（车辆工程专业论文）基于现场总线的汽车信息系统的研究.pdf

t h er e s e a r c ho fa u t o m o t i v ei n f o r m a t i o ns y s t e m b a s e d0 nf i e l d b u s m a m i n g b e ( a n h u iu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ) 2 0 0 3 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g a u t o m o t i v e e n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n gw e n g e a p r i l ，2 0 11 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者躲筠 日期：f 年厂月弼e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密彩 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：与 幻 导师签 日期：pff 年歹月多日 日咖年f 月劢阳 l a l f 兮弼 ，i f f li 基于现场总线的汽车信息系统的研究 摘要 汽车电子技术步入控制系统综合化、信息共享化、功能智能化的发展新阶段。 针对目前国内汽车传统的电控方式，本文对汽车信息系统进行了分析，研究了基 于c a n 总线技术、在线诊断技术、微型计算机控制技术的汽车信息系统。该系统 改变汽车的控制方式和传统仪表的结构方式，实现了信息的集中检测，传输、控 制、以及数据共享，易于功能扩展，减少了线束，提高了系统的维护性和可靠性， 增强了系统的性能。 本文分析探讨了车辆网络技术的发展现状及趋势，在深入研究c a n 总线技术、 汽车信息系统和各模块功能的基础上，提出了应用c a n 总线代替汽车传统的线束 数据传输方式，设计了基于c a n 总线的汽车信息系统方案，重点对汽车仪表进行 了基于c a n 总线的数字化改进设计。针对各个重要e c u 模块的功能及诊断原理 进行了设计分析。 本系统采用t 型连接的c a n 总线连接方式，车窗模块、车身模块、发动机模 块以及各个通用模块分别与数字仪表模块并联，增强了各个模块之间的通讯能力 和抗干扰能力，分析了各个模块与仪表间的通讯。选取传感器供电模块、曲轴传 感器等典型部件进行了诊断流程设计。最后在实验平台上对c a n 总线仪表以及车 身模块进行了多项抗扰度测试和抛负载高压测试，测试结果均达到国家标准。目 前这些模块已通过实际装车功能测试及常规道路试验测试。测试表明，这些模块 能很好的满足现代重卡的总线信息系统要求，产品可靠性高，已做好投入市场的 准备。 本论文结合华菱公司重型卡车电子系统的自主研发项目，对我国自主开发汽 车信息系统作了有益的探索，对我国实现汽车信息化起到积极的作用。 关键词：c a n 总线；数字化仪表；汽车信息系统；e c u ； l i 工程硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o t i v ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a se n t e r e dan e wp h a s eo fc o n t r o ls y s t e m i n t e g r a t i o n ，i n f o r m a t i o n - s h a r i n ga n di m e l l i g e n t i z a t i o n i na l l u s i o nt ot h et r a d i t i o n a l d o m e s t i ca u t o m o t i v ee l e c t r o n i cc o n t r o lm o d e s ，t h et h e s i ss t u d i e st h ea u t o m o t i v e i n f o r m a t i o n s y s t e m b a s e do n c a n b u s ，o n l i n e d i a g n o s i st e c h n o l o g y a n d m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l i n gt e c h n i q u e t h i sa u t o m o t i v ei n f