的模块，原来各制造商采用自定义的规范，现在转而支持工业范 围内的标准化协议。 汽车电子网络控制是计算机网络技术和工业现场总线控制技术在汽车中应 用的结果。汽车电子网络控制是研究如何利用总线数据通信原理实现现代汽车中 各独立电子系统和控制装置间控制信息传递通道的简洁互连，实时、可靠的数据 交换及综合协调控制的- - i 7 最新技术，是以科学、合理的数据通信协议以及支持 这些协议的大规模集成电路为基础的，是汽车行业发展的趋势之一。 1 3 2 汽车网络的分类和主流协议的分析 国际著名汽车制造商和零部件供应商于二十世纪八十年代就致力于汽车网 络技术的研究与应用，迄今已推出多种网络协议标准，如s a e 的j 1 8 5 0 ，i s o 的v a n ， b o s c h 的c a n 、美国商用机器的a u t o c a n 、德国大众的a b u s 等。在各种汽车网络协 议中，c a n 以其独特的设计，优异的性能和极高的可靠性得到了最为广泛的应用。 尤其在欧洲，d a i m l e rc h r y s l e r 、b m w 、v o l k s w a g e n 及v o l v o 公司等都将c a n 作为 车载电子系统网络化的手段。美国的制造商也正逐步将他们的汽车网络系统由 j 1 8 5 0 过渡至i j c a n 。随着汽车网络技术的飞速发展，特别是x - b y w i r e 技术的提出， 近几年又诞生了许多新的协议，如l i n 、f l e x r a y 、b y t e f l i g h t 、t t p 等。这些协 议有的可以直接划归至q s a e 的分类中，而有些则不太好确定其分类归属。因此 大量新协议的诞生必然会导致对车用网络分类的重新划分。 网络分类位传输速率应用场合 a 类 低速， 1 m b p s多媒体控制 表1 1s a e 的汽车网络分类 二十世纪九十年代中期，s a e ( s o c i a t yo fa u t o m o t i r ee n g i n e e r ) 根据位传 输速率和应用把汽车网络分为三大类a 、b 、c 类。如表1 1 所示，其中a 类网为面 向执行器、传感器的低速网络，b 类为面向数据共享的中速网络，c 类为面向实时 控制的高速网络。现在，有些人提出了在s a e 分类的基础上增加d 类网络一面向多 媒体、导航等系统的高速网络。 4 山东大学硕士学位论文 i 、a 类网络协议 a 类网络主要面向传感器、执行器的低速网络。该类网络实时性要求不高， 位速率一般在1 1 0 k b p s ，主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。 表1 2 给出了一些a 类网络协议。 名称主要用户主要应用场合注释 u a r tg m 多种场合正被逐步淘汰 s i n e b u s g ma u d i o 应用于无线操纵车轮控制 l i n许多厂商智能连接器、智能传感器由l i n 协会开发 c c dc h r y s l e ri t v a c a u d i o 等正被逐步淘汰 j 1 7 0 s j 1 5 8 7 3 1 9 2 2 t & b 多种场合正被逐步淘汰 t t p a r r t e c h 智能传感器 由维也纳大学开发 表1 2a 类网络协议 目前a 类网络协议中较有发展前途的有t t p a ( t i m e t r i g g e r e dp r o t o c a l ) 、 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 ) 等协议。 t t p a 协议最初由维也纳技术大学制定，该协议基于时间触发，主要应用于 集成了智能变换器的实时现场总线中。它的主要特点是：能自动识别出现行主节 点( 控制着协议运行的节点) 与从节点( 相应主节点的节点) ；能提供时间的预测性 ( 但不具备内部容错功能) ；具有标准的u a r t 接口和即插即用能力；能在系统上电 或正常运行时自动配置传感器参数等等。 l i n 协议由a u d i ，m o t o r o l a ，b m w ，v c t 等公司成立的l i n 协会于1 9 9 9 年7 月提 出，最新版本是2 0 0 0 年1 1 月发布的1 2 版。它采用s c i u a r t 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。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、生产以及诊 断服务的成本。l n 是一个较新的协议，其应用正处于开发中，预计近期会在汽 车上实现。尽管l i n 网络目前正处于开发阶段，但是它已经广泛地被世界上的大 多数汽车公司以及零配件厂商所接受，它有望成为a 类网络的世界标准。 2 、b 类网络协议 b 类网络主要面向独立模块间的数据共享，是中速网络，该类网络适用于对 实时性要求不高的通信场合，以减少冗余的传感器和其它电子部件。