（控制理论与控制工程专业论文）基于lin总线的汽车车身控制及仪表系统研究与开发.pdf

济南人学硕i ：学位论文 摘要 随着汽车电子技术的发展，越来越多的电控单元被应用到汽车上，这使得各单 元间的数据通信变得越来越复杂，迫切需要总线技术解决通信问题。l i n ( l o c a l i n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 总线是专为降低汽车通讯成本设计的一种串行通讯总线，物理 上仅使用一根信号线，其传输速率最高可达2 0 k b i t 每秒，而且用户不需要改变l i n 从节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点，有利于系统功能扩展。目前，国内 载重汽车车身控制系统中，仍采用继电器驱动负载，太多的继电器使控制器体积过 大、重量增加，触点容易抖动且e m i 严重，也不能有效实现对负载的过压、过载保 护和故障诊断，智能半导体功率开关可以克服上述缺点，将会大量应用在车身控制 系统中。当前新型的汽车仪表多数是基于总线协议且采用微型步进电机驱动控制、 l e d 及l c d 显示等新技术，正逐步向数字化、智能化方向发展。 论文首先介绍了国内汽车总线技术发展状况及汽车仪表系统的数字化发展趋 势，然后在深入研究了l i n 总线通信协议、重型汽车车身控制及仪表系统的基础上 提出了基于l i n 协议的重型汽车车身控制及仪表系统方案。系统中l i n 总线的主机 节点通过多路开关采集器件m c 3 3 9 9 3 检测汽车内的组合开关、翘板开关信号及反 馈输入信号，并把开关信号通过l i n 总线发送给系统中的从机；从机节点根据从 l i n 总线得到的开关信息采用智能半导体功率开关器件控制相应负载，负载包括前 后车灯系、电喇叭、洗涤泵、雨刮、全轮驱动电磁阀等，使系统具有过压、过载保 护功能，还能对负载进行过流或断路故障诊断；出现过流时驱动器会自动关断负载， 提高了控制系统的安全性能和使用寿命。 论文在深入研究新型汽车仪表用步进电机驱动控制技术的基础上开发了基于仪表 专用电机集成驱动电路( g d i c ) 的载重汽车组合仪表系统。车速表、转速表和水温表等 6 个指针式仪表采用f r e e s c a l e 半导体公司的仪表专用电机驱动芯片m c 3 3 9 7 0 驱动，仪 表具有响应快、精度高、不易抖动的优良特性；采用多路l e d 驱动器件m a x 6 9 5 6 驱 动l e d 指示部分负载工作及报警信息，采用l c d 显示汽车里程数据并能够显示部分负 载的故障信息，显示直观，耗电量小。 最后利用l a b v i e w8 2 编写了基于p c 机的故障诊断软件，软件通过r s 2 3 2 接 口实时监测l i n 总线上发送的故障报文，获取系统中负载的故障信息并在p c 上显 示。 l 荩于l i n 总线的汽下下身捧圳及仪表系统珂f 究o j 开发 论文详细介绍了开发出的载重汽车车身电子控制和组合仪表系统的硬件和软件设 计。最后，在实验室所搭建的车灯控制平台上进行了调试，试验表明，控制效果良好， 具有较高的可靠性。 关键词：l i n 总线，载重汽车，汽车电子，车身控制，步进电机 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ee l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ，m o r e a n dm o r e e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t sa r ea p p l i e do nt h ec a r s ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o no fe v e r yu n i t b e c o m e sc o m p l i c a t e ，s ot h eb u st e c h n o l o g yi s d e m a n dt os o l v et h ec o m m u n i c a t i o n p r o b l e m s 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 ) i sas e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw h i c hi s ac o n c e p tt og a i nf u r t h e rq u a l i t ye n h a n c e m e n ta n dc o s tr e d u c t i o no fv e h i c l e s b yo n l y u s i n gt h es i g n a l1 2 vw i r eo np h y s i c a l ，m e s s a g ec o m p e t i t i o no ft h eb u si sa v o i d e d l i n m e s s a g et r a n s f e rr a t er e a c ha sh i 2 9 ha s2 0 k b i t s ，u s e rm a yi n c r e a s et h en o d ei n t h e n e t w o r kw i t h o u th a r d w a r ea n ds o f t w a r e c h a n g i n g , i t f a c i l i t a t e s s y s t e m f u n c t i o n e x p a n s i o n r