（车辆工程专业论文）智能车上can总线控制超声波测距仪设计.pdf

智能车上c a n 总线控制超声波测距仪设计 摘要 随着汽车网络技术和电子信息技术的发展，c a n 总线作为一种局域网控制 技术，在汽车上的应用越来越广泛。它不但大大简化了线束，而且为电控单元之 间的信息共享提供了方便的平台。 本文在研究了c a n 总线的原理和节点的设计后，以实验室的智能引导小车 作为研究对象，为其设计了超声波测距仪作为避障单元：并将c a n 总线应用在 小车上，建立了测距系统的局域网，制作了一套相应可靠的运行协议，实现了节 点间的通信。通过试验验证，本测距系统只需要两根通信线即可实现节点间数据 的传输，不仅简化了传输线束，也提高了系统可靠性和可扩展性，节省了成本。 通过本论文的研究，证明了c a n 总线在汽车和智能引导车上有着很强的实 用性和适用性，为c a n 总线在其它领域的应用做出了一些有益的探索。 关键词：c a n 总线局域网控制超声波测距仪通信 t h ed e s i g no fu l t r a s o n i er a n g e f i n d e rc o n t r o l l e db y c a n b u so nt h ei n t e l l i g e n tv e h i c l e a b s t r a c t 、t ht h e d e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v en e t w o r kt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i c c o m m u n i c a t i o n s ，c a n b u s ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) a so n eo ft h el a nc o n t r o l l i n g t e c h n o l o g i e s ，h a sb e e nu s e dw i d e l yo nt h ea u t o m o b i l e s i tn o to n l ys i m p l i f i e st h ew i r e h a r n e s sb a tp r o v i d e st h ec o n v e n i e n tp l a tr o o ff o rt h ei n f o r m a t i o ns h a r eb e t w e e nt h e e l e c t r o n i cc o n t r o l l i n gu n i t s a b o v ea l l ，a f t e rt h er e s e a r c ho ft h et h e o r yo fc a n b u sa n dt h ed e s i g no ft h e n o d e ，t h ei n t e l l i g e n tg u i d e dv e h i c l ei nt h el a b o r a t o r yw a su s e da st h es t u d y i n go b j e c t i nt h i sp a d e nt i t e nid e s i g n e dt h eu l t r a s o n i cr a n g ef i n d e r sa st h ea v o i d i n gb a r r i e ru n i t n e x t t h ec a n - b u sw a sa p p l i e dt ot h ei n t e l l i g e n tv e h i c l e i te s t a b l i s h e dt h el a no f m e a s u r i n gd i s t a n c es y s t e ma n dr e a l i z e dt h ec o m m u n i c a t i o n sw i t ht h ec o r r e s p o n d i n g r e l i a b l ea g r e e m e n tb e t w e e nt h en o d e s a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t ，t h i sm e a s u r i n g d i s t a n c es y s t e mw h i c ho n l yn e e d e dt w oc o m m u n i c a t i n gl i n e si n s t e a do ft h ec o m p l e x w i r eh a r n e s sc o i lt r a n s f e rd a t aq u i c k l v v e r a c i o u s l y i ta l s oe n h a n c e dt h