（计算机科学与技术专业论文）基于容错can总线的车载多功能显示终端的研究与设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特n j j n 以标注和致谢的地方外， 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 武汉理工大学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。 签名：缝垩! 霞一日期：圣：! ! ：皇! 兰z 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权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。本人授权武汉理工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、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：唉导师( 签名) ： 飞飞暂 p 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 车载网络系统已广泛运用于汽车行业，它替换了传统庞大的布线系统。c a n 总线是使用最广泛的网络标准之一，它支持分布式实时控制并具备高性能与高 可靠性的特点。然而伴随着汽车内部电子系统的增多，对内部电子系统的信息 管理提出了更高的要求。同时，考虑到驾驶员在驾驶时不能使用手机接打电话。 因此，需要一个多功能显示终端来提供实时的车内电子系统信息和免提电话功 能。 在嵌入式l i n u x 操作系统下，根据c a n 总线特点与车载多功能显示终端的 需求，给出了基于容错c a n 总线的车载多功能显示终端的设计方案。首先，提 出了c a n 协议栈，完成了数据的收发、总线运行模式的管理以及容错特性等。 然后，根据所开发的c a n 协议栈，车载多功能显示终端通过c a n 总线与驻车 辅助系统进行通信，从而完成停车状态的图形化显示。最后，在车载多功能显 示终端添加蓝牙电话免提应用模块，使用蓝牙技术控制蓝牙手机，最终可以直 接在车载多功能显示终端上进行免提通话。 选用a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 a 处理器，$ 3 c 2 4 4 0 a 没有集成c a n 总线控制器，因此， 选用m c p 2 5 1 0 作为c a n 总线控制器。结合$ 3 c 2 4 4 0 a 的特征，在l i n u x 操作系统 下开发c a n 协议栈，包括c a n 接口驱动的开发等。该协议栈是遵循o s e k v d x 标准的。基于所开发的c a n 协议栈，$ 3 c 2 4 4 0 a 通过c a n 总线与驻车辅助系统进 行通信。本文详细分析了驻车辅助系统信息帧的定义，并给出了停车过程中车 与各个方向的障碍物距离关系的图形化显示方案。最后，开发基于b l u e z 协议栈 的蓝牙电话免提应用，车载多功能显示终端通过u s b 接口与蓝牙u s b 适配器连 接。免提应用参照蓝牙免提应用框架h f p ，车载多功能显示终端作为免提单元， 蓝牙手机作为音频网关。分析h f p 框架中各层协议的工作，通过b l u e z 所定义的 a p i 来完成h f p 中的h c i 、s d p 与r f c o m m 协议的软件设计。并发送a t 指令来控 制蓝牙手机进行拨号、来电处理、电话本下载以及音量控制等操作，通过建立 s c o 连接通道来传输语音数据，最终实现蓝牙电话免提功能。经多次运行测试， 基本上达到各功能模块的设计目标，实现了一个考虑驾驶安全具备操作方便与 可靠性高的车载多功能显示终端。 关键字：c a n 总线，c a n 协议栈，车载显示终端，蓝牙免提，驻车辅助 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t v e r t i c a ln e t w o r ks y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di na u t oi n d u s t r y i tr e p l a c e dt h e l a r g et r a d i t i o n a lw i r i n gs y s t e m c a nb u si so n eo ft h em o s tw i d e s p r e a dn e t w o r k s t a n d a r d sw h i c ha r eu s e di nc a c a nb u si sas e r i