e l a y sa r ew i d e l yu s e di nh e a v yd u t yv e h i c l e sf o rb o d yc o n t r o li nc h i n a t h e u s i n go fr e l a yc a u s e sm a n yp r o b l e m s ，f o ri n s t a n c e ，i t sb u l k y ，h e a v y ，a n dt h ec o n t a c t0 f r e l a yi se a s yt os h a k e na n dc a u s ee m ip r o b l e m s b yu s i n gs m a r th i g hs i d es w i t c h e sc a n s o l v et h ep r o b l e m sa n dh a v ef e a t u r e so fo v e r l o a dp r o t e c t i o n ，s h o r tc i r c u i tp r o t e c t i o na n d d i a g n o s t i cf u n c t i o n ，s ot h e yw i l lb ew i d e l yu s e di nt h eb o d yc o n t r o ls y s t e m t h en e w a u t o m o t i v ei n s t r u m e n t sa r e m o s t l yb a s e do nf i e l db u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dm i c r o s t e pm o t o rd r i v e rs y s t e m i sd e v e l o p i n gw i t hd i g i t a li n t e l l i g e n t i z ec h a r a c t e r s t e pb ys t e p n e t w o r kd e v e l o p i n gt r e n do fh e a v y d u t yv e h i c l eb o d yc o n t r o ls y s t e mi si n v e s t i g a t e d f i r s ti nt h ed i s s e r t a t i o n ；d i g i t a l d e v e l o p i n gt r e n do fa u t o m o t i v ei n s t l l l m e n ts v s t e mi s i n t r o d u c e d t h e ni tb r i n g sf o r w a r da no v e r a l lp r o j e c to fh e a v y d u t yv e h i c l eb o d vc o n t r o l a n di n s t r u m e n ts y s t e mb a s e do nl i nb u s t h em a s t e rn o d eo fl i nb u si nt h es y s t e m d e t e c t st h es w i t c hs i g n a l si nt h ev e h i c l e b ym u l t i p l es w i t c hd e t e c t i o ni n t e r f a c e s a n dt h e n b r o a d c a s t st h es i g n a l st os l a v en o d e so ft h es y s t e m t h r o u g hl i nb u s ；s l a v en o d e sc o n t r 川 t h el o a d sa c c o r d i n gt h es t a t eo ft h e s es w i t c h e s ，t h el o a d si n c l u d ef r o n tl a m p s ，r e a r l a m p s ， w i p e r , a n ds o l e n o i dv a l v e s t h e s el o a d sa r ed r o v e db ys m a r th i g hs i d es w i t c h e si n s t e a d o fr e l a y s ，t h o s em a k et h es y s t e mh a v ef e a t u r e so fo v e r l o a da n d s h o r tc i r c u i td e t e c t j o na n d p r o t e c t i o n ，t h e r m a ls h u td o w nw i t hr e s t a r t ，a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m f a u l td i a g n o s i ss o f t w a r eb a s e do np c i sd e v e l o p e db yp r o g r a m m i n gw i t hl a b v i e w8 2 ， t h es o f t w a r ec o m m u n i c a t ew i t hm a s t e rn o d ei nt h es y s t e mt h r o u g hr s 2 3 2 