（车辆工程专业论文）车用can总线拓扑结构设计与性能分析方法研究.pdf

摘要 现场总线( f b ) 作为过程自动化、制造自动化等领域的现场智能设备之间的互连通信网络，建 立了生产过程现场控制设备之间以及与更高控制管理层网络之间的互联。作为现场总线之一，c a n 总线的数据通讯具有可靠、实时和灵活等突出特点，对改进智能仪表设备间的通信提供了一种可 靠的解决方案。 虽然c a n 总线技术在国内应用范围不断扩大，但是在c a n 现场总线产品开发上普遍缺乏标准 化指导，应用的深度和广度和国外有很大差距。只有对c a n 总线协议有了更深层的认识，才可以 使基于c 矧开发的控制器痢i 仪表等产品具有更高的标准化水平和更可靠的性能。 本文首先通过构建c a n 总线协议分析和仿真平台，对c a n 协议的各层进行分析。其次，针对 c a n 总线的性能分析方法进行研究，分析c a n 总线的实时动态性能。然后将m c u 芯片a t 8 9 c 5 1 和 s j a l 0 0 0 总线控制器结合，为实验平台设计了实时可靠的智能控制c a n 节点。通过对c a n 节点软 硬件的分析设计，全面介绍了系统的设计方案。最后通过参考s a e , 1 1 9 3 9 应用协议拟订初步通信 协议，并进行实验台c a n 总线网络实现通讯测试。该节点设计对实验台总线其他节点给出参考范 例，为整车的c a n 总线底层开发和上层控制策略提供有力的支持。 关键词：眭能分析，c a n 总线，单片机，s a ej 1 9 3 9 协议，s 3 - a 1 0 0 0 a b s t r a c t f i e l db u sm a k eac o n n e c t i o nb e t w e e nt h ep r o c e s sc o n t r 0 1d e v i c e sa n de v e nt h eh i g h e r l e v e lc o n t r o lm a n a g e m e n tn e t w o r k ，w h i c hi su s e da sac o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka m o n g i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t si nt h ef i e l do fp r o c e s sc o n t r o la u t o m a t i o n ，m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n a so n eo ft h ef i e l db u s ，c a nb u si sc h a r a c t e r i z eo fr e l i a b i l i t y ，r e a lt i m ea n da g i l i t yi nd a t a c o m m u n i c a t i o n ，w h i c hp r o v i d e sar e l i a b i l i t ys o l u t i o nt oi m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o na m o n g i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s a l t h o u g ht h e r ea r em o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o no ft h ec a n b u sa p p l i c a t i o ni nd o m e s t i c ， t h ep r o d u c t sd e v e l o p m e n t so nt h ec a nb u sa r ep r e v a l e n t l ys h o r to fg u i d a n c e f u r t h e rm o r e ， t h e r ea r eo b v i o u sg a p so nt h ew i d t ha n de x t e n to ft h ea p p l i c a t i o nb e t w e e nt h ed o m e s t i ca n d t h ef o r e i g n t h e r e f o r e ，s t r e n g t h e n e dk n o w l e d g ea r er e q u i r e do nf u r t h e rr e s e a r c ho ft h ec a n b u sp r o t o c o l ，i no r d e rt om a k et h ep r o d u c t sb a s e do nt h ec a n ，s u c ha sc o n t r o l l e r sa n dm e t e r s ， h a v eh i g h e rs t a n d a r da n dm o r er e l i a b l ep e r f o r m a n c e f i r s t l y ，t h r o u g hb u i l d i n gc a nb u sp r o t o c o la n