（载运工具运用工程专业论文）汽车车身舒适系统的can总线及其测控技术的研究.pdf

摘要 网络技术在汽车上的应用，已成为现代汽车电子技术发展的一个重要方向。随着车载 网络系统的主流标准c a n 总线技术在现代汽车中的应用，简化了汽车的电气线路，提 高了其电控系统的可靠性与灵活性。近年来，国内关于c a n 总线技术在汽车上的应用与研 究丌始起步，本论文主要针对汽车车身舒适系统的c a n 总线及其测控技术方面展开研究。 本论文综述了c a n 总线技术在国内外的研究应用状况；概括、分析了c a n 总线的相 关理论与技术要点；简述了车载网络系统的基本特点与组成结构，并对国产大众车型中的 车载c a n 总线网络系统进行了实例分析，总结出车载c a n 总线的网络应用方案。 设计、搭建了车载c a n 总线系统测控分析平台，并利用该平台对实验的车身舒适系统 的c a n 总线进行测试、仿真与分析。通过测试得出实验的车身舒适系统的c a n 总线上传输 信号的典型波形与数掘帧值，分析了其基本运作特点与方式；并根据车身舒适系统的c a n 总线网络仿真实验结论为车载网络系统设计提供实验依据。 在对实验的车身舒适系统的c a n 总线控制功能测试的基础上，利用单片机和c a n 总 线控制器s j a l 0 0 0 、收发器p c a 8 2 c 2 5 0 等元件，设计开发了c a n 总线数据采集通讯节点， 在不改变原车身舒适系统的网络硬件结构的情况下实现系统匹配。通过采集车内温度、空 气质量、空调丌关和车速信号，完善了原车身舒适系统对车窗升降与车锁的控制功能，提 升了该车身舒适系统的安全与舒适性。 通过对实验的车身舒适系统的左前门主控单元节点j 3 8 6 控制策略的分析，设计了左 前门主控单元节点j 3 8 6 的替代节点，并在实现其主要控制功能的同时，改进了原节点不 能接受外部c a n 总线上的控制数据帧对左前门窗与后视镜远程控制的问题。 关键词；车载网络；c a n 总线；车身舒适系统；测试、仿真与分析；控制功能完善与改进 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fn e t w o r ki na u t o m o b i l eh a sb e c o m em o d e ma u t o m o b i l ee l e c t r o n i c s t e c h n o l o g yi m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o n a l o n gw i t ht h ec a n b u sa p p l i e dt oa u t o m o b i l e ，i t s i m p l i f i e da u t o m o t i v ee l e c t r i cc i r c u i t ，e n h a n c er e l i a b i l i t ya n df a c i l i t yo fa u t o m o b i l ee l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e m r e c e n t l y ，r e s e a r c ho na u t o m o t i v ec a n b u ss y s t e mi nd o m e s t i ch a sb e g i n n i n g ， t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ho nc a n b u sa n di t st e s t - c o n t r o lt e c h n o l o g yo fa u t o m o b i l eb o d y e l e c t r o n i cc o n v e n i e n c es y s t e m t h i sp a p e rs u m m a r i z e dr e s e a r c ha p p l i e ds t a t u so fc a n - b u si nt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a s ， g e n e r a l i z e da n da n a l y z e dt h ec a n b u sr e l a t e dt h e o r ya n dt e c h n o l o g yp o i n t s ；i n t r o d u c e db r i e f l y t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r eo fa u t o m o b i l en e t w o r ks y s t e m ，a n a l y z e de x a m p l eo f n e t w o r ks y s t e mo nv o l k s w a g e n ，s u m m a r i z e dt h ea p p l i e dp r o j e c t so fa u t o m o b i l en e t