er e l i a b i l i t ya n d t h ee x p a n s i b i l i t yo f t h es y s t e m a tt h es a m et i m e ，i ts a v e dt h ec o s to f t h ev e h i c l e a f t e rt h ep a d e r sr e s e a r c h i tp r o v e dt h a tc a n b u sh a dt h ep r a c t i c a b i l i t ya n d a p p l i c a b i l i t y i naw o r d ，t h ep a p e rh a sm a d eo u ts o m eh e l p f u le x p l o r i n g f o rt h e a p p l y i n go fc a n b u so nt h ee l s ed o r a a i n s k e yw o r d s ：c a n b u s ，l a n ，u l t r a s o n i cr a n g ef i n d e r s ，c o m m u n i c a t i o n s 图1 1 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 “ 图3 1 2 图3 1 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图6 1 图6 2 图6 3 图6 - 4 图6 5 图6 - 6 图6 7 图7 1 图7 2 插图清单 智能引导小车实验平台硬件图2 常见网络拓扑结构”6 报文格式8 o s i 参考模型层次结构1 4 c a n 节点的分层结构”1 5 数据链路层与物理层功能框图”1 6 电压波形与逻辑电平定义1 7 数据帧组成1 7 标准格式和扩展格式数据帧“1 7 远程帧组成1 8 错误帧组成1 9 超载帧组成1 9 非“错误被动”帧间空间1 9 “错误被动”帧间空间1 4 位时间的组成1 7 节点错误状态转换图1 7 p 8 7 c 5 9 1 的4 4 脚l c c 封装图2 6 p 8 7 c 5 91 的功能图2 7 c a n 总线节点通讯相关的硬件电路原理图3 0 初始化的流程图3 2 “发送一个信息”( 查询控制) 的流程图3 4 “发送一个信息”( 中断控制) 的流程图3 5 流程图“信息的接收”( 查询控制) 3 7 流程图“信息的接收”( 中断控制) 3 8 超声波测量距离原理示意图”4 1 智能小车简图4 2 超声波发射及控制电路4 3 超声波接收电路4 4 超声波发射及控制电路4 5 各程序模块功能及相互关系“4 6 主程序流程图4 8 智能车控制系统5 2 超声波传感器布置图5 2 中央控制器电路原理图5 3 前1 节点控制器电路原理图”5 4 电源模块电路图5 5 主控机程序流程图5 6 节点程序流程图5 6 c a n m i n i 微型接口卡5 9 c a n 开发实验仪5 9 图7 - 3c a n 分析软件运行界面一6 0 图7 - 4节点控制器设计照片6 0 图7 - 5超声波换能器6 1 图7 - 6测距仪发射和接收电路6 l 图7 - 7c a n 控制超声波测距”6 2 图7 8在线调试c a n 控制超声波测距仪6 2 表格清单 表2 1s a ej 2 0 5 7 的汽车网络分类6 表2 2c a n o p e n 和c a n k i n g d o m 的简单比较9 表3 1c a n 技术规范的发展历程1 2 表3 2c a n 2 0 a 标准帧2 0 表3 3c a n 2 0 b 扩展帧2 l 表4 1p 8 x c 5 9 1 的c a n 模块特殊功能寄存器2 8 表4 2c a n 控制器寄存器设定”3 1 表7 1超声波测距仪测试结果6 1 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f 进行的研究t 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 研冗成果，也不包含为获得 盒目b ! ：些厶堂 或其他教育机构的学位或证l j 而使用过的 材料。与我一同t 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谢 意。 学位论文作者签名 哆身 签_ - 7 - 日期：年加 学位论文版权使用授权书 ；日 本学位论文作者完全r 解金蟹工些盔堂有关保留、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什和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒盟 兰些盍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) 学位论文作者签名 擘多 签字日期：5 _ 7 年6 月 目 j 学位论文作者毕业后去向；0 t 作单位： 通讯地址： 导师签名 呷季舀畏 签字日期：口7 年6 月) 日 话、锣毒台刁 电话： 邮编： 、，、， 致谢 论文完成之际，我向在整个硕士期间给予我大力支持和帮助的老师与 同学表示深深的感谢! 