（车辆工程专业论文）基于can总线的电动汽车车灯控制系统研究.pdf

d l 东理工人学硕士学位论文 摘要 摘要 车 瞟统是保函龟羁稻萋融的重要系统之_ 。传统昀刳c 丁 空制系统多稠继电器进行 独立腔制，使得车内线束过多目筛线复杂，从而造成了严重的电瞄手扰导致系统的可鼙眭e 下降。 针对隧问_ 题，本文以电期电潲为控审慨豫，利用德国v e c t o r 公司的c a n o e 网络集成 开发环境，设计了基于c a n 总线的电朔警戥瞄螺毫统。该系匀踊佣c a n 总线找才螂玳了 传统线束，降低了车灯矗i d 瑶妻莽，延长了车灯的使用寿命。 本文针对双轮独立驱动电动汽车的特点，设计了电动汽车总成系统的网络拓扑结 构。以s a ej 1 9 3 9 协议为参考，制定了适应于双轮独立驱动电动汽车的总成系统的 c a n 总线通讯协议。论文详细给出了报文优先级、节点源地址、参数组号和协议数 据的定义过程。 本文设计了一种电动汽车车灯控制网络，该网络主要由3 个节点组成，分别为主 控节点、前车灯节点和后车灯节点。利用c a n o e 对该网络进行了建模与仿真，仿真 结果验证了设计方案的合理性。 本文采用模块化的软、硬件设计思想，对硬件系统的电磁兼容性以及软件的可靠 性进行了研究。针对车灯负载的特点，本文采用智能功率开关提高了系统的可靠性。 利用c a n o e 的半物理仿真功能，高效率地完成了主控节点和两个车灯节点的硬件电 路的设计以及相应软件的设计，实现了基于c a n 总线的车灯控制网络的设计。 本文所设计的方案在电动汽车车灯控制系统试验平台上进行了详细的试验调试。 利用c a n o e 对该系统进行测试，测试结果表明，该设计在数据传输波特率达到 2 5 0 k b s 的情况下，数据传输稳定、准确、可靠。 关键词：电动汽车；车灯控制：c a n 总线；s a ej 1 9 3 9 山东理t 火学硕l ：学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l el i g h ts y s t e mi so n eo ft h ei m p o r t a n ts y s t e m st og u a r a n t e et h ev e h i c l e s a f e t yt r a v e l t h et r a d i t i o n a la u t o m o b i l el i g h tc o n t r o ls y s t e ma d o p t s t h e i n d e p e n d e n t c o n t r o lw i t ht h er e l a y , a n dc a u s e st h ee x c e s so fa u t o m o b i l ew i r i n gh a r n e s sa n dt h e c o m p l e x i t yo ft h er o u t i n g t h u st h es e r i o u se l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei si n d u c e d ，a n d t h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e md r o p s a i m i n ga ta b o v ep r o b l e m s ，t h ea u t o m o b i l el i g h to f e l e c t r i cv e h i c l ei st a k e na st h ec o n t r o lo b j e c t ，a n daa u t o m o b i l el i g h tc o n t r o ls y s t e mo f e l e c t r i cv e h i c l ei s d e s i g n e d ，b yu s i n gc a n o e ，an e t w o r ki n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tw h i c hi sd e v e l o p e db yg e r m a n yv e c t o rc o r p o r a t i o n t h es y s t e mr e p l a c e st h e t r a d i t i o n a lw i r i n gh a r n e s sb yc a nb u st e c h n o l o g y , r e d u c e st h ef a i l u r er a t eo ft h e a u t o m o b i l el i g h ta n de x t e n d st h el i f eo ft h ea u t o m o b i l el i g h t i nt h i st h e s i s ，t h ea s s e m b l ys y s t e mn e t w o r kt o p o l o g yo fe l e c t r i cv e h