（车辆工程专业论文）车载can网络通讯协议监测平台的研制.pdf

西华大学硕士研究生学位论文 车载c a n 网络通讯协议监测平台的研制 车辆工程专业 研究生张津蕾指导教师彭忆强 汽车内部电子设备的大量应用，导致传统线束无法满足要求，同时增加了 汽车的重量和成本。汽车总线正是在这样的背景下出现的。1 9 8 6 年德国b o s c h 公司提出了车载局域网基本协议c a n ，它是个串行、高速、实时控制协议， 通信速率最高可达1 m b p s 。c a n 总线已在汽车、航天工业等领域的控制系统中 得到了广泛应用，并且是目前唯一一个成为国际标准的现场总线。 由于i s o l l 8 9 8 总线标准仅对物理层和数据链路层的功能做了具体定义， 传输层和应用层需要用户自行定义和设计。本课题的研究正是在此背景下提出 的，其目标是为车载c a n 网络通讯协议监测平台与c a n 总线硬件在物理层和 数据链路层上提供统一的接口程序。在此基础上，设计上层图形用户界面，实 现基于c a n 总线的车载网络实时监测和控制。 本课题具体研究内容包括三个方面：首先，采用面向对象的方法编写c a n 总线驱动接口程序，运用v c + + 6 0 实例化此程序，并在此基础上开发上层用户 界面；然后，在车载c a n 网络通讯协议监测程序中，封装实现c a n 总线通讯 的功能，为监测人员提供交互式的程序接口，搭建车载c a n 网络通讯协议监 测平台，在p c 机上实现网络通讯协议的监测功能；最后，将p c 机作为虚拟 e c u 通过c a n 总线与被测e c u 相连接，配合作者开发的通讯监测程序，构成 车载网络通讯协议的实时监测平台。 在本课题的研究中，为分析软件功能是否满足应用需求，设计功能验证方 案，进行相关的监测工作，并分析监测结果。结果表明，车载c a n 网络通讯 协议监测程序的设计达到了预期的目标，完成了初期的设计工作，较好地实现 了对总线的监测和控制，并能够进行初步的测试工作。 关键词：c a n 总线；车载网络；实时监控；汽车电子 西华人学硕上研究生学位论文 s t u d yo na u t o m o t i v ec a n n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lm o n i t o r i n gp l a t f o r m a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g m a s t e rc a n d i d a t ej i n l e iz h a n g s u p e r v i s o ry i q i a n gp e n g w i t ht h ei n c r e a s i n go fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i cs y s t e m s ，t r a d i t i o n a li n n e rw i r i n g d o e s n ts a t i s f yc o m m u n i c a t i o nd e m a n d sa n ym o r e a u t o m o t i v en e t w o r kc a m eo u t u n d e rt h i sb a c k g r o u n d c a nb u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw a sd e v e l o p e db yr o b e r t b o s c hc o m p a n yi n1 9 8 6 ，a n dt h ec a nb u si sak i n do fs e r i a l ，h i g h s p e e db u sa n d p a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o rr e a l t i m ea p p l i c a t i o n n o w a d a y s ，c a ni se x t e n s i v e l yu s e d i na u t o m o t i v ea n da e r o s p a c ei n d u s t r y b e c a u s et h ei s o l l 8 9 8o n l yd e f i n e st h ep h y s i c a ll a y e ra n dd a t al i n kl a y e r , t h eu s e r ss h o u l dd e f i n ea p p l i c a t i o nl a y e ra c c o r d i n gt ot h e i ro w nd e m a n d s t h e w o r kd e s c r i b e di nt h i st h e s i si st op r o v i d eau n i f i e di n t e r f a c ep r o g r a mf o rt e s ts y s t e m a n dc a