b 类网络的 山东大学硕士学位论文 位速率一般在1 0 l o o k b p 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。 b 类网络中具代表性的协议有s a ej 1 8 5 0 ，v a n ( v e h i c l ea r e an e t w o r k ) ， c a n ( i s 0 1 1 8 9 8 3 ，不高于1 2 5 k b p s ) 等协议。s a ej 1 8 5 0 最早用在美国f o r d ，g m 以 及前c h r y s l e r 公司的汽车中，现在该协议广泛运用于汽车的诊断和数据共享。 1 9 9 4 年6 月i s o 推出的v a n ( v e h i c l ea r e an e t w o r k ) 标准是在原i s 0 1 1 5 1 9 3 基础上 制订的，主要为法国汽车公司所用。v a n 协议是免费公开的，除了汽车方面的应 用之外，这个标准还可用在其它领域中。在欧洲市场上，主流的汽车控制网络是 c a n 。该协议由德国b o s c h 公司在二十世纪八十年代开发，1 9 9 1 年9 月飞利浦半导 体公司制定并颁布了c a n 技术规范( 版本2 o ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。在 c a n 2 o a 中给出了标准帧格式，在c a n 2 o b 规范中给出了扩展帧和标准帧格式。此 后，1 9 9 3 年n 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i s 01 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卡车和 客车控制和通信分协会选择c a n 作为j 1 9 3 9 标准( 在卡车和客车中应用的c 类网络) 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 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 目前，b 类网络之间的竞争己初见端倪，c a n 凭其优越的性能，可能成为被全 世界接受的b 类网络主流协议。 3 、c 类网络协议 名称 主要用户主要应用场合注释 i s o1 1 8 9 8 3欧洲 多种场合 1 2 5 k i m b p s ，高速c a n j 2 2 8 4g m ，f o r d ，d c 多种场合基于i s o1 1 8 9 8 v a n r e n a u l t p s a控制应用 基于 s o1 1 5 1 9 3 3 1 8 5 0g m f o r d ，c h r y s l e r多种场合主要应用于北美汽车公司 表1 3c 类网络协议 c 类网络主要面向高速、实时闭环控制，如悬挂控制、发动机控制、a b s 等系 统。表1 3 2 出了几种主要的c 类网络协议。c 类网络协议目前最高位速率能达到 l o m b p s ( 注：s a e 规定的c 类网络的速率是1 2 5 k 1 m b p s ，这里对该类网络从其控制 山东大学硕士学位论文 功能上进行了扩展) 。 c 类网络中具有代表性的协议有高速c a n ( i s o1 1 8 9 8 2 ) ，f l e x r a y ， t t p c ( t i m e t r i g g e r e dp r o t o c 0 1 ) 等协议。c a n 仍是基于优先级的随机访问方式， 而其它几种协议是基于t d m a 或f t d m a ( f l e x i b l et i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的确定访问方式，数据传输具有确定的时间延迟，且有很高的传输速率。f i e x r a v 是b m w ，d a i m l e r c h r y s l e r ，m o t o r o l a 及p h i l i p s 等公司制定的功能强大的网络通 信协议。该协议具有容错功能以及确定的消息传输时间，能满足汽车高级控制的 通信要求。f l e x r a y 支持同步和异步通信，传输时不需要仲裁，数据传输率达到 l o m b i t s ，净传输率达至0 5 m b i t s 。可以通过数据传输速率确定信息传输延迟和 抖动。f l e x r a y 协议制定了快速错误监测和错误通知机制，通过独立的总线监管 来抑制错误，除此之外，f l e x r a y 协议还支持冗余传输并提供以全局时间为基准 的容错时钟同步。f l e x r a y 单一网络最多有6 4 个节点。物理层支持光纤、电缆， 支持总线、星型拓扑结构。f l e x r a y 网络主要用于下一代汽车的底盘控制、动力 系统控制以及x _ b y w i r e 控制等，目前该协议还处于发展阶段。