（计算机应用技术专业论文）基于sae+j1939的发动机监控系统研究.pdf

江苏大学硕上学位论文摘要 摘要 电控技术是降低发动机排气污染，提高动力性和经济性的一个重要手段。在 电控系统的应用开发过程中，实时监控、保存数据以及大量的标定匹配试验，都 离不开发动机监控系统。基于a 埘总线的墟儿9 3 9 协议是目前在国际商用车 中应用最广泛的应用层协议，国内对于勖嗵儿9 3 9 及其汽车网络技术的研究尚处 于起步阶段，产品类型相对单一。本文的研究目的是掌握嗵儿9 3 9 协议内容， 开发通用的儿9 3 9 协议栈，搭建儿9 3 9 网络产品的软件开发平台，并在此技术上 开发功能完善的发动机监控系统。 本文在对国内外电控发动机监控系统深入研究的基础上，研制了一套基于 u s b 通信的电控发动机监控系统。重点设计了电控单元软件和p c 机端监控软件。 其中，电控单元软件详细分为背景调试底层软件、底层主芯片功能函数、集成芯 片驱动函数、& 嗵儿9 3 9 协议栈、标定驱动c c pd m e r 和高压共轨控制软件。p c 端软件细分为人机界面、控制管理、数据库和报警处理。本文选取f r e e ：s c a l e 公司 h c s l 2 系列1 6 位m c um c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b 作为主芯片，它具有专门针对汽车电子的 强大计算能力和丰富的i 0 接口资源。 本文深入分析s a e 儿9 3 9 标准协议文献，从通用角度出发，设计s a e 儿9 3 9 协议的实现。协议实现分为a n 驱动和s a ej 1 9 3 9 应用程序，并封装s a e 儿9 3 9 应用。首先，叙述了a 驱动程序流程，它是j 1 9 3 9 应用程序的底层，直接关系 到应用协议的稳定性。然后重点说明& 垣儿9 3 9 应用程序的核心部分设计，包括 数据结构、传输协议和最小网络化功能设计。本文将s a e 儿9 3 9 协议实际应用到 发动机监控系统中，结合墟儿9 3 9 通信协议栈的设计，为协议规范的本地化和 广泛应用提供了有效的参考。 台架试验在高压共轨柴油机试验系统中完成，初步实现了传感器信号、主要 控制参数的标定工作，通过突加负荷和轨压控制等试验，验证了软件设计的可行 性和可靠性，控制效果达到了预期要求。 关键词：监控系统、& 垣儿9 3 9 、电控单元、电控发动机、a 钒标定协议 江苏人学硕上学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o i l i cc o n t r o l t e c l l l l o l o g yi sr e g a r d e d 嬲o n eo ft h em o s ti m p o n a i l tm e t l l o d s t 0r e d u c ct h ee x h a u s te m i 蛹0 n s i t 曲p r 0 v e st l l ep 伽陀r 锄dt h ee c o n o m yp e o 珊加c e d u r i n gm ed e v e l o p m e n t 锄dt h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o i l i cc o n t r o ls y s t e m ，r e a lt 妇e m o n i t o r i n g ，d a t as a v i i l ga n dal a 唱e 锄o u n to fm a t c h i i l ge x p e 曲e n t sc a i ln o tb e 血i s h e d 埘m o u tt h em o n i t o r i n g 觚dc a l i b 枷o ns y s t e m & 嗵儿9 3 9p r o t o c o l ，w h i c h b a s e so nq nb 惦，i s 耐d e l yu s e dmi i l t e m a t i o n a lc o m m e r d a lv e l l i d ec u r r e n t l y t h e s t l l d yo n 儿9 3 9t e c l m o l o g yi ss t i uu n d e r w a yi 1 1d o m e s t i c a n di t sp r o d u c tt ) r p ei s s i i 四e t h em a i l li i l t e n t i o no ft h ep a p e ri s t 0m a s t e r & 气e 儿9 3 9p r o t o c o l ，( 1 c v e l o pa u i 曲e r s a lp r o t o c o ls t a c k ，b u i l da 儿9 3 9n e t 、阳r kd e v e l o p i i l gp l 弛r i n ，a i l dt h e n d e v e l o p ap e r f e c te n g i n em o l l i t o r i n gs y s t e m i nt h ep a p e r ，am o i