nb u sh a r d w a r e t h et h e s i sc o n s i s t so ft w op a r t s ：f i r s t ，f o rp r o v i d i n ga ni n t e r f a c ef o ra p p l i c a t i o n l a y e r , t h ec a nb u sd r i v e ri sp r o g r a m m e da n dr e a l i z e dw i t hv c + + 6 0 s e c o n d ，t h e m o n i t o r i n gp l a t f o r mi sb u i l t o n ep c ，a sav i r t u a le c u ，i sl i n k e dw i t ht h et e s t e d e c u ，a n dt h et e s tc a s e sa r ed e s i g n e dt oa n a l y z ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s t e s tr e s u l t ss h o wt h a t ，t h em o n i t o r i n gp l a t f o r mi m p l e m e n t st h er e a l - t i m e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lf o ra u t o m o t i v ec a n n e t w o r ke f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：c a nb u s ；a u t o m o t i v en e t w o r k ；r e a l t i m em o n i t o r i n g & c o n t r o l ；a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s 西华大学硕上研究生学位论文 独创性申明 本人申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。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它的已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同共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。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名：狠葡听年0 6 月0 3 日 导师签名耐科、叩年西月d 了日 6 1 西华大学硕士研究生学位论文 西华大学 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， 西华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密口，适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：旅窖专 日期：巧口6 曰 指导教师签名：玄【屯2 乏矛 日期：矿7 - i s 哆 西华大学硕士研究生学位论文 1 绪论 随着汽车电子技术的不断发展，车辆上电控系统的数量不断增多，而且功 能也越来越复杂。很多汽车采用了多个处理器( 如：奔驰6 0 0 s e l 采用了2 0 多 个电控模块) 。每个处理器都需要与多个传感器、执行器之间发生通信，而每个 输入、输出信号又可能与多个处理器之间发生通信。如果每个电控系统都独立 配置一整套相应的传感器、执行器，那么将有大量的线束、插件密布于汽车的 各个部位，这样不仅会增添汽车生产车间组装工人的装配困难以及车身重量， 而且也增加了汽车售后维修人员对故障诊断、维修的难度。另外，为了提高汽 车综合控制的准确性，综合控制系统也迫切需要输入、输出信号数据共享。当 电控模块共享输入信息时，就能对汽车进行更为复杂的控制n 1 。 在没有引入总线之前，汽车上的e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ：电子控制 单元) 与负载设备之间，采用点对点的方式，通过导线连接在一起的。随着电 子设备的不断增加，势必造成导线数量的不断增多，从而使得在有限的汽车空 间内布线越来越困难，限制了功能的扩展。此外，线束的增多，造成汽车本身 的重量增加，从而导致汽车油耗上升。线束质量每增加5 0 k g ，汽车的油耗会增 加0 2 l l o o k m i 引。此外，电控单元并不是仅仅与负载设备简单地连接，更多的 是与外围设备及其它电控单元进行信息交流，并经过复杂的控制运算，发出控 制指令，这些无法通过简单地连接完成。而单从线束本身来说，它也是汽车电 子系统中成本较高、连接复杂的部件之一。这些汽车设计制造中的实际问题直 接推动了汽车网络研究的快速发展。 从上世纪8 0 年代至今，出现了数以十计的与汽车网络有关的企业标准、国 家标准和工业标准。