a l y s i sa n de m u l a t i o np l a t f o r m ，e a c hl a y e r o ft h ep r o t o c o li sa n a l y z e d s e c o n d l y ，t h er e s e a r c ho fa n a l y s i sm e t h o d o l o g yo nt h ec a nb u s p e r f o r m a n c ei sc a r r i e do u t ，a n dt h ec a nb u sr e a l - t i m ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d t h i r d l y ，c o m b i n i n gm c uc l i pa t 8 9 c 5 1w i t hb u sc o n t r o l l e rs j a l 0 0 0 ，a ni n t e l l i g e n tc o n t r o l c a nn o d ef o rt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sd e s i g n e d b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dd e s i g no f c a nn o d es o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e dac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o no f t h es y s t e m i cp r o p o s a l ，f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h es a ej 1 9 3 9a p p l i c a t i o np r o t o c o l ，ap r i m a r y c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd r a f t e d ，a n da ne x p e r i m e n t a lc a nb u sn e t w o r ki sc o n s t r u c t e dt o i m p l e m e n tc o m m u n i c a t i o nt e s t i n g t h en o d ed e s i g np r o v i d e sar e f e r e n c em o d a lt oo t h e rn o d e s d e s i g no ft h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，i ta l s og i v e sas t r o n gf o rt h ew h o l ev e h i c l e sc a nb u s b o t t o m - l a y e rd e v e l o p m e n ta n dt o p - l a y e rc o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ：p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，c a nb u s ，s c m ，s a ej 1 9 3 9o r o t o c o l ，s j a l 0 0 0 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q j 不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 舸使用过的材料。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 毛馀鹤 时间： y 寸年；月他日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、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，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学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。 研究生签名 彳锄 导师签名：套棚车 时间：劢盯年弓月7 譬日 时间： y 口r 年弓月f5 日 1 1 研究背景和发展状况 第一章绪论 信息技术的b 速发展，引起了自动化领域的深刻变_ 节，并使自动化领域逐渐形成了丌放系统 互连通信网络。形成了全分布式网络集成化自控系统。而现场总线正是这场深刻变革中的重要技 术，被誉为“自动化领域的计算机局域网”。它的出现，标志着工业控制技术领域进入一个新时 代，并将对该领域的发展产生重要影响。 现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统现 场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。