（机械电子工程专业论文）基于canopen的车身控制系统研究与实践.pdf

基于c a n o p e n 的车身控制系统研究与实践 摘要 c a n 总线广泛应用于目前的汽车车身电子系统，它简化了车内线束的布置 以及后期维护，更重要的是带来了各汽车电子系统之间的信息和资源共享。打 破国外汽车厂商的技术壁垒，创建或者寻找适合我国汽车电子系统的c a n 总线 应用层协议，实现国产车信息与资源的便利共享，是需要迫切解决的问题之一； 同时，面对汽车车身电子产品需求变化迅速，质量要求日渐严格，但产品研发 周期缩短所带来的挑战，寻找一种能够快速开发汽车车身电子嵌入式软件的方 法，对于提高我国汽车电子行业核心竞争力，缩短我国同国外技术水平的差距， 具有积极的作用和意义。本文以广东省教育部产学研结合项目为依托，广泛收 集国内外研究资料和信息，对主流的c a n 应用层协议以及基于模型的嵌入式 软件开发方法均进行了研究与分析。 首先，对主流c a n 应用层协议的特点以及应用情况进行了比对分析，指出 了c a n o p e n 协议在汽车c a n 网络中使用的优势。然后，利用有限状态机理论， 结合s t a t e f l o w 工具，建立了c a n o p e n 的框架模型，所得模型可集成到不同硬 件的底层驱动软件中，并生成针对特定硬件的嵌入式代码，生成的代码可以用 于软件在回路仿真，硬件在回路仿真，甚至是产品级代码之中。此外，针对汽 车c a n 网络数据传输量大，实时性要求较高的情况，将最早截止期优先算法 ( e d f ，e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ) 引入到了汽车c a n 网络中，并对其关键问题， 相对截止期的编码进行了研究，研究了基于指数编码的方法，并进行了仿真与 验证。最后，讨论c a n o p e n 协议在总线式车身控制系统中的应用情况，设计了 系统的总体结构和硬件方案，并且重点阐述了c a n o p e n 协议在其中的应用方 法，以及基于真值表的车身逻辑规则判断软件的快速开发方法。 关键词：车身控制、c a n 、c a n o p e n 、s t a t e f l o w 、对象字典、有限状态机 r e s e a r c ha n dp r a c t i c eo fb o d yc o n t r o l s y s t e mb a s e d o nc a n o p e n p r o t o c o l a b s t r a c t c a nb u si sw i d e l yu s e di nc u r r e n ta u t o m o t i v ee l e c t r o n i cs y s t e m s ，i ts i m p l i f i e st h e d e s i g no fv e h i c l ew i r i n gh a r n e s s ，m o r ei m p o r t a n t l y ，b r o u g h ti n f o r m a t i o na n dr e s o u r c e s h a r i n gb e t w e e nt h ee l e c t r o n i cs y s t e m so ft h ec a r t ob r e a kt h et e c h n i c a lb a r r i e r st of o r e i g n a u t o m o t i v em a n u f a c t u r e r ，c r e a t i n go rf i n d i n ga s u i t a b l ya p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo fc a n b u st oc h i n a s a u t o m o t i v e ，t oa c h i e v ed o m e s t i cv e h i c l et of a c i l i t a t et h es h 丽n go f i n f o r m a t i o na n dr e s o u r c e s ，i so n eo ft h ep r o b l e m sn e e du r g e n ts o l u t i o n ；a tt h es a m et i m e ， t h ef a c et h ec h a l l e n g e so fr a p i dd e m a n dc h a n g e si na u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sp r o d u c t ，t h e i n c r e a s i n g l ys t r i n g e n tq u a l i t yr e q