l i t o r i r 培s y s t e mo ft t l e e l e c t r o i l i c a l l yc o m r o l l e de n g i n ei s d e v e l 叩e d o nt h eb a s i so fr e s e 删la b o u te l e c t r o n i c a l l yc o n 仃o l l e de n g i i l eo fd o m e s t i c a n df o r e i 弘m o l l i t o r i n gs y s t e mi i l d 印t h t h ep a p e rm a i l l l yd e s i g n st h es o f t w a r eo ft h e e l e c t r o n i 咖1 y n t r o l l e d 眦i t 如dm o m t o 血gs o 腑a r e0 np c t h es o 脚a r eo f e l e c t r o n i c a l l yc o n 仃0 l l e d 岫i ti s d i v i d e di n t os e v e r a lp a n s ，i n d u d i l l gb a c k g r o u n d d e b u gs o 仃w a r e ，t l l eb o t t o mb o d yc 0 r ef u r 衙i o n s ，t l l ei i l t e 伊a t e dc h i pd 小r h l gf u n c t i o n s ， t h es a e 儿9 3 9p r o t o c o ls t a c k ，c c pd 巾e rs o 腑a r ea i l dh 蛐p r e s s u r ec o m m o nr a i l c o n t r o ls o r w a r e a n dt h es 0 r w a r e0 fm o n i t o rc 0 n s i s t so ft 1 1 eh 岫a l l - c o m p u t e r i i l t e a c e ，a d n l i n i s t r a t i o n0 fc o n t r o l ，m ed a t a b 蠲e 锄dt i l ep r o c e s so fg i v i i l g 锄a l a r r l l t h ep a p e rs e l e c t st h em c 9 s 1 2 d p 2 5 6 bp r o d u c e db yf r e e s c a l ec o m p 锄y 弱t h eb o d y c o r e m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 bi si i l t e g r a t e dh i 曲c o m p u t i n ga b i l i 哆w i t hp l e n t yo fi od e v i c e s f e s o u r c e sf b ra u t o m o t i v ec o n t r o l f r o mt l l ei l i 爪，e r s a lp o i n to fv i e w ，t l l ep a p e rd e s i g n st h es a e 儿9 3 9p r o t o c o l s t a c k r n l es t a c kc o n s i s t s0 fa nd r i v e ra 1 1 ds a e 儿9 3 9a p p l i c a t i o n q 气nd r i v e ri s d e s 嘶b e df i r s t ly ni st h eb o 们ma p p l i c a t i o no ft h e & 墟儿9 3 9 ni sr e l a t e dt ot h e s t a c kr e a l l i t y a n dt 1 1 e n ，t l l e ( 1 e s i g no fm es a ej 1 9 3 9p r o t o c 0 ls t a c ki sd e s c r i b e d ， i i l d u d i i l gt h ed a t a 咖c t u r e ，仃a n s f e rp r o t o c o la n d l ed e s i 印o fm 枷血a ln e 咖r k f u n 嘶o n h 1t h i sp a p e r ，t h e 掣也儿9 3 9p r o t o c o li sa p p l i e do nm ee n g i n em o m t o r i i 培 s y s t e m ，锄dau i l i v e r s a lp r o t o c 0 ls t a u 出i sd e v e l o p e d ，n l e s ew o r l 【si sb e n e f i c i a lt 0t h e p r o t o c o ll o 咖沱a t i o n 肌da p p l i c a t i