i c l ei sd e s i g n e d , c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e2 - w h e e ld r i v ee l e c t r i cv e h i c l e t a k i n gs a ej 19 3 9 p r o t o c o la sr e f e r e n c e ，ac a n b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a p p l i e dt ot h ea s s e m b l ys y s t e m o ft h ee l e c t r i cv e h i c l e ，i sp u tf o r w a r d i nt h i st h e s i s ，t h ed e t a i l so ft h ep r o t o c o l - m a k i n g p r o c e s si sg i v e n ，f o c u s i n go nad e f i n i t i o no ft h em e s s a g ep r i o r i t y , t h en o d es o u r c ea d d r e s s ， t h eg r o u pp a r a m e t e rn u m b e r ，a sw e l la st h ep r o t o c o ld a t e t h et h e s i sd e s i g n saa u t o m o b i l el i g h tc o n t r o ln e t w o r ko fe l e c t r i cv e h i c l e s ，a n dt h e n e t w o r ki n c l u d e st h r e en o d e s ，n a m e l yt h em a s t e rn o d e ，t h eh e a d l i g h tn o d ea n dt h el e a r l a m pn o d e t h en e t w o r ki ss i m u l a t e db yc a n o e ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e m t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n t h et h e s i sa d o p t sam o d u l a r i z a t i o nt h i n k i n gi nd e s i g n i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，a n d r e s e a r c h e st h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo fh a r d w a r es y s t e ma n dt h er e l i a b i l i t yo f s o f t w a r e i nv i e w o ft h el o a dc h a r a c t e r i s t i co ft h ea u t o m o b i l el i g h t ，t h es m a r tp o w e rs w i t c h i su s e dt oe n h a n c et h es y s t e mr e l i a b i l i t y t h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h e c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r eo ft h em a s t e rn o d ea n dt h et w oa u t o m o b i l el i g h tn o d e si s e f f i c i e n t l yc o m p l e t e d ，b yt h es e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o nf u n c t i o no fc a n o e ，t h e nt h e a u t o m o b i l el i g h tc o n t r o ln e t w o r kb a s e do nc a nb u si sr e a l i z e d t h ed e s i g ni sc a r r i e do u tad e t a i l e dd e b u g g i n g ，i nt h ep l a t f o r mo ft h ea u t o m o b i l el i g h t c o n t r o ls y s t e mo ft h ee l e c t r i cv e h i c l e t h ea u t o m o b i l el