o r m a t i o ns y s t e mc h a n g e st h e a u t o m o t i v ec o n t r o lm o d ea n dt r a d i t i o n a lm e t e rs t r u c t u r e ，r e a l i z e st h ec o n c e n t r a t e d d e t e c t i o n ，t r a n s m i s s i o n ，c o n t r o l a n d s h a r i n g o f i n f o r m a t i o n ，m a k e s f u n c t i o n a l e x p a n s i o ne a s i l ya n dl o w e r sc o n s u m p t i o no fw i r eh a r n e s s s oi ti sp r o v i d e dw i t hb e t t e r m a i n t a i n a b i l i t y ，h i g h e rr e l i a b i l i t ya n ds u p e r i o rp e r f o r m a n c e t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h e p r e s e n td e v e l o p m e n t a n dt e n d e n c yo fa u t o m o b i l e i n t e r n e tt e c h n o l o g y b a s i n go ni n d e p t hs t u d yo fc a n b u s ，a u t o m o b i l ei n f o r m a t i o n s y s t e ma n df u n c t i o no fe a c hm o d u l e ，ad a t at r a n s m i s s i o nw a ya p p l i e dc a n - b u si n p l a c eo ft r a d i t i o n a lw i r eh a r n e s si sp u tf o r w a r d a na u t o m o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s c h e m eb a s e do nc a n b u si sd e s i g n e d ，w h i c hf o c u s e so nt h ed i g i t a l d e s i g no f a u t o m o b i l em e t e r b e s i d e s ，f u n c t i o no fs o m ei m p o r t a n te c um o d u l e sa n dt h ep r i n c i p l e o fd i a g n o s i si sd e s i g n e da n da n a l y z e d t h es y s t e ma p p l i e sac a n b u so ftc o n n e c t i o n ，w h i c hm a k e st h em o d u l eo f w i n d o w s ，a u t o b o d y ，e n g i n ea n do t h e rc o m m o nm o d u l e si np a r a l l e lc o n n e c t i o nw i t h d i g i t a lm e t e rm o d u l ei nt h e i rr e s p e c t i v e s ot h ec o m m u n i c a t i o na n da n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t yb e t w e e nt h e s ed i f f e r e n tm o d u l e si sg r e a t l yi m p r o v e d s o m et y p i c a lp a r t ss u c ha s t h es e n s o rp o w e rs u p p l ym o d u l e ，c r a n k s h a f t sa n ds oo na r ec h o s e nt om a k ed i a g n o s i s p r o c e s sd e s i g