（车辆工程专业论文）基于dsp的cvt控制系统的can总线研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 串行数据通讯协议c a n 总线的短帧数据结构、非破坏性总线仲 裁技术以及灵活的通讯方式使其具有很高的可靠性和抗干扰性，满足 了汽车对通信网络的实时性和可靠性的要求。近年来，c a n 总线依 靠它的优势，得到了越来越广泛的应用，在汽车电子领域内发展势头 也很迅猛。文章依托江苏省科技攻关项目( b e 2 0 0 6 0 1 9 ) ，以无级变 速器( c v t ) 控制系统的c a n 总线应用为研究对象，主要进行了以 下研究： ( 1 ) 文章对课题所用的无级变速器控制系统的机械部分和电控 部分的设计作了简要说明，着重对c a n 总线原理及报文结构进行了 深入的分析，结合c v t 控制系统的主控芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 所带有的 e c a n 模块的特点，对控制系统中的电控单元t c u ( t r a n s m i s s i o n c o n t r o lu n i t ) 与发动机控制单元交换的信号、数据进行了分析，并提 出了一种简单、可靠且实用性较高的c a n 高层通信协议，完成了相 关的软、硬件设计，实现了t c u 与汽车上其它e c u 的数据通信。 ( 2 ) 在c a n 通信试验成功的基础上，详细分析了目前流行的控 制器标定协议c c p 协议的原理及报文传输方式，编写了t c u 中的 c c p 驱动程序以及t c u 与上位机的c a n 总线通信程序，实现了c v t 控制系统的标定功能。在此基础上，分析了控制系统的主要故障，编 写了故障诊断程序，实现了上位机对控制系统的故障监测。 ( 3 ) 使用v e c t o r 公司的c a n o e 和c a n a p e 两种软件进行试验验 江苏大学硕士学位论文 证。试验结果表明，c v t 控制系统能够与其它车载e c u 用c a n 总 线通信，并且利用标定软件c a n a p e 能够很好地对c v t 控制系统进 行标定及故障监测。 关键词：c a n 总线，c v t 控制系统，c c p 协议，标定，故障诊断 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a nb u si sak i n do fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n sp r o t o c 0 1 b e c a u s eo fi t s s h o r tf r a m ed a t as t r u c t u r e ，n o n d e s t r u c t i v ea r b i t r a t i o na n da d a p t a b l ew a y o fc o m m u n i c a t i o n ，i th a sg o o dr e l i a b i l i t ya n dn o n i n t e r f e r e n c e t h u sc a n b u sc a l ls a t i s f yt h er e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n dt h er e l i a b i l i t yo fs i g n a l i n g n e t w o r kw h i c hd e m a n d e db yc a r i nr e c e n ty e a r s ，c a nb u si sw i d e l yu s e d a n dd e v e l o p e dr a p i d l yi na u t o m o t i v ee l e c t r o n i cf i e l d t h er e s e a r c h c o n t e n ti nt h i sp a p e ri sap a r to fs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o j e c to f j i a n g s u t h i sr e s e a r c hm a i n l yf o c u s e so nt h ec a nb u so ft h ec v t e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e ma n dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r ka r ec o m p l e t e d i nt h ep a p e r ( 1 ) t h i sp a p e re x p l a i n st h em e c h a n i s ma n dt h ee l e c t r o n i cc o n t r o l p a r to ft h ec v tc o n t r o ls y s t e m t h ep r i n c i p l e o fc a nb u sa n di t s m e s s a