（电路与系统专业论文）基于车用总线的车窗控制系统的设计与研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 随着通信技术的发展以及集成电路和微处理器在汽车上的广泛应用， 汽车电子己呈现出网络化的发展趋势，车上网络技术己成为汽车电子领域 的研究和应用热点。局部互联网络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 ) 是低成 本的汽车网络，它是现有多种汽车网络在功能上的补充。 车身控制系统通常包括单个主模块和多个从模块。本文设计并实现了 夏利车的车窗控制从模块，利用该系统可以实现车窗的自动升降和错误报 警信息，主模块和从模块之间采用l i n 2 0 协议进行通讯。其中车窗控制模 块包括硬件电路和软件控制算法两部分。硬件由以下几部分组成： ( 1 ) 中央处理器单元：采用飞思卡尔6 8 h c 9 0 8 e y l 6 单片机为微处理器；( 2 ) 电机驱动单元：用m c 3 3 9 8 4 芯片实现电机驱动；( 3 ) 开关检测单元：用 m c 3 3 9 7 2 检测开关状态；( 4 ) 通讯单元：采用m c 3 3 6 8 9 l i n 转换芯片。软 件部分包括控制程序和主机通讯程序。控制程序采用c o d e w a r r i o r 为软件开 发平台，采用c 语言实现了车窗控制编程。主机通讯程序采用l a b v l e w 8 0 ， 实现了主模块与车窗控制模块之间的通讯。最后为了扩展本系统在车身控 制系统中的应用，应用c a n 收发器t j a l 0 5 0 和控制器s j a l 0 0 0 实现了c a n 总线通讯。 实际运行结果表明：该系统较好地满足了设计要求，有效地发挥了l i n 网络在分布式控制中的优势。 关键词：车身网络l i n c a n 总线车窗控制系统分布式控制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm u c ha p p l i c a t i o no f m i c r o p r o c e s s o ra n di ci na u t o ，a u t oe l e c t r o n i c sa d v a n c e st o w a r dn e t w o r k i n g c u r r e n t l yn e t w o r ki nv e h i c l eh a sb e c o m eo n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o nh o t s p o ti na u t oe l e c t r o n i c sf i e l d l i ni so n en e t w o r ki nv e h i c l eo f l o wc o s t i tc o m p l e m e n t sc u r r e n tm u l t i p l en e t w o r ki nv e h i c l e g e n e r a l l ys p e a k i n g ，c a rb o a r dc o n t r o ls y s t e mc o n t a i n sam a s t e rm o d u l e a n dm u l t i p l es l a v em o d u l e s i nt h i sp a p e r ，as l a v ec o n t r o lm o d u l eo fx i a l i c a rw i n d o wi sd e s i g n e d u t i l i z i n gt h i sm o d u l e ，w ec a nd r i v et h ea u t o m o t i v e w i n d o wa n dg e tw a r n i n gr e p o r t sw h e nt h e r ea r ee r r o r s t h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lu s e db e t w e e nt h em a s t e ra n dt h es l a v e ri sl i ns p e c i f i c a t i o n v e r s i o n - l i n 2 0 c a rw i n d o wc o n t r o lm o d u l ei sm a d eu po fh a r d w a r ea n d c o n t r o la l g o r i t h m s t h eh a r d w a r ec o n t a i n sf o u rp a r t sa sf o l l o w s ，t h ef i r s tp a r ti sc p u w i t ht h ef r e e s c a l e ss c m6 8 h c 9 0 8 e y16 ；t h es e c o n dp a r ti sm o t o rd r i v eu n i t w i t ht h