（检测技术与自动化装置专业论文）基于can总线的汽车车身网络主要节点的设计与分析.pdf

摘要 车载网络是现代汽车发展的一个重要方向，也是科学技术发展的必然趋势。c a n 总 线技术作为车载网络系统的主流标准，加速了网络技术在汽车上的应用，简化了汽车上 电气设备的线缆，提高了电控系统的可靠性与灵活性。基于c a n 总线的汽车车身舒适系 统是汽车网络控制系统的一个重要子系统，而车身的中央控制单元与左前门控单元是舒 适系统的核心部分，本论文主要针对基于c a n 总线的汽车车身网络主要节点即中央控制 单元与左前门控单元展开研究。 一、本论文综述了c a n 总线技术在国内外的研究应用状况：简述了车载网络系统的 发展及特点；阐述了c a n 总线的发展，概括、分析了c a n 总线的技术要点； 二、设计、搭建了c a n 总线试验平台，利用该平台对车身舒适系统c a n 总线进行 了测试、分析，并获得了相应的数据帧。分析了数据帧的基本的运作特点与方式；归纳 了与中央控制单元和左前门控单元相关的数据帧，全面分析中央控制单元和左前门控单 元的功能、特点。 三、根据对中央控制单元的测试分析，基于l a b e w 的中央控制单元设计，通过 p c i c a n 卡与车身舒适系统c a n 总线相连接，利用上位机分析软件，进行在线测试、分 析。 四、通过对实验平台上的车身舒适系统的左前门控单元的分析，设计了替代的左前门 控单元，解决了其不受外部控制数据帧控制的问题。并利用上位机分析软件，进行在线 测试、分析。 关键词：车载网络；c a n 总线：车身舒适系统；l a b v i e w ；上位机 a b s t r a c t a u t o m o b i l en e t w o r ki sa l li m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o nf o rm o d e ma u t o m o b i l e sw h i c h i sa l s oa ni n e v i t a b l et r e n do ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t a st h em a i n s t r e a m s t a n d a r d sf o rt h ea u t o m o b i l en e t w o r ks y s t e m ，c a n - b u st e c h n o l o g ya c c e l e r a t e dt h ea p p l i c a t i o n o fn e t w o r ki na u t o m o b i l e s i m p l i f i e da u t o m o t i v ee l e c t r i cc i r c u i ta n de n h a n c e dt h er e l i a b i l i t ya n d f a c i l i t y o fa u t o m o b i l ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m s i n c et h ea u t o m o b i l eb o d ye l e c t r o n i c c o n v e n i e n c es y s t e mf o rt h ec a n b u si sa ni m p o r t a n ts u b s y s t e mo ft h ea u t o m o t i v en e t w o r k c o n t r o ls y s t e m , w h i l et h ec e n t r a lc o n t r o lu n i ta n dt h el e f tf r o n td o o rc o n t r o lu n i ti nt h e a u t o m o b i l eb o d ya r et h ec o r ep a r to ft h ee l e c t r o n i cc o n v e n i e n c es y s t e m , t h i sp a p e rd i dt h e r e s e a r c ho nt h ec e n t r a lc o n t r o lu n i ta n dt h el e f tf r o n td o o rc o n t r o lu n i to ft h ea u t o m o b i l eb o d y e l e c t r o n i cc o n v e n i e n c es y s t e mi nc a n - b u s 1 t l l i sp a p e rs u m m a r i z e dr e s e a r c ha p p l i e ds t a t u so fc a n - b u si nt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a s ； i n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n ds p e c i a l t yo fn e t w o r ki na u t o m o b i