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西华大学硕士研究生学位论文 车用c a n 网络实时监控技术的研究 车辆工程专业 研究生兰强指导教师阴晓峰 随着汽车内部电子系统的日益增加，传统的点到点的信息交换方式己经越 来越不能满足汽车内部分布式实时控制系统的通信要求。不断增加的电子系统， 使得车内布线的难度急剧增加，并且，也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。在2 0 世纪年代初，德国b o s c h 开发了c a n 总线通信协议，它是一个高速的、实时控制协议，其理论通信速率可以达到 1 m b p s ，它是唯一一个成为国际标准的汽车总线协议在c a n 总线出现后，它 被广泛应用到汽车工业、航天工业等领域，是目前应用得最为广泛的总线之一。 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，对数据链路 层数据有着不同的解释；在c a n 接口设计方面，不同厂家生产的c a n 总线接 口卡往往采用不同的软、硬件方案。本课题的研究正是在这样背景下提出的， 其目标是为应用程序提供一个统一的接口，在c a n 总线协议的数据链路层之 上增加对不同应用进行转换的协议转换层，并在此基础上实现对基于c a n 总 线的汽车控制器网络的实时监控 本课题具体研究内容包括两个方面一是对不同厂家的生产的c a n 总线 接口卡驱动程序进行封装，为上层的应用程序提供一个统一的接口，印c a n 总线通信组件的开发，其目的是降低应用程序与接口卡之间的耦合度，从而提 高程序的兼容性、重用性以及健壮性。为了更好地监测汽车的车速、发动机温 度、车内温度等各种参数，有必要开发出相应的监测软件来实时监测和控制车 用c a n 网络。在车用c a n 网络与监控软件之间开发一个协议转换层，可以为二 次开发提供友好的接口，而不必了解车用c a n 网络具体的协议规范细节，进而 可以通过监测软件直接监测和控制汽车的部分参数因此本课题的另一项研究 西华大学硕士研究生学位论文 内容是根据c a n 协议规范，在其上添加一个协议层，该层的功能是完成监测 软件和车用c a n 网络数据链路层之间的数据语义的转换。在本课题的研究中， c a n 总线通信组件的开发在功能上已经达到应用的要求，符合设计目标。监控 软件的开发，较好地实现了对车用c a n 网络各控制器节点( 包括a m te c u ) 实 时监测和控制。这对于a m t 的产品化和提高我国车用网络监测和控制软件的自 主开发能力有重要的意义。 关键词：汽车电子；车用网络：实时监控；c a n 总线 西华大学硕士研究生学位论文 s t u d y o nt h er e a l - t i m em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l t e c h n o l o g i e sf o rv e h i c l ec a n n e t w o r k m a s t e rc a n d i d a t eq i a n gl a n s u p e r v i s o rx i a o f e n gy m w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h en u n ! b e ro 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 l p o i n t - t o - p o i n tm e t h o do fm e s s a g ee x c h a n g ed o e sn o ts a t i s f yc o m m u n i c a t i o n d e m a n d o fa u o t o m o t i v ei n n e rd i s t r i b u t e dr e a l t i m ec o n t r o ls y s t e ma n ym o r e t h er a i s i n go f t h en u m b e ro fe l e c t r o n i cs y s t e m si n c r e a s e st h ed i f f i c u l t yo fa u t o m o t i v ei n n e rw i r i n g a n dt h ew e i g h ta n dc o s to fa u t o m o t i v e s a u t o m o t i v en e t w o r kc a m eo u tu n d e rt h i s b a c k g r o u n d a tt h eb e g i n m n go f1 9 8 0 kag e r m e n yc o m p a n y , r o b e r tb o s c h , d e v e l o p e dc a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw h i c hi sa h 础- s p e c d r e a l - t i m ec o n t r o lp r o t o c o l ，埘t hc o m m u n i c a t i o nv e l o c i t yu p t o1 m b p s , t h e o r e t i c a l l y i t i st h e u n i q u ea u t o m o t i v e n e t w o r kp r o t o c o l a p p r o v e da s a n i n t n m a t i o n a ls t a n d a r d n o w a d a y s , c a ni se x t e n s i v e l yu s e di na u t o m o t i v ei n d u s t r y , a e r o s p a c ei n d u s t r y , e l c ，a n di so n eo f m o s tw i d e s p r e a db u si na p p l i c a t i o m t h ec a np r o t o c o lo 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 , a n d t h ei i s e i sm a yd 