ec h i pm c 3 3 9 8 4u s e dt od r i v em o t o r ；t h et h i r dp a r ti ss w i t c hd e t e c t i o n u n i tw i t ht h ec h i pm c 3 3 9 7 2u s e dt od e t e c ts w i t c hs t a t u s ；t h ef o u r t hp a r ti s c o m m u n i c a t i o nu n i tw i t ht h el i nc o n v e r s i o nc h i pm c 3 3 6 8 9 t h es o f t w a r e p a r tc o n t a i n st h ec o n t r o lp r o g r a m m ea n dt h eh o s tc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n p r o g r a m m e c o d e w a r r i o ri su s e da st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mt o c o n t r o lt h ec a rw i n d o ww i t hc l a n g u a g ei nt h ec o n t r o lp r o g r a m m e t h eh o s t c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o np r o g r a m m er e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o no nt h e m a s t e ra n dt h e s l a v ew i t ht h et o o lo f l a b v i e w 8 0 f i n a l l y ，c a n c o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e dw i t hc a nt r a n s c e i v e rt j a10 5 0 a n dc a n c o n t r o l l e rs j a10 0 0t oe x p a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ew h o l es y s t e m t h r o u g ht h er e s u l to fs y s t e md e b u g g i n ga n dr u n n i n gi te x p r e s s e dt h a tt h e s y s t e ms c h e m es a t i s f i e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n tv e r yw e l la n di tm a k e sg o o d u s eo fl i nn e t w o r k sa d v a n t a g ei nd i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：a u t o m o t i v eb o d y w i n d o w c o n t r o l l i n gs y s t e m ，d i s t r i b u t e d n e t w o r k ，l i n c a nb u s ，a u t o m o t i v e c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：方音 签字同期：? 护一7m 月彳曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：方青 导师签名： 御一 签字同期： 2 - 7 m 月声石日 签字同期：伊7 年月加日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车电子技术的现状和发展趋势 汽车是现代社会的一种重要交通工具。汽车电子的介入，进一步使人们追求 安全、舒适、方便、多功能汽车的梦想成为现实。消费者需求的不断提高和科学 技术的日益发展，也促进了汽车电子向更高层次的发展。 1 1 1 国外汽车电子行业的现状和发展趋势 电子产品己成为轿车成本中重要的一部分。过去，电子产品主要是豪华轿车， 而现在，电子产品逐步向装备普通轿车发展，其应用更广泛。电子产品的迅速增 长是由于电子系统提高了汽车的安全性与可靠性，减轻了环境污染，使驾驶更加 方便、乘坐更加舒适等。随着防抱死制动装置进入汽车控制系统，底盘已成为汽 车电子系统的主要领域保护和安全等方面法规的出台，以及对轿车自身安全的考 虑，还有零部件供应商间的竞争，是促使电子产品增长的主要原因。汽车已经有 最初的机器产品演变为高级机电一体的产品，w e s t f j o h n ( 2 0 0 2 ) 对2 0 0 0 年世界 电子产品的销售情况进行了研究，汽车电子产品在整车中的比重逐步增多，目前 其比重平均占到汽车总成本的i 3 。