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中国农业大学 硕士学位论文 基于CAN-LIN总线的汽车车身网络的设计 姓名：袁文燕 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：迟瑞娟 20060601 中国农业大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着电子设备的大星应用，必然导致车身布线的增加和复杂化、运行可靠性降低、故障维修 难度增大，传统布线方法已远远不能满足这种需求。微控制器和总线技术进入汽车控制领域后， 给汽车发展带来了划时代的变化，如何利用总线技术，减少车内线束、降低成本，使汽车控制更加 人性化、智能化就显得尤为重要。 本文通过收集和研究国内外资料，首先对汽车网络技术进行了总结和归纳，分析了目前常用 的主流协议，并且总结出C A N ( 控制器局域网) 和L I N ( 局部互联网络) 是适用于车身网络的两 类协议。C A N 总线技术是一种现代通讯技术，具有实时性好，可靠性高等突出优点，特别适用 于自动控制系统。L I N 总线技术是面向车辆低端分布式应用的一类串行通信协议，L I N 设计目标 作为C A N 的下层网络，同C A N 相结合可构成车辆应用中的分层网络结构。其次论述了基于C A N 和L I N 总线的汽车车身网络的设计和实现，它是以M C S 5 1 系列的A T 8 9 S 5 1 5 2 5 3 单片机为核心， 采用C A N 总线和L I N 总线进行数据通讯来实现对汽车车身部件的控制；通过对C A N L I N 节 点软硬件的分析设计，全面介绍了系统的设计方案。最后通过参考S A EJ 1 9 3 9 应用协议拟订初步 通信协议，并连接实验台进行C A N L I N 总线网络通讯测试实验。该设计为实现其它节点的通讯 给出了范例，为整车的C A N L I N 总线开发提供了有力的支持。 关键词：C A N ，L I N ，车身网络，总线，协议 中国农业大学硕士学位论文 英文摘要 曼曼曼圈皇曼墨皇皇量曩蔓皇曼曼曼曼曼皇曼兰曼曼量墨量曼皇曼蔓曼曼簟皇曼曼曼曼曼量墨邕皇蔓皇曼曼墨I I 曼 A b s t r a c t W i t ht h eg r e a ta p p l i c a t i o no f e l e c t r o n i ce q u i p m e n to nt h ev e h i c l e ，i tr e s u l t si nt h ei n c r e m e n to f w i r e q u a n t i t y ，l o w e r st h er e l i a b i l i t yo ft h ev e h i c l e ，a n d i n c r e a s e st h ed i f f i c u l t yo fm a i n t e n a n c e s ；t h e t r a d i t i o n a lw r i n gm e t h o di sf a rf r o mt h er e q u i r e m e n t ，A f t e rm i c r o - c o n t r o l l e ra n db u st e c h n o l o g ye n t e r s i n t ot h ea u t o m o t i v ef i e l d ，i tt a k e se p o c h - m a k i n gc h a n g e sf o ra u t o m o t i v ei n d u s t r y ；i ti se x t r e m e l y i m p o r t a n tt om a k eU S eo fb u st e c h n o l o g yt or e d u c ei n - v e h i c l ew i r e ，d e c l i n ec o s ta n dm a k et h ev e h i c l e c o n t r o lm o r eh u m a n i z e da n di n t e l l i g e n t T h ed i s s e r t a t i o ni sb a s e do ni n s i d ea n do u t s i d em a t e r i a lc o l l e c t i o na n di n v e s t i g a t i o n F i r s t l y , i t s u m m a r i s e st h ea u t o m o t i v en e t w o r kt e c h n o l o g y , a n a l y z e st h ep r e s e n t l e a d i n gp r o t o c o la n dc o n c l u d e s t h a tC A N ( C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k ) a n dL I N ( L o c a lI n t e r c o n n e c tN e t w o r k ) a r et h em o s ta p p l i c a b