（车辆工程专业论文）基于can总线的汽车车身控制系统研究与开发(1).pdf

摘要 摘要 随着汽车动力性能的提高和人们对汽车舒适化程度要求的增加，汽车的电子 控制单元和汽车电子装置也不断的增加。由于电子设备的不断增加而导致的导线 数量的几何式的增长，也使得在有限车内空间布线越来越困难，限制了汽车内部 控制功能的扩展，对汽车内部电子单元的维修也越发复杂。传统线束已远远不能 满足要求，汽车局域网应运而生。 本文介绍了目前国际汽车电子技术的现状与发展趋势，比较了当今汽车网络 主流技术，充分分析了当前比较流行的几种现场总线性能和特点。根据汽车车身 控制系统研究的需要，在c a n 2 0 b 技术规范的基础上制定了基于车身控制模块的 c a n 总线应用层通讯协议：把车身控制系统分为五个节点模块来实现，他们分别 为主节点、左门节点、右门节点、车身前节点、车身后节点，实现了遥控中央门 锁和防盗、电动车窗玻璃升降器、内外灯、雨刮、后窗和后视镜加热等控制功能， 将车身控制功能集成化、网络化。所研制的c a n 总线车身控制系统实现了全车数 据共享。 文中还对c h n 总线车身控制系统的车身控制模块硬件电路和软件驱动程序进 行了研发，开发了车身控制模块硬件电路，编制了c a n 节点通讯的相应程序，最 后进行了针对应用层协议的验证性实验。实验证明研制的汽车车身应用层协议是 可行的。 关键词：汽车；车身；c a n 总线；控制 a b s t r a c ti i a b s t r a c t w i t ht h ee n h a n c e m e n to fc a rd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dp e o p l ed e g r e e i n c r e a s ei nc o m f o r tr e q u i r e m e n t s ，a u t o m o t i v ee l e c t r o n i cc o n t r o l m o d u l e sa n d a u t o m o t i v ee l e c t r o n i cd e v i c e sh a v e a l s oi n c r e a s e d a st h ei n c r e a s i n g e l e c t r o n i ce q u i p m e n tc a u s e dt h ec o n t i n u o u s i n c r e a s ei nt h en u m b e r o f w i r e g e o m e t r i cg r o w t h ，a l s om a k em o r ea n dm o r ed i f f i c u l tw i r i n gi nt h e 1 i m i t e ds p a c e ，t ol i m i tt h ee x p a n s i o no fa u t o m o b i l ei n t e r n a lc o n t r o l f u n c t i o n s ，t h em a i n t e n a n c eo fv e h i c l ei n t e r n a le l e c t r o n i cu n i ta l s om o r e c o m p l e x t h et r a d i t i o n a lw i r i n gh a r d l yc a nn o ts a t i s f yt h i sd e v e l o p m e n t a l q u e s t ，p e o p l et u r nt ot h ea u t o m o b i l el a n t h i sp a p e ri n t r o d u c e sb r i e f l yt h es t a t ea n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h e g l o b a la u t o m o b i l ee l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，c o m p a r e s s e v e r a l t y p e s o f m a i n s t r e a mv e h i c l en e t w o r k ，s t u d i e sh o m et h es e v e r a lk i n d sc u r r e n t l y c o m p a r a t i v e l yp o p u l a rf i e l d b u s a c c o r d i n gt ot h en e e do f t h ev e h i c l eb o d y c o n t r o ls y s t e mr e s e a r c h ，t od e s i g nc a nc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo f a p p li c a t i o nl a y e rw h i c hm a t c h e st h ev e h i c l eb o d yc o n t r o ls y s t e mu n d e rt h e c o n t r o lo fm o d u l ei nc a n 2 o b a u t o m o b il