我首先要感谢我敬爱的导师陈无畏教授。是导师们深厚的学术功底、严谨的 学术指导、虚怀若谷的学术作风使我的硕士论文得以顺利完成。由衷感谢我的导 师陈无畏教授! 是陈老师帮我选择了本论文的研究方向，使我能很好的结合本科 专业所学知识，学以致用，也为我今后的学习和工作指明了方向。陈老师在我的 研究生学习期间，不仅在学习上对我严格要求，使我树立了认真、严谨的学习态 度，也在生活上对我关怀备至，经常询问我的生活和学习情况并给予尽可能的帮 助；同时他精湛的专业知识，务实的科研作风以及不知疲倦的工作态度都深深的 影响着我，给我留下了难以磨灭的印象。可以说学习中没有陈老师不厌其烦的讲 解和指导，我不可能有今天这么多的成绩。另外，我要感谢我的实验指导老师王 启瑞副教授。他培养了我对电学的兴趣，使我能很快进入课题。在实验过程中， 王老师给了我许多宝贵的意见和建议，使我受益非浅，王老师丰富的实践经验永 远都是我努力学习的榜样。言语上的敬意与内心中的感激都不能表达我对王老师 的深深谢意，在此我谨向王老师表示最诚挚的敬意和真心的祝福。 在本论文的研究期间，得到同学们、师兄弟们的帮助和支持，在此对 他们表示真诚的感谢。他们在我的求学生涯中给了我很多快乐和美好的时 光，我将永远不会忘记这段快乐的日子和同学问珍贵的友谊。 感谢所有关心、爱护我的人们! 作者：苏平 2 0 0 7 年5 月2 0 日 第一章绪论 1 1 课题研究背景 随着计算机网络技术、仪表智能化技术、自动控制技术的飞速发展，以全数 字式现场总线为代表的现场控制仪表、设备大量应用，使得繁琐的现场连线被单 一简洁的现场总线网络所代替，为工业现场控制用户带来巨大好处。目前，已形 成h a r t 、l o n w o r k 、p r o f i b u s 、b i t b u s 及c a n b u s 等多种现场总线协议。 同时，电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用使得汽车电子化程度越来 越高，特别是微控制器进入汽车领域后，给汽车带来了划时代的变化。汽车电子 设备的增多，必然导致车身布线愈长愈复杂，运行可靠性降低，故障维修难度增 大，而且为了提高信号的利用率，要求大批数据信息能在不同的电子单元中共享， 传统线束已远远不能满足这种要求，于是人们选择了网络总线技术。 汽车网络技术的优点是：在统一应用层协议和数据定义的基础上，可以使之 成为一个“开放式系统”，具有很强的灵活性。对于任何遵循上述协议的供应商所 生产的控制单元都可轻易添加入该网络系统中或者从网络系统中拆出，系统几乎 不需要做任何硬件和软件的修改，这完全符合现代汽车平台式设计的理念。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线就是一种极适于汽车环境的汽车局域 网控制总线。c a n 总线是德国b o s c h 公司在8 0 年代初为解决数据可靠交换而开 发的一种串行数据通信总线，并于九十年代初专门为汽车电子控制研发的c a n 协议已被各国汽车制造商普遍认同，成为世界范围内的主流协议和国际标准。迄 今为止，已有多种网络标准，如s a e 的j 1 8 5 0 、德国大众的a b u s 、博世的c a n 、 美国商用机器的a u t o c a n 、i s o 的v a n 、马自达的p a l m n e t 等。 随着c a n 总线在汽车上得到广泛应用，我们扩展思路将其应用在其它功能 的车辆上。近年来，国内外对智能引导车的研究与应用越来越广泛，从功能上分 析，可以看作是由机械装置、行为控制器、知识库及传感器系统组成的相互联系、 相互作用的复杂动态系统。本文将以实验室的智能引导小车为研究对象，如图 1 - 1 ，它主要由c c d 摄像机、图像采集处理单元、轮速传感器、电机控制单元、 工控机单元、单片机控制单元等组成。这么多电控单元为了及时共享控制信息和 传感器信息，为了减少线束，有必要采用网络技术。本文将应用c a n 总线建立 智能车的控制局域网，实现上述要求。 图1 1智能引导小车实验平台硬件图 1 2 国内外研究现状及发展动态 本文的重点是为智能引导小车设计超声波测距仪作为避障单元，并应用 c a n 总线实现测距系统的网络连接。下面讲述c a n 和超声波测距的发展现状。 l c a n 的发展与应用 控制器局域网c a n 自开发以来，经多次修订，于1 9 9 1 年9 月形成技术规 范2 0 版本1 1 】 2 】。该版本包括2 0 a 和2 o b 两部分。其中2 0 a 给出了报文标准帧 格式，2 0 b 给出了报文的标准和扩展帧两种格式。 目前与汽车动力、底盘和车身密切相关的车载网络主要有c a n 、l i n 和 f l e x r a y 。从全球车载网络的应用现状来看，通过2 0 多年的发展，c a n 已成为 目前全球产业化汽车应用车载网络的主流。