l e p r o t o c o l sf o ra u t o m o t i v eb o d yn e t w o r k C A Nb u st e c h n o l o g y , ak i n do fc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ew i t h o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e ss u c ha s ，g o o dr e a lt i m ea b i l i t , ，h i g hr e l i a b i l i t y i ti se s p e c i a l l ya p p l i c a b l ef o rt h e a u t o m a t i ct e n e 1 T h eL I NP r o t o c o li sak i n do fs e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，w h i c hi su s e df o r d i s t r i b u t e de l e c t r o n i cs y s t e mi nv e h i c l e s L I Na i m st ob eal o w e rp r o t o c o lo fC A Na n dt o g e t h e rw i t h C A N ，t h e yC a nb eu s e dt oc o n s t i t u t eh i e r a r c h i c a ln e t w o r ki nt h ea u t o m o t i v eb e d ya p p l i c a t i o n S e c o n d l y ， t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h es y s t e mb a s e do nC A Na n dL I Nb u st e c h n o l o g yf o ra u t o m o t i v eb o d y n e t w o r ki Sd i s c u s s e d w i t ht h eA T 8 9 S 5 1 5 2 5 3m i c r o - c o n t r o l l e ri nM C S - 5 1s e r i a la si t sc o r ea n d C A N - L I Nb u s 鹊i t sd a t ac o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t t h es y s t e mh a sb e e nd e s i g nt or e a l i z et h ec o n t r o lo f t h ea u t o m o t i v eb o d y ；B a s e do nt h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fC A N - L I Nn o d es o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h i s d i s s e r t a t i o np r o v i d e sac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o no ft h es y s t e m i cp r o p o s a l F i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h e S A EJ l9 3 9a p p l i c a t i o n p r o t o c o l ，ap r i m a r yc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd r a f t e d ，a n da ne x p e r i m e n t a l C A N L I Nb u sn e t w o r ki sc o n s t r u c t e dt oi m p l e m e n tc o m m u n i c a t i o nt e s t i n g T h en o d ed e s i g np r o v i d e sa r e f e r e n c em o d e lf o rt h ec o m m u n i c a t i o nr e a l i z a t i o no fo t h e rn o d e s ；i ta l s os u p p e r sf o rt h ed e v e l o p m e n t o f C A N L l Nb u sb a s e dO nw h o l ev e h i c l e K e yw o r d s ：C A N ，L I N ，a u t o m o t i v eb o d yn e t w o r k ，b u s ，p r o t o c o l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得中国农业大学或其它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。 