（通信与信息系统专业论文）基于canlin总线的车身网络中网关设计与实现.pdf

重庆邮电人学颇十论文- n 。婴 摘要 随着汽车内电子设备的迅速增加，车内电子网络应运向生。现场总线州络能 够大量减少控制线数，提高可靠性，必然成为汽乍电控系统技术发展的主流趋势。 c a n l i n 总线作为低成本的现场总线，研究其在车身网络中的应用就显得很有必 要。 本文的主要内容包括： 1 阐述该课题研究的背景和本文研究的主要内容。 2 基于c a n 2 0 和l i n 2 0 规范，详细介绍c a n ，u n 总线的原理，包括总线特 点、报文格式和传输机制等。 3 ，根据c a n l i n 总线的通信特点，基于飞思卡尔专用的1 6 位和8 位微控制 器，设计了高低速c a n 网关和c a n n j n 网关硬件电路，并详细描述电路的各组成 部分。 4 在高低速c a n 网关和c a n 舢n 网关硬件平台上分别开发了它们的底层驱 动软件，并详细说明了高低速c a n 报文和c a n l i n 报文转换的实现过程。 5 根据汽车车电器分布特点，设计了一个车身网络方案，并将所设计的网 络节点应用到车身网络中，制定了各节点通信的应用层协议，最后通过报文监测 仪测试了车身网络的运行情况。 本文通过设计高低速c a n 网关实现了高低速c a n 报文的转换，设计c a n & i n 网关实现了c a n ，lj n 报文的转换。这两个网关将三个速率不同的通信网络有效的 连接起来，实现了全部节点之问的数据共享，从而形成一个完整的c a n ，l i n 车身 网络。 关键词：c a n 总线l i n 总线网关车身网络 重庆邮电人学硕十论文a 0 s t r a c f a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fe l e c t r o n i ce q u i p m e n ti nm o t o rv e h i c l e s r a p i d l y , a u t o m o t i v e e l e c t r o n i cn e t w o r k sh a v eb e e ne m e r g e d f i e l db u sn e t w o r ka sat e c h n o l o g yt h a tc a nr e d u c e t h en u m b e ro fc o n t r o ll i n e sa n di m p r o v er e l i a b i l i t yb e c o m e sat e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n tt r e n d o fv e h i c l ee l e c t r i c a ls y s t e m c a n l i nb u si sal o w - c o s tf i e l db u s s oa p p l yi ti nt h ev e h i c l e n e t w o r ki sv e r yn e c e s s a r y t h em a i nc o n t e n lo fl h i st h e s i si n c l u d e ： 1 b a c k g r o u n do ft h i st o p i c a n dm a k eo u tt h ec o n t e c to ft h i sp a p e r 2 b a s eo nc a n 2 0a n dl i n 2 0p r o t o c o l ，c a n 几i nb u sp r o t o c 0 1w i l ib ei n t r o d u c e d ， i n c l u d i n gb u sf e a t u r e s ，m e s s a g ef o r m a t sa n dt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m 3 a c c o r d i n gt oc a n l i nb u sc o m m u n i c a t i o nf e a t u r e s ，b a s e do nt h ed e d i c a t e df r e e s c a l e 1 6 - b i ta n d8 - b i tm i c r oc o n t r o l l e r s ah i g h - o w - s p e e dc a ng a t e w a ya n dc a n l i ng a t e w a y h a r d w a r ec i r c u i t sh a v eb e e nd e s i g n e d a n dd e t a i l so ft h ec i r c u i tc o m l p o n e n t sw i b ed e s c r i b e d 4 d e v e l o pt h el o w e rd r i v e rs o f r w a f et h a tu s ei nt h eh i g h l o w - s p e e dc a ng a t e w a ya n d c a n i l i ng a t