a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，w h i c h c a ns u p p o r tf o rr e a l - t i m ea n dd i s t r i b u t e dc o n t r o l ，a n di th a sh i g hp e r f o r m a n c ea n d r e l i a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s w h i l e , w i t ht h ei n c r e a s eo fc a r i n t e r i o re l e c t r o n i cs y s t e m ，i t b r i n g sh i g h e rr e q u i r e m e n ta b o u tt h es u p e r v i s i o no fa l li n t e r i o re r re l e c t r o n i cs y s t e m m e a n w h i l e ，d r i v e rc a n tu s ep h o n ei nd r i v i n g t h e r e f o r e , i ti sn e c e s s a r y t op r o v i d ea n a u t o m o b i l em u l t i - f u n c t i o nd i s p l a yw h i c hc a n p r o v i d er e a l - t i m ei n f o r m a t i o no fi n t e r i o r c a re l e c t r o n i cs y s t e m sa n db l u e t o o t hh a n d s f r e ep h o n ef u n c t i o n i ne m b e d e dl i n u xs y s t e m , a c c o r d i n gt oc a nb u sf e a f u r ea n dr e q u i r e m e n to f a u t o m o b i l em u l t i - f u n c t i o nd i s p l a y , t h et h e s i sg i v e sd e s i g ns o l u t i o no fa u t o m o b i l e m u l t i - f u n c t i o nd i s p l a y , w h i c hi sb a s e do nf a u l t - t o l e r a n tc a nb u s f i r s to fa l l ，t h e t h e s i sp r o v i d e sc a nb u sp r o t o c o ls t a c k , w h i c hc o m p l e t e ss e n d i n ga n dr e c e i v i n gd a t a , m a n a g e m e n to fc a nb u so p e r a t i n gm o d e s ，f a u l t - t o l e r a n to fc a nb u s ，a n ds oo n t h e n ，w i t ht h ec a nb u sp r o t o c o ls t a c k , t h ea u t o m o b i l em u l t i f u n c t i o nd i s p l a y c o m m u n i c a t e sw i t hp a r k i n ga i ds y s t e mb yc a nb u s ，a n dd i s p l a y sp i c t u r e sa b o u t p a r k i n gs t a t e f i n a l l y , t h ed i s p l a ya d d sb l u e t o o t hh a n d s f r e ep h o n ea p p l i c a t i o n ，w h i c h u s e sb l u e t o o t ht oc o n t r o lp h o n e t h e n , d r i v e rc a nc a l li nt h ed i s p l a y , d i r e c t l y t h ed i s p l a ys e l e c t sa r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 a p r o