l eb u sg e n e r a l i z e da n d a n a l y z e dt h ec a n b u sr e l a t e dt h e o r ya n dt e c h n o l o g yp o i n t s ； 2 d e s i g n e da n db u i l tac a n - b u st e s t c o n t r o la n a l y t i c a ls y s t e mf o ra u t o m o b i l eb o d y e l e c t r o n i cc o n v e n i e n c es y s t e m u s e di tt o t e s ta n da n a l y z et h ec a n b u so na u t o m o b i l eb o d y e l e c t r o n i cc o n v e n i e n c es y s t e m e d u c e dt h ed a t af r a m e so fs i g n a l sw h i c hd e l i v e r e do nt h e c a n b u s a n a l y z e dt h eb a s i co p e r a t ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e t h o do fa u t o m o b i l eb o d ye l e c t r o n i c c o n v e n i e n c es y s t e m ；s u m m a r i z e dt h ed a t af r a m e sw h i c hw e r er e l a t e dw i t hc e n t r a lc o n t r o lu n i t a n dt h el e f tf r o n td o o rc o n t r o lu n i t a n dm a d eac o m p r e h e n s i v ea n a l y s eo nt h ec e n t r a lc o n t r o l u n i ta n dt h el e f tf r o n td o o rc o n t r o lu n i t 3 a c c o r d i n gt ot h et e s ta n da n a l y s eo ft h ec e n t r a lc o n t r o lu n i t ，d e s i g n e dc e n t r a lc o n t r o l u n i tb yl a b v i e w ：c o n n e c t e dt ot h eo r i g i n a la u t o m o b i l eb o d ye l e c t r o n i cc o n v e n i e n c es y s t e m c a n b u st h r o u g hp c i c a nc a r d ，c o n d u c t e do n l i n et e s t i n ga n da n a l y z i n gb yu s i n go f u p p e r - c o m p u t e ra n a l y s i ss o f t w a r e 4 a n a l y z e dt h e l e f tf r o n td o o rc o n t r o lu n i ti no r i g i n a la u t o m o b i l eb o d ye l e c t r o n i c c o n v e n i e n c es y s t e m , d e s i g n e dam o r ec o m p l e t el e f tf r o n td o o rc o n t r o lu n i t ，s o l v e dt h ep r o b l e m o ft h eo r i g i n a lo n e c a nn o ta c c e p tt h er e m o t ec a nc o n t r o ld a t af r a m e st oc o n t r o lt h el e f tf r o n t w i n d o wa n dr e a r v i e wm i r r o r k e y w o r d s ：a u t o m o b i l en e t w o r k ；c a n - b u s ；a u t o m o b i l eb o d ye l e c t r o n i cc o n v e n i e n c es y s t e m ； l a b v i e w ；p c 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：奎穆啦 。呵年月f f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 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 人授权南京林业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以汇编和综合为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文全部或部分内容。 