新型的现场总线控制系统突破了传统的集散控 制系统d c s 中通信由专用网络的封闭系统柬实现所造成的缺陷，把封闭、专用的解决方案变成了 公开化、标准化的解决方案。它既可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过 现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能，同时义把d c s 集中与分散相结合的集散 系统结构，变成新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实 现基本控制功能。自8 0 年代以来，几种现场总线技术，诸如：基金会现场总线f f 、局部操作网 络l o n w o r k s 、过程现场总线p r o f i b u s 、控制器局域网c a n e d 可寻址远程传感器数据通路h a r t 已逐 渐形成其影响力，并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点也显示了 较强的生命力”3 。 随着c a n 总线技术在国内应用范围的不断扩大基于c a n 总线的工程应用也越来越多，但是 国内在c a n 现场总线产品开发上缺乏标准化指导，应用的广度和深度与国外相比还有较人差距。 c a n 是种串行通信协议，是b o s c h 公司为汽车应用而开发的一种多主机局域网系统，现场总线 ( f b ) 技术的发展和应用决定了其将成为今后_ t 业控制中最底层网络的关键技术。c a n 现场总线 技术同其它高级的网络样，在其设计、应用和运行过程中，有其网络性能问题，这时，c a n 现 场总线的性能评价、性能分析方法就显得十分重要。目前在国内，由于c a n 总线在车辆实际应用 中较少，所以本课题重在用c a n 总线节点来模拟车用c a n 总线控制系统通信，并对c a n 总线网络 性能分析方法进行研究，希望对c a n 总线应用于车辆控制系统能起到一定推动作用t 并为整车的 c a n 总线底层开发和上层控制策略提供有力的支持，对下一步车辆上的正式使用给予保障。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网，是具有物理层和数据链路层两层协议串行 通讯结构的现场控制总线。它出现于8 0 年代初中期，由德国b o s c h 公司最先提出，应用在车载 备电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。如发动机管理系统、变速箱控制器、 仪表装备，电子主干系统中均嵌入c a n 控制装置。传统系统中数据交换需要专用的线路t 随着系 统复杂程度的提高，使用专用线路交换使得通讯线路复杂、成本增加、可靠性降低。而且车身有 限的安装空间不能容纳复杂庞大的线路“”。 提出c a n 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之问的通讯，最人限 度地减轻车辆线束负担1 。同时，现场总线的应用为车辆及其它控制系统的自动检测与故障诊断 中斟农业大学硕士学位论文 第一章绪论 提供了便捷有力的t 具。c a n 总线有效支持分布式控制，设计台理的c a n 总线能很好地满足实时控 制的需求。其节点信息可赋予不同的优先级，高效率地解决了节点的总线竞争问题和传输时间的 可计算性问题。采用非破坏性纠错技术，节省了总线仲裁时间，增强了网络的安全性能。多主结 构和点对点、 点对多点( 成组) 及全局广播的传送方式提供了现今最先进的串行传输技术使 得网络可以采用非常灵活的信息传输手段。信息采用短帧结构，使用c r c 校验及其它检错措施保 证了极好的检错效果，大大降低了数据出错率。其摄高通信速率可达1 m b s ，能提供很好的实时 需求。 8 0 年代末，b o s c h 公司和i n t e l 公司研制了专门用于汽车电器系统的总线c a n 规范，但因c a n 总线要求每个端口都需要单独的通讯处理能力，这在当时的汽车电器系统中很难办到。进入9 0 年代r 由于集成电路技术和电子功率器件制造技术的迅速发展，用廉价的微处理器芯片和信号识 别芯片作为总线通讯接口端，采用总线技术控制汽车电器从技术上、价格上逐渐进入了实刚化 阶段。 在国外，许多国际化的汽车公司早在8 0 年代就积极致力于汽车网络技术的研究和应削。从 1 9 9 2 年起，m e r c e d e s b e n z ( 奔驰) 公司丌始在他们的高级客车上使用c a n 技术。第一步使用电子控 制器通过c a n 对发动机进行管理；第二步使用控制器接收人们的操作信号。这也就是使用了两个 物理上独立的c a n 总线系统，它们通过网关连接。现在，继v o l v o 、s a a b 、v o l k s w a g e n 、b m w 之后， r e n a u l t $ 口f i a t 也开始在他们的汽车上使用c a n 总线。在欧洲，几乎每一辆新客车上均装配有c a n 局域网。同时c a n 总线自其诞生以来，以其独特的设计思想、优良的性能和极高的可靠性受到工 业界的重视。在国外，尤其是美国和欧洲，c a n 已经被广泛应用于汽车、火车、轮船、机器人、 机械制造、数控机床、纺织机械、医疗机械、农用机械、传感器和自动化仪表等领域。尽管 c a n 协议已经有将近2 0 年的历史，但它仍处于改进之中。从2 0 0 0 年开始，一个由数家公司组成 的i s o 组织定义了一种时间触发c a n 报文传输的协议。