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文档简介

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a l - e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g t h er e s e a r c ho fv e h i c l eg p s n a v i g a t i o n s y s t e m b a s e do nc a nb u s b yz h a n gc h a o s u p e r v i s o r :p r o f e s s o rz h a n g t i a n x i a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 l ,“髟 。k二-nd 一 j 独创性声明 本人声明,所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果,也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 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:弓韬五色 e t 期:y 彰绎弓7 5 ii 丑 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定:即学校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。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流,请在下方签名;否则视为同意。) 学位论文作者签名: 签字日期: 导师签名: 签字日期: -0二_ 东北大学硕士学位论文摘要 基于c a n 总线的车载g p s 导航系统研究 摘要 车辆导航技术无论在军事领域还是民用领域都非常重要,而c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 总线是一种串行局域网总线,是一种有效支持分布式实时控制的串行通信网络。 本论文研究的目的是改变传统的车载g p s 导航系统与汽车电控装置相对独立的状况,将 它们接入国际通行的总线式网络,同时解决复杂的线束问题,两者的结合整合了车内资 源,使g p s 导航系统和汽车电子控制装置,包括动力总成控制、底盘和车身电子控制、 舒适和防盗系统实现数据共享,通过c a n 总线把它们变成一个有机的整体,更好的为 驾驶者服务。 论文首先介绍了本课题的研究背景和意义,全面阐述了基于c a n 总线的车载g p s 导航系统的特点以及目前国内外发展现状和今后的发展趋势。此外,本文还介绍了c a n 总线的基本原理和g p s 导航的原理,作为上述研究的具体应用,完成以下设计: 硬件部分设计了基于c a n 总线的车载g p s 导航系统电路,采用a t 8 9 s 5 2 作为电路 的微处理器,通过s j a l 0 0 0 和8 2 c 2 5 0 实现c a n 总线信号的接收与发送,串口通信电路 实现与g p s 模块的数据交换。通过低压差高效稳压器l m 2 9 4 0 完成电源电压的调节工作。 在硬件电路设计的基础上制作了测试电路板。 根据系统所要实现的功能,结合已设计的硬件电路,在软件程序设计上着重分析了 g p s 接收的数据类型以及对它的处理,同时完成了c a n 通信流程的设计、串口通信工 作流程以及串口双接收数据缓冲区的设计工作。调试程序,检验各功能的实现情况,定 型程序。最后,烧写程序,完成所有设计。 实验测试结果表明本系统各部分电路运行基本稳定,设计合理,达到了课题预期效 果。另外也提出自己工作中的不足及以后需要改进的工作。 关键词:c a n 总线;g p s 导航:a t 8 9 s 5 2 ;s j a l 0 0 0 l-f iii-声 v,i, 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fv e h i c l eg p s n a v i g a t i o ns y s t e m b a s e do nc a nb u s a bs t r a c t 1 h ev e h i c l en a v i g a t i o nt e c h n o l o g yi sv e r yi m p o r t a n ti ne i t h e rm i l i t a r yo rc i v i lf i e l d , h o w e v e r c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) b u si s as e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw