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上海交通大学 硕士学位论文 带CAN总线的汽车智能前照灯系统设计 姓名：郑志军 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：唐厚君 20070901 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 页 共 86 页 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 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 个人或集体已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。 学位论文作者签名：郑 志 军郑 志 军 日期：2007 年 10 月 18 日 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 页 共 86 页 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并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。本人授权上海交通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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：郑 志 军郑 志 军 指导教师签名：唐 厚 君 唐 厚 君 日期 2007： 年 10 月 18 日 日期 2007 年 10 月 18 日 带 CAN 总线的汽车智能前照灯系统设计 带 CAN 总线的汽车智能前照灯系统设计 上海交通大学工程硕士学位论文 第 4 页 共 86 页 摘 要 摘 要 作为传统的行车灯的近光，只能工作在一种模式，即一种固定的光型。但实际的道路 使用状况和行车状况非常复杂（比如：很多弯道的公路、路口转弯、路面高低不同、车辆 乘员数量以及所带行李载荷的不同、加速减速行驶等等） ，也正是这种复杂的道路条件和行 车状况使得交通安全仍然存在巨大的隐患。随着汽车电子技术的不断发展和人们对夜间行 车安全需求的不断提高，本世纪初一种更为人性化的符合人们驾驶安全需求的智能型前照 灯系统 AFS(Adaptive Frontlighting System) 成了各大汽车厂商研究的对象。 近年来，为了简化车身电子电器的线束，车用总线技术获得了广泛的关注和应用。本 文将总线技术与智能前照灯系统相结合，研究了总线式智能前照灯系统的网络拓扑、硬件 及软件设计，设计开发了一套完整的基于 CAN 总线的智能前照灯控制系统。 本文首先介绍了智能前照灯系统的产生、发展和应用状况，分析了智能前照灯系统的 组成、功能和工作原理，在详细介绍了目前车身网络发展情况的基础上，结合公司生产实 际要求，设计了基于 CAN 总线的智能前照灯控制系统。该系统包括数据采集处理、电机驱 动、CAN 通讯、故障诊断和处理等模块。在文章的硬件部分，详细设计了传感器模块、电源 模块、控制器及外围电路、电机驱动电路、故障检测电路以及硬件安全保护电路。在软件 部分，设计了系统软件的整体流程，包括底层程序、应用层程序、算法程序等软件模块， 实现了一个完整的整车网络通讯系统。 通过对智能前照灯系统的测试试验得知，本系统能够实现灯光高度和左右调节的控制 与故障诊断，保证了车辆在各种状态（如：加速、减速、上坡、下坡、转弯、故障模式等） 下总能为驾驶员提供最佳照明，同时避免了对面驾驶员的炫目。试验结果表明了本设计方 案的可行性和正确性，整个系统符合 ECE R48 标准对于灯光的要求。 在论文的最后，对研究工作进行了总结，提出了诸多尚待解决的问题，为今后系统的 进一步完善提出了参考意见。 关键词：关键词：智能前照灯，AFS，车身网络，CAN 总线，智能功率模块，故障诊断 上海交通大学工程硕士学位论文 第 5 页 共 86 页 Design of Advanced Front-Lighting System Based on In-Vehicle Network Abstract: Lamps low beam as a traditional road driving lighting, it could work only in one mode which is exactly an immovable light shape. But the actual road surrounding and driving condition are extremely complex, for example road corners, devious roads, the difference highness of roads, number of