本学位论文属于 1 、保密口，在 年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 奎穆啦 辆银秭职 叫年月日 们吖年月日 致谢 本硕士学位论文是在导师蔡伟义教授悉心指导下完成的。从论文的前期材料准备、 选题、思路、撰写到最后的定稿，蔡老师都花费了大量的时间和精力，给予了我最大的 指导和帮助。导师渊博的知识、严谨的治学态度、活跃的思维方式、敏锐的学术洞察力、 豁达开朗的性格和平易近人的为人风格深深地感染着我、激励着我，使我在人生成长的 关键道路上受益菲浅。谨此，向导师致以最诚挚的感谢。 在整个课题的实验和研究过程中，我还要感谢我师兄曲敏、刘杰，师姐李芳，师弟 曹伟，他们的帮助和支持是本课题顺利完成的重要保障。 我还要感谢我的父母，他们无私的奉献、无尽的关怀是我不断成长和进取的动力， 是激励我在科学的道路上不断前进的精神源泉，我所取得的每一点进步无不凝聚着他们 的心血和汗水。同样要感谢陪我一起渡过紧张而又艰苦的毕业时光的亲爱女友张蕾。谨 以此文表达我对他们的谢意和深深的爱。 在项目的研究和实施过程中，汗水与欢笑并存，我将珍藏这一段难忘的时光经历， 欣然翻开人生又一崭新的篇章。 李彩生 2 0 0 9 年6 月于南京林业大学 第一章绪论 1 1 课题研究动态、目的及意义 随着科技的进步、电子技术的迅速发展，电子在汽车上的应用越来越广泛，汽车电 子化程度越来越高。但是电子设备的大量应用必然导致车身布线庞大而且复杂，安装空 间紧张，运行可靠性下降，故障维修难度增大。为了提高信号的利用率，要求大量的数 据信息在不同的电子单元中共享，大量的控制信号进行实时交换。传统的电器系统大多 采用点对点的通讯方式，已远不能满足这种需求。对上述问题，在借鉴计算机网络和现 代控制技术的基础上，汽车网络技术应运而生。汽车网络具有多种优点，如大幅度减少 线束，实现数据共享，显著提高整车的智能控制水平，提升故障诊断和维修能力，使对 组合开关和其他开关输入的要求降低，使器件简化、成本降低i l 引。 电控系统的增加虽然提高了汽车的动力性、经济性和舒适性，但随之增加的复杂电 路也降低了汽车的可靠性，增加了维修的难度。早在2 0 世纪7 0 年代就已经提出实现汽 车电控单元之间的通讯问题。随着集成电路的迅速发展，使得以串行总线将车用电器组 成网络，无论是在可靠性和经济性上，都成为可能。c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线 即控制器局域网，是德国b o s c h 公司在2 0 世纪8 0 年代初研制成功的，最初主要是为汽 车监测、控制系统而设计的。现在，由于c a n 总线的有良好的特性，除了在汽车电子控 制系统中应用外，在其他一些实时控制系统中也得到了广泛的应用【l j 。c a n 总线在汽车 上的应用，彻底解决现代汽车内部用少量的线束实现大量电子控制单元微处理器、传感 器、测试仪器、以及执行机构之间的数据交换问题，避免了电子模块之间繁琐的连线， 而且还保障了整车系统实时的数据共享j 。 在国外，c a n 总线技术早已被各大汽车厂商运用。过去在美国，车载网络在 d a i m l e r - c h r y s l e r ，f o r d 和g m 三大汽车公司内自成体系，协议标准主要是s a e 的j 18 5 0 和j 1 9 2 2 ，但这些标准对网络各层协议的规定及其工作性能与c a n 相差甚远，并很难被 欧洲接受。近年来，这三大汽车公司已全部转向c a n ，s a e 最近新颁布了j 1 9 3 9 、j 2 4 1 1 、 j 2 2 8 4 和j 2 4 8 0 等一系列基于c a n 的车用通讯协议标准。因受美国的影响，在亚洲地区 日本的n e c 、三菱和东芝等公司，已发展成为c a n 芯片的供应商之一，t o y o t a 等厂家已 开始用c a n 替换原有的网络总线系统，m o t o r o l a ，a l p i n e 和住友联合开发出适用于车内 信息娱乐网络的通讯协议i d b c ，并由s a e 形成标准j 2 3 6 6 ，这些新发展使得c a n 可能 成为目前唯一能够覆盖全车应用领域的总线系纠7 】【9 】【2 7 。 在国内，对于c a n 的研究起步晚，相对落后。设备、产品基本上以进口为主，目前 急需技术上的创新，提高技术水平。现在国内科研院所也在积极展开对c a n 研究。清华 大学、浙大中控、上海电器科学所、北京航空航天大学等，他们都在c a n 控制器局域网 络方面开展了富有成效的研究，并取得了一定的成果【5 们。 2 0 0 0 年以后，国内在c a n 总线的研究与应用上已有部分成功的实例：在北京和利时 公司d c s 2 0 0 0 集散控制系统中，c a n 应用于控制器内部i o 模块之间的信息交换：在清 华大学电机系的t h 3 变电站微机保护系统中，c a n 应用于变电站内部微机保护装置之 间的通信；国家8 6 3 重大电动汽车专项将车载网络作为一个子项目进行研究，从事该项 目的课题组己成功地研发出用于车载c a n 网络规划、测试的一系列专用仪器设备。纵观 这些产品、科研项目都是局限于对c a n 的应用开发，对c a n 协议的研究开发很少，因 此与国际差距比较大，水平相对落后。 