基于DSPACE的CAN总线通讯程序开发论文

优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！摘要随着现代汽车的日益发展，汽车电子设备不断增加，进而带来汽车综合控制系统中大量的控制信号需实时交换的问题，传统线束已远远不能满足这种要求，汽车局域网应运而生。本文从研究汽车局域网入手，主要研究了国内外汽车控制器局域网的发展与现状，对当今国际汽车行业中应用最广的 CAN 总线原理和应用进行了深入研究与吸收。并在研究中设计了采用 CAN 总线控制的门锁控制系统，制定了一套相应的可靠运行的协议。通过试验验证，本研究门锁控制系统只需要两根信号线就可以实现数据的传输，使得传输线束大大简化，可靠性得到了提高，有效节约了线束安装空间和系统成本。为提高汽车使用的便利性和行车的安全性，现代汽车越来越多地安装中控锁。当驾驶员锁住其身边的车门时，其他车门也同时锁住。驾驶员可通过门锁开关同时打开所有车门，也可单独打开某个车门。当行车速度达到一定时，各个车门能自行锁上，防止乘员误操作车门把手而导致车门打开。除在驾驶员身边车门以外，还在其他门设置单独的弹簧锁开关，可独立地控制一个车门的打开和锁住。dSPACE 是基于MATLAB/Simulink 仿真系统开发的软硬件实时控制工作平台，利用它可缩短系统的开发时间，节约开发费用。本文利用该系统开发基于 CAN 通信的中央门锁控制系统。可以作为 CAN 总线在汽车上应用的有益探索，为下一步实现多个模块基于 CAN 总线的通讯，及在实验室实现混和动力汽车发动机、ABS、电机、电池系统等控制模块之间的通讯提供思路。关键词： dSPACE；CAN；汽车中控门锁；控制系统；通信程序优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！ABSTRACTAlong with the development of modern automobile, automobile electronic equipment increases gradually, Then bring a large number of controlling signals among automobiles comprehensive control system need real-time exchange problem, Traditional harness cannot satisfy this requirement, Auto LAN come into being.This paper start studying from the car LAN, The main research is development situation of car controller LAN at domestic and exotic, Deeply study and absorb application principle of CAN bus which is widely used todays international automobile industry, And in the study, Design the CAN bus door locks control system, a set of reliable operating agreement has been developed. Through the experiment testifying, This door lock system only need two signal lines can realize the data communication, Making communication wire harness greatly simplify, improving reliability, efficiently save harness installation space and system cost. In order to improve the cars security of the convenience of driving, more and more hyundai cars install central lock. When driver lock the doors adjacent to him, other side door also lock. The driver can open all the doors through the door lock switch, also can open a lonely door. When driving speed reaches a certain value, all the doors lock by itself, prevent passenger error operating the door handle, cause the door open. In addition to the driver side door , Setting single latch switch in other door, Can independently control A door open and lock. DSPACE is based on MATLAB/SIMULINK simulation system, is development platform of software and hardware real-time control, Use it can shorten System development time, Saving development costs.By using this system development central door locks control system Based on CAN communication. Can serve as the useful exploration that used can bus in car, For the next step implement multiple module communications based on CAN bus, And provide thoughts in the laboratory for HEV engine, ABS, motor and battery systems control module communications.Key words： dSPACE；CAN；Car central locks；Control system ；Communication program优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！