u i r e m e n t s ，t h es h o r t e n e dp r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，t o f i n daw a yt oq u i c k l yd e v e l o pa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c se m b e d d e ds o f t w a r e ，i ti sa l la c t i v e r o l ea n ds i g n i f i c a n c et oc h i n a sa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c si n d u s t r yf o ri m p r o v i n gt h ec o r e c o m p e t i t i v e n e s sw i t hf o r e i g na u t oe l e c t r o n i c sa n dr e d u c i n gt h es k i l ll e v e lo ft h eg a p i nt h i s p a p e r ，u n d e rt h eh e l po fp r o j e c t so ft h em i n i s t r yo fe d u c a t i o na n dg u a n g d o n gp r o v i n c e ， e x t e n s i v e l yc o l l e c t e dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hd a t aa n di n f o r m a t i o n ，t h em a i n c a na p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l ，a n dm o d e l b a s e de m b e d d e ds o f t w a r e d e v e l o p m e n t m e t h o d sw a ss t u d i e da n da n a l y z e d f i r s t ，m a i n s t r e a mf e a t u r e so fc a na p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o la n da p p l i c a t i o nw a sc o m p a r e da n d a n a l y z e d ，p o i n t e do u tt h es u p e r i o r i t yt h a tt h ec a n o p e np r o t o c o lu s e di nt h ea u t o m o t i v ec a nn e t w o r k t h e n ，t h ef i n i t es t a t em a c h i n et h e o r y , c o m b i n e dw i t hs t a t e f l o wt o o l sw a su s e d ，af r a m e w o r kf o rm o d e l c a n o p e nw a se s t a b l i s h e d t h eo b t a i n e dm o d e lc a nb ee a s i l yi n t e g r a t e dw i t hd i f f e r e n tu n d e r l y i n g h a r d w a r ed r i v e rs o f t w a r e ，a n dg e n e r a t e dh a r d w a r e s p e c i f i ce m b e d d e ds o f t w a r ec o d e ，t h eg e n e r a t e dc o d e c a nb eu s e df o rs o f t w a r ei nl o o ps i m u l a t i o n ，h a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o n ，a n de v e np r o d u c t i o nc o d e i n a d d i t i o n ，t h ea u t o m o t i v ec a nn e t w o r k sf o rd a t at r a n s m i s s i o nc a p a c i t ya n dt h er e a l t i m er e q u i r e m e n