c e s s o r i th a sn oc a nc o n t r o l l e ri n $ 3 c 2 4 4 0 a ，s oi t u s e sm c p 2 510i nt h ed i s p l a y t h r o u g hr e g a r d i n gf e a t u r e so f $ 3 c 2 4 4 0 a ，a u t h o rd e s i g n sc a np r o t o c o ls t a c ki nl i n u xs y s t e m ，w h i c hf o l l o w s o s e k v d xs t a n d a r d b a s i n go nt h ec a n p r o t o c o ls t a c k ，$ 3 c 2 4 4 0 ac o m m u n i c a t e s 、析mp a r k i n ga i ds y s t e mb yc a nb u s i nt h et h e s i s ，i ta n a l y s e sf r a m et h a ti sd e f i n e di n p a r k i n ga i ds y s t e m ，a n dp r o v i d e st h es o l u t i o nw h i c ht h ed i s p l a yd i s p l a y s p i c t u r e s a b o u tt h ed i s t a n c eb e t w e e nc a ra n do b s t a c l e s t h e n , t h ea u t o m o b i l em u l t i f u n c t i o n d i s p l a ya d d sb l u e t o o t hh a n d s - f r e ea p p l i c a t i o nm o d u l ew h i c hd e v e l o p sb a s e do nb l u e z p r o t o c o ls t a c k t h ed i s p l a yi sj o i n e dt ob l u e t o o t hu s ba d a p t e rb yu s bi n t e r f a c e h a n s d s f r e ea p p l i c a t i o nr e f e r st ob l u e t o o t hh a n df r e ep r o f i l e t h ed i s p l a yi sh a n d s f r e e ，a n dp h o n ei sa u d i og a t e w a y i nt h i st h e s i s ，i ta n a l y s e sa l lp r o t o c o ll a y e r si nh f e n 武汉理工大学硕士学位论文 t h r o u g hp r o g r a m i n gw i t hb l u e za p ic o m p l e t e sh c i ，s d pa n dr f c o m mi nh f e t h r o u g hs e n d i n ga tc o r m n a n d sc o n s t r o lp h o n et oc a l l ，h a n d l ei n c o m i n gp h o n e ， d o w n l o a dp h o n e b o o ka n ds e tv o i c ev o l u m e i ts e n d sa n dr e c e i v e sv o i c eb e t w e e nt h e d i s p l a ya n dp h o n eb ys c ol i n k t h e nt h ed i s p l a yi m p l e m e n t s t h eb l u e t o o t h h a n d s - f le ef u n c t i o n a f t e rs e v e r a lt e s t i n go ft h ed i s p l a y , i tm e e t st h ef u n c t i o n r e q u i r e m e n to fa l lm o d u l e s i td e v e l o p sa na u t o m o b i l em u l t i f u n c t i o nd i s p l a yw h i c h h a sf e a t u r e so f o p e r a t i n gc o n v e n i e n t l ya n dh i 曲r e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：c a nb u s ，c a np r o t o c o ls t a c k , a u t o m o b i l ed i s p l a y , b l u e t o o t hh a n d s f l e e ， p a r k i n ga i d i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景与意义。