t t p c 是t t p 协议 的基本组成部分，允许使用双绞线或光纤作为传输介质，介质访问以t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 为基础，支持时间和事件触发。目前该协议己不局 限于汽车行业的应用，由于t t p 能够满足f a a ( 联邦航空局) 的要求，该协议己经在 航天业中使用了一段时间。此外铁道工业中还采用了该技术。事实证明了t t p 具 有比较大的优势和竞争力。作为一种事件驱动型总线，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，因为作为未来车辆控制技术，x - b y w i r e 对通信 的实时性和可靠性要求极高，c a n 基于优先级的随机访问方式，不能满足该类网 络系统的要求，其余两种协议t t p c ，f l e x r a y 基于t d m a 或f t d l a ( f l e x i b l et i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的确定访问方式，数据传输具有确定性的时间延迟， 且有很高的传输速率( 1 l o m b p s ) ，有望成为下一代汽车中线控系统( x _ b y w i r e 协议) 之间的网络通信协议。支持t t p 协议者认为t t p 己经被证明了在对安全性要 求较高的应用场合中l h f t e x r a y 更安全。专家也认为t t p 更加成熟而f l e x r a y 协议 仍然处于发展阶段。f l e x r a y 的支持者相信该技术具有它的竞争者同样的安全性， 但是它的优点是更加灵活。究竟哪种协议成为该类网络中的协议标准还将等待一 段时问。 山东大学硕士学位论文 4 、d 类网络协议 d 类网络主要面向多媒体、导航系统等。日前该类网络具有代表性的协议有 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 st r a n s p o r t ) 。这 两种协议都是专用于汽车工业的多媒体光纤网络标准。d 2 b 技术f h p h i l i p s ，s o n v ， m a t s u s h i t a 等公司于二十世纪八十年代后期开发成功，当时该技术主要用于家庭 娱乐设备，解决不同厂家产品的兼容性问题。1 9 9 2 年，该技术被h o n d a ，a l p i n e 公司应用于汽车的多媒体控制系统中，d 2 b 技术使汽车变成了一个流动的多媒体 工具。d 2 b 产生并得以应用之后，其速度仍然觉得慢，因而需要寻找另一种更高 速的协议来替代它。m o s t 标准出现于1 9 9 8 年，由主要的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进行开发，包括a u d i ，b m w ，d a i m l e r c 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 ns y s t e m s 。j o h n s o n c o n t r o l s a n dd 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率和性能， 而且具有很好的鲁棒性，成本也相对较低。德国b m w 目前在业界率先采用t m o s t 协议，d a i m l e rc h r y s l e r 等欧洲汽车制造商均计划采用该协议。就发展来看，在 汽车多媒体网络领域m o s t 是d 2 b 的替代者。预计m o s t 将很快成为载多媒体网络产 品的工业标准。 1 3 3 汽车网络的发展趋势 基于上文提出的对现有汽车网络协议的分类方法及其主流协议分析，可以看 出汽车网络技术的发展趋势主要有以下几个方面： 1 、网络技术迅速在汽车应用中普及 几年前汽车网络控制的应用还局限于高档车，对于大多数人讲，汽车网络技 术还是一个比较陌生的概念。短短几年内，汽车网络技术的发展速度已令人瞠目 结舌，从目前的情况看，世界各大汽车公司的车身网络控制和动力系统网络控制 的技术平台均已基本建立，在新推出的车型中，全面采用网络控制技术已成为可 能，因此可以断言，近几年内网络技术在汽车中的应用将会迅速普及。 2 、高速、实时、容错网络控制技术 线控概念( x b y w i r e ) 是一新的汽车工程概念，目前已有使用线控系统的概 念车出现。2 0 0 2 年1 月初在底特律举行的北美国际车展上，展出了一款奇特的跑 车a u t o n o m y ，它首次在汽车中使用t x - b y w i r e 技术。x b y w i r e 技术在未来将是 山东大学硕士学位论文 十分重要的技术，该技术极大改善了汽车的可操纵性、安全性、及总体结构，汽 车设计的灵活度也大大增加，驾驶员和方向盘之间将没有任何机械部分的连接， 使用这种技术使汽车的操纵系统、制动系统及其它辅助系统能够通过电子方式， 而不是传统的机械方式进行控制，也就是说，像转向柱、踏板连杆、变速杆连杆 等刚性传动件将会消失，取而代之的将是基于网络控制的各种传感器、控制器和 电液式电动执行器组成的线控系统。