i n t e r f a c e ，g e t t h ef a u l ti n f o r m a t i o na n dd i s p l a yt h e mo nt h ep c a f t e rt h et h e o r ys t u d yo ft h es t e p p e rm o t o r sd r i v i n gt e c h n o l o g yu s e di n t h en e w a u t o m o t i v eg a u g es y s t e m ，as t e p p e rm o t o r s d r i v e rc o n t r o lp l a t f o r mb a s e do ng d i c ( g a u g ed r i v e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ) i sf i n i s h e d s i xm e t e r sa r ed r o v e db yg d i cm c 3 3 9 7 0 ： l n c l u d i n gs p e e dm e t e r ，t a c h o m e t e rw a t e rt e m p e r a t u r em e t e ra n ds oo n t h eg a u g e s 皋二j ：l i n 总线的y ( 乍下身摔制及仪表系统研究与开发 r e s p o n s eq u i c k l y ，i n d i c a t e sp r e c i s e l yw i t hg o o ds t a b i l i t y ；m u l t i - p o r tl e dd i s p l a yd r i v e r m a x 6 9 5 6h a sb e e nu s e dt od r i v el e d st oi n d i c a t es t a t eo fs o m es w i t c h e sa n dw a r n i n g s i g n a l s o d o m e t e ra n df a u l td e t e c t i o ni n f o r m a t i o na r ed i s p l a y e db yl c d t h e i n f o r m a t i o nc a nb ed i s p l a y e di n t u i t i v e l y ，a n dt h es y s t e mh a sl o wp o w e r c o n s u m p t i o nb y u s i n gl e d a n dl c d t h ed i a g n o s i t cs o f t w a r ed e v e l o p e db yl a b v i e w8 2 i si n t r o d u c e d ，t h es o f t w a r e d e t e c tt h em e s s a g ef r o ml i nb u sa n dd i s p l a yt h ef a u l ti n f o r m a t i o no nt h ep c b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e mi si n t r o d u c e dd e t a i l e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h es y s t e mi sd e b u g g e do nt h ea u t o m o t i v eb o d yc o n t r o la n di n s t r u m e n tp l a t f o r mi nt h e l a b o r a t o r y ，t h er e s u l tp r o v e st h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yi sq u i t eg o o dw i t hh i 曲r e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：l i nb u s ，h e a v yd u t yv e h i c l e ，a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ，a u t o m o t i v eb o d y c o n t r o l ，s t e pm o t o r i v 基于l i n 总线的汽乍下身控制及仪表系统研岁f j 丌发 符号说明付丐况明 本地互联网络( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 控制器局域网络( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 标志符 应用程序接口 串行外设接口 串行通信接口 仪表电机专用集成电路 汽车行驶速度( k i n h ) 车速传感器的每公里脉冲数，与具体车型有关 0 2 5 s 内采集的车速传感器脉冲数 检测的车速对应步进电机的静态指示位 误差调整值，调整指示误差 仪表刻度盘指示的最大车速 v m a x 对应的步进电机静态指示位 0 2 5 秒内采集的发动机转速脉冲数 发动机转速 发动机转速表步进电机静态指示位 洲m心刚鲫一y m 而p 胁e昂 济南大学硕f ：学位论文 插图清单 图2 1l i n 的l s 0 o s i 参考模型8 图2 2l i n 的总线结构及通讯流程9 图2 3l i n 的报文帧格式1 1 图2 4l i n 同步间隔场格式1 2 图2 5l i n 同步场格式1 2 图2 6l i n 数据场格式。