基于c a n 总线的汽车舒适系统是汽车网络控制系统的一个重要子系统，是目前车辆 中除驱动系统以外最重要的总线控制系统，其控制功能丰富，许多控制动作都存在高度 相关性，它能在故障条件下单线工作并且在系统中实施了网络管理，它包含的技术含量 比较高。而车身的中央控制单元与左前门控单元是舒适系统的核心部分，目前对它还没 有一个全面清楚的认识，为了提高国内对汽车舒适系统的c a n 总线及其测控技术的研究 与应用水平，促进我国汽车车载c a n 总线技术发展的不断深入，加强对汽车舒适系统 c a n 总线方面的研究十分必要。通过本课题的研究，搞清楚车身舒适系统c a n 总线主 要节点中央控制单元与左前门控单元的作用，有益于我们积累c a n 总线在汽车舒适控制 系统的研发经验，对于我们自主开发汽车舒适系统以及整车c a n 网络控制系统具有重要 的参考意义。 1 2 课题研究的主要内容 针对国内有关汽车车身舒适系统c a n 总线的研究、应用特点，本课题就以下几方面 进行研究： ( 1 ) 分析大众系列典型车型的车身舒适系统c a n 总线： ( 2 ) 分析、研究车身舒适系统c a n 总线主要节点( 中央控制单元) 的功能； ( 3 ) 汽车车身舒适系统c a n 总线中央控制单元的原型设计； ( 4 ) 中央控制单元在线测试与分析； ( 5 ) 分析、研究车身舒适系统c a n 总线主要节点( 左前门控单元) 的功能； ( 6 ) 汽车车身舒适系统c a n 总线左前门控单元的开发； ( 7 ) 系统测试与数据分析。 2 第二章车载网络的发展 车载总线发展迅速，种类比较多，而c a n 总线作为目前车载网络系统的主流标准， 为解决现代汽车中众多控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协 议，它采用短帧数据结构、非破坏性仲裁技术以及灵活的通讯方式，非常适合汽车中对 数据实时性和可靠性的要求。 2 1 车载网络的发展 2 1 1 现场总线发展 现场总线技术是自动控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术三大领域的技术， 是发展至今走向结合的必然产物，它使控制系统的体系结构以及自动化技术发生一次根 木性变革。现场总线使得现场智能设备之间、现场智能设备和控制室设备之间构成网络 互联系统，实现全数字化、双向、多变量数字通信，这就为整个工控系统全数字化运行奠 定了基础。现场总线技术适应了控制系统向智能化、网络化、分散化发展的趋势，它是继 人工控制阶段、集中式数字控制阶段、集散型控制系统阶段后，在2 0 世纪8 0 年代末随着 控制、计算机、通信以及模块化集成等技术发展起来的新型工业控制系统。紧密依赖于 计算机技术、过程控制技术、网络通信技术和图形显示技术，是四者相结合的完美产物， 是完成过程控制、过程管理的现代化设备。它既不同于分散的仪表控制系统，又不同于集 中式计算机控制系统，而是吸收了两者的优点即硬件在地理上趋于分散、软件在逻辑上趋 于集中，其功能是分布式的，是通过资源分散配置来实现的，把处理功能、存储功能、传 输功能分散到各个系统，软件的资源也分散到各个系统上，通过通信网络和软件把它们连 成一个整体，真正实现多指令多数据流，并行地执行程序。现场总线可定义为一种安装在 生产过程区域的现场设备仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、 双向传输和多分支结构的通信网络。或者说，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化 的测量和控制设备作为网络节点，用总线连接，实现信息互换，共同完成自动控制功能的 网络系统与控制系统，是计算机控制与通信技术汇合的产物，是新一代全数字、全分散和 全开放的现场控制系统【z j i l 卜u j 。 较常用的现场总线技术有： ( 1 ) c a n - b u s ，起源于德国，最初用于汽车各部件之间的通信，由于成本低、开发容 易，现已经广泛应用于国内自动化的各个领域。 ( 2 ) 基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) ，是i s p 工基金会和w o r l d f i p 北美两 大集团合并，在9 4 年推出的。它在过程自动化领域的优势十分明显，但开发费用昂贵，技 术复杂。 ( 3 ) p r o f i b u s 现场总线，由西门子等1 3 家公司和5 家科研机构联合研制，后移 p r o f i b u s 管理，包含3 个子集f m s 、d p 、p a 。f m s 用于工厂；d p 楼宇自动化用制造 业自动化；p a 用于过程控制。 ( 4 ) d e v i c e n e t 总线，在c a n 总线的基础上发展起来，是一种低成本的设备层网络技 术。由美国公司r o c k w e l l 研制，由o d v a 管理。 ( 5 ) c o n t r o l n e t 总线，它是一种高速、高度确定性和可重复性的网络，采用生产者消 费者的通信模式。最早由r o c k w e l l 在1 9 9 5 年研制。 ( 6 ) w o d d f i p ，成立于8 7 年，它先成为法国标准，后成为了欧洲标准。主要应用于发 电与输配电、加工自动化、铁路运输和过程自动化等领域。 ( 7 ) p - n e t 总线，于1 9 8 3 年由丹麦p r o c e s d a t e 公司提出，不采用专用芯片，采用主从 方式，主要应用于奶制品、啤酒、食品、饲养等与农业自动化相关的行业。 ( 8 ) l o n v o r k s 总线，是美国e c h e l o n 公司于1 9 8 1 年推出的局部操作网络。主要应 用于楼宇自动化、家庭自动化、保安系统等方面具有极大的市场份额。 c a n b u s 总线是最早成为国际标准的现场总线。由于具有可靠性高、成本低、容易 实现、协议完全透明、可扩展性强、组建系统非常灵活等优点，在现场总线的实际工程应 用中占据了较大的份额，己经广泛应用于在汽车电子、工业控制、小区智能监控等热点领 域【1 6 】【2 9 】【3 0 】。 2 1 2 车载总线的发展 网络技术在汽车上的应用，必将促进汽车智能化的进程。但由于目前车载网络技术 还处于发展阶段，为了适应不同类型汽车的不同需要，现在已经应用和准备应用于汽车 上的网络协议标准种类很多，它们各有各的特点，其比较见表2 1 。 表2 1 常见的车载网络协议比较 分类协议类型发起组织应用范围传输介质传输速率成本 l i nm m o r o l a 传感器、座椅、门锁、单线1 2 0 k b s低 顶棚、视镜等控制 c a nb o s c h 、故障诊断、传动装置和双绞线1 0 k b s 中 电s a e 、i s o发动机控制l m n s 子1 1 a n c i a 发动机管理系统和 双绞线1 2 m b s低 控 底盘控制系统 制 b y t e n i g h t b m w 安全气囊、中央门锁 光纤 1 0 m b s低 系 与座椅控制 统 f i e x m y m o t o r o l a底盘控制、主体和动力双绞线1 0 m b s中 系统等线控系统或光纤 t t p cu v i e n n 安全控制、线控系统双绞线 取决于传输高 a 或光纤媒介 多 d 2 b c c 音频、视频控制信号双绞线 未定高 4 媒m o s tm o s t导航、数字影音系统、光纤2 5 m b s高 体协作组 移动电话 系i d b 一1 3 9 4i d b 论坛显示屏、音频和视频双绞线9 8 中 统 系统、移动装置 或光纤3 9 3 m b s c a n 总线可以在汽车动力、车身等不同的系统中应用，要达到不同系统的信息共享， 必须通过网关实现。车载诊断同样也是通过网关与其相联系。与此同时，汽车其它总线 也逐渐成熟起来，如m o s t 、t t c a n 、t t p c 、b y t e f l i g h t 、d 2 b 、i d b 一13 9 4 、f l e x r a y 、 l i i l 、蓝牙等。比如m o s t 是一种组建车内l a n 的总线，位速率高达2 4 m b s ，一般用来连 接导航系统和无线通讯设备；而d 2 b 基于光纤，一般用于连接多媒体设备，比如c d 播 放器、语音控制单元、电话和互联网等；l i n 总线是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。典型的l i n 总线应用是汽车中的联合装配单元控制，如车 门、方向盘、座椅、空调、照明灯、温度传感器和交流发电机等，l i n 总线是一种辅助的 总线网络；近年兴起的蓝牙技术是车用无线通讯领域一种比较好的解决方案，蓝牙技术 的实质内容是建立通用的无线通信空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计算机 进一步结合，使不同厂家生产的仪器、便携式设备，如车载电话、移动电话、手提电脑 等，在没有电线或电缆的情况下，能在近距离内具有互相通信、相互操作的性能。蓝牙 技术支持“点对点”和“一点对多点”的通信。各种总线各有优缺点，可以根据需要应用到汽 车不同的系统，不同总线之间同样也需要的网关联系起来，实现数据的共享。 汽车上还有一种很重要的总线就是故障诊断总线，针对现在汽车上电子元件的增加， 故障诊断总线是必不可少的。人们对网络化的汽车电子系统提出了更为严格的诊断要求， 发展出了o b 胪i i ( o nb o a r dd i a g n o s ev e r s i o n ：第二代车载自诊断) 、o b d - i i i 和 e - 0 b d ( e u r o p e a n - 0 nb o a r dd i a g n o s e ) 等一系列在线自诊断规程。美国通用、福特和戴姆 斯一克莱斯勒这些大公司，最早一直采用j 1 8 5 0 作为满足0 b d - i i 的诊断通讯标准。欧洲使 用自行开发的i s 0 9 1 4 1 和i s 0 1 4 2 3 。从2 0 0 0 年起，欧洲又使用c a n 的产物i s o d i s1 5 7 6 5 ， 美国也使用基于c a n 的诊断通讯协议标准j 2 4 8 0 ，它们都满足o b d - i i i 的要求。在车身 系统诊断以前都用的是k 线，现在高档的车子都采用c a n 线，这也代表今后汽车车身诊 断也在向c a n 线靠拢。 虽然，作为目前车载网络领域的主流协议标准的c a n 得到逐步推广与应用，但从进 一步的需求来看，还有很多工作要做。现阶段还没有一个车载网络协议可以完全满足未 来汽车的所有关于成本低、性能非常可靠、具有容错能力、时间特性好和可扩展性高的 多方面要求。