l b y w i r e 技术必将促进高速、实时、容错 网络通信技术的发展。 3 、多媒体、高带宽的网络 未来汽车网络同时将是一个多媒体、高带宽的网络，它能使车主生活更轻松， 并在某种程度上将办公室移入车内。目前，大多数此类技术尚处研发阶段，与蜂 窝移动电话技术相结合，像全球定位系统( g p s ) 和导航系统等少数技术己在高档 汽车中得到应用。 4 、统一网络协议标准 目前在汽车行业中存在很多网络通信协议，由于缺乏全世界统一的标准，实 际上增加了汽车的制造成本。例如，目前在c 类网络中t t p 和f l e x r a y 之间的争论 还没有结果，因此x b y w ir e 产品供应商必须提供与这两种结构兼容的产品。虽 然建立一个统一的汽车网络坍议体系是件十分复杂和困难的工作，但在汽车制 造商和供应商之间己逐渐对这一问题达成一致：在a 类网络中使用l i n ，在b 类网络 中c a n 已成为事实上的标准协议，在c 类网络中，对传统的实时分布控制( 对应于 x b y w i r e 技术而言) ，在较长一段时间内，以其成熟的应用技术和强有力的软硬 件支持，c a n 将作为事实上的统一标准，在采用x - b y - w i r e 技术的下一代汽车中， t t p 或者f l e x r a y 协议将是一种必然的选择。在c 类网络中，m o s t 有望成为车载多 媒体网络的协议标准。 1 4 课题状况 1 4 1 课题的来源和目的 在过去的两年里，作者同济南新天宇汽车电器有限公司合作，开发基于c a n 总线的“中国重汽h o w o 系列c a n 总线控制系统”。目前已经开发由组合仪表和 车身电子控制两个节点组成的阶段性产品，并小批量生产和装车，得到了成功应 用。我们正在与中国重型汽车集团公司技术中心合作，共同制定基于j 1 9 3 9 协议 山东大学硕士学位论文 的重型汽车c a n 总线控制系统方案，试图将重型汽车上的电子控制单元全部挂在 总线上实现信息通信。作者除参与方案制定外，还负责开发基予j 1 9 3 9 协议的重 型汽车总线控制系统的节点。本论文正是以中国重型汽车集团的“中国重汽h o w o 系列c a n 总线控制系统”项目为背景来撰写的。本文是该项目的阶段性总结。 汽车的先进性，主要集中表现在电子控制技术于汽车的应用程度上。电子控 制系统在汽车上的广泛应用，使得汽车的动力性、经济性、安全性、舒适性、可 靠性都得到了显著的改善和提高。据统计，在发达国家，汽车电子装置的成本己 平均占到整车成本的4 0 以上，可见汽车技术进入了崭新的电子控制时代。目前， 汽车电子控制技术正进一步朝着整车控制优化、整车控制智能化的方向迈进，己 成为当代汽车技术领域及相关领域所关注和研究的重点课题。伴随着电子技术尤 其是电子控制技术在汽车上日益广泛应用的现状和迅猛发展的势头，汽车有限空 问内的布线技术及通信技术成了技术发展的关键。不仅计算机技术、通信技术、 传感器技术、集成电路技术等在汽车上得到了广泛应用，而且以c a n 总线系统为 代表的汽车网络技术也应运而生。 目前就c a n 的应用而言，我国汽车制造业与国际相比还剐刚起步。在轿车领 域，上海大众、安徽奇瑞和一汽大众的最新轿车中搭载了使用c a n 总线技术的电 气设备，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 ia 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 c a n 总线。在重型汽车领域，一汽集团、陕西重型汽车集团等重型汽车 生产厂家已经开始研究c a n 总线在重型汽车上的应用，中国重型汽车集团公司已 经开始在最新的车型上搭载基于c a n 总线的智能控制系统。现代汽车中已有的一 些典型的控制单元，如电控燃油喷射系统、电控自动变速器系统、防抱死制动系 统( a b s ) 、驱动防滑牵引力控制系统( a s r t c s ) 、电子控制助力转向系统( e p s ) 、 电子控制空气悬挂系统( e c a s ) 、废气再循环控制系统( e g r ) 等，无论是轿车领 域还是重型汽车领域，国内都还没有自主知识产权的成熟的产品，基本上是直接 引进国外著名汽车电子供n n g l a o s e h 、日本电装、d e l p h i 等公司的产品。虽然 国内主机厂使用国外知识产权的电子总线控制产品，但很难拿到这些c a n 总线产 品的数据和信息，国外供应商给整车厂的技术资料仅是产品使用说明书。而诸如 刮水器控制、照明灯光控制、中央门锁控制、自动车窗控制、电动座椅控制、电 山东大学硕士学位论文 机控制、防撞防盗控制等非控制类独立电气设备在国内基本还是使用点对点通信 的单一模式，并没有使用总线技术。因此，国内的汽车电子控制网络系统只是使 用了预留了网络接口的国外汽车电子厂商提供的电子设备，并不是真正意义上的 汽车电子网络系统。 