1 1 2 国内外研究现状一2 1 3 研究内容及目标3 1 4 论文章节安排4 第2 章相关技术简介及总体设计5 2 1c a n 总线技术5 2 1 1c a n 总线特点5 2 1 2c a n 的分层6 2 1 3c a n 总线故障界定6 2 1 4 报文传输的帧类型7 2 2o s e k 厂、，d x 8 2 2 1o s e kn m 9 2 2 2o s e kc o m 9 2 3 蓝牙技术lo 2 3 1 蓝牙协议体系结构1 0 2 3 2 蓝牙免提应用规范1 2 2 3 3b l u e z 协议栈1 2 2 4 总体设计1 4 2 5 本章小结15 第3 章软件环境配置16 3 1 开发环境的安装16 3 2 内核配置1 7 3 3 内核的裁剪18 3 4b l u e z 的移植1 9 3 5 本章小结19 第4 章c a n 协议栈的开发2 0 4 1c a n 协议栈2 0 4 2 硬件构成2l i v 武汉理工大学硕士学位论文 4 3c a n 协议栈的实施方案2 2 4 3 1c a nl i n u x 驱动2 3 4 3 2 数据分段2 8 4 3 3 网络管理层2 9 4 4c a n 帧发送与接收3l 4 4 1c a n 帧的发送3 2 4 4 2c a n 帧的接收3 3 4 5 本章小结3 4 第5 章驻车辅助模块一3 5 5 1 功能需求3 5 5 2 信息帧3 7 5 3 信息处理与图标显示3 8 5 4 本章小结4 1 第6 章蓝牙电话免提模块。4 2 6 1h c i 软件设计4 3 6 1 1 初始化本地蓝牙设备4 3 6 1 2 搜索附近蓝牙设备4 3 6 1 3 配对与a c l 连接4 4 6 1 4 建立s c o 连接4 6 6 2s d p 软件设计4 7 6 2 1 服务发现4 7 6 2 2 服务注册与广播4 8 6 3i 强c o m m 协议软件设计4 8 6 3 1 建立r f c o m m 连接4 8 6 4 发送a t 指令控制功能实现4 9 6 4 1 电话本下载5 0 6 4 2 拨号5 1 6 4 3 来电处理5l 6 4 4 音量控制5 2 6 5 音频流的处理5 3 6 5 1 初始化音频5 3 6 5 。2 录音与音频流输出5 4 v 武汉理工大学硕士学位论文 6 6 本章小结5 4 第7 章测试结果与分析5 5 7 1c a n 总线数据收发5 5 7 2 驻车辅助系统信息图形显示5 6 7 3 蓝牙电话免提模块5 7 7 4 本章小结5 9 第8 章总结与展望6 0 致谢。6 2 参考文献6 3 攻读硕士学位期间发表的论文情况6 5 v i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 随着汽车电子技术的发展，汽车上的各种电子装置越来越多。且各类新型 电子通信产品的出现，对汽车的综合布线信息的共享和交互提出了更高的要求。 采用传统点对点的连线系统方式会造成庞大的布线系统【l 】。不仅工作效率低且成 本较高，因此这将阻碍加快汽车发展的步伐。为了解决汽车上各种电子装置之 间数据的交换，国外在上个世纪8 0 年代就开始考虑给汽车引进网络技术【2 1 。1 9 9 2 年，梅赛德斯奔驰公司最早把c a n ( a u t o m o t i v es e r i a lc o n t r o la r e an e t w o r k , 汽 车串行控制局域网) 总线用到汽车中，车辆中也大量采用c a n 总线来解决电子 控制装置之间的通讯的问题。在国外已有很多专门从事汽车总线研究，对于c a n 总线的研究和开发应用已很成熟。虽然c a n 总线标准已推出很多年，但在我国 汽车工业中，c a n 总线技术的应用尚处于起步阶段【3 】。对c a n 总线的利用还处 于简单的收发数据阶段，而没有考虑对总线运行模式的管理以及总线容错方面 的应用。 为了提高数据传输的可靠性，c a n 总线的每一个节点均采取强有力的措施 来进行错误检测、错误自检及错误标定【4 】。包括总线监视、循环冗余检查、位填 充以及报文格式检查等。