研究生签名专蚤里、 日搁：如睥阳加日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在刁i 同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名时间：矽6 年6 月f 日 导师签名：三2 王耐移娲 时间：如。多年厂月，日 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着电子技术的发展，汽车发动机电控系统、电控自动变速器、巡航控制系统、电控悬架、 A B S 等逐渐被应用，电动门窗、电动座椅、电动后视镜等车身电控系统的应用也越来越普遍。汽 车已经成为机械、电子和信息一体化装置。由于电子和信息部分所起的作用日趋重要，汽车正在 由一个拥有大量电子技术与装置的机械系统转变为由一定机械装置支撑的电子系统。汽车电子系 统增加带来了数据传输的安全性、可靠性降低，车内线束过于庞大，维修难度增大等问题。一辆 用传统布线方法设计的高档车中，其电线的长度可达2 k i n ，电气节点数可能高达1 5 0 0 个，并且 保持大约每1 0 年增长l 倍的发展速度。在这种状况下，粗大的线束与汽车中有限的I 叮用空问之 间的矛盾越来越尖锐，而且也成为汽车轻量化和进步电子化的最大障碍。汽车电子设备网络化 的发展为解决此问题提供了可能。 通过电子装置的网络化，可以大大减少线束，使设计简化、布线标准化，从而使布线工作量 减少，大大改善由于线束过多造成可靠性降低的问题，并且模块化的设计使汽车的生产装配以及 售后维修更为简单。为此，各大汽车厂商从上世纪7 0 年代末就开始进行车用网络的研究。最初 车用网络只有高档汽车中才采用，而且多为各厂商自行研制的通信协议。当汽车的发展要求性能 价格比尽可能高的时候，工业生产的标准化和新技术普及化的进程已是不可阻挡。在这样的形势 下，车用网络协议的标准化研究在国外迅速的发展起来。到9 0 年代初，协议的研发到了相对成 熟的阶段，从车身舒适性控制部件到动力系统控制部件都成为车用网络包罗的对象。而且由于车 用电气的种类繁多，对网络的传输速度和成本要求差异较大，因此呈现出多元化的趋势。 1 2 汽车网络协议研发的历史与现状 1 2 1 历史 早期的汽车网络没有发展自身的通用网络标准，而是采用现有的规范( 如U A R T ) ，汽车厂 商根据自身需要，自行研发。从1 9 8 0 年起，汽车内开始装用网络。1 9 8 3 年，丰田公司在世纪牌 汽车上最早采用了应用电缆的车门控制系统，实现了多个节点的连接通信。1 9 8 6 至1 9 8 9 年间， 在车身系统上装有了利用铜线的网络。期间，德国的B o s c h 公司提出了汽车车载局域网基本协议， 该协议即为控制器局域网C A N ( C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k ) 。1 9 8 7 年，作为集中型控制系统，日产 公司的车门相关系统，G M 公司的车灯控制系统已处于批量生产的阶段。日本也提出各种各样的 网络方案，丰田、日产、三菱、本田以及马自达公司都已处于批量生产的阶段，但没有统。为车 身系统为主的控制方式。在美国，通过采用S A E J l 8 5 0 ( 由美国汽车工程师学会提出) 普及了数 据共享系统。在S A E 中也通过了C A N 的标准，并表示将转向C A N 协议。1 9 9 9 年，L I N 协会颁 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 布了局部瓦联网L I N ( L o c a lI n t e r c o n n e c t N e t w o r k ) 。 目前，全世界有4 0 多种车辆网络标准：控制器局域网c A N ( C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k ) 、局部 互联网L I N ( L o c a l I n t e r c o n n e c t N e t w o r k ) 、高速容错网络协议F l e x R a y 、用于汽车多媒体和导航 的媒体定向系统传输M O S T ( M e d i aO r i e n t e dS y s t e mT r a n s p o r t ) ，以及与计算机网络兼容的蓝牙、 无线局域网等无线网络技术” 3 1 。这些车用协议中较为突出的是B O S C H 公司于2 0 t 婵9 8 0 年代初提 出的C A N ( C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k ) 。还有一些适合不同传输速率等级及特殊用途的网络协议， 如低速的L I N 、中高速的S A EJ 1 9 3 9 、用于诊断的K W P 2 0 0 0 、用于无线电通信的蓝牙B l u et o o t h 等 协议。由于这些协议最终的应用将受制于配套的电子元器件的研发以及汽车厂商的使用情况，所 以很多大的汽车厂商和大的芯片制造商纷纷结盟开展协议的研发。同时，他们为了使自己的叻、议 获得更多的应用和认同，公开了很多协议内核，这对于车用网络的发展起到了极大的推动作用。 