w o r k s y s t e m d e s i g n e da n db u i l tat e s t - c o n t r o la n a l i y t i c a ls y s t e mf o ra u t o m o t i v ec a n - b u ss y s t e m a n d m a d eu s co fi tt e s t s i m u l a t ea n da n a l y z e dt h ec a n - b u so i la u t o m o b i l eb o d ye l e c t r o n i c c o n v e n i e n c es y s t e m e d u c e dt h et y p i c a lw a v ea n dd a t af r a m e so fs i g n a lw h i c hd e l i v e ro n c a n - b u s ，m a s t e r e db a s i co p e r a t ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e t h o do fa u t o m o b i l eb o d ye l e c t r o n i c c o n v e n i e n c es y s t e m ，p r o v i d e ds i m u l a t i o nc o n c l u s i o nf o rd e s i g n b a s e do nt h et e s t ，d e s i g n e da n dm a d et h ec o l l e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nn o d eo fc a n - b u s b yc a n c o n t r o l l e rs j a l0 0 0 ，t h ec a nt r a n s c e i v e rp c a 8 2 c 2 5 0e t c m a t c h i n go ft h eo r i g i n a l a u t o m o b i l en e t w o r k s y s t e m ，w i t h o u tc h a n g ei t sh a r d w a r e sa n ds t r u c t u r e u s i n gt h et e m p e r a t u r e a n da i rq u a n t i t ys i g n a li n s i d et h ee a r ，t h ea i rc o n d i t i o ns w i t c hs i g n a la n ds p e e ds i g n a lt oc o n t r o l t h ec a rw i n d o wa n dl o c k ，i m p r o v e ds a f ea n dc o m f o r t a b l ec o n t r o lf u n c t i o no fo r i g i n a l a u t o m o b i l eb o d ye l e c t r o n i cc o n v e n i e n c e s y s t e m a n a l y z e dt h ep o l i c yo fc o n t r o lu n i tn o d ej 3 8 6i no r i g i n a la u t o m o b i l eb o d ye l e c t r o n i c c o n v e n i e n c es y s t e m ，d e s i g n e ds u b s t i t u t ec o n t r o lu n i tn o d eo fj 3 8 6 ，a c t u a l i z e do r i g i n a ln o d e m a i nc o n t r o lf u n c t i o n ，i m p r o v e dp r o b l e mo ft h eo r i g i n a ln o d ec a n ta c c e p tt h er e m o t ec a n e o n t r o ld a t af r a n l e st oc o n t r o lt h e 】e f tf r o n tw i n d o wa n dr e a r v i e wm i r r o r k e y w o r d ：a u t o m o b i l en e t w o r k ；c a n b u s ；a u t o m o b i l eb o d ye l e c t r o n i cc o n v e n i e n c es y s t e m ； t e s t ，s i m u l a t i o na n da n a l y s i s ；i m p r o v ec o n t r o lf u n c t i o n w r i t eb y ：q um i n g ( v e h i c l ea