目前c a n 已由过去仅服务中、高级 轿车，逐渐渗透到6 万人民币以下的家用轿车之中，近两年在国内新下线的合资 品牌的轿车全部都采用了c a n 。在国产品牌中，奇瑞公司的中国首辆c a n 网络 系统混合动力轿车也己试装成功，并进行了初步试运行。 从国内车载网络的发展来看，我们己掌握了c a n 应用关键技术。这里，本 文将c a n 应用到智能引导小车上，在设计超声波测距仪作为避障单元的基础上， 建立车载网络。 2 超声波测距的发展现状 超声波测距主要利用超声波良好的反射属性进行距离测量。较之于微波雷达 测距、激光测距技术，这种检测技术难度相对较小，成本低廉，不受环境的限制。 应用起来往往比较迅速、方便、易于做到实时控制、并且在测量精度方面能达到 工业实用的要求，超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。 在物位检测、医疗探伤、汽车防撞等民用、工业领域应用广泛。利用这些特性制 作的超声波测距仪能很好的符合智能引导小车的避障要求。 2 1 3 本文主要研究内容 本文以实验室现有的智能引导小车为研究对象，对智能车的行驶控制了解之 后，以c a n 总线为基础，实现各个电控单元之间的数据通讯；并以智能车的超 声波测距避障系统为试验目标，通过c a n 总线实现对测距系统的控制。 此研究的经济意义在于废除主电缆线束系统，从而有利于降低系统的综合成 本，外观看起来线束简单；其技术意义是为智能车各个电控单元之间的数据共享 提供了平台，每个电控单元都能快速准确地获取各自需要的信息。 本论文主要研究内容如下： 在了解c a n 总线的原理之后，进行车载网络技术和主流协议的研究： c a n 总线系统节点的硬件布线、可靠性与抗干扰设计，软件设计； 在了解了智能车行驶控制后，利用超声波特性设计制作超声波测距仪作 为智能车避障行驶的传感器模块； 通过对c a n 总线控制测距系统的硬件和软件设计，在c a n 总线上实现 信息传递。 第二章车载网络技术概述 2 1 车载网络技术的发展 车载网络技术的研究最早开始于2 0 世纪6 0 年代末期，由于技术和成本等问 题的限制，直到2 0 世纪9 0 年代才真正快速发展。早期的汽车网络中，通用网络 标准并未得到广泛的认同和应用，用户通常利用自己制定的电路和通用异步收发 器( u a r t ) 设备来实现简单的串行通信。由于没有统一标准，各汽车制造商都 有一套独立定义的接口规范和专用供应商。这样，供应商虽然纵向紧密地与汽车 制造商合作，却缺乏与其他供应商的横向联系，导致生产的同类产品不能兼容互 换。 采用标准化网络技术以后，各供应商按照统一的标准生产部件，提高了同类 产品的兼容性和互换性。而汽车制造商可以委托任意一家合格的供应商开发符合 标准的模块。 国际著名汽车制造商和零部件供应商于二十世纪八十年代就致力于汽车网 络技术的研究与应用，迄今已推出多种网络标准，如j 1 8 5 0 、v a n 、a b u s 等。 在各种汽车网络中，c a n 以其独特的设计，优异的性能和极高的可靠性得到最 为广泛的应用。尤其在欧洲，d a i m l e rc h r y s l e r 、b w m 、v o l k s w a g e n 及v o l v o 公 司等都将c a n 作为他们电子系统控制器网络化的手段。美国的制造商也正逐步 将他们的汽车网络系统由j 1 8 5 0 过渡到c a n 。 2 0 世纪8 0 年代计算机局域网技术达到了实用化，这为汽车网络技术的发展 提供了成熟的技术样板。汽车网络技术中的设计目标、网络拓扑结构以及通讯协 议等都与计算机网络技术有许多相似之处。同时集成电路技术功率驱动器件的发 展也推动了汽车网络技术的进步。 2 2 车载网络技术的优势 从布线角度分析，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之 间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。据统计，一辆采用传统布线方法的 高档汽车中，其导线长度可达2 0 0 0 米，电气节点达1 5 0 0 个，而且该数字大约每 十年增长1 倍，从而加剧了粗大的线束与汽车有限的可用空间之间的矛盾。一般 情况下线柬都安装在纵梁下等看不到的地方，一旦线束中出了问题，不仅查找相 当麻烦，而且维修也很困难。另外，在汽车中增加新的用电设备对线束的改动很 大，一般只能从外面加线，从而使线路更凌乱。所以，无论从材料成本还是工作 效率看，传统布线方法都将不能适应汽车的发展】【2 ”。 从信息共享角度分析，当前的汽车电子技术可分为四大类，即动力牵引系统 控制，车辆行驶姿态控制，车身( 车辆内部) 控制和信息传送。在相应的汽车电 子控制系统中，对每一设备的控制都有一相应的电子控制单元( e c u ) ，如果这 4 些电子控制单元之间的信息可以实时共享，则可以大大减少传感器的数量，降低 整车的成本，而车载网络技术恰好满足了这一要求。 