h i c h e f f i c i e n t l ys u p p o r t sd i s t r i b u t e dr e a l t i m ec o n t r o lw i t hav e r yh i g l ll e v e lo fs e c u r i t y mp u r p o s e t os t u d yi nt h i st h e s i si st oc h a n g et h es i t u a t i o nt h a tt h et r a d i t i o n a lv e h i c l eg p sn a v i g a t i o n s y s t e ma n dt h ee l e c t r o n i cc o n t r o ld e v i c e so ft h ev e h i c l ea r er e l a t i v e l yi n d e p e n d e n t , u s et h e u n i v e r s a l l ya c k n o w l e d g e db u sm o d en e t w o r kt ol i n kt h e m , a tt h es a m et i m e ,t h ec o m p l i c a t e d w i r i n gh a r n e s sp r o b l e mi ss o l v e d ,t h ec o m b i n a t i o no fb o t hi n t e g r a t e st h er e s o u r c e si nt h e v e h i c l ea n dr e a l i z e st h ed a t as h a r i n gb e t w e e nt h eg p sn a v i g a t i o ns y s t e ma n dt h ee l e c t r o n i c c o n t r o ld e v i c e so ft h ev e h i c l e ,i n c l u d i n gp o w e r t r a i nc o n t r o ls y s t e m 、e l e c t r o n i cc o n t r o lf o rt h e v e h i c l eb o d ya n dc h a s s i s 、c o m f o r ta n dt h e f t - a g a i n s ts y s t e m c a nb u sc h a n g e st h e mi n t oa n o r g a n i cw h o l e ,i tc a np r o v i d eb e r e rs e r v i c ef o rd r i v e r s f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h ep r o j e c t , e x p o u n d s t h ec o n s t i t u t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l eg p sn a v i g a t i o ns y s t e mb a s e do nc a nb u s , t h ed e v e l o p m e n ta n dt h et r e n dc o m p l e t e l y , m o r e o v e r , t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e sc a nb u sa n d g p s t oa p p l yt h ea b o v e - m e n t i o n e dr e s e a r c ht oc o n c r e t eu s e ,i nt h es t u d y ,d e s i g n st h ec i r c u i to f v e h i c l eg p sn a v i g a t i o ns y s t e mb a s e do nc a nb u s 1 1 1 ew h o l es y s t e mt a k e sa t 8 9 s 5 2a sc o r e m c u ,s j a l0 0 0a n d8 2 c 2 5 0r e c e i v ea n dt r a n s m i tt h ec a ns i g n a l ,s c ic i r c u i te x c h a n g et h e d a t a 谢t l lt h eg p sm o d u l e ,l m 2 9 4 0r e g u l a t e st h ep o w e rv o l t a g e o