p p l i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s eb y ：p r o f e s s o rc a iw e i y i 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均已说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论穸，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名 虏敖 锄努嗽 日期：乒嗥o o r 致谢 时光飞逝，三年的研究生生活即将结束，值此论文完稿之际，谨向所有关心和支持过 我的老师，同学和朋友们致以诚挚的谢意! 首先我十分感谢我的导师一一蔡伟义教授，感谢他在我的研究生学习期问所给予的指 导和帮助。本论文研究进行的自始至终，倾注了他大量的精力和心血，他从题目的选取、 资料的收集、疑难的解答以及学位论文的撰写等各个方面都给予了我许多有益的指导和启 发，这促使我能够顺利地完成本论文的研究工作。蔡老师严谨的治学态度、高深的学术造 诣和随和的为人风格使我受益匪浅，相信这对我以后的工作与学习将产生重要的影响。 其次，汽车与交通运输系的老师们在论文的研究过程中提出了许多宝贵的意见，在 此对他们表示衷心的感谢。另外，还要感谢我的几个研究生同窗们在三年的学习生活中给 予我的友谊与帮助；感谢周立功广州南京公司的技术入员给予我在相关仪器设备调试过 程中给予的帮助。 最后，我还要深深的感谢我的家人；正是他们给予我在工作学习与生活方面的理解 支持与关爱，让我源源不断获得前进的动力! 屈敏 2 0 0 7 年6 月于南京林业大学 1 1 本论文的研究背景 第一章绪论 随着现代汽车电子控制技术的发展，汽车发动机、底盘和车身等电控系统中的电控单 元数量不断增加，汽车整车的电气系统变的越来越复杂。如果继续采用传统的汽车电气布 线方式，必将会导致整车线束的长度、重量和占用的空白j 大大增加；而传统电控系统采用 点对点的通信方式对大量数据信息在电控单元问实时交换也存在极大的限制。近十几年来， 本着减少成本、简化线路和提高电控系统可靠性的目的，国外许多大汽车公司与研究机构 都积极致力于车载网络技术的研究，并在借鉴计算机网络技术和现场控制技术的基础上， 开发出一些适用于汽车环境的网络控制技术。 虽然早在1 9 6 8 年，美国的艾塞库斯就提出了利用单线传输多路信号的构想，但受到 当时微电子技术水平的限制而一直未能如愿：9 0 年代以后，随着集成电路和电子功率器 件制造技术的发展，廉价的微处理芯片和信号识别芯片丌始大量的应用于网络、总线通讯 接口电路中，这力速了车载网络控制技术进入实用化阶段。近几年来，车载网络技术又有 了很大的发展，尤其是c a n 总线技术已被大多数汽车制造商所采用，而与此同时，一些新 的协议总线类型也在不断的出现。“2 加“”“6 1 为了方便研究和设计应用，美国汽车工程师协会( s a e ) 车辆网络委员会将汽车数据 传输网络划分为a 、b 、c 三类；另外，不少文献中也将近年来发展起来的车载多媒体网 络沿续称为d 类网络。a 类( 如u a r t 、l i n ) 是面向传感器、执行器控制的低速网络，数 据传输位速率通常小于l o k b s ，主要用于后视镜调整，电动窗、灯光照明等控制；b 类( 如 s a e j l 8 5 0 、低速c a n ) 是砸向独立模块 日j 数据共享的中速网络，位速率一般在l o k b s 1 2 5 k b s ，主要应用于车身电子舒适性模块、仪表显示等系统；c 类( 如高速c a n ) 是面向 高速、实时闭环控制的多路传输网，位速率在1 2 5 k b s 1m b s ，主要用于牵引控制、发 动机控制、a b s 控制等系统；d 类( 如d 2 b 、m o s t ) 是面向多媒体信息的高速传输网络， 位速率一般在2 m b s 以上，主要用于车载视频、音频、导航系统等。 迄今为止，还没有一个车载网络协 义可以完全满足未来汽车所有成本和性能的要求。 目i ；i ，面对汽车上日益复杂的控制子系统的不同需要，国外许多汽车制造商倾向于采用多 个协议孑网混合使用的方案，即由各子系统决定自身采用哪一类总线，如有通信必要，各 子系统总线之间再由网关互相连接以进行数据通讯。现在，典型的应用方案是车身舒适控 制系统单元都连接到c a n 总线上，并借助于l i n 总线进行外围设备控制；而汽车高速控制 系统单元使用高速c a n 总线进行连接：远程信息处理和多媒体系统可由d 2 b 或m o s t 协议 总线来实现；无线通信则以蓝牙( b l u et o o t h ) 技术为主。在未来的5 - 1 0 年里，t t p 和 f l e xr a y 协议总线将使汽车的线控( x - b y w i r e ) 技术进一步发展。可以预见，不久的将 来汽车将是网络化、智能化的汽车。叫m 嘲嘲呻1 1 1 2 国内外的相关研究动态 1 2 1 控制器局域网c a n 在国内外的研究发展状况 控制器局域嘲c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t ) 足德国b o s c h 公司在8 0 年代初，为解决 现代汽车中众多的控制与测试仪器之剃的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议，它的 短帧数据结构、非破坏性总线性仲裁技术以及灵活的通讯方式，非常适合汽车对数掘实时 性和可靠性的要求。 