1 3 图2 7l i n 校验和场格式1 3 图2 8l i n 命令帧格式1 3 图3 1 车身控制及仪表系统模块划分。1 9 图3 2l i n 物理层接口电路2 3 图3 3l i n 报文帧与c p u 行为。2 5 图4 1 电源电路3 1 图4 2 开关触点湿性电流与持续电流3 3 图4 3m c 3 3 9 9 3 开关采集接口3 3 图4 4b t s 7 2 4 g 驱动电路。3 5 图4 5b t s 6 1 4 3 d 驱动电路3 6 图4 6 传统雨刮驱动电路一3 6 图4 7 雨刮驱动方案3 7 图4 8 雨刮驱动电路3 7 图4 9 蜂鸣器电路3 8 图4 1 0r s 2 3 2 接口电路3 9 图4 1 1q n 物理层接口电路4 1 图4 1 2 步进电机结构图4 2 图4 1 3 步进电机全步驱动方式4 3 图4 1 5 速度传感器信号调理电路图4 4 图4 1 6 转速传感器信号调理电路图- 4 5 图4 1 7 水温、燃油传感器信号调理电路图4 5 图4 1 8 电机加减速驱动4 6 图4 1 9 仪表用步进电机驱动接口电路4 7 图4 2 0x 5 0 4 3 接口电路。4 7 图4 2 1m a x 6 9 5 6 接口原理4 8 图4 2 2l c d 接口电路。4 9 图5 1 中央控制模块主程序流程5 2 图5 2 前部模块主程序流程图5 5 图5 3 尾灯模块主程序流程图。5 6 图5 4 仪表板模块主程序流程5 7 图5 5m c 3 3 9 7 0 初始化流程图。5 8 图5 6 模式选择流程图6 4 图5 7 诊断软件流程图6 8 图5 8l a b v i e w 程序界面6 9 图5 9 故障诊断软件界面。6 9 图5 1 0 故障诊断软件运行界面1 。7 0 图5 1 1 故障诊断软件运行界面2 7 0 i x 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己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。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：渊! ! ：垒 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、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鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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：蛆导师签名： 济南大学硕i j 学化论文 第一章概述 1 1 前言 汽车电子是指应用于汽车之上的有利于增加汽车驾驶安全性、减少燃料消耗、 减少废气排放以及增加驾乘舒适性和便捷性的电子装置。汽车电子化被认为是汽车 技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要 标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技术措施。总的说来，汽车电子 技术是一个技术复杂、门类多、知识密集的高技术领域，涉及电子、机械、计算机 等多个学科。 汽车电子产品可为两大类：( 1 ) 汽车电子控制装置，包括动力总成控制、底盘 和车身电子控制、舒适和防盗系统。( 2 ) 车载汽车电子装置，包括汽车信息系统( 车 载电脑) 、导航系统、汽车视听娱乐系统、车载通信系统、车载网络等。 载重汽车上配置的典型电子控制系统及其作用简介如下： 1 发动机控制系统，载重汽车通常采用柴油发动机，它与汽油发动机具有基 本相同的结构，但两者根本区别是汽油机是“点燃”，柴油机是“压燃。柴油机的 燃料喷射系统由喷油泵、喷油器、高压油管及一些附属件组成。柴油机的电控喷射 系统是通过控制喷油时间来调节输出的大小，由发动机的转速和加速踏板位置( 油门 拉杆位置) 来决定的。 2 防抱死制动系统( a b s ) ，汽车防抱死制动系统( a n t i 1 0 c kb r e a k i n gs y s t e m ， a b s 的主要作用是避免出现车轮的抱死现象，可使汽车在制动时维持方向稳定性和 缩短制动距离，有效提高行车的安全性。目前，汽车生产商又推出了对驾驶员的脚 踏反应更灵敏的e b s ( e l e c t r o n i cb r e a k i n gs y s t e m ，a b s ) 电子控制制动系统，已经在一 些载重汽车上得到应用。 3 驱动防滑牵引力控制系统( a s r t c s ) ，通常是根据汽车的行驶和车轮的滑 转状况，对发动机输出功率和驱动车轮制动综合协调控制来驱动车轮的滑转率保持 在理想的范围之内，以确保汽车在起步、加速及滑溜路面行驶时有良好的牵引力和 行驶稳定性。当汽车加速时将滑动率控制在一定的范围内，从而防止驱动轮快速滑 动。 4 电子控制助力转向系统( e p s ) ，电子控制助力转向系统根据动力源不同可分 为液压式电子控制助力转向系统( 液压式e p s ) 和电动式电子控制助力转向系统( 电动 式e p s ) ，目前国产的载重汽车上主要以液压式电子控制助力转向系统为主，将来的 载重汽车上会逐步装配电动式电子控制助力转向系统。 5 组合仪表系统，汽车电子仪表分为两种，一是具有单独的密封装置的分装 式汽车仪表，二是组合式仪表。现代汽车越来越多地采用结构紧凑、高度集成的组 堆于l i n ，总线的汽下下身摔制及仪表系统研究j 开发 合仪表。