车用网络也正在从车辆上的试验阶段进入到批量化实用阶段。下表综合T S A E 之前的规定雨I 现有 的网络协议的分类”J 。 表1 - 1 网络协议分类表 1 2 2 现状 现在，在国外，特别是欧洲，C A N 技术应用已经非常普及，8 0 的轿车均不同程度地使用了 该技术，而在美洲汽车使用J 1 8 5 0 的居多，代表的有福特的4 1 6 k b p s 的J 1 8 5 0 和通用、克莱斯勒使 用的1 0 4 k b p s 的J 1 8 5 0 ，现在逐步往C A N 技术转移。而在国内，汽车电子厂商除联合电子和西门 子这样的合资公司或独资公司外，很少有成熟的车内网络系统解决方案推向市场。由于闷内的汽 车电子厂商起步晚、投资小等原因，该技术的研究单位大多属于大学等科研机构，技术不能形成 装备产品；能够提供汽车网络产品的厂商数量少、规模小，很难提供系统解决方案，产品质量与 国外还有差距；虽然有一些应用，但相对不成熟。可以说还不具备与国外厂商竞争的实力。随着 国家对科研的投资、大学和汽车电子厂商的联合、一些有实力的企业投入到汽车电子行业，并组 织相关研发机构，国内的现状将有改观p “。 目前生产的车型装备C A N 的有奥迪A 6 、奥迪A 4 、宝来、帕萨特B 5 、波罗、菲亚特P a l i o 、菲 亚特S i e n a 、宝马等，主要应用在动力系统( 发动机、变速箱及仪表) 、安全系统( A B S 、E B D 、 B A V 、A S R 、E S P 等) 和车身系统( 门、窗、空调、灯光、锁、座椅等) 。在客车领域，高级的客 2 中国农业丈学硕士学位论文 第一章绪论 车国家强制要求采用欧I I I 发动机并配置动力C A N 总线技术。在卡车领域，重型卡车生产企业由于 市场竞争的需要，逐步使用C A N 构架动力和车身系统。典型的一汽新车速腾，全车使用了3 4 个 基于C A N 技术的E C U 。 总之，目前国际汽车业界所流行的总线还是C A N 总线居多，并有普及之势，同时F l e xR a y 和M O S T 也有适当的应用。就发展趋势来看，在未来1 0 年内，C A N 总线会普及到每辆汽车上的 动力及车身系统，F l e xR a y 将逐步普及于汽车的安全系统，M O S T 将应用于高级豪华型车辆的多 媒体系统之中。 1 3 常用汽车网络协议介绍 早期的车用网络研究中，总线只应用于高档汽车中，数量很少，各厂家出于自身利益的考虑， 都有自己的定义。随着原来只用于高档汽车的网络概念逐步扩展到大批量的经济型汽车上，人们 觉得有必要制定相应的标准。以使各零部件生产厂能规范设计和降低成本。为此，许多汽车生产 厂和有关的标准化组织经过多年的努力制定了一系列网络标准。如表1 - 2 展示了O S I 开放式互连 模型的各层，此后很多协议的开发都遵循该模式。 表1 - 20 S I 开放系统互连模型 1 3 1C A N 协议 1 3 1 1 简介 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 ) 是8 0 年代初B O S C H 公司为解决现代汽车中 众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信协议，经多次修订，于1 9 9 1 年9 月形成技术规范2 0 版本。C A N 2 0 版本包括2 0 A 和2 O B 两部分。A 部分：C A N 的报文格 式说明( 按C A N l 2 规范定义) ，B 部分：给出了标准( 1 1 位) 和扩展( 2 9 位) 两种报文格式。 C A N 总线通信接口集成了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。 数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。 同时，8 个字节不会占用过长的总线时间，从而保证了通信的实时性。C A N 协议采用C R C 检验 并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。C A N 通讯协议主要描述设备之间的 信息传递方式。层的定义与开放系统互连模型O S I 一致，每一层与另一设备上相同的那一层通讯。 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 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 规范定义了模型的最下面两层数据链路层和物理层。应用层协议可以由C A N 用户定义成适合特 N 工 l k 领域的任何方案。 为了达到设计透明度以及实现柔韧性，C A N 被细分为以下不同的层次： 对象层：对象层的功能是报文滤波以及状态和报文的处理； 传输层：传输层是C A N 协议的核心，它把接收到的报文提供给对象层、以及接收来自对 象层的报文，传输层负责位定时及同步、报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定、故 障界定； 物理层：物理层定义实际信号的传输方法。 对象层和传输层包括所有由I S O O S I 模型定义的数据链路层的服务和功能。对象层的作用范 围包括：查找被发送的报文；确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文；为应用层相关硬件提 供接口。