（电力系统及其自动化专业论文）can总线在轿车车身控制系统中的应用与研究.pdf

t h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fc a nb u si nc a r b o d yc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yo fa u t o m o b i l ei sar e v o l u t i o no nt h em o t o rt e c h n i c a lp h y l o g e n y , a n di sai m p o r t a n ts y m b o lw h i c hw e i g hm o d e mm o t o r c a rt e c h n i q u el e v e lt o o e l e c t r o n i c t e c h n o l o g yo fa u t o m o b i l ei st h ep r o d u c t i o nt h a tt r a d i t i o n a la u t o m o b i l ei n d u s t r yc o m b i n e m o d e me l e c t r o n t e c h n o l o g y i n n e rc o n t r o ls y s t e mo fv e h i c l ec a no f f e rc o m f o r t a b l e ， c o n v e n i e n t ，s e c u r ec o n d i t i o nf o rm o t o r m a na n dp a s s e n g e r i n n e rc o n t r o ls y s t e mo fv e h i c l e i n c l u d et h e s ef a c i l i t y ：a i r - c o n d i t i o nc o n t r o lf o rm o t o r c a r , d i g i t a ld a s h b o a r d ，w i n d s h i e l d w i p e rc o n t r o lf o rw i n d s h i e l d ，d y n a m oc o n t r o l ，o b s t a c l ed e t e c t i o no ft h er e a re n do fac a r ， s e c u r i t ys a f e g u a r ds y s t e m ，m u l t i p l e x c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，d o o r l o c k c o n t r o l ， e l e c t r o m o t i o nw i n d o wc o n t r o l ，l i f eb e l t c o n t r o l ，a i r s a c kc o n t r o l ，a n ds oo n o n i n f o r m a t i o n i z a t i o na g e ，p e o p l es p o n t a n e o u s l yb e t h i n ko fn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m 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 g hr 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 s ，a 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 d i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s a n dd i s t r i b u t e d p r o c e s s i n gs y s t e m s an e wc o n t r o l l i n g m e t h o dt ot h ev e h i c l eb o d yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ec a n - b u si si s s u e di nt h e p a p e r ，w h i c hi su n i v e r s a l ，p r o g r a m m a b l e ，m