但是怎样才能做到c a n 网络系统工作更可靠，如果一 旦检测总线单元错误数据则禁止总线单元在总线上的所有活动是不可取的，这 有悖于可靠性的初衷，为了得到更可靠的数据传输则应该考虑总线容错性，当 总线单元数据发送错误，网络系统仍能正常工作，且不受该错误的影响。 而对于车载多功能显示终端，汽车在行驶时，驾驶员需要时刻关注汽车内 部与车外的情况。汽车制造商考虑到该问题已在车内尽可能加入各种电子装置。 然而如何将这些电子设备信息与工作状态参数提供给驾驶员，是一个值得考虑 的问题。结合c a n 总线的特点，考虑c a n 总线的容错性，研究一个基于容错 c a n 总线的车载多功能显示终端。车载多功能显示终端通过c a n 总线与车内驻 车辅助系统进行通信来实现停车状态图形化显示。 不仅是汽车，手机也成为人们日常生活中不可或缺的消费类产品。开车接 打手机对交通安全造成严重危害性，目前已有很多国家和地区明令形式禁止司 机在驾车过程中使用手机【川。虽然目前不少驾驶员开始佩戴蓝牙耳机接打电话。 武汉理工大学硕士学位论文 但是，长期佩戴耳机，过大的音量对人耳的听力有一定损伤【6 】。且带着耳机接电 话无法集中注意外面的声音，给驾驶员带来不便及造成安全隐患。所以将蓝牙 电话免提模块添加至显示终端，当蓝牙手机有来电时，驾驶员不必使用手机接 听，显示终端将来电信息显示在l c d 上，根据相应的选项来实现来电的接听或 与拒听。驾驶员也可以直接在显示终端上进行蓝牙手机的拨号控制，可以通过 显示终端存储区的手机电话薄来获取电话条目或者直接输入电话号码。 综上所述，车载多功能显示终端具备操作方便、功能实用以及优点突出等 特点，并给用户提供了安全舒适的驾车环境，具有重大研究的意义。 1 2 国内外研究现状 随着汽车内部电子系统的日益增加，传统的点对点信息交换方式已经越来 越不能满足汽车内部的分布式实时控制系统的通讯要求。早在2 0 世纪8 0 年代 初，国外就开始探讨将现有的串行总线系统用在轿车上。在1 9 8 6 年2 月s a e 大 会上，r o b e rb o s c h 公司提出新的总线系统c a n 3 1 。此后有许多公司纷纷推出 c a n 控制芯片，如i n t e l 公司推出的8 2 5 2 6 ，是c a n 总线第一个在硬件上的实 现。如今，c a n 网络系统已被广泛运用在轿车上，c a n 总线也被大量用于其它 行业【刀。 目前，国外对c a n 网络系统在轿车上的运用与研究已经比较成熟，今天， 在欧洲或美国推出的车型都配有一至多个网络系统【8 】。并且开发工具成熟，如德 国的v e c t o ri n f o r m a t i k 公司在c a n 总线应用领域内提供了一系列强有力的软硬 件工具，能够支持c a n 总线网络节点以及整个系统的建模、仿真等开发过程。 为客户提供强大、完整的汽车总线网络开发分析仿真系列工具和针对用户需求 的完善的解决方案。 在我国，从“九五 开始，政府就大量投资支持汽车总线的开发。很多高 等院校及科研单位也投入大量的人力财力对现场总线，尤其是c a n 总线技术的 研究和开发。虽然国内很早就开始关注汽车总线，但实际在汽车上的应用还很 少，对于c a n 网络系统方面的研究与开发应用尚处于试验和起步阶段。目前， 一汽的奥迪a 6 于2 0 0 0 年采用了c a n 总线技术，帕萨特b 5 、p o l o 和b o r a 等车型不同程度上引进了c a n 网络系统【9 】。在卡车货车领域也开始研究对c a n 总线技术的引进。可以说c a n 总线技术的研究与开发在我国已经引起高度重视。 但总的来说，国内在c a n 总线技术方面的研究及开发应用与国外相比还存在明 2 武汉理工大学硕士学位论文 显的差距。目前在我国汽车工业中，绝大部分的汽车还没有采用汽车总线设计。 且不少国内汽车合资企业采取的c a n 总线技术，核心技术却掌握在外商手中【l o 】。 因此我国应加强对c a n 总线技术的研究，开发更多具有自主知识产权的c a n 总线产品势在必行。 由于国外嵌入式系统技术与汽车电子技术发展较早，并且很早就重视对汽 车电子技术产品的研究，因此车载信息显示控制技术发展的也较成熟。在国外 发达国家( 如德国，美国与日本等国家) 车内拥有一套功能齐全的设备信息系 统是很普遍的【1 1 1 。西门子v d o 汽车电子公司在车载信息显示控制的研究方面已 经做到非常成熟，其产品技术先进，多数还集成了c a n 总线系统。微软公司开 发出面向汽车应用的w i n d o w s 汽车软件平台，提供了一系列软件解决方案，平台 包含了u s b 、蓝牙与8 0 2 1 1 等接口技术，使驾驶员的手机与音乐播放机等便携式 设备和车载终端设备实现互联，并可实现蓝牙电话免提功能与获取外部网络消 息【1 2 1 。国外车载信息显示终端在满足提供大量复杂信息的功能需求的同时，造 型外观与视觉效果良好，且采用小型化的设计节约车内空间。技术性能具备高 精度与高可靠性。 