另外，由于汽车上网络应用的层次和目的变化很大，而不同的层次或目的 对网络性能的要求差异很大；加汽车本身对价格又非常敏感，如果用性能高的网络系统 覆盖低层次的应用，在成本上是无法接受的。所以，汽车上将会同时存在多个不同层次 的网络标准，汽车车载网络将是一个多层互联网络结构。 汽车及其零部件要求具有安全、使用方便、操作不能太复杂、性能稳定可靠的特点， 同时它们对价格敏感。另外，汽车是一种应用环境很差的设备，所有可能的道路、电磁 及气候环境汽车都有可能遇到。根据汽车的这些使用要求和使用环境，汽车上的车载网 络系统在设计时应当充分考虑到温度范围、物理化学腐蚀、振动的影响、电磁兼容性、 系统可靠性、制造成本等多方面因素。 除此之外，车载网络系统还应当考虑下列因素： ( 1 ) 节点与总线连接接头的电气与力学特性以及连接头数量 ( 2 ) 网络系统和应用系统的评估与性能检测方法 ( 3 ) 容错与故障恢复问题 ( 4 ) 实时控制网络的时间特性 ( 5 ) 安装与维护中的布线 ( 6 ) 网络节点的增加与软硬件更新( 可扩展性) 总之，车载网络系统要求具备可靠、廉价、与应用系统一体化、线路简单和实时性好的 特点，其应用范围小、节点少，多数应用要求的传输速度不高。 2 2c a n 总线发展与简介 2 2 1c a n 总线发展 早在2 0 世纪8 0 年代初，b o s h 公司的工程人员就在探讨现有的串行总线系统运用于 轿车的可能性。1 9 8 6 年2 月，在s a e ( 汽车工程人员协会) 大会上，r o b e rb o s h 公司提 出了c a n 。这个由b o s h 公司设计的新的总线系统，称之为“a u t o m o t i v es e r i a lc o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ( 汽车串行控制局域网) ，这就是一个最成功的网络协议诞生的时刻。此 后，对于这个改进的通信协议有许多介绍并发表在出版物上，直到1 9 8 7 年，比原预定时 间提前两个月，i n t e l 公司推出第一片c a n 控制芯片一8 2 5 2 6 。它是c a n 协议的第一在 硬件上的实现。之后，其他公司也相继推出各自的c a n 芯片。2 0 世纪9 0 年代初，b o s c h c a n 规范( 2 0 版) 被提交作为国际标准。经过几次争论，特别是又有了法国主要轿车制 造厂提出“交通工具局域网”v a n ( v e h i c l ea r e an e t w o r k ) 后，在1 9 9 3 年1 1 月公布了 c a n 的i s 0 1 1 8 9 1 标准。同时，在c a n 的协议中定义了物理层的波特率最高为1 m b p s 。 另外，c a n 数据传送中的错误处理方式也在1 9 9 5 年的i s 0 1 1 5 9 1 2 中标准化，i s 0 1 1 8 9 8 标准也由于加入了描述2 9 位c a n 的标识符而扩充。但是，所有公布的c a n 规范和标准 都有错误和不完整的地方。为了避免c a n 在使用中的不兼容，b o s c h 公司保证( 也仍然 在做) 所有c a n 芯片都遵照b o s c hc a n 的参考模式1 4 6 1 。 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 d ) 是德国b o s c h 公司在8 0 年代初，为了 解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协 议，它的短帧数据结构、非破坏性总线性仲裁技术以及灵活的通讯方式，非常适合汽车 对数据实时性和可靠性的要求。1 9 9 3 年i s o 正式颁布了c a n 的国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 高 速) ，1 9 9 4 年i s o 颁布了i s 0 1 1 5 1 9 ( 低速) ，为c a n 标准化、规范化的推广铺平了道路。 目前，c a n 是唯一被i s o 批准为国际标准的现场总线，它已发展成为应用最广泛、 支撑技术和元器件最丰富的现场总线标准之一，被誉为最有前途的现场总线。在国外尤 6 其是美国和欧洲，c a n 己被广泛应用于汽车、火车、船舶、机器人、楼宇自动化、机械 制造、医疗器械、电力自动化等众多领域。 2 2 2c a n 总线技术简介 控制器局域网c a n 为串行通讯协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控 制，c a n 的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路配线都可以使用c a n 。在汽车 的电子行业里，使用c a n 连接发动机控制单元、传感器、防滑系统等，其传输速率可达 1 m b p s 。同时，可以将c a n 安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗 等，用意代替接线配线装置。为了在任何两个c a n 器件之间建立兼容性，比如电气特点 和数据转换的解释等。c a n 总线制定了自己的技术规范。为了达到设计的透明度以及实 施的灵活性，根据i s o o s i 参考模型，c a n 被分为以下不同的层次：数据链路层( d a t al i n k l a y e r ) 、物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 。 