c h r i s t o f f e l ，j o e r g ( 2 0 0 3 ) 在此基础上研究了 2 0 0 1 ，2 0 0 3 年全球汽车电子产品的增长形式，并分析了全球范围内汽车电子产品 的分布，欧洲最多，北美其次，亚太地区最少。f r a z z o l i ，r o b e r t o ( 2 0 0 0 ) 分析了 美同汽车电子市场。在美国，汽车电子产品所占比例越来越大，平均每辆汽车中， 汽车电子产品的价格占整车价格的i 3 左右。在美国汽车电子产品的应用范围迅 速扩展的同时，其应用装备的速度也十分惊人。汽车电子喷射装置的装车率美国 目前已达1 0 0 ，防盗装置、无钥匙装置的装备率也有所提高。另外，复合多路动 力传输系统，雷达和行驶导航系统等高档次的汽车电子产品也广泛应用于汽车 上。欧洲汽车电子产品应用比例仅次于美国，日本汽车电子市场在近几年也呈快 速增长的趋势。 r k i z u ，h h a r a d a ，h m i n a b e ( 2 0 0 2 ) 通过对北美以及世界汽车市场的调查，发 布了由汽车工业三个独立的研究小组拟订的研究报告。该报告主要对下一个十年 汽车工业技术的发展趋势进行了预测，并对未来的预测进行了详细地分析，下一 第一章绪论 个十年，包括电子技术在内的新技术的发展将为汽车技术带来一场革命性的变 革。未来汽车技术的进步有9 0 与汽车电子产品相关，也就是说电子产品将驱动 9 0 以上的汽车技术的革新，近十年内电子产品以及与电子技术相关的产品的成 本占整车的比例将从目前的2 0 上升到3 2 。 1 1 2 国内汽车电子行业的现状和发展趋势 在中国，受汽车需求呈跳跃增长的影响，汽车电子市场也得到相应扩张。李 纳新( 2 0 0 4 ) 在 2 0 0 3 年我国汽车电子产业特点分析及2 0 0 4 年发展趋势预测中对 我国当前的汽车电子市场现状进行了分析，我国目前汽车电子产品销售额与销售 量双增，市场规模增长较大，结构相对稳定。汽车电子产品的销售额增长率高于 同一时期全国汽车的销售额增长率，是全球汽车电子产品平均销售额增长率的5 倍( 杨剑，2 0 0 5 ) 。赛迪顾问公司( 2 0 0 4 ) 在中国汽车电子市场快速增长中对汽 车电子产品的需求进行了研究，2 0 0 4 年全球汽车电子产品的总需求呈上升趋势， 对发动机和驱动系统电子产品的需求仍居首位，对汽车安全控制电子产品的需求 增长最快。 我国虽然早在7 0 年代初就开始了汽车电子装置的研究工作，但是2 0 多年以 来，其发展速度极为缓慢，汽车电子化水平很低，国际上性能较先进汽车的成本 结构中，汽车电子产品占至j 4 0 - 6 0 ，即使一般汽车也占至1 j 3 0 ，但是我国却微乎 其微。邓泽英( 2 0 0 0 ) 在世界汽车电子产品发展前景广阔中研究了我国汽车电 子产品的应用情沉，得出的结论是我国目前汽车电子产品应用程度与发达国家汽 车电子产业发展初期时情况极为相似。许多在发达国家汽车上已作为标准配置的 装备，在我国则刚刚开始在一些轿车上安装。2 0 0 0 年底发达国家汽车安装制动防 抱死系统的车辆己经达到8 0 左右，中高级轿车几乎全部安装了这一系统。安装 安全气囊也越来越多地成为中高级轿车的标准配置。而我国汽车产品从2 0 世纪9 0 年代末期开始批量安装制动防抱死系统，安装安全气囊的汽车则为数甚少。许多 在外围同样车型上已经安装的电子信息产品，在我国生产时却没有安装。高附加 值汽车电子产品在我国整体汽车电子产品中所占比重乃至汽车整车中的应用比 重有了显著的提升，但与国外差距仍然很大。许多技术水平要求高的汽车电子零 部件我围还难以生产，我同尚不具备开发先进汽车发动机的能力，因此生产发动 机电子控制零部件也无从谈起。我同在智能化交通运输管理系统方面才刚刚起 步，全球定位系统、地理信息系统，智能运输系统这三大系统或处于研制开发阶 段，或处于实验推广初期，配备了汽车必须配备的有关电子信息接受装置的车辆 甚少同时，我国汽车电子高附加值产品多数依赖进口，导致这部分产品的价格在 一段时期以内持续看涨。我国生产和应用的还只是一些技术含量较低的电子产 2 第一章绪论 品，而目前己经在国外普遍应用的汽车电喷系统、防抱死制动系统和安全气囊等 电子产品在我国的生产和应用刚刚起步还未进入批量生产，而且即使是目前应 用比例较高的汽车音响、汽车空调等产品，其产品档次与国外相比也较低。影响 国内电子部件在汽车生产中应片j 的不仅是研究深度不够，使产品性能无法满足要 求，更关键的是产品的可靠性、耐久性和技术跟进问题。尽管目前国内汽车电子 在整车中的应用比例与国际水平差距甚大，但是，中国汽车电子应用比例的增长 速度远远高于全球平均增长速度，两者应用比例呈收敛态势，这也意味着中国汽 车电子的市场潜力巨大，根多潜在需求有待于生产企业逐步挖掘和满足。 随着中国未来汽车市场的快速发展和汽车电子价值含量的迅速提高，中国汽 车电子产业将形成巨大经济规模效应，中国汽车电子市场规模在近几年将会保持 快速增长的态势。我同的汽车科技领域正在拉生新的技术革命，现代汽车已经由 传统的机电产品发展成为高新技术产品，成为用汽车电子技术装备起来的产业。 