在随后的。 年日j 经多次修订，于】9 9 1 年9 月形成c a n 技术规范2 0 版本。该版本包 括2 o a 和2 o b 两部分，其中2 o a 给 nc a n 报文标准格式，2 o b 给出c a n 报文标准( 1 i 位) 和扩展( 2 9 位) 两种格式。随后关困汽车i ：程师协会s a e 的载货车、客车控制和通信网 络委员会j 1 9 3 9 投票通过了将c a n 作为数据交换网应用于客货车、农业及建筑车辆。1 9 9 3 年i s oi f 式颁柿了c a n 的固际标准1 s ( 卜1 1 8 9 8 ( 高速) ，1 9 9 4 年i s o 颁布了i s o - 11 5 1 9 ( 低 速) ，这为c a n 标准化、规范化的推广铺乎了道路“”1 在c a n 协议推出后，许多半导体厂商为它提供了众多的元器件支持：8 0 年代末，i n t e l 公司首先研制出c a n 总线通信控制器8 2 5 2 6 ，随后p h i l i p 公司研制出c a n 总线通信控制 器8 2 c 2 0 0 , 9 0 年代初，p h i l i p 公司生产了带有c a n 总线控制器的单片机p 8 x c 5 9 2 ，带数 字模拟输入输出功能的c a n 总线控制器8 2 c l j 0 ；另外m o t o r o l a 、西门子、n e c 公司也先 后推出了带有c a n 总线控制功能的元器件，这些促进了c a n 总线的应用技术走向成熟。 目| j 仃，在众多的现场总线标准中，c a n 是唯一被i s o 批准为国际标准的现场总线，它 已发展成为应用最广泛、支撑技术和元器件最丰富的现场总线标准之一，被誉为最有的途 的现场总线。在国外尤其是荚国和欧洲，c a n 己被广泛应用于汽车、火车、船舶、机器人、 楼宇自动化、机械制造、医疗器械、电力自动化等众多领域。 我国关于c a n 总线的研究起始于上个世纪九十年代中期，各项研究工作绝大部分限于 一些科研院所、高等院校。北京航空航天大学、中国计算机学会单片机公共实验室和江苏 大学对c a n 总线的研究工作起步较早；随后清华大学、中国汽车技术研究中心、上海交大、 同济大学等也逐步丌始进行c a n 总线技术在电动汽车方面的应用研究；此外广州周立功等 自控厂商也于近几年推出一些基于c a n 总线的丌发、应用产品。“” 2 0 0 0 年以后，国内在c a n 总线的研究与应用上丌始有了一些成功的实例：在北京和 利时公司d c s 2 0 0 0 集散控制系统中，c a n 应用于二控制器内部i o 模块之间的信息交换；在 清华大学电机系的t h 一3 变电站微机保护系统中，c a n 应用于变电站内部微机保护装霄之 j 日j 的通信；国家8 6 3 重大电动汽车专项将车载网络作为一个子项目进行研究，从事该项目 的课题组己成功地研发出用于车载c a n 网络规划、测试的一系列专用仪器设备” 纵观目前国内关于c a n 总线的研究与应用状况，可以看出，各研究单位的研究内容仅 限于较小的范围且层次不高，缺乏核心技术，相关产品也不成系列：另外，目前国内介绍 c a n 总线的专著与研究论文还不多，具有自主知识产权的c a n 专用芯片还未研制生产；这 些都说明国内外在c a n 总线的研究与应用水平上差距很大，c a n 总线在我国还有待较长时 间的发展。 2 1 2 2c a n 总线技术在国内外汽车行业的应用状况 早在1 9 9 2 年，m e r c e d e s b e n z 公司就将c a n 总线技术应用于客车的发动机管理系统， 随后v o l v o 、s a a b 、a u d i 、b m w 、v o l k s w a g e n 、r e n a u l t 和f i a t 等汽车厂商纷纷效仿，c a n 总线逐步被欧洲接纳为汽车行业标准。目前，欧洲绝大多数新款汽车的动力传动系统和车 身舒适系统都分别参照 s o - 1 1 8 9 8 和i s o - 1 1 5 1 9 束进行设计，近期基于c a n 总线的故障诊 断系统协议草案i s o d i s 一1 5 7 6 5 已在论证，c a n 总线在汽车上的应用层次在不断加深。 在欧洲的带动下，c a n 总线也逐渐得到世界其它地区的认同。过去在美国，车载网络 在d a i m l e r c h r y s l e r ，f o r d 和g m 三大汽车公司内自成体系，协议标准主要是s a e 的3 1 8 5 0 和3 1 9 2 2 ，但这些标准对网络各层协议的舰定及其工作性能与c a n 相差甚远，并很难被欧 洲接受。近年来，这三大汽车公司已全部转向c a n ，s a e 最近薪颁匆了3 1 9 3 9 ，j 2 4 1 1 ，3 2 2 8 4 和3 2 4 8 0 等一系列基于c a n 的车用通讯协议标准。