汽车工程师协会的年会上也设立了专门的论坛来讨论汽车 电子系统的通讯问题，部分网络化乃至整车网络化的商品化车型越来越多地出 现在市场上，并由于其高度的智能化水平和良好的整车性能取得了巨大的成功。 网络化己经成为汽车电子领域近年来最为重要的发展趋势。 西华大学硕士研究生学位论文 1 1 车载网络在国内外的发展历程 微控制器进入汽车控制领域后，给汽车发展带来了划时代的变化。但是电 子设备的大量应用，导致了传统线束远远不能满足要求。1 9 8 6 年，德国b o s c h 公司提出了车载局域网基本协议，即：控制器局域网c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ， 简称c a n ，较好地解决了这一问题。它使车上所有电子控制系统连接到一条简 洁、快速的数据总线上，为相互连接的控制系统间提供数据实时传递和信息共 享，使各电子系统能调整到其最佳状态。经过2 0 多年的发展，c a n 已成为目 前车载网络的主流，并已成为i s o 1 1 8 9 8 国际标准。众多国际知名的汽车公司 就积极致力于汽车总线技术的研究及应用，如：博世、马自达、德国大众等。 目前，国外的汽车总线技术已经成熟，采用总线系统的车辆有b e n z 、b m w 、 p o r s c h e 、r o l l s r o y c e 、j a g u a r 、v o l v o 等【3 2 1 。 在国内，我国引进的车型主要以欧美车为主，使用总线技术的车型几乎全 部使用c a n 总线。目前，o 钒已经由从前仅仅服务于中高级轿车，逐渐渗透 到价格较为低廉的家用轿车中。帕萨特b 5 、b o r a 、p o l o 、f i a t 等车型也不 同程度地使用了总线技术，主要应用在动力系统( 发动机、变速箱及仪表) 、安 全系统( a b s 、e b d 、b a v 、a s r 、e s p 等) 和车身系统( 门、窗、空调、灯 光、锁、座椅等) 。此外，部分高档客车、工程机械都开始应用总线技术。 c a n 协议是一个串行的、高速的、实时控制协议，通信介质可以是双绞线、 同轴电缆或光导纤维，通信速率最高可以达到1 m b p s 。现在，c a n 总线已经成 为一个事实上的工业标准，它与国际标准i s o1 1 8 9 8 完全兼容。c a n 总线已经 在汽车工业、航天工业等领域的控制系统中得到了广泛的应用，并且是到目前 为止唯一一种成为国际标准的现场总线，被认为是目前最有前途的现场总线之 一。 在此之后，其它类型的汽车总线相继出现：为了满足成本需要，出现了低 速的u n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ，本地互联网络) ；为了满足车用网络中 的高数据传输率和在高级汽车控制方面的应用，出现了f l e x r a y 通信协议；为 了满足车内多媒体方面的发展，出现了d 2 b ( d o m e s t i cd a t ab u s ，内部数据总 2 西华大学硕士研究生学位论文 线) 、m o s t ( m e d i ao r i e n t e ds y s t e mt r a n s p o r t ，面向媒体的系统数据传输) 、 i d b l 3 9 4 等协议；在无线通信协议方面也有很大的发展，如a dh o e 等。目前， 车用网络协议种类繁多，为了方便对车用网络协议进行研究及应用设计，2 0 世 纪9 0 年代中期，s a e ( s o c i e t y o f a u t o m o t i v ee n g i n e e r s ，美国汽车工程师协会) 对汽车网络协议进行了分类。 1 2 车载网络的分类及特性 1 2 1 车载网络的分类 车载网络标准虽多，但其侧重的功能各有不同。为了方便研究和设计应用， 2 0 世纪9 0 年代中期s a e ( s o c i e t ya u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g ，汽车工程学会) 把车载网 络分为a ，b ，c 三类。 。a 类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 1 0 k b p s ，主要用于后视镜调整，电动窗、灯光照明等控制；b 类是面向独立模 块间数据共享的中速网络，该类网络适用于对实时性要求不高的通信场合，以 减少冗余传感器和其他电子部件。位速率在1 0 k b p s 一1 2 5 k b p s 之间，主要应用于 车身电子舒适性模块、仪表显示等系统；c 类是面向高速、实时闭环控制的多 路传输网，位速率在1 2 5 k b p s 1 m b p s 之间，主要用于牵引控制、先进发动机控 制、a b s 等系统【2 1 。 最近几年，随着汽车电子技术的高速发展，世界各大汽车公司、电子元器 件及各科研机构根据电子技术和汽车应用的发展推出了许多新的车用通信协 议，到目前为止大约有4 0 多种，现在已经难以将基于这些新协议的网络都归类 到s a e 定义的3 类网络中去。 3 西华大学硕士研究生学位论文 1 2 2 典型车载网络协议的介绍 ( 1 ) c a n 总线 控制器局域网络( c a n ) 是一种串行数据通信总线，其通信速率可达lm b s 。