b e r n dm u e l l e r 博士、t h o m a sf u e h r e r 、b o s c h 公司人员和半导体工业专家、学术研究专家将此协议定义为时间触发通信的c a n “t t c a n ”，计划 将来标准化为i s 0 1 1 8 9 8 4 。这个c a n 的扩展已在硅片上实现，不仅可实现闭环控制下支持报文的 时间触发传输，而且可以实现c a n 的x b y w i r e 应j ； j 。因为c a n 协议并未改变，所以，在同一物理 层上，既可以实现传输时间触发的报文，也可实现传输事件触发的报文。 从“九五”开始，我国政府就投资支持现场总线的开发，其中c a n 等总线在国内已经得到 较广泛的应用，被大量地应用于工农业监控、电厂测控、火灾报警、变电站控制、煤炭综合监控 等。很多大专院校及科研单位也投入大量的人力和资金研发现场总线，尤其是c a n 总线技术的研 究和开发。”。虽然国内很早就已经关注c a n 总线但实际在车上的应用还很少。最近儿年从国 外引进的新车型中都装备了不同规模的汽车电器网络，如大众公司的帕萨特、奥迪，丰田新款皇 冠，长安福特嘉年华等。随着汽车控制功能的复杂和电子器件的增多，利用c a n 网络是汽车电器 发展的必然趋势。 目前，国际上已有许多专业公司提供了c a n 总线开发测试工具，如德国的v e c t o ri n f o r m a t i k 公司是一家专门从事现场总线，特别是c a n 总线的研究、开发和应用的高科技公司。它在c a n 总线应用领域内提供了一系列强有力的软硬件工具，能够支持c a n 总线网络节点以及整个系统 的建模、仿真等开发过程。v e c t o ri n f o r m a t i k 公司在工业领域中、特别是工业用c a n 总线的开 发领域已经独领风骚数十年了；并在荚国、欧洲、日本等都有丈量的客户应用，为客户提供强大、 2 中圈农业大学硕士学位论文 第一章绪论 完拯的c a n 总线网络开发分析仿真的系列工具和针对用户需求的完善的解决方案。在该公司的产 品中，c a n o e 提供系统级设计和分析开发工具，c a n a l y z e r 提供通用网络分析测试工具，c a n s c o p e 为c a n 总线示波器，c a n g r a p h 为测量数据评估丁具，o s c a n 为基于o s e k v d x 为多任务实时操作 系统，c a n 曲+ 十c a n d b a d m i n 为总线系统数据库工具等。除了v e c t o ri n f o r m a t i k 公司，其他 如n i 公司开发的c a n 网络协议分析仪等c a n 建模 _ 具都在很多领域得到应用。在国内针对 c a n 总线开发建模工具都停留在工业应用领域，如周立功公司开发的c a n a l y s t - l ( i i ) c a n 分析 仪，该分析仪用来安装、开发、测试、维护、管理c a n b u s 网络的软件工具。我国在c a n 系统 建模开发、性能分析领域与国外还有很大差距。如图1 1 所示： 图i - ic a n 设计流程中使用的v e c t o r 工具 在c a n 网络的开发初级阶段，我们首先是面临着个工程问题，比如说一个汽车e c u 网络的 开发。开发第一步，是需求分析的定义，即定义在这个网络里的通讯需求：需要有几个节点；在 网络中定义发送多少个具体的报文( m e s s a g e ) ；数据分别是从哪个节点传送至哪个节点；每个报 文的具体的组成一信号( s i g n a l ) ；同时为了描述一些外部的输入输出，就要加上环境变量。在 这过程中。我们可以利用到v e c t o r 公司的网络数据库工具c a n d b + + ，利用它可以定义和管理 分布e c u 网络的通讯数据，能检查出概念定义的一些错误及时改正，网络设计也能得到优化。接 f 来，需要从功能建模，仿真分析，系统部分实现到系统的全部实现这几个步骤。而利用v e c t o r 提供的c a n o e 能支持上面的四个开发步骤。我们将前两者综合成一个开发阶段嗣此提出开发分为 三个阶段： 第一阶段是进行功能建模和仿真。这一过程，主要是针对有具体数据定义的报文的事件处理， 也就是网络节点的行为定义可借助c a p l 很好的来实现。这是在c a n o e 的环境中的一种类似于c 的语言，利用它可以对比如说一个报文的接收，环境变量的改变或错误的出现等事件进行处理。 同时因为c a n o e 的开放性，我们能使用现有的成熟的算法、函数和模型来扩充自己函数的功能 复杂模型的建立甚至还可咀通过其他的建模1 二具( 如m a t l a b ) 。接下来就是利用软件进行系统的虚 拟的仿真来检验功能的设计，在c a n o e 中将所设计的完整的软件模拟节点系统进行离线的仿真， 来检验各个节点功能的完善性以及网络的合理性。 第二阶段是系统部分的实现。在第一骱段结束后，我们能得到整个完整的系统功能模型。接 r 来我们开发自己的真实的控制器节点，利用总线接口和c a n o e 剩下的节点相连接，来测试自己 中闺农业大学硕士学位论文第一章绪论 节点的功能：如通信，纠错。这样，如果我们系统的节点是并行开发的，就可以不受其他节点丌 发步骤的影响。在这一阶段中，一些环境变量的获取可以通过不同的方法来实现从而模拟出一个 真实的总线环境。 第三阶段是艇个系统的集成。开发的最终阶段我们逐步把所有的节点都用真实的来代替实 现，c a n o e 只是观察分析的工具了。