g es t r u c t u r ea r em a i n l ya n a l y z e d c o m b i n e dw i t ht h ee c a n m o d u l e o ft m s 3 2 0 f 2 81 2w h i c hi st h em o s tc o n t r o l l e rc m o sc h i pi nt h e e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es i g n a la n dt h ed a t a e x c h a n g e db yt c ua n de n g i n ec o n t r o lu n i ta n ds u g g e s t san e w , e a s y , r e l i a b l ec a nb u sh i g h - l a y e rp r o t o c 0 1 t h e nd e s i g n i n gt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea n dc o m p l e t i n gt h ec a nc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt c ua n d o t h e re c u su s e di nv e h i c l e ( 2 ) b a s e d o nt h et e s to fc a n c o m m u n i c a t i o n ，t h ep r i n c i p l eo fc a n c a l i b r a t i o np r o t o c o la n dt h e t r a n s p o r t i n gm o d e so ft h em e s s a g ea r e i 1 1 江苏大学硕士学位论文 d e t a i l e da n a l y z e d d e s i g n i n gt h em a i ns t r u c t u r eo ft h ec a l i b r a t i o ns y s t e m a n dt h e d r i v i n gp r o g r a mo f c a nc a l i b r a t i o np r o t o c o l ，t h e nt h e c a l i b r a t i o nf u n c t i o no ft h et c ui sf u l f i l l e d o nt h i sb a s i s ，t h ec a t e g o r i e s o ff a u l t sa r ea n a l y z e d ，t h es o f t w a r eo ff a u l td i a g n o s i ss y s t e mi sd e s i g n e d a n dt h ef a u l tm o n i t o r i n go ft c u u s i n gs o f t w a r eo fu p p e rm a c h i n ei s f u l f i l l e db yc a nb u sc o m m u n i c a t i o n ( 3 ) u s i n gt w ot o o l s ：c a n o ea n dc a n a p ew h i c hd e s i g n e db yv e c t o r ， t ov e r i f i e r t h er e s u l ti st h a tt c uc a nc o m m u n i c a t ew i t ht h eo t h e re c u u s e di nv e h i c l eb yc a nb u sa n du s i n gc a n a p ew ec o u l dc a l i b r a t ec v t c o n t r o ls y s t e ma n dc o m p l e t et h ef a u l tm o n i t o r i n g k e y w o r d s ：c a nb u s ，c v tc o n t r o ls y s t e m ，c a nc a l i b r a t i o n p r o t o c o l ，c a l i b r a t i o n ，f a u l td i a g n o s i s 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。本人授权江苏大学可以将本学 位论文的全部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。 保密口 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书。 不保密囱 学位论文作者签名： 2 0 0 9 年磊月7 日 指导教师签名：细荐莨 硼7 年月7 日f 独创性声明 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。