重型汽车近几年已发展了几代网络通信协议标准，主要是美国的s a e 标准。 j 1 9 3 9 协议由附属美国汽车工程协会卡车和客车汽车电气电子委员会的卡车和客 车控制和通信网络分委员会制定并组织维护和推广，是目前在大型汽车中特别是 重型汽车中应用最广泛的应用层协议。 采用国际公认标准协议j 1 9 3 9 在重型汽车内部形成c a n , 总线测控网络，在欧美 汽车厂家已得到成功实现。而国内目前尚无具有自主知识产权的重型汽车c a n 总 线网络产品。因此制定s a ej 1 9 3 9 协议的汽车网络控制系统方案，并开发可挂载 至i j c a n 总线上的网络节点是目前国内汽车行业需解决的一个迫切而现实的问题。 本文的研究目的是综合国外汽车网络、总线、通信协议的现状和发展趋势， 根据目前国内汽车工业的现状，制定出我国自主的基于s a ej 1 9 3 9 协议的汽车网 络方案，并在已开发出的节点通信试验的基础上验证方案的可行性，最终形成具 有自主知识产权的重型汽车c a n 总线测控网络产品。 1 4 2 课题的主要研究内容和意义 本文首先回顾了汽车网络的发展历史，介绍现有汽车网络的分类方法以及主 流协议的应用现状和发展前景。并在现有汽车网络协议的分类方法及其主流协议 分析的基础上，展望汽车网络技术的发展趋势。 然后在分析j 1 9 3 9 的数据链路层、网络层、物理层、车辆应用层的基础上， 研究如何把各个汽车电控单元作为节点挂至1 j 1 9 3 9 定义的网络上。提出了几种重 型汽车网络控制系统组网方案，分析主要节点的数据通信方式、网络管理、主要 报文。 最后开发出组合仪表和车身电子控制两个节点并进行了相应实验，重点进行 了通信的实时性和准确性测试，验证了上述方案的科学性。由于时间限制，仅开 发出两个典型的节点并进行通信实验，没有完全实现所提出的c a n 总线控制系 统，按计划这将是本课题的后续工作。 本课题提出的基于j 1 9 3 9 协议的c a n 总线网络控制系统方案对于国内汽车整 l l l 东大学硕士学位论文 车生产厂家制定c a n 总线网络控制系统方案有实践的指导意义：对于国内电子设 备提供商，本课题的研究成果能够帮助他们开发基于j 1 9 3 9 协议的车载电子设备， 或对现有电子设备进行改进，从而能够挂载到基于j 1 9 3 9 协议的汽车c a n 总线控制 系统上。 本课题的研究范围虽然是重型汽车网络系统，但这里的研究成果对于其它方 向的研究是十分有益的，一是课题研究的技术标准，如c a n ，本身的应用顿域就 不限于重型汽车网络，而是能用在几乎所有的机电系统的控制器网络中；二是课 题研究的某些f 7 题，如通信实时性、可靠性的f 1 题，是所有的采用分布式智能控 制的机电系统中都需要解决的：三是s a ej 1 9 3 9 协议不仅是重型汽车的总线协议 标准，还是目前客车中应用最广泛的应用层协议，因此本课题的网络方案对提出 适用于客车的c a n 总线网络控制系统具有借鉴意义。 山东大学硕士学位论文 第二章重型汽车c a n 总线控制系统总体方案研究 2 1c a n 总线在汽车控制系统中应用的优势 为了彻底解决现代汽车内部用少量的线束实现大量的控制测试仪器、微处理 器、传感器与执行机构之间的数据交换问题，德国博世公司于8 0 年代末率先提出 一个车载系统的控制器局域网c a n ，它实际上是一条采用双线制的允许多个控制 单元连接的串行信号通信链路总线，其总线规范现已被国际标准化组织( i s o ) 制定为国际标准。由于得孙o t o r l o l a 、i n t e l 、p h i l i p 、s i e m e n s 、n e c 等公司的 支持，它广泛应用在离散控制系统。由于c a n 总线通信速率高，可靠性好以及价 格低廉等特点，使其特别适合中小规模的工业过程监控设备的互连和交通运载工 具电气系统中。 c a n 总线的提出和推广应用，极大地加快了汽车电子、电脑、电信一体化的 进程，使整个汽车工业的面貌焕然一新。现在，世界上许多的著名汽车制造厂商 如奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用t c a n 总线来实现汽车内部控 制系统与各检测和执行机构间的数据通信。由于c a n 本身的特点，其应用范围目 前已经不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织工业、农用机械、 机器人、数控机床、医疗器械及传感器器等领域发展。c a n 已经形成国际标准， 并已经被公认为几种最有前途的现场总线之一。 c a n 总线有如下主要特点： 1 废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工 作，网络上任一节点均可在任何时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分 主从： 2 采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低 的节点主动停止数据发送，而优