在这个过程中，整个系统，包括各个功能节点都能详细的检 齿到。由于利用功能模块取代真实的网络节点能减少错误的发生，因为通过这两种状态的切换能 检查其功能。 在开发的第阶段和第三阶段，v e c t o r 公司能为开发提供各种不同用处的工具。比如说针对 具体的芯片和功能的源代码( 有c a n o p e n 、d e v i c e n e t 、j 1 9 3 9 的源码) ；符合o s e k 的实时多任务 操作系统o s c a n ；总线强大分析工具c a n a l y z e r ：各种不同的硬件工具如网络示波器c a n s c o p e 、 网络t 扰生成器c a n s t r e s s 等。 当系统都实现之后，有可能要对系统进行测试或者是对其进行标定。在这个方面v e c t o r 又 提供了测试和标定软件工具：c a n a p e 。它可以利用现有的标定协议在控制器实时运行的情况f 对 些需要标定的控制参数进行在线标定。c a n d i d 这是对c a n o p e n 网络进行动态测试一种t 具。还 有多神不同功能的硬件工具。 由于c a n 总线应用在车辆上的优越性使得它已经在传统汽车上占据了生导地位，同时由于电 动汽车和传统汽车的相似性，它也被认为是电动车的最佳通讯方式，它们的网络协议基本相同。 如丰田汽车公司早已在电动牟型“p r i u s ”采用了c a n 总线”。图卜2 所示为f o r d 公司的混合动力 电动汽车驱动系统网络。 图i - 2f o r d 公司的混合动力电动汽车驱动系统的网络 目前国内各大汽车厂商所研制的电动汽车上都部分引进或是自己开发采用了c a n 总线，如一 汽宝来( p o r a ) 、划h a 6 、_ 哺p o l o 、神龙毕加索轿车、广州本田轿车、一汽马自达6 轿车、国产 安徽奇瑞等都采用了c a n 总线通讯。国内车用c a n 总线发展较慢，但目前已引起了定的重视。 4 我国“8 6 3 计划”关于电动汽车的说明l _ l 已经明确提出，新申报的电动车开发项目必须采用c a n 总线通讯模式。 1 2 课题研究的主要内容 本课题是用实验平台来进行c a n 节点研究设计，按照功能模块化要求进行车辆物理仿真平台 设计。其中实验台是由p c 主机( 主控制器) 、c a n 接口卡、c a n 总线节点、数据采集模块以及车 身控制模块组成。同时对c a n 总线性能分析方法进行研究。讨论与c a n 总线性能有关的要素，测 最分析方法，为提供更加合理有效的c a n 总线网络作准备。 节点1 节点2 节点3 图卜3 实验台c a n 总线结构图 本课题所要设计的节点1 根据通用c a n 总线节点，依据实际运行需求，灵活实现所需功能。本 课题首要任务是实现c a n 总线通讯。因为本实验台是为在车辆上应用做准各，必须考虑车辆的实 际运行环境。由于车辆内温度变化范围大，电磁干扰和其它电子噪声强，所以本节点不仅要完成 它本身的控制功能，还必须保证节点的安全可靠性，为以后车辆总线应用奠定基础。 本文分析了c a n 总线节点的基本原理结构和功能。进行了c a n 总线及其上层协议s a ej 1 9 3 9 的 研究。在此基础上制定了实验台的上层协议。根据节点的功能特性，结台单片机技术的应用特性， 提出基于m c u 芯片a t 8 9 c 5 1 + s j - a 1 0 0 0 控制器+ p c a 8 2 c 2 5 0 收发器的设计方案。进行节点的软硬件 设计，并在实验室进行小型网络的功能测试。 研究的主要内容有： 1 研究车用网络系统的类型及特点。 2 研究c a n 总线的技术特性。 3 研究c a n 总线应用层协议：s a ej 1 9 3 9 协议，并制定实验相应的应用层协议。 4 研究c a n 总线性能分析方法，利用数学、统计方法对总线网络性能分析方法进行研究。 5 研究m c u 芯片a t 8 9 c 5 1 的结构、特性及应用，s j a l 0 0 0 控制器特性，p c a 8 2 c 2 5 0 收发器的特 点提出基于单片机与控制器的c a n 总线节点的设计方案。 5 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 6 c a n 节点的硬件设计。 7 c a n 节点的软件设计。 8 研究c a n 总线的各种故障状态及处理措施。 在上述研究基础之上，在实验室搭建小型网络进行调试，确保系统稳定可靠，满足实际使用 要求。 1 3 研究的目的及意义 我国在车用网络方面的研究起步较晚，并且汽车电子方面的基础也较薄弱，这对于我国汽车 产业跟上国际先进技术是大障碍尤其是中国加入w t o 后，如何保证国产轿车在国内和国际上 的领先地位成为一个急待解决的问题。目前电动汽车方面的发展为这些问题的解决带来了一个契 机。我们需要尽快开展电动汽车车用网络的研究，以便紧跟时代的步伐。 冈为c a n 总线在国内车辆中的应用较少，此课题虽然只是实验台c a n 总线上单节点的设计， 但对整车c a n 总线的应用能起到一定推动作用。此节点的殴计对总线其他节点给出参考范例，提 供了相关的理论基础和技术储备。为整车的c a n 总线底层开发和上层控制策略提供了有力的支持， 对下步车辆上的正式使用给予保障。课题的目标是能替换现有的单节点，在实验台的整车实验 t j 实现通讯和控制功能，保障系统的功能并实现自身的安全可靠性。 