eb o d yc o n t r o lm o d u l eh a v i n gf i v e s t a t u r em o d u l e s ，t h e yr e s p e c t i v e l ya r ec e n t r a lc o n t r o lm o d u l e ，t h el e f t d o o rm o d u l e ，t h er i g h td o o rm o d u l e ，t h eb o d yf o r m e rm o d u l e ，t h eb o d yb a c k m o d u l e t h i ss y s t e mr e a l i z e st h ef u n c t i o na b o u tr e m o t ec o n t r o l ，a n t i t h e f t ， d o o rw i n d o w1 i f t ，i n n e rl a m p ，e x t e r i o rl a m p ，r a i nw i p e ra n dd e f r o s to fr e a r w i n d o wa n dr e a r v i e wm i r r o r ：i ti n t e g r a t e st h eb o d yc o n t r o lf u n c t i o n sa n d r e a liz e st h e mb yn e t w o r k t e s tp r o v e st h a tt h eb o d yc o n t r o lm o u d l er e a c h s t h ed a t as h a r ei naw h o l ea u t o m o b il e t h isp a p e rp r e s e n t sr e s e a r c ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o l s y s t e m e x p l o i t et h e v e h i c l e b o d y h a r d w a r ec i r c u i ta n dt h ec a n c o m m u n i c a t i o np r o c e d u r ea r ei l l u m i n a t e di nt h ep a p e ra tl e n t h ，a tl a s tt h e v e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n t a lh a v eb e e nd o n eb a s e do nt h ea p p l i c a t i o nl a y e r p r o t o c 0 1 t h ee x p e r i m e n t a lp r o v et h a t i t i sv i s a b l ef o rv e h i c l eb o d y p r o t o c o lo fa p p li c a t i o nl a y e r k e yw o r d s ：v e h i c l e ；a u t o m o b i l eb o d y ：c a n b u s ；c o n t r o l 重庆交通大学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，本论文不包含任何其他个人 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， 均已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： ) ? 尸蚜罕 日期： 2 。矿r 年牛月 日 重庆交通大学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。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。 学位论文作者签名： 卵析 指导教师签名： 日期：z ，o 睥牛月) 日 日期：扣og 年 牛月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车电子技术的发展概况h 1 5 1 6 1 7 9 1 1 0 1 1 7 1 1 1 1 汽车电子概念 汽车电子是指应用于汽车之上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。 总的说来，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、计算机多个学科。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。 1 1 2 汽车电子的现状 改变世界的机器是汽车，而改造当代汽车并使其发生质的变化的是电子信息 化。当代汽车越来越广泛地采用电子信息技术，以提升汽车的性能和服务功能， 满足人们的各种办公和娱乐需要，使汽车从单纯的代步工具逐渐演变成“流动的 办公室”，“流动的家庭 和“流动的娱乐室”。 当代汽车技术的发展紧紧围绕着安全、环保、节能、舒适这四个主题，电子 信息化也正是从上述四个方面逐步提升汽车性能。电子控制单元的核心是微控制 器。汽车是使用微控制器最多的行业之一。