t s a r er e l a t i v e l yh i g h ，t h ee a r l i e s td e a d l i n ef i r s ta l g o r i t h m ( e d f , e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ) w a si n t r o d u c e dt o t h ea u t o m o t i v ec a nn e t w o r k s ，a n di t sk e yi s s u e s t h er e l a t i v ed e a d li n eo fc o d i n g ，h a sb e e ns t u d i e d ， p r o p o s e dt h em e t h o db a s e do ni n d e xc o d i n g ，t h es i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o nw a sd o n e f i n a l l y , s t u d e dt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ec a n o p e np r o t o c o li nb o d yc o n t r o ls y s t e m ，s y s t e ms t r u c t u r ea n dh a r d w a r e s o l u t i o nw a sp r o p o s e d ，a l s os t u d i e dt h ed e v e l o p m e n tm e t h o do fl o g i c a lr u l e sj u d g e m e n ts o f t w a r eb a s e d o nt r t i t ht a b l e k e y w o r d s ：b o d yc o n t r l ；c a n ；c a n o p e n ；s t a t e f l o w ；o b j e c td i c t i o n a r y ；f s m 插图清单 图1 1 总线式车身控制系统架构1 图1 2 基于模型的设计过程5 图2 1 数据帧格式9 图2 2s a ej 1 9 3 9 协议数据单元1 0 图2 4 预定义连接集i d 1 9 图3 1 典型的s t a t e f l o w 模型2 0 图3 2 转移标签的完整表达形式2 1 图3 3 协议的整体结构2 2 图3 4 报文分类流程图2 3 图3 - 5 报文分类触发流程图2 3 图3 - 6 n m t 报文处理模块的并行结构2 4 图3 7 s e l e c t s t a t e 中的图形处理函数2 5 图3 - 8 n m t s l a v e 的状态图结构2 5 图3 - 9p d o 报文的选择分支结构2 7 图3 - 1 0 s d o 流程跳转图形函数2 8 图3 一l1 s y n c 的周期性发送结构2 9 图3 - 1 2 添加的头文件3 0 图3 一1 3 添加的c 源文件3 0 图4 1 优先级编码安排j 3 3 图4 2 截止期指数分区3 3 图4 - 3 c a n 网络e d f 调度节点3 5 图4 4 m a t l a b s i m u l i n k 中的调度节点3 6 图5 - 1 b c m 的总体结构3 9 图5 2 开关检测节点4 0 图5 3m c 3 3 9 7 2 典型应用4 1 图5 - 4 采集开关量信号电路4 2 图5 5 p c a 8 2 c 2 5 0 的典型应用电路4 3 图5 6 c a n 驱动电路4 3 图5 - 7 功率驱动节点的设计4 4 图5 - 8 l 9 8 2 3 控制近光灯的电路4 5 图5 9 左右门节点的设计方案4 6 图5 1 0l 9 9 5 0 在车门控制模块中的应用4 7 图5 一li c a n o p e n 下的系统控制结构4 8 图5 一1 2 开关检测节点中的软件结构4 9 图5 - 1 3c a n o p e n 设备定义的数据结构4 9 图5 - 1 4 前照灯的逻辑规则5 2 图5 1 5 s t a t e f l o w 中的真值表5 3 图5 - 1 6 基于真值表的车身控制逻辑判断5 4 图5 - 1 7 在c a n o e 中添加模型5 5 图5 - 1 8 选择代码生成目标5 5 图5 一1 9 仿真节点以及界面5 6 图5 2 0 各种操作情况下产生的仿真结果5 6 表格清单 表2 - 1d e v i c e n e t 报文组的定义1 1 表2 2n m t 报文格式1 3 表2 - 3n m t 命令字的含义1 3 表2 4s d o 报文的基本格式1 1 3 表2 5s d o 报文的基本格式2 1 3 