从技术进步的角度分析，随着汽车电子化的深入，以网络通信为基础的线控 技术( x b y w i r e ) 的可靠性、实时性满足了汽车对数据传输的要求，这是推动 汽车网络技术应用的另一个原因。所谓线控就是用电子信息的传送取代过去由机 械的或液压的或气动的系统连接的传动部分，如换档连杆、油门拉线、转向机传 动机构、制动油路系统等。线控技术不仅仅是这些连接方式的变化，而且包括操 纵机构和操纵方式的变化以及执行机构的变化( 电气化) 。线控技术的广泛应用 将形成一种全新的汽车结构。线控技术要求网络的实时性好、可靠性高，而且， 一些线控部分要求具有冗余的“功能实现”，以保证在故障时仍可实现这个装置 ( 总成) 的基本功能。就像现在的a b s 和助力转向一样，在线路故障时仍具有 制动和转向的基本功能。 从汽车功能演变的角度分析，汽车正在从一种简单的交通工具演变为集交 通、办公、通讯、娱乐等多种功能于一体的移动载体。因此，接收定位信号、提 供地理信息服务、接收管理信息、发送本车状态信息、进行安全服务请求等新功 能在汽车上逐步增多，车载多媒体网络也应运而生。 汽车电子化控制采用网络化设计可以大大降低设计成本，缩短设计周期，其 经济效益是十分明显的。今天网络化的电子系统已成为所有级别汽车中至关重要 的部件。从目前的情况来看，世界各大汽车公司的车身网络控制和动力系统网络 技术平台已经建成，并在全球范围内大批量装车应用，并逐渐推出多媒体总线网 络，如a u d i 的m o s t 总线系统。因此可以断占，近几年内网络技术在汽车中应 用将迅速普及，并延伸到各种档次的车型中。 本文研究对象是智能引导小车，从布线、信息共享、技术进步的角度分析， 对其构建车载网络是重要而必要的，对以后的技术扩展有十分重要的影响。 2 3 车载网络的拓扑结构 在汽车网络拓扑结构中，常见的结构有总线型网络、星型网络以及环型网络。 0 1 1 2 1 1 3 6 1 一、总线型拓扑 在总线型拓扑中，传输介质为一条总线，节点通过相应的硬件接口接至总线 上，如图2 - 1 ( a ) 所示。当一个节点发送消息时，其他节点均可接收该消息。由于 所有的节点共享同一信道，因此任一时刻只允许一个节点发送消息。该网络拓扑 必须使用总线访问机制，这样当两个或多个节点同时准备发送信息时，能确定哪 个节点优先获得总线的访问权。目前在汽车控制网络中使用最多的是总线拓扑结 构。 二、星型拓扑 在星型拓扑结构中，每个节点通过点对点的方式连接到中央节点，因此任何 两个节点之间的通信都必须通过中央节点，如图2 - l ( b ) 所示。 三、环型拓扑 在环型拓扑结构中有许多中继器进行点到点的链路连接，使整个网络构成一 个封闭式的环路，如图2 - 1 ( c ) 所示。 器蒜器 ( a ) 总线型网络结构( b ) 星型网络结构( c ) 环型网络结构 图2 一l常见网络拓扑结构 2 4 汽车网络的分类 2 0 世纪9 0 年代中期，s a e ( s o c i e t yo f a u t o m o t i v ee n g i n e e r s ，汽车工程师协 会) 车辆网络委员会根据标准s a ej 2 0 5 7 将汽车数据传输网划分为a 、b 、c 三 类，如表2 1 所示，d 级以上没有定义 2 1 1 1 0 1 1 2 鄹。 表2 - i s a ej 2 0 5 7 的汽车网络分类 网络分类对象位传输速率应用场合 面向传感器执行器主要应用于电动门窗、座椅调节、 a 1 1 0 k b p s 控制的低速网络灯光照明等控制。 主要应用于电子车辆信息中心、故 面向独立模块间数障诊断、仪表显示、安全气囊等系 b 1 0 1 2 5 k b p s 据共享的中速网络统，以减少冗余传感器和其它电子 部件。 面向高速、实时闭 主要用于悬架控制、牵引控制、先 c 环控制的多路传输 1 2 5 k i m b p s 进发动机控制、a b s 等系统，以 简化分布式控制和进一步减少车 网 身线束。 在a 类网络中，u 舢玎的应用逐渐减少，而l i n 协议将会成为主流协议；b 类网络中的主流协议将是低速c a n 、s a ej 1 8 5 0 和v a n 等协议，其中c a n 最 为突出；c 类网络的主流协议有高速c a n ( i s o i l 8 9 8 2 ) 和正在发展中的t i c a n 、 t l t r r m c 和f l e x r a y 。随着成本的降低和应用系统功能的提高，网络应用范围 会下移。一些新出现的车上网络系统，可以达到几兆的速度和具有更高的可靠性。 由b o s c h 公司提出的c a n 标准最早在欧洲汽车上被广泛采用。后来包括美 6 国、日本的汽车公司也适用它作为b 级或c 级汽车网络。它是一种多主总线， 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率可达1 m b p s 。c a n 总线凭 借其突出的可靠性、实时性和灵活性成为b 类总线中的主流协议。 2 5 c a n 的应用层协议介绍 c a n 协议是一个非常简单的协议( 如c a n 2 0 b ) 【2 】 1 2 9 】。