例如大众辉腾使用多达6 0 个微控制器， 而新高尔夫也有3 0 个，一辆高档豪华车可使用多达1 0 0 个微控制器，电子信息系 统产品在轿车采购成本中所占的比例从9 0 年代的1 0 一2 0 ，提高到目前的 1 5 - 3 0 ，而且未来1 0 年这一比例可能会提高到3 0 一5 0 。 当前汽车电子产品中使用最广泛的、超过汽车电子产品销售额的5 0 的是娱乐 和舒适性产品。如各种车载收放机、c d 机、d v d 机、车载电话、导航设施，以及 车身各附件控制模块等。这些设施不涉及汽车基本功能，只是增加辅助功能而己。 可以说成熟的家电产品都可以移植到汽车上使用。 第二类是为了满足节能和环保的需要。这类电子产品发展最快，技术含量高， 个性化强，每个车型都不同；即使是同一车型，在不同的销售区域里由于驾驶习 惯、道路条件、法规和能源政策的不同必须重新标定与匹配，各个供应商各自拥 有专门的软硬件系统，如发动机控制模块和变速器控制模块。 第三类是满足车辆本身安全性的需求，包括主动安全和被动安全两方面。这 类产品是近年来迅速发展、日益普及、潜在需求继续扩大的领域，控制难度大， 综合智能化更高而通用性好。 第四类是以全电子化或机电一体化结构取代传统的汽车结构系统。如：全电子 第一章绪论 2 转向系统，电子可控悬挂系统，自动驾驶系统等。 1 1 3 汽车电子的发展趋势 汽车电子的技术基础来源于半导体行业、软件行业、传感器和执行器等电子 技术的发展。汽车电子技术行业的发展最终依赖于汽车工业的蓬勃发展以及汽车 工业在工业领域中所处的地位。2 0 0 3 年中国汽车的产销量高达4 4 4 万辆，其中轿 车占2 0 1 万辆，并以超过两位数的年增长率持续发展。中国汽车市场由潜在变为 现实，中国汽车电子信息产品市场也随之迅速扩大，部分核心控制技术正在逐步 国产化。 国际汽车电子技术正处于全面快速发展的阶段，其特征体现在以下五个方面： 功能多样化。从最初的电子点火、电控燃油喷射发展到如今各种控制功能， 如汽油机缸内自喷，电控复合火花点火，智能气门电子，各种线控技术 ( x - b y - w i r e ) ，主动和自适应悬挂，防撞防盗等等。 技术一体化。从最初的机电部件到如今的机、液、电、磁一体化，如自喷 式发动机电控共轨燃料喷射系统。 系统集成化。从最初的单一控制发展到如今的多口标、多变量综合协调控 制，使之更经济有效。从传感器到控制器包括布线都越来越集成化，把几项功能 集成在一起。比较典型的是车身控制模块，取代电动玻璃升降器、中控门锁、防 盗、雨刮、内外灯、电动座椅调节、后视镜调节和加热、转向指示等单项控制功 能。又如将发动机与变速器控制集成为动力总成控制系统。 通信网络化。从最初的多子系统分别上作到如今的分布式模块化控制器局 部网络，如以c a n 总线为基础的整车信息共享的车载分布式控制系统，以d 2 b ( d o m e s t i cd i g i t a lb u s ) 无线通信为基础的远程高频网络通信系统。 语智 言能 标仿 识真 c 心蓝牙l 2 q 1 0 s t精 巧 翼 芯 片 图1 3 通讯和电子智能化技术在汽车上的应用趋势 f i 9 1 3 t h ea p p l i c a t i o nt r e n do fc o m m u n i c a t i o n sa n de l e c t r o n i c i n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y i n a u t o m o t i v e 技术标准化。由波许公司提出的控制器局域网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 视阿腹识别 k 卡 语言识别指纹识别 车用操作系统 数字卫星通讯 短程无线通讯 阿络通讯 第一章绪论 己经成为国际标准( 1 5 0 1 1 5 1 9 和1 5 0 1 1 8 9 8 ) ，并产品化，在欧洲汽车上获得广泛应 用。汽车上电子装置的急剧增加和信息相互传送的网络化提出了嵌入式操作系统 的需求，由法德两国汽车行业所倡导的o s e k ( o p e ns y s t e m sa n dt h ec o r r e s p o n d i n g i n t e r f a c e sf o ra u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ) 技术是针对符合汽车电子开放式系统 及其接口的软件规范所研发的嵌入式实时操作系统。o s e k 规范从实时操作系统和 软件的开发平台两方面作了全面的定义和规定并日趋完善，在国际汽车电子领域 影响力日益增强，将成为未来汽车电子行业嵌入式操作系统的技术标准，广泛被 采用。 汽车动力系统，底盘系统，车体以及安全系统等逐渐从传统的机械、液压结 构向电子结构以及智能化控制演变。在制动、驾驶、悬挂、助力、车身控制方面 都借助电子化的手段提高性能。如电子控制的电磁或电液气门正时( e v t ) 系统取消 了凸轮轴、气门推杆、正时齿型皮带和驱动气门的各种零部件，由电磁铁所取代， 能使气门能在需要的任何时间单独或同时开关。s i m e n sv d o 公司提供给b 姗公司 的气门电子能在0 3 - 9 7 m m 范围内无限制连续改变气门升程，适应发动机各种工 况，消除了节气门，降低泵气损失，改善燃料汽化，可降低1 0 的燃料损失。g p s 全球卫星定位导航、行驶稳定管理、电制动、自动驾驶以及防撞车、语言识别等 系统都在积极的开发应用中。另外，通过内部网络将各个独立功能的子系统连接 成实时的资源共享网络系统，使系统集成化、智能化。