e w a yh a r d w a r ep l a t f o r ma n dd e s c r i b et h ed e t a i l st h em e s s a g ec o n v e r s i o no f h i g h 4 0 w - s p e e dc a na n dc a n l i n 5 a c c o r d i n gt ol h ee l e c t r i c a ld i s t r i b u t i o nf e a t u r e so fa u t o m o b i l e as c h e m eo fa u t o m o t i v e b o d yn e t w o r ki sd e s i g n e d ，t h ed e s i g no fn e t w o r kn o d e si n t ot h eb o d yi sa p p l i e d ，a n dt h en o d e c o m m u n i c a t i o na g r e e m e n ti nt h ea p p l i c a t i o nl a y e ri sd e v e l o p e d o nt h ee n do ft h ep a p e r , a n o p e r a t i o no fm o n i t o r i n gn e t w o r kt e s tm o d ew i l ls h o wt h eb o d yn e t w o r ko ft h ea u t o m o b i l e t h ed e s i g no fh i g h l o w - s p e e dc a ng a t e w a yc a nt r a n s f o r m st h eh i g h l o w - s p e e dc a n m e s s a g ea n dt h ec a n l i ng a t e w a yc a na c h i e v ec a n l i nm e s s a g ec o n v e r s i o n t h u st h e s e t h f e ed i f f e f e n c er a t ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sc a nb ec o n n e c t e d a n dd a t ao fl h e mc a nb ef u i i s h a r e dt oa ljt h en e d 鹊s oaw h o l ec a n l i nn e t w o r ki sf o r n l e d k e yw o r d s ：c a nb u s l i nb u s g a t e w a y a u t o m o t i v eb o d yn e t w o r k 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，也不包含为获得重庭邮电太堂或 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谢意。 学位论文作者签名：旅磐红 签字同期： 弘年j 月纠同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖整虫太堂有关保留、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 被查阅和借阅。本人授权重鏖监电太堂 可以将学位论文的全部或部分内 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、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：涨碧红 签字日期：年岁月叫日 导师签名。 矽绍 签字日期：沙石年5 月t f 日 重庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 由于汽车内电子电器数量的急剧增多，为了解决汽车电子子系统的增加所带 束的数据传输的安全性、可靠性、车内线缆总长度太长导致车重增加等问题，并 满足线控汽车的需要，网络和总线技术有了很大的发展。国际汽车巨头和顶级汽 车半导体制造商提出了一系列汽车总线标准，此外越来越多的汽车丌始装备高性 能的汽车车身网络控制系统，如分布式车身控制系统。 八十年代初，作为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 提出的专门为汽车电子控制研发的控制器局域网协议，成为当前各国汽车制造商 普遍认同的主流协议，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 1 1 1 、i s o 的v a n 四和博世的c a n p i 。 由a u d i 、b m w 等七家汽车制造商及m o b m l a 集成电路制造商联合提出的l i n 协议是一种廉价的局部互连的串行通信网络协议，它主要应用于分布式汽车系统 中的智能变换器节点上，同样也可以应用于工业通信中f 4 】。由l i n 组成的网络可 通过l i n 主控节点连至上层网络如c a n 总线网络，为现有的c a n 等网络提供附 加功能。 