a i n t a i n a b l ea n di n t e l l i g e n t i z e d a tt h eb e g i n n i n g ，t h eb a s i ct o p o l o g ya n dw o r k i n gt h e o r yo ft h ev e h i c l eb o d y c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ec a n b u si si n t r o d u c e d f o l l o w i n g ，t h ep a p e ra n a l y s e s a n dd i s c u s s e st h ei s s u e so fh a r d w a r ec o m p o s i n g ，p a r a m e t e rc h o i c e ，c o n t r o l l i n g m e t h o d s ，a n ds o f t w a r ei m p l e m e n t i n gi nt h es y s t e m e v e r yn o d e si nt h es y s t e mc a n g e td a t af r o mt h en e t w o r k ，a tt h es a m et i m e ，m a n yk i n d so ff a u l t sa u t o - e x a m i n ga n d a u t o p r o t e c t i n gf u n c t i o n sa r ep r o v i d e di nt h es y s t e m ，a n di t sp r o g r a m m a b l ed e s i g n i sa d a p t e dt om a n ys i t u a t i o n s k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c s ；c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k s ；f i e l db u s e s ；c a n b u s ；b o d yc o n t r o ls y s t e m 插图与表清单 图2 一l 轿车车身e c u 分布情况8 图2 2 轿车c a n 总线拓扑结构9 图3 一l 报文格式整体布局13 图3 2 帧信息格式l3 图3 3 标识码l 格式13 图3 4 标识码1 所定义的报文类别14 图3 5 标识码2 格式l4 图3 6 标识码2 定义的内容l4 图3 7 标识码3 格式15 图3 8 标识码4 格式l5 图3 9 标识码格式概况图l5 图3 10 命令类报文格式l6 图3 1 1 工作类报文格式16 图3 12 调试类报文格式16 图3 13 下载类报文格式l6 图3 1 4 验收滤波器逻辑图1 7 图3 15 主节点验收滤波器l 18 图3 16 主节点验收滤波器2 18 图3 17 接收命令类报文和工作类l8 图3 18 接收命令类报文和调试类报文l8 图3 19 接收命令类报文和下载类报文l9 图3 2 0 仪表节点验收滤波器1 1 9 图3 2l 仪表节点验收滤波器2 o l9 图3 2 2 子节点验收滤波器l l9 图3 23 子节点验收滤波器2 2 0 图3 2 4c a n 初始化流程图2 0 图3 25c a n 发送消息流程图21 图3 26 中断处理流程图22 图4 1p 8 x c 59l 单片机引脚排列图2 3 图4 25 v 电源电路2 4 图4 3c a n 驱动电路2 5 图4 - - 4单片机串行通讯电路2 5 图4 5pw m 调光电路2 6 图4 6 p w m 调光简化电路2 6 图4 7p w m 的电阻性负载波2 6 图4 8窗升降电机的驱动电路27 图4 9开关检测电路2 8 图4 一l0小功率双向电机驱动电路2 9 图4 一1 1雨刮电机驱动电路2 9 v l 图4 一1 2继电器儿、j 2 位置情况2 9 图4 一l3继电器驱动电路3 0 图4 1 4 小功率器件驱动电路3 0 图4 一l5a d 转换参考电压电路31 图4 一l6油位传感器和水温传感器检测电路3 2 图4 一l7水温传感器检测分压电路3 3 图4 18灯光调节和前雨刮间隙调节检测电路3 3 图4 19 模拟量与工程量关系曲线34 图4 20 模拟量线性化处理方法示意图一35 图4 2l 模拟量线性化处理方法示意图二35 图4 22 传输量由小向大变化时状态值确定示意图36 图4 23 传输量由大向小变化时状态值确定示意36 图4 2 4a