例如，底盘稳定控制系统 通过对制动、驾驶和悬挂系统信息的获得而得到优化。 总之，电子信息技术的应用使汽车的性能得到极大提高，并将汽车结构发生 根本性的改变。 1 2 现场总线的特点们 1 2 1 现场总线的产生背景 随着现代汽车技术的飞速发展，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 对一的电缆连接，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。 在计算机数据传输领域内，长期以来使用r s 一2 3 2 和c c i t tv 2 4 通信标准， 第一章绪论 4 尽管他们广泛地使用，但却是一种低数据速率和点对点的数据传输标准，没有能 力支持更高层次的计算机之间的功能操作，不适合复杂和大规模应用( 如工业现场 控制或生产自动化领域) 中需要使用大量的传感器、执行器和控制器等，他们通常 分布在非常广的范围内，如果在最低层上采用传统星型拓扑结构，那么安装成本 和介质造价都将非常昂贵。采用流行的l a n 组件及环形或总线型拓扑结构，虽然 可以减少电缆长度，但是增加的l a n 介质及相关硬件和软件又使其系统造价与星 型系统相差无几。所以在最低层次上的确需要设计出一种造价低廉而又能经受工 业现场环境的通信系统，现场总线( f i e l db u s ) 就是在这种背景下产生的。 1 2 2 现场总线技术的特点u 副 现场总线技术的特点： 1 ) 系统的开放性：开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可互 连为系统而实现一致通信与信息交换。在f c s 中，用户可以根据需要，将遵从相 同协议的不同厂家的产品集成到一个规模随意的系统中，通过现场总线构筑自动 化领域的开放互连系统，从根本上打破了d c s 系统的封闭性。 2 ) 互可操作性与互用性：互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传 递与沟通：互用性则指不同生产厂家的性能类似的设备之间可以实现相互替换。 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性：现场总线系统将传感测量、补偿计算与 控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能， 并可随时诊断设备的运行状态。 4 ) 系统结构的高度分散性：现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体 系结构，从根本上改变了现有的d c s 系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 5 ) 对现场环境的适应性：工作在生产现场，作为工厂网络底层的现场总线， 是专为现场环境设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力 线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足安全防 爆要求。 现场总线的优点： 1 ) 节省硬件数量与投资：现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行 传感测量、补偿计算与控制等功能，故可减少变送器的数量，不再需要单独的调 节器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及 其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了硬件投资，并减少了控 制室的占地面积。 2 ) 节省安装、维护费用：现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条 电缆上可以挂接多台设备，故可节省大量的电缆、端子、槽盒、桥架，而连线设 计与接头校对的工作量也可大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增加新 第一章绪论 5 的电缆，可就近连接在原有的电缆上，即节省了投资，也减少了设计安装的工作 量。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理能力，并通过数字通讯将相关 的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行、诊断维护信息，以 便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护时间，减少了维护的工作量。 3 ) 用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择遵从相同协议的不同厂 家的产品来集成系统，避免了因选择了某一品牌的产品而被“框死 了使用设备 的选择范围，从而使用户真正具有系统集成的主动权。 4 ) 提高了系统的准确性与可靠性现场总线设备的智能化和数字化，从根本上 提高了测量与控制的精度。同时，由于系统的结构简化，设备与连线的减少，现 场仪表内部功能的加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的可靠性。 1 3 当前流行的几种现场总线1 目前，世界上较为流行的几种现场总线产品有：f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、 h a r t 、c a n 等。 