中嘲农业大学硕士学位论文 第二章车用网络及c a n 总线协议分析 第二章车用网络及g a n 总线协议分析 随着科技的进步和汽车工业的发展，消费者对于汽车的安全性、舒适性的要求日益提高，同 时为了符合政府对排放、油耗日益严格的法规要求，需要更多的电子控制系统来实现所需功能。 为了完成这些复杂系统控制功能和提高信号的利用率，单元间需要交换大罱的数据。这就需要利 用车载网络来协同工作和共享信息。我们通过对车用网络特性和要求的研究，对比分析c a n 总 线协议，看到c a n 总线在车用网络中的主导地位。为更好地设计节点，我们有必要深入研究c a n 总线协议。 2 1 常见网络传输方式 2 1 1 常见网络拓扑结构 根据网络中节点的互连形式，较为常见的有星形、环形、总线形和树形。表2 1 为这几种拓 扑结构的特点分析。 表2 - 1 网络拓扑结构分析表 中国农业大学硕士学位论文 第一二章车用网络及c a n 总线协议分析 2 1 2 介质访问控制方式 在总线和环形拓扑结构中，网络设备必须共享传输线路，为解决在同一时间有几个设备同时 争用传输介质，需要有访问控制算法来协调各设备访问介质的顺序，在设备之间交换数据。 常见的有随机访问方式的c s m a c d ，控制访问方式的令牌总线、令牌环。 一c s m a c d ( 载波监昕多路访问冲突检测) 任何工作站可以在任何时候、随意访问介质。同时在发送信息之前监听总线，采j ；i j 坚持退避 的算法来避免冲突发生。这种方式控制简单可靠性也较高，有实时控制特性。 二令牌环访问控制方式 令牌环是环形结构采用的访问控制方式。令牌方式是按照一定顺序在各站点传递令牌，谁拥 有令牌，谁就有发报文权利。每个站点知道信息的动向，保证较高的信息传输确定性。比较适合 在实时系统中使用。它对轻、重负载不敏感，但是单环环路出故障将使整个环路通信瘫痪，因而 可靠性比较低。 三令牌总线访问控制方式 采用总线网络拓扑，网上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环。通过令牌控制帧调整访问介 质的权力。 令牌传递总线网络的正常操作比较简单。但是网络必须有初始化功能。当网络中的标志丢失， 或产生多个标记时，必须有故障恢复功能。另外还有一些附加的功能人火增加了令牌传递总线访 问控制方式的复杂性。 在以上几种访问方式中，相比而言c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 控制简单且具有 实时控制特性。c a n 总线正是采用此访问模式。 2 1 3 差错校验方式 在通信线路上传输信息时，由于噪声或瞬时中断等干扰，使接收端收到的信息出现概率性错 码。为提高通信系统的传输质蹙必须采取有效的检测错误方法。其中广泛使用的是检错码方案。 常用的检错码有两类：奇偶校验码和循环冗余编码。奇偶校验方法简单，但检错能力差，一般只 用于通信要求比较低的环境。c r c 码检错能力强，容易实现，是目前应用最广的检错编码方式之 一。c a n 总线使用c r c 检错，并且和其他纠错方式合用，使错误率降到最低。 2 1 4 车用网络特点 分析车崩网络特点时可看到，汽车要求使用安全、方便、操作简单、性能可靠，并且对价格 很敏感。汽车的应用环境又很差。潮湿、振动、尘土、油污、温度变化范围大以及强的电磁干扰 等恶劣工作环境，对电子装置及其之间的数据通信可靠性提出苛刻的要求。根据汽车的这些使用 要求和环境，必须车用电子系统应当考虑以r 因素“： 1 温度范围懒要求一4 0 ( 2 一一1 2 5 。c 。 中国农业大学硕士学位论文第二章车用嘲络驶c a n 总线协议分析 2 油、水、尘土蚍及可能遇到的化学腐蚀物质的影响。 3 机械振动、颠簸、冲击的影响。 4 电磁兼容问题。系统必须有承受外来电磁干扰的能力和不对环境造成电磁干扰( 家庭环 境电磁场为3 v 0 1 ，工厂为l o v i l l1 ，汽车环境电磁场大于2 0 0 v i l l 。1 ) 。 5 ， 可能的故障和可能的误操作。如电源反接、线头脱落、短路断路、摩擦等。 6 事故发生时的保护措施或对安全的影响充分考虑。 7 批量生产成本。 汽车电子设备具有种类繁多并且信号性质也各不相同的特点，它的联网技术不同于一般的计 算机网络。合理的拓扑结构对于优化网络性能、降低网络复杂性、增加可靠性及降低成本非常重 要。车上网络系统除了要满足信息共享以外，它还要满足各功能子系统的实时性要求，通过信息 的交换达到功能综合的目的。它特别强调网络的可靠性和实时性。汽车上的网络特点可归纳为： 通讯距离短、线路简单、子功能模块化较好、扩充性要求高、网络复杂度要求低、可靠性要求高 等。通过对考虑车用网络的特点和常用的网络拓扑结构进行比较，可以看出总线型的结构是最适 合车用网络体系的。车用网络系统设计还需考虑一些问题： 1 节点与总线的连接接头的电气与机械特性咀及接头数量。 2 网络系统和应用系统的评估与性能检测方法。 3 容错和故障恢复。 4 实时控制网络的时间特性。 5 安装与维护中的布线。 6 网络上节点的增加和软硬件更新。 传统汽车虽然与电动汽车具有一定的相似性，但驱动系统的不同决定了电动汽车在网络设计 时还需要考虑另外一些问题： 1 电磁兼容性要好：因为电动汽车中强电部件多。电气开关会产生高频和中频_ t 扰信号。 2 传输可靠性要高：合理的e c u 抗干扰措施、安装设计以及网络布线规划可以减少系统中 的不可靠因素。同时，通过通信协议的制定以及相应的软硬件设计，提高通信系统性能。 