它只定义 了物理层和数据链路层，本身并不完整，有些复杂的应用问题需要一个更 高层次的协议一应用层协议来实现。比如，c a n 数据帧一次最多只能传送 8 个字节；c a n 只提供了非确认的数据传输服务等。然而，c a n 的技术特 点允许各厂家在在c a n 协议的基础上自行开发自己的高层应用协议，给 用户提供了一个面向应用的清晰接口。目前，许多厂家都根据自己的意图 并结合其优势纷纷推出基于c a n 的总线产品，在o s i 应用层体系结构概 念的支持下，目前已有的o s i 标准的应用层协议是：c a n o p e n 协议、 d e v i c e n e t 协议，基于j 1 9 3 9 的一些高层协议，c a nk i n g d o m ，s d s 等。它 们都得到c i a ( c a ni n a u t o m a t i o n ) f l 自支持，符合i s 0 1 1 8 9 8 标准，同时又各 具特色。 2 5 1 d e v i c e n e t 1 概述 d e v i e e n e t 最初由r o c kw e l l 旗下a l l e n b r a d l y 公司研制开发【5 7 】【6 2 】， 凭借该公司在可编程控制器和变频器等方面的优势，d e v i c e n e t 在p l c 与 现场设备之间的通信网络中得到广泛应用。d e v i c e n e t 可以说是最好的 c a n 协议工作标准，得到c i a 的支持，并由o d v a ( 开放设备网供货商协 会) 负责它的进一步发展。d e v i e e n e t 在c a n 协议的基础上加入了自己的 应用层协议，结合了c a n 总线的优点，同时也满足了更为复杂的要求。 涉及的标准有c a n 技术规范2 o a b 、i s 0 1 1 8 9 8 标准和d e v i e e n e t 技术规 范v 0 1 1 2 。d e v i c e n e t 采用了c a n 物理层协议中的几种网络运行速率 1 2 5 k b p s ( 5 0 0 m ) 、2 5 0 k b p s ( 2 5 0 m ) 、5 0 0 k b p s ( 1 0 0 m ) ，最多支持6 4 个节点a d e v i c e n e t 的数据链路层完全遵循c a n 规范的定义，并通过c a n 控制器 芯片实现。d e v i c e n e t 使用数据帧传送数据，远程帧没有被使用，超载帧 和出错帧则用于例外情况的处理。 2 d e v i c e n e t 应用层协议功能 d e v i c e n e t 定义了两种不同类型的报文，称作i 0 报文和显式报文。i o 报文适用于实时性要求较高的i o 端子的信号输出。i o 报文通常使用优先 权高的连接标识符，通过点对点或广播方式进行消息交换。连接标识符提 供i o 报文的相关消息，在i o 报文利用连接标识符发送之前，报文的发 送和接收设备都必须先进行设定。显式报文则适用于两个设备间多用途的 点对点报文传递，是典型的请求一响应通讯方式，常用于节点的配置、问 题诊断等。显示报文通常使用优先权低的连接标识符。并且该报文的相关信 息包含在显示报文数据帧的数据场中，包括要执行的服务和相关对象的属 性及地址。d e v i c e n e t 为长度大于8 字节的报文提供了分段服务。如图2 2 所示，以i o 报文为例，i o 报文经过分割形成i o 报文片段时，数据场中 有一位由报文分割协议使用。而长度小于8 字节的i o 报文可以直接加在 数据场中一次传送。对于显示报文，也可以进行分段。分段服务为设备提 供了更多的可扩展性和兼容性，保证了将来更加复杂、更智能化的设备可 以加入到设备中。 i 0 报文格式 图2 - 2 报文格式 分段i o 报文格式 2 5 2 c a n o p e n 和c a n k i n g d o m 及其技术比较 1 c a n o p e n c a n o r ，e n 是基于c a n 总线系统的网纠2 】f 3 3 】。它是由c i a 特别兴趣组使用 c a l ( c a na p p l i c a t i o nl a y e r ) 提供的通讯服务的一个子集进行开发的，c a l 已被 c i a 标准化。c a n o p e n 应用层和通信行规( c i a d s 3 0 1 和c i a d s p 3 0 2 ) 既支持对 设备参数的直接存取，也支持对时间苛求的过程数据通信。在c a n o p e n 网络中 附加预定义对等通讯能力，所有的站点是对等的，数据交换可以直接由站( 设备) 之间组织。c a n o p e n 设备结构的大部分与其它总线系统相对应，所以对应用程 序开发者来说很容易使用。 对于面向网络的通信对象，标识符的地址分配是系统设计中的一个主要方 面。为了减少组态工作量，c a n o p e n 网络定义了强制性的缺省标识符地址分配 表。地址分配表包含一个功能部分和一个模块i d 部分。这些标识符在预操作状 态中是可用的，通过动态的分配还可以修改它们。 