随着未来汽车市场的快速发展和汽车的电子价值含量迅速提高，我国汽车电子产 业将逐渐成为支持汽车工业发展的门相对独立的新兴支柱产业。 1 2 车身控制系统的概述 经济且可靠的车身控制一直足业界关注的焦点。目前车身控制方式有三种： 一种是分散式控制，即车身控制功能由几个分散独立的e c u 实现，各个e c u 之间 相对独立，目前大部分国产车都是这种车身控制模式。二种是集中式控制，即在 一个b c m 上采集所有控制所需的信号，根据相应的控制要求，经b c m 判断、处理 后驱动相应的设备，这是一种星型结构，经b c m 为核心，连接所有的输入和输出， 国外早期高级车都是采_ | = i j 这种控制模式。三种是总线式控制( 分布式控制) 根 据用电设备在车行的布局，将b c m 分解为几个e c u ，由e c u 就近驱动相应的设备， 各e c u 之间通过总线连接。 分散式控制模式灵活性高，可以根据客户的不同，进行添加、更换。缺点是 各个e c t j 之问没有通讯，不便于信息共享和功能的提升，无法实现强大的控制功 能，同时增加e c u 也使成本增加。所以这种控制模式将逐渐退出， 灵活选择集中式与总线式控制 集中式控制因功能比较简单、也没有总线，所咀不要求特别的半导体器件， 主要还是要从成本方面考虑。分布式控制既要求功能强又相对便宜的芯片的。在 主节点方面，首先要考虑满足功能，如果功能达到一定要求，很多还是优先考虑 1 6 位m c u 。而在于节点方面，要在满足功能的情况下，尽量小、尽量便宜。 集中式拧制模块m c u 需求看涨。目前市场 主导企业均能提供相应的m c u 与 第章绪论 收发器。 集中式控制和总线式控制在实际应用中究竟谁能胜出? 集中式虽然实现集中式控制，但因采集、拄制最太多，b c m ( 中央智能电子 集成控制器) 程序复杂，故障率会提高。因而，集中式控制将是“分而集中”。 一般分步式车身控制系统基于c a n l i n 总线，可 扭c a n 总线将几个主要的阿关 模块连接起来，再由每个网关模块连接几个l i n 节点，实现整个车身网络挖制。 园而，对c a n l i n 收发器、集成c a n l i n 控制器的m c u 胜 i ，则需要看客户对 功能的要求和对成本整体平衡。选择车身控制应考虑功能的平衡，即功能要求相 对简单时，如果采用总线式控制，可能会增加成本，相反如果功能较多，要是 不用总线控制，可能根本就无法实现。比如一个电动后视镜的解决方案，其功能 非常复杂，包括带记忆的x 、y 方向调节，折叠，转向灯，脚灯，防眩光电子屏 等。这么多功能，若用车身电子中央控制系统连线过来，肯定是无法实现的。 随着车身电子功能的增加，分布式控制系统是大势所趋。分布式控制也有繁 有简，在实际应用中适合就好，一定不能j j 十分复朵的系统土实现些相对简单 的功能。 图1i 是一般分布式控制系统的实现方案，该系统是采用l i n c a n 总线的 混合结构每个c a n 总线上连接几个l i n 总线。 i l l h l _ h 小 h hi 】， 、 图l1 一般分布式控制系统方案圈 1 3 课题的主要内容 前面已述，分布式控制模式是大势所趋。它不但是本课题实现车身多装置控 制通讯的方法，也是主要的研究内容。本课题存众多的车身网络标准巾选择丁低 速、价格便宜的【i n 总线标准，并有扩展的c a n 总线接r 。本系统包括4 个基术 第一章绪论 模块：一是中央控制模块( 负责各个模块的通讯并负责每个从模块控制和检测) 。 二是车窗模块。三是车镜模块。四是车灯模块。最后联调成功，通过中央控制单 元实现了对各个模块的控制。本文主要是设计和研究车窗控制模块。本文对这一 研究过程进行了回顾和整理。所做的工作有以下几点。 1 ：研究了l i n c a n 总线协议，并按照要求制定了通讯协议。 2 ：设计了车窗电路原理图，制作了p c b 电路板。 3 ：采用嵌入式c 语言编写了车窗的控制程序。 4 ：用l a b v i e w 8 0 编写了界面调试程序并对车窗和整个系统进行了单独和联网 调试。 5 ：应用c a n 的接收器t j a l 0 5 0 和c a n 的控制器s j a l 0 0 0 实现了c a n 总线的通讯。 1 4 所研究课题的目的和意义 本课题针对我国汽车工业现有技术和不久将来的汽车消费水平的考虑，选择 天津一汽公司的夏利轿车作为目标应用车。在比较、吸收和消化国外先进的 l i n c a n 总线方案和车身控制技术的基础上，提出适合国产经济型轿车的l i n c a n 总线车身控制系统方案。通过对国产经济型轿车的技术定位，l i n 总线车身控制 系统方案的选定和设计，硬件电路的实际制作，控制程序的编制，以及实物的试 验性能测试的整个过程的实践来深入理解掌握国外最新的c a n 总线技术，积累了 l i n c a n 总线车身控制系统的研制经验，同时，提高自己的科研能力。 第二章车用控制总线 2 1 车用总线概述 2 1 1 车用总线的形式 第二章车用控制总线 毋庸置疑，汽车电子已体现出网络化的发展方向，车载网络成为汽车电子领 域的最大热点。提高控制单元间通讯可靠性和降低导线成本的网络总线技术应用 成为动力所在，包括c a n 、l i n 、f l e x r e y 、m o s t 、i d b l 3 9 4 等已成为现代汽 车网络总线的关键技术。