与国外发达国家相比，我国电子产业发展相对滞后，且对智能车载信息系 统的开发起步较晚，因此在汽车电子设备的研究与生产能力较为薄弱【l3 1 。目前 国内车内信息系统产品来源主要包括国外合资企业( 如德科、西门子v d o 与博 世等) 与国内集团企业( 如东风汽车与上汽) ，其产品产量与质量基本上能满 足国内车型的配置需求，但技术水平与国外相比相差甚远，其产品技术水平较 低、耐久性差、造型设计单调、性价比与可靠性低等。 总的来说，国内车载设备滞后于整车的发展，车载信息显示和控制设备的 开发较国外慢很多，且功能相对单一，开发成本较高，兼容性以及与整车的匹 配设计方面和国外存在明显差距。因此，国内应大幅度加快车载显示终端的研 究开发与生产。 1 3 研究内容及目标 车载多功能显示终端通过c a n 总线与汽车内部电子设备进行通信，来完成 信息的显示。主要研究内容如下： ( 1 ) 开发c a n 总线协议栈 在嵌入式l i n u x 操作系统下开发c a n 总线协议栈，包括c a n 接口驱动的 3 武汉理工大学硕士学位论文 开发，实现c a n 帧的发送与接收，以及c a n 总线的容错性。 ( 2 ) 实现驻车辅助系统的信息图形化显示 对车内驻车辅助系统的信息进行处理与显示。在车载多功能显示终端中， 分析c a n 总线传输来的驻车辅助系统的c a n 帧，然后给出汽车停车过程中与 各方向障碍物距离关系的图形显示。 ( 3 ) 实现蓝牙电话免提功能 在嵌入式l i n u x 操作系统下，开发蓝牙电话免提应用。车载多功能显示终端 与蓝牙手机通过蓝牙技术实现无线连接。在车载多功能显示终端上，通过麦克 风和音响输入输出语音，从而可以直接与手机的另一端进行免提通话。 1 4 论文章节安排 以下是本文的章节安排： 第1 章绪论。首先呈出多功能显示终端的研究背景及研究意义，并介绍了 c a n 总线的发展及在国内外研究现状，以及国内外车载信息显示终端的发展现 状，最后提出了研究内容与目标。 第2 章是相关技术简介及总体设计。该章给出了多功能显示终端所运用到 的关键技术的介绍，主要有c a n 总线技术、o s e k v d x 标准以及蓝牙技术。并 给出了系统的总体设计，包括硬件结构以及各功能模块的设计思路。 第3 章是软件环境配置。介绍了多功能显示终端软件开发工具的准备及操 作系统内核的配置，包括添加所需要的驱动模块与内核的编译裁减等。 第4 章是c a n 总线协议栈的开发。给出了l i n u x 操作系统下开发的c a n 协议栈的框架，以及协议栈各模块的实施方案。最后介绍c a n 帧的收发过程。 第5 章是驻车辅助模块。该章介绍了驻车辅助系统的c a n 数据帧的位定义， 以及车载多功能显示终端提供的停车状态图形布局。 第6 章是蓝牙电话免提模块。系统地给出了蓝牙电话免提模块需要实现的 基本功能。参照蓝牙免提规范h f p ，通过蓝牙协议规范的h c i 、s d p 以及 r f c o m m 协议分析，以及b l u e z 协议栈提供的a p i 接口来描述了蓝牙电话免提 模块的软件设计步骤，并给出了各功能设计的技术与方案。 第7 章是测试结果与分析，该章给出了各模块的测试结果以及相关分析。 第8 章是总结与展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章相关技术简介及总体设计 2 1c a n 总线技术 1 9 8 6 年2 月r o b o tb o s c h 公司提出c a n 总线系统后，c a n 总线系统被大量 用于汽车行业，今天，c a n 总线的应用已不再局限于汽车行业，而扩展至机械 工业、机器人、传感器、家用电器以及医疗器械等等3 1 。c a n 总线已形成国际 标准，并被公认为最有前途的现场总线之一，也是至今唯一有国际标准的现场 总线【1 4 】。 2 1 1c a n 总线特点 较其他通信总线，c a n 总线优点突出，其主要特点如下g ( 1 ) c a n 为多主工作方式，是一个多主广播的串行总线。 ( 2 ) 网络上节点通过对报文的标识符滤波来实现全局广播、一点对多点以及 点对点等方式传输数据。 ( 3 ) c a n 的直接通信距离在速率低于5 k b p s 情况下最远可以达到1 0 千米； 而通信速率最高为1 m b p s 。 ( 4 ) 可以选用同轴电缆、双绞线或光纤作为c a n 的通信介质。 ( 5 ) c a n 通过报文标识符将节点分成不同的优先级。 ( 6 ) 使用优先权来实现非破坏性总线仲裁。如果多个节点同一时刻向总线发 送信息而造成冲突，则总线将使用权交由最高优先级的节点。因此，既节约了 总线冲突仲裁时间，网络也不会因为负责重而造成网络瘫痪。 ( 7 ) 总线驱动电路可决定网络上的节点数，节点数最多可以有1 1 0 个。 ( 8 ) 报文采用短帧结构，使得报文传输时间较短，受干扰率较低，降低了数 据传输出错率。 ( 9 ) c a n 的每帧信息均采用有力的检错措施，如c r c 校验与其他方式等。 ( 1 0 )当c a n 总线节点错误严重则会自动关闭发送功能，而不影响总线上 的其他节点。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2c a n 的分层 根据o s i 参考模型，c a n 被分为物理层与数据链路层【1 5 】。数据链路层包含 l l c 逻辑链路子层与m a c 介质访问控制子层。各层完成的工作如下： ( 1 ) 物理层，定义了信号的传输，以及位定时、同步与位编码等概念。 ( 2 ) m a c 子层，涉及的工作包括报文的分帧、应答、总线仲裁、错误检测和 故障界定，是c a n 协议的核心。m a c 子层将接收到的数据传送给l l c 子层并 接收来自l l c 子层的数据。 ( 3 ) l l c 子层，负责报文的过滤、过载通知和恢复管理等。 如图2 1 所示为c a n 的分层结构。 数据链路层 u 正 报文过滤 过载通知 h c 数据封装 帧编码 应答 错误检测 故障界定 物理层 位编码解码 位同步 位定时 图2 1c a n 的分层结构 2 1 3c a n 总线故障界定 c a n 的每个单元都会采取一定的方式来检测错误。主要有五种错误类型： 位错误、c r c 错误、填充错误、格式错误以及应答错误。如果这几类错误的检 测被节点检测到，则该节点会发出相应的错误标记。 c a n 的节点故障状态可以分为错误主动、错误被动和总线关闭1 3 】。错误主 动节点与错误被动节点能正常的在总线上发送与接收数据，而总线关闭节点则 会自动关闭发送功能，不参与总线上的任何活动。错误主动与错误被动节点分 别会在节点的下一位传送主动错误与被动错误标志。错误被动节点在发送错误 标志之后则处于等待状态直至开始后续的发送。每个单元可以通过发送错误计 数和接收错误计数来进行相应的故障界定【1 4 1 。在参考文献 1 4 1 d 尸详细介绍了错误 计数的计算规则。 6 武汉理工大学硕士学位论文 上述三种状态之间的相互转变过程如图2 - 2 所示，其中t e c 为接收错误总 数，r e c 为发送错误总数。 2 1 4 报文传输的帧类型 图2 2 故障状态图解 c a n 根据标识符域的长度将帧的格式分为两种：标准帧与扩展帧。标准帧 与扩展帧所含标识符域的长度分别为1 1 位与2 9 位。 c a n 总线定义了两个总线逻辑值：显性与隐性。显性位对应于0 ，隐性位 对应于1 。报文传输有以下四种不同类型的帧：数据帧、远程帧、过载帧以及错 误帧【1 4 1 。其中远程帧与数据帧都能使用c a n 的两种报文格式。 下面将详细介绍这四种帧类型： ( 1 ) 数据帧 数据帧用于将数据从发送端传送到接收端。它由七个位域组成：帧开始、 仲裁字段、控制字段、数据字段、循环冗余c r c 字段、应答字段以及帧结尾。 其结构如图2 3 所示。 帧向 蜀【惦贝 1 叭i 廿j l 叫阁 司隔 - 过载帧 帧毫l乏上二数据|字段二段应二：字段 帧结尾 图2 3c a n 数据帧的格式 帧起始：只包括一个显性位，用于说明帧的开始。 仲裁字段：对于不同的帧格式，仲裁字段的构成不同。对于标准帧格式， 仲裁字段由1 1 位标识符与r t r 位( 远程发送请求位) 构成。而对于扩展帧，其 仲裁字段包括2 9 位标识符、i d e 位( 标识符扩展位) 、s r r 位( 替代远程请求 位) 与r t r 位。 7 武汉理工大学硕士学位论文 控制字段：控制字段包含六个位：i d e r l 位、r o 位与数据长度代码( 占4 位) 。对于c a n 的两种帧格式，控制字段的构成也不相同。对于标准帧，控制 字段由数据长度代码、i d e 位以与保留位r o 组成。而扩展帧里的控制域由数据 长度代码、保留位r o 与r l 组成。 数据字段：即将发送的数据。它可以填充最多八个字节，最少0 字节。 c r c 字段：由c r c 序列与c r c 界定符组成。 应答字段：由应答间隙与应答界定符组成，且各占一位。 帧结尾：帧结尾包含七个隐性位，标志着帧的结束。 ( 2 ) 远程帧 远程帧由数据接收端发送，用于通知并请求具有相同标识符的数据帧的发 送端站发送该数据帧。远程帧包含六个位域，较数据帧它不包含数据字段。 ( 3 ) 错误帧 错误帧是总线单元检测到总线错误而发送的帧类型，它包含两个域：错误 标志的叠加与错误界定符。错误标志包括主动错误标志与被动错误标志，对于 主动错误标志与被动错误标志分别包含了六个显性位与六个隐性位。错误界定 符由八个隐性位组成。 ( 4 ) 过载帧 过载帧由过载标志与过载界定符位域组成。过载标志包含6 个显性位，而 过载界定符由8 个隐性位组成。