2 c a n k i n g d o m c a n k i n g d o m 是k v a s e r 公司为分布控制系统开发的【3 3 】，它也被看作是一 种c a n 高层协议。但严格来讲，它应该是继c a n 之后的一种新的协议。它几 乎释放了c a n 的全部功能，给系统设计者最大限度的自由来创建自己的系统。 c a n k i n g d o m 向模块设计者公开了设计通用模块的可能性，不用关心这些模块 可以很容易地接入c a n k i n g d o m 系统中，只是系统性能有所损耗。c a n k i n g d o m 的特点如下： s ( 1 ) c a n k i n g d o m 是专门为机械控制开发的，而不是用于工厂自动化； ( 2 ) 系统设计者通过“t h ek i n g ”对所有节点进行全权控制： ( 3 ) 支持生产者消费者型通信模式，对总线行为进行实时控制； ( 4 ) 充分利用c a n 协议的优先权功能，一个节点可以给予任何优先权： ( 5 ) 在高层协议中可以进行数据结构转换，支持标准的和扩展的c a n 协议。 c a n o p e nc a n k i n g d o m 通信模型 基于o s i 模型 不基丁二o s i 模型 每一个节点都清楚系统结构 节点小需要，解任何系统 节点与系统的关系信息，节点为系统提供服 信息，系统为节点提供服务 务 应用领域 工厂自动化 机械控制 节点如何认识通信 通过“k i n g ”获得需要的信 目标 通过编程实现 息 2 5 3s d s s d s ( s m a r td i s t r i b u t e ds y s t e m ) 是由h o n e y w e l l 公司【2 】f 冽开发的、基于c a n 通信协议的、用于工厂自动化的控制系统。通过它，传感器、执行器、现场控制 器及其它工业设备连接为一个整体。s d s 协议结构适用于高速、实时的分布式控 制。其特点如下： ( 1 ) 设备简捷有效地连接到主控制器( k i n g ) , ( 2 ) 主控制器对所有节点进行全权控制，不支持没有主p l c 的节点之间的通 信； ( 3 ) 系统中节点数最多为1 2 5 ； ( 4 ) 仅支持标准的c a n 协议。 2 5 4 基于j 1 9 3 9 的协议、 基于j 1 9 3 9 的协议主要有应用在以c a n 为基础的汽车等交通运输工具的嵌 入式网络中嘲【2 9 】 3 3 】。主要有： s a ej 1 9 3 9 7 1 i s o1 1 9 9 2 i s o1 1 7 8 3 n m e a2 0 0 0 s a e 是汽车工程师协会( s o c i e t yo fa u t o m o t i v ee n g i n e e r s ) 的缩写。s a l e j 1 9 3 9 7 1 的应用层协议主要是适合那些以柴油机为动力的卡车、公共汽车以及非 陆地的交通工具。i s 0 1 1 9 9 2 中设置的规范主要是用在卡车拖车中的通讯。 i s o l l 7 8 3 规范主要是应用在拖拉机等农业运输工具。n m e a 是国家海洋电子协 会( n a t i o n a lm a r i n ee l e c t r o r f i c sa s s o c i a t i o n ) 缩写。n m e a2 0 0 0 的高层协议整合 9 了s a ej 1 9 3 9 和i s o1 1 7 8 3 。 相对于c a n 2 0 b ，s a ej 1 9 3 9 对仲裁场的标识符位有更深一层的定义，如下 表所示： j 1 9 3 9 的2 9 位标识符( c a n 扩展帧) 提供了一个完全的网络定义。2 9 位标识 符的前3 位用于在仲裁过程中决定报文的优先级p 。值0 0 0 是最高的优先级，高 的优先级用于高速要求的报文，低的优先级用于时间要求不紧迫的数据。接下来 的标识符位( r ) 是保留位，在传输报文时此位置为0 ，此位留作将来s a e 委员会 定义其它目的使用。 标识符接下来的9 位是数据页( d p ) 位和p d u 格式( p f ) 。p d u 代表协议数据 单元。d p 位用于选择两页参数组中的其中一页，0 页包含现在被定义的所有报 文，l 页预备将来额外的扩展能力，在0 页用完后才被分配。p f 场识别能被传 送的两个p d u 格式。s r r 和i d e 位在c a n 2 0 b 已被详细定义，它们被置为隐 性位，这使扩展帧的优先级低于标准格式数据帧的优先级。 接下来标识符是8 位的p d f 专用( p s ) ，它们由p f 的值在0 与2 3 9 之间 ( p d u l ) ，p s 场包含一个目的地址；如果p f 的值在2 4 0 与2 5 5 之间( p d u 2 ) ，p s 场包含一个对p f 的组扩展。组扩展提供更大的一组值以标识网络中能被广播的 所有e c u 的报文。在j 1 9 3 9 标准下，要被广播的大多数报文用p d u 2 格式。用 p d u 2 格式在网络中传输的数据不能被直接到达一个明确目的地。