在这里，定义对象处理较为灵活。传输层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、 执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。总线上什么时候开始发送新报文及什么时候开始接 收报文，均在传输层里确定。位定时的一些普通功能也可以看作是传输层的一部分。理所当然， 传输层的修改是受到限制的。物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的 实际传输。当然，同一网络内，物理层对于所有的节点必须是相同的。尽管如此，在选择物理层 方面还是很自由的【7 j 【8 I I ”。 C A N 协议具有下列主要特性： 废除了传统的站地址编码，而是对数据块进行编码； 采用多主工作方式，通过报文标识符通信 C A N 的直接通信距离最远可达1 0 k i n ( 速率5 k b p s 以下) ； C A N 的节点数可达1 1 0 个； 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； C A N 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播方式发送数据； C A N 的通信介质可选用双绞线、同轴电缆或光纤； 报文的优先权； 保证延迟时间； 设置灵活： 时间同步的多点接收； 系统数据的连贯性； 错误检测和标定； 只要总线一处于空闲，就自动将破坏的报文重新传输： 将节点的暂时性错误和永久性错误区分开来，并且可以自动关闭错误的节点。 1 3 1 2 帧结构 报文传输由以下4 个不同的帧类型所表示和控制： 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。 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：任何单元检测到一总线错误就发出错误帧。 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 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。 数据帧是其中最基本的帧类型，在这里主要对数据帧进行说明。数据帧( 或远程帧) 通过帧 间间隔与前述的各帧分开。 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 。 表1 3 和图1 - 1 是对数据帧格式的两种不同说明。 表1 - 3C A N 数据帧格式 圈1 _ 1 数据帧结构图 1 帧起始 它标志数据帧和远程帧的起始，由一个单独的“显性”位组成。只在总线空闲时，才允许站 开始发送( 信号) 。所有的站必须同步于首先开始发送信息的站的帧起始前沿。 2 仲裁场 仲裁场包括识别符和远程发送请求位( R T R ) 。 标准格式帧与扩展格式帧的仲裁场格式不同。 标准格式：仲裁场由1 1 位识别符和R T R 位组成。识别符位由I D 2 8 至I D l 8 。 扩展格式：仲裁场包括2 9 位识别符、S R R 位、I D E 位、R T R 位。其识别符由1 D 2 8 至I D 0 。 R T R 位：该位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性”。 图1 2 为标准格式和扩展格式的仲裁场的结构图。 3 控制场 控制场由6 个位组成。标准格式的控制场格式和扩展格式的不同。标准格式里的帧包括数据 长度代码、I D E 位( 为显性位，见上文) 、及保留位r 0 。扩展格式里的帧包括数据长度代码和两 个保留位：r 1 和r 0 。其保留位必须发送为显性，但是接收器认可“显性”和“隐性”位的组合。 如图1 - 3 为控制场结构图。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 圈1 - 2 仲裁场结构图 。 一 控由场 一I 一妯啦 ! 甲截场一 一 标准格式和扩展格式 7 场 N I D E ，r 1巾D L c 30 L c 2o r c lO L 开e l d 保留位数据长度代码 围1 _ 3 控制场结构围 数据长度代码：数据长度代码指示了数据场中字节数量。数据长度代码为4 个位，在控制场 里被发送。表1 - 4 为数据长度代码的编码表( 注：d “显性”r “隐性”) 。 表1 q 数据长度代码的编码表 字节数D L C 3D L C 2D L C lD L C 0 数据帧允许的数据字节数： 0 ，1 ，7 ，8 ) 。其他的数值不允许使用。 4 数据场 数据场由数据帧中的发送数据组成。它可以为O 8 个字节，每字节包含了8 个位，首先发 送M S B 。 5 C R C 场 6 d r d r d r d r d d d r r d d i d d d d r r r r d d d d d d d d d r 0 l 2 3 4 5 6 7 8 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 C R C 场包括C R C 序列( C R CS E Q U E N C E ) ，萁后是C R C 界定符( C R CD E L I M I T E R ) 。 