o n e x p e 山e n t sa r ef i n i s h e do nt h eh i 曲p r e s s u r ec o m m o nr a i ld i e s e lt e s tb e d t 1 l e c a l i b r a t i o no ns e n s o rs i g n a l 锄dp 吐m a r yc o n 昀lp a 砌e t e ra r ep r e p a r a t o r i l yr e a l 娩e d t h ee x p er i ：m e n tr e s u l t ss h o wm a tm o i l i t o r i n gs y s t e mi sf e a s i b l e 锄dr e l i a b l e ，姐d 锄t i c i p a t e dc o n t r o le 能c ti se x c e l l e n t k e yw o r d s ：m o i l i t o r m g 卸dc a l i b r a t i o ns y s t e m ，s a e 儿9 3 9 ，e c u ( e l e c t r o i l i cc o n t r o l u n i t ) ，e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e de n g i n e ，c c p ( c ：a nc a l i b r a t i o np r o t o c 0 1 ) 江苏大学学位论文独创性声明 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以 外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：禽童军 日期：聊占年占月p 日 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于。 不保密团 学位论文作者签名：忿盘罕 指导教师签名： 女婶 掰年多月扣曰九踢年乡月，b 网 江苏大学硕上学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着汽车电子技术的飞速发展，车辆上的电子控制单元( e c 及其控制的部 件数量越来越多，汽车内部的电子系统日益复杂，车辆各电控单元己不再是互为 独立的个体，它们需要与其它相关e c u 进行实时的信息交换。然而，传统的采用 专用通信线、点对点的通信模式己难以满足车辆系统通信对于高速性、稳定性和 低成本性的要求。在借鉴计算机网络和现场控制技术的基础上，人们逐渐开发出 多种适用于车辆系统通信的网络总线。相比传统的采用点对点通信方式的汽车电 子系统，采用网络通信的电子系统具有线束数量少、组装难度低、易于维护、互 换性和兼容性好等优点。这其中，a 蝌( 控制器局域网) 总线网络因其通信的稳定 和相对较低的成本，成为目前应用最广泛的车辆高速通信网络1 1 【2 】。 柴油机电控高压共轨燃油喷射系统是柴油机燃油喷射系统发展史上的一座 里程碑。它具有柴油机理想的燃油喷射系统功能：实现高压喷射，喷油压力不受 转速的影响；实现对喷油量、喷油定时和喷油规律的全工况灵活柔性控制，是全 球柴油机行业研究的热点之一1 3 】。为了应对国际市场的挑战和同趋严格的排放法 规，国内的一些研究机构和高校也纷纷投身于高压共轨的研究和开发中。经过长 时间的学习和研究，国内已经掌握了高压共轨系统电控单元及系统基本功能模块 的开发技术，并与部分国产机型进行了成功的匹配【4 】。 目前，一家汽车制造商往往由多个供应商为其提供不同的部件总成，而一个 供应商又为多家汽车制造商提供部件总成。为统一不同厂商和供应商间应用层的 通信标准，解决控制器件兼容性问题，美国汽车工程师协会( s a e ) 制定了一系列 的应用层通信标准。其中，儿9 3 9 协议是目前在中型和重型道路车辆领域被广泛 应用的信息通信协议。它以a 2 o b 协议为基础，并且继承了j 1 5 8 7 等协议相 关内容【5 】。可以说，j 1 9 3 9 协议为车辆上电子部件的通讯以及整车网络的建立提 供了一个标准的体系结构，同时促进了整车网络体系在车辆领域的发展。本课题 开发符合s a ej 1 9 3 9 协议标准的高压共轨发动机监控系统。 江苏大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外现状和发展趋势 1 2 1 汽车网络技术的发展和现状 上世纪8 0 年代，国际上众多知名汽车公司开始积极致力于汽车网络技术的研 究和开发。目前已有多种汽车网络标准，为了方便研究和设计应用，根据它们侧 重功能的不同，s a e 车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为a 、b 、c 三类。a 类是面向传感器、执行器控制的低速网络，一般通讯速率为1 ) p p l 0 p s ，代 表有u n ( l o c a l1 1 1 t e r c o 皿e c tn e t 、o r l 【) ；b 类是面向独立模块间数据共享的中速网 络，一般通讯速率为1 0 勋p p l 2 5 l b p s ，代表有c a n ( c o n 呐l l e ra r e an e 觚o r k ) 、 j 1 8 5 0 ；c 类是面向高速、实时闭环控制的多路传输网，一般通讯速率为 1 2 5 勋p 妒1 m b p s ，代表有c a n 、f l e x r a y 、1 - 】m 厄。