（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的电动汽车故障诊断系统研究.pdf

广东工业大学工学硕士论文 a b s t r a c t c a ni n d u s t r i a ll o c a la r e an e t w o r k s ，c a l l e dc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，w h i c hi sa s e r i a lb u sw i t hh i g hs p e e d ，h i 曲r e l i a b i l i t y ，a n dl o wc o s tf o rd i s t r i b u t e dr e a lt i m e c o n t r o la p p l i c a t i o n sa r ew i d e l yu s e di nt h ef r a m e w o r ko fr e a l t i m ed i s t r i b u t e di n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n sa n dd i s t r i b u t e dp r o c e s s i n gs y s t e m s a na p p l i c a t i o nm e t h o do ff a u l t d i a g n o s i sf o re l e c t r i cv e h i c l eb a s e do nc a nb u si si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r ，w h i c hi s u n i v e r s a l ，p r o g r a m m a b l ea n di n t e l l i g e n t f i r s to fa l l , t h ep a p e ri n t r o d u c e sb r i e f l yt h ec o n c e p to fe v ，t h ec u r r e n ts t a t eo ff a u l t d i a g n o s i sf o re l e c t r i cv e h i c l e ，a sw e l la st h eb a s i cc o n c e p t i o no fc a nb u s t h r o u g h a n a l y i n gd e e p l yt h ep r i n c i p l eo fc a nb u sc o m m u n i c a t i o n ，i te s t a b l i s h e sas t r u c t u r e m o d e lo ft h ec o n t r o ln e t w o r kb a s e do nc a nb u s ，a n di c a na p p l i c a t i o np r o t o c o lf i r s t i sa p p l i e dt ot h el o w s p e e dc a nn e t w o r kf o re l e c t r i cv e h i c l e s ，a n di ta l s oi n t r o d u c e s 1 1 i g h s p e e dc a na p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li nt h el i g h to f t h es a ej19 39p r o t o c 0 1 t h e p a p e ra l s od e s c r i b e sh a r d w a r ep l a t f o r ms t r u c t u r e s ，i ti n c l u d e i n g3l o w s p e e dn o d e s ，3 l l i g h - s p e e dn o d e sa n d1 c e n t r a lc o n t r o l l e r t h ep a p e ra l s od e t a i l st h ed e v e l o p m e n t p r o c e s sa n df u n c t i o no ft h ec e n t r a lc o n t r o l l e r ( g a t e w a ys e r v e r ) t h ec e n t r a lc o n t r o l l e r c o n s i s to fp ca n du s b c a n t od i s p l a ya l lp a r a m e t e r s ，p cs o f t w a r eb a s e do n u s b c a ni s d e s i g n e d 、历mm c g sf o rm o n i t o r i n ga l lp a r a m e t e r so ft h ec e n t r