目 录摘要 .IABSTRACT.II第章 绪论 .11.1 前言 .11.2 课题研究背景 .11.3 国内外研究现状及发展动态 .21.4 本文主要研究内容 .3第章 CAN 总线的原理和 dSPACE 介绍 .42.1 CAN 的性能特点 .42.2 CAN 协议 .42.3 CAN 协议网络分层模型 .52.4 CAN 协议的报文传送及其帧结构 .62.4.1 逻辑电平定义 .62.4.2 CAN 报文的帧类型 .72.4.3 CAN 报文的帧格式 .92.5 位定时与位同步 .102.6 总线访问及仲裁技术 .122.7 CAN 总线的通信错误及其处理 .122.7.1 错误类型 .122.7.2 错误状态界定 .132.8 MATLABSimulink 介绍 .142.9 dSPACE 实时系统软件 .142.9.1 RTW(Real-Time Workshop) .142.9.2 代码生成和下载软件 RTI .142.9.3 ControlDesk 综合实验和测试环境软件 .152.10 本章小结 .15优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！第章 dSPACE 中 CAN 模块通讯实现 .163.1 dSPACE 的 CAN 模块 .163.1.1 CAN 网 .163.1.2 dSPACE 系统 .173.2 CAN 总线通讯程序开发 .173.2.1 系统开发流程 .173.2.2 基于 dSPACE 的信号生成电路 .183.2.3 MicroAutobox 硬件接口的连接 .193.2.4 MATLAB/Simulink 建模 .193.2.5 C 代码的生成、编译、连接和下载 .213.2.6 基于 ControlDesk 通讯程序测试 .213.3 本章小结 .22第章 CAN 总线系统的节点设计 .234.1 CAN 协议支持器件 .234.2 CAN 总线节点的硬件设计 .264.3 CAN 总线节点的软件设计 .274.3.1 初始化 .274.3.2 发送 .294.3.3 接收 .314.4 本章小结 .32第章基于 dSPACE 的控制系统设计 .335.1 系统总体结构 .335.2 dSPACE 硬件部分及外围电路 .345.2.1 dSPACE 硬件接口电路 .345.2.2 基于 dSPACE 的模拟车速信号电路 .345.3 实时仿真系统 Matlab/Simulink 模型建立 .345.4 汽车中央门锁半实物仿真系统实验 .365.5 本章小结 .37结论 .38参考文献 .39优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！致谢 .41附录 .42附录 A CAN 节点程序代码 .42本科期间发表论文 .49优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！第章 绪 论1.1 前言随着电子技术、控制技术、计算机技术等的进步，人们对汽车的动力性、排放性、经济性和安全性等方面的性能提出越来越高的要求，汽车电子化成为了一个必然的趋势。汽车电子化在提高汽车各方面性能的同时，也带来了一系列的问题，最主要的就是线路复杂化。现代汽车中所使用的电子控制系统和通讯系统越来越多，如发动机电控系统、自动变速器控制系统、防抱死制动系统(ABS)、自动巡航系统(ACC)和车载多媒体系统等。这些系统之间、系统和汽车的显示仪表之间、系统和汽车故障诊断系统之间均需要进行数据交换。如此巨大的数据交换量如仍然采用传统数据交换的方法：即用导线进行点对点的连接的传输方式将是难以想象的。据统计如采用普通线缆，一个中级轿车就需要线索插头 300 个左右，插针总数将达到 2000 个左右，线索总长超过 116km。不但装配复杂而且故障率会很高。因此用串行数据传输系统取而代之就成为必然的选择。作为最早的应用领域，CAN 总线在现代汽车上获得了广泛的应用。目前全球各大汽车制造商在上世纪 90 年代后期研发的汽车（乘用车和商用车）都采用了 CAN 总线或者车中的部分零部件具有 CAN 总线通信功能。而采用 dSPACE 仿真平台进行系统仿真的研究，也代表着国际上这方面的先进水平。作为一个全方位的计算机辅助设计平台，dSPACE 拥有简单易用的代码生成及下载软件、试验工具软件，还拥有灵活性极强的硬件组合系统，具有其它仿真机所无可比拟的优越性。利用 dSPACE，可以把精力全神贯注于控制方案的构思，可以大大缩短开发周期。本文将利用 dSPACE 系统针对 CAN 总线系统进行通信开发，在计算机上实现 CAN 总线系统的通讯仿真。1.2 课题研究背景随着全数字式现场总线为代表的现场控制仪表、设备大量应用，使得繁琐的汽车现场连线被单一简洁的现场总线网络所代替。CAN(Controller Area Network)数据总线就是一种极适于汽车环境的汽车局域网。它是德国 Bosch 公司在 80 年代初为解决数据可靠交换而开发的一种串行数据通信总优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！线。在现代汽车设计中，CAN 己经成为了必须采用的装置。奔驰、宝马、大众、沃尔沃及雷诺汽车都将 CAN 总线作为控制联网的手段。我国在汽车电子方面的研究起步较晚，对应用于汽车领域 CAN 协议的研究尚处于起步阶段。鉴于 CAN 在现代汽车电子化进程中的重要作用，自主研制支持 CAN 规范的汽车电子产品，并使之尽快产业化，势在必行。