f f 基金会现场总线f f 是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的 技术。它分为低速( f f - h 1 ) 和高速( f f h e s ) 两部分。 f f - h 1 以i s o o s i 模型为基础，取其物理层、数据链路层和应用层，并在应用 层之上增加了用户层，构成了四层结构的通信模型，主要用于过程工业( 连续控制) 的自动化，传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 k i n ( 可加中继器延长) ，可实 现总线供电和本质安全防爆，支持令牌总线访问机制。 f f - h e s 采用基于e t h e r n e t ( i e e e8 0 2 3 ) + t c p i p 的六层结构，主要用于制造 业( 离散控制) 自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合。h e s 充分利用低成 本和商业可用的以太网技术，并以l o o m b i t 到1g b i t 或更高的速度运行，支持所 有的f f 总线低速部分的功能，并支持h l 设备与基于以太网的设备通过链接设备 接口。h e s 的另一个特点是h e s 现场设备支持标准的f o u n d a t i o n 功能模块，例如 舡、a 0 和p i d ，也包括新的、具体应用于离散控制和i 0 子系统集成的“柔性功 能模块”( f l e x i b l ef u n c t i o nb l o c k ，f f b ) 。链接设备和h e s 现场设备可以结合 成一个单一的、节约成本的、强大的物理设备，用于批处理、逻辑p l c 和连续控 制。 l o n w o r k s l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i o nn e t w o r k s ) 是由美国e c h e l o n 公司推出，并与 m o t o r o l a 和东芝公司共同倡导的现场总线技术，于1 9 9 0 年正式公布。它采用了 i s o o s i 模型的全部七层协议结构，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把 网络通信设计简化为参数设置，其通信速率可从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s ，直接通信距 第一章绪论 6 离可达2 7 0 0 m ( 7 8 b p s ，双绞线) ：支持双绞线、光纤、同轴电缆、电力线、射频、 红外线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网 络。 l o nw o r k s 技术所采用的l o n t a lk 协议被封装在n e u r o n 芯片中而得以实现。 芯片中集成有三个8 位c p u ，一个用于完全开放互连模型中第1 层和第n 层的功能， 称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理：第二个用于完成第3 - - - 6 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、路径选择、网络通信 管理等，并负责网络通信控制、收发数据包等：第三个是应用处理器，运行操作系 统与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现c p u 之间的信息传递，并 作为网络缓冲区和应用缓冲区。 e c h e l o n 公司鼓励各o e m 开发商运用l o n w o r k s 技术开发自己的应用产品，并 进一步组织起l o n i 雌r k 互操作协会，开发推广l o n w o r k s 技术与产品。l o n w o r k s 现 己广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输与工业 过程控制等行业。 p r o f i s u s p r o f i b u s 是符合德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 9 的现场总线，由 p r o f i b u s - d p ，p r o f i b u s - f m s ，p r o f i b u s - p a 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分 散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域。f m s 型适用于纺织、楼宇自动 化、可编程控制器、低压开关等。而p a 型则是用于过程自动化的总线类型。p r o f i b u s 是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的，采用了o s i 模型的 物理层、数据链路层，f m s 还采用了应用层。传输速率为9 6 k b p s 一- - 1 2 m b p s ，最 大传输距离在1 2 m b p s 时为l o o m ，1 5 m b p s 时为4 0 0 m ，可用中继器延长至l o k m 。 其传输介质可以是双绞线或光缆，最多可挂接1 2 7 个站点并可实现总线供电和本 质安全防爆。 