nt h eb a s eo ft h ed e s i g no f t h eh a r d w a r ec i r c u i t ,p c bi sm a d e a c c o r d i n gt ot h es y s t e m sf u n c t i o n s ,c o m b i n i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i t sw h i c hh a sb e e n d e s i g n e d ,o nt h es o r w a r ed e s i g n i n g ,a n a l y z et h ed a t af r o mg p sa n dt h ea n a l y s i so ft h e mi n d e t a i l s a tt h es a m et i m e ,c o m p l e t et h ep r o g r a mf l o wa b o u tc a nc o m m u n i c a t i o n ,t h ep r o c e s s f l o wa b o u tt h es c ic o m m u n i c a t i o na n dt h ed e s i g no ft h ed u a l - b u f f e rf o rt h es c ir e c e i v i n g d a t a d e b u gt h ep r o g r a ma n dc h e c ko u tw h e t h e rt h ef u n c t i o n sh a v eb e e nr e a l i z e do rn o t f i n a l l y p r o g r a mt h em c u a n dc o m p l e t ea l ld e s i g nw o r k 乃ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a te v e r yc i r c u i to ft h i sc o n t r o ls y s t e mh a sa l o g i c a ld e s i g n a n dr u n ss m o o t h l y , s ow eb e l i e v et h i ss y s t e mh a sr e a c h e dt h ea n t i c i p a t e dp u r p o s e b e s i d e s ,t h e l a c ka n dt h ew o r kw h i c hn e e dt oi m p r o v eo fm yw o r ka r ea l s op r e s e n t 1 1 1 k e yw o r d s :c a nb u s ;g p s ;a t 8 9 s 5 2 ;s j a l0 0 0 i v - 、r,; 东北大学硕士学位论文目录 目录 j 声明i : f r 中文摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 基于c a n 的车载g p s 导航系统开发的背景和意义1 1 1 1c a n 总线在汽车中的应用概况1 1 1 2g p s 车辆定位导航系统国内外发展概况2 1 1 3 论文研究的目的和意义3 1 2 本论文的主要工作3 第2 章汽车局域网c a n 总线原理5 2 1c a n 总线的特性5 2 2c a n 的一些基本概念6 2 3c a n 总线报文类型及其组成8 2 4c a n 的分层结构1 3 2 4 1 物理层协议1 3 2 4 2 数据链路层协议1 4 2 4 3 应用层协议1 5 2 5s a ej 1 9 3 91 办议1 6 第3 章车载g p s 导航系统技术研究1 9 3 1g p s 概述1 9 3 2g p s 的原理2 0 3 2 1g p s 系统的组成2 0 3 2 2g p s 卫星信号2 1 3 2 3g p s 卫星定位原理2 2 3 3g p s 接收机2 4 东北大学硕士学位论文 目录 第4 章基于c a n 总线的车载g p s 导航系统的硬件设计2 7 4 1 基于c a n 总线的车载g p s 导航系统的微处理器设计2 7 4 2 子节点系统的复位电路设计2 9 4 3 子系统的r s 2 3 2 串行接口电路设计3 0 4 4 子节点系统的电源模块设计3 0 4 5c a n 通信模块电路设计3 2 4 5 1c a n 模块硬件设计3 2 4 5 2c a n 通信模块电路器件介绍3 3 第5 章系统软件设计4 1 5 1 主程序流程设计4 l 5 2c a n 总线通讯设计4 2 5 2 1c a n 控制器s j a l 0 0 0 初始化4 3 5 2 2c a n 控制器发送流程4 5 5 2 3c a n 控制器接收流程4 6 5 3 串口通讯程序设计4 6 5 4 数据处理模块4 7 第6 章系统调试与测试5 1 6 1 系统抗干扰设计5 l 6 1 1 硬件抗干扰设计5 1 6 1 2 系统抗干扰软件设计5 3 6 2 汽车用控制程序的标准文档5 4 6 3 直接生成汽车用程序的平台软件5 4 6 4 系统调试5 5 6 。