the passengers, luggage load and speed up-down changing. Thats why the topic, traffic-safety became a big problem. With the auto electronic technology developing, the requirements from people of driving in the night are raising up. So, at the beginning of the century, the more humanly system-Adaptive, Frontlighting System(AFS) became the most of famous car makers investigation favor which can match the requirements much better. Recent years, the application of auto bus technology gets more attention and it is widely used in order to predigest auto-body wiring. Base on the combination of bus technology and AFS, this article investigates the topology network, hardware and software design of AFS with bus mode. And a complete AFS which based on CAN bus is designed in my article. This article introduced the beginning, developing and application status, then I analyzed the constitution, function and work theory. After the development of auto-body network nowadays was introduced in detail, the AFS based on CAN bus was designed. The module of data collection-process, motor drive, CAN communication and failure diagnostication-process are including in the system. In the section about hardware, there are sensor module, power model, controller circuit, motor drive module, failure check circuit and hardware protection circuit. In the section about software, there is a whole system flow including basic program, application program, arithmetic program and so on, all above realized a complete auto-body communication system. From the AFS test result, we got the conclusion that this system can realize not only up-down and left-right adjust control but also failure diagnostication function. So all of these make sure to provide drivers the best lighting in many kinds of conditions (speed up, speed down, upgrade, downgrade, turn direction and failure mode), and help to avoiding dazzle as well. The result of the test also shows us the feasibility and correctness of the design. The whole system can reach the requirements of ECE R48 for lighting. At the end of the article, there is summarize for the topic, there are also some questions