随着多媒体应用进入汽车内 部，近年来车载多媒体网络的研究也获得了很大发展，一些文献中也将此类网络 称为d 类网络，一般通讯速率在2 m b p s 以上，代表有m o s t ( m e d i a - o r i e n t e ds y s t e m s t r 锄s p o n ) 、d b 1 3 9 4 6 1 。 汽车控制网络中，汽车网络根据各自不同的的性价比和传输带宽，应用的汽 车领域也不同。迄今为止，还没有一种网络完全满足未来汽车所有成本和性能的 要求，今后汽车电子控制网络的发展仍将是一个多总线并存的系统。但是，目前 在汽车制造商和供应商之间己逐渐达成一致，在a 类网络中使用u n 已成为事实 上的标准协议；在b 类网络中采用低速q 钒；c 类网络中，高速g 将作为事实 上的标准，在采用x _ b y w i r e 技术的下一代汽车中，n e x r a y 将成为所有x _ b y w i r e 系统( 制动、转向等) 以及其它安全相关应用( 工业、航天领域) 的标准总线。如图 1 1 所示，各种常用总线单节点的通信传输费用比较【7 】o 皇， 显 置 舌 o o o s1 o2 5s 。0 图1 1 常片j 总线单节点通信传输费用 2 渡苏人学硕士学位论文第一章绪论 国外的汽车阙络技术应用已经非常普及，a 蛾协议及其网络系统被全球汽车 厂商普遍接受，成为车载网络系统的计算机网络技术基础。据国际c 认协会统计， 2 1 年仅在欧洲就销售了超过l 亿个q 磷_ b u s 节点，几乎淘汰了欧洲所有的 r s 一4 8 5 系统。到2 0 0 5 年，a 蝌占据了整个汽车网络协议市场的6 3 。在欧洲，基 于c a n 的网络也占有了大约8 8 的市场。2 6 年，a 蝌总线在汽车动力总成中占 了8 5 的市场份额，2 0 0 8 年全球主要汽车生产厂商生产欧i i i 欧i 、排放标准以上的 汽车后，采用g 蝌总线的汽车将超过9 5 i 羽。 在国内，目前生产的车型装备a 钒的有奥迪a 6 l 、奥迪a 4 、宝来、帕萨特 b 5 、p o l o 、f i a t 、p a l i o 、f i a t 、b m w 等，主要应用在动力系统f 发动机、变速箱及 仪表) 、安全系统( a b s 、e b d 、& 气v 、a s r 、e s p 等) 和车身系统( 门、窗、空调、 灯光、锁、座椅等) 【s 】。相对于家用轿车行业，总线通信技术在国内客车和卡车领 域的应用依然是相当落后的。因此，为了满足日益严格的排放法规，逐步与国际 汽车行业接轨，载货卡车和客车中也必须引入计算机及控制技术。采用控制器局 域网和国际公认标准协议j 1 9 3 9 搭建网络并完成数据传输，实现汽车内部电控单 元的网络化是一种迫切的需要，也是必然的发展趋势。 王2 2s 觚毒重鳄多在国杰外匏现状以及发震 s 能j 1 9 3 9 协议是以a 撼总线为基础的车辆网络串行通信和控制协议。参照 i s o 的开放系统互连( o s i ) 模型，q 蝌协议只定义了物理层和数据链路层，其全部 内容可以封装在通信控制器的芯片内，对于汽车电子网络系统来说，它并不是一 个完整的控制网络技术，如果需要建立更加完善的系统，还需要在g 埘的基础上 选择合适的高层协议来规范网络连接、网络篱理和各种应用数据。就轿车c a n 总线来讲，因为不同的轿车生产企业有着自己独立的技术标准、设计理念和完整 豹零部件生产体系，轿车制造商在选择高层通讯协议的时候出于技术保密的目的 采取了比较保守的态度，备厂商的协议互不兼容，即使i s o 、黝垣等国际标准化 组织，也难完成应用层协议的统一f 4 3 】。在商用车( 客车和货车) 和农用机械的应 用领域中，不同企业问协作性较强，在历史形成的影响下，标准化组织对该行业 的指导地位很高，统一标准相对容易。 1 9 9 4 年，s a e 的卡车和客车电气电子委员会控制与通信网络小组委员会选择 q 城作为s a ej 羔9 3 9 标准的基础，势在此基础上提出了一系列的s a ej 耋够9 推荐 3 江苏人学硕士学位论文第一章绪论 规范，作为针对卡车和客车具体应用的高层协议。这些推荐规范不只限制在卡车 和汽车应用中，适当修改后也适用于其它应用，如建筑和农业设备，以及固定的 电力系统。s a e 负责对墟儿9 3 9 标准维护，根据技术和经验的进步对文档进行 修改和补充。在e c u 产品的一致性测试方面，s a e 目前还没有对应用儿9 3 9 网络 的e c u 进行适当的测试、验证或提供正式承认的程序，需要每个开发人员都根据 推荐规范的要求以及特定的内容设计他们的产品【9 】。 目前，s a e 儿9 3 9 是卡车和客车中应用最广泛的高层协议。德国的盯公 司、v e 咖公司都开发出了相应的j 1 9 3 9 商业协议栈。协议栈为用户提供了软件接 口，使用协议栈的用户可以将主要精力主要放在自身应用程序的编写上，而不必 花费大量时间去了解s a e 儿9 3 9 的协议细节，为基于j 1 9 3 9 开发e c u 产品带来了极 大的便利。