n f i n a l l y , s e v e r a li m m u n i t yt e s t sa n du n l o a d i n gh i g hv o l t a g et e s t sa r e c a r r i e do nf o rt h ec a n b u sm e t e ra n da u t o b o d ym o d u l eo nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m a l lt h et e s t i n gr e s u l t sr e a c ht h en a t i o n a ls t a n d a r d n o wt h e s ec o n t r o lm o d u l e sh a d p a s s e dt h ea c t u a ll o a d i n gf u n c t i o n a lt e s t sa n dt h er e g u l a rr o a dt e s t s t e s t sw o r ko u tt h a t t h e s em o d u l e sf u l l ym e e tt h ed e m a n d so fm o d e r nh e a v yt r u c k s c a n b u sc o n t r o lw i t h g o o df e a s i b i l i t yi nac e r t a i nd e g r e er e a d yf o re n t e r i n gt h em a r k e t c o m b i n i n gw i t ha ni n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o je c ta b o u t t h et r u c k i i i 基于现场总线的汽车信息系统的研究 e l e c t r o n i cs y s t e mo fc a m c ，t h et h e s i sa t t e m p t st om a k es o m ev a l u a b l er e s e a r c ho n i n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta n de x e r tp o s i t i v ee f f e c t so nt h er e a l i z a t i o no f a u t o m o b i l ei n f o r m a t i z a t i o n k e yw o r d s ：c a n - b u s ；d i g i t a lm e t e r ；a u t o m o t i v ei n f o r m a t i o ns y s t e m ；e c u 1 v 工程硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和版权使用授权书i 摘罢墓i i a b s t r a c t i i i 目录v 第l 章绪论l 1 1 课题研究背景1 1 2 汽车电子技术现状和发展趋势2 1 3 课题来源和研究内容3 1 4 论文研究方法4 第2 章c a n 总线和s a ej 1 9 3 9 协议5 2 1c a n 总线5 2 1 ic a n 总线的发展5 2 1 2c a n 总线的分层结构及功能5 2 1 3c a n 总线的特性6 2 2s a ej 1 9 3 9 协议8 2 3 本章小结1 0 第3 章h 0 8c a n 总线组合仪表设计1 1 3 1h 0 8 总线仪表设计方案1 1 3 1 1h 0 8 总线仪表整体功能分析一l l 3 1 2h 0 8 总线仪表硬件设计分析1 2 3 2h 0 8 总线仪表硬件设计1 3 3 2 1 微处理器1 3 3 2 2c a n 通信芯片1 4 3 2 3 信号处理1 5 3 3h 0 8 总线仪表软件设计1 6 3 3 1h 0 8 总线组合仪表主控程序1 6 3 3 2 车速信号采集部分程序设计1 7 3 3 3 气压信号采集部分程序设计1 7 3 4 本章小结1 8 第4 章h 0 8c a n 总线信息系统及故障诊断一2 0 4 1h 0 8 信息系统设计方案2 0 v 基于现场总线的汽车信息系统的研究 4 1 1 系统框架设计2 0 4 1 2 控制模块布局2 1 4 2h 0 8c a n 总线通信设计2 2 4 2 1h 0 8c a n 总线仪表通信2 3 4 2 2 车窗模块通信2 6 4 2 3 发动机e