which havent solved yet, I think they could be the ideas for improving the system in the future. Keywords: AFS auto-body network CAN bus intelligence power module failure diagnostication 上海交通大学工程硕士学位论文 第 8 页 共 86 页 第一章 绪论绪论 1.1 智能前照灯系统的产生智能前照灯系统的产生 作为汽车照明的前照灯系统，其发展经历了多个阶段：从最初的煤油灯到白炽灯，进 而近代的抛物面卤素前照灯，直至自由曲面卤素前照灯和投射系统前照灯，从上世纪九十 年代中期开始，产生了以气体放电灯为光源的投影系统前照灯和自由曲面前照灯系统1。 每一个发展阶段都蕴含着对行车安全的不断追求 （行车安全涉及的要素包括： 驾驶员、 行人、对面方向道路使用者、甚至交通信号标志等） 。提高行车安全的方式有： 1. 规定车辆前照灯照明根据道路状况使用近光和远光灯。近光为非对称光，在正常 行车时使用，远光在不影响其它道路使用者时使用，即灯光的使用不能造成光污染。 2. 提高光的利用率。例如:使用相同的光源，自由曲面系统前照灯将光的利用率从抛 物面自由曲面系统的百分之二十五左右提高到了百分之四十以上 （投影系统前照灯光的 利用率比自由曲面稍低，但使光型处于更加可控的状态） 。 3. 提高光源的光通量，例如:气体放电灯光源光通量比卤素灯提高了三倍，且使光色 更接近日光。此外放电灯比传统的卤素灯节能三分之二以上。 4. 在使用气体放电灯的同时，必须装备自动调光系统（该系统保证灯光在加速、减 速、上坡、下坡等各种变化的轴载荷条件下使近光灯一直保证在同一设定高度）和大灯 清洗系统（该系统保证大灯随时清洁，避免对驾驶员和其它道路使用者造成炫目，即光 污染） 。 然而， 这还远远不够。 由于道路交通密度的上升, 近年来， 交通事故和其危害逐年递增。 在一份官方统计中, 90%的交通事故是由于人的因素造成的。危险来源于复杂的交通状况, 包括不合理信息、缺少信息以及过度紧张等等。而灯光恰恰是仅有的信息载体, 它能让人们 对交通状况了解得更加清楚，了解可能存在的危险以及及时采取措施。统计表明，在欧洲 这个车辆使用规范、车辆安全要求和驾驶员素质最高的地区，由于照明引起的交通事故（即 如果在白天或者说照明条件好则交通事故完全可以避免的）达到 30以上，造成的损失可 想而知2。 再加上日益增多的车辆不断上路， 老年驾驶员的增多以及允许驾驶员驾驶年龄的 延长（欧洲允许驾驶到 70 岁，老年人的视力和反应速度明显下降）等等诸多因素使得矛盾 更加突出。 为了保证车辆安全驾驶， 在黑暗当中也同样如此, 要求大灯必须在一定的条件下照亮最 大的空间。气体放电灯的应用已经在光的强度方面比传统的卤素灯提高了很多。与此同时， 自动灯光高度调节系统的开发又表现出了更加重要的意义。自动灯光高度调节系统使大灯 灯光在整车运动状态下尽可能保持在一个稳定的高度，从而保证尽可能多的道路照明距离 上海交通大学工程硕士学位论文 第 9 页 共 86 页 和范围，同时又避免对迎面行驶车辆造成炫目。 众所周知，作为传统行车灯的近光，只能工作在一种模式，即固定的光型下（其光型 见附录 4） 。但实际的道路使用状况，环境状况非常复杂。比如：弯道公路，路口转弯，路 面高低不同，车辆乘员数量以及所带行李载荷不同，加速减速行驶等等。也正是这种复杂 的道路条件和行车状况使得交通安全仍然存在巨大的隐患。 随着汽车电子技术的不断发展和人们对夜间行车安全需求的不断提高，一种更为人性 化的符合人们驾驶安全需求的智能型前照灯系统 AFS(Adaptive Frontlighting System) 应运 而生了。该系统能够提供如下功能： 1. 保证灯光在加速、减速、上坡、下坡等各种变化的轴载荷条件下使近光灯一直保 证在同一设定高度。 2. 动态随动转向功能。即系统能够根据方向盘所转角度和车速信号，在弯路上使灯 光随着路面转动，从而为驾驶员提供更多需要的照明，同时减少对面车辆或路边行人的 炫目。对于不同的车速和转弯半径，左、右灯分别实现自身的转动，且由于光型的非对 称性，朝左和朝右转都要求不同的转动角度。 3. 为弥补转动角度的不足，还可以同时加装一个静态转弯照明灯，该灯只是在方向 盘超过一定的极限位置（转弯随动已经到达极限位置）时，朝着固定的方向对侧面进行 补充照明。 4. 需要检测灯光所照的位置，一旦系统出现故障，各个系统将根据不同的情况恢复 到安全状态，保证传统的照明，不对其它道路使用者带来炫目。 1.2 AFS 的简要工作原理的简要工作原理 2003 年初，一种具有“左顾右盼”功能的 Pre-AFS （初级 AFS）系统诞生了，该功能相 继得到 ECE, SAE 等国际法规的批准2。所谓的“左顾右盼”就是动态随动转向功能。与传统 前照灯相比较，该功能能够在弯路上提供更多需要的照明（见下图 11） 。