基于c a n l i n 总线的车身控制系统，可以由c a n 总线将几个主要的网关模块 连接起来，再由每个网关模块连接几个l i n 子节点，实现整个车身的网络控制。 目前，l i n 联盟的支持厂家包括国际汽车巨头，例如宝马、奥迪等，因此c a n l i n 总线代表了未来车身电子网络系统的发展方向之一。 1 2 汽车网络的发展趋势 汽车网络技术从二十世纪八十年代提出以来，至今存在许多侧重功能不同的 汽车网络标准。为方便研究和设计应用，二十世纪九十年代中期s a e ( s o c i e t yo f a u l o m o t i v ee n g i n e e r ) 把车用网络分为a 、b 、c 、d 、e 五类【5 】，其中，a 类网络为面 向执行器、传感器的低速网络嘲【7 】，l i n 、t t p a 将成为其主流协议；b 类网络为面 向数据共享的中速网络哥 l ，其主流协议将是c a n o s o1 1 8 9 1 - 3 ) 、s a ej 1 8 5 0 ，v a n 等协议；c 类网络为面向实时控制的高速网络【1 2 l ，其主流协议为c a n ( i s o1 1 8 9 1 2 ) 、 t t 刚c ( t l m e - t d g g e r e dp r o t o c 0 1 ) 、f l e x r a y 等协议：d 类网络主要面向多媒体、导航 重庆邮电人学硕十论文第一事绪论 系统等，目前该类网络的主流协议为：d 2 b ( d o m e s t i cd i g i t a lb u s ) 、m o s t ( m e d i ao , d e n t e d s y s t e m s t r a n s p o d ) 1 1 3 1 ；e 类网络是面向乘员安全系统的网络，主要应用于车辆被动 性安全领域，该类网络的协议有b y t e f l l g h t 等【1 4 1 目。具体分类如表1 1 所示。 表1 1s a e 的汽下网络分类 网络分类位传输速率麻j e j 场合 a 类 低速， l m b p s 应用丁更严格的实时控制场合及多媒体控制 e 类 i ；| i 速， 5 m b p s 戍用丁1 三辆破动安全性领域，如安全系统 基于上文汽车网络的分类及其主流协议，可以看出汽车网络技术的发展趋势 主要有以下几方面： 1 、网络技术迅速在汽车应用中普及 几年前汽车网络控制的应用还局限于高档车，对于大多数人来讲，汽车网络 技术还是一个比较陌生的概念。在短短几年内，汽车网络技术的发展速度己令人 瞠目结舌，从目前的情况来看，世界各大汽车公司的车身网络控制和动力系统网 络控制的技术平台均己基本建立，在新推出的车型中，全面采用网络控制技术已 成为可能，因此可以断言，近几年内网络技术在汽车中的应用将会迅速普及。 2 、高速、实时、容错网络控制技术 线控概念( x - b y - w i r e ) 是另一新的汽车工程概念，目前已有使用线控系统的概念 车出现。该技术极大改善了汽车的可操纵性、安全性、及总体结构，汽车设计的 灵活度也大大增加，驾驶员和方向盘之间将没有任何机械部分的连接，使用这种 技术使汽车的操纵系统、制动系统及其它辅助系统能够通过电子方式，而不是传 统的机械方式进行控制，也就是说，象转向柱、踏板连杆、变速杆连孝t 等刚性传 动件将会消失，取而代之的将是基于网络控制的各种传感器、控制器和电液式电 动执行器组成的线控系统。x - b y - w i r e 技术必将促进高速、实时、容错的网络通信 技术的发展。 3 、多媒体、高带宽的网络 未来汽车网络同时将是一个多媒体、高带宽的网络，它能使车内生活更轻松， 并在某种程度上将办公室移入车内。如果再看远一些，人们将可以下载软件以修 改控制器软件中的漏洞或提高汽车的性能。随着第三代移动通信技术的发展，这 一技术必将得到快速的发展。 4 、统一网络协议 目前在汽车行业中存在很多网络通信协议，由于缺乏全世界统一的标准，实 重庆邮电人学帧十论文第一葺绪论 际上提高了汽车的制造成本。例如，目前在c 类网络中t t p c 和f l e x r a y 之间的 争论还没有结果，因此x - b y - w i r e 产品供应商必须提供与这两种结构兼容的产品。 虽然建立一个统一的汽车网络协议体系足一。件一卜分复杂和困难的工作，但，二汽车 制造商和供应商之间已逐渐对这一问题达成一致：在a 类网络中使用l i n ，在b 类网络中低速c a n 已成为事实上的标准协议，在c 类网络中，对传统的实时分 御控制( 对应于x - b y - w i r e 技术而言) ，高速c a n 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，t t p c 与f l e x r a y 的竞争结果也将逐渐明朗。 1 3 我国车身网络研究现状 我国在汽车电子方面的研究起步较晚，对应用于汽车领域的c a n 及l i n 协议 的研究尚属于起步阶段。例如清华大学、北京航空航天大学和同济大学等雏位在 c a n l i n 为控制局域网络方面开展了富有成效的研究，但是离c a n l i n 在汽车上 的大规模应用还需要相当长一段时间。国内在整车网络体系构建、信息接口规范 等方面的研究起步不久，离发达国家现有的技术水平差距较大。