除文中已注明引用的内容以外，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：次保 日期：川年月罗日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着消费者对汽车功能和性能要求的日益提高，汽车的电子化、智能化、网 络化成为现代汽车发展的重要标志，汽车正在逐渐由机械系统向电子系统转换， 目前全球汽车电子产业面临着高速增长的机遇。 汽车电子技术经过两个阶段的发展，现证处在第三个阶段。第一阶段的汽 车电子设备主要采用分立电子元件组成电子控制器，并开始由分立电子元件产品 向集成电路产品过渡；第二阶段则主要采用集成电路和8 位微处理器开发汽车专 用的独立控制系统；第三阶段开始于2 0 世纪9 0 年代，汽车电子设备广泛采用 1 6 位或3 2 位微处理器进行控制，控制技术向智能化、网络化方向发展【1 1 。 随着电控单元在汽车中的应用越来越多，车载电子设备间的数据通信变得越 来越重要，以分布式控制系统为基础构造汽车车载电子网络系统是很有必要的。 大量数据的快速交换、高可靠性及廉价性是对汽车电子网络系统的要求。在该网 络系统中，各处理机独立运行，控制改善汽车某一方面的性能，同时在其它处理 机需要时提供数据服务【1 1 。汽车内部网络的构成主要依靠总线传输技术。 c a n 总线是德国博世公司在2 0 世纪8 0 年代初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1 2 1 ，满足了汽车对总线的实时性和可靠性的要 求。 c a n 总线的出现和发展不但减少和简化了汽车上的信号线的数量，解决了 线束多的问题，更重要的是解决了现代汽车上许多过去难以解决的复杂控制问 题。所以怎样合理的利用总线，有效、快速的实现数据通信，特别是主要包括发 动机、a b s 和自动变速器三个节点的动力c a n 总线之问的通信就变得尤为重要。 1 2c a n 总线的发展概述 十几年前，一辆轿车上的信号线有四五十根，汽车上各种电气设备之间的信 江苏大学硕士学位论文 号线连接问题并不十分突出。目前，随着汽车g p s 卫星导航系统、电子点火系 统、空调系统、音响、安全气囊、防抱制动系统( a b s ) 、防盗系统和各种传感器 等一大批电子控制装置的广泛应用，一辆轿车上连接这些电子装置和设备的信号 线已达1 0 0 0 根以上，相当于过去的2 0 倍。如此众多的线束不但带来了不可靠的 隐患，即容易产生多线头引起的接触不良或线间的交叉干扰，同时也造成维护上 的困难，更重要的是成为汽车轻量化和进一步电子化最大的障碍。 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，推进汽车电子化、电脑化的进程， 德国博世公司于8 0 年代末率先提出一个车载系统的多制器局部网 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) ，它实际上是一条采用双线制允许多个控制单元连 接的串行信号通讯路总线。c a n 总线的提出和推广应用，加快了汽车电子、电 脑、电信三电一体化的进程，使整个汽车工业的面貌焕然一新。 c a n 总线1 0 版的主要设计目标是取代汽车电器中过多的硬件连接控制线 路，即将汽车上的各种信号连接电缆统统只用两根单一简洁的电缆线取代【3 1 ，汽 车上的各种电子仪表、传感器、执行机构则通过多个单片微机接口( 即c a n 总线 控制器) 挂到这两根电缆上。由于单片计算机的介入，设备之间可以利用这两根 电缆串行相互通信和数据控制形成所谓的多主机局部控制网。这种网络由于大大 减轻了汽车现场设备信号连接的繁琐，降低了成本，提高信号传输的精度与灵活 性，因此获得极大的成功。为了适应不同的控制领域和不同行业的控制要求，1 9 9 0 年推出c a n 总线1 2 修订版，1 9 9 1 年又升级为2 0 版。目前2 o 版的c a n 不但 已经成为公认的汽车全数字式现场总线的控制仪表和设备的互联规范，并且已经 成为现代工业总线技术的研究开发热点，在欧洲已成立c a n 研究协会【3 l 。 和其他的现场总线相比，c a n 只定义了物理层和数据链路层的规范( 遵循 o s i 标准) ，这种设计可以使c a n 能够更广泛地适应不同的应用条件，但是必然 给用户应用带来一些不便。用户在应用c a n 协议时，必须自行定义高层协议【4 】。 在c a n 总线协议飞速发展的2 0 年中，很多领域都制定了c a n 在该领域应 用时所采用的高层协议规范。其中，比较著名的有美国汽车工程师协会( s a e ) 制定的车内通信规范j 1 9 3 9 等【5 1 。从1 9 9 3 年起，由b o s c h 公司领导的一个欧洲 机构研究出一个协议原型，由此发展成为c a n o p e n 规范。c a n o p e n 不仅定义了 2 江苏大学硕士学位论文 应用层和通信子协议，而且为可编程系统、不同器件、接口、应用子协议定义了 大量的行规，遵循这些行规开发出的c a n o p e n 设备将能够实现不同公司产品间 的互操作。另外，c a n o p e n 协议是免许可证的，这也是c a n o p e n 得到迅猛发展 的重要原因之一。c a n o p e n 的出现，大大扩展了c a n 总线的应用领域，使得 c a n 成为目前国际上应用最为广泛的现场总线之一。 