a l c o n t r o l l e r c e n t r a lc o n t r o l l e ri sa l s oav e h i c l em a n a g e m e n tu n i to ft h ef a u l td i a g n o s i s t h i s p a p e ra n a l y z e st h ef a u l td i a g n o s i sm o d eo fe l e c t r i cv e h i c l ec o n t r o ls y s t e mb a s e do n c a nb u s ，a n dt h ee c uf a u l tm o n i t o r i n g ，d i a g n o s i sa n dt r e a t m e n ta r ed i s c u s s e d i tp u t s o v e rf a u l tc o d ea n df a u l ti n f o r m a t i o no ft h ee n c o d i n g e s p e c i a l l y ，f a u l ti n f o r m a t i o nw i l l b es a v e dt h r o u g ht h ed a t a b a s e ，w h i c hc a nf a s td e f i n i t et h ep o s i t i o no fd i a g n o s e s ，f i n dt h e r e a s o no ft h ef a u l t , h e l pt h em a i n t e n a n c ep e r s o n n a lt ob ef a s t , a c c u r a t e l yf i x i n gt h e b r e a k d o w n t h es t u d yi nt h i sp a p e rw i l lc o n t r i b u t et ot h er a p i dd e v e l o p m e n to ff a u l td i a g n o s i s a b s t r a c t s y s t e mf o re l e c t r i cv e h i c l ei n0 1 1 1 c o u n t r y ，a n di tp r o v i d e san e ww a y f o rf a u l td i a g n o s i s f o re l e c t r i cv e h i c l e t h es y s t e mh a sa ni m p o r t a n te c o n o m i cv a l u ea n db r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t s ，w h i c hi sa l s oag o o dr e f e r e n c ef o rf u t u r er e s e a r c hi nt h i sa r e a k e y w o r d s ：c a nb u s ，e l e c t r i cv e h i c l e s ，f a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，m c g s i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签名：锨 指导教师签名：够沈一 研年月，i 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 随着信息技术、网络技术的飞速发展和广泛应用，以及在车辆上的广泛应用， 车辆的智能化、网络化、信息化和集成化进程不断加速，车辆将由一个传统的机 械产品提升为一个高科技的移动的多媒体平台，车辆装置趋向于以计算机作为平 台，将车辆通信、导航、视昕娱乐、网络控制等集成为一体化多媒体信息系统。 在复杂的车辆信息分析中，最重要的是保证车辆的安全性。如果汽车上某部分出 现故障而没能及时发现和排除，其结果可能造成车毁人亡的严重后果；如果某个 部件因故障不能运行，可能会造成巨大的经济损失。引入汽车总线技术，能找到 车辆故障位置并解决故障，能及时地、正确地对各种异常状态或故障状态做出诊 断，并消除故障，提高设备运行的可靠性、安全性，并把故障损失降低到最低。 可见，引入汽车总线技术成为提高故障诊断系统和整车电气安全性能的最佳途径。 将c a n 总线技术与汽车故障诊断技术结合起来，研发新一代汽车诊断系统无论在 技术上还是在应用前景上都具有重要意义。 本课题来源于国家8 6 3 科技攻关项目一一五洲龙混合动力客车开发与产业化， 也是该项目的重要的组成部分之一，本课题的主要目的是将先进的汽车总线技术 引进到电动汽车故障诊断技术当中，取代现有的诊断方式，提高电动汽车的电气 安全系统可靠性，从而提高电动汽车的整车性能。 1 2 国内外汽车故障诊断系统研究现状 车辆信息系统主要包括以下几个部分：总线系统、底盘控制系统、车身控制系 统、车辆动力系统、娱乐功能系统、保安系统、汽车安全系统。