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 rd i f f e r e n td e m a n d s h e n c e , c o n c e r n i n gd i f f e r e n ta p p l y c a t i o nl a y e r , i th a v ed i f f e r e n te x p l a n a t i o n s 咖t h ed a t a f r o md a t al i n kl a y e r ；i nt h ed o m a i no fc a ni n t e r f a d e s i g n , i th a v ed i f f e r e n tt y p e o fc a nb u si n t e r f a c ec a r d sf r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r s t h es t u d yc o n t e n t so ft h i s p a p e r i sp r o p o s e du n d e rt h i sb a c k g r o u n d , a n di t s g o a l i st o p r o v i d eau n i f i e d i n t e r f a c ef o ra p p l i c a t i o n , a n dt oa d dap r o t o c o lc o n v e r s i o nl a y e rf o rd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s o n t o p o f t h e d a t a l i n k l a y e r o f c a n p r o t o c o l t h et i t l eo ft h i sp a p e ri s 。s t u d yo i lt h er e a l - t i m em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l 西华大学硕士研究生学位论文 t e c h n o l o g i e sf o rv e h i c l ec a nn c w o i i 【”t h ep a p e ri n c l u d e st w oa s p e c t s ：f i r s t l y , c a p s u l a t i n gd i f f e r e n tt y p eo fc a n b u si n t e f f a c cc a r d sf r o md i v e r s , m a n u f a c t u r e r s , p r o v i d i n g a nu n i f i e di n t e r f a c e f o ri t s u p p e ra p p l i c a t i o nl a y e r , n a m e l y , t h e d e v e l o p m e n to fc a nb u sc o m m u n i c a t i o nc o m p o n e n t , i t sg o a li s t od e c r e a s et h e c o u p l i n g b e t w e e n a p p l i c a t i o n a n di n t e r f a c e c a r d , t o i n c r e a s et h e c o m p a t i b i l i t y , r e u s e a b i l i t ya n dr o b u s to ft h es o f t w a r e s e c o n d 堍a d d i n gap r o t o c o l c o n v e r s i o nl a y e ro ni t sd a t al i n kl a y e r , w h i c hf u n c t i o n sa sad a t as e m a n t i c c o n v e r s i o nb e t w e e nt h em o n i t o r i n g c o n t r o ls o f t w a r ea n dt h ev e h i c l ec a n n e t w o a f o rb e t t e re f f e c to fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo ft h ev e c h i l eo p e r a t i o n a l i n f o m a t i o n s u c ha st h ev e l o c i t y , e n g i n es p e e d ，v a r i o u st e m p e r a t u r e s , a c c e l e r a t i o n , e t c 。c o r r e s p o n d i n gm o n i t o r i n g & c o n t r o ls o f t w a r ef o rv e h i c l ec a nn e t w o r k 。i s n e c e s s a r y f u r t h e r m o r e ，t h i sp r o t o c o lc o n v e r s i o nl a y e rp r o v i d e saf r i e n d l yi n t e r f a c e f o rr e - d e v e l o p m e n tp u r p o s e ，w h i c hr e d u c e st h ek n o w l e d g er e q u i r e m e n t sf i l lc a n p r o t o c o lf o rt h er e - d e v e l o p e ra n da l l o w st h er e - d e v e l o p e rt ob u i l dt h e ka p p l i c a t i o n b a s e do n o u rr e u s a b l e c o m p o n e n t s i n t h i s p a p e r , t h ec a nc o m m