C R C 序列：由循环冗余码求得的帧检查序列最适用于位数低于1 2 7 位( B C H 码) 的帧。为 进行C R C 计算，被除的多项式系数由无填充位流给定，组成这些位流的成分是：帧起始、仲裁 场、控制场、数据场( 假如有) ，而1 5 个最低位的系数是0 。将此多项式被下面的多项式发生器 除( 其系数以2 为模) ： X 15 十XH + X 1 0 + X8 十X7 + X4 + X3 + l 这个多项式除法的余数就是发送到总线上的C R C 序列。为了实现这个功能，可以使用1 5 位 的位移寄存器C R CR G ( 1 4 ：O ) 。如果用N X T B I T 标记指示位流的下位，它由从帧的起始到数 据场末尾都由无填充的位序列给定。 6 应答场 应答场长度为2 个位，包含应答间隙( A C KS L O T ) 和应答界定符( A C KD E L I M I T E R ) 。在 应答场里，发送站发送两个“隐性”位。当接收器正确地接收到有效的报文，接收器就会在应答 间隙期间( 发送A C K 信号) 向发送器发送“显性”的位以示应答。 应答间隙：所有接收到匹配C R C 序列的站会在应答间隙期间用一“显性”的位写入发送器 的“隐性”位来作出回答。 A C K 界定符：A C K 界定符是A C K 场的第二个位，并且是一个必须为“隐性”的位。因此， 应替间隙被两个“隐性”的位所包围，也就是C R C 界定符和A C K 界定符。 7 帧结尾 每一个数据帧和远程帧均出一标志序列界定。这个标志序列由7 个“隐性”位组成。 1 3 2I I N 协议 1 3 2 1 简介1 t 9 9 8 年，汽车制造商奥迪公司、宝马公司、戴姆勒克莱斯勒公司、沃尔沃汽车公司、大众汽 车公司、通信领域的专业厂商火山通信技术公司以及半导体生产商摩托罗拉公司共同刨建了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 ) 协会，其目的是为汽车网络系统提供一个开放的A 级( 数据传输 速率通常小于1 0 k b p s 的低速车身网络) 串行总线通信标准，允许在此基础上开发汽车低端网络 系统，并且不需要使用者支持使用费用或版税。该协会于1 9 9 9 年6 月5 日制定了第一个L I N 协 议版本V I 0 ，现在L I N 协议版本已发展至V 2 0 。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 ) 是一个串行 通讯协议，它有效地支持汽车应用中分布式机械电子节点的控制。 根据O S I 参考模型的L I N 分层结构为： 物理层：物理层定义了信号如何在总线媒体上传输，L I N 规范中定义了物理层的驱动器 接收器特性； M A C ( 媒体访问控制) 子层：M A C 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U 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； L L C ( 逻辑链路控制) 子层：L L C 子层涉及报文滤波和恢复管理的功能。 L I N 总线的特性： 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； 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 采用低成本单线1 2 V 传输数据，总线的驱动和接收特性符合改进的I S 0 9 1 4 1 标准； 传输速率最高可达2 0 k b p s ： 单主控器多从设备模式，无需仲裁机制； 从机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： 保证信号传输的延迟时间： 不需要改变L I N 从机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。 1 3 2 2 帧结构 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 个到9 个字节 场组成：2 、4 或8 字节的数据场和一个校验和场。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 R A M “限制。如图1 - 4 为报文帧结构图。 图1 _ 4L I N 搬文帧结构图 1 字节场 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( 8 N 1 编码) 。每个字节场的长度是1 0 个位定时。起始位是一个“显性”位，它标志着字节场的开始。接着是8 个数据位，首先发送最 低位。停止位是一个隐性位，它标志着字节场的结束。图1 - 5 为字节场结构图。 围卜5L l N 宇节场结构图 2 报文头场 ( 1 ) 同步间隔场 报文帧的第一个场是一个同步间隔。同步间隔场由主机任务发送。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，第一个部分是由“一个持续T s Y N B 或更长时间( 即晟小是 T S y N B “) 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 X - W _ A O E aM “的总体时间预算。