鉴于c a n 及l i 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 及l i 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。为缩短同国外轿车技术水平的差距，提高自身的竞争力，单纯靠 技术引进不利于长期发展，通过消化、吸收国际主流总线技术和标准，研究和丌 发自己的汽车总线与网络应用系统对于缩短我国同国外汽车电子技术水平的差 距，提高自身的核心竞争力已势在必行。 1 4 本文研究的主要内容 本论文的主要内容是c a n l i n 总线系统在现代汽车车身网络上的研究与应 用，着重设计了高低速c a n 网关和c a n l i n 网关。具体的内容安排如下： 1 ， 2 、 第二章主要介绍c a n ，l i n 总线原理，首先详细介绍c a n 总线的通信 协议及技术规范，接着简要介绍l i n 总线的通信协议及其特点。 第三章先根据c a n 总线的通信特点，设计了基于1 6 位微控制器的 高低速c a n 网关( 中央控制器) 硬件电路：再结合l i n 总线通信特 点，设计了基于8 位微控制器的c a n n j n 网关( c a n 节点l i n 主节点) 硬件电路。 第四章在高低速c a n 网关和c a n j n 网关两个硬件平台的基础上， 分别开发了它们的底层驱动软件。 重庆邮电人学硕十论文 第一章锗论 4 、第五章针对汽车车身电器分别特点，设计了基于c a n l i n 总线的车 身网络的方案，并根据实际车身电器分布情况，设计了c a n l i n 总 线的应用层协议，最后了给出车身网络节点运行的测试结果。 1 5 本章小结 本章首先简要的介绍了课题研究的背景，随后分析了现代汽车网络的分类及 其主流协议，并指出了车身网络的发展趋势，接着分析了我国汽车车身网络的研 究现状，引出了研究基于c a n l i n 总线的车身网络的必要性，最后简要的介绍了 本论文研究的主要内容。 匹庆邮电人学硕十论文 第二章c a n l i n 总饯原理 第二章c a n l i n 总线原理 c a n l i n 总线协议都为串行通信协议，控制器区域网络( c a n ) 是一种异步 的多主( m u l t = 一m a s t e r ) 串行通信协议，可用束连接汽车和工业应用中的各种电f 控制模块。本地互连网络( l i n ) 是一种基于u a r t 的单主( 节点) 多从( 符点) 网络架构，不仅可以连接独立的传感器和制动器，其主节点还可在l i n 网络与c a n 等更高级网络之间进行连接。 2 1c a n 总线原理 c a n 总线广泛应用于汽车电子行业里，使用c a n 总线可以连接发动机控制 单元、传感器、防滑系统等，也可以将c a n 安装在汽车本体的电子系统罩，诸 如车灯组、电器车窗等，用以代替接线配线装置。 2 1 1c a n 总线概述 控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是8 0 年代初b o s c h 公司为解决 现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信 协议，经多次修订，于1 9 9 1 年9 月形成技术规范2 0 版本。该版本包括2 ，0 a 和 2 o b 两部分。2 o 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( 1 1 位) 和扩展( 2 9 位) 两种报文格式。1 9 9 3 年1 1 月i s oi e 式 颁白了道路交通运输工具一数字交换一高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准 ( i s o1 1 8 9 8 ) ，为控制器的标准化、规范化铺平了道路。此后，越束越多的美国 汽车公司采用c a n 网络。在1 9 9 4 年美国汽车工程师协会卡车和巴士控制和通信 子协会选择c a n 作为j 1 9 3 9 标准( 在卡车和巴士中应用的c 类网络) 的基础【1 q 。 作为汽车网络协议c a n 的国际标准有：i s 0 1 1 8 9 8 - 2 ( 高速c a n ) ，i s 0 1 1 8 9 8 3 ( 具 有容错功能的c a n ) 和i s o1 1 8 9 8 - 4 ( t t c a n ) 。目前c a n 已经成为b 、c 类网络的 世界标准。 c a n 总线通信接口集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对 通信数据的成帧处理。c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而 代之以对通信数据块进行编码。数据帧的标识码可由1 1 位或2 9 位组成，c a n 2 0 b 规定在标识符的前七位不能同时为逻辑零，这种按数据帧编码的方式，还可使不 同的节点同时接收到相同的数据。数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业 领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用过 重庆邮电人中硕十论文 第一章c a n l i n 总线原埋 长的总线时间，从而保证了通信的实时性。