其中汽车安全系 统，它涵盖了安全气囊、a b s 稳定性和线控安全、倒车雷达、防盗系统及胎压监测 系统等。 2 0 世纪9 0 年代初期，汽车信息分析专家系统研究对象的范围逐步扩大到汽车 的整个系统，并向多知识、多模型诊断方向发展。尤其是国外的信息分析技术飞 速发展，b r e n n a n 公司等运用状态监控和模糊逻辑推理，开发了车辆悬架单元的信 广东工业大学工学硕士论文 息分析系统。m l s m i t h 为e a t o n 公司开发的车辆制动集成分析系统，该系统对输入 的信息和事实数据进行规则和神经网络交互式推理后，完成制动系统的分析和处 理。h i r p a l 等公司开发了一个基于决策树的诊断专家系统e x e d s ，通过建立征兆群， 达到快速诊断的目的。国内在车辆信息分析技术的研究方面起步较晚。2 0 世纪8 0 年代末，国内部分高校和科研机构对车辆信息分析专家系统进行研究，并相继发 表了一些研究文献。2 0 世纪9 0 年代中期后，国内的研究进入快速发展期，部分高 等院校做了大量的研究工作，部分研究己达到国外同等水平。从整体上看，无论 是知识表示方法，还是推理方法，都呈现出多样化口1 。 总的来说，我国在车辆信息分析专家系统方面的研究一直紧跟国外学术动态， 对新理论、新方法和新趋势等方面的把握和研究，并及时对新理论、新方法和新 趋势等方面的把握和研究，逐步取得了一些有价值的成果。由于我国车辆制造业 水平的相对落后，制造质量、工艺等环节技术薄弱以及车辆运行环境较差等原因， 导致车辆信息的多变性，促使了车辆信息分析专家系统的研究与开发。 现在汽车电子将向网络化和智能化的发展方向，电子控制装置通过控制器局 域网( c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 的现场总线提供稳定、可靠的低成本网络连 接。c a n 总线标准是现在运用的最广泛的汽车现场总线标准。它是8 0 年代初由德 国b o s c h 公司开发的。目前奔驰、奥迪、宝马、雷诺和大众等公司均基于c a n 技术 实现了轿车和卡车的发动机管理( 如电喷控制) 、车体电子、乃至娱乐设备的控制 等功能。在我国，对c a n 总线的应用研究已经起步，中国汽车技术研究中心、清 华大学、北京航空航天大学等单位在c a n 控制局域网络方面开展了富有成效的研 究。 一 本文提出的基于c a n 总线的电动汽车故障诊断分析系统是一个集数据传输、 信息分析处理为一体的应用系统，有利于国内的电动汽车故障诊断分析系统的快 速发展。 1 3 故障诊断系统任务及主要研究内容 故障诊断系统一直是电动汽车发展中的一项关键技术，最基本的作用是监控 整车的运行状况。将汽车传感器上采集到的信息通过c a n 总线汇集到中央控制器， 利用其故障诊断功能，确定故障位置，分析出原因，提出解决方案，并将故障信 2 第一章绪论 息显示和存储。故障诊断系统的主要内容有： ( 1 ) c a n 总线应用层网络协议和通讯规范研究，完成电动汽车应用层协议的 制定。 ( 2 ) c a n 总线硬件平台的搭建。低速节点包括车灯、车窗和空调等，高速节 点包括电机控制、电池管理和d c d c 变换器等。 ( 3 ) 中央控制器( 网关服务器) 的设计。包括数据传送、数据分析、故障 诊断管理功能。 ( 4 ) 故障诊断系统的设计。包括故障编码、故障诊断原理、故障显示和报警、 故障信息数据库管理。 1 4 本章小结 本章阐述了课题的来源和研究的意义，介绍电动汽车国内外在故障诊断系统 方面研究的发展概括和研究现状，着重介绍了发达国家在故障诊断系统方面研究 和发展的经验，以及国内在该领域的理论和实践成果，最后阐述了本课题的主要 任务和研究内容，总结性地指出了本课题的主要工作。 广东工业大学工学硕士论文 第二章电动汽车c a n 网络系统研究及应用层协议开发 2 1 电动汽车c a n 总线 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。c a n 最初出现在8 0 年代末的汽车工业中，c a n 被设计作为 汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置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、电子监控系 统中，均嵌入c a n 控制装置。c a n 总线最先由德国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口3 。1 9 9 3 年，c a n 己成为国际标准i s 0 11 8 9 8 ( 高速应 用) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 低速应用) h 1 。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 i ( i i l 时，c a n 仍可提供高达5 0 k b i t s 的数据传输速率，其最高的 通信速率为1m b i t s ( 此时的距离最长为4 0 m ) 。由于c a n 总线具有很高的实时性 能，因此，c a n 己经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到 了广泛应用。