c u 模块通信2 8 4 3 故障诊断3l 4 3 1 故障诊断系统监测的内容3 1 4 3 2 典型部件的诊断原理设计3 3 4 4 本章小结3 6 第5 章总线仪表及车身模块性能测试及应用3 7 5 1 测试标准3 7 5 1 2 频率范围和承受时间3 7 5 1 3 抗扰度测试性能判据3 8 5 2 抗扰度测试3 8 5 2 1 静电放电抗扰度测试3 9 5 2 2 射频抗扰度测试4 0 5 2 3 大电流注入抗扰度测试4 1 5 2 4 带状线射频抗扰度测试一4 2 5 2 5i s o7 6 3 7 抗扰度测试4 3 5 3 抛负载高压测试4 4 5 4 应用4 6 5 4 本章小结4 7 结 论4 8 参考文献4 9 致 谢5 2 附录a 实用新型专利证书一5 3 附录b 华菱h 0 8 车型c a n 总线系统电气原理框图5 4 附录c 车速信号采集程序程序6 0 附录d 气压信号采集和报警判断程序6 2 v i 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 随着计算机技术、网络通讯技术、集成电路技术的飞速发展和在卡车上的广 泛应用，使得卡车电子化程度越来越高。为了满足现代卡车有关动力性、经济性、 安全性、可靠性和舒适性等方面的要求，需要越来越多的控制装置，例如电子燃 油喷射装置( 电控发动机) 、防抱死制动装置( a b s ) 、驱动轮防侧滑装置( a s r ) 、电 子制动力限制装置( e b l ) 、电子控制空气悬挂装置( e c a s ) 、自动变速器、缓速器、 各种车灯控制、刮水器系统、空调系统控制等，但鉴于汽车制造业的特殊性，按 功能模块化分工制作，各个厂家生产的产品及其配套的e c u 部分，均为独立的控 制系统，能够完成单个模块的预定控制功能【l j ，但是，各个子系统之间联系较差， e c u 之间联动关系几乎没有，信息共享也不充分，势必会影响到这些子系统功能 的发挥，导致整车性能下降。把它们串成一个有机整体，使之发挥1 + 1 2 的效果， 就成为卡车电子化的趋势。 如果运用传统方法进行整车布线，布线的数量将非常惊人。一辆采用传统布 线方法的高端重卡，其导线长度可达2 0 0 0 多米，电气节点达1 5 0 0 个左右，电线 的重量可以达到4 0 6 0 公斤【2 j ，而导线质量每增加5 0 k g ，一百公里油耗会增加o 2 升。众多线路难以分辨给维修带来很大的困难，而且成捆导线缠绕容易产生信号 间的相互干扰，并且容易产生自燃。对于后期的功能扩展尤其困难，若添加新的 模块，则整个线路都需要重新设计。繁重的保护电路和诸多继电器使得汽车控制 系统复杂庞大，导致汽车可靠性能变差。传统的控制方案和布线方法已不能适应 汽车技术发展的需要，因此围绕减整车线束，实现数据的共享和快速交换，同时 提高可靠性、安全性等方面对汽车电子技术都提出了新的要求。 在卡车中，其电子控制系统的动态信息更需具备实时性。各子系统需要实时 共享车辆的公共数据，如发动机转速，车速信号，油门踏板位置等，由于不同控 制单元的控制器不同，数据转换速度，各控制命令优先级也不同，因此需要一种 具有优先权竞争模式的数据交换网络，并且该系统除应具有较高的通讯速率外， 作为一种商务交通工具，卡车必须具有较好的可靠性，故整车通讯系统必须具有 很强的容错能力和快速处理能力pj 。同时，卡车工作环境复杂，各部件工作相对独 立，受干扰较大，中众多因素都决定了卡车采用基于c a n 总线的信息控制系统是 较好的选择。 基于现场总线的汽车信息系统的研究 1 2 汽车电子技术现状和发展趋势 汽车目前已不仅是一种交通工具，而且还承担着越来越多的功能。现代随着 汽车工业的发展，来自消费者和政府相关部门对于安全、舒适、节能、环保和多 种功能的需求促使电子控制单元和系统广泛地应用在汽车中，而汽车也随之日益 向电子化、智能化发展。 汽车电子技术的发展大致经历了电子管时代、晶体管时代、集成电路时代到 今天的网络化综合技术时代。目前的汽车技术包括电子技术、计算机技术、综合 控制技术、只能传感器技术等先进的汽车电子技术。汽车电子控制单元已不再是 通过传统的线束连接，而是以微控制器为核心，通过汽车电子网络系统连接起来， 实现了通信与控制的网络化管理。一些专家认为，就像汽车电子技术在2 0 世纪7 0 年代引入集成电路、8 0 年代引入微控制器一样，近十几年来，数据总线技术的引 入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。 汽车电子技术的快速发展使汽车的各项性能有了极大的改善，汽车上电子装 置日益增多。据统计，中高档汽车的电子装置成本已占汽车总成本的3 0 以上， 而且超过8 0 的汽车技术革新源于电子系统部分的创新【4 】。