其中虚线区域表 示无转弯随动功能的灯光照明范围，实线区域表示带转弯随动功能的照明范围，从中我们 可以清楚的看到，转弯随动功能给驾驶员带来了更多的有效照明，为对面车辆或路边行人 减少了炫目光。 上海交通大学工程硕士学位论文 第 10 页 共 86 页 图 1-1 AFS 前照灯与传统照明比较 Fig.1-1 Lighting Komparation AFS headlamp and traditional headlamp AFS 系统的功能实现：简单来说，AFS 就是利用组合前照灯本身固有的照明单元（一 般是带射灯模块和镇流器的气体放电灯，也可以采用卤素灯） ，通过采集方向盘转动的角度 信号，车速信号，以及车身高度变化信号，并通过确认控制开关、档位等开关量信号，使 射灯单元旋转到不同的位置，从而使系统工作，尽可能为驾驶员提供足够有效的照明，同 时又不对对面车辆和路边其它道路使用者造成炫目，即光污染。 1.3 AFS 系统的应用现状和发展趋势系统的应用现状和发展趋势 AFS 系统的应用现状 目前很多车辆都装备了上述功能，比如奥迪 A8，宝马 5 系，梅塞德斯 CLS、E 系、 M 系，大众 B6，凌志 RX330，丰田皇冠等等。 然而，致力于行车安全的专家们并未满足于已经取得的成绩。以德国海拉公司为首的 汽车灯具巨头们正在考虑如何让车灯在多种复杂的道路状况下，为道路使用者提供更好的 照明。一种称作 VARILIS（多功能可变智能灯光系统）的新技术即将诞生。除了上述随动 转向功能之外，它将根据车速，在不同范围产生不同的光型，即：乡村灯光（图 1-2） ，城 市灯光（图 1-3） ，高速灯光（图 1-4） ，远光（图 1-5） 。 图 1-2 乡村灯光 Fig.1-2 village lighting 上海交通大学工程硕士学位论文 第 11 页 共 86 页 图 1-3 城市灯光 Fig.1-3 city lighting 图 1-4 高速灯光 Fig.1-4 freeway lighting 图 1-5 远光 Fig.1-5 high beam lighting 传统的双氙气大灯中，遮光罩动作在远光和近光两个位置，毫秒之间，电磁阀拉动机 械机构使遮光罩上下移动，从而使射灯系统分别发出远光和近光。在 VARILIS 系统中，光 源和透镜之间不是双氙气大灯中的遮光罩，而是一个可旋转的柱体。该柱体表面有很多不 同的形状，它转到不同的角度意味着不同的光型。为有效确定应该使用的照明状态并根据 需要转换，由智能控制器处理不同传感器的信号，它们是：光线传感器、阳光传感器、速 度传感器、转角传感器等等。 AFS 的发展趋势 1. 安全问题永远是一个至高无上的主题 结合 GPS 导航系统，根据导航信息能够更清楚地识别所处的位置以及需要的灯光，从 而实现对灯光的更为智能化的调节。通过对路面的边界和行车线的识别以及对面车道照射 来的光强的变化，可以主动减少对对面车辆的光污染。 上海交通大学工程硕士学位论文 第 12 页 共 86 页 另外，通过红外照相系统进行远距离和宽范围的识别，则更有利于驾驶员提前作出判断 和反应。 2. 环保一直是这个能源短缺时代的主旋律 随着 LED 技术的不断发展，其功率越来越高（1W 到 3W） ，且效率也非常高，如果能 够用于前照灯，替代气体放电灯，其节能的优势是非常明显的，并且可以对多个 LED 进行 不同的开关控制， 从而实现 AFS 功能需要的不同的光型， 其系统节能性和可靠性尤为突出。 灯具寿命可达到 10000 小时，几乎与整车同寿命。 由于 LED 占用空间小，未来灯具的造 型将更加随心所欲，丰富多彩（见图 1-6）2。 图 1-6 用 LED 做光源的 AFS Fig.1-6 AFS with LED as light source 1.4. 毕业课题内容毕业课题内容 本毕业设计研究基于 CAN 总线的智能前照灯控制及诊断系统。 论文的主要研究工作包 括以下几个方面： 1. 在广泛调查国外智能型前照灯应用现状的基础上，设计轿车的前照灯自动控制系 统的总线化控制及诊断网络拓扑。 2. 采用高速 CAN 总线，实现以分布式总线控制系统收集左前照灯、右前照灯以及前 照灯控制器三个节点相关信息以及对执行器的控制与诊断。 3. 探讨基于 TP 2.0 传输协议的应用层协议，并以该协议为基础，完成本研究课题所 有系统的应用层协议开发制定，并对该协议有效性进行验证。 研究开发过程中，首先对现有轿车电气控制系统功能的分析。其次根据分析结果进行 上海交通大学工程硕士学位论文 第 13 页 共 86 页 本系统的技术可行性分析。最后确定最佳设计方案：选择相应的主控制芯片、驱动芯片、 总线通讯芯片等，完成底层线路板的设计，软件上完成车身网络通讯、各个执行器控制及 诊断、初步实现控制功能算法等。在此基础上，对整个系统进行系统级测试，最终完成原 型系统的开发。 上海交通大学工程硕士学位论文 第 14 页 共 86 页 第二章 CAN 网络协议 CAN 网络协议 在各种车身网络协议中，CAN 总线以其独特的设计、优异的性能和极高的可靠性得到 了最为广泛的应用，是目前最有前途的现场总线之一。