一个由c a n 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。 实际应用中，节点数日受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用p h i l i p sp 8 2 c 2 5 。 作为c a n 收发器时，同一网络中允许挂接1 l o 个节点。c a n 可提供高达lm b i t s 的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增 强了c a n 的抗电磁干扰能力。 c a n 通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。c a n 层的定义与开放系统 互连模型o s i 一致，是基于o s i 的网络层定义的。每一层与另一设备上相同的那一 层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的 物理介质互连。c a n 的规范主要是采用三层网络的结构：物理层、数据链路层、应 用层。对应物理层的是收发器( t r a n s c e i v e r ) ，主要功能是位编码解码、位定时及同 4 第二章 电动汽车c a n 网络系统研究及应用层协议开发 步等。对应数据链路层的器件是c a n 控制器( c o n t r o l l e r ) ，主要功能是数据传输和远 程数据请求服务、滤波及过载通知和恢复管理等。 c a n 总线特点可概括如下： 以多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节 点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这一 特点可方便地构成多机备份系统。 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，传输 时延得到保证。 c a n 采用非破坏性的基于优先级的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线 发送信息时，优先级低的会主动退出发送，而优先级高的节点可不受影响的继续 传送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其在网络负载很重的情况下也 不会出现网络瘫痪情况。c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能， 以使总线上其他节点的操作不受影响。 c a n 只需通过报文过滤即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方 式传送接收数据，无需专门的调度。 c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m 5 k b p s ，速率最高可达1 m b p s 4 0 m c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；报文标识符可 达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的报文标识符几乎不受限制。 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有良好的检错效果。c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据的正确性。 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。开发系统低廉， o e m 用户易操作，用户接口简单，很容易构成用户系统。 c a n 总线最早被应用于汽车电子系统的通讯上，起源于欧洲，专门用于高档 轿车。c a n b u s 总线技术的最大的优点是减少线束的数量和控制器接口的引脚 数，与此同时可以更简单、迅速的实现在线编程、在线诊断，甚至多个控制器同 时工作等新功能。c a n b u s 技术中的通讯节点是控制器、智能传感器或智能执行 单元。在电动汽车上，只需要很少的几个节点，就可以实现全车数据共享。 电动汽车典型的电控单元主要有主控制器、电机控制系统、悬架控制系统、 制动防抱死控制系统( a b s ) 、牵引力控制系统、a s r 控制系统、仪表管理系统、 故障诊断系统、中央门锁系统、座椅调节系统、车灯控制系统等。所有这些子控 5 广东- t 业大学工学硕士论文 制系统连接起来构成一个实时控制系统，指令发出去之后，必须保证在一定时间 内得到响应，否则，就有可能发生重大事故。这就要求汽车上的c a n 通信网络有 较高的波特率设置。另外，汽车在实际运行过程中，众多节点之间需要进行大量 的实时数据交换。若整个汽车的所有节点都挂在一个c a n 网络上，众多节点通过 一条c a n 总线进行通信，信息管理配置稍有不当，就很容易出现总线负荷过大， 导致系统实时响应速度下降的情况。