1 3国内外研究与发展现状 在c a n 总线推出的短短几年内，便得到了众多国际知名的半导体厂家的支 持响应，涌现出一大批的c a n 通信控制器、c a n 总线收发器、c a n 总线单片 机。其影响魅力之大，就连最早推出位总线( b i tb u s ) 的美国英特尔( i n t e l ) 公司也 开始转向支持c a n 。各大公司竞先的技术投入和推波助澜使c a n 总线应用技术 趋向成熟。目前，c a n 协议已被国际标准化组织承认，国际标准化组织1 5 0 鹏2 2 技术委员会已制订了c a n 协议的国际标准1 5 0 d i s l l 8 9 8 ，进一步促进了c a n 总线的广泛应用，并加强了其在工业现场总线的领先地位。 在我国，对c a n 总线的应用研究已经起步，北京汉博科技公司己率先推出 基于c a n 总线的h a p c a n 产品，包括各种采用c a n 的数据采集控制单元，利 用这些产品可灵活地组成各类高可靠性的集散分布式控制系统。此外，清华大学、 北京航天航空大学也在c a n 微控制器局域网方面开展了富有成果的研究。 2 0 0 5 年中国电子科技集团公司第十四研究所开始c a n 总线的研发，并联手 南汽集团成立南京天擎汽车电子有限公司 6 , 7 1 ，并将m g 名爵作为整车平台，深 入地进行c a n 总线的研发。除了将在m g 名爵轿车上应用之外，天擎公司的 c a n 总线已经应用到重汽、红岩、江淮等重型卡车上，并且建立了汽车电子工 程中心，申请了多项汽车电子相关专利。而北方信息产业集团c a n 总线系统已 经研发成功，将以商用车为突破口，逐渐向乘用车过渡。 在实际应用方面，目前一些高档名牌汽车如b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝马) 、 j a g u a r ( 美洲豹) 、r o l l sr o y c e ( 劳斯莱斯) 、p o r s c h e ( 保时捷) 等都已采用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【s , 9 1 。r 本马自达 公司和古河电工公司合作，研制成功汽车多路传输用c a n 总线系统，在两根呈 螺旋状的平衡双绞线电缆上组装了多片c a n 通信控制器等功能芯片，可以传输 3 江苏大学硕士学位论文 汽车内所有的电子信号，包括汽车信号灯、音响、空调、通信、电子点火、发动 机燃油喷射自控系统，相当于传输6 0 0 0 根信号线所传输的信号量。 然而，c a n 总线对技术的要求很高，目前其技术标准基本掌握在国外公司 手中，也就是说，国内厂家生产的相关汽车电子产品必须受到国外标准的制约。 但一些生产厂家如今已经将目标瞄准汽车电子的国内标准的制订，一旦有了国内 自己的标准，必将带动其他的汽车电子产品，形成高附加值的产业链条。 1 4 本课题研究的主要内容 江苏省科技攻关项目( b e 2 0 0 6 0 1 9 ) 是一个对汽车无级变速传动( c v t ) 电 液控制系统进行研究的课题。本论文研究的主要内容是江苏省科技攻关项目的一 部分，主要完成c v t 控制系统与发动机控制系统之间的c a n 总线通信，并在此 基础上完成基于c c p 协议的标定系统的开发以及故障诊断系统的开发。内容如 下： ( 1 ) 对q 丌电控单元t c u 的控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 进行分析，对其e c a n 模块进行了研究，并结合c a n 协议的特点，制定符合本系统要求的c a n 应用 层的协议，实现t c u 与发动机控制单元的c a n 总线通信，并用c a n o e 软件进 行仿真实验。 ( 2 ) 设计基于c c p 标定协议的t c u 标定系统，包括硬件连接及软件设计， 并用c a n a p e 软件对t c u 进行标定试验。 ( 3 ) 编写c v t 控制系统的故障自诊断程序，包括信号的故障分析以及自 诊断系统与c a n a p e 之间c a n 总线通信的软件设计。然后利用d s p a c e s i m u l a t o r 进行故障模拟，实现故障代码的实时显示。 ( 4 ) 对设计的系统进行试验，结果表明利用c a n a p e 软件可以对t c u 进 行标定，并且能够实时显示故障代码，证明系统设计符合要求，为t c u 进一步 开发奠定了基础。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章c a n 总线的通信原理与通信协议 车载c a n 网络技术飞速发展，j 下是由于c a n 技术应用的普遍推广，要求 通信协议的标准化。为此，1 9 9 1 年9 月b o s c h 公司制定并发布了c a n 技术规范 ( v e r s i o n2 o ) 。1 9 9 3 年1 1 月，i s o 正式颁布了c a n 国际标准- - i s o l l 8 9 8 为c a n 总线的标准化、规范化铺平了道路。 