c a n 已有国际标准，如用于高速场合的i s o1 1 8 9 8 和用于低速场合的i s o 1 1 5 1 9 1 。 c a n 总线的最大特点之一是：任一节点所传送的数据信息都不包含传送节 点或接收节点的地址。每一个数据信息都有一个标识符( 1 d ) 作为标记，在整个 网络中，该标识符是惟一的。网络上的其它节点接收到信息后，每一节点都对 该标识符进行测试，判断信息内容是否与己有关。若是相关信息，它将得到处 理；否则，它将被忽略。采用该方式的优点是，可使网络内的节点个数在理论 上不受限制，也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 字节，既能满足一般要求，又可保证通信的实时性。 标识符还决定了信息的优先权。当存在2 个或2 个以上节点争用总线时， c a n 采用l d 进行仲裁。i d 值越小，其优先权越高磕1 。c a n 确保发送具有最高优 先权信息的节点获得总线使用权，而其他的节点自动停止发送。总线空闲后， 这些节点将自动重发信息。 ( 2 ) t t c a n 总线 c a n 总线是目前在车辆上使用最广泛的网络协议，但是现有c a n 协议传输 效率低和不适应传送快速连续变化数据的缺点使其难以成为整车的网络协议， 只能在部分控制单元中使用。而c a n 的改进协议t r c a n 在一定程度上消除了这 些缺点，使其有可能成为有效的整车网络协议被加以使用。 t r c a n 是时间触发控制器局部网( t i m et r i g g e dc o n t r o la r e an e t w o r k ) 的 简称，以基本的c a n 为基础。针对c a n 存在的问题，t r c a n 在保留了事件 触发的同时增加了时间触发，提高了实时性能随3 。国际标准i s o l l 8 9 8 - 4 把 t r c a n 定义为c a n 协议的一个扩展，引入了基于时间触发和具有高精度的系 统级全局网络时间。 ( 3 ) j 1 9 3 9 通信协议 c a n 规范只包括了物理层和数据链路层，是一个可以封装在通信控制器集 4 西华大学硕上研究生学位论文 成电路芯片内部的规范。s a ej 1 9 3 9 以c a n 为基础，其物理层和数据链路层基 本上沿用了c a n 规范，并增加了网络层、应用层和网络管理规范。 j 1 9 3 9 协议由美国s a e 组织维护和推广。以c a n 2 0 b 协议为基础，物理层标 准与i s o l l 8 9 8 规范兼容并采用符合该规范的c a n 控制器及收发器，通讯速率最 高可达到2 5 0 k b p s 。采用p d u ( p r o t o c o l d a t au n i t ：协议数据单元) 传送信息，每 个p d u 相当于c a n 协议中的一帧。由于每个c a n 帧最多可传输8 个字节数据， 因此p d u 的传输具有很高的实时性。利用c a n 2 0 b 扩展帧格式的2 9 位标志符定 义每一个p d u 的含义以及该p d u 的优先级口】。 ( 4 ) l i n 总线 当多路传输功能较简单时，c a n 的费用很高，为降低总线成本，1 9 9 8 年 m o t o r o l a 、a u d i 、b m w 、v c t 等公司成立了l i n 联盟，在a 类网络已有协议 的基础上，于1 9 9 9 年7 月提出了l i n 协议标准。u n 是一个单主多从、基于 时间触发的通信协议，采用串行通信接口，辅以相应的驱动程序实现，其最高 速率为2 0 k b p s l 8 1 。l i n 总线主要用于汽车外围设备的网络连接，目前应用最多 的是空调、车门、天窗等的控制传输。 l i n 的主要优点是实现的成本低，不必采用昂贵的硬件设备，协议简单， 易于实现。l i n 标准减少了现存基于多元方法的低端s c i 的种类，进而减少开 发、生产、服务和物流的成本。缺点是速率太低，只能应用于对延时要求较低 的网络。时钟同步，u a r t 通信的简单性及单线介质是l i n 效率低的主要原因 降一。 ( 5 ) f l e x r a y 为了满足在高级汽车控制系统( 如：x b y w i r e ) 中数据传输率高的要求， f l e x r a y 联盟于2 0 0 0 年推出了f l e x r a y 通信协议，其目标是开发面向车内高速 控制应用的高级通信技术，提高车辆安全性、可靠性和舒适度。f l e x r a y 是一 个时间触发的架构，控制信号根据预定义的时间进行传输，具有高吞吐量、确 定性、容错特性【加】。f l e x r a y 的目标是支持可达到1 0 m b p s 的数据传输率，为 简单系统的扩展提供灵活性，并且能够动态地利用带宽。f l e x r a y 的主要特征 包括三个方面的内容：同步、协议和物理层。 在同步方面，f l e x r a y 是通过偏差纠正和速率纠j 下算法，支持时钟纠正管 5 西华大学硕上研究生学位论文 理。在每个周期中，“同步信息 从网络上的同步节点传送到总线。为了支持容 错系统，它至少提供4 个同步节点。