未来的汽车必然会朝 着安全、节能、环保的方向发展。其中行驶安全性主要体现在a b s 、t c s 、v d c 、 4 w s 、t p m s 等核心电子控制技术的发展上。环保与节能主要体现在发动机与传动 系的电子控制以及燃料电池、c a n 通讯、x b y w i r e 为代表的电动汽车、整车控 制技术方面。除此之外，还有为提高行驶舒适性而开发的电控悬架技术，以及为 提高汽车智能化而开发的自动避撞系统、车载导航系统等电子控制技术【5 】。 汽车电子技术可以分为以下六大类：发动机电子控制、底盘系统电子控制、 车身电子控制、电动汽车技术、智能汽车与智能交通( i t s ) 技术、整车控制技术【3 】。 近几年，世界发达国家各商用车制造商纷纷投巨资研制新一代的车型，包括了 一些不量产的概念重卡。通过采用高新技术，最大限度地提升重型卡车产品技术 水平，并保证其安全程度也有大幅提升。目前拥有代表性高科技含量的制造商， 如沃尔沃、m a n 、达夫、斯堪尼亚等公司，其主导产品处于国际先进或领先技术 水平，在舒适性、安全性、动力性、经济性、可靠性和环保性等方面具有明显的 优势【6 】。所以未来的重型卡车的市场，并不仅仅是价格成本的比拼，更是科技化程 度的较量。 在国外，特别是欧洲，c a n 技术应用已经是非常普及，8 0 的轿车均不同程 度的使用了该技术，而在美洲，汽车使用儿8 5 0 的居多，代表的有福特的4 1 6 k b p s 的儿8 5 0 和通用、克莱斯勒使用的1 0 4 k b p s 的儿8 5 0 ，现在正逐步往c a n 技术转 移【7 】o 在国内的客车领域，高级的客车国家强制要求采用欧i i i 发动机并配置动力 2 工程硕士学位论文 c a n 总线技术。在卡车领域，重型卡车生产商由于市场竞争的需要，逐步使用c a n 构架动力和车身控制系统。目前该技术产品的主要供应商是博世、v d o 和t e m i e 公司等。 总之，目前国际汽车业内所流行的总线还是c a n 总线居多，并在逐渐普及， 同时f l e x r a y 和m o s t 也有适当的应用。就发展趋势看，在未来1 0 年内，c a n 总线会普及到每辆汽车的动力和车身系统。f l e x r a y 将逐渐普及与汽车的安全系 统，m o s t 将应用于高级豪华车辆的多媒体系统之中【8 】。 目前国内以微控制器为代表的汽车电子在整车电子系统中应用广泛，汽车控制 正由机电控制系统转向以分布式网络为基础的智能化系统【9 1 。 1 3 课题来源和研究内容 本课题旨在研究安徽华菱汽车股份有限公司2 0 0 8 年立项的h 0 8 星凯马重卡项 目的c a n 总线控制系统，主要完成基于c a n 总线的汽车信息系统的研究。在充分 研究有关c a n 总线在汽车电子系统中的应用和通讯方案的基础上，提出一种基于 c a n 总线的汽车信息系统的整体方案，构建基于现场总线的共享信息平台，在收 集整车信息的基础上，对汽车的运行状况进行分析与评估，完成数据的保护，同时 作出各种控制策略，实现汽车安全、环保、低成本、易操作的目标。 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) c a n 总线控制系统的应用层协议的制订 通过调研、收集、查阅相关技术资料和专利，深入研究通用c a n 协议( c a n 2 0 i s 0 1 1 8 9 8 ) 和车用c a n 协议( s a e j l 9 3 9 ) ，定义和完善了车用c a n 的应用层协 议。 ( 2 ) c a n 总线组合仪表的功能设计 组合仪表是车辆的终端系统，是最直接、最直观的让人及时了解车辆实时状 况的平台。总线仪表所要接收的信息量已经远远大于常规仪表，它与车载各e c u 模块之间的通信就成了整车通信中的重中之重。 ( 3 ) c a n 总线组合仪表同各车载功能e c u 的通信及诊断 各种车载e c u 模块中，除了发动机e c u 模块这样的重要部件之外，还有一 些控制车身电器部件的功能e c u 模块，它们同样是关键部件，承担着将车辆每个 电器负载部件的使用状况传递给组合仪表，并通过总线仪表实时反应出来。并由 此对整车故障进行诊断分析。 ( 4 ) c a n 总线报文的发送和接收 报文的发送由c a n 控制器遵循c a n 协议规范自动完成。报文的接收程序负 责节点报文的接收以及总线关闭、错误报警、接收溢出等其他情况的处理。 基于现场总线的汽车信息系统的研究 1 4 论文研究方法 由于微电子技术和半导体集成电路的飞速发展，使得汽车电子控制由机电控 制系统转向分布式网络为基础的智能化系统成为可能。使用汽车总线不但可以简 化线束，更主要的是可以增加各种智能化的功能、提高系统可靠性和可维护性、 降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统。