2 1c a n 总线的特点与基本结构 2 1 1c a n 总线的基本结构 数据链路层 逻辑链路控制予层l l c 验收滤波 过载通知 恢复管理 介质访问控制子层m a c 数据包装 解包 帧编码 ( 填充消除填充) 介质访问管理 错误检测 错误标定 应答 并行转换为串行，串行转换为并行 物理层 位编码解码 位定时 同步 驱动器接收器特征 监督器 - 图2 1c a n 的i s 0 0 s i 参考模型的层结构 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo fi s 0 0 s ir e f e r e n c em o d e l 如图2 1 所示，c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路 层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检 验、优先级判别等项工作f 1 0 1 。 ( 1 ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 定义信号如何实际地传输，因此涉及到位 5 江苏大学硕士学位论文 定时、位编码解码、同步的解释。本技术规范没有定义物理层的驱 动器接收器特性，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。 ( 2 )数据链路层( d a t au ：【i l 【l a y e r ) 含以下两个子层： 介质访问控制子层m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 是c a n 协议的核心。 它把接收到的报文提供给l l c 子层，并接收来自l l c 子层的报文。 m a c 子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 子层也 受一个名为“故障界定 ( f a u l tc o n f i n e m e n t ) 的管理实体监管。此故 障界定为自检机制，以便把永久故障和短时扰动区别开来。 逻辑链路控制子层l l c ( l o g i c a ll i l l kc o n t r 0 1 ) 涉及报文滤波、过载通 知、以及恢复管理。 2 1 2c a n 总线的特点【1 m 1 6 1 ( 1 )结构层次少，利于实时控制信号传送 c a n 总线协议建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上，其模型结 构只有两层，即只取o s i 底层的物理层、数据链路层。 ( 2 )支持高速数据传输 c a n 总线具有高速串行接口功能，最高可以支持1 m b p s 的数据传输速度。 ( 3 )可以以多种方式传送接收数据 可以点对点，一点对多点，全局广播几种方式传送接收数据。 ( 4 ) 多主方式工作 网络上任意一个节点可以在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息 不分主从，优先数据获取总线。 ( 5 )非破坏性总线仲裁技术 当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送， 而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，节省了总线冲突裁决时间，网络 负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。 ( 6 )具有远程数据请求功能 c a n 总线上的一个节点通过向网络上发送一个远程帧请求需要的数据，能 6 江苏大学硕士学位论文 提供数据的节点接收到远程帧后发送远程帧请求的数据，返回的数据帧与远程帧 拥有相同的标识符。远程数据的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b s 以下) 。 ( 7 )短帧结构 c a n 总线采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，具有极好的检错 效果。因此c a n 总线工作在很恶劣的环境中，仍可确保任何传输错误都被检查 到。 ( 8 )通讯介质廉价 c a n 总线可以使用屏蔽或非屏蔽的双绞线，同轴电缆及光纤作为网线。 ( 9 )故障的界定 c a n 总线上出现的故障可以分为：总线上的数据临时产生的错误( 来自外 部的干扰等) 与总线上的数据连续产生的错误( 节点内部的故障、驱动方面的故 障及断线等引起的) ，节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切 断与总线的联系，以使总线上的其它操作不受影响。 ( 1 0 )系统的灵活性 与总线相连的节点没有节点地址的信息，因此，在向总线追加节点的时候， 没有必要更改与总线相连的其它节点的软件、硬件及应用层。 2 2c a n 总线的报文传输 对于传输的报文有两种不同的帧格式，含有1 1 位标识符的帧称之为标准帧， 而含有2 9 位标识符的帧为扩展帧。报文传输有四种不同类型的帧【她1 6 】： 1 数据帧 数据帧将数据从发送器传输到接收器。如图2 2 所示，数据帧由7 个不同的 位域组成。 图2 2c a n 数据帧结构 f i g 2 2c a nd a t af r a m e 7 江苏大学硕士学位论文 帧起始( s o f ) ，标志数据帧和远程帧的起始，仅有一个显性位组成，用 于帧同步。