4 1 测试电路板调试5 5 6 4 2 上微机调试5 6 第7 章结论与展望5 9 7 1 结论5 9 7 2 展望5 9 参考文献6 1 致谢6 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 基于c a n 的车载g p s 导航系统开发的背景和意义 1 1 1c a n 总线在汽车中的应用概况 c a n 总线是德国博世公司开发的一种串行数据通讯协议。它的短帧数据结构、非破 坏性总线仲裁技术以及灵活的通讯方式使c a n 总线具有很高的可靠性和抗干扰性,满 足了汽车对总线的实时性和可靠性的要求【2 】。 c a n 总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线,现已开始在先进的汽车上得到应 用,从而使得各汽车计算机控制单元能够通过c a n 总线共享所有的信息和资源,以达 到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和可维护性、降低 成本、更好地匹配和协调各个控制系统之目的。进而使得汽车的动力性、操作稳定性、 安全性都上升到新的高度。随着汽车电子技术的发展,具有高度灵活性、简单的扩展性、 优良的抗干扰性和纠错能力的c a n 总线通信协议将在汽车电控系统中得到更广泛的应 用。 在国外,尤其是在欧洲,汽车总线技术已经成熟,c a n 总线已被广泛应用在汽车上, 一些著名的汽车制造厂商,如奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺、保时捷、劳斯莱斯和 美洲豹等都采用c a n 总线作为控制器联网的手段。 国内引进技术生产的奥迪a 6 车型己于2 0 0 0 年起采用总线替代原有线束,帕萨特 b s 、宝来、波罗、菲亚特的派立奥、西耶那、哈飞赛马等车型都不同程度地使用了c a n 总线技术。此外,部分高档客车、工程机械也都开始应用总线技术。截止到2 0 0 6 年, c a n 已占据整个汽车网络协议市场的6 3 。在欧洲,基于c a n 的网络也占有了大约8 8 的市场。 从国内车用总线的发展来看,基于c a n 总线的自主研发技术已经在新能源汽车和 传统汽车上取得成功应用。我国的汽车企业和高校、科研院所,如一汽集团、上汽集团、 长安汽车公司、奇瑞汽车公司、清华大学、北京理工大学、北京交通大学、同济大学、 中科院、中国汽车研究中心等2 0 0 多家单位投入了大量的人力、财力研发电动汽车及其 总线技术。自主品牌汽车产品总线技术的应用目前基本上处于概念设计和原理样机试验 阶段。由于我国中高级车以欧洲车型为主,因此c a n 总线技术也将是国产车重要的引 进项目。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 2g p s 车辆定位导航系统国内外发展概况 车载导航与定位系统的雏形起始于二十世纪六七年代【1 9 1 。早期的导航系统使用的是 车辆里程表、环形检测器等7 0 年代,位置推算系统、车载电子地图和地图匹配技术得到 了一定的发展。这期间,美国e t a k 公司开发出一种自主导航仪,这种系统利用航位推算 模块d r ( d e a dr e c k o n i n g ) 并借助地图匹配算法进行车辆定位。类似的系统在欧洲也已 被研制出来,如p h i l i p s 公司的“c a r i n 、英国的“a u t og u i d e ”等。到了8 0 年代末, 随着全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 技术的发展与成熟,再加上巨大的 市场潜力和良好的发展前景,世界各国都进入了车载定位与导航这一研究领域,美国、 日本和欧洲等国家都先后推出了自己的g p s 车载定位导航系统。现在车载导航系统己成 为中高档车辆的标准设备。日本很多的汽车生产厂家都参加了这一科技角逐。丰田、松 下等公司都已开发出自己的车载导航产品。其他发达国家如:美国、德国也已在该市场 占有一席之地。2 0 0 0 年日本的车载g p s 导航仪产量达到2 0 0 万套,年增长率为3 3 3 。 北美和欧洲的车载导航仪的销量在2 0 0 万套。年内达到或超过1 0 0 万套,近些年来每年 都以翻一番的速度往上增长。此外,根据g p s w b r d 杂志刊登的美国工业发展研究机 构的预测,到2 0 0 5 年,日本、北美和欧洲每年将有1 5 0 0 2 5 0 0 万套产品售出,在2 0 1 0 2 0 1 5 年间,约有5 0 的汽车在出厂时,就已装备了车载导航系统,在以后时间里该系统 的普及率将会逐渐提高到1 0 0 。 