在欧洲，BENZ、BMW、Volkswagen 及 Volvo 公司都将 CAN 总线作为车载电子系统的主要协议。美国的制造商也正逐步将他们 的网络系统从 J1850 过渡到 CAN。 2.1 CAN 总线简介总线简介3 4 5 CAN（Controller Area Network）诞生于 20 世纪八十年代，目前已成为世界上应用最广 泛的现场总线之一。它由德国 Robert Bosch 公司提出的，最初目标是为了解决现代汽车系 统中数量庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的线束。 1986 年 2 月，在底特律汽车工程师大会上，由 Bosch 公司研究的总线系统被称为“汽车 串行控制器局域网”。Uwe Kiencke、Siegfried Dais 和 Martin Litschel 分别介绍了这种多主方 式的串行通讯协议。此方案基于非破坏性的仲裁机制，能够确保高优先级的报文无延迟传 输，并且不需要在总线上设置主控制器。传输的报文并非根据报文发送器接收器的节点地 址识别，而是根据报文的内容识别。同时用于识别报文的标识符也规定了该报文在系统内 的优先级。 1990 年，Bosch 的 CAN 规范（CAN2.0）提交给国际标准化组织。在数次行政会议之 后，应一些主要法国汽车厂商的要求，增加了“Vehicle Area Network(VAN)”内容，并于 1993 年 11 月出版了 CAN 的国际标准 ISO11898，为控制器局域网的标准化、规范化的推广铺平 了道路5。该协议除对 CAN 的基本概念、分层结构、逻辑链路控制子层、逻辑链路控制和 媒体访问控制间的接口以及媒体访问控制子层进行了详细描述外，还特别对服务及其原语 格式以及物理层和监控器进行了描述和规范6，规定了最高至 1Mbps 波特率的物理层。同 时在国际标准 ISO11519-2 中也规定了 CAN 数据传输中的容错方法。1995 年，对国际标准 ISO11898 进行了扩展，以附录的形势说明了 29 位 CAN 标识符。 当前， 修订的 CAN 规范正在标准化中。 ISO11898-1 称为“CAN 数据链路层”， ISO11898-2 称为“非容错 CAN 物理层”， ISO11898-3 称为“容错 CAN 物理层”。 国际标准 ISO11992(卡车 和拖车接口)和 ISO11783(农业和森林机械)都在美国标准 SAE J1939 的基础上定义了基于 CAN 应用的子协议，但是它们并不完整。 尽管 CAN 协议已有 15 年的历史，但是它仍处于不断改进中。从 2000 年开始，一个由 数家公司组成的ISO任务组织定义了一种时间触发CAN报文传输协议。 Bernd Mueller博士、 Thomas Fuehrer、Bosch 公司人员和其他半导体公司将此协议定义为“时间触发通讯的 CAN(TTCAN)” 7，计划在将来标准化为 ISO11898-4。这个 CAN 的扩展已在芯片上实现， 上海交通大学工程硕士学位论文 第 15 页 共 86 页 不仅可以实现在闭环控制下支持报文的时间触发传输，而且可以实现 CAN 的 X-by-Wire 应 用。因为 CAN 协议并未改变，所以在同一个物理层上，既可以实现传输时间触发的报文， 也可以实现传输事件触发的报文。 在车辆工程领域，CAN 总线主要应用于四个不同的使用范围： 1. 用于控制和调节汽车车身和舒适性系统的部件，如：空调、中央闭锁和座椅调节。 2. 用于移动通讯，CAN 总线将多媒体部件如导航系统、电话、音频设备、电视等与 汽车上的中央显示单元和操作系统相连。但是 CAN 总线不用于音频数据或视频数据的 传输。 3. 用于 ECU 诊断，用 CAN 总线诊断之后现在常用的 KWP200（ISO14230）诊断就 失效了。诊断时可以传输大量的数据。 4. 实时控制，用于发动机控制、变速器控制等，以 CAN 总线进行网络互联。 2.2 CAN2.0A/CAN2.0B 通讯协议通讯协议 由于 CAN 为越来越多的的领域采用和推广， 导致要求制定不同的应用领域通讯报文的 标准。1991 年 9 月，PHILIPS 半导体公司制定并发布了 CAN 总线技术规范（Version 2.0） 。 该技术规范包括 A 和 B 两部分。2.0A 给出了曾在 CAN 技术规范版本 1.2 中定义的 CAN 报 文格式，而 2.0B 给出了标准的和扩展的两种报文格式。 CAN 规范的目的是为了在任何两个基于 CAN 总线的设备之间建立兼容性，它同时支 持 11 位标识符和扩展的 29 位标识符；规范定义了传输层，并定义了 CAN 协议在周围各层 中所发挥的作用。CAN2.0 规范设计兼容性的不同方面，比如电气特性和数据转换的解释， 为了达到一定的设计透明度，以及实现柔韧性，CAN 被细分为以下不同层次8： ? 