只有在总线空闲时才允许站点丌始发送信号，所有的站必须 同步与首先开始发送的站的帧起始前沿。 仲裁域，由标识符和r t r 位构成。c a n 协议具有两种数据帧类型：标 准格式和扩展格式。标准格式标识符长度为1 1 位，如图2 3 所示。扩展 格式标识符长度为2 9 位，如图2 4 。i d e ( i d e n t i f i e re x t e n s i o n ) 为显性 位表示数据帧为标准格式，i d e 为隐性位表示数据帧为扩展格式。r t r ( r e m o t et r a n s f e rr e q u e s t ) 为远程传送请求位，它是区别数据帧与远程 帧的标志。 图2 3 标准格式的数据帧结构 f i g 2 3t h es t r u c t u r eo f s t a n d a r df o r m a td a t af r a m e i 三羽二巫三 正互二 图2 4 扩展格式的数据帧结构 f i g 2 4t h es t r u c t u r eo fe x t e n d e df o r m a td a t af r a m e 控制域，由6 个位组成，标准格式的控制域结构和扩展格式的不同。标 准格式里的控制域包括数据长度代码、i d e 位及保留位m 。扩展格式里 的控制域包括数据长度代码和两个保留位：r 1 和m 。其保留位必须发送 为显性，但是接收器接收的是显性和隐性位的组合。 数据域，由数据帧里的发送数据组成，给出要传送的数据。c a n 标准格 式中，一个帧中数据为0 8 个字节长。数据发送时高位在前，低位在后。 数据域的长度可以为0 ，这时是通过仲裁域传递特定的信息。 循环冗余码( c r c ) 域，是检验位组成的循环冗余校验域，共1 5 位， 8 式 ： 格 1 0 准 一 懈 江苏大学硕士学位论文 最后一位是c r c 分隔符。 应答域，长度为2 个位，包括应答位和应答分隔符。发送节点发送两个 隐性位，正确接收有效报文的节点在应答期间发送一个显性位，表示已 经正确接收了一帧数据。应答分隔符是一位隐性位，标志应答域结束。 帧结束是一帧结束的标志，是任何数据帧和远程帧之后连续的七个隐性 位。 2 远程帧 当一个c a n 控制器激活为某些信息的接收器时，通过向网络发送远程帧， 请求发送具有同一标识符的数据帧。一个远程帧由下列6 个不同的位场组成( 图 2 5 所示) ，即：起始帧、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场和帧结束。 图2 5 远程帧结构 f i g 2 5t h es t r u c t u r eo fr e m o t ef r a m e 3 错误帧 错误帧由两个不同的域组成，如图2 6 所示。第一个域是通过由不同的c a n 控制器提供的出错标志叠加而成的；另一个域是出错界定符。若在数据帧或远程 帧传送期间检测出错误，则当前报文被抛弃，并为报文的重新传送进行初始化。 若c a n 控制器监视到出错帧的任何偏差，一个新的出错帧将被传送。一些连续 的出错帧可以在c a n 控制器中合成为认可型出错，并使网络仍处于畅通状态。 戤：n ，。，71 -| 辑w i 戳一 桦、：吁7 ， 川 一一绪观振盘- q 缓嬲缓颧 一储设馋枷酥岳_ 锩院嚣宅铭 图2 6 错误帧结构 f i g 2 6t h es t r u c t u r eo fe r r o rf r a m e 4 过载帧 过载帧包括两个位域：过载标志和过载界定符，其结构如图2 7 所示。有三 9 江苏大学硕士学位论文 种过载的情况会引发过载标志的发送，即 接收器的内部原因，它需要延迟下一个数据帧或远程帧。 在间歇的第一位和第二位检测到一个显性位。 如果c a n 节点在错误界定符或过载界定符的第8 位( 最后一位) 采样 到一个显性位，节点会发送一个过载帧( 不是错误帧) 。错误计数器不 会增加。 ：! iw j7 f l 7峨 巍置俄 r1 u 、 ，j l 讶i 砰t 一黝锄客一 | 藿趟纨参 缓超缓露绽缝 一超级坛名馋绷_ 4 超缎羿定绝 图2 7 过载帧结构 2 3c a n 通信协调规则 c a n 总线基于以下5 条基本规则进行通信协调【1 6 1 ： 1 总线访问 c a n 控制器只能在总线空闲状态期间丌始发送。所有的c a n 控制器同步于 帧起始的前沿( 硬同步) 。 2 仲裁 若有两个或更多的c a n 控制器同时发送，总线访问冲突通过仲裁场发送期 间位仲裁处理方法予以解决。仲裁期间，每个进行发送的c a n 控制器都将其发 送位电平与监控总线电平进行比较。任何发送一个隐性位而监视到一个显性位电 平的c a n 控制器立即变成总线上较高优先权报文的接受器，而不至破坏总线上 的任何信息。每段报文包括一个唯一的标识符并在报文中含描述数据类型的r t r 位。标识符和r t r 位一起隐含地定义了该报文的总线访问优先权。仲裁期间标 识符的最高位先被发送，而r t r 位最后发送。标识符和r t r 位对应二进制数值 最低的报文具有最高的优先权。 3 编码解码 帧起始域、仲裁域、控制域、数据域和c r c 校验码均使用带位填充的不归 1 0 江苏大学硕士学位论文 零位编码技术进行编码解码。 4 出错标注 当检测发生位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，检测出错条件的 c a n 控制器将发送一个出错标志。 