d 转换步骤流程36 图4 2 5模拟量采集步骤流程37 表4 一l水温与基准电阻的关系3 8 表4 2 水温a d 输出数值与a d 电压的关系3 8 表4 3 油位与基准电压的关系3 9 表4 4 油位a d 输出数值与a d 电压的关系3 9 图4 2 6 脉冲采集电路4 0 表4 5 工作模式与p c a 节拍时间的关系4 1 表4 6 脉冲信号与发动机转速的关系”4 2 表4 7 脉冲信号与车速的关系4 3 图5 1 车身电控系统软件架构图4 4 图5 2 驱动层的输入驱动模块流程4 5 图5 3 转换层的逻辑量转换处理任务流4 6 图5 4 转换层的模拟量转换处理任务流程4 7 图5 5 规则层的规则处理任务流程4 8 图5 6 驱动层的输出驱动模块流程4 9 图5 7s j a l 0 0 0 内部结构5 0 表5 1s j a l 0 0 0 的寄存器结构及地址分配表5 l 图5 8 数据帧结构5 l 图5 - 9c a n 总线接口框图5 2 图5 1 0 c a n 控制器初始化流程图5 3 图5 1 1 接收数据的中断服务子程序流程图5 4 图5 12 发送数据中断服务子程序流程图5 5 图5 一l3 转换消息队列中消息来源流程图57 图5 一l4 规则消息队列中消息来源流程见图58 图5 1 5c a n 发送消息队列的应用示意图5 8 图5 一l6输出驱动邮箱的应用示意图59 图5 一1 7 延时数组的应用示意图一6 0 v i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得金月曼王些太堂或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名： 签字日期：。夕 学位论文版权使用授权书 年月弓 日 | 本学位论文作者完全了解佥月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，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文档，允许论 文被查阅和借阅。本人授权金胆王些太堂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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者潞嬲讯 铷 签字日期： 6 年占月9 日 签字日期：d7 年厶月d 日 ， 工作单位：安徽经济管理学院计算机工程系电话：3 6 2 7 0 4 0 通讯地址：合肥市东流路l 号安徽经济管理学院( 东区)邮编：2 3 0 0 5 l 致谢 值此论文完成之际，谨向在整个读硕期间给予我大力支持和帮助的老师和 同学表示诚挚的谢意! 向导师一一鲁照权教授给予我的启发、引导和培养致以 崇高的敬意! 本文是在导师鲁照权教授的悉心指导下完成的，在攻读硕士学位的三年时间里， 导师严谨的治学态度、渊博的知识、执着的科研精神、精湛的专业知识、活跃的学 术思想及高尚的品德，深深地感染和激励着我，给我留下了深刻的印象。从课题的选 择到论文的最终完成，鲁老师都始终给予我悉心指导和不懈支持。我是一名在职硕士 生，既要顾及工作，又要挤出时间完成学业，加上我的专业基础与全日制硕士生有一 定的差距，我深知，鲁老师为了我需要付出更多的时间和精力来解惑释疑。每当想起 这些，总感到歉疚和不安。可敬的是，鲁老师不惜放弃休息时间，循循善诱，耐心指 导，诲人不倦，使我难以忘怀，深受感动。所有这一切都将成为我在攻读硕士学位的 同时，收获的另一份宝贵精神财富! 在此，学生谨向导师表示衷心的感谢! 在论文的写作阶段，鲁老师给我提出许多宝贵的意见，指导我应学习的相 关专业书籍、重点查阅的资料，使我获益匪浅。在论文的初稿和定稿阶段，鲁 老师对论文进行了数次审阅，仔细地帮助我修改，付出了大量的时间、精力和 心血，在此表示我发自内心由衷的感谢! 真诚地感谢合肥工业大学电气与自动化工程学院的刘春副教授、孟祥发副研究员 等老师。通过他们的精心指导与有益研讨，使我拓展了思路，开阔了视野，在研究思 想、方法上得到了许多有益的启迪和提升，并在研究工作中采用他们的部分研究成果 与资料。 感谢合肥工业大学同学王文兵和校友李旭军的支持与帮助，谨向各位同仁表示诚 挚的敬意和谢忱! 作者：张青林 2 0 0 9 年5 月 第一章绪论 1 1现代汽车电子的定义及其发展概况 1 汽车电子的定义 汽车电子是指应用于汽车中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技术水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车 性能最重要的技术措施。新一代的汽车被称为电子化汽车，是汽车工业和电子 技术相结合的产物。 