物理层（the physical layer） ? CAN 传输层（the transfer layer） ? CAN 对象层（the object layer） 2.2.1 CAN 总线协议分层结构及数据帧类型总线协议分层结构及数据帧类型 CAN2.0协议目的是为了在任何两个CAN仪器之间建立兼容性。在CAN 2.0A里，CAN 被细分为以下三个层次： ? 物理层：定义实际信号的传输方法。在CAN2.0A的规范中没有定义物理层，以便 允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 ? 传输层：CAN协议的核心。它把接收到的报文提供给对象层，以及接收来自对象 层的报文。传输层负责位定时及同步、报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定、故障界 定。 上海交通大学工程硕士学位论文 第 16 页 共 86 页 ? 对象层：实现报文滤波以及状态和报文的处理。 而在CAN2.0B中，CAN被细分为以下两个层次： ? 数据链路层，包括： (1)逻辑链路控制子层(Logical Link Control，简称LLC)； (2)媒体访问控制子层（Medium Access Control，简称MAC）。 MAC子层描述由LLC接收的报文和对LLC发送的认可报文，是实现CAN协议的核心。 其功能是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定 。由于它具有识别永久 性故障或短暂扰动的自检机构，所以也称为故障界定的管理实体监控。另外，MAC子层又 称为传输层，其特性是不存在修改的灵活性。 LLC子层的功能主要涉及报文滤波、过载通知、以及恢复管理。即为数据传输和申请数 据请求提供服务； 确认由LLC子层接收的报文实际已被接受； 为恢复管理和通知超载提供信 息。LLC子层也称为目标层，其特性是存在许多灵活性。 ? 物理层：主要功能是定义信号是怎样传输的,它涉及位定时，位编码和同步的描述。 为了允许用户根据各自的应用，对发送媒体和信号电平进行优化,在CAN技术规范中没有定 义物理层的驱动器/接收器特性。 CAN2.0A/B 协议定义了四种不同类型的报文传输： 数据帧：用于节点间传送数据，是网络信息的主体； 远程帧：用于请求与其有相同标识符的数据帧 ,帧格式与数据帧基本相同； 出错帧：用于指示检测到的错误状态，可由任何节点发送； 超载帧：用于提供先前和后续数据帧或远程帧之间的附加延时。 其中交给用户使用的是数据帧和远程帧，其余两种帧由 CAN 控制器自己完成，用户不 需要干涉，并可以通过相应的寄存器来确定目前状态。每种帧有其相应的帧格式。 2.2.2 CAN 总线帧格式总线帧格式 CAN数据帧由7个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答 场、帧结尾。帧起始标志一个数据帧或远程帧的开始。只包含一个显性位 ,用于接收方式中 的硬同步。仲裁场的格式有两种：在CAN2.0B中，定义了两种格式： 标准格式：仲裁场由11位识别符和RTR位组成。识别符位ID28ID18。 扩展格式：仲裁场包括29位识别符、SRR、IDE、RTR。识别符位ID28ID0。 标准格式里的IDE位为“显性”，而扩展格式里的IDE位为“隐性”。SRR的全称是“替代远 程请求位（Substitute Remote Request BIT）”。SRR是隐性位。它在扩展格式的标准帧RTR 位位置，因此代替标准帧的RTR位。 RTR 位（标准格式以及扩展格式）位于识别符之后。RTR 的全称为“远程发送请求位 上海交通大学工程硕士学位论文 第 17 页 共 86 页 （Remote Transmission Request bit）”。RTR 位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必 须为“隐性”。 控制场包括数据长度代码和两个将来作为扩展用的保留位。 在数据场中的字节数目 （被 发送/接收数据字节的数目）是由数据长度码指出的。数据长度码的范围（也即在数据场中 的字节数目的范围）是：08。在数据长度码中的逻辑 0 和逻辑 1 分别以总线的显性电平/ 隐性电平发送。 数据场由数据帧中的发送数据组成。它可以为08个字节，每字节包含了8个位，第一 个字节（最低地址）的最高位首先被发送/接收。 CRC 场包含 15 位 CRC 序列和 1 位界定符 (隐性位“1”)。CRC 由帧起始、仲裁场、控 制场、数据场和 CRC 序列的解除填充的位流包围。CRC 的最高位被首先发送/接收。 应答场用于应答数据接收。CAN 总线上所有收到正确报文的 CAN 控制器将隐性位改 为显性位 ,发送者借此确认它已发送完一条完整和正确的消息。若报文有误 ,或被仲裁退出 (由于优先级较低 ),发送者将会重发报文。 帧结尾用于表示一阵数据传输的结束，由 7 个隐性位组成。标准帧及扩展帧格式如表 2-1 和表 2-2 所示。 