i g h tc o n t r o ls y s t e mi st e s t e db y c a n o e ，a n dt h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed a t ac a nb et r a n s p o r t e da t2 5 0 k b sb a u dr a t e s t a b l y , a c c u r a t e l ya n dc r e d i b l y k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；a u t o m o b i l el i g h tc o n t r o l ；c a nb u s ；s a ej19 3 9 l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它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 表示了谢意。 研究生签名： 掀匹 时间：2 呷年 ，、 b 蜀弓日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，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应遵守此协议) 研究生签名：寺愀 导师签笔：磊碱 v| 时间卅年舌月弓日 时间：1 年乡月歹日 山东理t 大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及选题意义 第一章绪论 随着计算机技术、网络通讯技术、集成电路技术的飞速发展，以全数字式 现场总线为代表的现场控制仪表、设备的大量应用，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 形成多种现场总线协议。 与其它控制现场比较，汽车内温度变化范围大，一般为4 0 - - - 8 0 摄氏度， 电磁干扰和其它电子噪声强，环境极其恶劣，因此网络在车内运行的可靠性尤 为重要。这不但体现在网络结构自身的容错能力和抗干扰能力上，而且也体现 在信号的编码方式和传输方式上。汽车局域网无一例外地都采用了同步串行传 输方式，数据信号多采用p w m 、v p w 和n r z 编码。 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除， 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。因此汽车电子控制采用网络化设计可大大降低设计成本。专家认为，2 l 世纪的汽车电子控制将以网络技术为核心。 由世界上最大的汽车零部件供应商之一的德国b o s c h 公司于八十年代初 专门为汽车电子控制研发的控制器局域网协议，为当前被各国汽车制造商普遍 认同的世界范围内的主流协议并被定位为国际标准。众多国际知名汽车公司早 在8 0 年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应用。迄今为止，已有多种网 络标准，如s a e 的j 1 8 5 0 t 、i s o 的v a n t 2 1 和博世的c a n t 3 1 。 我国在汽车电子方面的研究起步较晚，对应用于汽车领域c a n 协议的研 究尚属于起步阶段。鉴于c a n 在现代汽车电子化进程中的重要作用，自主研 制支持c a n 规范的汽车电子产品，并使之尽快产业化，对于迎接我国汽车工 业加入世贸组织后所面临的挑战具有积极意义。为缩短同国外汽车技术水平的 差距，提高自身的竞争力，单纯靠技术引进不利于长期发展。消化、吸收、研 究和开发自己的汽车网络应用系统势在必行。 山东理t 人学硕i 二学位论文第一章绪论 1 2 汽车网络技术综述 汽车网络是计算机网络技术和工业现场总线控制技术在汽车中应用的结 果。汽车网络控制是研究如何利用总线数据通信原理实现现代汽车中各个独立 电子系统和控制装置间控制信息传递通道的简洁互连，实时、可靠的数据交换 及综合协调控制的一门最新技术。它是以科学、合理的数据通信协议及支持这 样协议的大规模集成电路器件为基础的，是汽车行业发展的必然结果。 1 2 1 汽车网络技术的发展历史 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，却缺乏与其它供应商的 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制造商于2 0 世纪8 0 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 18 5 0 、v a n 、c a n 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了 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 m w 、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一种手段。