u n i c a t i o n c o m p o n e n th a sb e e nd e v e l o p e da n dm e e t st h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to fa p p l i c a t i o n , a n dt h em o n i t o r i n g c o n t r o ls o f t w a r ei m p l e m e n t st h er e a l - t i m em o n i t o r i n ga n d c o n t r o lo fv e h i c l ec a nn e t w o r ke f f e c t i v e l y t h ew o r kr c p o n c di nt h i sp a p e rh a s i m p o r t a n tm e a n i n gf o ra m tp r o d u c t i o na n di n c r e a s e si n d e p e n d e n td e v e l o p m e n t a b i l i t yo fd o m e s t i cv e h i c l en e t w o r km o n i t o r i n g c o n t r o ls o f t w a r e k e y w o r d s ：a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ；v e h i c l en e t w o r k ；r e a l t i m e m o n i t o r i n g & c o n t r o l ；c a n b u s 西华大学硕士研究生学位论文 符号注释 b i tp e rs e c o n d ，比特秒 r e v o l u t i o n sp e rm i n u t e ，辏份镳 d e g r e e sc e l s i u s ，摄氏度 i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ，国际标准化组织 c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ，控制局域网络 u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线 d a t af l o wd i a g r a m ，数据流程图 e n t i t yr e l a t i o n a ld i a g r a m ，实体关系图 i d e n t i f i e r ，帧标识符 d a t al e n g t hc o d e ，数据长度代码 a p p f i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，应用程序接口 f r a m ef o r m a t ，帧格式 r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s t ，远程传输请求位 i d e n t i f i e re x t e n s i o n ，标识符扩展位 d a t al e n g t hc o d e 。数据长度代码 s y n c h r o n i z a t i o nj u m pw i d t h ，同步跳跃宽度 t i m es e g m e n t1 ，时间场l t i m es e g m e n t2 ，时间场2 s y s t e mo nc h i p ，片上系统 i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，智能交通系统 g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理信息系统 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球定位系统 g l o b a ls y s t e mf o rm 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 呐驴螂洲咖啪啪m淞觚睦：m脱眦洲一一考|l宝i宝l宝一 西华大学硕士研究生学位论文 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 导师签 月日 尹苫矽日 西华大学硕士研究生学位论文 1 绪论 随着汽车内部电子系统的日益增加，传统的点到点的信息交换方式己经越 来越不能满足汽车内部的分布式实时控制系统的通讯要求1 1 l ，在采用传统方式 通信的汽车内部，连线的重量己经达到汽车重量的4 以上，成为整车性能提 高的一个瓶颈。从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制 到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而做的各种努力， 使汽车电子系统形成一个复杂的大系统 另外，随着近年来i t s 的发展，以3 g ( g i s ，g p s 和g s m ) 为代表的新型电 子通信产品的出现，它对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求 从布线角度分析，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间 少有联系，这样必然造成庞大的布线系统汽车内部连线长度的几何级数式的 增长，带给汽车设计、组装、测试的难度急剧增加，据统计，一辆采用传统布 线方法的高档汽车中，其导线长度可达2 0 米，电气节点达1 5 0 0 个，而且， 根据统计，该数字大约每十年增长1 倍，从而加剧了粗大的线束和汽车的有限 可用空间之间的矛盾无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都将不 能适应汽车的发展。