2 汽车电子控制技术的发展简史 世界上第一辆汽车中，所谓的“电气系统 仅仅是由卡尔本茨设计的由点火线 圈和蓄电池所组成的点火装置。在随后生产的汽车中又增设了前灯和发动机起动电机 这类的电器设备。汽车电子技术的第一次出现是2 0 世纪3 0 年代早期安装在轿车内 的真空电子管收音机。由于电子管收音机不抗震、体积大、耗电多等弊病，成为在汽 车上推广应用的主要障碍，但是在汽车中安装收音机的设想始终没有消失。1 9 4 8 年晶 体管的发明及1 9 5 8 年第一块集成电路( i c ) 的出现才真正开创了汽车电子技术的新纪 元。 2 0 世纪6 0 年代是汽车电子化的活跃时代，但标志着汽车电子控制技术真正发展 的是在1 9 6 7 年首次将集成电路元件应用到汽车中，其结果是电子技术与汽车发动机 电气系统相结合，开发出如车用发电机集成电路调压器、集成电路点火器等汽车电子 产品。在那个年代，美国的克莱斯勒公司在其生产的汽车中配置电子控制的点火装置， 而德国的波许( b o s c h ) 公司则开发出电子控制的燃油喷射装置。1 9 7 5 年日本汽车也装 上了这种装置，可以说是当今汽车电子燃油喷射控制的雏型。 8 0 年代是高科技迅速发展的年代，随之而来的是消费者对汽车多种多样的需求， 这就要求汽车生产厂家生产出一种能提高汽车总体价值并能满足用户各种要求的高 档汽车。目前世界上各大汽车制造厂商竞相研制新一代由微电脑控制的各种车用电子 产品，并迅速地将己开发出的电子产品运用于汽车中，使汽车的档次得以提高，以满 足各用户对汽车的要求。 此后，汽车电子产品的研制与开发的竞争愈加激烈，采用电子技术有利于汽车性 能的提高和各种功能的完备，并避免汽车重量的增加。因此，新型汽车电子产品不断 推出，其中有代表性的体现在以下几个方面： ( 1 ) 辅助驾驶装置 包括车速自动控制，变速器自动控制，动力转向控制等。 ( 2 ) 信号装置 包括数字显示仪表，故障诊断系统，各种报警装置及各种监视器等。 ( 3 ) 安全装置 包括防滑装置，汽车高速感应门锁，防撞空气袋，防锁死制动系统( a b s ) 等。 ( 4 ) 舒适、方便装置 包括自动空调系统，自动车窗和座椅调节系统，立体声音响，导航系统，汽车电 话等。 3 汽车电子控制技术的分类 ( 1 ) 动力牵引系统控制 所谓动力牵引系统是用来产生驱动汽车的原动力，并把这一动力转换成可 直接驱动车轮的扭矩。动力牵引系统控制包括发动机控制和传输系统控制。发 动机控制系统一般分为燃油喷射控制、点火时间控制、怠速运转控制、发动机 爆燃控制和其它相应的控制。对于汽油机的电子控制系统具有诸如燃油喷射控 制、点火时间控制、怠速运转控制和故障诊断等功能。通过这些功能的执行可 使汽油机处于最佳的工作状态。 ( 2 ) 车辆行驶姿态控制 车辆行驶姿态控制系统可以看作这样一种电子控制系统，即采用电子技术 来控制车辆运行中的三种基本的运行特征：行驶、转弯和停车。采用电子技术 给车辆行驶姿态控制系统带来了相当大的改进，尤其是在汽车驾驶灵敏性、行 驶稳定性及司乘人员的舒适性等方面更为突出。车辆行驶姿态控制系统可分为： 悬挂系统控制、驾驶系统控制、防锁死刹车系统控制( a b s ) 、行驶控制、轮胎 地面附着力( 防滑) 控制和四轮转向系统控制。 ( 3 ) 车身( 车辆内部系统) 控制 设计车身控制( 又称车辆内部系统控制) 的目的是为司乘人员提供更为舒 适、更为便利及更为安全的环境，并能够提高整车的市场竞争力。车身控制系 统包括如下的电子控制：车用空调控制，数字化仪表显示，挡风玻璃的雨刷控 制，车灯控制，车后障碍检测，安全保护系统，多路通讯系统，门锁控制，电 动车窗控制，电动坐椅控制，安全带控制及空气袋控制等。 由于以上这些控制系统给汽车制造业带来十分明显的效益，因此目前在高、中 档轿车中已广泛采用。 4 国际、国内汽车市场现状与汽车电子发展前景 汽车是一种集机械、电子、自动化、皮革等多种技术在一起的高科技产品，国外 专家预测未来2 至4 年内汽车上装用的电子装置成本将占汽车整车成本的2 5 以上。 一些豪华轿车的汽车电子产品甚至占整车成本的5 0 以上。 据美国市场调研i s u p p l i 预计，到2 0 0 9 年全球汽车电子的产值将达到1 1 5 4 7 亿 美元，是在计算机、产业电子、数字家电、通信设备四大产业中惟一年平均增长率7 5 的产业。而在中国，2 0 0 8 年汽车电子产品市场总规模达到1 3 9 亿美元，预计2 0 11 年 更是达到了1 8 4 亿美元。专家预测，汽车电子技术将朝着功能多样化、技术体化、 2 系统集成化、通讯网络化这四大方向发展。人们普遍认为，通讯网络化汽车已经促使 汽车进入网络化、数字化的时代，且开发商还不断把这些技术融入到诸如电子煞车和 驾驶系统及新兴的混合驱动等领域的创新，使得汽车的可靠性和结构复杂性已经退居 其位。