组合仪表内可集成电压表、电子车速里程表、发动机转速表、油压表、燃 油表、气压表、水温表，以及使用液晶显示等手段显示和存储各种告警信息、故障 信息、指示信息。 6 车身电子控制系统，车身电子控制系统可集成灯光驱动、电喇叭、气喇叭、 全轮驱动电磁阀、轴间差速锁电磁阀、问歇雨刮控制等。车身电子控制，构成有信 号采集、信号处理、功率驱动的智能车身控制系统。由于重型汽车前后电器位置距 离较长，可以根据分布位置分为若干个节点以减少线束。 此外，载重汽车一般还有电控自动变速器系统，行驶记录仪，能产生迫使车辆 减速的制动力矩的电涡流缓速器，电子控制空气悬挂系统( e c a s ) ，空调控制系统等。 载重汽车与普通汽车电子控制系统的区别：( 1 ) 载重汽车为柴油车，通常使用 2 4 v 供电系统，普通汽车一般为汽油车，使用1 2 v 供电系统；( 2 ) 载重汽车工作环 境一般比普通汽车更恶劣，所以载重汽车的电子控制系统需要有更高的可靠性，如 防止电磁干扰、接插件的防水，防脱落等。 总之，汽车电子技术的应用极大地提高了汽车的动力性、经济性、安全性和舒 适性等方面的性能。适应了越来越高地环保要求。而且，随着半导体集成电路技术 的发展，汽车电子技术会进一步发展，进一步提高汽车的性能，降低汽车成本。 1 2 汽车总线技术发展状况 电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用使汽车电子化程度越来越高，尤其 是以微控制器为核心的电子控制单元进入汽车领域后，给汽车带来了划时代的变 化。汽车安全性、经济性、环保性都得到了很大程度的提高。但汽车上的电控单元 并不是简单的与负载设备连接在一起，更多的是与外围设备及其它电控单元进行信 息交流，并经过控制决策运算，发出控制指令。为提高信号利用率，要求大批量数 据信息在不同的电子控制单元之间进行交换和共享。同时电子设备的增多导致车身 布线长度和复杂程度的增加，运行的可靠性降低，故障维修难度增大等问剧。因 此传统的汽车电子技术已经远远不能满足这种实时通讯的要求，而通过电控系统的 网络化则能从根本上解决这些问题。 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 0 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。这些网络协 议标准侧重的功能都有所不同。按照网络标准各自的传输速度和作用，s a e ( s o c i e t y o fa u t o m o t i v ee n g i n e e r s ) 汽车工程师协会根据标准s a ej 2 0 5 7 将所有的汽车网络 划分为a 、b 、c 三类【4 l 【5 1 ，具体如划分下： 1 ) a 类网络协议， 面向传感器执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常只有1 1 0k b p s 。主 2 济南大学硕| ：! 学位论文 要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。 a 类网络包括s i n e b u s ，1 2 c ，j 1 7 8 0 、j 1 5 7 8 等协议，这些协议或者极少使用， 或者正逐渐被淘汰。在a 类网络中，u n 协议将会成为主流协议。1 9 9 8 年a u d i 、 m o t o r o l a 、b m w 、v c t 等公司成立了一个协会，在潜心研究a 类网络已有协议的 基础上，于1 9 9 9 年7 月提出了l i n 协议。目前该协议已经发展到l i n 2 0 。它采用 s c i 、u a r t 等通用硬件接口，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，而且采用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。目前该协议应用开发的热点集 中在美国、欧洲和日本，预计在未来的十年内，汽车上的l i n 节点会达到2 0 个左 右，l i n 的应用存在着巨大的潜在市场，协议本身也会在不断应用中得到完善，它 已经广泛地被世界上大多数汽车公司以及零部件厂商所接受，有望成为a 类网络中 的世界标准1 6 j 。 2 1b 类网络协议 面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般为1 0 1 0 0k 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，以减少冗余的传感器和 其他电子部件。 b 类网络中的主流协议将是c a n ( i s o1 1 9 8 3 ，成本低，基于通用u a r t 接口，几乎所有微控制器都具备l i n 必须的硬件； 单主机多从机概念，无需仲裁机制； 从机节点不需要石英或陶瓷谐振器可以实现自同步； 不需要改变u n 从节点的硬件和软件就可以在网络中增加节点； 通常一个l i n 网络上节点数目小于1 6 ，共有6 4 个标识符。 它主要被应用在对抗干扰能力和实时通信能力要求较高，成本要求低的一些场 合。由于性能卓越，其应用范围也不再局限于汽车工业，而向过程控制、智能传感 器、工业机器人等领域发展【1 4 l 。 2 2l in 的分层结构 根据i s o o s i 参考模型，l i n 被细分为物理层和数据链路层，如图2 1 所示： 1 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ，定义了信号如何在总线媒体上传输，在l i n 的协 议规范里物理层驱动接收器的特点。 