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，后者研究解决这一问题的系统化方法 从上世纪年代至今己出现数以十计的与汽车网络有关的企业标准、国家 标准和准工业标准，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f 司题，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 一切都表明，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 汽车总线的发展历程 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 u o lu n i t ，电子控制 单元) 与负载设备之间是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，使得汽车本身的 重量增加，进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 1 j 1 0 0 k m i 。 2 0 世纪年代初，德国b o s c h 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试 仪器之间的数据交换矛盾而开发了c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ，控制器局域 网络) 协议，它是一个串行的、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。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：为了满足成本的需要，出现了 低速的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 ，本地互联网络) ；为了满足车用网络 中高的数据传输率和在高级汽车控制方面的应用，出现了h e x r a y 通信协议； 为了满足车内多媒体方谣的发展，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) 、 玎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 c 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 yo 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 2 西华大学硕士研究生学位论文 1 2 汽车总线的分类及特性 1 2 1 汽车总线的分类 s a e 根据速率、功能及应用范围将汽车网络分a 、b 、c 为三类：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l o 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，位速率在l o k b p s - - 1 2 5 k b p s ，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 - l 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。 1 2 2 典型汽车网络协议的介绍 c a n 是一个具有多主能力的串行总线系统，特别适合在一个系统或子系统 中。智能”设备之间的连接。在c a n 总线系统中，所有的节点都可以发送信息， 各节点可以同时地访问总线它是一个高速的通信网络，主要用于高速的、实 时控制中，如传动系、发动机和刹车线控等的控制它是一个基于事件触发 ( e v e n t - t r i g g e r e d ) 的协议，在网络中的每个节点地位相同，没有主次之分 当在同一时刻有两个或者两个以上的节点要发送信息，采用的是基于帧标识符 ( i d e n t i f i e r ) 的仲裁机制来处理冲突【叫 由于基于事件触发的协议不能满足严格实时性的要求，b o s c h 于1 9 8 6 年在 原来的c a n 协议的基础上开发了t t c a n ( t i m e - t r i g g e r e dc a n ) 协议，结合了 事件触发和时间触发的优点，满足了网络对实时确定性延时的要求国际标准 i s 0 1 1 8 9 8 - 4 把y 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 为了保证c a n 设备之间的互操作性，s a e 在c a n 通信协议的基础之上， 根据o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l 开放式系统互联参考模 西华大学硕士研究生学位论文 型) 制定了j 1 9 3 9 通信协议。j 1 9 3 9 是一个高速的通信网络，可以支持在物理 上分布的电子控制设备之间实现实时闭环控制功能，主要应用于货车和客车上 j 1 9 3 9 协议是建立在c a n 协议的标准之上的，采用的是扩展帧格式( 2 9 位的标 识符) 。j 1 9 3 9 协议是一个协议簇，它定义了物理层，数据链路层，网络层，应 用层，以及网络管理等【8 】。在j 1 9 3 9 通信协议中，通信的基本单位为p d u ( p r o t o c o l d a t au n i t ，协议数据单元) 1 1 2 i 。 c a n 总线最初仅用于高档汽车上，为降低总线成本，1 9 9 8 年m o t o r o l a 、 u d i 、 b 唧、v e t 等公司成立了l i n 联盟，在a 类网已有协议的基础上，于1 9 9 9 年7 月提出了l i n 协议标准。l i 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 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 通信的简单性以及单线介质是h n 效率低的主要原 因p 一4 1 。 为了满足在高级汽车控制系统( 如x - b y - w i r e ) 中高的数据传输率的要求， f l e x r a y 联盟于2 0 0 0 年推出了h 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，控制信号是根据预定义的时间进行传输的，具有高吞吐量、 确定性、容错特性【1 7 1 。h e x r a y 的目标是支持可达到l o 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 征是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正算法，支持时钟纠正管 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 匹配这是一个故障安全系统，如果一个节点发生故障，不会干扰其它节点的 同步。