现在我们可以看见，很多汽车的控制系统、驾驶系统、信息系统、传感执行系 统、娱乐系统、g p s 都通过如c a n 总线联系在一起，使汽车是一个智能平台。 以上事实充分说明，汽车电子正在迎来新的机遇，同时也不断革新人们对汽车的 认识，汽车将由“会走的一堆钢铁 转变成的“会走的计算机 。那么，汽车电子未 来的发展趋势究竟如何，中国在汽车电子的市场占有率有多少? 企业在研发汽车电子 的投入是多少? 等等都是值得我们来关注和探讨的。 我们要谈汽车电子，首先必须知道汽车电子可以应用在汽车上那个部位，可以说， 汽车电子技术在汽车上各个部分都有应用，诸如电子点火装置( e s a ) 、车声控制、仪 表盘、照明系统、电子控制喷油装置、电控自动变速器( e c a t ) 、防抱死制动系统( a b s ) 、 适时调节的自适应悬挂系统、常速巡行自动控制系统( c c s ) 、无钥进入、以及汽车上 的娱乐系统等都要有电子装置的。 同时，随着中国自主品牌汽车厂商整合速度的加快，汽车厂商的实力将大大增强， 汽车电子厂商须尽早布局，以便在市场上获得更多的话语权。 2 0 0 7 年，包括外资企业在内的本地研发增长速度为3 1 8 ，比整个汽车电子市场 增幅高出4 3 。到2 0 1 2 年，这个差距将扩大为6 5 。本地研发特别是外资企业本地 研发的增长速度要明显快于整个市场的发展，尽早加大本土研发投入对于汽车电子设 备和半导体供应商来说都是有必要的，也是有回报的。尽管当前宏观经济状态存在较 多不确定因素，但汽车电子研发周期相对较长，因而业界对整个行业的稳定增长态势 还是谨慎乐观。 为了降低开发成本、关税成本，国际汽车电子厂商纷纷加快本土化步伐。预计到 2 0 1 2 年，中国本土制造的汽车电子产品将占整个市场的5 0 1 。i s u p p l i 预计，到2 0 1 2 年，在中国本土生产的汽车电子销售额将会达到1 1 7 4 亿美元，首次超过中国市场全 部销售额的一半，达到5 0 1 。其中，中外合资和外商独资公司中的本地研发将占据 2 6 8 ，而本土企业的研发部门占据的市场份额是2 3 3 。 5 汽车电子常见研究内容和分类 目前汽车电子学汽车三个重要要求是：舒适、环保和安全。 舒适性。汽车有三个基本功能：行进、转弯和停止。这些功能应该平滑、 舒适和安全地完成。同时，发动机应该寂静、平滑地工作，并能快速反应。另 外，驾驶盘应能稳定操作，司机在驾驶时不应感到有任何担心。更重要的是， 制动器必须能使车辆安全即时地停止。这些要求都将延续到将来，并成为汽车 电子学工程技术人员的长远课题。 安全性。a b s 和气囊( a i r b a g ) 是有效的电子安全措施。a b s 作为事故的预 防措施是很有用的，而气囊作为事故发生后的应急措施是有效的。这两种系统 3 在技术上都已完善，目前要做的工作是在传感器和控制方法上再加以提高。如 果再进一步简化和缩小体积，在越来越多的车辆( 或全部车辆) 中都将安装这些 系统。汽车报警系统也是很必要的，它能在超速和车辆之间间距不足时向司机 发出警告。由于司机的判断力在避免事故发生中起了很大的作用，因此仍需作 大量工作使报警系统更加完善。针对司机长时期驾驶后产生的眼疲劳，还提出 了一种仪器读数显示方法，并已证实了它们的显著作用。 环保性。环境问题涉及到很广泛的领域，包括前面提到的空气污染和资源 问题( 燃料经济效益) 以及地球温室效应、酸雨、臭氧层的破坏和噪声等。首要 的问题是废气排放应该进一步减少。目前已经引入了一个基于氧气传感器的空 气一燃料比例反馈系统以得到理想的燃烧条件。另外还需要提高燃烧的精度。 应该开发一种新的能精确测量和预报发动机状态的系统，使得对于特殊的发动 机状态能正确地控制燃料供应和点火定时。这就需要有很强的微机运算能力和 高级的传感器和传动机构。还需要将车辆驱动的任何损耗降低至最低。这里所 说的“损耗”，首先是指机械损耗，如发动机转动损耗、传动和差动齿轮损耗及 车体产生的空气动力损耗等。而电气损耗是指由辅助装置( 马达、传动机构和其 他部件) 所产生的损耗。因此，改善电气辅助装置的控制也是必要的。这就涉及 到从燃料泵马达开关控制到工作状态控制的转化及引入无级变速控制型的空调 压缩机马达等。这些措施将减轻大部分的发动机负载，因此也提高了燃料的经 济效益。馀提高机械和电气效率外，其他的有效措施就是减轻重量，这些改进 自然涉及到结构设计、材料选择和其他方法。 6 现今汽车电子中存在的问题及相应解决方案 通过以上的介绍可见汽车正在增加着越来越多的功能。各种不同的功能， 需要众多独立的控制单元来实现。如现代典型的控制单元有电控燃油喷射系统、 电控传动系统、防抱死制动系统、防滑控制系统、废气再循环控制、巡航系统 和空调系统等等。为了满足各子系统的实时性要求，有必要对汽车公共数据实 行共享。