在这里我们引入国际流行的基于 j 1 9 3 9 协议的c a n 现场总线技术，对安徽华菱汽车股份有限公司的星凯马重卡的 c a n 总线信息控制系统进行研究，该车型是国内首家采用全c a n 系统控制的重 型卡车，并且该c a n 总线控制系统已经申请了专利。根据相关协议制定信息系统 方案的框架和通信流程，在公司的实验平台及定远试验场上进行试验验证，得出 相关结论。 4 工程硕士学位论文 第2 章c a n 总线和s a ej 19 39 协议 2 1c a n 总线 2 1 1c a n 总线的发展 控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 属于现场总线的范畴，是一种有 效支持分布式控制系统的串行通信网络。是有德国博世公司在2 0 世纪8 0 年代专 门为汽车行业开发的一种串行通信总线。由于其高性能、高可靠性以及独特的设 计而越来越受到人们的重视，被广泛应用于诸多领域。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 k m 时，c a n 仍可提供高达5 0 k b i t s 的数据传输 速率【l 们。由于c a n 总线具有很高的实时性能和应用范围，从位速率最高可达 1 m b p s 的高速网络到低成本多线路的5 0 k b p s 网络都可以任意搭配。因此，c a n 己经在交通、国防、工程、工业机械、纺织、农用机械、数控、医疗器械机器人、 楼宇自动化、安防等领域中得到了广泛应用【1 1 】。 随着c a n 总线在各个行业和领域的广泛应用，对其的通信格式标准化也提出 了更严格的要求。1 9 9 1 年c a n 总线技术规范( v e r s i o n 2 0 ) 制定并发布。该技术 规范共包括a 和b 两个部分。其中2 0 a 给出了c a n 报文标准格式，而2 0 b 给 出了标准的和扩展的两种格式。美国的汽车工程学会s a e 在2 0 0 0 年提出了j 1 9 3 9 协议，此后该协议成为了货车和客车中控制器局域网的通用标准【1 2 】。 2 1 2c a n 总线的分层结构及功能 c a n 总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络。其模型结 构有三层：物理层、数据链路层和应用层【l3 。其中涉及到各总线控制器的主要是 物理层和数据链路层。表2 1 是c a n 总线的分层机构和简单功能介绍。 表2 1c a n 总线协议的分层结构 基于现场总线的汽车信息系统的研究 物理层规定信号的传输方法。它的主要功能是位定时、同步以及输出驱动器和输入器的 特性进行规定，如信号电平等。物理层实现网络中电控单元e c u 的电连接，e c u 的数目限 制于总线线路的负载承受能力，在特定网段上e c u 的最大数目定为3 0 。总线总是处于两种 逻辑状态，即隐性或者显性。在隐性状态v c a nh 和v c a nl 固定在一个中值电压电平【l 4 1 。 在带终端电阻的总线上，v d i f f = v c a nh v c a nl 接近于零。显性状态由大于最小门限的差动 电压表示。显性状态覆盖隐性状态并在显性位中传输。在特定的位时间里，总线线路上两个 不同的e c u 的纤显性位和隐性位的冲突仲裁结果是显性位。如图2 1 所示在线路的两个末端 上，必须接有负载电阻r l ，而该负载电阻不能放置在e c u 中，以避免某个e c u 断线，通信 不上，那么总线就失去了终端。示意图见图2 2 和图2 3 。图2 3 所示每个节点通过相应c a n 总线接口连接到车辆各个控制模块( 或其他自动化设备) 。 t s 图2 1物理位示意图 数据链路层是c a n 协议的核心。为物理连接之间提供可靠数据传输。包括发 送c a n 数据帧所必须的同步、顺序控制、出错控制和流控制。流控制是以统一的 消息( 帧) 格式实现的。它将接收到的帧信息供应给应用层，同时也接受来自应 用层的报文【1 5 1 。数据链路层主要负责数据打包解包，帧编码，以及错误检测、 应答等。 应用层的主要功能是报文的滤波和报文的管理。 在c a n 总线通讯控制器中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层的功能，可 完成对通讯数据的成帧处理。它通过简单的协议，实现在电磁干扰环境下的远距 离实时数据的可靠传输，且硬件成本较低。 2 1 3c a n 总线的特性 c a n 采用线性总线结构，每个子系统对总线有相同的权利，即为多主工作方 式。c a n 网络上任意一个节点可在任何时候向网络上的其他节点发送消息而不分 主从。