c a n 协议采用c r c 校验并可提供相 应的错误处理功能，保证数据通信的可靠性。 2 1 2c a n 总线特性 c a n 总线是一种优良的系统总线，下面从技术特点和性能特点两个方面加 以介绍【1 1 。 1 ) c a n 总线的技术特点 c a n 总线与其他通信网的不同之处有- - ：一是报文传送中不包含目标地址， 它是以全网广播为基础，各接收站根据报文中反映数据陛质的标识符过滤报文， 该收的收下，不该收的弃而不用。其好处是可在线上网下网，即插即用和多站接 收；二是特别强化了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它较高数据要求的 系统需求。 。 c a n 具有以下技术特性： c a n 遵从i s o o s i 模型，采用了其中的物理层，数据链路层与应用层。采 用双绞线，通信速率最高可达到1 m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达1 0 k m 5 k b p s 。 同一段总线内最多可接1 1 0 个设备。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8 个。因而传输时 问短，受干扰的概率低。当节点发生严重错误时，具有自动关闭的功能，切断该 节点与总线的联系，使总线上其它节点不受影响，具有很强达的抗干扰能力。 c a n 支持多主工作方式，网络上任一节点均可在任何时候主动向其它节 点发送信息，支持点对点、一对多点和全局广播方式接收，发送数据，而优先绒 低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。 2 ) c a n 总线的性能特点 c a n 的性能特点如下： 成本低； 高速的数据传输速率高达1 m b i t s ； 可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文； 可靠的报文处理和检错机制； 发送的信息遭到破坏后可自动重发，只要总线一处于空闲，就自动将破 坏的报文重新传输： 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能，将节点的暂时性错 误和永久性错误区分开来，并且可以自动关闭错误的节点； 报文的优先权： 重庆邮电人学硕十论文 第1 二章c a n i _ i n 总线原理 多主机； 报文不包含源地址或目标地址仅用标志符来指示功能信息优先级信息： 2 1 3c a n 总线协议栈结构 为使设计透明和执行灵活，遵循i s o o s i 标准模型，c a n 分为数据链路层( 包 括逻辑链路控制子层l l c 和媒体访问控制子层m a c ) 和物理层。在c a n 技术规 范2 0 a 的版本中，数据链路层的l l c 和m a c 子层服务和功能分别被解释为。目标 层”和“传送层”。c a n 协议建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上，不过 其模型结构只有3 层，即只取o s i 的物理层、数据链路层和应用层。由于c a n 的数据结构比较简单，又是范围较小的局域网，因此不需要其它的中问层，应用 层数据直接取自数据链路层或者直接向数据链路层写数据。 l l c 子层的主要功能为：为数据传送和远程数据请求提供服务；确认由l l c 子层接收的报文实际已被接收；为恢复管理和通知超载提供手段。在定义目标处 理时，存在许多灵活性。m a c 子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执 行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。为丌始一次新的发送，m a c 子层也要 确定，总线是否开放或者是否马上开始接收，位定时特性也是m a c 子层的一部 分。物理层的功能是有关全部电气特性的节点问的实际传送。自然，在一个网络 内，物理层的所有节点必须是相同。 2 1 4c a n 总线的报文格式 1 9 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 n 2 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 v l 2 中定义的c a n 杯准报文格式， 而2 0 b 中则给出了标准和扩展两种报文格式。c a n 总线数据的传输主要是通过 报文格式来传输的【1 8 1 。 ( 1 ) 帧格式 c a n 报文有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同：含有” 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。 ( 2 ) 帧类型 报文传输有以下4 个不同的类型帧：数据帧( d a t af r a m e ) 、远程帧( r e m o t e f r a m e ) 、错误帧( e r r o r f r a m e ) 和过载帧( o v e r l o a d f r a m e ) 。每一帧都由几个不同 的域组构成。 1 ) 数据帧 数据帧由以下7 个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、控制域、数掘域、 重庆邮电人学硕十论文 第二章c a n u n 总线腺理 c r c 域、应答域和帧结尾。