2 数据链路层( d a t al i n k e rl a y e r ) ： 1 ) 媒体访问控制( m a c ，m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层是l i n 协议的核心。它 管理从l l c 子层接收到的报文，也管理发送到l l c 子层的报文。m a c 子层由故障 界定这个管理实体监控； 7 幕于l i n 总线的汽下车身控制及仪表系统研究与开发 2 ) 逻辑链路控制( l l c ，l o g i c a ll i n kl a y e r ) 子层涉及报文滤波和恢复管理的 功能。 数据链路层 逻辑链路控制子层( l l c ) 验收滤波 恢复管理 时基同步 报文确认 媒体访问控制子层( m a c ) 数据封装解封装 错误检测 错误标定 并串行转换 物理层 位定时 位同步 总线驱动接收 图2 1l i n 的i s o o s i 参考模型 2 3l in 协议相关概念简介 1 报文 在总线上发送的信息，具有长度可选的固定格式，如图2 2 所示。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1 3 位的同步间隔( s y n c hb r e a k ) 起始，接着是一个同 步场( s y n c hf i e l d ) 和一个标识符场( i d e n t i f i e rf i e l d ) ，这些都由主机任务发 送。从机任务负责发送数据场和校验和场。 主机任务位于主机节点内部，它负责报文的进度表即发送报文头( h e a d e r ) 。 从机任务位于所有的( 即主机和从机) 节点中，( 位于主机节点或从机节点的) 其 中一个从机任务发送报文响应( r e s p o n s e ) 。通过主机任务中相应的报文头，任 何从机任务中准备发送的数据都可以被发送到其他任何从机任务中。 从机任务位于主机节点内部，它负责报文的进度表即发送报文( h e a d e r ) 。从 机任务位于所有的( 即主机和从机) 节点中。通过主机任务中相应的报文头，任何 从机任务中准备发送的数据都可以被发送到其他任何从机任务中。 8 济南大学硕l j 学位论文 ( 至少1 3 位) ( 1 字节) 帧间空间 i 1 字节l u - j 步场 i 下一同步间隔 磊妄 ! 凸凸口 ：；。， 响应空间 字节场( 2 ，4 ，8 字节) 校验和场( 1 字节) 图2 2l i n 的总线结构及通讯流程 2 消息路由 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：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。 报文路由：报文的内容由标识符命名。标识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。 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检测到报文， 并同时对此报文做出反应。 3 位速率 l i n 总线最大的波特率是2 0 k b i t s ，它是由单线传输媒体的e m i ( 电磁干扰) 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 1 n 器件。l i n 规范中建议使用2 4 0 0 k b p s 、9 6 0 0 k b p s 、1 9 2 0 0 k b p s 的传输速 率。 4 单主机无仲裁 只有包含主机任务的控制器节点可以传输报文头，任何一个从机都能检到此报 文，但只有一个从机的任务对此报文做出响应。由于没有仲裁过程，如果其余一个 从机回应，则将产生错误。这种情况下的错误界定可由用户按照应用要指定。 5 连接 o v - 十l i n 总线n 勺_ 气下下另挖制及仪表系统酬究t j 开发 l i n 网络节点的最大数量不仅由标识符的数量限制，也由总线的物理特性限制。 l i n 网络的节点数量不应超过1 6 ，否则节点增加将减少网络阻抗，会导致环境条件 变差，从而不能进行正常的无错误通讯。实验证明，每增加一个节就会减少约3 的阻抗；网络中的“电”线( 即通讯导线) 长度应不超过4 0 m ；主机节点的总线端电 阻典型值是l k o ，从机节点是3 0k o 。 6 物理层 l i n 总线的物理层是单线，线与的总线，每一个从节点都有一个接汽车电源的 上拉电阻，使用二极管与上拉电阻串联可以防止某一局部e c u 掉电时，总线给e c u 供电。 7 总线值 总线有两个互补的逻辑值：“显性”或“隐性”。总线电压等于地时为显性，代表 逻辑值“o ”，总线电压等于电源电压时总线为隐性，代表逻辑值“1 ”。 8 应答 正确接收报文后的应答过程在l i n 协议中没有定义。主机控制单元检查由主机 任务初始化的报文和由它自己的从机任务接收的报文的一致性。如果不一致( 例如： 丢失从机响应，校验和不正确等等) ，主机任务可以改变报文的进度表。如果从机 检测到不一致，从机控制器将保存这个信息并将它用诊断信息的形式向主机控制单 元发送请求。诊断信息可按普通报文帧的形式发送。 9 睡眠模式唤醒。 为了减少系统的功耗，l i n 节点可以进入没有任何内部活动和被动总线驱动器 的睡眠模式。用于广播睡眠模式的报文是一个专用的命令。睡眠模式状态下，总线 呈现隐性电平。任何总线活动或任何总线节点的内部条件都可以结束( 唤醒) 睡眠 模式。一旦节点被内部唤醒，基于唤醒信号的过程将给主机通报这一消息。唤醒帧 是一个不变的显性位序列。唤醒后，节点内部的活动将重新启动，m a c 子层将等 待系统振荡器稳定，从机节点则在重新参与总线通讯前等待，直到和总线活动同步 ( 通过接收主机任务的显性同步间隔) 。 