p r o f i b u s 为开放系统协议，为了保证产品质量，在德国建立了f z i 信息研究 中心，对制造厂和用户开放，对其产品进行一致性检测的实验性检测。 h a r t h a r t ( h i g h w a yh d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 是由r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年提出的通信协议，于1 9 9 3 年成立了通信基金会。其特点是在现有模拟信号的传 输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品。 h a r t 是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种协议。它包括i s o o s i 模型的物理层、数据链路层和应用层，可以有点对点或多点连接模式，被称为可 寻址远程传感器高速通道的开放通信协议。 h a r t 采用统一的设备描述语言d d l ，能利用总线供电，可满足本质安全防爆 第一章绪论 要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。 c a n c a n 总线( c o n t r o la r e an e t w o r k ，控制局域网络) 最早是由德国b o s c h 公司推 出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范己被i s o 国 际标准组织制定为国际标准，广泛应用于离散控制领域，并得到了p h i l i p s ，i n t e l ， s i e m e n s ，m o t o r o l a ，n e c 等公司的支持。c a n 协议是建立在国际标准组织的开放 系统互连模型基础上，但只取o s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层， 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率可达1m b p s ( 通信距离最长为 4 0 m ，直接通信距离最长可达l o k m ( 通信速率5 k b p s 以下) ，最多可挂接设备1 1 0 个。 c a n 信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8 个，故传输时间短，受干 扰的概率低：当节点出错时，具有自动关闭功能，以切断该节点与总线的联系，使 总线上的其它节点及其通信不受影响，故抗干扰能力强，可靠性高。 c a n 支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其他节点发送 信息，支持点对点，一点对多点的全局广播方式接受发送数据。它采用总线仲裁 技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数 据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。 根据前面对各种现场总线的介绍，就其中应用较为广泛的三种现场总线c a n ， l o n w o r k s 和f f 作一比较： 在通信方面，c a n 总线是多主站依据优先权进行总线访问：l o n w o r k s 总线采用 的是l o n t a l k 协议：f f 总线使用的是基于令牌交换的主从式通信方式。三种总线都 具有优先通信的功能，但f f 总线可以事先进行良好规划来大大提高对信道的利用。 三种总线都可以通过多种媒体传输，c a n 总线与l o n w o r k s 总线都具有较广的通信 速率范围，可根据传输距离的不同而选择不同的速率，而f f 总线支持低速 3 1 2 5 k b p s 和高速l o o m b p s 到1 g b p s 或更高的速度。 在网络构成方面，c a n 总线具有物理层，数据链路层和应用层三层协议，各节 点之间通信以广播的形式进行，结构较为简单，可靠性强，但节点数只能达到1 1 0 个。l o n w o r k s 总线具有完整的7 层协议，通信方式和网络结构形式较多，节点数 也较多。f f 总线的f f - h 1 网络具有物理层、数据链路层和应用层，并在应用层之 上增加了用户层，构成了四层结构的通信模型，低速网络有总线和树型两种网络 结构。 各种现场总线为了互操作的需要，都具有一定的开放性。c a n 总线和l o n w o r k s 总线都分别具有各自的固化于芯片中的协议，f f 总线则支持功能块模型，通过标 准化对象字典( o d ) 和设备描述语言( d d l ) 来统一描述功能块和它们的参数。 通过以上比较可知，c a n ，l o n w o r k s 和f f 这三种现场总线各具特点，都具有 第一章绪论 不同的适用范围：c a n 总线具有结构较为简单、应用灵活方便、可靠性强、价格低 廉等优点，越来越受到工业界青睐。l o n w o r k s 总线由于其协议结构完整，通信方 式多样，适用于现场控制，过程控制到产品控制，最适于楼宇自动化，具有较广 泛的应用前景。f f 总线的适用范围由现场控制到过程控制，具有良好的发展前景。 