这在实时系统中是不允许的，因此在对汽车 上各节点的实时性进行了分析之后，根据各节点对实时性的要求，设计了高、低 速两个速率不同的c a n 通信网络，将实时性要求严格的节点组成高速c a n 通信网 络，将其他实时性要求相对较低的节点组成低速c a n 通信网络c a n 通信网络。并 架设网关将这两个速率不同的两个通信网络连接起来，实现全部节点之间的数据 共享晦1 。整个汽车的c a n 通信网络拓扑结构如图2 1 所示。 电机能量管再生制 a b s + a s r 电池 驱动 安全 控制理控制动控制控制控制控制气囊 iliil ii i高速c a n 中央控制器 ( 网关) l 低速c a n iiiiii 车灯仪表 空调 驾驶信息 电动 车速 系统显示 系统门窗 图2 1 汽车c a n 总线网络拓扑图 f i g 2 1c a n - b u sn e t w o r kt o p o l o g y 电机控制系统、电池管理系统等节点是汽车运行的核心部件，对时间响应要 求严格，因此将这五个节点组成高速c a n 通信网络，通信波特率设为5 0 0 k b p s 。仪 表管理系统、车灯控制系统等节点对实时性要求不是很严格，它们构成低速通信 网络，通信波特率设为1 0 0 k b p s 。网关跨接高、低速两条总线，与各节点进行数据 交换。网关通过对c a n 总线间待传数据信息的智能化处理，可以确保只有某类特 定的信息才能够在网络间传输哺3 。 6 第二章电动汽车c a n 网络系统研究及应用层协议开发 2 2 电动汽车c a n 总线应用层协议 c a n 总线应用层协议制定的总体目标是最大限度地发挥c a n 总线的优异性 能，使通信更加规范、可靠，提高实时性，降低总线负载率。从电动汽车控制网 络体系的要求出发，为电动汽车设计了一套c a n 总线应用层协议。其中低速c a n 应 用层协议使用i c a n 协议，高速c a n 应用层协议参照s a ej 1 9 3 9 协议制定。 2 2 1 低速c a n 应用层协议 低速c a n 应用层协议使用i c a n 协议。i c a n 协议全称“i n d u s t r yc a n b u s a p p l i c a t i o np r o t o c o l ”，即工业c a n b u s 应用层协议，它向工业控制领域提供了一 种易于构建的c a n b u s 网络。i c a n 协议详细的定义了c a n 报文中i d 以及数据 的分配和应用，建立了一个统一的设备模型，定义了设备的i o 资源和访问规则 口1 。现介绍此协议的规范及在电动汽车低速c a n 网络的应用。 1 i c a n 协议规范中数据通讯的实现 c a n 报文的传输采用所谓的“生产者一消费者 模型。设备在没有被请求的 情况下，将数据( 例如以多点传送或广播报文的形式) 提供给其它设备。这样一 种通信服务就是所谓的“生产者一消费者 模型。生产者通过服务指示向其它设 备提供服务，而这些设备可以接受( 消费) 或忽略服务。通常生产者通常并不认 识消费者，所以不适合使用服务的确认。 为保证数据报文传输的确定性，在i c a n 网络的通讯过程中采用命令响应的 方式。命令响应通讯是一种主从方式的通讯，通信的发起方为主控设备( 主站) ， 通信的响应方为受控设备( 从站) 。在基于命令响应模式的i c a n 网络中，由主 控设备发送命令帧，受控设备接收到命令帧以后向主控设备发送响应帧，从而实 现数据交换。这种模式属于一种对服务进行确认的数据传输方式，可靠性好。 基于命令响应模式的主从通讯只能由主控设备发起，对于总线的利用率较 低。为弥补这一不足，根据c a n 的“生产者一消费者”通讯模型，在i c a n 协议 规范中定义了另外一种传输方式一一事件触发传送。事件触发传送允许从站主动 发送数据。从站可以根据时间状态触发传送或者i o 的状态触发传送；主控设备根 据需要可以选择接收处理受控设备发送的报文。 2 i c a n 协议报文格式 广东工业大学工学硕士论文 i c a n 协议报文格式定义了c a n 报文的标识符和数据部分使用原则和功能 含义，通过对报文格式的定义，使网络q h c a n 报文的每个组成元素均有其特定的 功能和意义。c a n 报文格式的定义是i c a n 协议规范中最基本的组成部分，包括 报文标识符和报文数据部分的分配两个方面。i c a n 报文的格式说明在i c a n 协议 规范中，只使用了扩展帧格式c a n 报文( c a n 2 0 b ) ，标准帧格式c a n 报文和远 程帧格式报文都未使用。i c a n 协议对扩展帧格式c a n 报文的2 9 位标识符和报 文数据部分的使用作了详细的定义，其报文的格式定义如表2 1 所示。 