g p s 在汽车上的应用有车辆监控调度系统和车辆导航系统。车辆监控调度系统由主 控站和移动站组成,是把任何装有g p s 接收机的移动站的动态位置( 精度、纬度、高度) 、 时间、状态等信息,实时地通过无线通信网传至监控站,而后在电子地图上显示移动站 的运动轨迹,并能对车辆的位置、速度、运动方向、车辆状态等参数进行监控和查询, 以确保车辆的安全,方便调度管理,提高运营效率。车辆导航系统用于单车,是通过g p s 接收机实时获得车辆的位置信息,并在电子地图上显示出车辆的运动轨迹以帮助驾驶员 方便驾驶。 相比较国外,国内的g p s 车辆导航起步和发展都比较晚,开始于8 0 年代末期,其 应用主要是集中在车辆的监控调度系统方面。目前具有一定开发能力的公司如大通公司、 京惠达公司、图原公司等也主要是进行这方面的工作。其主要的特征是代理国外的产品 或基于单板机或笔记本以及p c 机的操作系统( 主要是w m d o w s ) 和开发平台进行开发, 如图原公司的车辆监控系统运行的平台是w m d o w s 9 8 ,开发平台是m a p - e n g i n e ,因此成 本较高,使用、携带不够方便。另一方面,由于这些系统并不是专门为车辆定位导航系 统设计的,因此相对来说效率较低。国内也已有部分厂商和研究单位推出了一些车载导 了 1 j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 航定位系统,但要么由于技术简单,定位精度不够,要么由于成本昂贵,不能为一般用 户所承受,因而不能在实际车载系统中得到广泛的应用。要将这种系统实用化,则必须 在提高精度的同时大幅度降低成本。 1 1 3 论文研究的目的和意义 本论文研究的目的是改变传统的车载g p s 导航系统与汽车电控装置相对独立的状 况,将它们接入国际通行的总线式网络,同时解决复杂的线束问题,是满足人汽车环 境和谐发展的重要基础,是与国际汽车标准接轨的大势所趋。 控制器局域网( c a n c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 的现场总线标准是现在运用的最广泛 的汽车现场总线标准,而g p s 导航系统像安全气囊一样将是未来车辆的标准配置,两者 的结合整合了车内资源,使g p s 导航系统和汽车电子控制装置,包括动力总成控制、底 盘和车身电子控制、舒适和防盗系统实现数据共享,通过c a n 总线把它们变成一个有 机的整体,更好的为驾驶者服务。 1 2 本论文的主要工作 本论文所设计的系统是一个c a n 的子节点,它的功能是把g p s 模块接收的数据经 过处理发送到c a n 总线,涉及到了c a n 2 0 b 协议和s a ej 1 9 3 9 的内容,以及g p s 模 块的原理和应用。 主要工作如下: ( 1 ) 设计以a t 8 9 s 5 2 为核心的硬件电路系统,包括单片机最小系统模块,复位电 路模块,电源模块,c a n 通信模块,串口通信模块,将各个模块连接成完整的系统等。 ( 2 ) 在k e i l 开发环境中设计系统的软件,包括串口的初始化,发送和接收,并开 辟双接收缓冲区;c a n 的初始化,发送和接收:c a n 接收数据和g p s 接收数据的处理 等功能模块和各模块间连接程序并完成软件仿真工作。 ( 3 ) 在硬件电路设计的基础上使用p r o t e l 2 0 0 4 绘制硬件电路的原理图,并生成p c b 图,根据p c b 图制作测试电路板,将所有元件安装到连路板并上电调试。再将软件部分 的程序写入单片机,并调试使整个系统运行。 ( 4 ) 完成了上述工作之后,再使用u s b c a n 接口卡进行上微机的测试。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 - 4 1 i j i 东北大学硕士学位论文 第2 章汽车局域网c a n 总线原理 第2 章汽车局域网c a n 总线原理 2 1c a n 总线的特性 ( 1 ) 采用通讯数据块编码,可实现多主工作方式,数据收发方式灵活,可实现点对 点、一点对多点及全局广播等多种传输方式;可将d c s 结构中主机的常规测试与控制功 能分散到各个智能节点,节点控制器把采集到的数据通过c a n 适配器发送到总线,或 者向总线申请数据,主机便从原来繁重的底层设备监控任务中解放出来,进行更高层次 的控制和管理功能,比如故障诊断、优化协调等【l 】。 ( 2 ) 采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术,具有暂时错误和永久性故障节点的 判别及故障节点的自动脱离功能,使系统其他节点的通信不受影响;同时c a n 具有出 错帧自动重发功能,可靠性高。 ( 3 ) 不关闭总线即可任意挂接或拆除节点,增强了系统的灵活性和可扩展性。 ( 4 ) 采用统一的标准和规范,使各设备之间具有较好的互操作性和互换性,系的通 用性好。 ( 5 ) 通讯介质可采用双绞线,无特殊要求;现场布线和安装简单,易于维护,经济 性好。只有2 根线与外部相连,且内部含有错误探测和管理模块。 ( 6 ) 通信方式灵活。可以多主方式工作,网络上任意一个节点均可以在任意时刻主 动地向网络上的其他节点发送信息,而不分主从。可以点对点、点对多点及全局广播方 式发送和接收数据。 ( 7 ) 网络上的节点信息可分成不同的优先级,可以满足不同的实时要求。 ( 8 ) c a n 总线通信格式采用短帧格式,每帧字节数最多为8 个,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 个字节也不会占用总线时 间过长,从而保证了通信的实时性。 ( 9 ) 采用非破坏性总线仲裁技术。当2 个节点同时向总线上发送数据时,优先级低 的节点主动停止数据发送,而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。这大大地节 省了总线仲裁冲突时间,在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪。 ( 1 0 ) 直接通信距离最大可达1 0 k m ( 速率5 k b s 以下) ,最高通信速率可达1 m b s ( 此时距离最长为4 0 m ) ;节点数可达1 1 0 个,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导 纤维。 东北大学硕士学位论文第2 章汽车局域网c a n ,总线原理 ( i i ) c a n 总线通信接口中集成了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,包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等多项 工作。 ( 1 2 ) 以n 总线采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能,保证了数据通信的 可靠性。 2 2c a n 的一些基本概念 报文( m e s s a g e s ) 总线上的信息以不同固定格式的报文发送,但长度有限制,当总 线空闲时,任何一个连接的单元都可以开始发送一个新报文。 信息路由( i n f o r m a t i o nr o u t i n g ) 在c a n 系统中,一个c a n 节点不使用任何有关系 统配置的信息( 比如站地址) ,这里包含一些重要概念: 系统灵活性:不需要任何节点和应用层的软件或硬件改变,就可以在c a n 网络中 添加节点。 报文路由:一个报文的内容由其标识符d 命名。d 并不指出报文的目的地,但解 释数据的含义,以便网络中的所有节点可以通过报文滤波决定是否对该数据做出反应。 多播:由于引入报文滤波的概念,任何节点都可以接收报文,并与此同时对此报文 做出反应。 数据相容性:在c a n 网络里,可以确保报文同时被所有节点或者没有节点接收, 因此,系统的数据相容性是通过多播和错误处理原理实现的。 位速率( b i tr a t e ) 在不同的c a n 系统中可以有不同的位速率,但在一个给定的系 统中,位速率是唯一固定的。 优先权( p r i o r i t i e s ) 在总线访问期间,根据发送数据的标识符判断数据占用总线的 优先权,标识符小则优先权高。 远程数据请求( r e m o t ed a t ar e q u e s t ) 需要数据的节点可以通过发送远程帧请求另 一个节点发送相应的数据帧,该数据帧与远程帧具有相同的标识符。 多主站( m u l t i m a s t e r ) 当总线空闲时,任何单元均可开始发送报文,发送具有最高 优先权报文的单元赢得总线访问权。 仲裁( a r b i t r a t i o n ) 当总线空闲时,任何单元都可以开始发送报文。若同时有2 个或 更多的单元开始发送报文,则总线访问冲突使用逐位仲裁,借助标识符解决。这种仲裁 机制可以使信息和时间均无损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时初始化时, 数据帧优先于远程帧。仲裁期间,每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平 6 东北大学硕士学位论丈 第2 章汽车局域网c a n 总线原理 进行比较。如果电平相同,则该单元可以继续发送。如果发送的是一“隐性”电平,而 监控到的是一“显性 电平,该单元则失去仲裁,必须退出发送状态。 安全性( s a f e t ) ,) 为获得尽可能高的数据传送安全性,在每个c a n 节点中,均采取 了强有力的错误检测、出错标定及错误自检措施。为检测错误,采取的措施有:监视( 发 送器对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较) 、循环冗余检查、位填充、报文格式 检查。 