目前，在国内众多车型都可发现网络总线技术的身影。 国外c a n 、l i n 总线技术应用已经成熟，相应地在国内汽车市场的应用也已拉 开序幕，c a n 、l i n 应用成为潮流之势。 汽车网络总线一般通过收发器、控制器进行信号传输，飞思卡尔提供广泛的 l i n 产品系列，包括8 1 6 3 2 位主m c u 和8 1 6 位从节点m c u ，包括l i n 物理 层接1 2 1 、l i n c a ns b c ( 系统基础芯片) 和i d c ( 智能分布式控制) 。i d c 产品是高 度集成的单一封装芯片，包含一个8 位m c u 、l i n 物理层接口、电压调节器和 各种功率驱动( s m a r t m o s ) 组件，非常适合空间有限的应用如后视镜或车窗升 降器。 2 1 2l i n 和c a n 总线协议的比较 l i n 总线是典型的a 类网络，由l i n 协会发布，是价格便宜的单总线低端 网络，也称为经济型c a n 网络。l i n 是以广泛应用的u a r t 为基础定义的，物 理层基于i s o9 1 4 1 ，一般用于传输速度、实时性要求较低的车身系统，采用单主 多从的通讯模式，网络节点分为主节点和从节点。主节点执行主控发送任务， 决定什么时候、哪一帧将在总线上传输，信息帧的长度是可变的，数据长度可为 2 、4 或8 个字节，目前在我国自主开发的车身系统中l i n 协议得到了一定的应 用。 c a n 总线是在8 0 年代中期，由德同b o s c h 公司提出，c a n 采用多主方式 工作，网络e 任一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息，而 不分主从，网络上节点可根据不同的实时要求分成不同的优先级。当两个节点同 6 第二章车用控制总线 时向网络上传递信息时，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送数据，具有点对点，一点对多点及全局广播的数据传送的 功能，通信速率可达1 m b i t s ，每帧的数据字节数为8 个，若节点在错误严重的 情况下，可自动切断它与总线的联系，以使总线上的其它通信不受影响。表2 1 为l i n 和c a n 协议在车身应用中的主要特性比较。 l i nc a n 媒体访问控制单主机多主机 总线速度 2 4 一一19 6 1 d d s 6 2 5 5 0 0 i d e s 多点传送信息路由 6 位标示符 l1 2 9 位标示符 网络节点数 2 一1 0 节点 4 一2 0 节点 编码方式 n l - z8 n i ( u a r t ) n l zw 位添充 每帧数据字节2 4 8 字节4 - - 8 字节 4 字节数据传输时间3 5 m s ( 2 0 k b s 10 8 m s ( 12 5 k h s ) 错误检测8 位校验和1 5 位循环冗余码校验 物理层单线，1 2 v双绞线，5 v 石英陶瓷震荡器无( 主机除外)有 总线最大长度 2 0 m4 0 m 每个接点成本0 5 美元l 美元 2 2l i n 总线协议 表2 1l i n 和c a n 特性比较 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 ) 是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽 车中的分布式电子系统控制。l i n 的目标足为现有汽车网络( 例女c a n 总线) 提供 辅助功能。 2 2 1l i n 的主要特性 低成本，基于通用u a r t 接口，几乎所有微控制器都具备l i n 必需的硬件； 极少的信号线即可实现国际标准i s 0 9 1 4 1 规定； 传输速率最高可达2 0 k b i t s ； 单主控器多从设备模式，无需仲裁机制； 从节点不需晶振或陶瓷震荡器就能实现自同步，节省了从设备的硬件成本； 7 第二章车用控制总线 保证信号传输的延迟时间； 不需要改变l i n 从节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点； 通常一个l i n 网络上节点数目小于1 2 个，共有6 4 个标志符。 2 2 2 报文 在总线上发送的信息有长度可选的固定格式，每个报文帧包含2 、4 或8 字节 的数据以及3 字节的控制、安全信息。总线的通讯由单个主机控制。每个报文帧 都用一个分隔信号起始，接着是一个同步场和一个标识符场，这些都由主机任务 发送。从任务则是发回数据场和校验场。通过主机控制单元中的从机任务，数据 可以被主机控制单元发送到任何从机控制单元相应的主机报文i d ，可以触发从机 一从机的通信。图2 1 为报文传输过程。 2 2 3 报文传输 图2 1 报文传输过程 1 报文帧 报文传输是由报文帧的格式形成和控制。报文帧由主任务向从任务传送同步 和标识符信息，并将一个从任务的信息传送到所有其他从机任务。主机任务位于 主机节点内部，它负责报文的进度表、发送报文头。从任务位于所有的节点中， 其中一个发送报文的响应。 一个报文帧是由一个主机节点发送的报文头和一个主机或从机节点发送的 响应组成。