每个节点都接收到一条同步信息，并将其 时钟与同步节点的时钟进行比较，然后纠正其时钟，以便与同步节点的时钟相 匹配。 在协议方面，确定性的数据传输可以确保将信息延迟和抖动降至最低，支 持冗余传输通道，用硬件实现误差和时间触发服务，支持光纤物理层和电物理 层，以及无仲裁的传输。 在物理层方面，支持总线型、星型和多星型的拓扑结构，通过独立的“总 线卫兵 对总线上的错误进行限制【1 0 1 。 ( 6 ) 其它协议 为了满足车内多媒体应用的发展，出现了d 2 b 、m o s t 、i d b l 3 9 4 等；在 无线通信协议方面，有b l u e t o o t h 、a dh o e 等。 m o s t 是一个同步网络。它是通过一个定时主设备来同步其他的设备。这 种技术消除了缓冲和采样速率转换的需求，可以连接非常简单和低廉的设备。 在m o s t 系统中，定义了数据通道和控制通道。控制通道被用来建立发送器和 接收器要用的数据通道。一旦连接被建立，数据就可以连续地发送，并且没有 额外的包信息需要处理。这是一种传送流数据最优化的机制【3 1 。 ， b l u e t o o t h 是一种开放的规范，为低成本、短距离、低能耗的微型无线电网 络。该协议为能够使用蓝牙的设备提供简单、快速的连接，而不需要线缆。蓝 牙在汽车上的潜在使用包括：免提电话、便携式d v d 、c d 及m p 3 驱动、诊断 设备、手持计算机【1 1 l 。 无线局域网技术基于i e e e8 0 2 1 1 ( w i r e l e s sl a n ) 1 2 j 。当两辆或两辆以上 汽车在无线电波的通信范围之内，它们将自动建立一个a dh o c 网络，彼此之间 可以进行通信。由于单个无线网络连接被限制在几百米内，每辆汽车允许通过 多跃点( m u l t i h o p ) 将信息发送给更远的汽车。路由算法基于车辆的位置并且 可以应付无线网络拓扑结构的快速变化。 6 西华大学硕士研究生学位论文 1 3 车载网络的发展趋势 车载网络协议的发展趋势主要体现在网络通信协议、网络体系结构和网络 操作系统三个方面。 1 3 1 网络通信协议 如上文中提到的，车载网络的协议主要包括c a n ，u n ，t i c a n ，j 1 9 3 9 ， f l e x r a y 、m o s t 、以及b l u e t o o t h 等。每个协议都有其各自的特点和适用的环 境。因此，为了满足特定的需求，应使用相应的协议来最大限度地提高性能。 在汽车电子技术快速发展的今天，采用单一协议已经很难完全满足车载网络的 需求，多元网络是未来车载网络发展的方向【”】。 c a n ，l i n ，t i c a n 和j 1 9 3 9 都是发展相对比较成熟的协议，f l e x r a y 还 处在发展当中。此外，汽车系统中包括车内通信( i n v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ) 和车与车之间、车与外界之间的通信( i n t e r - v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ) 。几种典型 的应用推动了无线通信的发展，如：移动电话，便携式g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，环球移动通信系统) 设备，手提电脑等。汽车无线通 信协议方面发展相当快，主要包括b l u e t o o t h 、z i g , b e e 、u w b ( u l t r aw i d eb a n d ) 、 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 等。 1 3 2 网络体系结构 随着电子器件的发展，为了满足用户在功能、性能和成本上的苛刻要求， 车载网络正在向着多功能、低成本和高性能的方向发展。然而，单一的网络很 难同时满足低成本、高性能的要求，例如u n 能够满足在成本上的要求，但是 只能用于车身电子设备间的低速网络；c a n 成本较低，同时也可以满足高速实 时闭环控制，但是c a n 是基于事件触发的协议，在对安全要求严格的应用中 无法满足确定性实时的要求；而f l e x r a y 和t f c a n 在性能上能够完全满足用 户的要求，但是成本较为昂贵。因此，在车载网络中采用多网络的方法来降低 7 西华大学硕士研究生学位论文 成本和提升性能是一个确实有效的方法，充分发挥不同网络的优势，在成本和 性能上达到一个折衷的组合【1 3 】。s y e dm a s u dm a h m u d 和s h e r a na l l e s 在“下一 代汽车网络的体系结构”一文中说到，“由于车载网络的规模和复杂性在不断增 加，集成的容易性对设计工程人员来说是一个主要的挑战。并在该文中指出， 由于网络复杂性和对带宽要求的不断增加，未来的汽车将会需要许多分区网络 ( p a r t i t i o n e dn e t w o r k ) 1 4 1 。 在汽车上应用多网络的方法来降低成本和提升性能，虽然较好地解决了成 本和性能的关系，但是在不同的网络之间通信出现了新的问题，那就是l s ( i n t e l l i g e n ts w i t c h ，智能网关) 1 1 4 l 。