但是，商业协议栈的价格十分昂贵，对s a e 儿9 3 9 规范的推广非常不 利【8 1 。 国内的一些企业和研究机构在嗵儿9 3 9 的应用研究中走在了前列。中国单 片机公共实验室联合北京英贝多嵌入式网络公司、美国卡特皮勒公司以及国内汽 车设计厂商，经过两年多的设计开发，实现了基于单片机的儿9 3 9 网关芯片 e m 2 0 0 3 系列产品。除支持气e 儿9 3 9 固件外，还可支持s a e1 5 8 7 、i s 0 9 1 4 1 等标 准，实现对汽车仪表的控制驱动。此外，s a ej 1 9 3 9 的技术规范及软硬件开发测 试平台己由中国单片机公共实验室完成，部分技术引进，部分工作国产化【l0 1 。 随着汽车产业的发展，国家对于汽车网络标准的制订也更加重视。全国汽车 标准化技术委员会汽车电子标准工作组组织行业有关单位采用s a ej 1 9 3 9 ，起草 了商用车控制系统局域网络( a 悄) 通信协议系列国家标准，该系列标准的 征求意见稿已经颁布【8 j 。该标准是汽车电子标准的重中之重，特别是对发动机和 底盘动力控制系统具有里程碑的意义，将加快我国汽车网络化的进程。 1 3 课题研究的来源及意义 本课题是在江苏大学计算机学院与镇江恒弛科技的研究生联合培养基地完 成，属于恒弛科技有限公司( 原江奎集团电子产业部) 承接的国家高技术研究发 展计划( 8 6 3 ) ( 项目编号：，2 0 0 郇姨1 1 a 1 c 2 ) 。 汽车网络技术开辟了汽车电子行业的一个新的时代，网络化已成为汽车电子 发展的最为重要的趋势，对于国内汽车电子技术的发展既是机遇又是挑战。国内 4 江苏大学硕士学位论文第一章绪论 的汽车电子厂商应从整车的总线资源的分配上和网络拓扑结构设计上提供方案， 而s a e 儿9 3 9 协议正是一个完整的汽车网络解决方案。本课题对s a e 儿9 3 9 协议进 行了深入分析、研究并最终掌握，开发出了相应的通信协议栈，相信能够加快国 内企业的这一进程。 国外监控系统虽然功能全面，但价格昂贵，经济性不高。国内开发的系统一 般功能应用面不广，不利于后续研究开发使用。本系统降低了开发成本，适合我 国中小型汽车电子研发公司使用，在一定程度上推进了我国电控发动机的产业化 进程。 1 4 本文主要研究内容及其结构安排 作为s a ej 1 9 3 9 协议研究的应用，本课题开发了发动机监控系统。按照国际 标准开发的协议栈提高了监控系统的通用性、可移植性，为高压共轨柴油机最终 的匹配标定提供得力助手。以此为切入点，探索汽车网络实施的具体方法，这对 国内汽车电子厂商增强自身竞争力，提高自动化程度，继而与国外同类产品竞争 市场份额，具有积极意义。 本监控系统的核心任务在于实时监测和采集发动机状态，正确分析整车控制 的要求，通过精确控制影响发动机运行的各个可控量，使发动机稳定运行，满足 各项性能指标要求。 本课题主要研究内容包括： 1 、在广泛查阅文献资料的基础上，提出通用监控系统的结构设计方案。 2 、查阅s a e 儿9 3 9 协议原文，分析研究了协议的主要功能和实现方案，从 快速实现协议的角度考虑协议的后续开发，有利于网络中数据共享和传输。实现 儿9 3 9 发动机相关参数组，传输协议和最小网络化功能。 3 、对e c u 的软件设计。软件部分采用模块化和函数封装解决发动机e c u 控制软件通用性问题，实现基于s a ej 1 9 3 9 的数据监控和传输，采用c c p 标定 协议实现在线标定优化功能。 4 、监控平台软件的设计。本监控平台软件使用v c + + 6 0 开发，具有友好的 人机界面，支持& 墟儿9 3 9 协议和c c p 协议，分析实现了高压共轨部分控制策 略，具有在线监控、实时保存数据、在线修改参数功能。 本论文的结构安排如下： 5 江苏大学硕士学位论文第一章绪论 第一章，主要介绍了监控系统的基本概念及发展历程趋势，课题研究的背景、 目的和意义，研究的具体内容，以及论文的组织安排。 第二章，介绍q 蝌总线协议、鲋岖儿9 3 9 协议以及c c p 协议的主要功能。 第三章，首先描述了本课题监控系统的功能需求，分析已有监控系统结构， 最后确定本系统的结构设计，设计监控系统的整体框架。 第四章，概述系统的硬件平台。包括e c u 的硬件总体结构、e c u 的微控制 器功能模块、输入输出信号处理模块以及u s b a 钒通信模块的原理图。 第五章，监控软件设计实现，是本文的重点。首先说明e c u 软件实现过程， 重点是s a ej 1 9 3 9 协议栈核心部分设计和c c p 驱动的设计，然后阐述了监控平 台软件的开发过程。 第六章，监控系统功能的试验验证部分，介绍了台架试验环境和设备信息， 并分析试验结果。 第七章，总结课题的完成情况，提出了未来进一步的研究方向。 6 江苏大学硕+ 学位论文第二章监控系统通信协议 第二章监控系统通信协议 本章主要介绍课题中涉及到的所有通信协议，s a e 儿9 3 9 和c c p 都是基于 q 悄总线的应用层协议扩展，它们是开展所有工作的基础。 2 1q 州总线技术 q 蝌总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为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。