报文帧的报文头包括一个同步间隔场，一个同步场和一个标识符场。 报文帧的响应则由3 个n 9 个字节场组成；2 、4 或8 字节的数据场和一个字节校验 和场。字节之间有字节问空间分隔，报文帧的报文头和响应场是由一个帧内响应 空间分隔。最小的字节间空间和帧内响应空间是0 。这些空间的最大长度由报文 帧的最大长度t f r a m em a x 限制。图2 2 为l i n 的帧格式。 8 第二章车用控制总线 m e s s a g ef r a m e h e a d e r r e s p o n s e n t e r f r a m e s p a c e o r b r e a k b r e a k 吲f i e l d 絮f i e l di吲field吲field噫neltrame i n t e if i 呶 i n - t r b v l c h e c k s u m f i e l d 1 ) 报文头场 报文头场是由三部分组成：同步间隔场，同步场，标识符场。 a 同步间隔场： 为了能清楚识别报文帧的开始，同步间隔场，是由主机任务发送。它使所有 的从任务与总线时钟信号同步。同步间隔场有两个不同的部分。第一个部分是由 一个持续t s y n b r k 或更长时间( 即最小是t s y n b r k ，不需要很严格) 的显性总 线电平。接着的第二部分是最少持续t s y n d e l 时间的隐性电平，作为同步界定 符，第二个场允许用来检测下一个同步场( s y n c hf i e l d ) 的起始位。最大的间 隔和界定符时间没有精确的定义，但必须符合整个报文头t h e a d e rm a x 的总 体时间预算，t h e a d e rm a x 在图2 3 中定义。 一t 一一 s y 几c nr o f i i z a t l o l 3 d e h m i t e r 图2 3 同步间隔场 同步间隔场的位定时规范以及从机控制单元对此的估计值是考虑l i n 网络中 允许的时钟容差而得出的结果。如果显性电平持续的时间比在协议中定义的普通 显性位序列( 这里是：0 x 0 0 场，有9 个显性位) 还要长，此时认为这是一个同步间隔 场。如果这个间隔超出了用从机位定时测晕的间隔t s b r k t s ，则从机节点将检 测到一个间隔。这个“阀值”是由从机节点的最大本地时钟频率得出。基于精确的 本地时基，阀值t s b r k t s 被指定了两个值。同步间隔场的显性电平长度至少为 t s y n b r k ，这个时间是用主机位定时来测量。最小值应根据连接从机节点指定 的最小本地时钟频率所要求的阀值而得出。 b 同步场 9 第_ 章车用控制总线 同步场包含了时钟的同步信息。同步场的格式是0 x 5 5 ，表现在8 个位定时中 有5 个下降沿( 即：“隐性”跳变到“显性”的边沿) 如图2 4 所示： hhr 1 1 厂_ 一 s 静o 123 4567 s 醉 2 4 同步场 c 标识符场 标识符场定义了报文的内容和长度。其中，内容是由6 个标识符位和两个i d 奇偶校验位表示，标识符位的第4 和第5 位( i d 4 和i d 5 ) 定义了报文的数据场数 量，这将把6 4 个标识符分成4 个小组，每组1 6 个标识符，这些标识符分别有2 ，4 和8 个数据场。如表2 2 所示。 i d 5l d 4 j v 删功( 数据场的数量) 【字节】 oo2 ol2 1o4 ll8 表2 2 在报文帧中数据场数量 标识符有同样的l d 位i d 0 和i d 3 ，但有不同的长度代码i d 4 、i d 5 ，可以表示不同 的报文。标识符的奇偶校验位通过下面的混合奇偶算法计算： p 0 = i d 0 0i d i i d 2 i d 4 ( 奇校验) p i = i d l 1 d 3 i d 4 0 1 d 5 ( 偶校验) i d oi d li d 2i d 3i d 4i d 5p 0pl 2 ) 响应场 l e n g t hc o n t r o l 图2 5 标识符场 1 0 第二章车用控制总线 根据应用，如果信息和控制单元无关，则报文的响应场( 数据、校验和) 可 以不需要处理，譬如不知道或错误的标识符。在这种情况下，校验和的计算可以 忽略。 a 数据场 数据场通过报文帧传输，由多个8 位数据的字节组成。传输i 扫l s b 开始，如 图2 6 所示。 d od 1d 2 d 3 d 4 d 5d 6d 7 l s bm s b s - a r t b i t d a r a b i t s 图2 6 数据场 s t o p b i t b 校验和 校验和场是数据场所有字节的和的反码。和按“带进位加”方式计算，每个进 位都被加到本次结果的最低位( l s b ) 。这就保证了数据字节的可靠性。如图2 7 所 示： c 0c 1c 2c 3c 4c 5c 6c 7 s t b a i t r t c h e c k s u ms t b o i t p bitls。 图2 7 校验和场 所有数据字节的和的补码与校验和字节之加的和必须是0 x f f 。 2 信息路由 l i n 系统中，节点不使用有关系统配置的任何信息，除了单主机节点的命名。 系统灵活性就是不需要改变任何其他从机节点的软件或硬件，就可以在l i n 网 络中直接添加节点。 