错误检测具有下列特性:所有全局性错误均可被检测;发送器的所有局部错误均可 被检测;报文中的多至5 个随机分布错误均可被检测;报文中长度小于1 5 的突发性错误 均可被检测以及报文中奇数个错误均可被检测。对于未检测出的己损报文的剩余错误概 率小于报文出错率4 7 1 0 。1 1 出错标定和恢复时间( e r r o rs i g n a l l i n ga n dr e c o v e r yt i m e ) 当节点检测出错误时, 已损的报文会被标一记而失效,报文将被自动重新发送。如果没有新的错误,从检测到 错误到下一个报文开始发送的恢复时间最多为2 9 位时间。 故障界定( c o n f i n e m e n t ) c a n 节点能够把永久故障和暂时扰动区别开来。故障节 点将被关闭。 连接( c o n n e c t i o n s ) c a n 串行通信链路是一条众多单元均可被连接的总线。理论上, c a n 总线上的单元数量没有限制,但由于实际上受信号传输延时和电气负载能力的影 响,单元数量是有限的。 单通道( s i n g l ec h a n n e l ) 由单一双向进行位传送的通道组成的总线。借助数据重同 步信息可被获得。在本技术规范中,实现这种通道的方法不是固定的,例如,可以是单 线( 加接地线) 、两条差分连线、光纤等。 总线数值表示( b u sv a l u e s ) 总线可以具有两种互补逻辑数值之一:“显性 和“隐 性”,当“显性 位和“隐性 位同时发送时,总线为“显性 状态。例如,在总线的线 与操作情况下,“显性”电平由逻辑“0 表示,“隐性 电平由逻辑“l ”表示。本技术 规范中未给出表示这些逻辑电平的物理状态( 例如,电压、光) 。 应答( a c k n o w l e d g e m e n t ) 所有的接收器均对接收报文的相容性进行检查,回答一 个相容报文,并标志一个不相容报文。 睡眠模式唤醒( s l e e pm o d e w a k e u p ) 为了降低系统功耗,c a n 器件可被置于睡眠 模式以便停止任何内部活动以及断开与总线驱动器的连接。c a n 器件可由总线激活,或 系统内部状态而被唤醒。唤醒时,虽然m a c 子层要等待一段时间使振荡器稳定,然后 还要等待一段时间直到与总线活动同步( 通过检查1 1 个连续的“隐性 位) ,但在总线 东北大学硕士学位论文 驱动器被重新设置位“总线在线”之前,内部运行己重新开始。 2 3c a n 总线报文类型及其组成 c a n 报文由2 种不同的格式,主要在于标识符域的长度不同。含有1 1 位标识符的 帧称为标准帧,含有2 9 位标识符的帧称为扩展帧。而报文传输又分为四种不同类型的帧: 数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。其中数据帧和远程帧可以使用标准帧和扩展帧两种 格式。 数据帧是用来将数据从发送器传输到接收器的。数据帧主要有以下7 个不同的域组 成:帧起始( s t a r to f f r a m e ) 、仲裁域( a r b i t r a t i o nf r a m e ) 、控制域( c o n t r o lf r a m e ) 、数 据域( d a t af r a m e ) 、c r c 域( c r cf r a m e ) 、应答域( a c k f r a m e ) 和帧结尾( e n do f f r a m e ) 。 数据场的长度可以为零。 - - 一 c e 卜s p a c i i :a:。:三-!:。edn。n。lf。e。i 。a 。af 。e 。i 锑f 。e 。i r a i l ie 图2 1 数据帧结构 f i g2 1d a t af r a m es t r u c t u 他 ( 1 ) 帧起始。帧起始( s o f ) 表示数据帧的开始,仅由一个显性位组成。一个数据 帧的帧起始仅在总线空闲时才允许节点开始发送,所有的节点必须同步于首先发送数据 帧节点的帧起始的前沿。 ( 2 ) 仲裁域。仲裁域是用来表明报文的内容和意义以及报文的优先级别的。在标准 格式和扩展帧格式中仲裁域的格式不同。在标准格式中仲裁域由1 l 位标识符和r t r ( 远 程发送请求位) 位组成。其中1 1 位的标识符中的高7 位不能全是隐性,发送顺序从高位 到低位发送。在扩展帧格式中,仲裁域包括:2 9 位标识符、s r r ( 替代远程请求位) 、i d e ( 标识符扩展位) 、r t r 位。2 9 位标识符包括1 1 位的基本d 和1 8 位的扩展d ,基本 d 表明了扩展帧的基本优先级。在数据帧中r t r 位必须是显性位,表明当前的报文帧 是数据报文。而在远程帧中该位为隐性表明当前的报文帧是远程帧。在扩展帧格式中 s r r 位是一隐性位,它是在扩展帧中标准帧的r t r 位的位置被发送,因而替代了标准 帧的r t r 位。