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 4 西华大学硕士研究生学位论文 理层；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【明 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 c 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，数据可以连续地发送过去，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1 1 0 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，而不必需要线缆。 对于蓝牙潜在的汽车使用包括免提电话、便携式d v d 、c i ) 及m p 3 驱动、诊断 设备、手持计算机i l q 。 无线局域网技术是基于i e e e8 0 2 1 1 ( w i r e l e s sl a n ) 的【1 9 1 。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 e 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 1 3 汽车总线的发展趋势 汽车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 如上所提到的，汽车网络的协议主要包括c a n ，l i n ，t r c a n ，j 1 9 3 9 ， f l c x r a y 、m o s t 、以及b l u e t o o t h 等，在这些协议中，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会使用相应的协议来最大限度 5 西华大学硕士研究生学位论文 地提高性能。在汽车电子技术快速发展的今天，采用单一协议已很难完全满足 汽车网络的需求，多元网络是未来汽车网络发展的方向【驯。 c a n ，l i n ，t y 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 正处在发展当中。此外，在汽车系统中，包括车内通信( i n v e h i c l e c 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 e c 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采用，如移动电话，便携 式g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l cc 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。在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 c l e s sh d e l i t y ) 辱 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， 汽车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，如l i 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不 能满足确定性实时要求；h c x r a y 和t r 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，在汽车网络中采用多网络的方法来降低成本和 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 2 0 l 。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，“由于汽车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 网络复杂性的不断增加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 ) l 卅 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，那就是璐 ( i n t e l l i g e n ts w i t c h ，智能网关) f 2 2 1 。由于璐的引入，部分地增加了网络的复 杂性。 6 西华大学硕士研究生学位论文 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的局部功能总和更加全面的系统功 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 m ni n t e r f a c e ，应用程序接口) 、行为和协议 由o s e k v 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 k m a n a g e m e n t ，网络管理) ，o s ( o p e r a t i n g s y m 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 nl a n g u a g e ，实现语言) 如图 1 5 所示 f i g u r e 1 - 50 s 暖o p e r a t i n gs y s t e mi n n e rs t r u c t u r e 图l - 5o s e k 操作系统内部结构 o s 啪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 u n eo s ) ，对于存储容量有限和功能专用的嵌入式系统是非常理想的 操作系统可管理实时任务、强化定时器的功能( 报警) 、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 v 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 2 7 1 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 7 西华大学硕士研究生学位论文 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 k v d 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【篮l 。 