q 悄总线具有快速响应性 能和高可靠性，在汽车电子系统中早已得到广泛应用，率先成为欧洲汽车制造业 的主体行业标准。为此，1 9 9 1 年，德国b o s c h 公司正式颁布了c a n 技术规范( 版 本2 0 ) ，该技术规范包括a 和b 两部分；1 9 9 3 年1 1 月，国际标准化组织i s o t c 2 2 技术委员会正式颁布了高速通信控制器局域网( 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，为q 蝌 总线的标准化、规范化应用铺平了道路。此后，越来越多的北美和日本汽车公司 也开始采用q 埘网络。c a n 又分为低速和高速两部分，低速q 埘一般用在车身 电子控制中，而高速a 悄则大多用在动力系统和安全系统控制中【1 1 】【1 2 1 。 2 1 1q 蝌总线概述 由于q 悄总线根据复杂的工业环境设计，具有强有力的检错能力和抗干扰 性，这使得q 蝌总线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。目前 c a n 的应用范围不再局限于汽车行业，已面向过程工业、机械工业、纺织工业、 楼宇自动化、农业机械传感器、自动化仪表等广泛的领域发展，a 蝌已经形成了 国际标准，并已被公认为最有前途的现场总线之一。 世界半导体知名厂商推出各自不同g 钒总线产品。独立的。埘控制器有： i i l t e l 公司的8 2 5 2 6 ，8 2 5 2 7 ；p l l i l i p s 公司的8 2 c 2 0 0 ，s j a l 0 0 0 。内嵌q n 控制器 的单片机有i i l t e l 公司的8 7 c 1 9 6 c 剐c b ；p h i l i p s 公司的8 0 c 5 9 2 ，8 0 a 巳5 9 8 等【1 3 1 。 1 、q 蝌总线特点 1 ) 通信介质选择灵活，可以采用双绞线、同轴电缆或光纤；通信距离最远 可达1 0 k m ( 通信速率为5 k b s ) ，通信速率最高可达1 m b s ( 通信距离为4 0 m ) ； c a n 总线节点易扩充，节点最大数取决于总线驱动电路，实际可达1 1 0 个； 7 江苏大学硕上学位论文第二章监控系统通信协议 2 ) a 蝌通信方式灵活，可以工作在多主方式，网络上任何节点均可主动向 其它节点发送信息，它可以通过报文过滤实现点对点、一点对多点及全局广播等 方式传送和接收数据； 3 1q 悄报文采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，传输时间短，受 干扰的概率低； 4 ) q 悄节点可被设定为不同的发送优先级，利用接口电路中的“线与”功能， 巧妙地实现无破坏性的基于优先权的仲裁。当两个节点同时发送报文时，优先级 低的报文主动停止发送，而不影响优先级高的报文的发送，大大节省了总线冲突 裁决时间，又满足了节点不同的实时要求。 5 ) 采用c r c 校验并提供相应的出错处理，保证了数据通信的可靠性；发送 期间若丢失仲裁，或由于出错而遭破坏的帧可自动重发；当故障节点发生严重错 误，将自动脱离总线，不影响总线上其它节点【1 4 】【1 5 】【1 6 】。 2 、q 分层结构 a 总线是根据开放系统互联模型( 0 s i ) 制定的，它采用了七层模型的物 理层和数据链路层，其分层结构如图2 1 所示。 t l l c 接收滤波 毳 超载通知 。 恢复管理 姒c 譬 数据封装拆装 帧编码( 填充拆除) 、 故障界定 坛 媒体访问管理 错误检测 ( m a c l m e ) 应答 天 串行似解除串行化 t 卜茎嚣 p l s 位编码解码 位定时 物同步 理 - 一 一一 胃 丑 p a m r 驱动器接收器特性 m d i j 接收器 t 图2 1c a n 分层结构 8 溺苏人学硕十学位论文第二章监控系统通信协议 l 、物理层 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。它 定义信号怎样进行发送，涉及到位定时、位编码及同步的描述。物理层划分： 物理信令( p l s - p h y s i c a ls i 鲫a l i n 曲：实现与位表示、定时和同步相关的功 能； 物理媒体附件( p m a _ p h y s i c a lm e d i u ma 越a c h m e n t ) ：用于实现总线发送 接收功能的电路，并可提供总线故障监测方法； 媒体相关接口 i m e d i u md e p e n d e n ti i l t e r f a c c ) ：实现媒体和m a c 之 阀机械和电气的接固。 2 ) 数据链路层 数据链路层分为逻辑链路控制( l i - 韵西en 救c o n 嘲) 与媒体访问控制 ( m a c m e d i 岫a c c e s sc o n t r 0 1 ) 两部分。 u 子层主要负责报文滤波、过载通知以及恢复管理。 心子层是q 协议的核心，它描述由u 层接收到的报文和对u c 予层发送的认可掇文。根据其功能可以把燃划分完全独立工作的两 个部分，即发送部分和接收部分。m a c 子层可响应报文帧、仲裁、应 答、错误检测和标定。