3 e c u 之间的逻辑关系：通过对各e c u 逻辑关系的详细分析，可制定合理的协议来体现它 们之间的约束关系，并提高通信的有效性。 由于电动汽车网络中驱动系统的数据多。实时性要求高，并且考虑到强电系统对弱电系统的 干扰问题，采用多总线的结构：驱动系统和车身系统分别使用不同传输速率的总线，这样既保证 了驱动系统的数据实时传输，又不会造成网络硬件成本的提高。 2 2c a n 总线特性 自从b o s c h 推出c a n 协议后，由于各种领域的推广应用对其通信格式的标准化提出了要求。 为此，1 9 9 1 年9 月形成c a n 技术规范2 0 版本。该技术规范包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了c a n 报文标准格式，2 o b 给出了报文的标准和扩展两种格式。此后1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路 交通运输工具一数据信息交换一高速通信c a n 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 。同时其在车辆上的应用也日趋 9 中甾农业大学硕士学位论文 第一二章车用网络及c a n 总线协议分析 成熟。从1 9 9 2 开始，m e r c e d e s b e n z 已经开始在它的高级轿车中使用c a n 总线。接下来v o l v o 、 s a a b 、v o l k s w a g e n 和b m w 也相继开始应用。现在欧美各大汽车厂商已经在它们的车辆上大规模使 用c a n 总线。 s a e 车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为a 、b 、c 三类： a 类面向传感器执行器控制的低速网络，数据传输的位速率通常只有1 一i o k b p s 主要应用 于电动门窗、座椅调节、灯光照明等。 b 类面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般为1 0 一i 0 0k b p s 。主要应剧于电子 车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，以减少冗余的传感器和其它的电子部件。 c 类面向高速、实时闭环控制的多路传输网，最高位速率为1 m b p s ，主要应用于悬架控制、 牵引控制、发动机控制和a b s 系统，以简化分布控制和进一步减少车身线束。 表2 - 2s a e 汽车网络级别 c a n 总线在三种网络中都有所应用，三种网络性能特征比较如表2 - 2 所示。并且到目前为止， 满足c 类网要求的只有c a n 协议。所以s a e 的货车客车控制和通信网络委员会指定将c a n 作为c 类数据交换网应用于客车、货车、农业及建筑车辆。 c a n 总线的特点可概括如下： 1 c a n 总线为多主方式工作。网络上任节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发 送信息，而不分主从。通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便地构成多 机铸份系统。 2 c a n 总线网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数 据晟多可在1 3 4us 内得到传输。 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 的节点会主动地退出发送，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 线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 4 。c a n 总线只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接 收数据，无需专门调度。 5 c a n 总线的直接通信距离最远可达l o k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 6 c a n 总线上的节点数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 a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的报文标识符几乎不受限制。 7 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 i o l _ j 国农业大学硕士学位论文第二章车用网络及c a n 总线协议分析 8 c a n 总线的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施。保证了数据出错率极低。 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 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受 影u 自。 通过以上对车用网络和c a n 总线的特性分析，可看到使用c a n 总线作为车用网络的优越性， 并且它也已经被实践证明了在汽车应用中的主导地位。 2 3c a n 总线协议 c a n 总线定义了i s o o s i 网络开放系统模型的最低两层数据链路层和物理层。