因受美国的影响，在亚洲地区同本的 n e c 、三菱和东芝等公司，已发展成为c a n 芯片的供应商之一，t o y o t a 等厂家已开始用c a n 替换原有的网络总线系统，m o t o r o l a ，a l p i n e 和住友联合丌发出适用于车内信息娱乐网 络的通讯协议i i ) b c ，并由s a e 形成标准3 2 3 6 6 ，这些新发展使得c a n 可能成为目前唯一 能够覆盖全车应用颁域的总线系统。“”“” 据s t r a t e g ya n a l y t i c s 市场调研公司最近公布的一份报告指出，c a n 在2 0 0 5 年捐j 有 车载网络全球市场总量的；特别在欧洲，尽管有多种新型车载网络丌始进占信息娱乐 和安全保障领域，但c a n 仍可保留8 8 的市场份额，毫无疑问，c a n 将是今后一段时i h j 内 车载网络领域的主流协议标准。”8 以前，国内批量生产的轿车如上汽的桑塔纳、一汽的捷达和奥迪、神龙的富康以及天 汽的夏利等多属于中低档轿车，这些轿车都没有进行网络化设计，可以说以阿国内汽车在 c a n 总线技术的应用上是一个空白。直到最近几年，国内各汽车公司从国外引进了一些电 控技术含量较高的新车型如：通用公司的世纪( c e n t u r y ) 、君威( r e g a l ) ；大众公司的帕萨 特( p a s s a t ) b 5 、奥迪a 6 、宝来( b o r a ) 、波罗( p o l o ) ；菲亚特( f i a t ) 公司的派力奥 ( p a l i o ) 、西耶那( s i e n a ) 以及马自达公司的马自达6 ( m a z d a 6 ) 等都装备了不同规模 的车载网络系统，由于采用c a n 总线等车载网络技术，这些车型的技术含量、整车性能均 有较大幅度的提高。 目前，我国汽车的车载网络技术仅仅刚丌始起步，其应用技术落后，装备我们自主研 发的车载c a n 总线网络的车型还很少。为了迅速提高国产汽车的技术性能指标，并逐步与 国际汽车行业接轨，实现国产汽车电控制系统的网络化，就必须尽快展丌对以c a n 为代表 的汽车网络技术的全面研究与应用。 1 3 本论文研究的目的和意义 目前国内引进的，装备c a n 总线网络系统的车型，都普遍采用两条网络：驱动系统的 高速c a n 、车身舒适系统的低速c a n ，有的车型还设计有网关使二者相连，以实现信息共 享。汽车车身舒适系统的c a n 总线系统是汽车车载网络控制系统中的一个重要子系统，其 3 控制功能丰富，包含的技术含量很高。迄今为止，国内对汽车车身舒适系统的c a n 总线系 统各方面的研究不多，对它还没有一个全面深刻的认识。为了提高国内对汽车车身舒适系 统的c a n 总线及其测控技术方面的研究与应用水平，促进我国汽车车载c a n 总线技术的发 展，加强对汽车车身舒适系统的c a n 总线方面的研究十分必要。 通过本论文的研究工作，对于我们理解车载c a n 总线网络系统在车身舒适系统中的结 构与功能及其运作方法、研发车载c a n 总线网络系统的测控分析平台及其测试分析方法、 设计车载c a n 总线测控单元节点，具有较强的指导意义：对于我们自主丌发车身舒适系统 以及整车车载c a n 总线网络系统具有一定的参考意义。 1 4 本论文的主要研究内容及方法 针对目前国内关于汽车车身舒适系统的c a n 总线网络系统研究与应用方面的一些不 足，本论文主要从以_ f 几方面进行研究： ( 1 ) 在广泛收集国内外相关文献资料的基础上，对c a n 总线技术在国内外的研究应 用状况、c a n 总线的相关理论与技术要点予以概括与分析。 ( 2 ) 以大众系列典型车型的车载c a n 总线网络系统为代表，研究分析车载c a n 总线 网络系统的组成结构及功能特点，并对车载c a n 总线网络应用方案予以总结。 ( 3 ) 利用p c 机、c a n 总线测控系统研发所需要的相关测试、分析与丌发仪器设备， 设计搭建车载c a n 总线系统测控分析平台。 ( 4 ) 利用车载c a n 总线系统测控分析平台对实验的汽车车身舒适系统的c a n 总线进 行一系列实际测试、仿真与分析。 ( 5 ) 利用单片机和c a n 控制器s j a l 0 0 0 、收发器p c a 8 2 c 2 5 0 等元器件，设计丌发车 载c a n 总线测控节点并与原车身舒适系统c a n 总线网络匹配，完善和改进原车身舒适系统 的c a n 总线控制功能及其存在的不足，提升原车身舒适系统的安全与舒适性。 4 第二章车载网络基础叫a n 总线技术要点分析 作为目前车载网络系统的主流标准c a n ( c o n t r o ll e ra r e an e t ) 总线，是德国 b o s c h 公司在8 0 年代仞，为了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，它采用短帧数据结构、非破坏性总线性仲裁技术以及灵活 的通讯方式，非常适合汽车中对数据实时性和可靠性的要求。 2 1c a n 总线的特点n 2 1 c a n 总线采用了许多新技术和独特的设计，与一般的通信总线相比，具有突出的可靠 性、实时性和灵活性，归纳其主要特点如下： ( 1 ) c a n 总线采用多主方式工作，网络上任何一节点均可在任意时刻主动地向网络 上其它节点发送信息而不分主从，通信方式比较灵活。 ( 2 ) c a n 总线上节点信息以报文标识符划分优先级以满足不周的实时要求。 ( 3 ) c a n 总线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 先级较低的节点会主动退出发送，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的时间。 ( 4 ) c a n 总线只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点以及全局广播等几种 方式传送接收数据。 ( 5 ) c a n 总线采用短帧结构，传输时问短，受干扰概率小，具有极好的检错性。 ( 6 ) c a n 总线上的每帧信息都有c r c 检验及其它检错措施以保证其数据出错率极低。 ( 7 ) c a n 的通信距离最远可达1 0 k r a ( 5 k b p s ) ；通信速率最高可达1 m b p s ( 4 0 m ) 。 ( 8 ) c a n 总线上的节点数目主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；报文标识 符可达2 0 3 2 种( c & n 2 o h ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的报文标识符几乎不受限制。 ( 9 ) c a n 总线的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 ( 1 0 ) c a n 总线上的节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功篦，以使总线上其 它节点的操作不受影响。 2 2c a n 总线的分层模型“2 加乜棚 出于c a n 总线技术的应用与推广，为了对其通信协议标准化，1 9 9 1 年9 月德国b o s c h 公司制订并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n2 0 ) ，该技术规范包括了a 和b 两部分。2 o a 给出了c a n 报文标准格式，而2 o b 给出了报文标准和扩展两种格式。1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具数据信息交换高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标 准i s 0 11 8 9 8 ，它为c a n 的标准化、规范化铺平了道路。 制定c a n 技术规范的目的是为了在任何两个c a n 仪器之间建立兼容性，以达到设计 透明度、实现灵活性。根据i s o o s i 参考模型，c a n 被细分为不同的层次如图2 1 所示： 数据链路层、物理层；其中数据链路层又被分为：逻辑链路控制子层( l l c ) 、媒体访问控 制子层( m a c ) ，这两个子层的功能分别对应c a n 2 0 a 中定义的目标层和传输层的相应功能。 5 i s o o s i 墨墨丝! 心用层 表爪层 会衍崖 传输层 刚络层 数据链路层 物理磋 螺体访问挣制了层( m a c ) 数捌封装拆皱 帧编蚂( j j l i 充钎除坝充) 媒仆济问管删 销跌 | f 测 i | j 锚杯定 心符、串行化舯l 缘串行化 位编峭斜埘 位定时 i 州步 ( 驱动器接收器特性) 幽2 1c a n 的i s o o s i 参考模7 弘的分层结构 逻辑链路控制子层( l l c ) 的主要作用是为远程数据请求以及数据传输提供服务；确定 l l c 子层实际验收接收的报文：为恢复管理和过载通知提供手段。媒体访问控制子层( 姒c ) 的主要作用是执行传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。 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，它包括位 定时、位编码和位同步。c a n 技术规范没有定义物理层的驱动器接收器特性，允许根据 实际应用对发送媒体和信号电平进行优化。 2 3c a n 的数据链路层 2 3 1c a n 的报文帧 1 报文帧的传输 c a n 以报文为单位进行信息传送，每一个发送数据或请求数据发送的报文均包含有标 识符i d ，它标识该报文的优先权。c a n 总线上各节点不分主从，都可主动发送信息。如果 同时有两个或更多节点丌始发送报文，c a n 采用无损总线仲裁技术，优先级高的报文赢得 总线使用权，而优先级低的报文主动停止发送；当总线再次空闲后，这些节点自动重发报 文。c a n 系统中，一个c a n 节点不使用有关系统结构的任何信息( 如站地址等) ，报文标识 符i d 并不指出报文的目的地址，而是表述数掘的类型和含义，通常这些数据的类型根据 它们在控制中的重要性和实时性要求而被划分。 2 报文帧的格式 c a n 2 o b 规定有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同：具有1 1 位标识 符的帧称之为标准帧，而含有2 9 位标识符的帧为扩展帧。数据帧和远程帧可以使用标准 帧或扩展帧两种格式，它们用一个帧l 、玎j 空问与前面的帧分隔。 