i d 2 81 0 2 7i d 2 6 i d 2 5 i d 2 4 1 0 2 3 i d 2 2i d 2 1 帧 co s r c m a c i d ( 源节点地址) 标i d 2 0i d l 9 i d l 8 i d l 7i d l 6i d l5i d l 4 i d l 3 识 co d e s t m a c i d ( 目标节点地址) 符 i d l 2i d l li d l 0 i d 9i d 8i d 7i d 6i d 5i d 4 i d 3 i d 2i d li d 0 a c k f u n c l d ( 功能码) s o u r c ei e( 资源节点地址) r t r = o d l c b y t e0 ( s e g f l a g ) b y t e1 ( l e n g t h 、e r r l d ) 帧 b y t e2 数b y t e 3 据 b y t e 4 部 b y t e 5 分 b y t e 6 b y t e 7 表2 1i c a n 报文格式 t a b 2 1i c a n 右舳es t r u c t u r e 报文标识符被分为s r c m a c i d ( 源节点地址) 、d e s t m a c i d ( 目标节点地址) 、 a c k 位、f u n c i d ( 功能码) 和s o u r c ei d ( 资源节点地址) 5 个部分。 8 第二章 电动汽车c a n 网络系统研究及应用层协议开发 m a ci d ( 节点地址) m a ci d ( 节点地址) 为i c a n 设备( 包括主站和从站) 在i c a n 网络上的唯 一标识，节点地址值的范围为0 x 0 0 0 x 3 f 。由节点地址的分配可以知道一个i c a n 网 络中最多可容纳6 4 个节点。在i c a n 报文的标识符中指定了发送节点( 源节点 s r c m a c i d ) 和接收节点( 目标节点d e s t m a c i d ) 的编号。因此在每次的通讯过程 中，通讯双方都必须检查s r c m a c i d 和d e s t m a c i d 的值与己知连接的两端点是否 相同。 s r c m a c i d ( 源节点地址) ：发送i c a n 报文的节点地址，占用标识符位i d 2 8 - i d 2 1 。 d e s t m a c i d ( 目标节点地址) ：接收i c a n 报文节点地址，占用标识符位i d 2 0 - - - i d l 3 。d e s t m a c i d 的高2 位固定为o ，数值范围为0 x 0 0 0 x 3 f 。当d e s t m a c i d 的 值为0 x f f 时，表示本次发送的帧是广播帧。 a c k ( 响应标识位) a c k ：响应标识位，分配1 位，占用标识符位i d l 2 。该位用于区分帧类型为 命令帧还是响应帧，并说明是否需要应答本帧。 0 用于命令帧，本帧需要应答。但对于广播帧，此值无意义。 1 用于响应帧，本帧不需要应答；或不需要应答的命令帧( 如广播帧) 。 f u i l c i d ( 功能码) f u n c i d ：功能码，分配4 位，占用标识符位i d l1 - - 一i d 8 。功能码用于指示i c a n 报文需要实现的功能，接收报文的节点根据报文中的功能码进行相应的处理。在 i c a n 协议规范中所使用的功能码如表2 - 2 所示。 。 9 广东工业大学工学硕士论文 f u n c l d 功能描述 o x 0 0 r e s e r v e 保留功能码 0 x 0 1 连续写端口用于对单个或者多个资源节点的数据写入 0 x 0 2 连续读端口用于读取单个或者多个资源节点的数据 o x 0 3 事件触发传送用于从站主动向已建立连接的主站传送数据 0 x 0 4 建立连接用于和i c a n 从站建立通讯连接 0 x 0 5 删除连接用于删除与i c a n 从站的通讯连接 o x 0 6 设备复位用于复位i c a n 从站 0 x 0 7 m a c 工d 检测用于检测网络上是指定m a c i d 从站是否存在 0 x 0 8 - - 0 x o er e s e r v e 保留功能码 从站不能正确处理接收到的命令帧时，发送异 o x o f 异常响应 常响应帧 表2 2 功能码歹0 表 t a b 2 2f u n c t i o nc o d e s o u r c ei d ( 资源节点地址) s o u r c ei d ( 资源节点地址) ：用于指示所要访问的从站内部资源的起始地址， 分配8 位，占用标识符位i d t - - 一i d 0 。 帧数据部分定义。在i c a n 协议规范中，i c a n 报文的数据部分主要用于分段 传输控制和传送与功能码相关的参数。i c a n 报文数据部分最多可以传输8 个字节 数据，其中第1 字节用于控制分段传输，剩余部分用来传输与功能码相关的参数。 i c a n 报文数据部分第一个字节b y t e o 分配为分段代码( s e g f l a g ) 。分段代 码s e g f l a g 用于实现大于7 个字节长度的数据传输。s e g p o l o 表示分段标志，占用 s e g f l a g 的最高两位。当传送的数据长度不超过7 个字节时，帧数据部分q b s e g f l a g = 1 0 第二章电动汽车c a n 网络系统研究及应用层协议开发 0 x 0 0 。当使用报文分段传输时，接收节点( 目标节点) 只有在接收完最后分段后才 做出响应：采用分段传输时，分段传输的最大报文长度为6 4 x 7 = 4 4 8 个字节。 3 i c a n 协议通讯模式 i c a n 协议采用灵活的通讯模式，支持主从方式通讯模式和事件触发通讯模 式。主从通讯模式用于i c a n 网络中的主站对于从站的访问。