其中数掘域的长度可以为o 。报文的数掘帧结掏如图 2 1 所示。 应答域 帧结尾 图2 1 报文的数据帧结构 a ) 帧起始 起始帧( s o f ) 标志数据帧或远程帧的丌始，仅由一个显性位组成。只在总 线空闲时才允许站点开始发送( 标准帧和扩展帧的帧起始格式相同) 。 b ) 仲裁域 标准格式帧与扩展格式帧的仲裁域格式不同。 在标准帧格式里，仲裁域由1 1 位标识符和r t r 位组成。标识位由i d 2 8 i d l 8 组成。标准格式数据帧格式中的仲裁域如图2 2 所示。 卜j 塑l 斗塑盟 + 竖纠 塞 互玉强型l 呈匝 二 图2 2 标准数据帧格式中的仲裁域 在扩展帧格式里，仲裁域由2 9 位标识符、s r r 位、i d e 位和r t r 位组成。 其标识符由i d 2 8 i d 0 组成。扩展格式中数掘帧格式中的仲裁域如图2 3 所示。 巫叠口孵 堕亟二匿日亘 图2 3 扩展数据帧格式中的仲裁域 仲裁域里最重要的部分就是标志符。标准帧里1 1 位标识符相当于扩展帧格 式罩的基本i d ( b a s ei d ) 。这些位按i d 2 8 到i d l 8 的顺序发送，最低位为i d l 8 。7 个最高位( i d 2 8 i d 2 2 ) 必须不能全是隐性位。扩展帧格式中标识符包括两部分， 趣 甲蝴 重庆邮电人学硕十论文 第一章c a n l i n 总饯原理 一部分足基本i d ，基本i d 包括i d 2 8 i d l 8 共1 1 位，这一部分和标准帧格式一致， 可以相互兼容。另一部分是扩展l d ，扩展i d 包括1 8 位，它按照i d l 7 i d o 顺序 发送。基本l d 定义了扩展帧的基本优先权。 c ) 控制域 控制域由6 个位组成，其结构如图2 4 所示。标准帧控制域和扩展帧控制域 是不同的。标准帧格式黾的控制域包括数掘长度代码、i d e 位及保留位r 0 。扩展 帧格式罩的控制域包括数据长度代码和两个保留位：r 1 和r 0 。 _ = _ 篓型生一叶 仲裁域标准格式或扩展格式 帧日j 审日j 例2 4 报文控制域结构 2 ) 远程帧 作为某数据接收器的节点，通过发送远程帧可以启动其资源节点传送它们各 自的数据。远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6 个不同的位域组成：帧 起始、仲裁域、控制域、c r c 域、应答域和帧结尾。 与数据帧相反，远程帧的r t r 位是隐性的，它没有数据域，所以数掘长度 代码的数据没有意义，可以是0 8 范围内任意值。r t r 的极性表示了所发送的 帧是一数据帧( r t r 位显性) 还是一远程帧( r t r 位隐性) 。 3 ) 错误帧 任何单元检测到总线错误就发送错误帧。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。 4 ) 过载帧 过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。过载帧也包括两个位 域：过载标志和过载界定符。 2 1 5c a n 总线报文传输 总线上的信息以不同格式的报文发送或接收，但长度有限制。当总线丌放时， 任何连接的单元均可开始接收或发送一个新报文。发送的时候，将相应的发送报 文写入发送缓冲区，即可发送；同理当产生接收中断信号时，从接收缓冲器读取 数据即可接收数据。 c a n 总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关，表2 1 举例 亚庆邮电大学硕十论文第一二章c a n l i n 总7 原理 了相关的数据n 8 l 。 表2 1c a n 通信距离与速率 i 仿速率k b p s 1 0 0 05 0 02 5 01 2 51 0 05 02 01 05 l 最人距离m 4 01 3 02 7 05 3 06 2 01 3 0 03 3 0 06 7 0 01 0 0 0 0 当总线丌放时，任何单元均可开始发送报文，若同时有两个或更多的单元丌 始发送，总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助标识符i d 解决。这种仲裁规则 可以使信息和时日j 均无损失。若具有相同标识符的一个数据帧和远程帧同时发 送，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位电平与总线上检 测到电平进行比较，若相同则该单元可继续发送。当发送一个“隐性”电平，而 在总线上检测为“显性”电平时，该单元退出仲裁，并不再传送后续位。 2 2l i n 总线原理 l i n 是低成本网络中的汽车通讯协议标准，为降低车身网络成本，它一般作 为c a n 总线的扩展。 2 2 1l l n 总线概述 。 1 9 9 8 年由a u d i 、m o t o r o l a 、b m w 、v c t 等公司成立了一个协会，在潜心研究a 类网络已有协议的基础上，于1 9 9 7 年7 月提出了称之为l i n 的协议杯准。陔协议 目前最新的版本是2 0 0 0 年发布的2 0 版。 