由于i s 的引入，部分地增加了网络的复 杂性。 1 3 3 网络操作系统 未来的网络化系统将会提供比所有节点局部功能的总和更为全面的系统功 能，这些功能需要更多的管理任务。为了把应用排除在标准的网络管理任务之 外，避免不同的管理和不兼容问题，o s e k v d x 提出了标准的a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a mi n t e r f a c e ，应用程序接口) 、行为和协议。 由o s e k d x 引入的开放体系结构包括四个部分：c o m ( c o m m u n i c a t i o n ， 通信) ，n m ( n e t w o r km a n a g e m e n t ，网络管理) ，o s ( o p e r a t i n gs y s t e m ，操 作系统) ，以及其o i l ( o s e ki m p l e m e n t a t i o nla n g u a g e ，实现语言) 。如图 1 - 1 所示。 8 西华大学硕士研究生学位论文 f i g u r e 1 - 1o s e ko p e r a t i n gs y s t e ms t r u c t u r e 图1 - 1o s e k 操作系统结构 o s e k d x 操作系统o s 定义了一个小的、可伸缩的实时操作系统r t o s ( r e a l t i m eo s ) ，可管理实时任务、强化定时器的功能、共享资源，使用事件 进行任务的同步和管理进程间的通信。o s e k d x 的操作系统可以对中断级、 系统行为级和任务级3 个级别的事件进行处理1 1 5 】。o s e k v d x 的通信c o m 定 义了一个应用程序内或者应用程序之间进行任务间或者处理器之间通信的接口 和协议。该协议提供标准a p i 服务，每个标准都可以独立操作。通信力求独立 于协议，并使其在任何环境下都能灵活运用。为了实现这个目标，o s e 啪x 建立了五层的通信模型：物理层、数据链路层、网络层、交互层和应用层【1 6 1 。 o s e k v d x 网络管理规范定义了监控静态网络中节点的算法，提供了一个控制 网络管理组件的应用程序接口a p i ，扩展了网络提供的状态和配置信息【1 刀。 o s e k v d x 实现语言o i l 是为了达到软件可移植的目标，提供了一种在特定 c p u 中配置o s e k 应用的机制。每个c p u 对应一个o i l 描述，所有的o s e k 系统对象用o i l 对象来描述【1 8 1 。 汽车网络操作系统的引入，将会大大提高汽车网络的功能，减少成本和开 发时间，增强不同公司控制单元的软件的质量，具有不同体系设计的控制单元 标准化接口特性，在不增加额外硬件的条件下增强整个系统的性能，提供特定 实现的绝对独立性。 9 西华大学硕士研究生学位论文 1 4 本课题的研究背景 国外对车载网络通讯协议的诊断测试的研究开始于2 0 世纪八十年代末期。 随着电子智能设备的发展和不断增长的客户需求，新型网络陆续出现，如l i n ， m o s t ，f l e x r a y ，t r c a n ，j 1 9 3 9 ，c a n o p e l l ，d e v i c e n e t 等等，其中t r c a n ， j 1 9 3 9 和c a n o p e n 是基于c a n 协议的。v e c t o r ，i x x a t ，p h y t e c ，i n t r e p i d c s ， k v a s e r 等公司相继在车载网络通讯协议的诊断测试开展了研究工作，经过了大 约二十年的经验积累，研究的广度和深度都有了进一步的发展。这些公司为用 户提供二次开发的工具包，但价格昂贵。目前车载网络通讯协议诊断测试的技 术在国外已经进入了全面的推广阶段。 而在国内，对车载网络通信协议的诊断测试尚处于起步阶段。在2 1 世纪初， 恒润科技、中国单片机公共实验室、北京英贝多等公司开始了汽车总线及其相 关的硬件设备方面的应用开发。但是在车载c a n 网络通信协议的二次开发上， 研究相对较少。 c a n 是国际上广泛应用的一种现场总线。它作为一种串行通信总线，最初 被设计为汽车工业中的微控制器通信用，由于它具有很高可靠性和独特的设计， 在多主系统中的优势及很高的实时性，现在c a n 总线已经在汽车工业、航天 工业等领域的控制系统中得到了很广泛的应用，并且是到目前为止唯一一种成 为国际标准( 1 s o ) 的现场总线，被认为是目前最有前途的现场总线之一。 在c a n 总线协议中只定义了物理层和数据链路层，用户可以根据不同的 需要，在其上定义满足其需求的应用层。因此，对于不同的应用层，对数据链 路层数据有着不同的解释；在c a n 的接口设计领域，不同厂家生产有不同型 号的c a n 总线接口卡。 1 5 本课题的研究内容 本课题拟进行车载c a n 总线网络通讯协议的监测过程研究，采用面向对 象的方法编写c a n 总线驱动接口程序，在p c 机上实现网络通讯的基本功能， 并设计界面以便于c a n 总线操作信息的发送与接收。