图1 - 6 为同步间隔场结构图。 8 中国收业大学硕士学位论文第一章绪论 _ - _ _ _ - - _ _ _ _ - _ 厂 L L 一、，l ，一一 图1 6 同步间隔场结构固 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。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寅= 的间隔T s B R K m 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 ， 可以更长；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摄小本地时钟频 率所要求的阀值而得出。 ( 2 ) 同步场 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 个卜降沿， 即隐性跳变到显性的边沿。如图1 7 为同步场结构图。 起始位01234567 终止位 胴卜7 同步场结构固 ( 3 ) 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l D 奇偶校验位表示如 图l _ 8 。标识符位的第4 和第5 位( I I ) 4 和I D 5 ) 定义了报文的数据场数量N D A T A ，如表1 - 5 所示。 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。 标识符可以分成四个系列： 1 ) 0 5 9 ( 0 x 3 b ) 用于信号帧的传送； 2 ) 6 0 ( 0 x 3 e ) 和6 1 ( 0 x 3 d ) 用于传送诊断数据： 3 ) 6 2 ( 0 x 3 e ) 保留用于用户扩展功能； 4 ) 6 3 ( 0 x 3 f ) 保留用于未来协议扩展。 圜卜8 标识符场结构图 9 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 表卜5 在报文帧中控制数据场数量 奇偶校验 奇偶校验的计算遵循下列公式( 1 ) 和( 2 ) ： P 0 = I D OoI D loI D 2o1 D 4 ( 1 ) P 1 = f ( I D lo1 1 3 3oI D 4mI D 5 )( 2 ) 3 响应场 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。 ( 1 ) 数据场 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。 ( 2 ) 校验和场 最后一个场是校验和场。校验和包括所有字节的和或者所有字节以及保留标识符的反码。只 计算数据字节的校验和，是标准校验和，用于和L I N l 3 通讯。计算数据字节和保留标识符的校 验和，是加强校验和，用于和L I N 2 0 从机节点通讯。校验和在字节场中传输。用标准还是加强 校验和由主机节点管理，并由每个帧的标识符决定；标识符6 0 ( O x 3 c ) 至6 3 ( 0 x 3 f ) 只用标准校 验和。 L I N 2 0 规范除了协议规范还包括：L I N 物理层协议( 描述了物理层，包括位速率、时钟容差 等) ，L I N 诊断及配置规范( 描述了提供诊断信息和节点配置的服务，该服务可分层位于数据链 路层上部) A P I 规范( 描述了网络和应用程序之间的接口，包括诊断模块) ，L I N 配置语言规范 ( 说明了L I N 描述文件的格式，L I N 描述文件用于配置整个网络，并在O E M 设备和不同网络节 点提供者之间作为通用接口，开发分析工具的输入也是如此) ，L I N 节点性能语言规范( 说明了 一种格式，在该格式下，使用一个即插即用工具即可为现有节点自动创建L I N 描述文件) 。 1 3 3T T P 和F I e xR a y 目前存在相互竞争的几种网络技术，比如时间触发网络协议T T P ( T i m e - t r i g g e r e dp r o t o c 0 1 ) 和高速容错网络F l e xR a y 。这两种技术都是基于X B y W i r e 开发的。X B y W i r e 是对车辆上与安全 相关的线控系统的一种别称。该技术来源于飞机制造，基本思想就是用电子控制系统代替机械控 制系统，减轻重量提高可靠性。其中的“x ”代表任何与安全相关的线控应用，例如转向、制动、 动力传动或悬架控制。由于x B y W i r e 用电气部件替代以往的机械和液压部件，从而获得更好的 安全性、可靠性、有效性、可维护性、紧凑性以及使用寿命长、成本低等显著的优点【J “。由十整 个设计思想涉及动力、制动、方向控制等关键功能，对汽车网络也就提出了不同要求。 1 0 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 X B y W i r e 的应用，可以将驾驶员从常规操作中解放出来，并帮助驾驶员处理紧急情况，从 而大大提高了整车的安全性。 