传统的汽车电子门锁采用点对点的方式与汽车车身的其它电子设备互联，伴随着汽车电子网络化的趋势，汽车电子门锁开始逐渐采用网络化的结构。随着 CAN 总线技术在汽车上的大量使用，给汽车维修带来了极大的难度，国内汽车维修与教学行业急需掌握 CAN 总线维修技术。1.3 国内外研究现状及发展动态1.CAN 在国外的发展控制器局域网 CAN 是 80 年代初博世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 1991 年 9月形成技术规范 2.0 版本。该版本包括 2.0A 和 2.0B 两部分两种格式。其中 2.0A 给出了报文标准格式，2.0B 给出了报文的标准和扩展2.CAN 在国内的发展虽然 CAN 总线标准已推出很多年，但我国的汽车 CAN 总线技术起步较晚，在国内的应用开发还刚刚开始，本土汽车电子厂商在跟进之余己显示出“新势力” 。如浙江中科正方电子技术有限公司目前形成了以 RS4、RS3 、RS2 为产品体系的汽车网络产品生产企业，涵盖了轿车、客车和卡车各领域，可以提供基于 CAN 技术的汽车网络产品。但理想与现实之间总有差距，中国汽车电子厂商在基础的 ECU 开发方面还存在诸多缺失，开发车载网络 ECU 遭遇的是更深层次的考验，目前还没有这个实力帮助汽车制造商部署一个 CAN 网络。据业内人士介绍，目前更多的还主要是开发支持 CAN 的车载设备，配合某种车型的 CAN 网络使自己的产品支持这种总线通信协议。国内车载网络的现状是，在 ECU 中嵌入车载网络己做得不错，但与车载网络相关的工作还十分欠缺。3.CAN 技术的检测与维修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。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 2000 米，电气节点达 1500 个，而且该数字大约每十年增长 1 倍，从而加剧了粗大的线束与汽车有限的可用空间之间的矛盾。一般情况下线束都安装在纵梁下等看不到的地方，一旦线束中出了问题，不仅查找相当麻烦，而且维修也很困难。另外，在汽车中增加新的用电设备对线束的改动很大，一般只能从外面加线，从而使线路更凌乱。所以，无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！法都将不能适应汽车的发展。由于 CAN 技术在汽车上的应用，而掌握此项技术的汽车维修人员很少，所以，对 CAN 技术的维修技术要加大研究。1.4 本文主要研究内容1. 本研究的目的本论文利用现场总线技术的目的是为了实现汽车控制部件的智能化和汽车控制系统的网络化提供了一个有效的途径和方法。智能化是采用了微处理器嵌入技术，对汽车电控系统中的各个测控部件进行数字化改造，使之在成为一个智能化的仪表或执行器的同时具备网络通信能力，从而为汽车网络化控制做好准备。网络化就是在智能化和节点化的基础上，采用属于网络技术的现场总线将所有汽车测控部件连接起来，在网络测控软件的支持下形成一个有机的网络控制系统。本研究的经济意义在于废除主电缆线束系统，从而有利于降低系统的综合成本，并以提高技术档次保障售价；其技术意义是为汽车性能的高档次提供技术平台，形成新产品和技术储备。2. 本论文主要工作本论文的主要任务之一就是通过查阅大量的资料，学习中控门锁的结构与工作原理，了解汽车网络技术的发展和趋势，包括在汽车中常用的各种网络协议，并深入理解 CAN 协议，为具体应用奠定良好的理论基础。另一个主要任务是采用 dSPACE 标准组件系统作为仿真机，建立数字控制系统，开发针对 CAN 总线的通讯系统的汽车中控门锁系统，并通过 ControlDesk 综合试验与测试软件，进行实时仿真测试，实现CAN 模块之间的信息通讯，完成基于 dSPACE 的 CAN 总线通信的汽车中央控制门锁系统。为下一步实现多个模块基于 CAN 总线的通讯，及在实验室实现混和动力汽车发动机、ABS、电机、电池系统等控制模块之间的通讯提供思路。优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！第章 CAN 总线的原理和 dSPACE 介绍2.1 CAN 的性能特点CAN 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括为：(l)CAN 是到目前为止唯一具有国际标准且成本较低的现场总线；(2)CAN 为多主方式工作，网络上任一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备份系统；(3)在报文标识符上，CAN 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在 134s 内得到传输；(4)CAN 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，优先级较抵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；(5)CAN 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，无需专门的”调度” ；(6)CAN 的直接通信距离最远可达 10km(速率 5KbPs 以下)；通信速率最高可达1MbPs(此时通信距离最长为 40m)；(7)CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达 110 个。在 CAN2.0A标准帧报文中标识符有 11 位，而在 CAN2.0B 扩展帧报文中标识符有 29 位，使节点的个数几乎不受限制；(8)报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，使数据的出错率降低；(9)CAN 的每帧信息都有 CRC 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果；(10)CAN 的通信介质可选择双绞线、同轴电缆或光纤，选择十分灵活；(11)CAN 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，而且发送的信息遭到破坏后，可以自动重发。