美国的制造商 也正逐步将他们的汽车网络系统由j 18 5 0 过渡到c a n 。随着汽车网络技术的 飞速发展，特别是x - b y w i r e 技术的提出，近几年又诞生了许多新的协议，如 l i n 4 1 、f l e x r a y l 5 1 、b y t e f l i g h t t 6 1 和t t p 7 】【8 1 。这些协议有的可以直接划归到s a e 的分类中，而有些则不太好确定其分类归属。因此，大量新协议的诞生必然会 导致对车用网络分类的重新划分。 1 2 2 汽车网络技术的作用 在汽车中引入网络技术最初是为了解决日益增长的线束问题，后来逐渐演 绎出另外一个重要功能，即优化汽车电子控制。目前，汽车电子控制已经从初 期的“电子机械替代 阶段过渡到“独立系统的精确量化反馈控制”阶段， 并朝着“多目标综合控制和智能化控制的方向发展，即把整体上相关、功能 2 山东理工人学硕一l j 学位论文 第一章绪论 曼曼1 1 1 一i 。! 笪曼曼曼皇! ! 曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼皇! 曼曼! 皇! 曼! ! 曼曼皇曼曼曼曼曼! ! 曼皇曼! 曼 上相对独立而位置上分布安装的电子系统或装置组成一个协调控制的综合系 统。为了实现多目标的优化控制，进一步全面提高汽车的整体性能，根据智能 化的要求和综合协调控制的特点，综合控制系统将更多地依赖系统内、外部信 息的获取，这要求互相独立的电子系统和装置间进行数据交换和信息传递。因 此，现代汽车采用网络技术解决分布式控制是一种必然，使用汽车网络不仅可 以减少线束，而且能够提高各控制系统的运行可靠性，减少冗余的传感器及相 应的软硬件配置，实现各子系统之间的资源共享，便于集中实现各子系统的在 线故障诊断。 汽车电子控制采用网络化设计可大大降低设计成本，缩短设计周期，其经 济效益是十分明显的。为此最初只属于高档车的网络概念，现已逐步扩展到大 批量生产的经济型车上。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。 1 2 3 汽车网络的拓扑结构 网络的拓扑结构是指网络中节点的互联形式。在汽车网络拓扑结构中，常 见的结构有总线、星型以及环型网络p j 。 1 总线拓扑 在总线拓扑中，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( 例如c a n 网络使用c a n 总线收发器) 。当一个节点发送消息时，其它节点 均可接收该消息。由于所有节点共享同一信道，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，能确定哪个节点先获得总线访问权。该拓扑结构的主要优点有： 节点互连及其连接器简单易实现；一个节点脱离或者出故障不会影响网络中的 其它节点；不需要中断网络的正常工作就可以实现网络的拓展。该拓扑结构的 主要缺点是：如果在总线中没有转发器，那么总线的长度和节点个数将受到限 制；需要总线仲裁机制；如果使用光纤作为传输介质，那么网络实现的成本将 会增加。 2 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。这类拓扑结构的主要优点是：每 个节点具有自己的通信通道；新节点的加入较为容易；由于该类网络拓扑结构 不需要总线访问机制，所以使用该拓扑结构可以简化通信协议；若使用光纤作 为传输介质，网络的实现较为容易。缺点是：连接线总长较长。如果有n 个 节点，那么中央控制节点就需要有n 个接口；由于任何两个节点的通信必须 3 山东理t 大学硕 ：学位论文 第一荦绪论 经过中央节点，一旦中央节点出故障，整个网络系统就会处于瘫痪状态，无法 实现通信。 3 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 一个封闭式的坏路。中继器接收前驱节点发来的数据，然后按照原来的位传输 率一位一位地从另一条链路发送出去。链路是单向的，数据沿着一个方向在环 网上运行。每个节点通过中继站连接到网络中。由于许多节点共享同一个环路， 所以需要某种访问控制机制来确定每个节点何时向环网中发送消息。与其它拓 扑结构相比，环形网络可提供更大的吞吐量，适用于工业环境。但是在网络设 备数量、数据类型、可靠性方面存在某些局限。 目前在汽车控制网络中使用最多的是总线拓扑结构。 1 3 汽车网络的分类及其主流总线 目前，绝大多数车用总线都被s a e ( 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 ) 下属 的汽车网络委员会按照协议特性分为a 、b 、c 、d 四类。a 类是面向传感器 或执行器管理的低速网络【1 0 儿l l 】，以l i n 总线最有前途，它传输数据的位速率 通常小于1 0 k b s ，主要用于调整后视镜、电动窗和灯光照明等设备；b 类是面 向独立控制模块间的信息共享的中速网络【1 2 】【1 3 1 f 1 4 】【1 钉，以c a n 总线 ( i s 0 1 1 8 9 8 1 ) 最为著名，位速率一般在1 0 1 2 5 k b s 之间，主要用在车身电 子的舒适性模块和显示仪表等设备中；c 类是面向闭环实时控制的多路传输高 速网络【l 引，主流总线为高速c a n ( i s o l l8 9 8 2 ) 与f l e x r a y ，位速率多在 1 2 5 k b s 1 m b s 之间，主要服务于动力传动系统；d 类则是面向多媒体设备、 高速数据流传输的高性能网络，主流总线为m o s t t ”j ，位速率一般在2 m b s 以上，主要用于c d 播放机、v c d d v d 播放机和液晶显示等设备。 