粼又称之为崧故障界定实体”的一个管理实 体监控，具有永久性故障或短暂性扰动的自监测机制【1 1 。 2 1 2a 蝌总线协议规范 董、q 蛾帧格式 q 蝌报文有两种不同的帧格式，不同之处为仲裁域的标识符长度不同：具有 熏重位标识符的帧称之为标准帧( 如图2 。2 。a 所示) ，含有汐使标识符的帧为扩展帧 ( 如图2 2 b 所示) 。 ( 鑫) 标准帧结构 仲裁域 控制域一斟_ 数据域一 曼| l l 位标识符l 茎l 墨l l s 位标谈符 | 薹| 复l 星| d k ( b ) 扩展帧结构 图2 。2 标准峻积扩矮l | 吱的结构 9 汪苏大学矮土学链论文第二牵整控系统逶信携谈 2 、g 州帧类型 报文传输豳以下4 个不同的帧类型所表示和控制： 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有阕识别符的数据帧。 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 过载帧：过载帧用于先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 闻提供附加的延时。 数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。它们用一个帧间空间与 前面的帧分隔。 1 ) 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成：即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场，帧结束，其组成如图2 3 所示。 。拶 i 叫l 二i u r 一。e io w 工i u 黝黝 或超载域 ll 秧起始 僻裁域拄溯域数据域c r e 域 帔缩惩 厦臀( a c k ) 城 图2 3 数据帧结构图 2 远程帧 激活为数据接收器的节点可以发送远程帧启动源节点发送各自的数据。远程 帧由6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场和帧结束。 同数据帧相反，远程帧的r t 则立是“隐性”，远程帧不存在数据场。远程帧组 成如图2 4 所示。 r 姒i 口j 工l 叫，111 7一趴lh j i 1 叫一 鼷震 或超载域 t仲裁域 控制域c r c 域 下 帧绺君 顿起始 施答( a c k ) 域 图2 4 数据帧结构图 3 1 出错帧 出错帧由出错标志和出错界定符两个场组成。错误帧监测q 蝌控制器的出错 状态及出错类型，作为检测出错条件的信号。 4 ) 超载帧 超载帧由超载标志和超载界定符组成。当接收器线路在接收下一个帧前需要 更多的时间处理当前数据，亦邸接收器未准备好，或在间歇场期闻检测出显性位 时将发送超载帧1 2 0 】【2 。 l o 江苏人学硕士学位论文 第一二章监控系统通信协议 2 2s a ej 1 9 3 9 协议分析 本课题监控数据主要基于j 1 9 3 9 协议，它以。埘2 0 b 为基础，物理层标准 与i s 0 1 1 8 9 8 规范兼容，采用符合该规范的a 埘控制器和收发器，是目前在大 型汽车中，特别是重型汽车应用最广泛的应用层协议。s a e 儿9 3 9 是由s a e 卡 车和公共汽车控制及通信网络小组委员会制定并且组织推广的，是s a e r e c o i m e n d e dp r a c t i c e s 系列之一。j 1 9 3 9 协议基于o s i 七层模型原则制定相关标 准，并预留了相应的子标准号，方便今后扩展标准【5 】【1 9 1 。当前协议主要内容包括： & 嗵j 1 9 3 9 0 1 一一墟j 1 9 3 9 应用文档，介绍在载货车和客车控制网络中的 应用。 & 墟儿9 3 9 1 1 一一物理层，2 5 0 酬s ，屏蔽双绞线，在拖拉机或者拖车上作为 子网络。 & 墟儿9 3 9 1 3 一一物理层，场外诊断连接器，用于代有诊断工具的网络。 & 嗵儿9 3 9 1 5 一一简化物理层，2 5 0 ) s ，非屏蔽双绞线。 s a e 儿9 3 9 2 1 一一数据链路层，定义信息帧的组织，总线总裁和错误检测。 s a e 儿9 3 9 3 1 一一网络层，定义网络间的连接。 s a ej 1 9 3 9 7 1 一一应用层，提供车辆物理参数格式。 s a e 儿9 3 9 7 3 一一应用层诊断，提供用于诊断和相关网络支持功能的帧定义， 关于排放的诊断代码等。 s a e 儿9 3 9 8 1 一一网络管理协议，网络中e c u 的命名方法。 建立上述子标准的目的是为汽车电子控制单元提供一个开放的互连网络系 统，通过提供一个标准的架构允许电子设备通信。 儿9 3 9 是当前最实用、应用最为广泛的车用网络协议。它使用多路复用技术， 为车辆上各传感器，执行器和控制器提供建立在q 蝌总线基础上的标准化网络 连接，在电子装置之间实现数据共享，有效减少电子线束的数量，提高了车辆电 子控制系统的灵活性、可靠性、可维护性和标准化程度。下面分别介绍各个子标 准的主要内容【2 1 】。 2 2 1 物理层 g 州2 0 b 对物理层定义很少，儿9 3 9 详细定义了物理层，包括物理数据在总 1 1 江苏人学硕士学位论文第二章监控系统通信协议 线上各结点之间的传输过程，线路的电气特性，数据传输的解码编码，定时和 同步的实施标准，对连接总线和连接器也有特定要求。