通过对两层协 数据链路层 l l c 接收滤波 超载通知 恢复管理 m a c 数据封装拆装 帧编码( 填充解除填充) 媒体访问管理 错误检测 出锚标定 应答 串行化解除串行化 | 物理层 p l s i 位编码解码 位定时 同步 刚a 驱动器接收器特性 i 连接器 监控器 故障界定 ( m a c i m e ) - j 总( 线p l 故s - 障l m 管e ) 理 囤2 _ 1g a r 的分屡结构 议的深入理解，有助于进行节点的设计。其中关键是数据链路层。如图2 一l 所示； 按照i e e e 8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路层又划分为： 逻辑链路控制( l l c - - l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 媒体访问控制( m a c - - m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 ) 物理层又划分为； j j 、_ 一 、 =llkr|ll 中删农业大学硕上学位论文第_ _ i 章车用网络及c a n 总线胁议分析 物理信令( p l s p h y s i c a ls i g n a l l i n g ) 物理媒体附属装置( p m a p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 媒体相关接口( m d i - - m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 凇c 子层运行借助称之为“故障界定实体( f c e ) ”的管理实体进行监控。故障界定是使判别 短暂干扰和永久性故障成为可能的一种自检机制。物理层可借助检测和管理物理媒体故障实体进 行监控( 例如总线短路或中断，总线故障管理) 。l l c 和m a c 两个同等的协议实体通过交换帧或协 议数据单元( p d u - - p r o t o c o ld a t au n i t ) 相互通信，如图2 2 所示。个n 层协议数据单元( n p d u ) 由n 层特定的协议控制信息( p c i - - p r o t o c o lc o n t r o li n f o r m a t i o n ) 和( n ) 用户数据组成，为 传送。个n p d u ，( n 1 ) 层实体必须通过( n 1 ) 服务访问点( s a p - - s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) ( n 1 ) 一s a p 。n p d u 借助于( n 1 ) 层服务数据单元( s d u - - s e r v i c ed a t au n i t ) ( n 一1 ) 一s d u 传 至( n 一1 ) 层，其服务功能允许n ? d u 的传送。s d u 是接口数据，对其识别预先在( k ) 层实休问进 行，亦即，它表示逻辑数据单元由服务进行传送。c a n 协议的数据链路层既不提供分配个s d u l - 可c l一 钆二_ 二竺叫， l l c 图2 - 2 协议层闻关系 至多个p d u 。也不提供分配多个s d u 至个p d u 的方法，亦即，n p d u 直接由相应的n s d u 和层指 定控制信息n - p c i 构成。图2 - 2 说明数据链路子层的关系。 1 2 一 羔一 2 3 1 数据链路层 一逻辑链路控制( l l g ) 于层 l l c 子层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。 帧接收滤波：在l l c 子层上开始的帧跃变是独立的其自身操作与先前的帧跃变无 关。帧内容由标识符命名。标识符并不能指明帧的目的地，但描述数据的含义，每个接收器 通过帧接收滤波确定此帧与其是否有关。 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟一i - 个l l c 数据帧或l l c 远程帧，则通过 l l c 子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧以延迟下一个数据帧或远程帧。 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，l l c 子层具有自动重发送 功能。在发送成功完成以前，帧发送服务不被用户认可。 二媒体访问控制( m a c ) 子层 m a c 子层功能由i e e e 8 0 2 3 中规定的功能模型描述，如图2 - 3 所示，在此模型中将m a c 子层 划分为完全独立工作的两个部分，即发送部分和接收部分，此两部分的功能如下。 l l c 子层 对l l c 子层的访问 ， 发送数据封装 接收数据拆装 ， 1 r 发送媒体访问管理l 接收媒体访问管理i 1 发送部分功能包括： ( 1 ) 发送数据封装 接收l l c 帧接口控制信息 c r c 循环计算 接收数据解码i 图2 - 3 媒体访问控制功能 1 3 中国农业大学硕上学位论文 第二章车用嘲络及c a n 总线协议分析 通过向l l c 帧附加s o f 、r t r 位、保留位、c r c 、a c k 和e o f 构造m a c 帧 ( 2 ) 发