1 3 1l i n 总线 l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 是一种低成本的串行通讯网络，用于实现 汽车中的分布式电子系统控制【l8 1 。l i n 网络将价格低廉的l i n 收发器挂在普 通串行口，再配以l i n 驱动软件就可以构成l i n 节点。l i n 总线为单主节点 多从节点模式，从节点无需价格较高的石英或陶瓷振荡器，物理总线为低成本 的单线。典型的l i n 应用是汽车中的联合装配单元控制，如车门、方向盘、 座椅、空调、照明灯、传感器和交流发电机等。l i n 总线是一种辅助的总线网 络，在不需要c a n 总线的带宽和多功能的场合，比如智能传感器和制动装置 4 山东理t 大学硕十学 奇= 论文 第一章绪论 之间的通讯，使用l i n 总线可大大节省成本。 l i n 的主要特性如下： ( 1 ) 低成本，基于通用u a r t 接口，几乎所有单片机都具备l i n 必须的 硬件： ( 2 ) 极少的信号线即可实现国际标准i s 0 9 1 4 1 规定； ( 3 ) 传输速率最高可达2 0 k b p s ； ( 4 ) 单主控器多从设备模式，无需仲裁机制； ( 5 ) 保证信号传输的延迟时间； ( 6 ) 不需要改变l i n 从节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点； ( 7 ) 通常一个l i n 网络上节点数目少于1 2 个，共有6 4 个标识符。 1 3 2c a n 总线 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线是国际上应用最为广泛的现场总线 之一，2 0 世纪8 0 年代末由德国b o s c h 公司提出，最先应用于汽车工业中 1 9 1 2 0 】 2 1 1 。c a n 总线是目前汽车控制器局域网中最流行、最常用的总线。 c a n 总线的主要特点是： ( 1 ) c a n 总线为多主站总线，各节点均可在任意时刻主动向网络上的其 它节点发送信息，不分主从，通信灵活； ( 2 ) c a n 总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，优先级高的节点优先 传送数据，能满足实时性要求； ( 3 ) c a n 总线具有点对点，一点对多点及全局广播传送数据的功能； ( 4 ) c a n 总线上每帧有效字节数最多为8 个，并有c r c 及其它校验措施， 数据出错率极低，当某个节点出现严重错误，可自动脱离总线，总线上的其它 操作不受影响； ( 5 ) c a n 总线只有两根导线，系统扩充时可直接将新节点挂在总线上， 因此走线少，系统扩充容易，改型灵活； ( 6 ) c a n 总线传输数度快，在传输距离小于4 0 m 时，最大传输速率可达 1 m b s 。 1 3 3f l e x r a y 总线 f l e x r a y 是b m w 、d a i m l e r c h r y s l e r 以及m o t o r o l a 和p h i l i p s 等公司制定的 功能更强大的通信网络。该网络满足高级汽车控制的高速率通信，满足未来汽 车应用的要求，具有容错功能，而且通信消息传输时间是确定的。f l e x r a y 支 5 山东理t 大学硕i j 学位论文第一币绪论 i i 持同步和异步通信，传输时不需要仲裁，数据传输率达到1 0 m b i t s ，净传输率 也达到5 m b i t s 。可以通过数据传输速率确定信息传输延迟和抖动。f l e x r a y 制 定了快速错误监测和错误通知机制，通过独立的总线监管来抑制错误，除此之 外，f l e x r a y 还支持冗余传输通道，提供以全局时间为基准的容错时钟同步。 f l e x r a y 最多可有6 4 个网络节点。物理层支持总线、星型及多星型拓扑结构。 f l e x r a y 网络主要用于下一代汽车的底盘控制、动力系统控制及x b y w i r e 控 制等。 1 3 4m o s t 总线 m o s t ( m e d i ao r i e n t e ds y s t e m st r a n s p o r t ) 是一个车内多媒体通讯网络， 其位速率高达2 4 m b s 。m o s t 总线定义了o s i 模型的所有七层，对汽车多媒 体环境作了高度的优化，对要处理的主要流量类型规定了信号类别。m o s t 允 许采用多种拓扑结构，包括星形和环形，大多数汽车装置都采用环形布局。一 个m o s t 网络中最多可以有6 4 个节点。m o s t 总线是完全同步的，可将网络 内的任何设备指定为主设备，其它所有节点都从主设备处获得自己的时钟。