3 报文路由 报文的内容由识别符命名。识别符不指出报文的目的地，但解释数据的含义。 最大的标识符数量是6 4 ，其中4 个保留用于专用的通讯，譬如软件升级或诊断。 第二章车用控制总线 4 多播 由于引入了报文滤波的概念，任何数目的节点都可以同时接收报文，并同时 对此报文做出反应。 5 位速率 最大的波特率是2 0 k b i t s ，它是由单线传输媒体的e m i 限制决定。最小的波特 率是l k b i t s ，可以避免和实际设备的超时周期冲突。为使用低成本的l i n 器件， 建议使用表2 3 所示的位速率。 i低速中速高速 2 4 0 0 b i t s9 6 0 0 b i t s19 2 0 0 b i t s 2 3c a n 总线协议 表2 3 波特率 c a n ，全称为“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，是国际上应用最 广泛的现场总线之一。最初，c a n 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车 载各个电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机 管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入c a n 控制装置。 c a n 最初出现在8 0 年代末的汽车工业中，由德国b o s c h 公司最先提出。当 时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电 子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连 接信号线。提出c a n 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制 装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总 线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1 9 9 3 年，c a n 已成为国际标准 i s o l1 8 9 8 ( 高速应用) 和i s 0 11 5 1 9 ( 低速应用) 。 c a n 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高 抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到1 0 k m 时， c a n 仍可提供高达5 0 k b i t s 的数据传输速率。 由于c a n 总线具有很高的实时性能，因此，c a n 已经在汽车工业、航空工 业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。 2 3 1c a n 协议的分层结构 c a n 网络是一种网络结构，它没有严格遵循国际标准化组织( i s o ) 的开放系 统互连的七层参考模型( o s i ) ，出于对实时性和降低成本等因素的考虑，c a n 总 线只采用了其中最关键的两层，即物理层和数据链路层。c a n 总线规范规定了任 1 2 第二章车用控制总线 意两个c a n 节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议，为保证设计使用 的透明性及执行的灵活性，如图2 8 所示。 应用层 曩水层 舍话篇 _ _ _ - v 一_ - _ _ 一 份铪屡 - _ _ _ ，_ - _ _ - _ 一 网铬层 数露嵯烙是 境理层 一- - 一- 一- - 一一 - 一- 一+ o 缸参考囔塑a 时l 办饮锷嚷型 图2 8c a n 协议的参考模型 c a n 技术规范2 0 定义了数据链路层中的m a c 子层和l l c 子层的一部分，并 描述了与c a n 有关的外层接口。物理层的功能范围是以一定的电器特征要求完成 节点间的实际位传送过程。它定义信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编 码和同步的描述，在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器接受器特性， 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，主要功能是定义传输规则，如：帧结构控制、错误检测及故障界定等 服务。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，它具有识别永久馆长或短暂扰动的白检机制。l l c 子层为数据 传送和远程c a n 的分层结构数据请求提供服务，它的主要功能是报文滤波、超载 通知和恢复管理。 2 3 2c a n 的帧格式 1 c a n 2 0 b 标准帧 c a n 标准帧信息为1 1 个字节，包括两部分：信息和数据部分。前3 个字节为 信息部分，如表2 4 所示。 幸 字节l 为帧信息。