表2-1 标准帧格式 Table 2-1 Format of Standard Frame 帧起始 仲裁域 控制场 数据场 CRC 场 应答场 帧结尾 SOF 11 位 标志符 RTR IDE R0DLCNbyte 16bit 2bit 7bit 表 2-2 扩展帧格式 Table 2-2 Format of Extended Frame 帧 起始 仲裁域 控制场 数据 场 CRC 场 应答 场 帧 结尾 SOF 11 位 标志 符 SRR IDE 18 位 标志 符 RTR R 0 R 1 D L C Nby te 16bit 2bit 7bit 远程请求帧，通过发送远程帧可以要求接收节点发送特定标志符的数据帧。远程帧由6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧末尾。 与数据帧相反，远程帧的 RTR 位是“隐性”的。它没有数据场，数据长度代码的数值是 不受制约的（可以标注为容许范围里 08 的任何数值）。此数值是相应于数据帧的数据长 度代码。RTR 位的极性表示了所发送的帧是数据帧（RTR 位“显性”）还是远程帧（RTR 位 上海交通大学工程硕士学位论文 第 18 页 共 86 页 “隐性”）。 CAN协议有五种不同的错误类型：位错误，CRC错误，填充错误，格式错误，应答错 误等。这5种错误不会相互排斥，其中前三种是基于报文内容的检测。 ? 位错误： 网络节点在发送位的同时也对总线进行监视。如果所发送的位值与所监视的位值不相 符合，则在此位时间里检测到一个位错误。但是在仲裁场的填充位流期间或ACK间隙发送 “隐性”位的情况是例外的 此时，当监视到“显性”位时，不会发出位错误。当发送器发 送一个被动错误标志但检测到“显性”位时，也不视为位错误。 ? 填充错误： 以下各位场使用位填充的方法进行编码：帧起始、仲裁场、控制场、数据场和 CRC 序 列。在这些报文中，若出现了第 6 个连续相同的位电平时，将检出一个填充错误。存在可 能产生填充错误的两条途径：（a） 扰动导致产生多于允许的具有相同极性的 5 个连续位。（b） 扰动窜改了填充位前面 5 位中的一位或更多位。 ? CRC 错误： CRC序列包括发送器的CRC 计算结果。接收器计算CRC的方法与发送器相同。如果计 算结果与接收到CRC序列的结果不相符，则检测到一个CRC错误。 ? 格式错误： 格式错误由下列位场固定格式被破坏形成：CRC 界定符、应答界定符、帧结束和间歇 场。在这些位场发送期间，若检测出一个显性位电平代替了隐性位，则错误条件成立。 ? 应答错误： 只要在ACK 间隙期间所监视的位不为“显性”，则发送器会检测到一个应答错误。 在 CAN 控制器都包含有发送错误计数器（TEC）和接收错误计数器（REC） 。如果计 数器超过了警戒线，此时 CAN 控制器发出出错信号（错误状态，错误终端） ，通知上层管 理程序进行相应的处理。 CAN 节点总处于错误主动，错误被动，和脱离总线中的任一状态。当 REC，TEC 的计 数值都小于 128 时，节点处于错误主动状态，此时节点遇到错误发送主动错误帧。当其中 一个计数器的值大于 127 时，节点处于错误被动状态，此时节点遇到错误发送被动错误帧。 当 TEC 大于 255 时，节点处于脱离总线状态，此时该节点不发送任何帧，对总线没有任何 影响， 总线上其他操作也就不受影响。 当监测到总线上出现 128 次 11 个连续的“隐性”位后， 处于“脱离总线”的节点变成为两个错误计数器均为 0 的“错误主动”节点。 2.2.3 CAN 总线位定时总线位定时 标称位速率：标称位速率为一理想的发送器在没有重新同步的情况下每秒发送的位数 上海交通大学工程硕士学位论文 第 19 页 共 86 页 量。 标称位时间：标称位时间= 1/标称位速率 可以把标称位时间划分成了几个不重叠时间的片段，它们是： ? 同步段（SYNC_SEG）:用于同步总线上的各个节点，在本项目中设定为一个时间 份额（msCAN 设定） 。 ? 传播时间段（PROP_SEG） ：用于补偿网络中的物理延时，包括总线上的信号传播 时间和节点内部的延时时间，一般在 1-8 个时间份额，同时传播时间段需要大于 2（总线 传播时延输入比较时延输出驱动时延） 。 ? 相位缓冲段 1（PHASE_SEG1） ：用于补偿沿相位误差，一般在 1-8 个时间份额。 ? 相位缓冲段 2（PHASE_SEG2） ：用于补偿沿相位误差，大于相位缓冲段 1 的时间 设置。 在相位缓冲段1和相位缓冲段2之间，节点采样总线电平解释成相应的数字，该点称为 采样点。采样可以进行一次也可以进行三次。 上述4个时间段相加就形成了一个位时间。在CAN协议中，所有的时间计算都是使用节 点的时钟信号作为单元，称为一个时间份额。CAN节点的时钟信号一般可以设定成系统时 钟的若干分频。每个时间段都可以占用若干个时间份额，4个时间段的时间份额之和就是每 位实际占用的时间，也就计算出了总线通讯速率。 对于接收节点，在相位段 2 接收后，会开始一个新的同步段，如果有新的数据位，总 线应该在这个同步段内发生一次变化。