网 络完全是即插即用的，当上电或有连接改变时，主节点上保持着一个所连设备 的中心注册处。目前，戴姆勒一克莱斯勒和宝马等欧洲汽车厂商均在计划推广 使用m o s t 总线。 1 4 我国汽车网络及车灯控制系统的发展状况 网络技术在汽车上的应用是汽车行业发展的必然趋势，特别是在网络协议 的制定，车用统一软件平台下的软件开发及协议芯片的开发制造上。总线技术 在汽车上的应用也仅仅处于刚刚起步阶段，目前国内的上海大众、一汽大众和 上海通用等汽车公司的新一代汽车中都采用了总线技术。虽然在国内生产的一 些中、高档轿车和一些卡车、客车中都采用了总线技术，但这些总线技术和产 品的知识产权都在国外，国内目前还没有具有自主知识产权的汽车网络技术及 产品。 由于我国汽车网络的发展处于刚刚起步阶段，车灯控制系统仍然采用传统 的布线方式，使得车内线束过多且布线复杂，从而造成了严重的电磁干扰，导 致系统的可靠性下降。 我国加入w t o 后，国外汽车电子技术的优势已经对我国汽车工业的发展 产生了重大影响和巨大冲击。为了能在未来全球化的市场竞争中占据一席之 地，必须把握汽车电子技术发展的趋势，以此明确我国汽车电子发展的目标。 6 山东理t 大学硕十学位论文第一章绪论 按照我国汽车电子技术发展规划，进入2 1 世纪后汽车电子技术要达到国外9 0 年代水平。为缩短同国外汽车技术间的差距，提高自身的竞争力，加速合资企 业国有化进程，单纯靠技术引进不利于长期发展，消化、吸收、研究和开发具 有自主知识产权的汽车网络技术及应用系统已势在必行。 1 5 主要工作 本课题来源于山东省教育厅科技公关项目一一微型电动汽车关键技术研 究与开发( 项目编号：j 0 5 c 1 3 ) 。本论文以电动汽车车灯为控制对象，利用德国v e c t o r 公司的c a n o e 网络集成开发环境，设计了基于c a n 总线的电动汽车车灯控制系统。 主要工作包括以下几方面： 1 基于s a ej 1 9 3 9 的电动汽车c a n 网络协议设计 在深入研究c a n 总线网络协议及其技术规范的基础上，针对双轮独立驱 动电动汽车的特点，设计了电动汽车总成系统的网络拓扑结构。以s a e 儿9 3 9 协议为参考，制定了适应于电动汽车特点的总成系统的c a n 总线通讯协议。 2 车灯控制网络的仿真 设计了一种电动汽车车灯控制网络，该网络主要由3 个节点组成，分别为 主控节点、前车灯节点和后车灯节点。利用c a n o e 对该网络进行建模与仿真， 仿真结果验证了设计方案的合理性。 3 系统硬件电路设计 利用c a n o e 的半物理仿真功能，对各节点硬件电路进行并行设计。除了 为每个节点设计c a n 通讯部分的硬件以外，考虑到车灯是一种具有高浪涌电 流的负载，本文采用了智能功率开关来驱动车灯；对于主控节点重点设计了翘 板开关的检测电路。另外考虑到电动汽车的电磁环境，加强了节点和整个网络 在电磁兼容方面的研究。 4 系统软件设计 软件设计采用模块化思想，重点设计了初始化模块、数据发送模块和数据 接收模块。另外，对软件的可靠性进行了设计。 5 车灯控制网络的现场测试 本文所设计的方案在电动汽车车灯控制系统试验平台上进行了详细的试 验调试。利用c a n o e 对该系统进行测试，测试结果表明，该设计在数据传输 波特率达到2 5 0 k b s 的情况下，数据传输稳定、准确、可靠。 7 山东理下大学硕一 ：学位论文第二章c a n 协议技术规范 第二章c a n 协议技术规范 随着c a n 技术应用的普遍推广，对其通信协议的标准化提出了要求。为 此，l9 9 1 年9 月b o s c h 公司制定并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n2 0 ) 。该技 术规范包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了曾在c a n 技术规范版本1 2 中定义的 c a n 报文格式，而2 0 b 给出了标准和扩展两种报文格式。此后，19 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具数字交换一高速通信控制器局域( c a n ) 国际标准( i s ol l8 9 8 ) ，为控制器局域网的标准化、规范化推广铺平了道路。 2 1c a n 网络的分层结构 由于c a n 协议应用于特定的场合，要求网络结构简单、价格低廉、通常 还要求数据传输速度快、满足实时性控制要求。i s o o s i 模型显得过于庞大， 数据处理耗时太大，不适合汽车应用场合的控制，所以c a n 协议只采用了3 层网络结构【2 2 儿2 ”。 为了实现设计的透明性和执行的灵活性，c a n 2 0 a 技术规范中，网络被 划分为对象层、传输层和物理层三层。对象层和传输层包括了i s o o s i 模型定 义的数据链路层的所有服务和功能，按照i s o o s i 参考模型层次定义，这两层 应该划分为数据链路层范围。 对象层的功能包括：确认哪个信息要发送；确认传输层接收到的哪些信息 真正有用；为应用层提供接口。 传输层是c a n 协议的核心，其功能包括：帧组织；总线仲裁；错误检测、 报警及故障界定；确认总线是否空闲；确认是否接收信息；位定时等。