当报文必须要 直接传送到一个专用e c u ，必须在p d u l 格式数的范围分配一个p g n ( 参数组 数1 ，以至于在报文标识符内能包括一个专用的目的地址。 标识符的最后8 位包含e c u 传送报文的地址s a ( 源地址) 。对于一个给定的 网络，每一个地址必须是唯一的，两个不同的e c u 不能同时用同一个地址。 对于汽车中电子控制单元的优先级、p f 、p s ，j 1 9 3 9 均有定义。 基于j 1 9 3 9 的协议主要应用在： 卡车、公共汽车系统 非陆地的交通工具 载客或载货的火车 海洋运输工具 1 0 第三章c a n 总线的原理研究 3 1c a n 的性能特点 c a n 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计， 与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵 活性。其特点可概括为f l 】 2 1 1 1 5 】 2 0 l ： ( 1 ) c a n 是到目前为止唯一具有国际标准且成本较低的现场总线； ( 2 ) c a n 为多主方式工作，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，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； ( 3 ) 在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时 要求，优先级高的数据最多可在1 3 4 1 t s 内得到传输： ( 4 ) c a n 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， 优先级较抵的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传 输数据； ( 5 ) 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等几种 方式传送接收数据，无需专门的“调度”； ( 6 ) c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高 可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ； ( 7 ) 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。在c a n 2 0 a 标准帧报文中标识符有1 l 位，而在c a n 2 0 b 扩展帧报文中标识符有2 9 位，使 节点的个数几乎不受限制； ( 8 ) 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，使数据的出错率降低； ( 9 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果； ( 1 0 ) c a n 的通信介质可选择双绞线、同轴电缆或光纤，选择十分灵活； ( 1 1 ) c a n 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出的功能，以使总线 上其他节点的操作不受影响，而且发送的信息遭到破坏后，可以自动重发。 3 2c a n 协议发展历史 通信协议是指通信双方控制信息交换规则的标准、约定的集合。要实现车内 各e c u 之间的通信，必须制定规则，即通信方法、通信时间、通信内容，保证 通信双方能相互配合，使通信双方能共同遵守、可接受的一组规定和规则。 c a n 协议由b o s c h 公司最初于1 9 8 5 年推出 3 6 1 3 8 l ，经多次修订，于1 9 9 1 年9 月形成技术规范2 0 版本。表3 1 列出了c a n 技术规范的发展历程以及每 次修订情况： 表3 - 1 c a n 技术规范的发展历程 版本年份修订内容 1 o1 9 8 5 制定最初版本 1 11 9 8 7 重新修订位定时要求 1 21 9 9 0 提高振荡器容差 a 部分：同1 2 版本 2 01 9 9 l b 部分：增加了报文扩展格式 在版本1 0 到1 2 之间，只做了少量修改：1 1 版本中，对位定时要求重新作 了规定，以提高位定时特性和识别力；1 2 版本中对间歇场和错误超载界定符中 出现的显性位的解释做了微小改动，振荡器容差提高，使得陶瓷振荡器可以代替 石英振荡器工作。1 9 9 1 重新制定并颁布的c a n 技术规范2 0 版包括2 0 a 和2 0 b 两部分。其中2 0 a 内容同1 2 版，给出了报文标准格式f j 6 f 2 5 。2 0 b 给出了报文 的标准和扩展帧两种格式，推出2 o b 是为了满足美国汽车制造商对c 类网应用 的要求，这是因为扩展格式使用2 9 位标识符，能实现和j 1 8 5 0 类似的信息标识 策略。随后，s a e 的卡车巴士控制和通信网络委员会j 1 9 3 9 投票通过了将c a n 作为c 类数据交换网应用于