1 0 命令帧和扩展帧 l i n 总线协议中有4 个标志符被保留，用作特殊的报文帧，包括：两个命令帧 和两个扩展帧。 1 0 济雨人学f 葩l j 学位论文 2 4 报文传输 2 4 1 报文帧 报文传输是以报文帧的格式形式并加以控制的。一个完整的报文帧由主机任务 向从机任务传送同步和标识符信息，并将一个从机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( h e a d e r ) 。 从机任务位于所有的( 即主机和从机) 节点中。其中一个( 主机节点或从机节点) 发送报 文的响应( r e s p o n s e ) 。 一个报文帧( 见图2 3 ) 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间隔场( s y n c hb r e a kf i e l d ) 、一个同步 场( s y n c hf i e l d ) 和一个标识符场( i d e n t i f i e rf i l e d ) 。报文帧的响应则由3 个到9 个字 节场组成：2 、4 或8 字节的数据场( d a t af i e l d ) 和一个校验和场( c h e c k s u mf i e l d ) 。 字节场由字节间空间分隔，报文帧的报文头和响应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 舢。m 觚限制。 报文帧 帧间空间 报文头从机响应 一h l ih h u ，l _ 图2 3 l i n 的报文帧格式 l i n 总线字节场的格式就是通常的“s c i ”或“u a r t 串行数据格式。即每个 字节场的长度是1 0 个位定时：l b i t 起始位+ 8 b i t 数据位+ l b i t 停止位。起始位( s t a r tb i t ) 是一个“显性”位，它标识着字节场的开始。接着是8 个数据位，首先发送最低位。 停止位( s t o pb i t ) 是一“隐性”位，它标识着字节场的结束。除了间隔场( b r e a kf i e l d ) 外，l i n 报文帧中的同步场、标识符场、数据场、校验和场的格式都符合上述字节 场的格式。下面详细介绍l i n 总线的报文头场和相应场。 1 报文头场 同步间隔( s y n c h r o n i z a t i o nb r e a k ) 为了能清楚识别报文帧的开始，报文帧的第一个场是一个同步间隔场，如图2 4 所示。同步间隔场是由主机任务发送。它使所有的从机任务与总线时钟信号同步。 同步间隔场有两个不同的部分。第一部分是一个持续1 3 位或更长时间的显性总线 电平。接着的第二部分是最少持续1 位时间的隐性电平，作为同步界定符。第二部 分允许用来检测同步场的起始位。 堆于l i n 总线的汽下下身挖制及仪表系统研究0 开发 同步间隔场 。 同步场 同步间隔 图2 4 l i n 同步间隔场格式 同步场( s y n c hf i e l d ) 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，如图2 5 所示。 同 ；间隔 同步场 字节作 厂 厂 厂 厂 l 空间 起始位0 123456 7 停止位 图2 5l i n 同步场格式 标识符场( i d e n t i f i e rf i e l d ) 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( i dp a r i t yb i t ) 表示。标识符位的第4 和第5 位( i d 4 和i d 5 ) 定义了 报文的数据场个数n d m 。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。 标识符有同样的i d 0 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 o = i d 0oi d loi d 2oi d 4 ( 奇校验) i p 1 - i d loi d 3oi d 4oi d 5 ( 偶校验) 。 这种情况下，不可能所有的位都是隐性或显性。 2 响应场( r e s p o n s ef i e l d s ) 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。 数据场( d a t af i e l d ) 数据场通过报文帧传输，由多个8 位数据的字节场组成。传输由l s b 开始。 校验和场( c h e c k s u mf i e l d ) 校验和场是数据场所有字节的和的反码。和按“带进位加( a d d c ) ”方式计算， 每个进位都被加到本次结果的最低位。这就保证了数据字节的可靠性。 1 2 济南大学硕i j 学位论文 曼i i ! 皇曼曼! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! 皇! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! 曼曼鼍! ! ! ! ! 皇! ! ! ! ! ! ! ! 曼曼! 曼 帧内响应空间 数据场字节间空间 7 炻 停 位 d 0d 1d 2d 3 d 4 d 5d 6 d 7 止 i i位 图2 6l i n 数据场格式 字节间空间校验和场帧间空间 谗 7 缅 停 位 d od 1d 2d 3d 4d 5d 6d 7 止 位 数据位 图2 7l i n 校验和场格式 i 司步同隔同步场标志行场8 孚节场1 校验和场同步i 司隔同步场 用户定义内容 图2 8l i n 命令帧格式 2 4 2 保留的标志符 1 命令帧标志符 保留