和对象 层相比，传输层不能被灵活修改。 物理层定义实际信号的传输方法。物理层在c a n 2 0 a 中没有被定义，以 便允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 如图2 1 所示，c a n 协议技术规范2 0 b 严格遵守i s o o s i 参考模型，将 c a n 分为数据链路层和物理层，其中数据链路层又被划分为逻辑链路控制 ( l l c ) 子层和媒体访问控制( m a c ) 子层，这两层的功能分别与2 0 a 中的 对象层和传输层功能相对应。 l l c 子层的主要功能有：为数据传输和远程数据请求提供服务；确认l l c 收到的数据是否真正要被接收：过载报警及恢复管理。 m a c 子层是c a n 协议的核心，主要功能是定义传输规则，如帧结构控制、 8 l j l 东理r t 大学硕i j 学位论文第二章c a n 协议技术规范 错误检测及故障界定等服务。和2 0 a 的传输层一样，m a c 子层不能被灵活修 改。 物理层定义了信号怎样被实际传输，包括位定时、位编码和位同步等功能。 和2 0 a 一样，技术规范2 0 b 的物理层中也没有定义驱动器接收器特性，以 便在实际应用中对传输介质和信号电平进行优化。从对节点的分层结构不难看 出，技术规范2 o b 对c a n 的网络层次划分更符合i s o o s i 参考模型【2 引。 应用层 对象层 一报文滤波 报文和状态的处理 传输层 故障界定 错误检测和标定 报文检验 应答 仲裁 报文分帧 传输速率和定时 物理层 信号电平和位表示 传输媒体 图2 - 1c a n 协议2 0 a 和2 0 b 分层结构 2 2c a n 总线的报文及其帧格式 c a n 总线的报文传输有以下4 个不同的帧类型1 2 5 j ： ( 1 ) 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器； ( 2 ) 远程帧：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：任何单元检测到一总线错误就发出错误帧； ( 4 ) 过载帧：过载帧用在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一 附加的延时。 9 山东理t 大学硕l ：学位论文 第二章c a n 协议技术规范 2 2 1c a n 总线报文的数据帧 总线自一个发送节点携带数据至一个或多个接收节点。数据帧结构如图 2 2 。数据帧由七种不同的位域组成：帧起始域、仲裁域、控制域、数据域( 长 度可为0 ) 、c r c 域、应答域、帧结束域。 一问引卜域卜据域l 叫域卜域卧黼间 图2 - 2 数据帧格式 1 帧起始域( s o f 域) 该域表示一个数据帧或远程帧的开始，它由一个显性位组成，该显性位用 于接收状态下的c a n 控制器的硬同步。 2 仲裁域 该域由信息标识符及r t r 位组成，当有多个c a n 控制器同时发送数据时， 在仲裁域要进行面向位的冲突仲裁。 标识符( 以标准帧为例) 由l l 位组成，用于提供信息优先级，其发送顺序 为i d 10 至i d 0 ( l s b ) ( 注意：其最高七位i d 1 0 i d 4 均为隐性位的现象不允 许出现) 。 标识符并不限定某一特定节点接收该信息，因为c a n 网络节点支持点对 点接收及广播通讯方式。 c a n 总线上的接收节点可以请求总线上另一个节点发送信息，方法是向 网络上发出远程帧，置远程发送请求位r t r 为高，如果所寻址节点立即发送 所请求的数据，则使用相同的标识符，此时总线上不会产生冲突，因为数据帧 的r t r 位此时为低( o ) 。 3 控制域 该域由六位组成，包括两个保留位( r 0 、r 1 ，用于c a n 协议扩展) 及4 位 数据长度码，允许的数据长度值为o 8 。( 保留位必须以显性位发送，接收节 点接收显性位和隐性位的所有组合) 。 4 数据域 发送缓冲区中的数据按照长度代码指示长度发送。对于接收的数据，同样 如此。( 注意：第一个数据字节的最高有效位第一个被发送接收。) 5 循环冗余校验域( c r c 域) 由c r c 域( 1 5 位) 及c r c 边界符( 一个隐性位) 组成。c r c 计算中，被除的 多项式由帧的起始域、仲裁域、控制域、数据域及1 5 位为0 的解除填充的位 流给定。此多项式被下列多项式x 1 5 + x 1 4 + x 1 0 + x g + x 7 + x 4 + x 3 + l 除( 系数按模2 l o 山东理t 大学硕十学位论文第二章c a n 协议技术规范 计算) ，相除的余数即为发至总线的c r c 序列。发送时，c r c 序列的最高有效 位被首先发送接收。之所以选用这种帧校验方式，是由于这种c r c 码对于少 于1 2 7 位的帧是最佳的。 6 应答域( a c k 域) 应答域由发送方发出的两位( 应答间隙及应答界定) 隐性位组成，所有接收 到正确的c r c 序列的节点将在发送节点的应答间隙上将发送的这一隐性位改 写为显性位。因此，发送节点将一直监视总线信号己确认网络中至少一个节点 正确地接收到所发信息。