x B y W i r e 的通信类型最初被归于C 级网络中，但是它有着自己独特的需求： 通信必须具有很强的确定性； 通信系统必须很好地支持组件，子系统独立开发后能很好地集成入上级主系统； 通信系统必须支持备用系统连接： 必须支持备用系统的分布以避免同时出现故障： 必须由一个独立的设备检测总线，以避免一个节点永久占用总线： 分布式控制必须实现同步，所以所有节点都需要一个时间基准； 分布式的应用必须了解所有接入网络中的部件现有状态，即成员设备； 必须支持网关与其他不同网络的连接。 1 T T P 协议 由维也纳大学和奔驰研究院共同研制的T T P ( T i m eT r i g g e r e dP r o t o c 0 1 ) 是专门为X B y - W i r e 设计的通信协议。它是一种集成的时间触发协议，用于访问T D M A ( 时分多路访问) 介质的实时 系统。由于它采用的是时间触发，而不是其他如C A N 等协议的事件触发的机制，因此它具各了： 高效高准确性的数据传输： 成员设备 容错的时钟同步设备( 全局时间基准) ： 支持模式改变； 迅速的错误检测： 分布式冗余管理。 2 F l e x R a y 协议 F l e xR a y 是B W M 、D a i m l e r C h r y s l e r 以及M o t o r o l a 和P h i l i p s 等公司制定的功能更强大的通信 网络协议，最近包括丰田、日产、本田等一些亚洲汽车厂商也加入了F l e xR a y 标准组织。F l e xR a y 具有容错能力和分时复用能力，为主要的安全应用提供了可靠的、及时的信息；它具有灵活性， 并且给予网络拓扑很大的自由度，包括从点对点到无源总线拓扑和有源星形拓扑；网络带宽比目 前底盘和动力总体应用中所采用的C A N 总线大2 0 多倍。F l e xR a y 能够把所有系统连接在一起， 同时为汽车系统以一个整体而不是分散的多个系统工作提供了机会。F l e xR a y 能较好的兼顾通讯 可靠性和通讯速率的要求。F l e xR a y 有以下主要特性； 采用冗余备份； 采用时分多路访问技术( T D M A ) ： 支持星型连接和总线连接； 支持同步和异步通信，传输时不需要仲裁； 将总线划分成很多时隙，各设备按照优先级占用不同的时隙实现对总线的复用； 制定了快速错误监测和错误通知机制： 数据传输率达到1 0 M b i t s ，净传输率也达到5 M b i f f s 。 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 4M O S T 协议 多媒体定向系统传输( M e d i aO r i e n t e dS y s t e m sT r a n s p o r t ) 简称为M O S T 。M O S T 是采用塑料 光缆P O F ( P l a s t i c O p t i c a lF i b e r ) 的网络协议，将音响装置、电视、全球定位系统以及电话等设备 相互连接起来，给用户带来极大的便利。在M O S T 中，不仅对通信协议给出了定义，而且也说明 了分散系统的构筑方法。M O S T 网络不需要额外的主控计算机系统，结构灵活，性能可靠并便于 扩展。M O S T 网络光纤作为物理层的传输介质，可以连接视听设备、通信设备和信息服务设备。 该网络支持“即插即用”方式，在嘲络上可以随时添加和去除设备。 M O S T 具有以下基本特征： 在保证低成本的条件下，可达到2 4 8 M b i t s 的数据传输速度； 无论是否有主控计算机都可以工作； 使用P O F 优化信息传送质量； 支持声音和压缩图像的实时处理： 支持数据的同步和异步传输； 发送接收器嵌有虚拟网络管理系统 支持多种网络连接方式： 提供M O S T 设备标准： 方便简洁的应用系统界面。 通过采用M O S T ，不仅可以减轻连接各部件的线束的质量、降低噪声，而且还可减轻系统开 发技术人员的负担，最终在用户处实现各种设备的集中控制。M O S T N 络的特点非常适应汽车多 媒体设备应用环境的需要，所以汽车行业已把该技术作为将来汽车上的媒体系统的一个标准。汽 车生产商采用M O S T 技术的主要是由于其性能可靠、成本低、系统简单、结构灵活、数据的兼容 性好和良好的E M I 性能。采用这种结构为将来可以随时加入新媒体设备节点的结构提供基础，并 特别适合于车上媒体设备和信息设各的声控技术应用【I 。 1 。4 研究意义 本课题是8 6 3 课题网络、总线、通讯协议的研究的子课题，我国车用网络的研究起步较 晚，并且汽车电子方面的基础也较薄弱，这对于我国汽车产业跟上国际先进技术是大障碍。而 在推进汽车产业国产化的进程中，如何保护具有自主知识产权的电气系统，并与国际先进技术接 轨，这是同样不可忽视的问题。通过本课题，将分析国内外车用网络的现状和发展趋势，结合我 国汽车工业的实际情况，从车身网络着手，研究C A N L I N 的车身应用方案。目前C A N L 1 N 总线 在国内车辆中的应用较少，此课题虽然只是基于实验台的C A N L I N 总线节点的设计，但对整车 C A N L 1 N 总线的应用能起到一定推动作用。此节点的设计对总线其他节点给出参考范例，提供 了相关的理论基础和技术储备。同时，本课题具有很强的实用性，它将为整车的C A N 。L I N 总线 底层开发和上层控制策略提供了有力的支持对下一步车辆上的正式使用给予保障。课题的目标 是能替换现有的单节点，在实验台的实验中实现通讯和控制功能，保障系统的功能实现。 1 2 1 5 研究内容 本次设计的主要内容包括以下几点： 1 查阅国内外文献资料、了解