表2 6s d o 启动域下载报文命令格式1 4 表2 7s d o 域分段下载报文命令格式1 4 表2 8s d o 启动域上传报文命令格式1 5 表2 9s d o 域分段上传报文命令格式1 5 表2 1 0s d o 域传输中止报文命令格式1 5 表2 - 1ls d o 启动块下载命令格式1 5 表2 - 1 2p d o 报文映射参数1 6 表2 - 1 3p d o 报文发送的实例1 7 表2 1 4n m t 从节点对节点报文的应答1 7 表2 - 1 5 节点状态值的含义1 7 表2 一1 6 对象字典索引范围1 8 表3 - 1 各个状态可使用的通信对象2 6 表3 - 2 事件响应动作2 6 表3 - 3s d o 报文字节o 的命令分类2 8 表4 - 1 编码方法比对3 6 表4 - 2 不可调度的一组消息集3 7 表5 - 1c a n o p e n 设备域的详细定义5 0 表5 - 2r p d 0 1 ，数字i o 输出的通信参数设置5 0 表5 - 3r p d 0 1 的映射参数的配置如下5 0 表5 - 4t p d o 通信参数5 l 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目巴工些厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同忠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。 学位论文作者签字乡仁彩移 字日期：渊汐年垆月z 明 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥胆三 些叁堂有关保留、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磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金壁王些盔 三i l 可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名：洲懈 签字日期：沙矽年中月2 z 日 学位论文作者毕业后去向： j i ：作单位： 通讯地址： 导师签名： 狄叫 签字日期：扫。年中月彩、，日 电话： 邮编： 致谢 时光匆匆，三年的研究生生活转瞬即逝。我很荣幸能够成为安全关键工业 测控技术教育部工程研究中心的一员，在这里我不仅学习了很多专业知识，而 且还锻炼了与人沟通交流的能力，为踏入社会提前做了准备。 值此论文完成之际，我首先要感谢我的导师张利教授。论文的成稿过程凝 聚了张老师的精心点拨。张老师渊博的知识、严谨求实的态度以及不断进取、 精益求精的精神，使我受益匪浅。张老师不仅在学术科研上给予了我悉心指导， 而且还将学生视为自己孩子一般教育培养，帮助我解决工作和生活中的困惑。 其淳淳教诲我一直铭记在心，在此谨向张老师致以崇高的敬意和由衷的感谢! 还要感谢王跃飞老师，这篇论文完成的整个过程中以及平时的生活和学习 中间，一直得到王老师的关心和指导。同时要感谢张本宏老师和胡庆新老师， 两位老师在平时的点滴中教导我为人处事、科研求知的方法，使我受益良多。 在此向三位张老师谨表深深的感谢。 感谢实验室的吴晔老师、翟琰老师、刘国田老师、魏振春老师、史久根老 师、石雷老师等在项目实施过程中给与我的指导和无私帮助。在此对各位老师 谨表深深的感谢。 还要感谢和我朝夕相处的各位同学冯静、孙维乙、穆海芳、金未平， 赵佛晓、孔丽、程龙、陈旭辉、彭浩、刘梦阳，周涛，张参参等同学，他们在 我学习和生活上给了我许多关心和帮助，与他们的讨论使我得到了很大的进步 与提高。 感谓f 母校合肥工业大学的培养和教育，感谢机械与汽车工程学院的老师们 这些年来对我的培养和教育。 特别要感谢一直关心支持我的父母，你们不但养育了我，而且一直支持我 的求学生涯，鼓励我向更高的目标前进。在此向我的父母致以崇高的敬意! 最后，感谢所有在我的人生路上曾经支持、鼓励、帮助过我的人，再次谢 谓十你们! 作者：张伟伟 2 0 1 0 年4 月 第1 章绪论 1 1 研究课题的背景 随着我国社会的发展以及人民生活水平的提高，人们对汽车的功能和质量 需求越来越高，相应地，汽车整车厂的新车研发周期不断缩短，每年推出的新车 型不断增多。以上因素导致了。车身控制系统类产品研发周期逐渐缩短，而 产品的功能需求更加复杂，对于产品的研发提出了更高的要求。因此，寻找一 种能够快速的实现车身控制逻辑的软件开发方法并且能够快速响应需求的变更 是一个需要进行深入研究的课题。 1 1 1 车身控制系统概况 汽车车身控制系统是对车身电器，包括内外照明灯具、雨刮器、车窗、门 锁、座椅以及后视镜等进行操控的电气系统，是保证行车安全和乘坐舒适的重 要设施“1 。传统的车身控制系统依靠复杂的线柬来连接电器，导致车内线柬布 置复杂，给汽车的设计，生产装配以及售后维修都带来不便。同时，复杂的车 内布线，也带来了线束使用量和车辆重量增加，以及成本上升等问题。 