网络上的节点可分为不同优先级，满足不同的实时要求，采用非破坏性总 线裁决技术，当两个节点同时向网络传递信息时，优先级低的停止数据发送，而 优先级高的节点可不受影响的继续传送数据。具有点对点、一对多及全局广播接 6 工稃硕士学位论文 皇皇皇暑= 暑皇詈皇= 暑詈= 皇篁詈鼍詈皇葛葛= 葛詈暑= = ! = 皇= 詈= 暑穹ii i i i i i -ulm = = = = 皇毒詈= 皇詈皇詈皇= 詈毫= 皇詈毒= 詈穹= 皇皇皇詈= 皇詈詈= 詈暑詈詈詈詈皇詈暑詈喜暑皇詈暑掌皇 v c c n 上层网络 图2 2 物理层电路图 图2 3c a n 总线结构示意图 7 基于现场总线的汽车信息系统的研究 收传送数据的功能【l6 1 。具有下列主要特性： 1 结构简单，只有两根线与外部相连，且内部含有故障检测和管理模块。 2 c a n 通讯格式采用短帧格式，每帧字节数最多为8 个，可满足通常工业控 制领域中控制命令，工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节也不会占用 总线时间过长，从而保证了通讯的实时性。 3 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向总线发送数据时，优 先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续发送数据， 这大大地节省了仲裁冲突时间，在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪。 直接通讯距离最大可达1 0 k m ( 速率5 k b s ) ，最高通讯速率可达1 m b s ( 此时距离最长 为4 0 m ) 。节点数可达1 1 0 个，通信介质是双绞线，同轴电缆或光导纤维【1 7 】。 4 c a n 总线通讯接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成 工程硕士学位论文 表2 3j 1 9 3 9 协议报文单元格式 根据j 1 9 3 9 的协议格式，程序所用报文数据结构定义如下： # d e f i n ej 1 9 3 9m s gl e n g t h5 # d e f i n ejl9 3 9d a i al e n g t h8 # d e f i n em yd a t al e n g t h0 一一 u n i o nj 1 9 3 9 一m e s s a g e j u n i o n s t r u c t u n s i g n e dc h a rp d u f o r m a t _ t o p ：3 ；t h i s n e e d s p r e a n d p o s t p r o c e s s i n g u n s i g n e dc h a rd a t a p a g e：1 ； u n s i g n e dc h a r r e s ：1 ； u n s i g n e dc h a rp r i o r i t y ：3 ； u n s i g n e dc h a r p d u f o r m a t ； c as h o u l du s e o n l y p d u f o r m a t u n s i g n e dc h a rp d u s p e c i f i c ； u n s i g n e dc h a rs o u r c e a d d r e s s ；0 x 17 u n s i g n e dc h a rd a t a l e n g t h ； 9 基于现场总线的汽车信息系统的研究 u n s i g n e dc h a rd a t a j 19 39 _ d a t a l e n g t h ； u n s i g n e dc h a r m y d a t a m y _ d 觚入一l e n g t h ； ) a a ； 工程硕士学位论文 第3 章h 0 8c a n 总线组合仪表设计 组合仪表是汽车中最直接、最直观反应车辆状况的平台。随着汽车车身技术 的快速发展，汽车在安全性、舒适性和娱乐性等各方面都在不断提高，电气化程 度也越来越高。传统形式的仪表已经不能满足更高层次的需要，因此需要存储和 显示大信息量的嵌入式数字化仪表是大势所趋【2 1 1 。 汽车仪表盘上显示的信息很多，声音信息、指示灯信息、指针信息还有文字 信息等，几乎所有的车况信息都在仪表盘上有所显示。由于信息量很大，为了简 化结构，减少外扩元件，因此需要一个功能全、接口多的处理器进行运算处理。 