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陋1 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i 刈。 汽车网络操作系统的引入，将会使汽车网络的功能大为提高，减少了成本 和开发时间，增强了不同公司控制单元的软件的质量，具有不同体系设计的控 制单元标准化了接口特性，在不增加额外硬件的条件下增强了整个系统的性能， 提供了特定实现的绝对独立性。 1 4 本课题的研究背景 在国外，对车用网络的监测与控制的研究开始于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，出现各种新型网络，如l i n ， m o s t ，f l a y r a y ，t y c a n ，j 1 9 3 9 ，c a n o p e n ，i ) c v i c c n c t 等等，其中 i t c a n ， 儿9 3 9 和c a n o i ) c n 是基于c a n 协议的。v e 娥o r ，i x x a t ，p h y t e c ，1 t r c p i d c s ， k v a s c r 等公司相继在车用a n 网络的监测与控制方面开展了研究工作。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 可为用户提供二次开发的工具包，但价格昂贵目前车用网络监测与控制的技 术在国外已经进入了全面的推广阶段。 在国内，对车用网络的监测和控制尚处于起步阶段在2 1 世纪初，中国单 片机公共实验室、北京英贝多、恒润科技等开始了汽车总线及其相关的硬件设 备方面的应用开发。中国单片机公共实验室主要致力于嵌入式中间件、片上系 统( s o c ，s y s t c mo nc h i p ) 、t c p i p 元件、c a n o p c n 、d c v i c 圮n c t 、j 1 9 3 9 等方面 的深入研究和市场推广但是在车用c a n 网络协议的二次开发上，研究相对 较少随着电子智能设备和车用总线标准的不断发展，以及用户需求的不断提 矗 西华大学硕士研究生学位论文 高，多网络是未来车用网络的发展趋势 ， 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瓢了很广泛的应用，并且是到目前为止唯一种成 为国际标准( i 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，有着不同厂家生产的不 同型号的c a n 总线接口卡本课题的研究正是在这样背景下提出的，其目标 是为应用程序提供一个统一的接口，在c a n 总线协议的数据链路层之上增加 一个对不同应用进行语义转换的协议转换层。 1 5 本课题的研究内容 本课题来源于四川省杰出青年科学基金项目( 0 4 2 0 0 2 6 - 0 4 6 ) 。a m t 控制 系统产品化工程相关技术研究”其目的是根据c a n 协议规范，在其之上添加 一个协议层，该层的功能是完成监测软件和车用c a n 网络之间的数据语义的 转换：开发监测软件，对车用c a n 网络实时监测和控制，统计网络的通信负 载情况为了更好地监测汽车c a n 网络各控制器节点的运行状态和各种传感 数据参数如车速、发动机温度、车内温度等，有必要开发相应的监测软件来实 时监测和控制车用c a n 网络。而在车用c a n 网络与监测软件之间开发一个协 议层，可以为二次开发提供友好的接口，而不必了解车用c a n 网络具体的协 议规范细节，进而可以通过监控软件直接监测和控制汽车网络各节点( 包括 a m t e c u ) 的运行状态这对于a m t 的产品化和提高我国车用网络监铡和控 制软件的自主开发能力有较为重要的意义 9 西华大学硕士研究生学位论文 2 系统构成 ( 1 ) 功能概述 “车用c a n 网络实时监控系统”的功能是对c a n 总线上各网络节点进行 监测与控制，用不同的视图来显示各网络节点及总线的运行状态；并通过监控 微机向总线上其它控制器发送信息来实现对各控制器的控制，如协调、决策、 诊断等。根据应用场合的不同，用户可以通过应用设置，使本系统具有对特定 领域基于c a n 总线的控制器通信网络进行实时监测的功能本系统以车用 c a n 网络为监控对象进行设计，但由于采用一致的应用层接口来屏蔽不同的物 理实现，也支持对其它应用领域中c a n 网络的监控。 本系统的开发任务包括两方面的内容，一部分是对不同类型的接口进行封 装的c a n 总线通信组件( 文中统称为c a n 监控系统通信组件) 的开发；另一部分 是车用c a n 网络实时监控系统应用组件( 文中统称为c a n 监控系统应用组件) 的 开发。 c a n 监控系统通信组件从面向对象的角度对不同类型c a n 总线与上位机 之间的接口硬件所提供的软件接口进行封装，为上层的应用提供统一的应用编 程接口 c a n 监控系统应用组件分为两个部分：一是在车用c a n 网络与监测软件之 间的一个协议转换层，实现监测软件和车用c a n 网络数据链路层之间的数据 语义的转换口；另一则是监测软件，实现对车用c a n 网络实时监测和控制，统 计网络的通信负载情况 ( 2 ) 系统硬件结构 系统硬件结构包括监控微机、接口转换卡、总线、端接电阻和诸多e c u ， 其连接方式如图2 - 1 所示： 西华大学硕士研究生学位论文 f i g u r e 2 - 1s y s t e mh a r d w a r el a y o u t 图2 i l 系统硬件结构图 在该监控系统中所使用的接口卡是广州周立功生产的u s b - c a ni i ，有两 个通道：通道0 ，通道1 ，其u s b 接口符合u s b l 0 规范，c a n 总线控制器是 p h i l i p s 的鼽1 0 ，c a n 收发器采用的是p h i l i p s 的p ( = a 8 2 c 2 5 0 ，该接口 转换卡支持c a n 2 0 1 3 协议( 兼容c a n 2 0 a 协议) ，在标准帧、每帧8 个字节 的情况下，单通道的发送速率为1 2 0 0 戢左右，接收速率为4 0 0 0 丘临左右 ( 3 ) 系统软件结构 系统软件的组成部分