表1 1 几种现场总线性能的比较 t a b l e1 1s e v e r a lf i e l d b u sp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 名称 f fp r o f i b u sl o n w o r k sc a n 性能好中中中 安全性 局中中中 物理安装简便一般较好一般 标准性高 低较高低 开放性好较好较好好 互可操作性 强低低低 1 4 本文的研究内容 c a n 总线是现场总线的一种，既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系 统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连 接成网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、 报警、监控、优化及控管一体化的综合功能。其规模属于局域网、总线型结构， 简单但能满足汽车控制的需要。c a n 总线传输的信息帧短小，可靠性高。c a n 总线 己经形成国际标准，广泛应用于欧美轿车，被公认为几种最有前途的现场总线之 一。 在我国，c a n 总线技术的研究开发还刚刚起步，完全国产化的、应用c a n 总线 控制动力系统的汽车还没有；c a n 总线在车身控制方面的应用还仅限于开关量控制 ( 如车灯、车门等) 。本课题所研究的c a n 总线车身控制系统，可以简洁汽车网络 的设计、促进产品的实用化和低成本化。 本文主要研究内容如下： c a n 总线系统原理研究。 c a n 总线应用层网络协议和通讯规范研究，在c a n 技术规范c a n 2 o b 的基础 上，完成车身控制系统应用层协议的制定。 c a n 总线体系结构的优化及功能定义，建立网络系统模型，对汽车c a n 总线 车身控制系统的做总体设计。在这个c a n 总线网络中，总共有前节点、后节点、 左节点、右节点、主节点、等五个节点，它们之间通过c a n 网络交换各种信息。 c a n 总线系统硬件布线及可靠性与抗干扰设计和控制系统软件开发。该节 第一章绪论 9 点以i n f i n e o nx c l 6 7 c i 为核心，采用p c a 8 2 c 2 5 0 的c a n 总线接口电路，同时进行 了控制节点的软件设计，编写c 程序实现节点间的通信过程，将程序按基本功能 划分为若干模块，提高程序的易读性、可复用性。 第二章c a n 总线协议及通讯原理 1 0 第二章c a n 总线协议及通讯原理 2 1 c 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：8 1 c 1 2 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； 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，通信方式灵活，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各份系统； 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 4us 内得到传输； 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，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不 会出现网络瘫痪情况； 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”； c a n 的直接通信距离最远可达l o 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 ) ； 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 o a 标准帧报文中标识符有1 1 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； 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； 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； 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； 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。 2 2c a n 总线网络协议技术规范 2 2 1c a n 总线的分层结构 c a n 总线规范规定了任意两个c a n 节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解 释协议，为保证设计使用的透明性及执行的灵活性，c a n 协议分为三层：目标层、 传送层、物理层。其中目标层及传送层包括了i s o o s i ( i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d i z a t i o n0 r g a n i z a t i o n 0 p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 定义的数据链路 第二章c a n 总线协议及通讯原理 层所有功能。