事件触发通讯模式 用于从站主动向主站传送数据报文。 主从通讯模式 基于i c a n 协议的c a n 网络中，最常用的通讯方式是主从方式通讯，即命令 响应通讯方式。通讯由网络中的主站发起，接收到命令帧的从站返回响应帧。主 从通讯模式又分为点对点方式和广播方式两种情况。 点对点方式。主站与一个从站进行通讯。从站接收到命令并处理完请求后， 返回一个响应报文给主站。在这种模式中，一个完整的通讯过程包括主站的请求 与从站的应答。每个从站必须有一个唯一的地址( 从0 到6 3 ) ，因此能同其他的 节点区别开来。在这种通讯方式下，从站节点在未接收到主站的请求时不会传输 数据。 广播方式。主站发送请求给所有的从站。广播方式下主站的请求是没有回应 的。所有的从站必须接收广播方式命令帧。地址0 x f f 用于识别广播通信，在广播 报文中目标节点地址为0 x f f 。 在i c a n 网络中，主从通讯模式用于主站对于从站的配置、管理等数据的传 送，也可以用于向从站请求或者分配i 0 数据。 事件触发通讯模式 事件触发通讯模式用于从站主动向主站发送数据，支持定时循环发送和状态 改变发送两种传送模式。 定时循环发送用于从站在固定时间间隔( 由主站设置) 向主站传送数据；状 态改变发送用于从站在检测到报警条件时，主动向主站传送数据。定时循环发送 和状态改变发送不能同时使用。 4 i c a n 协议报文处理流程 主站根据主站应用软件所需要的操作确定从站m a ci d 、功能码、所要操作 的资源节点及数据参数后，按i c a n 报文格式封装成带2 9 位标识符的扩展帧c a n 报文发送到i c a n 网络上。然后等待从站的响应报文，以确定操作是否执行成功。 广东工业大学工学硕士论文 从站接收到主站的报文后，需要根据报文中的目标节点、功能码、资源节点以及 数据参数进行判断，以决定该报文是否为合法的报文。如果为合法的报文则执行 相应的操作，并返回正常的响应报文；如果为非法的报文，则丢弃接收的报文， 返回异常响应报文，并根据错误在异常响应报文中指明错误代码，以供主站决定 下一个操作。当从站应答主站时，功能码域表明是一个正常响应还是异常响应( 有 错误产生) 。正常响应时，从站返回原样的功能码；异常响应的时候，功能码为 异常功能码( 0 x 0 f ) ，同时在响应报文中返回异常代码。 2 。2 。2 高速c a n 应用层协议 根据s a ej 1 9 3 9 协议的报文帧格式、协议数据单元、报文类型和报文处理等内 容，设计电动汽车动力总成系统的通信协议，即高速c a n 应用层协议姐1 3 。 1 标识符分配 2 9 位i d 的前三位是决定信息的优先权的。信息优先权越高越容易取得总线的 使用权，所以优先权高工d 被用于实时性要求高的控制信息，同时这三位d 也对信 息进行了分类。一般系统发生紧急情况的消息的优先权设置为“0 “，即最高优先 权，主要是为了确保当系统发生紧急情况时其他节点可以及时发现并根据相应处 理功能对紧急情况进行处理。 优先权源地址 目标地址保留位站点地址 2 8 2 62 5 1 81 7 1 09 87 - - - 0 表2 - 3 扩展帧中标识符内部结构划分 t a b 。2 3i n s i d es t r u c t u e ro fi d e n t i f i c a t i 0 1 3i ne x t e n d e df la m e 网络节点地址分配如表2 4 。该地址分配方案主要针对除网络管理、测试和 诊断以外的信息。 1 2 第二章电动汽车c a n 网络系统研究及应用层协议开发 节点名称地址 上位控制器( h c u ) 0 0 0 0 0 0 0l m c u0 0 0 0 0 0 1 0 t c u 0 0 0 0 0 0 11 b c m0 0 0 0 0 1 0 1 b a t t e r y 0 0 0 0 0 11 0 a b s0 0 0 0 0 1 1 1 表2 - 4 网络节点地址分配 t a b 2 - 4c a nb u sc o r r e s p o n d e n c ea d d r e s sa l l o t m e n tf o m 2 消息编码是把相近的或相关的数据组合成一个数据块，使它们的数据可以 按照同样的频率从某个e c u 节点发送到总线上。其他c a n 节点可以同时获得这组 相关的消息，对该消息进行相应的处理。对于确定好的通讯内容，根据其他节点 需要跟消息的急缓程度，确定消息发送的周期，即确定消息的调度策略。 3 数据格式是根据要求消息中数据的精度，规定了几种数据格式。包括：无 定点1 6 进制补码；l 位定点1 6 进制补码；2 位定点1 6 进制补码。 2 3 本章小结 本章主要介绍了电动汽车c a n 总线及应用层协议。将i c a n 协议应用于车身低 速c a n 网络，并根据s a ej 1 9 3 9 协议的报文帧格式、协议数据单元、报文类型和报 文处理等内容设计了电动汽车动力总成系统的通信协议。 广东工业大学工学硕七论文 第三章中央控制器( 网关服务器) 的设计 3 1 中央控制器的硬件设计 两条c a n 总线相互独立，通过网关服务器进行数据交换和资源共享。中央控 制器是整车管理系统的控制核心，也是整车综合控制的基础，主要功能是对各种 信息进行分析处理，并发出指令，协调汽车各控制单元及电器设备的工作。