近年来在中高档汽车上，车身控制系统正逐渐被由现场总线连接的车身电 控模块所取代”1 。使用了总线式车身控制系统的车内布线如图1 - 1 所示，总线 式车身控制系统将传统的多点连接转变为了串行通信结构大大简化了车内的 线束连接，简化了车内线束布置韵设计，生产装配以及后期维护工作，减少了 线束的使用量。同时，总线式车身控制系统可靠性高，功能强，更加人性化， 将成为车身控制的主流技术，是汽车车身控制系统的发展方向。 圈1 1 总线式车身控制系统莱构 1 1 2c a n 应用层协议在汽车中的作用 c a n ( c o n t r o l le ra r e an e t w o r k ，控制器局域网络) 总线是德国博世公司 为解决现代车辆中众多的控制和数据交换问题开发出来的一种现场总线通信协 议 1 。c a n 总线硬件连接简单且传输速度快，因而具有有良好的可靠性、实时 性和性价比，目前已被众多汽车企业采用。c a n 已经成为汽车电子系统中使用 的底层总线标准之一。 目前国外大的汽车企业( 如戴姆勒一克莱斯勒、大众、福特、通用等) 已经 分别制定了c a n 总线协议的应用层标准，这些标准已经成为这些企业的核心技 术之一。它的一个重要作用就体现在：提供握手信号。这是国外厂商建立技术 壁垒的关键。如果国内的汽车电子供应商产品的c a n 节点规范不符合其握手信 号标准，那么该产品将无法替换原有产品。而要获得该握手信号，则会受到国 外厂商设置的诸多限制，这最终导致了国内汽车电子产品供应商的产品无法进 入国外汽车电子厂商的c a n 总线产品，从而形成了牢固的技术壁垒。同时，制 定c a n 应用层协议可以规范各个电子系统的通信，改善其通信质量，方便系统 的集成和移植。除此之外，c a n 应用层协议可以保证汽车电子系统之间通信的 安全性，在与动力和安全相关的系统中，部分c a n 通信内容是需要保密的，这 也是制定c a n 应用层协议的重要作用。 c a n o p e n 协议是为基于c a n 的分布式工业自动化系统定义的应用层通信标 准哺1 。c a n o p e n 在发布后不久，就获得了广泛的承认，c a n o p e n 在欧洲被认为是 在基于c a n 的工业系统中占领导地位的标准h 。c a n o p e n 协议是开放的，制造 厂商遵循c a n o p e n 协议设计的产品根据能够进行兼容和相互替换哺1 。将c a n o p e n 协议应用到汽车车身控制的c a n 网络中之后，可以完成上面提到的c a n 应用层 协议的作用，而且由于c a n o p e n 协议得到了广泛的使用，因此它能够避免c a n 应用层协议的重复开发，缩短产品开发的周期和成本，降低各个汽车电子系统 集成的难度，改善系统的兼容性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 车身控制系统的发展趋势 目前，国内绝大多少车型都具备一定的车身电子控制系统功能，所采用的 控制方式主要有三种：第一种是分散式车身控制系统，目前国内市场上采用该 控制方式的车型主要是经济型轿车，这些车型的各个e c u 控制模块之间没有相 互隔离且没有联系的，车身控制系统功能是由若干个独立的电子控制单元共同 实现控制功能的；第二种是集中式车身控制系统，目前国内市场上采用该控制 方式的车型较少，而国外早期高级车都采用这种控制模式，它是一种以车身控 制e c u 为核心的星型结构，该e c u 连接所有的输入与输出，即所有的车身开关 以及传感器的输入信号的采集均是在一个车身控制e c u 上完成的，然后根据相 2 应的车身控制系统逻辑，经车身控制模块判断、处理后，输出控制相应的设备 驱动信号；第三种是总线式控制系统，国内市场上采用该技术的多为中高档轿 车，这种方式根据车身电器设备在车上的空间布置情况，将车身控制系统分解 为几个控制e c u 模块，各个e c u 模块就近控制相应的设备，各个e c u 模块之间 通过总线连接通信和信息共享阳旧川。 当的的一个发展趋势是，经济型轿车中逐渐普及分布式车身控制系统。分 散式车身控制技术是目前的主流控制技术，目前仍然占有最大的市场份额。随 着技术的发展以及车辆对车身控制系统要求的提高，基于总线的分布式车身控 制技术已经得到了加快普及和发展，该技术将成为今后汽车车身控制技术的发 展趋势。目前针对分布式车身控制技术的研究，主要集中在研究使用c a n 总线， l i n 总线或者c a n l i n 混合总线的车身控制系统。在总线式式车身控制系统中， c a n 应用层协议，尤其是c a n o p e n 应用层协议的使用还不多见。 1 2 2c a n o p e n 在国内外的应用情况 c a n o p e n 应用层协议在国外已有很多方面的应用：在美国，c a n o p e n 协议已 经成为了诸如铁路机车等公共运输设备和大型装载机械的协议标准，；在欧洲， c a n o p e n 协议已被广泛的应用到诸如x 射线检测，核磁共振等医疗装置中，并 进一步扩展应用到保安控制系统中引。