现代豪华车辆上可有多至8 0 个电子控制单元( e c u ) ，以满足对其对舒 适性、环保性和安全性越来越高的要求。在传统电控系统设计中，难以实现系 统信息共享及信息处理的智能化，每增加一项功能都要为新的子系统建立相应 的一对_ 的电缆连接，使得分布车体各处的电缆尤其是主电缆束趋于庞大、沉 重和昂贵，并进而导致设计、安装、调试和维护的困难。因此汽车电气控制系 统的传统结构已成为制约汽车功能增加、性能提高和降低综合成本的瓶颈。 为了解决汽车测控系统中越来越多的数据交换问题，现场总线技术应运而 生了。现场总线( f ie ld b u s ) 技术将网络技术引入装置和系统，在装置和系统内 部的多个智能化的测控部件之间实现双向数字通信、共同协调地完成装置或系 统既定的测控任务，在车辆工程、制造工业、流程工业、楼宇建筑等自动化系 统中具有广泛的应用前景。 4 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、b m w 、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。 为应对产品市场开拓的需要和入关带来的影响，国内业界已注意到这项技术的 潜在价值，有预见地开发具有自主知识产权的车辆总线式测控技术，占领车辆设计和 测控技术的高地显得尤其重要。 1 2 汽车c a n 总线技术及特点 科学技术的发展使得汽车新增功能越来越多，如何使这些众多的独立功能 协调一致地工作，即如何对整个车身进行控制，已经成为整个汽车电子研究领 域中非常重要的课题，高科技时代呼唤汽车总线( f l o 汽车网络技术) 早日诞生。 1 控制器局域网c a n 控带| f 器局域网c a n 起初是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。该版本包括2 0 a 和2 0 b 两部分。2 0 a 给出了曾在c a n 技 术规范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，而2 0 b 给出t 标准( 1 1 位) a n 扩展( 2 9 位) 两 种报文格式。19 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具数据信息交换 高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准i s o1 1 8 9 8 ，为控制器的标准化、规范化铺平 了道路。此后，越来越多的美国汽车公司采用c a n 网络。在1 9 9 4 年美国汽车工程师 协会卡车和巴士控制和通信子协会选择c a n 作为j 1 9 3 9 标准( 在卡车和巴士中应用的 c 类网络) 的基础。作为汽车网络协议c a n 的国际标准有：i s o1 1 8 9 8 2 ( 高速c a n ) ， i s 0 1 1 8 9 8 3 ( 具有容错功能的c a n ) a f ti s 0 1 1 8 9 8 4 ( t r c a n ) 。目前c a n 己经成为b 、c 类网络的世界标准。 2 汽车总线系统与传统汽车电器控制系统比较 汽车总线网络系统和传统汽车电器控制相比较有如下区别： 传统汽车电器控制汽车总线网络系统 常规继电器控制，保险丝保采用智能功率器件，具有多重保护， 护，需安装配电盒故障自恢复 传统线束与车内结构复杂仅需一根通讯电缆线，降低车内设 计复杂性 传统电器集成度低，故障高系统产品集成度高，比常规电器系 统的可靠性大大提高，降低了功耗 安装繁琐安装极为简便 须专业人员维护信息屏直接给出故障位置，无须专 业人员维护 增加功能困难在一定范围内，可任意增、减功能 而不影响其它部分的工作 3 汽车总线的主要特点 5 ( 1 ) 运用国际上先进的c a n 总线技术。 ( 2 ) 面向汽车车身控制系统研制开发的总线网络电子产品。 ( 3 ) 提高司乘人员的舒适程度，同时解决复杂的线束问题。 ( 4 ) 构成汽车车身网络系统，易于实现整车的信息系统。 ( 5 ) 以满足人汽车环境和谐发展为基础。 ( 6 ) 该技术能够应用于其他车型。如客车、商务车、载重货车、特种车辆等。 4 汽车总线的主要优点 目前应用总线的国产车中大多采用两套独立的c a n 总线：一套是动力c a n 数据传 输系统，另一套是舒适c a n 数据传输系统。使用c a n 总线后，总结其优点主要有： ( 1 ) 网络总线式结构，只需一根通讯电缆连接，由软件逻辑控制替代传统的 直接线束控制。 ( 2 ) 线路简化，减少线束连接复杂性，使传感器信号线减至最少，控制单元可 做到高速数据传输。 ( 3 ) 无需专用配电盒，部件数量减少，可靠性能增加，总线节点控制器( e c u ) 具有很高的可靠性，使用小型控制单元及小型控制单元插孔可节省空间。 ( 4 ) 可实现实时诊断、测试和报警功能，控制单元对所传输的信息进行实时检 测，检测到故障后存储故障码。 ( 5 ) 一般情况下，系统节点可任意扩展，增加新功能。如果数据扩展欲增加 新的信息，只需升级软件即可。 ( 6 ) 人性化设计功能更加贴近汽车制造商与客户，易于赢得市场。 ( 7 ) c a n 总线符合国际标准，因此可应用不同型号控制单元间的数据传输，搭建 通用信息平台，为客户提供方便，为企业创造价值。 ( 8 ) 汽车总线提供更完善的车况信息，用户自我服务变为可能，降低了制造 厂与服务成本1 ) 集中显示；2 ) 历史查询；3 ) 诊断与测试；4 ) 语音提示等。 ( 9 ) 准黑匣子功能。 1 3 本选题的研究内容 本课题利用现场总线技术的目的是为了实现轿车控制系统的网络化。所谓 网络化就是在节点化的基础上，采用属于网络技术的现场总线将所有轿车测控 部件连接起来，在网络测控软件的支持下形成一个有机结合的网络控制系统。 本课题的技术意义在于为轿车性能的高档次提供技术平台，并为开发新产 品作技术储备；其经济意义是废除主电缆柬系统，从而有利于降低系统的综合 成本，并以提高技术档次保障售价。 本课题的主要研究内容： 1 搭建轿车总线平台，分块解决相关控制问题，按模块增加方式不断扩充 至整车电气系统，并把系统信息集成、融合起来，且预留电脑珍断仪的故障诊 断接口。 6 2 实现部分轿车测控部件接口的节点化。其中有前节点、后节点、主节点、 仪表节点、左前门节点，右前门节点，左后门节点，右后门节点等八个节点， 它们之间通过c a n 网络交换各种信息。 3 完成轿车测控系统的网络化。以p h i l i p s 公司的p 8 x c 5 9 1 核心设计信号检测 电路、被控负载驱动电路和采用s j 1 0 0 0 的c a n 总线接口电路等。同时进行软件设计， 采用汇编语言编写c a n 通讯程序、检测程序、被控负载的驱动程序等。 7 第二章轿车车身控制系统 科学技术的发展给现代汽车增加越来越多的功能。按照电气控制系统设计 方法，每增加一项功能都要增加相应的电缆连接使得分布车体各处的电缆趋 于庞大且不经济，并导致设计、安装、调试和维护困难。因此，传统的电气控 制系统设计已不能满足汽车对可靠性、安全性和便利性的要求。这就促使工程 技术人员攻克“堡垒”充分利用现代微电子技术的成果，改进设计，扬利除弊。 就技术和设计这两个层面上来说，现场总线技术的应用是电子和电气技术的有 机结合。是一种划时代的突破。 随着现代汽车新技术的飞速发展。车辆安全系统和舒适系统的不断完善， 用于车辆中的电气设备越来越多。为了更好地监控这些电气设备，有必要对轿 车车身电控系统进行重新布置，并加装车载网络控制单元。使其承担以前由单 独的继电器和控制单元所执行的功能，还具有车载网络控制单元中数据总接口， 实现c a n 总线系统内的数据交换。在轿车整车上，仅用八个通讯节点就代替繁 杂的线柬，轻松实现了全车数据共事，现就轿车的车载网络系统作一简要介绍。 2 i 轿车身控制系统的拓扑结构与介绍 轿车车身系统的控制对象有：4 扇门锁、四个车窗玻璃升降器、行李箱锁、除霜 加热器、电动后视镜前后大灯、小灯、转向灯、危险灯、雾灯、牌照灯、车内阅读 灯、车厢顶灯等轿车车身e c u 分布情况见图2 - - i 。在具备遥控功能的情况下，还 左、右门e c u y g ：r e c u 图2 - l 轿车车身e c u 分布情r 包括对遥控信号的接收处理和肪盗系统的控制。 车身系统控制单元按位置采用八个控制单元组成了车身c a n 总线控制网络 8 ( 图中虚线为待扩展e c u ) ，为左前门节点，右前门节点，左后门节点，右后门 节点，车身前节点，车身后节点，仪表节点，主节点。c a n 总线拓扑结构下图 2 2 所示。 图2 2 轿车c a n 总线拓扑结构 2 2 轿车车身控制系统的各节点的功能概述 左右门节点检测与控制对象有：集控锁的位置检测与控制，电动后视镜上 t 、左右电机的正反向驱动控制，电动车窗玻璃上下电机的正反向驱动控制， 侧方向灯闪烁驱动控制，各自门锁控制开关及玻璃升降开关位置检测，除以上 左右门均有的检测与控制对象外，左前门上还有右前门车窗玻璃点动自动控制 开关、左右电动后视镜上下、左右控制开关位置检测。各个控制对象的故障 检测和处理。 前节点对前大灯、前小灯、前雾灯、前转向灯、冷却风扇电机、前雨刮器 电机等对象的控制、驱动、故障检测及对少量开关量的检测和处理。 后节点对后小灯，后雾灯，后转向灯，制动灯，倒车灯，牌照灯，车厢顶 各灯、行李箱锁以及除霜加热器等对象的控制、驱动、故障检测及少量开关量 的检测和处理。 主节点是整个车身控制系统的中枢，负责和其它各个节点进行数据通讯并 作消息处理。