本次h 0 8 总线组合仪表方案的设计就本着显示方式人性化、硬件功能软件化、 系统集成化的原则，尽量减少线束量，提高系统整体反应性能及可靠性和抗干扰 性【2 2 1 。 3 1h 0 8 总线仪表设计方案 3 1 1h 0 8 总线仪表整体功能分析 h 0 8 总线仪表设计方案是为了满足华菱重卡星凯马总线项目而开发设计的， 其确保要实现如下整体功能： 1 、指针指示的表头由车速表、转速表、油量表、水温表、前后桥气压表组成， 采用步进电机驱动。 2 、采用基于c a n 2 0 标准的汽车总线通信技术，与汽车的v e c u ( 车身控制 模块) 和e e c u ( 发动机控制模块) 进行数据通信【2 3 1 ，共享整车的信息资源( 包 括传感器、汽车运行数据及发动机相关数据等) ，转速表、水温表等6 个步进电机 由c a n 信号驱动。 3 、2 5 6 x 6 4 点阵式液晶屏显示尿素液位、机油压力、整车电压、里程累计、小 计、油耗、v e c u 及e e c u 正常信息和故障信息等。 4 、仪表照明和报警图案背光全部由l e d ( 发光二极管) 显示。仪表照明亮度 可调，部分报警灯由单片机驱动。 5 、具有电压检测和数据保存功能，包括掉电数据保护。掉电时，指针可以回 零。 6 、水位过低、水温过高、机油压力过低、气压过低1 、气压过低2 、转速过 高、油中含水报警灯任一个亮时，蜂鸣器具有报警功能。 基于现场总线的汽车信息系统的研究 3 1 2h 0 8 总线仪表硬件设计分析 根据星凯马项目设计要求，先设计出总线组合仪表的硬件框架图，如图3 1 所示。输入部分由电源和各种信号组成，输出部分和其他的电子控制模块不同， 仪表不控制其他单元和部件，所以仪表的输出只控制内部器件，包括步进电机、 液晶显示屏、功能指示灯和蜂鸣器。其主要硬件功能如下： 1 微控制器模块：仪表的心脏”和“大脑”。其作用就是对总线仪表采集的信 号进行运算和处理，并通过总线与整车车身控制模块和发动机控制模块通信，输 出各种控制指令和驱动信号，指挥各外围功能模块工作，指挥存储器保存有关数 据； 2 电源及掉电监测模块：提供组合仪表的工作电源和逻辑电平，并监测电源 的工况； 3 信号采集模块：采集并处理驱动各仪表和报警提示的信号源。如车速、转 速、气压、油量、水温，包括c a n 和报警信号等； 4 液晶驱动及显示模块：驱动液晶显示里程、尿素液位、油压、瞬时油耗， 5 电机驱动模块：驱动电机正常工作和指示； o 块 步 迸 电 机 机 芯 工程硕士学位论文 6 仪表照明模块：提供仪表的刻度盘、指针液晶的背光照明，亮度可调。仪 表照明电源与仪表工作电源是相对独立的； 7 报警灯及声音报警驱动模块：外部或内部报警信号送入，驱动相应报警发 光二极管亮及蜂鸣器响； 8 c a n 驱动模块：通过c a n 收发器与整车电控单元进行串口通信，驱动仪 表的转速表、水温表，液晶屏显示尿素液位、油压、油耗、故障信息等； 其中仪表的单片机软件和p c 机参数通过串口与m c u 通信。 3 2h 0 8 总线仪表硬件设计 3 2 1 微处理器 中央处理器采用如图3 2 所示飞思卡尔专业的汽车级处理芯片，完全可以应对 整车复杂的电磁环境和干扰。m c 9 s 1 2 h y 系列处理器集成了液晶屏驱动和电机控 制模块简化了控制逻辑和外围电路。本处理器具有以下特性： 荔察磊 垒荟誊 l l 辇 苎 疆爱 “f 2 啦 l 老 l 是 t a a l ，而再百7 f p p ，i 取，f p x t 札 e j t a l v s s p k l v s s 3 v 廿d r p b o ，f p 柚 p r 7 ，f p 2 7 p h 7 ，f p 2 6 0 1 4 6 ，f p z 5 p h 5 ，f p 2 4 p h 4 ，f 咒3 v d d x v s s x o h $ ，嚣，s d ，f p 2 2 p h ? ，c l k ，s c k ，f p 2 1 p i 1 1 ，m 0 3 l ，f p , i o p h 0 ，m 1 5 0 ，s x ，f p 9 p r b ，s c l ，f i ，i i i p r s ，s e 峨，f p 7 p r 7 o c 07 ，g w r 7 ，f p 6 p 1 ，k ) c o6 ，k w r 6 f p l 5 p t 5 ， o c o5j k w t 5 , ，f p ，4 p f 4 ，柏c o 4 ，k w l 4 ，f p 婚 图3 2m c 9 s 1 2 h ym c u 管脚图 3 2 m h z 总线频率的h c s l2c p u 内核；( 参带有e c c 的6 4k b 片内闪存； 带有e c c 的4k b 数据闪存；4k b 片内s r a m ；( dl c d 驱动，最 多可配置4 0x4 段；带有4 个驱动的步进电机控制器；带有内部滤波器