cj 酉r 路波知理 链滤通管辑受戟复逻接超设 3 报文帧的类型 报史传输有4 种不同类型的帧： ( 1 ) 数据帧( d a t af r a m e ) ：数据帧将数据从发送器传输到接收器。 ( 2 ) 远程帧( r e m o t ef r a m e ) ：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数 据帧。 ( 3 ) 错误帧( e r r o rf r a m e ) ：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 ( 4 ) 过载帧( o v e r l o a df r a m e ) ：过载帧可以在先行的和后续的数掘帧或远程帧之 间提供附加的延时。 4 报文帧的结构 ( 1 ) 数掘帧 数据帧由7 个不同的位场( b i tf i e l d ) 组成：帧起始( s t a r to ff r a m e ) 、仲裁场 ( a r b i t r a ti o nf i e l d ) 、控制场( c o n t r o lf i e i d ) 、数据场( d a t af i e l d ) 、c r c 场( c r c f i e l d ) 、应答场( a c kf i e d ) 、帧结尾( e n do ff r a m e ) 。数掘场的长度可以为0 ，结构如 图2 2 所示。 帧问窀问 数据帧帧闻审阍 图2 2 报文的数据帧结构 帧起始：标识数掘帧或远程帧的丌始，由一个显性位组成，在总线空闲时才允许站点 发送信号。 仲裁场：在标准格式罩仲裁场由ll 位标识符( ( i d ) 和远程发送请求位( r t r ) 组成，标 识符位由i d 2 8 - - i d l 8 组成，其中最高7 位不能全是隐性位；在扩展格式晕仲裁场由2 9 位标识符( ( i d ) 和替代远程请求位( s r r ) 、标识行扩展位( i d e ) 、远程发送请求位( r t r ) 组成，标识符位由i d 2 8 - - i d o 组成，即l l 位基本l d 、1 8 位扩展i d 。其中要注意的是r t r 位在数据帧里为显性，在远程帧瞿为隐性；s r r 位为隐性。当扩展帧的基本i d 与标准帧 的i d 相同并发生冲突，标准帧优先于扩展帧。仲裁场结构如图2 3 、图2 4 所示。 圈2 3 数据帧标准格式中的仲裁场结构 s o f f1 l 位标识符 s r rr 。e l - e 位标识符i r t r lr - i r 。l 。ci 幽2 4 数据帧扩展格式中的仲裁场结构 控制场：控制场由六位组成，其中r o 和r 1 两位是保留位，用于将来功能的扩展，d l c 为数据长度码，标识本帧中数据字节数，其数值大小为0 8 ，保留位必须发送为显性。 7 控制场结构如图2 5 所示。 仲裁场，：+ 一控制场；+ 一数据场 i d e r lr od l c 3d l c 2d l c ld l c 0或c r c 场 保留位数据匠度代码 图2 5 控制场结构 数据场：由数据帧中需要发送的数据信息组成，字节长度由控制场中d l c 指定，最长 不超过8 字节。 c r c 场：有1 5 位c r c 系列和位c r c 界定符组成。c r c 场最后一位是c r c 界定符为隐 性位。c r c 场结构如图2 6 所示。 数据或咔：| 一一 c r c 场：一心答场 图2 6c r c 场结构 应答场：由应答场间隙和应答界定符组成。发送节点发出的这两位均为隐性电平，正 确接收到有效报文的节点在应答间隙发送一显性位，将应答间隙改写；所有成功接收到报 文的节点通过在应答问隙发送显性位向发送器报告信息己被成功接收。应答间隙后面紧随 一位隐性位的应答界定符，所有应答l 、日j 隙被两个隐性位包围。应答场结构如图2 7 。 幽2 7 应答场结构 帧结束：每一个数据帧和远程帧均由7 位隐性位系列标识帧的结束，通过这7 位隐性 位接收器可以判断一帧是否已经结束。 ( 2 ) 远程帧 当c a n 总线上一个节点需要其它节点所拥有的数据信息时，可以通过发送远程帧来 请求另一节点发送。该远程帧的标识符标识了所需数据的类型，被送回的数据信息的标识 符和远程帧的标识符完全一致。数据源节点在接收到远程帧后，根据远程帧的标识符判断 所需数据信息类型，并在总线空闲时将相应数据送出。 帧问审问讳h 一一 远程帧一 一帧问卒问 一，。；j e i i j e l i 竺竺竺l竺竺兰l竺竺兰11 1 1 兰i! 兰兰l竺竺兰l 圈2 8 远程帧结构 远程帧由6 个位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场和帧结束，除r t r 为隐性，无数据长度码和数据场外，帧结构和数据帧完全相同。因此一个远程帧由下列6 个不同的位场组成，即：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场和帧结束。远程帧结 8 构如图2 8 所示。 ( 3 ) 错误帧 为进行错误界定，每个c a n 控制器均设有两个错误计数器：发送错误计数器( t e c ) 和接 收错误计数器( r e c ) 。c a n 总线上的所有节点按其错误计数器数值情况可分为三个状态：错 误活动状态、错误认可状态和总线关闭状态。 