5 超载标注 c a n 控制器要求借助于发送一个或更多超载帧来延迟下一个数据帧或远程 帧的发送。超载帧的发送必须起始于所期望间歇场的第一位。虽然超载帧和出错 帧的格式相同，但对它们的处理却不同。 2 4c a n 通信协议的建立 c a n 总线协议建立在国际标准组织的丌放系统互连模型基础上，但是，其 模型结构只有两层，即只取o s i 底层的物理层、数据链路层。其中物理层主要是 网络上节点间的物理数据传输，它定义了传输线和接口硬件的机械、电气和电信 号特征及功能。机械特性包括连接器尺寸、类型等；电气特性包括最大传输速率、 最大传输距离、信号电平状态代表意义等；电信号特征包括对应电平信号的逻辑 信号、信号的传输时序、数据采样方式等【16 1 7 1 。 c a n 总线协议的数据链路层主要分为逻辑链路控制子层( l l c ) 和媒体访问 控制子层( m a c ) 。m a c 子层主要完成传送的功能，可进行消息成帧、总线仲裁、 帧应答、错误检错与标定。l l c 子层的主要功能是消息的逻辑管理，如帧滤波、 超载通知和恢复管理等。 c a n 协议执行媒体介质访问控制( m a c ) 技术，在传输媒介上实行“非破坏 性位仲裁”传输机制，具有高优先级标识符的报文在经过仲裁后获得介质访问权 井将继续传输，不会被中断。这是由于在这种报文中，显性标识符的优先级高于 隐性标识符。因此任何c a n 物理层都需要在传输介质上支持显性和隐性状态。 换句话说，如果没有总线节点发送显性位，传输介质将保持隐性状态。而如果一 个或多个总线节点发送显性位，传输介质将进入显性状态，从而优先于隐性状态。 当总线上同时出现多条报文竞争发送的情况时，c a n 总线协议将逐位进行 比较，根据显性位和隐性位的仲裁原则，显性位得到发送，这样，高优先级的报 文可以在仲裁的过程中一边比较一边进行传输，而不需要等到仲裁完成后再决定 1 1 江苏大学硕士学位论文 那条报文能够发送，与其它总线相比，这种机制大大提高了c a n 总线通讯系统 的实时性。 国际标准i s o l l 8 9 8 由道路交通运载工具技术委员会i s o 厂r c 2 2 电气和电子 总装备分委员会s c 3 拟定。本标准遵照i s 0 7 4 9 8 中规定的i s o 基准模型，以分 层层次形式描述c a n 的一般结构。数据链层和物理层遵照i s 0 8 8 0 2 2 和 i s 0 8 8 0 2 3 制定。 i s o l l 8 9 8 规定使用控制器局部网装备的道路交通运载工具的电子控制设备 之间以速率1 2 5 k b p s 1 m b p s 进行数字信息交换的各种特性。本国际标准包括下列 属于c a n 的详细技术规范：物理层，数据链层( 包括逻辑链路控制) 子层和媒体 访问控制( m a c ) 子层，但未包括o s i 模型中其他层，它们是用户级的一部分1 1 7 1 。 国际标准i s o l l 8 9 8 除对c a n 的基本概念、c a n 的分层结构、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，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【1 7 1 。 由于c a n 2 0 规范没有规定直接支持应用过程的应用层，所以q 蝌的应用 层协议必须由c a n 用户白行定义，或采用一些国际组织制订的标准协议。应用 最为广泛的是d e v i c e n e t 和c a n o p e n ，分别广泛应用于过程控制和机电控制领 域。 2 5 本章小结 本章介绍了c a n 总线的基本特性，分析了c a n 总线的结构介绍了报文的 四种帧格式，阐述了总线的协调规则。之后对c a n 协议的模型结构进行了分析， 为以后通信协议的制定和通信功能的实现做好了理论准备。 江苏大学硕士学位论文 第三章c v t 控制系统的开发及c a n 通信研究 汽车金属带式无级变速器c v t ( c o n t i n u o u s l yv a d a b l et r a n s m i s s i o n ) 是当代 最先进的汽车变速器之一，可以在相当宽的范围内实现无级变速1 1 8 1 。通过控制无 级变速传动系统的传动比，获得传动系与发动机工况的最佳匹配状态，保证了发 动机在理想工作状态下运行，因而提高整车的燃油经济性和动力性，改善了发动 机排放，由于换挡平滑同时也改善了驾驶的舒适性能【1 9 。2 1 l 。无级变速技术是目前 汽车传动系统中的前沿新技术，c v t 已经成为各大汽车制造商技术开发的重点， 国内的奇瑞、南京菲亚特以及南汽名爵的m g 3 等都已匹配c v t 。 c v t 分为机械部分、液压部分和电控系统部分。其中电控系统部分包括控 制单元t c u ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lu n i t ) 、传感器和执行器件，它是c v t 的“大 脑 ，接收各个传感器采集来的信号，对其进行处理，然后将产生的控制信号传 递给执行器件。目前国内外大多以1 6 位高性能单片机作为电控单元微控制器。 本课题采用1 r i 公司的3 2 位的电机控制芯片d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控芯片， 结合外围电路器件，设计t c u 硬件系统。 