但是对于总线上的不同节点，数据传输的延时是不 确定的，发送节点引起的总线变化和接收节点期待的同步段不一定同时发生，这就需要对 接收节点重同步。也就是当接收节点确实发现一次总线变化后，会从这个变化的时刻进行 调整，以保证从发现总线变化到采样点之间的等待时间不变，这就有两个情况： ? 跳变滞后，接收节点已经进入同步段甚至传播时间段，此时总线才开始发生跳变。 这种情况下相位 1 会延长，以确保总线变化到采样点之间的等待时间不变。 ? 跳变提前，接收节点在上一位的相位段 2 尚未结束的时候就接收到总线跳变。这 种情况下，上一位的相位段 2 会被缩短，保证开始进入新的数据位的位处理过程。 对于跳变和提前的时间是有限制的，称为重同步跳变宽度，其范围从一个时间份额到 4 个时间份额9。 因此 CAN 总线通讯位定时为： BIT TIME = SYNC_SEG + PROP_SEG + PHASE_SEG1 + PHASE_SEG2 上海交通大学工程硕士学位论文 第 20 页 共 86 页 第三章 系统的整体方案设计系统的整体方案设计 3.1 AFS 的功能构成的功能构成 2003 年初，一种具有“左顾右盼”功能的 Pre-AFS（初级 AFS）系统诞生了，该功能相 继得到 ECE, SAE 等国际法规的批准。所谓的“左顾右盼”就是动态随动转向功能。与传统前 照灯着行相比较（其光型要求见附录 4） ，该功能能够在弯路上提供更多需要的照明（见图 3-1） 。 其中虚线表明如果无转弯随动功能的灯光照明范围， 实线内区域表明带转弯随动功能 后的照明范围，从中我们可以清楚的看到转弯随动功能给驾驶员带来了更多的有效照明， 为对面车辆或路边行人减少了炫目光（需要说明的是： 近光为非对称光，正常驾驶条件下 使用。AFS 就是指近光而非远光） 。 图 3-1 AFS 前照灯与传统照明比较 Fig.3-1 Lighting Komparation AFS headlamp and traditional headlamp 当然由于受到灯具造型、空间、光型以及成本等各方面的限制，转动的范围是有限的。 目前一般最大转动范围在左右 17 度以内。当然，为了弥补转动角度的不足，还同时加装一 个静态转弯照明灯，该照明灯只是朝着固定的方向对侧面进行补充照明（见.图 3-2） 。 图 3-2 带静态转弯灯的 AFS 系统 Fig.3-2 AFS system with stastic bending light 上海交通大学工程硕士学位论文 第 21 页 共 86 页 同时系统还要对大灯高度进行实时调节，使其在任何载荷变化下都保证灯光在同一高 度。 AFS 的系统构成： 1 . 组合前照灯总成（一般是带射灯模块和镇流器的气体放电灯，也可以采用卤素灯） 2. 调整灯光高度的高速步进调光马达 3. 带高速步进调光马达和位置传感器的能够使射灯模块左右转动的智能模块 4. AFS 控制器（集成灯光高度调节控制） 5. 转角传感器 6. 速度传感器和 ABS 控制器 7. 轴载荷角度传感器 8. 大灯开关，AFS 开关，AFS 指示器，控制开关、档位信号等 如图 3-3: 图 3-3 AFS 系统构成 Fig.3-3 composing of AFS system 3.2 系统的原理图系统的原理图 根据上述功能和组成，系统的原理框如图 3-4。 上海交通大学工程硕士学位论文 第 22 页 共 86 页 图 3-4 AFS 系统原理图 Fig.3-4 Diagram of AFS system 从图中可以看出，AFS 功能实现就是：AFS 通过获取相应的传感器和开关信号，对灯 光的高度，左右随动（包括固定的侧面辅助照明）情况进行实时控制，同时在仪表上给出 相应的指示（AFS 进行工作还是没有进行工作） 。由于中国属于右行交通，根据灯光的不对 称性要求，左右两灯在转弯时必然要求不同的角度，因此对于左右两灯的控制，必然要求 分别进行控制。同时为了避免失位，左右随动的具体位置信号实时反馈到 AFS 控制器。从 而根据不同的错误情况保证前照灯工作在安全模式。 3.3 系统的网络拓扑结构框图系统的网络拓扑结构框图 由于灯具要随时根据转向和轴载荷的变化进行实时动作，同时考虑到智能化程度的不 断提高，该系统采用高速 CAN 总线系统（传输速率位 500K） 。因为 AFS 控制器既要从高 速 CAN 上取信号，又要向左右两个智能随动模块发出控制信号，同时随时获得左右随动智 能控制模块的反馈信息， 而与两个智能随动控制模块的之间的所有信号与高速 CAN 总线其 它控制器之间没有任何直接关系。为了节约资源，并保证汽车的安全性，不会因为特殊情 况或事故造成与驱动 CAN 连接的 AFS 控制器节点的损坏在对整车驱动系统造成影响，将 对左侧前照灯智能随动控制模块（集成在左侧前照灯中） ，右侧前照灯智能随动控制模块集 成在右侧前照灯中） ，AFS 控制器（单独布置在驾驶室内）组成子网，该子网通过 AFS 控 制器连接到高速 CAN 主网上。AFS 指示器则通过组合仪表进行指示。信号通