本地互连网络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 ) 协议是一种建立在通用的 s cj ，u a r t 硬件接口上，并将分白在车辆不同位置的智能传感器和执行器连接到车 内主体网络的单总线、局部互连的串行通信协议h 9 删。它采用总线型拓扑结构， 单主多从介质访问方式，是一种面向底层的控制协议。l i n 的实现比较简单，只 要具有s c i 的单片机都可以用作l i n 网络的从节点。除此之外l i n 网络中必须有 一个主节点将该网络连接到主网上，比如c a n 网络，所以l i n 网络不是c a n 的 替代品而是它的补充。l i n 网络提高了汽车分层多路复用网络的性能，降低了汽 车电子控制装置的开发、生产及诊断的服务成本。它具有如下特点刚： 成本低、具有标准的s c i u a f i t 接口； 采用单主节点，多从节点的主从结构，无需总线仲裁机制： 通信时能监测传输响应时间，通信速率最高可达2 0 k b p s ： 数掘帧长度可变( 2 字节、4 字节或者8 字节) ，配置灵活； 多点广播接收方式，从节点无需高精度振荡器，可实现自同步； 重庆邮电人学硕十论文 第一章c a n l i n 总线原理 无须改变l i n 从节点的软硬件就可增加网络从节点 具有数据校验和错误检测机制： l i n 网络上节点数目一般不超过1 2 个。 2 2 2l i n 协议的基本概念i 笠】 1 报文 在总线上发送的信息，有长度可选的固定格式。每个报文帧都包括2 ，4 或 8 个字节的数据以及3 个字节的控制和安全信息。总线的通讯出单主机控制，每 个报文都可以以一个日j 隔信号开始，接着是一个同步场和一个标识符场，这些都 由主机任务发送。从机任务则是发回数据场和校验和场。 通过主机控制单元中的从机任务，数掘可以被主机控制单元发送到任何从机 控制单元，主机通过相应的报文l d 可以触发从机一从机通信。 2 信息路由 l i n 系统中，节点不使用有关系统配置的任何信息，除了单主机节点的命名。 系统灵活性：不需要改变任何其它从机节点的软件或硬件就可以在l i n 网络 中直接添加节点。 报文路由：报文的内容由标识符命名。标识符不指出报文的目的地地址，但 解释数据的含义。最大的标识符号码是6 4 ，其中4 个保留用于专用的通讯，譬如 软件升级或诊断。 多播：由于引入了报文滤波的概念，任何数目的节点都可以同时接收报文， 并同时对此报文做出反应。 3 位速率 最大的波特率是2 0 k b i t s ，它是单线传输介质的e m i 限制制定。最小的波特率 是1 k b i t s ，可以避免和实际应用的超时周期冲突。为使用低成本的l i n 器件，建 议使用表2 2 的位数率。 4 单主机一无仲裁 只有包含主机任务的控制器节点可以传输报头，一个从机任务对这个报头做 出响应。由于没有仲裁的过程，如果多于个从机响应就会产生错误。这种情况 下的错误界定可以由用户按照应用的要求制定。 5 连接l i n 网络节点的最大数量不仅由标识符的数量限制，也由总线的物理 重庆邮电大学硕十论文第二章c a n l i n 总线原理 特征限制。 建议：l i n 网络的节点数量不应超过1 6 。否则，节点增加将减少网络阻抗， 会导致环境条件变差，禁止无错误通讯。每一个额外的节点都可以降低大约3 的网络阻抗( 3 0 k ( 卜1 k d ) 。 网络中积累的电线长度应少于或等于4 0 m 。 主机节点的总线端电阻典型值是1 k q ，从机节点是3 0 k q 。 2 3 本章小节 本章主要介绍c a n l i n 总线原理，首先基于c a n 2 0 规范对c a n 总线原理做 了详细介绍，列出了c a n 总线的技术特点和性能特点，然后从c a n 协议栈的3 个层面上对其协议进行了剖析，详细的表述了c a n 总线的报文格式及传输机制。 最后对l i n 总线的特点和概念也简单的进行了介绍，为后面高低速c a n 网关、 c a n l i n 网关软硬件设计打下良好的基础。 - 1 2 重庆邮电人学硕十论文 第二章网芙硬，l 改计 第三章网关硬件设计 基于c a n l i n 总线的车身网络由中央控制器、低速c a n 节点、高速c a n 节 点、l i n 节点和电器驱动部分组成。本章主要设计高低速c a n 网关( 中央控制器) 与c a n l i n 网关的硬件电路。 3 1 高低速c a n 网关硬件设计 中央控制器是整个车身网络的核心，它控制整个车身网络的运行。它有双 c a n 控制器，分别与车身网络的高速和低速c a n 网络相连，故可以用作高低速 c a n 网关。 3 1 1h c s l 2 芯片简介 本设计采用f r e e s c a l e 公司生产的h c s l 2 系列的一款1 6 位m c u ，主要特性如 下鳓： ( 1 ) 中央处理单元c p u l 2 为1 6 位c p u ，a l u 在某些运算中为2 0 位，内部 所有数据总线为1 6 位，外部总线接口一般也是1 6 位，但仍可以选择按照8 位方 式工作，可以用8 位存储器件构造低成本的应用系统； ( 2 ) h c s l 2 系列内置有背景调试功能，通过单线接口即可对m c u 进行调 试，特有的b d m 调试方式无需仿真器，可以实现硬件断点、条件断点、在线调 试等全部调试功能； ( 3 ) 时钟和复位产生模块功能强大，集成了看门狗、时钟监测器、实时 中断和p l l 功能，看门狗可以保证程序跑飞之后快速恢复，时钟监视可以监视系 