同时， 中央控制器也是高速c a n 总线和低速c a n 总线的网关服务器。 网关服务器可以采用双端口网桥将高速c a n 总线和低速c a n 总线连接起来， 网桥是具有多个网络端口的数据收发设备，其基本功能是利用媒质访问协议从一 个端口接收局部网络的数据帧并向另一端口的局部网络发送数据帧。对于双端口 c a n 网桥的设计而言，网桥对基于c a n 协议的帧格式数据进行转发，c a n 网桥应 有足够的数据缓冲空间保证数据通信的完整性，同时，由网桥处的高速处理性能 保持通信的实时性：由于c a n 总线采用多主方式工作，在其帧信息中无站地址信 息，应该根据c a n 数据帧的结构特点，采用一些技术处理才能实现一般m a c 透明 网桥的功能1 。由双端口网桥连接两个网段的硬件结构框图如图3 - 1 所示。 图3 - 1 双端口网桥结构框图 f i 9 3 - 1b l o c kd i a g r a mo f d u a l p o r tb r i d g e 1 4 第三章中央控制器( 网关服务器) 的设计 由结构框图可以看出，系统的硬件结构由3 个部分组成，分别为：网关服务器、 低速c a n 网段、高速c a n 网段。低速c a n 网段中包含了由c a n 总线连接起来的n 节点，每个节点根据系统地控制，在总线上发送和接收命令：高速c a n 网段和低 速c a n 网段的结构基本相同，所有节点也由c a n 总线连接起来互相通信，其上各 节点所需实现的功能与低速c a n 网段中不同。网关服务器使整个网络的通信性能、 安全性和可靠性得到改善。对于网关服务器设计，转发地址表应该能够自动动态 生成。c a n 网关服务器根据c a n 总线协议的帧结构特点，需实现如下功能：( 1 ) 自学习方法获得网络地址表；( 2 ) 数据的转发。 为了对c a n 总线从控制器使用，协议细则到物理连接方式等各个方面都能进 行研究和测试，且作为中央控制器，为了方便控制及其监视。本系统需应用一套 功能完备、方便适用的c a n 总线网络协议分析系统及人机对话工具。由于计算机 具有丰富的软硬件支持，能够胜任复杂的各种数据处理，能够提供良好的人机交 互界面，所以在计算机上开发c a n 总线网络协议完全可以满足试验的各种需要。 目前的计算机还没有提供现成的c a n 总线接口，计算机软件必须在c a n 总线适配 器的支持下才能访问和监听c a n 总线。c a n 总线适配器即可以采用通过串口或打 印口的通讯方式设计，也可以以板卡的形式通过计算机总线和系统进行通讯。因 为总线方式的数据交互有更快的响应速度，适配器能具有更强的实时处理能力， 所以本文的设计用的是总线方式。中央控制器的设计总体上分两大部份：c a n 总线 适配器和计算机端协议分析软件。本系统应用周立功单片机开发有限公司开发的 u s b c a n 2 a 总线适配卡。以下的部分将详细说明适配器部分的功能和特性。 一1 u s b c a n 2 a 简介n 鄹 u s b c a n 2 a 智能c a n 接口卡是与u s b l 1 总线兼容的，集成2 路c a n 接口的 智能型c a n b u s 总线通讯接口卡。采用u s b c a n 2 a 智能c a n 接口卡，计算机可以 通过u s b 总线连接至c a n b u s 网络，构成现场总线实验室、工业控制、智能小区、 汽车电子网络等c a n b u s 网络领域中数据处理、数据采集的c a n b u s 网络控制节 点。 u s b c a n 2 a 接口卡上自带电气隔离模块，使u s b c a n 2 a 接口卡避免由于地 环流的损坏，增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。 u s b c a n 2 a 接口卡还支持o p c 接口，能在支持o p c 的组态软件中使用 u s b c a n 2 a 接口卡。另外，还提供了z l g c a n t e s t 通用测试软件，可执行c a n b u s 广东工业大学工学硕士论文 报文的收发和监测等功能。该适配卡主要参数指标如下： p c 接口符合u s b l 1 协议规范，可在u s b 2 0 接口适用； 支持c a n 2 0 a 和c a n 2 0 b 协议，符合i s o d i s l l 8 9 8 规范； 集成2 路c a n b u s 接口，每路均可独立控制： c a n b u s 通讯波特率在5 k b p s - l m b p s 之间任意可编程； 可以使用u s b 总线电源供电，或使用外接电源( d c + 9 v + 2 5 v ，4 0 0 m a ) ； c a n b u s 接口采用电气隔离，隔离模块绝缘电压：2 5 0 0 v r m s ； 单通道最高数据流量：3 0 0 0 f p s ( 标准帧) ； 支持w i n 9 x m e 、w i i l 2 0 0 0 、w i n x p 等w i n d o w s 操作系统； 支持l i n u x 2 4 、l i n u x 2 6 操作系统；支持z l g c a n t e s t 测试软件、z o p c 服 务器等多个