文中应用v e c t o r 1 0 西华太学硕士研究生学位论文 c a n c a s e x l 与p c 端相连，然后将p c 机作为虚拟e c u 通过c a n 总线与被测 e c u 相连接，利用m a t l a b s i m u l i n k 建立仿真测试模型，该测试模型控制 m a c s 5 6 5 通过总线进行通讯，构造c a n 总线高层协议监测平台，如图1 - 2 所 不9 露霉、早，一8 * h4 “。 墨窭婴爿萨墨千薹墨蠹? 燃参 豳由、出 一一 唑! 竺竺； 、 f i g s c l - 2 d i a g n c s f i c s y s t e m f o r t h e a ul o m o i j v c n c “v o t k c o m m u n i c a t i o n 图i - 2 车载阿络通讯协议监涮平台示意图 针对车载c a n 网络通讯协议的诊断测试，特别是对于用户定义的传输层 和应用层协议的测试，不仅局限于车辆的运行与维护阶段，更体现在协议的开 发阶段。从车用e c u 开发过程的v 型模式开发方法来看1 3 ”，对目标软件系统 的测试在系统的开发过程中占有极大比重。 由于不同厂家生产的e c u 设备将被作为网络节点按入车载网络，为保障车 载网络的通畅以及通讯协议的正确性，对通讯协议进行诊断测试是非常重要的。 并且，协议测试是协议工程学的重要研究领域之一，通过协议测试可以检验协 议实现是否遵循协议标准，是否实现了协议标准所规定的功能等，它是提高和 保证协议实现质量的有效手段。 西华大学硕士研究生学位论文 2 c a n 总线通讯协议监测平台的基本架构 2 1 总体结构 本文采用面向对象的方法编写c a n 总线驱动接口程序，运用v c + + 6 0 实 例化了此驱动程序，并在此基础上开发了上层用户界面，建立硬件在环仿真测 试平台的基础。 下一步，将以o s e k ，四2 o 构建系统传输层，建立传输层动态链接库( d l l ： d y n a m i c l i n kl i b r a r y ) ，以k w p 2 0 0 0 诊断协议构建应用层动态链接库，为底层 c a n 总线驱动程序和上层用户界面提供接口，基于w i n d o w s x p ，应用v c + + 6 0 建立测试诊断程序的用户界面，实现车载c a n 网络通讯协议测试软件的设计。 在汽车电控系统的通讯网络中，根据实际需要，使用了o s i ( 国际标准化 组织) 所定义的七层标准通讯协议层次结构中的四层，它们是：物理层、数据 链路层、网络传输层和网络应用层，其层次结构如图2 1 所示。其中物理层和 数据链路层的功能，在c a n 总线及其控制器中实现，i s o l l 8 9 8 对其做了具体 定义【1 9 1 ，而传输层和应用层则需要用户自行定义和设计。 从通讯协议的层次结构图2 1 可以看出，通讯协议自动诊断测试系统主要 由以下几部分功能部件组成： ( 1 ) c a n 总线驱动程序是测试系统与c a n 总线硬件在物理层和数据链路 层上的接口程序； ( 2 ) 模拟o s e k 操作系统应按照o s e k 操作系统中的任务调度算法，控 制c a n 总线上消息的发送和接收； ( 3 ) 作为传输层的t p 2 0 传输协议动态链接库则应实现全功能的e c u 传 输协议； ( 4 ) 作为应用层的关键字协议k w p 2 0 0 0 则应从用户界面接收用户定义数 据，按照各自协议的规定产生格式化的数据，并交给下层的传输协议传送到 c a n 总线上； 1 2 西华大学壤士研究生学位论文 ( 5 ) 晟上层的w i n d o w s 图形用户界面，则为测试人员提供交互式的程序 接口。 f i g u r e 2 - 1 a u l o n ) o t i v e n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l l a y e r s t r u c 4 u r e 图2 - 1 车载网络通讯协议的层次结构 本文完成了最下层的物理层和数据链路层上的c a n 总线驱动接口程序以 及最上层的用户界面的设计和实现。搭建了c a n 总线通讯协议监测平台。 2 2 硬件结构 为了实现实时的闭环监测与控制，监测平台的硬件应包括： ( 1 ) 能实现网络通讯协议的p c 机( 仿真节点：诊断监测程序) ； ( 2 ) 与汽车电气控制系统兼容的c a n 总线和总线控制器( 物理总线) ； ( 3 ) 必需的接入总线节点的l o 接口， 在该系统中使用的接口卡是v e c t o r 公司出产的c a n c a s e x lu s b z 0 接口 卡。v e c t o r c a n c a s c x l 是v e c t o r 公司新一代x l 系列接口产品中的一员。具有 高性能的处理器和u s b2 0 接口，使c a n c a s c x l 能够满足高端应用。稳固的 外壳和健壮的连接适于野外使用。它使用3 2 位微处理器并具各灵活的硬件设 熏p 两华大学硕士研究生学位论文 计。