现在，在公共交通工具，越野车，海上 电子和建筑自动化和一些大型的机器中，c a n o p e n 协议已获得广泛应用。目前， 国内已经将c a n o p e n 协议应用在智能消防水炮系统，印刷机张力控制系统以及 列车通信网络中n 3 儿吲。在我国的工业控制系统中，c a n 应用层协议主要是应 用d e v ic e n e t 协议，c a n o p e n 协议目前在汽车c a n 网络控制系统中的使用还处 于起步研究阶段，已经有学者对基于c a n o p e n 协议的汽车控制网络进行了初步 的研究，也还有学者开始在汽车仪表上使用c a n o p e n 协议n 6 。 1 3 有限状态机与s t a t e f l o w 建模 1 3 1 有限状态机理论 有限状态机( f s m ：f i n it es t a t em a c h if i e ) 又称为有限状态自动机或简称 状态机，是表示有限个状态以及这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型， 它是一种算法思想，由一组有限个数的状态、若干输入事件和变量、一个默认 的初始状态和根据输入及现有状态转换为下一个状态的转换函数组成引。有限 状态自动机是具有离散输入信号和输出信号系统的一个数学模型，它主要有以 下几方面的特点： 1 ) 、系统具有有限个状态，不同的状态代表不同的意义。按照系统实际的 需求，在不同的状态之下完成规定的不同任务。 2 ) 、可以将输入信号汇集在一起构成一个输入信号表，系统处理的所有输 入均在该表中。 3 ) 、系统中有一个状态，它是系统的初始状态和默认状态，系统启动初始 化之后就进入该状态。 4 ) 、有新的输入信号进入系统时，有限状态机根据当前的状态和读入的输 入信号转移到新的状态。 有限状念机理论是系统理论的一个组成部分，它的理论来源有：信息论、 线性系统理论、控制论和柔性制造系统理论，目前该理论在硬件领域用于电路 设计，在软件领域则用于搜索引擎，编译器现实，以及游戏开发中的人工智能 岔占【1 9 】 弋to 1 3 2s t a t e f l o w 开发环境 s t a t e f lo w 开发工具是以有限状态机理论作为基础开发的建模仿真工具，是 集成于s i m u lin k 中的图形设计与开发工具，主要用于针对控制系统中的复杂控 制逻辑进行设计建模和仿真验证，或者说，该开发工具适用于事件响应系统设 计建模和仿真验证，它主要是利用状态图、流程图对事件响应系统进行设计建模 和仿真验证，该开发工具具有直观地可视化的模型和一定的仿真能力，可以简单 明了地描述复杂的动态逻辑控制系统心0 1 。无论是各种汽车电子控制系统( 例如： 车身控制，汽车音响控制以及空调控制等) 、大型的有线和无线通信网络还是 计算机操作系统、以及航空航天电子控制系统中，都存在着事件驱动系统，事 件驱动系统它其实无所不在。使用该开发工具主要可以完成以下功能： 对各种自动控制系统建模：该工具的主要用途就是对控制系统进行建模 和仿真。例如，可以认为车身控制系统是一个复杂的事件驱动型的逻辑 控制系统，当开发车身控制系统软件时，就可以利用该工具对建立车身 控制逻辑的算法模，利用该模型可以模拟各种开关输入信号作用下，车 身控制逻辑的动态过程，从而快速确定系统的功能并得到原型代码。 可视化开发复杂的逻辑控制系统：该工具提供了图形化编程函数工具， 可以利用图形的方式，直观的编写各种常用的函数结构。 控制状态逻辑的切换：当针对复杂逻辑系统进行建模的时候，往往需要 建立各个子系统之间的相互关联关系，这个时候就可以使用该工具进行 其中的逻辑控制和约束。 从上面的介绍中可以看出，基于有限状态机理论以及s t a t e f lo w 工具进行的 控制系统建模与开发利用了基于模型驱动的开发思想，因此，它具有基于模型 驱动的控制系统开发方法的独特优势与特点。 1 3 3 基于模型开发的优势与特点 基于模型驱动的控制系统开发就是在系统的设计过程中，以控制系统的若 4 干模型来传递所有的设计工作信息，所有工程师的工作都是在模型上进行的， 完成自己关注的开发任务，生成新的模型，然后交付新的模型给其他的工程师 进行开发，最后还可以利用代码自动生成工具，直接生成用于测试的代码，甚 至是用于控制系统中的嵌入式系统代码妇。图卜2 所示就是基于模型的控制系 统设计过程。 图卜2 基于模型的设计过程 在基于模型驱动的控制系统设计过程中，承担不同设计任务的工程师均在 相同的环境下完成控制系统模型的开发工作，在他们之间传递的除了设计文档 之外，主要是控制系统的控制模型，而随着开发工作的不断进行，每个工程师都 要把自己的设计工作增加到相应的模型中心引。当需要具体实现产品或者进行测 试时，只要通过自动代码生成就可以迅速地完成代码生成、硬件实时仿真与测 试，甚至还可以生成直接应用于产品的嵌入式代码，避免了大量的手写代码工 作1 。 