在发送过程中当标准帧和扩展帧发生冲突时,当扩展帧的基本d 和标准 帧的标识符相同时,标准帧优先于扩展帧。i d e 位是标识符扩展位,在标准帧格式里它 东北大学硕士学位论文 第2 章汽车局域网c a n 总线原理 k 竺竺叫且i 竺竺 - 标准桢 耋e 三珂出叵工二二 i 卜竺竺型竺旦竺一,k 望笙窆:,l 三:竺z 。 扩展桢面互三三砸 巫三三盘吐 图2 2 数据帧中的仲裁域结构 f i g 2 2a r b i t r a t i o nf i e l ds t r u c t u r eo fd a t af r a m e ( 3 ) 控制域。控制域由6 个位组成,标准格式下的控制域和扩展格式下控制域在结 构上不同,标准格式下的控制域包括数据长度代码、i d e 位( 为显性位) 以及保留位r 0 。 扩展格式里控制域包括数据长度位和两个保留位r 1 和r 0 。在发送过程中保留位必须为显 性,但接收器接收到的是位的组合。数据长度代码d l c 由4 位组成,用来指示数据域 里的字节数目。数据字节允许的字节数为1 8 个字节,其他数值不允许使用。数据长度 代码所表示的字节数如表3 2 所示。其中d 表示显性位( 逻辑o ) ,r 表示隐性为( 逻辑1 ) 。 表2 1 数据帧长度代码d l c ! 堑! 皇兰:! 堡望醴塑堂q ! 堂地皇 数据字节的数目数据长度代码( d l c ) d l c 3d l c 2d l c l d l c o 憔蟮叶卜一 觥黧桢 呻卜螂嫣 i d e ,r 1r o d l c 3嗽2 i 。lc ,i 。 保留位数据长度代码 图2 3 控制场格式 f i g 2 3c o n t r o lf l a m es t r u c t u r e ( 4 ) 数据域。数据域由数据帧中的发送数据组成。标准格式和扩展格式中的数据域 相同,都是由o 8 个数据字节构成,每个字节包含8 个位,在发送时首先发送高位。 ( 5 ) 循环冗余域( c i ) 。c r c 域由c r c 序列和界定符两部分组成。其中c r c 序 列用于检查报文数据的准确性,由循环冗余码求得的帧检查序列最适用于位数低于1 2 7 位的帧。r c r 序列由两个多项式序列相除的余数组成。其中被除的多项式的系数由无填 充位流给定。组成这些位流的成分是:帧起始、仲裁域、控制域、数据域。将此多项式 除以下面的多项式: x 1 5 + x 1 4 + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 4 + x 3 + l 所得的余数就组成了c r c 序列。c r c 序列后式c r c 界定符,它包含一个单独的隐性位。 ,r 7 控制场 ii 蹦i l r 臂r 函啊i 图2 4c r c 场格式 f i g2 4c r cf l d m es t r u c t u r e 嘲 卜应答场巾桢结尾 二二厂 厂t i i 应答间隙 应答场界定符 图2 5 应答场格式 f i g2 5a c k f l a m es t r u g t u l t ( 6 ) 应答域( a c k ) 。应答域长度为2 个位,包括应答间隙和应答界定符。在应答 域里,发送报文的节点发送2 个隐性位。当接收报文的节点接收到有效的报文时,接收 器就会在应答间隙器件向发送器发送一显性位以示应答,因此在总线上如果报文正确, 应答间隙应当是一个显性位。应答界定符是应答域的第二个位,并且必须是一个隐性位。 表明应答域的结束,因此应答间隙被两个隐性位包围。 东北大学硕士学位论文第2 章汽车局域网c a n 总线原理 ( 7 ) 帧结尾。每个数据帧均由一个标志序列进行界定,表明一个报文的结束。这个 标志序列由7 个隐性位组成。 远程帧是一个请求发送数据的请求报文。作为某数据接收的节点,通过发送远程帧 ( r e m o t ef r a m e ) 可以启动其资源节点传送它们各自的数据。也就是要求源节点发送与 远程帧i d 标识符相同的数据帧。远程帧也有标准格式和扩展格式两种,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、帧结尾。与数据帧不同 的是,远程帧的r t r 位是隐性位,并且没有数据域。所以数据长度代码的数值没有任何 意义可以为0 8 范围里的任何数值。此数值是相应于数据帧的数据长度代码。 误。 。 :r a m ef r a m e ;p o c e s p a c e i i or 0 v e r l o a d iif r a m e s i a r t 。f a f 巾r a m 。仃a e 。j 。nf 。e di c o n t r o lf l e l di c r cf l e l di e n d o ffr a me 图2 6 远程帧格式 f i g2 6r e m o t ef r d m es t r u c t u r

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