c a n c a s e x l 的功能特点包括： 收发数据和远程帧 无干扰侦听c a n 总线活动 识别和产生错误帧 板载报文缓存器 时钟同步 若干卡可同时工作 访问u n 总线 高吞吐量( 每秒3 5 0 0 0 个消息) 精细的时戳( 1 t s ) 对消息预处理从而减轻p c 负担 在用户现场可以对f p g a 升级 精细的总线负载测量 通过外部连接可与其他硬件进行同步 根据几种不同的总线驱动类型，c a n c a s e x l 可以满足众多的c a n 和l i n 的应用，包括：汽车、自动化、航空航天、船舶。c a n c a s e x l 具有两个通道： 通道0 ，通道1 ，其u s b 接口符合u s b 2 0 规范，c a n 总线控制器是p h i l i p s 的s j a l 0 0 0 ，c a n 收发器采用的是p h i l i p s 的p c a 8 2 c 2 5 0 ，该接口转换卡支 持c a n 2 0 b 和2 o 版本。有多种收发器可供选择( c a n p i g g i e s l i n p i g g i e s ) 。 c a n c a s e x l 可以同时结合使用任意收发器例。 x l 驱动库( x ld r i v e rl i b r a r y ) 为基于v e c t o rc a n c a s e x l 接口卡的c a n 应用提供了可能，并支持w i n 2 0 0 0 和w i n x p 多任务操作系统。此外，x l 驱动 库还能够在不转换代码的情况下，建立运行在不同的硬件和操作系统上的应用。 相关的硬件设置可以在v e c t o r 硬件配置工具( v e c t o rh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n t 0 0 1 ) 中完成。x l 驱动库在v e t o r c a n c a s e x l 接口卡上的应用结构见图2 2 。 1 4 两毕 学硬士研究生学位论文 f i g u r e 2 - 2 t i ”c o n d u c t i o n o fc a n c a s e x l a p p l i c a t i o n s w i t h x l d r i v e r 圈2 - 2 x 1 驱动库在c a n c 越e x l 上的应用结构 由上图可知，x l 驱动库可以与应用程序相连接，为c a n c a s c x l 接口卡的 初始化，从c n 压删总线上读取信息或向总线发送信息等操作提供了可能。 另外，由于x l 驱动库支持w i n 2 ( x ) 0 和w i n x p 多任务操作系统，多个应用程 序可以同时使用一个c a n 硬件，如图2 - 3 所示。 l ” 髓豳隧霭黼 卜ii i _ _ _ 8 鳓豳黼嚆糊 i 。一黼点”# “ f 喇l 审f 申1 荦申申 菡菡菡 h g u 豫2 - 3 p t i a c i p l es 帅c m 他f o r c a na p p l i c a t i o n 。豳2 - 3 c a n 应j f i 原理图 西毕大学硬士研究生学位论文 由上图可以看出，应用程序0 1 可以同时使用硬件0 1 ( c a n c a r d x l ) 和硬 件0 2 ( c a n c a s e x l ) ，而应用程序0 2 可以同时使用硬件0 2 ( c a n c a s e x l ) 和 硬件0 3 ( c a n b o a r d x l ) 。事实上，任意数量的c a n c a s e x l 接口卡可以同时使 用，也可以和v e o o r 其它的接1 3 卡组合使用h 。 ( 4 ) 总线节点e c u ，即实节点 该系统中使用的实节点包括m a c s 5 6 5 主控模块和电子节气门控制模块。 m a c s 5 6 5 是由荷兰t n o 公司开发的一套汽车电控系统快速原型开发平 台，主要由主控制器、w i n s p e c s 监控软件、f o 模块、发动机控制、电子节气 门专用模块e t c - n o d e 等模块组成，几个模块之间可通过c a n 总线或以太网进 行数据通讯，具体方式如图2 _ 4 所示。 上 - ，暑型一瘸 熟 匿冀，芈囊瓣雾黧， p 璃莎璧辫5 紫紫。 一嘱# 目) f i g u r e 2 - 4 m a c s 5 6 5s y s t e m p r i n c i p l e 图2 4 m a c s 5 6 5 系统原理图 主控制器是一个汽车通用的e c u ，它提供了丰富的模拟量、数字量的输入 和输出接口，用户可通过w h s p e c s 软件进行自由的配置和选用。这些接口完 全满足汽车传感器和执行器电压、电流和功率的要求，可以直接和汽车相关的 传感器和执行器相连，使用方便。 e t c - n o d e 是电子节气门专用控制节点，它通过c a n 总线与主控制器进行 通讯，相互交换数据信息。通过对主控制器发送来的节气门开度的期望值信号 进行计算，把相应的控制信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门达 到需要的开度位置。同时将电子节气门的模拟量信号、内部信息和状态信号、 褒 l _ 譬 西华大学硕上研究生学位论文 标定信号等返回给主控制器。它能够对电子节气门的两个节气门位置传感器的 零位置、全开位置进行标定，同时还可以对其进行故障检测。