各子节点将检测到的各种量如开关量和模拟量，处理后打包成含 有各种所需信息的报文即消息发送给主节点，主节点根据报文所含的信息作 相应处理包括逻辑关系处理后再打包成消息发送给子节点执行。c a n 总线通讯 采用广播模式，即子节点的报文只有主节点接收( 点对点模式) ，主节点的报文 所有子节点均接收，通讯协议就是根据这个机制定义的。主节点除了作为系统 的中枢功能外，还和其他节点一样负责对汽车驾驶台前所有开关的状态进行检 测，并对驾驶台的所有背光灯( 如开关、仪表等) 进行p w m 调光驱动。 仪表节点：该节点不参与汽车车身控制但它是人与车交流的界面，可记录 车辆基本信息、测量运行数据。具体功能如下： 1 数字仪表可以直观地指示方向灯，前后雾灯的运行情况，还可以清楚地 看到用步进电机驱动的各传感器产生的脉冲量( 由发动机转速传感器、车轮转速 9 传感器产生) 和模拟量( 由油量传感器、水温传感器产生) 所对应的物理量如转 速、行程、水温、油量等变化情况。 2 数字仪表的液晶显示屏可中文显示整个车身控制系统运行的相关信息 及各种提示和故障报警信息。 3 仪表节点可记录车辆基本信息、车辆运行数据，对汽车总体运行情况统 计记录，还起到汽车行驶记录仪的作用。 4 故障诊断和保护功能。及时反映各负载的故障信息( 包括保险丝断路、负 载断路短路故障等) ，提醒用户及时处理故障部件，并对故障部件进行保护，减 小事故发生率。 5 具有语音提示功能，及时提醒用户车辆行驶状况，提高车辆行驶安全性而且语音提示根据 情况可关闭。 1 0 第三章c a n 总线的应用 3 1 现场总线控制在技术层面上的特点和优点 现场总线是8 0 年代诞生，9 0 年代兴起的一种先进的控制技术，它将当今网络通 讯与管理概念引入工业控制领域，从本质上说它是指在生产现场的测量控制设备之间 实现双向串行多节点数字通信、完成测量控制任务的系统。这种开放型的工厂底层控 制网络构造了新一代的网络集成式全分布控制系统，因而又被誉为自控领域的局域 网。它在制造业、流程工业、交通等处的自动化系统中具有广泛的应用前景。 1 、传统的模拟式单回路系统的缺陷 7 0 年代中期，工业过程控制仪表由原来的四线制，发展到采用统一的两线制4 2 0 m a 标准信号，这一标准化工作在一定程度上促进了工业过程控制系统的发展。 4 - 一2 0 m a 模拟直流回路，只能在一根两芯电缆中单向传输一个参数，不能支持更 高层次的计算机之间的功能操作。随着工业现场控制分布范围日益增广，现场设备与 基于微处理器的控制室自动化设备间待传输的信息量急剧增加。系统中大量的传感 器、执行器和控制器所采用的4 - - 2 0 m a 信号传输标准导致系统中庞大的电缆系统，已 成为控制系统发展的负担和瓶颈。汽车由于其传感器、执行器和控制器的安装空间有 限，加上运动、震动等原因，扩展控制点将变得更加困难。 2 、现场总线控制系统优点 现场总线控制系统优点f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是目前世界上最新型的 控制系统，是目前自动化技术中的一个热点。现场总线控制系统的出现，将给自动化 领域带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪 元。f c s 是由集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 与可编程逻辑控制 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r 0 1 ) 发展而来，f c s 不仅具备d c s 与p l c 的特点，而且 跨出了革命性的一步。目前，新型的d c s 与新型的p l c ，都有向对方靠拢的趋势。新 型的d c s 已有很强的顺序控制功能；而新型的p l c ，在处理闭环控制方面也不差，并 且两者都能组成大型网络，d c s 与p l c 的适用范围，已有很大的交叉。其功能及特点： ( 1 ) f c s 功能下放彻底，信息处理现场化，f c s 系统投资起点低，可以边用、边扩、 边投运。 ( 2 ) f c s 系统是开放式系统，用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入 现场总线。达到最佳的系统集成。 ( 3 ) f c s 系统是全数字化，就免去了d a 与a d 变换，高集成化高性能，使精度 可以从0 5 提高到o 1 。由于通信电缆( 双绞线) 是所有的节点之间的唯一连接， 在节省大量的电缆( 5 0 - 8 0 ) 的同时避免了模拟信号传输过程中的干扰，降低了对环 境如接地和电磁干扰的要求，并保证了数据的一致性。 ( 4 ) f c s 系统可以将p i d 闭环控制功能装入变送器或执