c a n 协议 应用层 目标层 报文滤波 报文的状态处理 传送层 故障鉴定 错误检测和标定 报文校验 应答 总线仲裁 报文分帧 传输速率和定时 物理层 信号电平及位表示 传输媒体 图2 1c a n 总线协议分层结构 f i 醇1h i e r a r c h i c a ls 仃u c t u r eo fc a n - b u sp r o t o c o l 目标层的功能包括： 确认哪个信息是要发送的； 确认哪个传送层接收到了信息； 为应用层提供接口。 在目标处理方面，c a n 提供很大的自由。 传送层的功能范围包括： 帧组织； 总线仲裁； 检错、错误报告、错误处理。 物理层是将e c u 连接至总线的物理实现。e c u 的总数将受限于总线上的电气负 载。 c a n 协议技术规范严格遵循i s 0 o s i 参考模型1 6 1 1 射，将c a n 分为数据链路层和 物理层，数据链路层和物理层功能框图如图2 2 所示。 第二章c a n 总线协议及通讯原理1 2 图2 2 数据链路层和物理层功能框图 f i 9 2 2d a t al i n kl a y e ra n dp h y s i e a ll a y e rf u n c t i o n a ld i a g r a m 2 2 2c a n 总线协议的数据链路层川伽2 2 1 按照i e e e 8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路层又分为：逻辑链路控制( ( l l c ) 和媒 体访问控制( m a c ) 。1 1 1 2 逻辑链路控制( l l c - l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) l l c 子层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。l l c 帧是同l l c 实体( l p d u ) 之间进行交换的数据单元，包括l l c 数据帧和远程帧。 1 ) l l c 数据帧 l l c 数据帧由三个位域构成，即标志符域、数据长度码( d l c - d a t al e n g t hc o d e ) 域和l l c 数据域组成。 标识符：标识符长度为1 1 位，其最高位应全是“1 。 d l c ：指出数据域字节个数。d l c 由4 位构成，数据域长度可为0 ，数据帧允 许数据字节长度数目范围为0 8 个字节。 数据域：数据域由数据帧内被发送数据组成，它可包括o 8 个字节，每个字 节包括8 位。 2 ) l l c 远程帧 l l c 远程帧由两个位域( 标识符域和d l c 域) 组成。l l c 远程帧标识符格式与l l c 数据帧标识符格式相同，只是不存在数据域。d l c 的数值是独立的，此数据为对应 第二章c a n 总线协议及通讯原理 数据帧的数据码长度。 媒体访问控制( m a c m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) m a c 子层划分为完全独立工作的两个部分，即发送部分和接收部分。发送部分 功能包括：发送数据封装；发送媒体访问管理。 接收部分功能包括：接收媒体访问管理：接收数据封装。 媒体访问控制m a c 除了有与逻辑链路控制l l c 一样的数据帧和远程帧两部分 外，还有出错帧、超载帧、帧间空间三个部分。 1 ) m a c 数据帧 一个m a c 数据帧由帧起始( s o f ) 、仲裁域、控制域、数据域、e r e 域、a c k 域 和帧结束七个不同位域构成。 2 ) m a c 远程帧 激活为数据接收器的节点可以通过发送一个远程帧启动源节点发送各自的 数据。一个远程帧由6 个小同的位域构成。 其中，仲裁域由来自l l c 子层的标识符域和r t r 位构成。在m a c 远程帧中， r t r 位数值为“1 ”，其中6 个不同的位域与m a c 数据帧的相应位域相同。 3 ) 出错帧 出错帧由两个不同域构成，第一个场由来自不同节点的错误标志叠加给出， 第二个场为错误界定符。 4 ) 超载帧 存在两类具有相同格式的超载帧：l l c 要求的超载帧和重激活超载帧，前者为 l l c 子层所要求，以表明内部超载状态，后者将由m a c 子层的一些出错条件被启动 发送。超载帧包括两个位域：超载标志和超载界定符。 5 ) 帧间空间 数据帧和远程帧同前述的任何帧以称之为帧间空间的位域隔开。与此相反， 超载帧和错误帧前面不存在帧间空间，并且多个超载帧也不用帧间空间分隔。帧 间空间包括间歇域和总线空闲域，并且对于先前帧己发送“错误一认可”的节点还 有暂停发送域。间歇域由3 个“隐性 位构成。间歇期间不允许节点发送数据帧 或远程帧，仅起标注超载条件的作用。总线空闲时间可以是任意长度。总线空闲 时，任何节点均可访问总线以便发送。其它帧发送期间，等待发送的帧在紧随间 歇域后的第一位启动。如果在总线空闲期间检测到总线上“显性 位将被理解为 帧起始。 媒体访问和仲裁 当检测到间歇域未被“显性”位中断后，认为总线被所有节点释放。总线一 旦释放，接收当前或先前帧的“错误一活动 节点可以访问总线。一旦完成暂停的 第二章c a n 总线协议及通讯原理 1 4 发送，并且其间没有其它节点开始发送。发送当前帧或已发送完先前帧的“错误一 认可 节点可以访问总线。当允许节点访问总线时，m a c 数据帧和m a c 远程帧可以 起始发送。m a c 错误帧和m a c 超载帧按上述规定被发送。发送期间，发送数据帧或 远程帧的每个节点均为总线节点。 c a n 总线数值为两种互补逻辑数值之一：“显性”或“隐性 。“显性 ( d o m i n a n t ) 数值表示逻辑“0 ”，而“隐性”( r e c e