在数据链路层的l l c 子层和m a c 子层的服务及功能分别被解释为“目标层 和“传 输层( 目标层和传输层包含所有由i s o o s i 模型定义的数据链路层的服务和功能) 。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的实际传输。同一网络的物理层 对于所有节点当然是相同的。同样选择物理层方面还是很自由的。 c a n 总线采用了许多新技术和独特的设计，与一般的通信总线相比，具有突出的可 靠性、实时性和灵活性，归纳其主要特点如下： ( 1 ) c a n 总线采用多主方式工作，网络上任何一节点均可在任意时刻主动地向网络 上其它节点发送信息而不分主从，通信方式比较灵活。 ( 2 ) c a n 总线上节点信息以报文标识符划分优先级以满足不同的实时要求。 ( 3 ) c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优 先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从 而大大节省了总线冲突仲裁的时间。 ( 4 ) c a n 总线只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点以及全局广播等几种 方式传送接收数据。 ( 5 ) c a n 总线采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率小，具有极好的检错性。 ( 6 ) c a n 总线上的每帧信息都有c r c 检验及其它检错措施以保证其数据出错率极 低。 ( 7 ) c a n 的通信距离最远可达1 0 k i n ( 5 k b p s ) ；通信速率最高可达1 m b p s ( 2 5 5 位 图2 2 故障状态转换关系图 第一种：“错误激活 节点：一个“错误激活 节点可正常参与总线通信， 并在检测到错误时发送一个活动错误标志。活动错误标志由6 个连续的“显性位组成， 并且遵守填充规则和在规定帧中出现的所有固定格式。 第二种：“错误认可 节点：一个“错误认可 节点参与总线通信不发送活 动错误标志。但检测到错误时发送一个认可错误标志，它由6 个连续的“隐性 位组成。 第三种：“总线脱离”节点：当一个节点由于请求故障界定实体而对总线处于关闭状 态时，其处于“总线脱离”状态。在“总线脱离 状态下，节点既不发送，也不接收任 何帧。除非用户请求，节点才能解脱“总线脱离状态。 一些有可能对总线运行造成干扰的总线故障通常会在运行期间发生。这些故障及引 起的网络动作如表2 2 所示。 表2 2c a n 总线故障管理 总线故障 网络动作 某个节点失去与总线的连接剩余节点继续通讯 某个节点掉电剩余节点在信噪比变小的情况下继续通讯 某个节点失去与地的连接剩余节点在信噪比变小的情况下继续通讯 某处节点的屏蔽连接失效所有节点继续通讯 9 1 c a nn 断路 短 2 c a n _ l 断路 路3 c a nh 同地短接 断 4 c a n _ l 同地短接剩余节点在信噪比变小的情况下继续通讯 路 5 c a nh 同电池电压短接 故 6 c a n _ l 同电池电压短接 障 7 c a nh 线与c a n _ l 线短接 8 失去一条与终端网络的连接 9 c a nh 线与c a n _ l 线在同一处断路 系统整体无动作，由此形成的子系统( 含终 端网络部分) 中的节点继续通讯 网络的结构对系统的特性有很大的影响，c a n 网络一般采用总线结构，但又有多种 具体的连接方式。在一定的应用环境下，c a n 网络结构选择的原则是：在同样的硬件参 数下，尽量提高网络的电磁兼容性。 典型的c a n 总线系统的网络通信介质采用双绞线。总线的每个末端接有终端电阻 r t 以抑制信号反射，采用双绞线为通信介质时，一般选取r v = 1 0 0 - 一1 2 0 e l 。在实际组建 网络时，节点分支的长度d 一般应小于3 m ，而相邻节点的距离s 则要取决于总线的通信 速率，一般说速率越高，其允许值也就越小，根据c a n 的国际标准i s 0 1 1 8 9 8 的建议。 设计c a n 总线的串行网络主要应考虑其网络扩展容易，增删节点方便且成本较低等因素 【4 】【5 j 【3 i j 。 2 3 本章小结 本章对车载网络发展作了概括与介绍，阐述了现场总线技术的发展，分析介绍了几 种不同的现场总线；侧重介绍了c a n 总线的发展、主要特点，以c a n 2 0 b 技术规范， 分析其技术要点。 1 0 第三章c a n 总线试验平台 为了进一步展开对c a n 总线网络系统研究，探讨基于c a n 总线的汽车车身网络主 要节点的设计与分析，根据研究需要，我们设计搭建了如下试验平台。 3 1c a n 总线试验平台整体介绍 根据课题研究需要，我们选取了大众宝来汽车车身舒适系统c a n 总线作为主要研究 对象，并根据需要，搭建如下图3 1 所示的试验平台： 图3 1 试验平台 此试验平台主要分为三大部分：中央控制单元原型试验系统、c a n 总线测试与分析 系统、车身舒适系统c a n 总线。