如果接收站在发送下一个数据帧或远程帧之前 要求一段延迟或者在间隙期间检测到一个显性位则会激发总线单元传送过载标 志。传送过载标志后站则开始监视总线，直至监测到一个显性到隐性位的跳变， 接着总线单元发出七个隐性位。 2 2o s e k 加x 1 9 9 3 年5 月，o s e k 在德国汽车工业作为一个联合项目被建立，其目的是 为汽车中分布式的控制单元提供一个开放性结构的工业标准，o s e k 是德国术语 ( 英文为o p e ns y s t e m sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gi n t e r f a c e s f o ra u t o m o t i v e e l e c t r o n i c s ) 的缩写，起初项目合作者有宝马、博世、o p e l 与西门子公司等等【1 5 】。 1 9 9 4 年法国汽车生产厂商p s a 与雷诺加入o s e k 并且引进它们的v d x ( 汽车 分布式实施标准) 技术方案。在1 9 9 5 年l o 月第一次研讨会上o s e k v d x 组织 提出了o s e k 与v d x 的统一规范。o s e k v d x 标准包含四个部分：操作系统 武汉理工大学硕士学位论文 ( o s ) 、通信( c o m ) 、网络管理( n m ) 以及配置语言( o i l ) 【1 6 1 。o s e k 的各 层次模型如图2 - 4 所示，在这里主要介绍o s e k n m 与o s e kc o m 规范。 2 2 1o s e kn m 图2 - 4o s e k 各层次模型 网络管理系统提供了确保e c u 产品网络互连能力的标准化特征，n m 的主 要任务是确保e c u 之间网络通信的安全性与可靠性，并提供网络配置的规定、 监管与控制【1 7 】。o s kn m 所定义的网络标准使网络上的e c u 具有一定的特性： ( 1 ) 每个节点必须通过鉴权访问；( 2 ) 考虑到网络访问短暂性失败，拥有失败最大 容忍限度；( 3 ) 支持网络相关的诊断特征。 在基础配置阶段，根据o s e k 规范n m 必须实施到网络上的所有节点，网 络节点在一定的时间内获取整个网络的状态信息。o s e k n m 提供了两种可选的 网络监管机制：( 1 ) 通过监测控制应用消息的间接管理；( 2 ) 直接管理方式。间接 管理方式是以监督e c u 单元的周期性信息帧为基础。一个单元发出一个周期性 信息帧，被一至多个单元所接收，接收单元通过监控该信息帧来间接完成网络 监管工作。直接管理是通过逻辑环实现网络监控信息的同步。逻辑环上每个节 点都有相关的独立地址，通过专用的网络管理报文来监测网络上各节点的状态。 总的来说，o s e kn m 提供的如下服务：( 1 ) 初始化e c u 资源，如网络接口。 ( 2 ) 启动网络。( 3 ) 提供网络配置。( 4 ) 不同的网络节点监管机制。( 4 ) 为网络与节点 提供操作状态的检测、处理与标定。( 5 ) 读取、设置网络或节点特定的参数。( 6 ) 整个网络操作模式( 如网络休眠状态) 的协调。( 7 ) 支持网络诊断。 2 2 2o s e kc o m o s e kc o m 是汽车控制单元应用软件的统一通信环境。通过定义统一的软 9 武汉理工大学硕士学位论文 件通信接口以及控制单元内部通信与外部通信的行为增加了应用软件模块可移 植性。【1 8 】 o s e kc o m 提供了e c u 内部以及控制单元之间数据的传输的服务。e c u 内部数据总是以相同的方式来执行，它通过交互层路由内部信息直接发送给接 收单元。而对于e c u 之间的通信，交互层将一条或多条消息打包成交互层协议 数据单元p d u ，并将它们发送给底层，经过网络总线发送给接收单元。o s e k c o m 具备的特性：可移植性、可复用性以及互操作性；具备良好的可扩展性， 确保可以运行与不同的硬件平台；提供了对网络间接管理的服务支持。 2 3 蓝牙技术 蓝牙是一种短距离、小功耗与低成本的无线通信的技术规范，工作在全球 通用的2 4 g h zi s m ( 工业、科学与医学) 频段上。蓝牙技术具有低功耗、成本 低与易移植等特点，已被应用于各种电子设备中。【1 9 】 2 3 1 蓝牙协议体系结构 蓝牙协议规范遵循o s i r m ( 开放系统互连参考模型) 从低层至高层定义了 蓝牙协议堆栈的各个层次口o 】。如图2 5 所示为完整的蓝牙协议堆栈，应用程序根 据不同的需要使用其中部分协议。 下面介绍主要的核心层t 图2 - 5 蓝牙协议堆栈 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 射频，处于协议体系的最低层，它定义了在全球通用的2 4 g h zi s m 频 段上蓝牙设备工