在开发c 订控制系统过程中，t c u 需要和汽车内其他e c u 单元交换大量 数据，本章对t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 所带有的e c a n 模块进行了研究，制定符合该控制 系统的应用层协议，实现t c u 与发动机控制系统的相互通信，构成一个适合于 汽车系统且扩展性好的c a n 总线网络。 3 1 本课题研究的c v t 的概述 菲亚特委托富士重工开发了为自己生产的汽车配备的金属带式无级变速器， 称之为s p e e d g e a r 。在国内，南京菲亚特生产的部分车型一西耶纳、派力奥配备 了该c v t 。试验所用的派力奥的外观照片见图3 1 ，车辆详细参数如表3 1 。 江苏大学硕士学位论疋 1 乏罗z ，霸 刚簖叠落：参露辅 ”鼍4 “ 圉31 试验车辆外观 f i g3 1t h ec o n f i g u r co fih et cs tv c h 1 表31 试验所用车辆的详细参数 t a b31t h e trl ur h e 口1 e ( ) ri m pr 1 ) v e dt p m s f i a tp a l i o ( 1 3 h l xs p e e d g e a r c v t ) 发动机删式亢别4 缸前部横芘，多点电喷 排艟 j 数1 6 气fj 压缩比 蜮人功率h p m v o r p m8 0 0 9 ) 5 0 0 0 最人扭矩 1 1 4 0 16 ) 2 5 0 0 - 4 0 0 0 n m ( k g m y r p m 轮嘏 壶弗逊独一悬架，褂烈向简式减，器 f 荷硅架 和横稳宅柑 肝总架巾纵臂代 总长总宽总商r m m l 轴口【1f r a m ) 行车箱容积fl 1 汕箱容税f l l 牿蔷质艟( k g ) 最高二琏r k r r 曲1 加述时司 ( 0 一l o o k m h x s ) 1 5 叫f 动模式) 1 63 ( 自动模式) 公里等速油耗 ( 9 0 k a , e n x l l 江苏大学硕士学位论丈 31 1 s p e e d g e a r 外形图 把c v t 安裟在，l 4 上时从汽午d 端的视罔称为| 河视罔，把从汽午，t 侧的视 f 矧称为儿视斟，从汽4 7 i 边的视图称为，视图，以此类推。s p e e d g e a r 的外形幽 如吲32 所爪。 a ) 左视图 b ) 前视图 c ) 右视幽 图32s p e e d g a er 外形图 dj 后视图 flg32a p p c ar a n c co ff ia t s p e e d g e a 3 l2c v t 的总体结构 派力_ 翅所川的s p e c d g e a r 的总体结构如h3 3 所小，组成c v t 帕 ：要部分包 括：【j j 后- t 体、小问壳体、i - 动扑轮总成、从动带轮心成、盒心带、欹i ；, i ) j l 构总 成、液压油泵、集成液爪单儿、液力变矩擀、南轮总成、井逑器总成和f u 控巾儿 江苏大学硕士学位论文 i 体 ! 兰! 量曼 ! 量量点 目s ! 一 3 13c v t 工作原理分析 图33c v t 结构总体布置图 f b33 ass e m b lyu r c v t i 昔 l 女主舞l l 自杠袖 矗五j 量 l j t 点 艳鼻盔 曹t 体 金属带式尤级变速器届丁摩擦式无级变速器，山c v t 的结构罔可知，c v t 的主、从动i 作轮都山定锥轮两部分组成了v 彤博，0 金埘带啮合，通过作 用在可功锥轮上的火紧力来保证锥轮与金属带之叫的摩擦月满足动力传递的需 要。c v t 通过控制从动轮缸的液压力来控制火紧力保汪动力的传递，通过控制 主动轮的液压力柬实现速比的变化。当l ! 、从动工作轮呵动部分作轴向移动时， 改变了会属带的回转半径，从而改变传动比。由于牟、从动轮可动部分在液压力 的作用f 可以实现轴向的连续移动，连续改变传动比从而站现无数变速。 江苏大学硕士学位论文 图3 4c v t 动力传递路线 f i g 3 4p o w e rt r a n s m iti o ni nc v t s p e e d g e a r 的动力传递简图如图3 4 所示，发动机输出的动力经由液力变矩 器传递给换向机构，换向机构根据汽车行驶的需要变成旋转方向再把发动机的动 力经太阳轮传递到主动轮轴，主动轮轴通过主动带轮和会属带把动力传递到从带 轮上，从动带轮连同从动带轮轴和固定在从动轴上的减速齿轮等速旋转，然后动 力经中间减速齿轮( 图中标为惰轮) 进一步减速后传到主减速器，最后动力由差 速器分配到两半轴输出。整个动力传递过程如下：发动机液力变矩器一换 向机构主动带轮金属带从动带轮中问减速器主减速器 差速器半轴输出。 3 2t c u 的硬件结构设计 无级变速传动具有常规变速传动无法比拟的优点。由于无级变速传动( 殴，t ) 与有级传动有着巨大差别，由电控单元控制速比连续的变化，不会出现m t 的换 1 7 江苏大学硕士学位论文 档时速比的跳跃，因此乘客感到的只是汽车的平稳加速，而不会感到换档冲击。 同时使汽车的操纵性大大简化，降低了驾驶员的劳动强度。电控无级变速系统能 更快、更精确地控制传动比、速度、压力和转矩，保证发动机和变速器更好地调 节，提供了不同的行驶模式，例如运动型、经济型和巡航控制，从而使用户获得 全