中央控制单元原型试验系统是一个基于虚拟仪器技术的 控制器开发系统，在c a n 总线试验平台中将扮演中央控制单元( j 3 9 3 ) 的替代功能；c a n 总线测试与分析系统主要是借助相关的c a n 总线测试分析工具，对试验系统的不同节点 进行测试与分析；车身舒适系统c a n 总线主要是用于测试中央控制单元与左前门控单元 的相关数据，分析两个控制单元在整个车身舒适系统c a n 总线中的作用及其控制。 下面分别介绍各个部分。 3 2 中央控制单元原型试验系统 中央控制单元原型试验系统是一个基于虚拟仪器技术的控制器开发系统，在c a n 总 线试验平台中将扮演中央控制单元( j 3 9 3 ) 的替代功能，是整个试验系统的核心部分。下 面介绍了虚拟仪器技术的发展及特点。 3 2 1 虚拟仪器 n i ( n a t i o n a li n s t r u m e m s ) 是美国国家仪器有限公司的简称，已成立了3 0 年之久。 目前总部设在美国德克萨斯州的奥斯丁。现已成为基于计算机测试测量技术的先锋，同 时也是虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，简称v i ) 的领导者。虚拟仪器对于测量及自动 化而言，无疑是一个革命性的概念。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t i o n ) 是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是 目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪 器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日 趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式 是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚 拟仪器主要是指这种方式。 虚拟仪器的概念是为了适应p c 卡式仪器而提出的。传统的仪器主要包括三个部分： 数据采集与控制、数据分析和数据显示。而p c 卡式仪器由于自身不带仪器面板，因此必 须借助于p c 机作为其数据分析和显示的工具，利用p c 机强大的图形环境和在线帮助功 能，建立图形化虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析及显示。这种包含实际仪 器使用、操作信息的软件和p c 机相结合的仪器，称之为虚拟仪器。过去的三十多年里， n i 通过虚拟仪器技术为测试测量和自动化领域带来了一场革新：虚拟仪器技术把现成即 用的商业技术与创新的软硬件平台相集成，从而为嵌入式设计、工业控制以及测试和测 量提供了一种独特的解决方案。 与此同时，虚拟仪器技术本身也在不断发展和创新，由于建立在商业可用技术的基 础之上，使得目前正蓬勃发展着的新兴技术也成为推动虚拟仪器技术发展的新动力。例 如p c ie x p r e s s 总线技术可以让更多的原始数据以更高的速度传送给p c ；而多核技术则 可以实现并行运算，从而直线提升系统的数据处理性能；可编程逻辑门阵列( f p g a ) 技 术则允许工程师根据不同的测试要求通过软件重新定制硬件的功能。可以遇见的是，这 些主流的商业可用技术将让虚拟仪器技术向更多的应用领域敞开大门。 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、 测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的 硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需 求。这也正是n i 近3 0 年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有 高效的软件、模块化i o 硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚 拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。 与传统仪器相比，虚拟仪器具备很多优势。虚拟仪器由用户定义，而传统仪器则功 能固定且由厂商定义。每一个虚拟仪器系统都由两部分组成软件和硬件。对于当前 的测量任务，虚拟仪器系统的价格与具有相似功能的传统仪器相差无几，甚至比它少很 1 2 多倍。而且，由于虚拟仪器在测量任务需要改变时具有更大的灵活性，因而随着时间的 流逝，节省的成本也不断累计。不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件，工程师和 科学家获得了最大的用户定义的灵活性。传统仪器把所有软件和测量电路封装在一起利 用仪器前面板为用户提供一组有限的功能。而虚拟仪器系统提供的则是完成测量或控制 任务所需的所有软件和硬件设备，功能完全由用户自定义。此外，利用虚拟仪器计数， 工程师和科学家们还可以使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享 和显示功能。虚拟仪器可与传统仪器完全兼容，无一例外。虚拟仪器软件通常提供了与 常用普通仪器总线( 如g p i b 、串行总线和以太网) 相连接的函数库。除了提供库之外， 2 0 0 多家仪器厂商也为n i 仪器驱动库提供了4 0 0 0 余种仪器驱动。仪器