错误帧由两个不同的位场组成，第一个场由来自不同的节点的错误标志叠加而成， 第二个场为错误界定符。错误帧结构如图2 9 所示 错议界定符： | 墨| 2 9 错误帧结构 ( 4 ) 超载帧 超载帧由超载标志和超载界定符组成。超载标志由6 个显性位组成，其格式与活动错 误标志相同，超载界定符由8 个隐性位组成，其格式与错误界定符相同。当超载标志发出 后，每个节点监视总线状念，直至检测到从显性至隐性位的跳变，此时，所有的的超载界 定符节点均己完成了超载标志的发送，随后所有节点丌始发送8 个隐性位组成的超载界定 符。超载帧结构如图2 1 0 所示。 过载标忠的叠加过载界定符 图2 1 0 超载帧结构 ( 5 ) 帧自j 空问 数据帧及远程帧与前面一帧信息之间被称为帧间空佃j 的场隔丌。帧间空间由间歇场和 总线空闲场组成，对于前面已经发送过报文的错误认可节点还包括挂起发送( 暂停发送) 场。帧问空问结构如图2 1 1 所示 ， 帧：一帧问窄问：一帧 _ 二二! 二二 驾 a 结构 帧+：帧问卒问一：一帧 七二! 竺二 驾 2 1 1 帧问空间结构a 、b 9 2 3 2c a n 的错误管理与异常操作啦乱 c 州的错误管理承i 异常操作是c a n 中 分重要的部分，通过定义完善的错误管理和肄 常操作机制，确保了c a n 成为汽车网络中最为可靠的总线技术标准之一。 1 c r c 校验 c r c 场包括c r c 序列和c r c 界定符。用于检验的c r c 序列特别适用于位数小于1 2 7 位 帧的循环冗余码( b c h 码) 校验驱动。为实现c r c 计算，被除的多项式被定义为一个多项式， 其系数由帧起始、仲裁场、控制场、数据场( 如果存在) 和l j 为最低系数为0 组成的解除 填充的位流给定。此多项式被下列生成多项式：x = x ”+ x “+ x + x “十x 7 + x 1 + x 3 + l 除，相除的余 数即为发送至总线的c r c 序列。接收器接收数掘时，按照同样的规则对所接收到的数掘进 行c r c 计算，然后把两个c r c 序列进行比较，以判定数据是否出错。 2 出错检测 在c a n 总线中存在5 中不同的错误类型，他们并不互相排斥。所有检测到出错条件的 节点通过发送出错标志进行标定。 ( 1 ) 位错误：向总线发送数据的节点同时也在监视总线。当监视到的总线位数值与 发送的位数值不同时，则在该位时刻检测出一个位错误。例外情况是：在仲裁场的填充位 流期f b j 或应答间隙期日j 送出“隐性”位，而监测到一个“显性”位时，不视为错误；送出 认可错误标志的发送器，而检测到“显性”位时，也不视为错误。 ( 2 ) 填充错误：如前所述，在应使用位填充方法进行编码的报文中，如果出现了第 6 个连续相同的位极性时，将检测出一个填充错误。 ， ( 3 ) c r c 错误：如f j 所述，c r c 序列是由发送器c r c 计算结构组成的。接收器以与发 送器相同的方法计算c r c ，如计算结果与接收到的c r c 序列不同，则检测出一个c r c 错误。 ( 4 ) 形式错误：该方法将对照c a n 的帧的结构进行检测，如果固定形式的位场中出 现一个或多个非法位时，则检测出一个形式错误。 ( 5 ) 应答错误：在应答间隙期发送器未监测到“显性”位，则检测出一个应答错误。 3 故障界定 虽然上述5 种错误检测方法使得c a n 总线数据可靠性大大提高，但是如果系统中存在 有缺陷的节点时，它将不停的发送出错帧，这样会导致所有的帧( 包括正确的帧) 被放弃， 进而造成总线的堵塞。为了防止这种情况的发生，c a n 总线协议提供了一个区分短暂干扰 和永久性故障的方法，即故障界定。为了进行故障界定，在总线上的每个节点单元中都设 置有两种计数器：发送出错计数和接收出错计数。错误计数器按照系列规则进行修正。 网络中的任何一个节点，根据其错误计数器的数值，将决定节点所处的状态，各种状态之 间还可以根据错误计数器的数值动态地改变。 根据错误计数器的数值，节点可能有三种状态，其转换关系如图2 1 2 所示。 ( 1 ) “错误激活”节点：一个“错误激活”节点可币常参与总线通信，并在 检测到错误时发送一个活动错误标志。活动错误标志由6 个连续的“显性”位组成，并且 遵守填充规则和在规定帧中出现的所有固定格式。 1 0 ( 2 ) “错误认可”节点：一个“错误认可”节点参与总线通信不发送活动错 误标志。但检测到错误时发送一个认可错误标志，它由6 个连续的“隐性”位组成。 ( 3 ) “总线脱离”节点：当一个节点由于请求故障界定实体而对总线处于关闭状念时， 其处于“总线脱离”状态。在“总线脱离”状态下，节点既不发送，也不接收任何帧。除 非用户请求，节点才能解脱“总线脱离”状态。 燃燃鬻。，厌僦飘愀位 i 复位或讴置 故障接受 接收错误计数 1 2 7 或发送错跃计数 2 5 5 总线脱 图2 1 2 故障状态转换关系图 4 总线故障管理 一些有可能对总线运行造成干扰的总线故障通常会在运行期间发生。这些故障及引起 的网络动作如表2 1 所示。 表2 1c a n 总线故障管理 总线故障网络动作 某个 7 点火去与总线的连接剩余节点继续通讯 某个仃点掉电剩余讧点在信噪比变小的情况下继续通讯 某个n 点火去与地的连接剩余竹点在信噪比变小的情况卜- 继续通讯 某处符点的屏蔽连接，大效所有肖点继续通讯 1 c