统时钟的运行异常： ( 4 )内部有1 2 8 kf l a s h 、2 ke e p r o m 、8 kr a m ，f l a s h 用来保存程序和原 始数据等，写入时无需外加编程电压，r a m 可以用作堆栈、保存中| 日j 结果及动念 数掘，甚至可以在调试时存放程序，e e p r o m 可以保存组念，设置信息等半永久 数据； ( 5 )最高速率可达1 mb s 的m s c a n l 2 模块； ( 6 ) 增强的捕捉定时器，最大通道数为8 ，每个通道可以单独设詈成输入 捕捉、输出比较方式； ( 7 ) p w m 模块具有8 个独立的8 位p w m 通道，可以设置成8 个8 位通道 重庆邮电大学硕十论文第二章网芙硬设计 或4 个1 6 位通道： ( 8 ) 集成串行接口s c i 和s p i ： ( 9 ) 工作电压为5 v ，最高总线频率为2 5 m h z 。 3 1 2 中央控制器电路设计 高低速c a n 网关在车身网络系统中作为中央控制器，它的主要功能是c a n 报文的发送和接收及高低速c a n 报文的转换。c a n 报文的发送是通过外接丌关 的触发或者定时器的定时中断柬完成的，这些丌关都是通过旧口与芯片相连的。 因为中央控制器实现的功能比较简单，且h c s l 2 内部资源丰富删，其单芯片最小 系统无需扩展即可满足比较复杂的应用要求，所以电路设计也不复杂，其电路图 如下页图3 1 所示闭，下面本文将分块介绍电路的各部分组成。 1 最小系统： h c s l 2 外加晶体和复位电路即构成单芯片最小系统，程序固化到内部的 r o m f l a s h 后加电即可运行，电路如图3 1 上半部分所示。 y 1 为1 6 m h z 晶体，与内部振荡器一起为系统提供时钟。x t a l 和e x t a l 分别 为振荡器的输出和输入引脚，外接石英晶体即可构成振荡器。e x t a l 引脚的时钟 信号在内部首先进行2 分频，然后分别通过p 、e 时钟和t 时钟产生电路生成p 、 e 和t 时钟。t 时钟包括相位依次相差9 0 度的t 1 、t 2 、t 3 和丁4 等四路，供c p u 使用；p 、e 时钟频率相同，相位相差9 0 度，分成两路，一路用于b d l c 及定时 器模块，另一路用于各路总线及b d m 、s p i 、s c i 、a t d 、f i t i 、c o p 、p w m 和r a m 等模块。h c s l 2 的e 时钟是一种特殊的信号，它作为总线时钟，频率固定为晶体 频率的1 2 ，若使用1 6 m h z 晶体，其总线频率为8 m h z 。 复位电路是由r e s e t 引脚外接上拉电阻和复位按钮构成的。m c u 可以通过 四种渠道进入复位状态。包括上电复位( p o r ) 和r e s e t 引脚的外部复位，二者 共用一个中断矢量，此外看门狗( c o p ) 和时钟监视器复位各用一个中断矢量。 这罩我们只介绍上电复位和r e s e t 引脚复位。当内部监测电路发现v 电源端出 现正跳变时，m c u 自动进入上电复位( p o r ) 过程，这期间r e s e t 引脚对内部的 工作没有影响。一旦出现复位条件，内部电路就会将r e s e t 引脚拉低1 6 个e 时 钟周期，然后释放，再过8 个e 时钟周期，从内部采样r e s e t 引脚，如果仍是 低电平，c p u 就认为是外部复位，如果回到高电平，就表明是内部复位。如果是 手动复位，只要通过按钮将r e s e t 拉低超过3 2 个e 时钟周期即可。 重庆邮电大学帧士论文 第二苹列大螋r l 改计 图3 1 中央控制器电路原理图 1 5 重庆邮电人学硕十论文第二章网天硬? 设汁 2 电源部分 目前汽车r 使用的电源系统是1 2 v 系统，蓄电池的电压范围是9 1 5 v 一般 单片机的输入电压和各个管脚的最大输入电压是5 v ，因此需要对汽车上的电源 系统进行电平转换，给需要5 v 电源的m c u 和具它器件使用，其电平转换部分电 路见图3 1 左下角部分所示。 m c u 的电源引脚部分共分成七组，分别满足芯片内不同部分的电源要求。 ( 1 ) v o o x 和v s s x 分别是i o 电源和接地引脚，为i 0 接口驱动部分供电。 为了满足信号的快速上升要求，一般要求电源能够提供瞬时大电流，因此应使用 高频旁路电容，本设计采用了1 0 u f 与0 1 u f 和0 0 1 u f 并联电容作为旁路电容( 见 图3 1 ) ，且它们尽可能靠近m c u ； ( 2 )v d 瞰和v s 辣分别是| o 电源及内部电压调整器和接地引脚，为| o 接 口驱动部分供电及内部电压调整器提供输入，它们的旁路电容的要求与v o o x 和 v s s x 相同； ( 3 )v o o 和v s s 分别为内部逻辑电源提供引脚，各使用3 个引脚，在内部 相连。电源通过从v o o 到v s s 提供给m c u ，这些2 5 v 的电源来源于内部电压调整 器，如果v r e g e n 引脚接地，内部电压调整器将关闭； ( 4 )v o o a 和v 淄分别a o 转换器( a t d ) 及电压调整器电源和接地引脚， 由于a t d 内部含有模拟电路，因此采用单独供电，为模拟电源的单独旁路提供了 方便： ( 5 ) v r l 和v r h 为a t d 参考电源输入引脚； ( 6 )v o o p u 和v s