采用基于模型的系统设计主要解决了传统设计手段中手写规范文档效率较 低、测试工作需要在项目即将完成的后期阶段才可以进行等问题，它具有如下 的优势： 能够发现设计规范中的错误并加以纠正。 测试与验证贯穿于整个开发过程，可以对整个开发过程进行质量控制。 代码自动生成以及代码快速变更。 c a n 总线是事件触发型总线协议，而基于c a n 总线的车身控制系统也可以 看作是事件触发型控制系统。利用s t a t e f l o w 工具建立c a n o p e n 模型以及车身 控制逻辑模型，将可以快速实现c a n o p e n 协议栈以及汽车车身控制系统软件的 源代码。 1 4 本文的课题来源以及主要内容和结构 1 4 1 课题来源 课题来源于广东省教育部产学研结合项目“基于c a n 的车用网络系统集成 协议及系统开发( 编号：2 0 0 8 8 0 9 0 5 0 0 2 2 6 ) 。课题的另外一个来源为高等学 校博士学科点专项科研基金“安全关键分布式实时系统设计方法及关键问题研 究 ( 编号：2 0 0 7 0 3 5 9 0 2 8 ) 。 1 4 2 本文的主要研究内容和结构 本文在详细分析c a n o p e n 协议的基础上，基于有限状态机理论以及 s t a t e f l o w 工具对该协议进行设计建模，并将对改善c a n o p e n 实时性的调度问 题进行研究。本文结合总线式车身控制系统的特点，研究了c a n o p e n 协议在基 于总线的分布式车身控制系统中应用，同时本文研究了基于有限状态机理论的 车身控制系统车身逻辑规则判断软件设计开发中的方法。论文最后还利用汽车 总线设计工具一c a n o e ，对设计的车身控制系统进行了仿真与验证。 本论文共分成五章，具体内容安排如下： 第一章主要介绍研究内容，研究背景以及意义。具体介绍了车身控制系统 的发展趋势，c a n 总线应用层协议在汽车上的使用情况以及c a n o p e n 协议的国 内外研究现状，以及基于模型驱动的软件设计的应用情况和优势。 第二章首先对c a n 协议以及c a n 应用层协议一一d e v i e n e t ，s a ej 1 9 3 9 ， c a n o p e n 进行了介绍，然后详细分析了c a n o p e n 协议，分析了c a n o p e n 协议中 各种通信对象的工作原理和作用，对c a n o p e n 协议的设对象字典进行了分析。 第三章在第二章对c a n o p e n 协议进行分析和理解的基础上，利用有限状态 机理论以及s t a t e f l o w 工具对c a n o p e n 协议进行了建模设计，重点对n m t 报文， p d o 报文以及s d o 报文的建模进行了研究。 第四章研究了改善c a n o p e n 协议实时性的方法。本章首先对c a n o p e n 主站 实时性进行了需求分析，介绍了常用的固定优先级调度算法和动态优先级调度 算法。然后研究了利用e d f 调度算法改善c a n o p e n 实时性的方法，针对截止期 可编码范围有限导致的可调度消息集有限的问题，研究了改善e d f 算法截止期 编码的方法。 第五章首先建立了车身控制系统的总体结构以及各个硬件模块的设计方 案，然后研究了c a n o p e n 协议在总线式车身控制系统中的应用，研究了车身控 制系统输入输出信号在c a n o p e n 对象字典中的存储方法。本章还利用s t a t e f l o w 工具对车身控制逻辑进行了建模，并研究了利用真值表的方法简化系统模型， 提供模型可读性，可修改性的方法。在本章，本文还利用汽车总线设计仿真工 具一一c a n o e ，对设计的基于c a n o p e n 协议的车身控制系统进行了仿真验证。 第六章为对全文的总结与展望。 6 1 5 第一章小结 本章首先分析了车身控制系统的发展趋势以及c a n 总线和c a n 应用层协议 在车身控制系统中的应用情况，指出了基于总线的分布式车身控制系统是未来 的发展趋势和主流，同时指出了c a n 应用协议在汽车电子控制系统以及车身控 制系统中应用的重要意义。随后分析了c a n o p e n 协议的国内外的发展情况和应 用情况，并指出了将其应用于车身控制系统中的优势。面对汽车车身控制系统 软件开发的挑战，本文拟使用基于模型驱动的嵌入式软件开发方法的解决方案。 最后给出了本文的主要结构和各个章节的主要内容安排。 7 第2 章c a n 总线及其应用层协议 2 1c a n 总线概述 c a n 是被广泛应用于汽车中的一种现场总线技术，采用c a n 总线技术构建汽 车控制系统的网络通信平台，以串行结构的总线代替并行结构的线束，实现信 息的分布式多路传输，可方便地实现各部件之间的信息交互和共享心引。目前c a n 广泛应用于汽车电子的控制领域。 