本文的试验环境完全是按 照该标准搭建的，通信的物理层符合协议规范。 2 2 2 数据链路层 儿9 3 9 对数据链路层的定义很详尽，提供了完全的网络定义，下面从多个方 面分析该部分内容。 1 、j 1 9 3 9 与q 悄标识符 儿9 3 9 2 1 以q 气n 2 0 b 中扩展帧( 2 9 位标识符) 为基础，它不对1 1 标识符 的标准帧使用提供进一步定义，但是标准帧也被包括进来了，保证它的使用者能 够在相同的网络中共存而不冲突。儿9 3 9 帧格式与g 埘帧的定义对应关系如表 2 1 所示： 表2 1 j 1 9 3 9 帧格式与c a n 帧对应关系表 ssi o 1 1 位标识符 rd 培位标识符扩展 f re s优先级 d p e l u 格式( p f ) si p fi 特定p d u ( p s ) 源地址 o p r 6 位( 高位)rd( 低2 位1目的地址、组扩展) s a f 321 p re 2l8765 432l8 7 6 5 432l8 7 6 5 43 儿9 3 9 是通过p d u ( 协议数据单元p r o t o c o ld a t au i l i t ) 来封装。气n 帧的，p d u 是最小单位，每个p d u 由七个部分组成： 1 ) 优先权( p ) ：由最高3 位组成，共8 级，其中0 0 0 最高。面向控制的帧优 先级缺省为3 ，面向数据的优先权缺省为6 ，速度快的控制系统优先级最高。对 于每一个具体的帧，这个优先权域是可编程的，如果需要可以由o e m 实施调整。 2 ) 保留位( r ) ：该位供墟委员会将来扩展协议使用，如p d u 格式场、定 义新的p d u 格式、扩展优先级场或增大地址空间等，目前均设为0 。 3 ) 数据页( d p ) ：用于扩展的参数组，目前定义的参数组在0 页，页1 为将 来提供了附加的扩展能力，在页0 被完成后将被分配。 4 ) p d u 格式( p f ) ：用于决定分配到数据域的参数组数( p g 。有两种特定的 标识不同的参数p d u 格式，即p d u l 和p d u 2 。p d u l 格式可以用于传递q n 数据帧到特定的目标地址a ) ，即某个特定的e c u ；p d u 2 用于将q 悄数据帧 传递到一个扩展参数组( g e ) ，即不是一个特定的地址。 5 ) 特定p d u ( p s ) ：它的内容依赖于p d u 格式中的数值。如果p f 的数为 o 一2 9 3 中的数，那么p s 中的数为一个目的地址：如果p f 的数为2 4 0 2 5 5 ，那么 江苏人学硕士学位论文第二章监控系统通信协议 p s 包含一个对p d u 格式的组扩展，该组扩展提供更大的一组值来标志帧，帧可 以广播到网络上的所有e c u 。 6 ) 地址( s a ) ：源地址，对于给定网络，每个设备有唯一的地址，两个不同 的e c u 不能同时使用相同的地址。湖1 9 3 9 8 1 中有对s a 的分配和管理的说明。 n 数据区：数据区最多8 个字节，可以放在一个q 埘数据帧中。建议保留 8b v t e s 的数据位，为了将来可能扩展p g n 分配，这样容易添加参数，也不会和 以前只定义了部分数据域的版本不兼容。另外，每个具有独立功能的参数组必须 采用相同长度的数据域，因为在q 悄数据区用于传递特殊的子功能时，a 悄的 标识符是一样的。 其中r 、d p 、p f 、p s 组成了参数组号，即p g n ( p a r a m e t e rg r o u pn u m b e r ) ， p g n 用来识别或标识命令、数据、某些请求、应答等，用来定义传输的命令、 信息、格式及编码，如控制器信息、力矩控制等参数，它独立于源地址，这样每 个e c i u 都可以传送任何信息。一个q 气n 帧只有一个p d u ，但是有时一个p d u 需要多个a 埘帧完成。 2 、j 1 9 3 9 的消息类型 j 1 9 3 9 支持以下消息类型：命令、请求、广播响应、应答和组功能。这些信 息分类由p g n 分配实现，& 墟j 1 9 3 9 的附录a 中有p g n 的分配实例。 命令：把所要发送的报文分为：发送到确定地址的报文和发送到全局地址的 报文。 请求：从具体的节点请求数据。 广播响应：可以用来广播发送一个数据，这样网络上的所有的节点都可以 接收到，且不需要做出应答。 应答：由a 蝌协议提供的。当至少有一个节点收到发送节点的数据时，就 发送应答帧确认数据己经接收。而且当没有错误帧出现时候，就说明节点都正确 接收到了数据。 组的功能：用来定义一些包含特殊功能的组，例如所有权功能、网络管理功 能、多个数据包发送功能。每个组的功能都是由p g n 来定义的。 3 、传输协议功能 传输协议功能是数据链路层中的一部分，具有两大主要功能：消息封装和重 组、连接管理。 江苏大学硕士学位论文第二章监控系统通信协议 ( 1 ) 消息封装和重组 数据大于8 字节的消息不能在一个q 州数据帧中完成传输，必须分成若干 小数据包，分别在若干个数据帧中传输，当接收节点收到后解析并重组成原始的 消息。为了使每个单独发送的帧能够在接收节点处正确地重组，数据区的第一个 字节被定