应答界定符是应答域中第二个隐性位，由此可见，应 答隙两边有两个隐性位，c r c 界定位及应答界定位。 7 帧结束域( e o f 域) 每一个数据帧或远程帧均由一串七个隐性位的帧结束域结尾。这样，接收 节点可以正确检测到一个帧的结束。 2 2 2c a n 总线报文的远程帧 c a n 网络上的一个接收节点可以启动数据传输，方法是向网络上发一个 远程帧，用标识符寻址数据发送源节点，且置相应帧的r t r 位为“l 。远程 帧与数据帧有如下不同：r t r 位为高、数据长度代码无效、无数据域。 远程帧由六个域组成：帧起始域、仲裁域、控制域、c r c 域、应答域、 帧结束域。 2 2 3c a n 总线报文的错误帧 错误帧由两个不同的域组成，第一个域是不同站提供的错误标志的叠加， 第二个域是错误界定符。 1 错误标志 有两种形式的错误标志： ( 1 ) 激活( a c t i v e ) 错误标志，它由六个连续显性位组成； ( 2 ) 认可( p a s s i v e ) 错误标志，它由六个连续隐性位组成，它可由其它c a n 控制器的显性位改写。 处于激活错误状态的c a n 节点检测到错误后，将发出激活错误标志，该 错误标志不满足位填充( 插入) 规则，或者破坏了应答域或帧结束域的固定格 式。所有其它节点都将检测到错误状态，并发出该错误标志。因此，这些从总 线上检测到的显性位串是各个节点发出的不同错误标志叠加的结果，这一位串 的长度最短是6 个，最长是1 2 个。认可错误状态的c a n 控制器检测到错误后 山东理t 人学硕：l ：学位论文第二市c a n 协议技术规范 发出认可错误标志，并等待从认可错误标志开始的相同极性的六个连续位。当 这6 个相同的位被检测到时，认可错误标志就完成了。 2 错误界定符 错误界定符由8 个隐性位组成，它与过载界定有相同的格式。错误标志发 送后，每一个c a n 节点监视总线，直至检测到一个显性位到隐性位的跳变。 此时表示所有的c a n 节点已经完成了错误标志的发送，并开始发送8 个隐性 位的界定符。之后，网络上的错误激活节点便可同时开始其它的发送。 如果数据帧或远程帧的发送过程出错，则重发，当连续出现错误帧错误时， 则相应的节点将变为认可错误节点。 当正确结束错误标志，认可节点需要总线空闲至少三个位周期( 如果在一 个认可错误接收器出现本地错误) 。 2 2 4c a n 总线报文的超载帧 超载帧由两个区域组成，超载标识及超载界定符，下述两种状态将导致超 载帧发送： ( 1 ) 接收方在接收一帧之前需要过多的时间处理当前的数据( 接收尚未准 备好) ； ( 2 ) 在帧空隙域检测到显性位信号。 超载帧发送条件： ( 1 ) 由第一个超载条件引起的超载帧的发送是在帧空隙域的第一位周期； ( 2 ) 由第二个条件引起的超载帧的发送是在检测到显性位信号后的一位。 1 超载标识 超载标识由六个隐性位组成，其格式与错误标识相同。 2 超载界定符 超载界定符由8 个隐性位组成，其格式与错误分界符相同。当超载标识发 出后，每个节点监视总线状态，直至检测到隐性位的跳变。此时，所有的节点 均已完成了超载标志的发送，并开始发送8 个隐性位串。 2 2 5c a n 总线报文的帧间空隙 数据帧及远程帧与其前面一帧信息包之间是帧间空隙，它由帧间空隙域及 总线空闲状态组成。 1 帧间空隙域 帧问空隙域由三个隐性位组成，在此期间，c a n 节点不进行帧发送。 1 2 山东理t 大学硕十学位论文 第二章c n 协议技术规范 帧间空隙是必要的，为的是使c a n 控制器在下次信息传递前有时间进行 内部处理操作。 2 总线空闲态 总线空闲的时间是任意的。当总线空闲时，c a n 控制器方可发送信息。 2 3c a n 总线中的错误处理 c a n 协议中共有以下5 种不同的错误类型 1 位错误( b i te r r o r ) 节点在发送的同时也对总线进行监视。如果所发送的位值与所监视的位值 不符，则在此位时间里检测到一个位错误。但是在仲裁域的填充位流期间或 a c k 间隙发送一“隐性 位的情况是例外的，此时，当监视到一“显性 位 时，不会发出位错误。当发送器发送一个被动错误标志但检测到“显性位时， 也不视为位错误。 2 填充错误( s t u f fe r r o r ) 如果在使用位填充法进行编码的信息中，出现了第6 个连续相同的位电平 时，将检测到一个填充错误。 3 c r c 错误( c r ce r r o r ) c r c 序列包括了发送器计算的c r c 结果。接收器计算c r c 的方法与发送 器相同，如果计算结果与接收到c r c 序列的结果不相符，则检测到一个c r c 错误。 4 形式错误( f o r me r r o r ) 当一个固定形式的位域含有1 个或多个非法位，则检测到一个形式错误。 5 应答错误( a c k n o w l e d g m e n te r r o r ) 只要在a c k 间隙期间所监视的位不为“显性 ，则发送器会检测到一个应 答错误。 检测到出错条件的节点通过发送出错标识进行标定。当任何节点检测出位 错误、填充错误、格式错误或应答错误时，由该节点在下一位开始发送出错标 志；当检测到c r c 错误时，出错标识在应答界定符后面那一位开始发送，除 非其它出错条件的错误标识已经开始发送。 在c a n 总线中，任何一个