第7 位( f f ) 表示帧格式，在标准帧中，f f = 0 ：第6 位( r t r ) 表示帧的类型，r t r = 0 表示为数据帧，r t r = i 表示为远程帧； d l c 表示在数据帧时实际的数据长度。 木字节2 、3 为报文识别码，1l 位有效。 木字节4 l l 为数据帧的实际数据，远程帧时无效。 2 c a n 2 0 b 扩展帧 c a n 扩展帧信息为1 3 个字节，包括两部分，信息和数据部分。前5 个字节为 信息部分，如表2 5 所示。 1 3 第二章车用控制总线 、 765432lo ：ii ：1 f fr t r d l cr 箍怀* pf f l ； ? i2：掀上以矬t 一 ) i d 1 0 - i d 3 。：3 i d 2 一i d o xx 7 ：。4矗鼾1 。? 5：托2 ；i ? 6矗拄j3 f ：? 7甜l ! ：4 l 曹8器扰5 j 7 笆9数鼾6 ，仁1 0器妣7 ，1 71 1 矗托8 表2 4c a n 2 0 标准帧格式 、一 765432l0 ；，1 ：1 f fr t rx d l c 敌“ ：2 j ，1 72 ：批上：i f 1i d 2 8 - i d 2 1 ，* 3i d 2 0 一1 d 1 3 。，1 7 4i d 1 2 i d 5 ：# 1 75i d 4 i d 0 。二，1 76孔l 。节7敏2 71 78致奠3 7 # 1 79 数施4 。# 盯1 0数搿5 ，1 l数矿6 宵1 2 故字7 ，了1 3莪一8 表2 5c a n 扩展帧格式 - 字节l 为帧信息。第7 位( f f ) 表示帧格式，在扩展帧中，f f = l ；第6 位( r t r ) 表示帧的类型，r t r = 0 表示为数据帧，r t r = i 表示为远程帧：d l c 表示在 数据帧时实际数据长度。 奉字节2 - - 5 为报文识别码，其高2 9 位有效。 字节6 1 3 为数据帧的实际数据，远程帧时无效。 2 3 3c a n 的帧类型 报文传输由以下4 个不同的帧类型所表示和控制。 一数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。 1 4 第_ 章车用控制总线 一远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附加的 延时。 数据帧( 或远程帧) 通过帧间空间与前述的各帧分开。 1 ) 数据帧 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、c r c 场、应答场、帧结尾。数据场的长度可 以为0 。 2 ) 远程帧 通过发送远程帧，作为某数据接收器的站通过其资源节点对不同的数据传送进行 初始化设置。 远程帧由6 个不同的位场组成： 帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场、帧末尾。 与数据帧相反，远程帧的r t r 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0 8 的任何数值) 。此数值是相应于数 据帧的数据长度代码。 3 ) 错误帧 错误帧由两个不同的场组成。第一个场用作为不同站提供的错误标志( e r r o r f l a g ) 的叠加。第二个场是错误界定符。 4 ) 过载帧 过载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符。 2 4 其它车用总线协议介绍 2 4 1j 1 8 5 0 协议 在s a e l 9 9 4 年2 月正式将j 1 8 5 0 作为汽车网络b 类标准之前，它作为s a e 的推 荐协议己经被使用了七年。如今，j 1 9 5 0 协议广泛运用于汽车电子产品中作为诊 断和数据共享。s a e j l 8 5 标准有两个基础部分构成。一个是以单根总线连接的 1 0 4 k b p s v p w ( v a r i a b l ep u l s ew i d t h ) 方式，另一种是以两根差分总线连接的 4 1 6 k b p s p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 方式。网络中最大的通信距离为4 0 米。j 1 8 5 0 定义了两种寻址方式：物理寻址和逻辑寻址，这两种寻址方式可以同时应用在 网络中，执行不同类型的任务。因此可以在网络中任何地方使用这两种寻址方式。 j 1 8 5 0 的介质访问方式采用c s m a c r 。在j 1 8 5 0 总线上显性位的优先级比隐性位 1 5 第二章车用控制总线 的优先级高。当总线被优先级高的节点占用时，优先级低的节点停止发送，直到 总线空闲时，再次重发，避免了总线上信息的碰撞。j 1 8 5 0 是全帧比较方式，即 从帧起始位开始一位位进行比较直到帧信息结束为止。这种非破坏的冲突解决方 法是j 1 8 5 0 协议的核心。s a e 在j 1 8 5 0 标准中没有对错误进行严格的定义和分类。 错误检测采用c r c 校验方式，当发送节点检测到自己发送的帧信息错误时，它会 自动中断发送过程。接收节点收到一个错误帧时，这个帧信息将被忽略。 2 4 2f l e x r a y 协议 f l e x r a y 是b w m