2 1 1c a n 总线的主要特点 c a n 总线为事件触发型的现场总线，其主要特点如下： 1 ) 、数据传输速度高，最高达i m b p s ( 通信距离现在在4 0 米以内时) ；传输 距离远，最远传输距离达1 0 0 0 米( 通信速度在5 k b p s 时) ，其通信速度还可以 在5 k b p s i m b p s 的范围内进行调整( 通信距离有相应的限制) 。 2 ) 、可使用双绞线或者同轴电缆作为传输介质，传输介质成本较低。 3 ) 、c a n 每帧最多传输8 字节数据，数据帧短，传输快速，错误率低。 4 ) 、采用逐位仲裁机制，高优先级数据的传输不受仲裁的影响。 5 ) 、错误检测和校正能力强。 6 ) 、具有远程数据请求功能。 7 ) 、可以在不修改软件和硬件的情况下，在c a n 网络中加入新的c a n 节点。 c a n 节点还可以判别暂时错误和永久性错误节点，有故障的节点可以自动脱离 总线。 2 l2c a n 报文格式 c a n 总线定义了数据帧，远程帧，错误帧和超载帧这4 种报文帧，分别是： 1 ) 数据帧，用于传输数据，可以传输1 8 个字节的数据；2 ) 远程帧，用于请求 远程发送数据，收到该报文的其它节点会发送与这帧相同标识符的数据帧；3 ) 错误帧，节点出现错误时发送该报文，用于标示错误节点；4 ) 超载帧，用于请 求下一数据帧或远程帧来之前加入延时5 1 。随着处理器性能的提高，目前超载 帧报文已经很少出现在应用当中，本文不具体介绍。 下面主要对数据帧和远程帧的格式进行详细介绍。 数据帧 数据帧的组成如图2 2 所示。数据帧有7 个不同的域，7 个位域分别是：帧 起始、帧结束、仲裁域、应答域、数据域、控制域、c r c 校验码。 _ 览lh j | 闩j 隔 ，议低s 7 目 或趟 卜一 帧起始仲裁域控制域数据域 c r c 校 应答域帧结束 验码域 图2 1 c a n 数据帧格式 1 ) 、帧起始：帧起始标志着数据帧和远程帧的开始，为一个显性位。 2 ) 、仲裁域：仲裁域由标志符( i d ：i d e n t i f ie r ) 和远程发送请求位( r t r ： ( r e m o t et r a n s m i s s i o i lr e q u e s tb i t ) 标志构成。标准帧格式里，仲裁域由1 l 位标识符组成，而扩展帧格式里面的仲裁域则包括为2 9 位标识符。r t r 位在数 据帧中为显性，而在远程帧里必须为隐性，该位用于区别数据帧和远程帧。 3 ) 、控制域：该域有6 位，其中2 位目前作为保留位未作定义，其中另外4 位为数据域代码长度域d l c ，用于代码场指示数据域里的字节数量，d l c 取值范 围是0 8 ，表示对应的数据域传输的字节数。 4 ) 、数据域：数据域给出要用户需要传输的数据，一帧数据中可以包含o 一8 字节。 5 ) 、应答域：应答域由两部分组成，分别是应答时间片和应答界定符。在 应答时间片里，c a n 总线的发送节点发送两个隐性位。当c a n 驱动器正确地接 收到一帧有效的c a n 报文之后，驱动器就会在应答时间片内发送一个显性位应 答，表示自己已经正确接收了一帧数据。此时总线被接收节点强制设置为显性 电平，c a n 发送节点如果检测到该状态就知道至少有一个c a n 通信节点已经正 确接收了自己传输的数据。而a c k 界定符为隐性电平，它表示应答结束了。 7 ) 、帧结束：任意数据帧和远程帧之后连续的7 个隐性位，标志一个帧报 文传输的结束。 远程帧 远程帧用于请求发送具有相同标识符的数据帧。其帧格式与数据帧基本相 同，均由6 个不同的位域组成。但远程帧没有数据域，d l c 代码场表示请求远 程节点需要发送的数据帧的数据长度。远程帧的r t r 位是隐性电平，当具有相 同仲裁域的数据帧和远程帧竞争总线时，由于数据帧的r t r 位为显性电平，所 以数据帧将会成功竞争下总线控制权并优先发送数据。发送远程帧的节点可以 直接接收数据。 错误帧 错误帧有两个域：一个是不同节点发出的错误标志重叠域，另一个是界定 符。c a n 节点有两种形式的错误状态，分别是错误主动状态( 只可以接收消息) 9 和错误被动状态( 脱离总线状态) 。被动错误标志由6 个连续的“隐性”的位组 成，主动错误标志由6 个连续的“显性”位组成。处于错误状态的c a n 节点， 通过发送错误标志向网络上发布错误指示信息。由于使用6 个连续相同电平位， 该消息违背c a n 总线的位填充机制，则网络上的其他节点就检测到该错误信息， 并且开始发送错误界定符，错误界定符是8 个连续的隐性位电平。每个节点在发 送错误标志后，都发送隐性位并监听总线状态，直到收到隐性位之后再发送7 位隐性位，标志一个错误帧发送过程结束口6 1 。 2 2c a n 应用层协议 随着技术的发展以及控制系统要求的增多，基于c a n 总线的分布式控制系 统中，越来越需要一个开放的、标准化的协议，实现c a n 网络中标准的、统一 的通信模式，它能够实现不同设备之间的互用和互换，并且能够提供设备功能 描述以及网络管理等