优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！2.2 CAN 协议CAN 技术规范 2.0A 和 2.0B 以及国际标准 15011898 是设计 CAN 应用系统的基本依据，也是应用设计的基本规范。2.3 CAN 协议网络分层模型在 150 提出的 051 模型中，网络被分成七个不同的层次，这些层次描述了在不同的传输阶段，数据信息被如何处理。051 七层结构及各层功能，如图 2.1 所示。OSI 层次 OSI 层次 层次功能应用层 应用层 提供到底层的用户接口表示层 表示层 提供数据格式化和代码转换会话层 会话层 处理进程之间的协调传输层 传输层 负责数据传输控制网络层 网络层 在相邻节点间转发分组直到目的站数据链路层 数据链路层 提供计算机与网络之间可靠的数据传输物理层 物理层 在计算机和网络之间传送位流物理传输介质图 2.1 OSI 参考模型层次结构值得注意的是 051 参考模型只是网络结构设计的向导，但不是任何使用网络的最佳选择。由于 CAN 协议用于特定的工业控制现场，要求网络结构简洁、价格低廉，通常还要求数据传输速度快，满足实时控制需要。OSI 模型显得于庞大，数据处理耗时太大，不适合于工业现场实时控制，所以 CAN 协议只采用了三层网络结构。CAN技术规范 2.0A 中，网络被划分为对象层、传输层和物理层三层。 CAN 节点的分层结构和功能如图 1.2 所示。对象层和传输层包括了由 150/051 模型定义的数据链路层的所有服务和功能，按150/051 参考模型层次定义，这两层应被划分为数据链路层范围。对象层功能包括：查找被发送的报文；确定实际要使用的传输层接收哪一个报文；为应用层相关硬件提供接口。在定义对象处理时，存在许多灵活性。传输层是 CAN 协议的核心，其功能包括：控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。总线上何时开始发送新报文及何时开始接受报文，都在传输层确定。位定时的一些普通功能也被作为传输层的一部分。传输层特性不存在修改的灵活性。物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。当然，在一个网络内，物理层对于所有节优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！点必须是相同的。尽管如此，在选择物理层时还是存在很大的灵活性。2.0A 技术规范中没有定义物理层，以便在具体应用中对传输介质和信号电平进行优化。CAN 协议技术规范 2.0B，严格遵循 150/051 参考模型。将 CAN 分为数据链路层和物理层，其中数据链路层又被分为逻辑链路控制(LLC：Logical Link Control)子层和媒体访问控制 (MAC： Medium Access Control)子层，这两层的功能分别与 2.0A 中的目标层以及传输层功能相对应。应用层对象层消息滤波消息和状态处理传输层故障界定错误检测和标定报文效验应答仲裁报文分帧传输速率和定时物理层信号电平和位表示传输媒体图 2.2 CAN 节点的分层结构LLC 子层完成下列功能：为远程数据请求以及数据传输提供服务，确认由 LLC子层接收的报文实际已经被接收，以及为恢复管理和超载处理提供手段。MAC 子层是 CAN 协议的核心，主要定义传输协议，包括报文帧格式、仲裁方式、应答报文、错误检测、出错标定和故障限制等，它把接收到的报文提供给 LLC 子层，并接收来自 LLC 子层的报文。MAC 子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定。MAC 子层由称之为故障界定的一个管理实体监控，它具有识别永久性故障和短暂扰动的自检机制。物理层实现不同节点之间的物理信号传输，主要定义网络的电气特性，因此涉及到位时间、位编码、同步的描述。CAN2.0B 没有定义物理层的驱动器和接收器特性，以便根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 2.4 CAN 协议的报文传送及其帧结构2.4.1 逻辑电平定义CAN 的传输介质由两根传输线组成 ，其中一根被称为高电平传输线 CANH，另优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！一根被称为低电平传输线 CANL，对地电压分别被表示为 VCAN_H 和 VCAN_L，它们之间的差值被称为差分电压 Vdiff，即 Vdiff=VCAN_H- VCAN_L。满足条件 0.9V0；若沿处于前一位的采样点之后则，e20Km/h 1 0 的单脉冲 0 的单脉冲 落 锁5.4 汽车中央门锁半实物仿真系统实验利用 dSPACE 提供的综合试验软件 ControlDesk 可以实现对实时硬件的图形化管理，建立用户虚拟仪表，实现变量和参数的可视化、试验过程自动化管理。图 5.7 为系统优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！实物图，图 5.8 为采用 ControlDesk 综合测试软件开发的汽车中央门锁半实物仿真系统测试界面。该界面不仅可以方便地对各种参数进行监控、调节，而且可以实时地显示和保存试验数据。我们利用 ControlDesk 对四路输入信号和三路输出信号进行监测。当我们按动开关的时候，在状态指示中能够显示我们的按键信息，这里指的是车钥匙位置情况和遥控器状态，在右端能够显示发送的相应动作信号，在中间我们用一个车速表显示模拟车速，模拟车速超过 20Km/h 时，车自动落锁，我们也会看到发送落锁信号的灯也会闪亮一次。这样就实现了表 5.1 中介绍的各项功能。图5.7 系统实物图图5.8 ControlDesk实验界面优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！5.5 本章小结试验表明，基于 MATLAB/Simulink 和 dSPACE 开发的汽车中央门锁实时仿真系统，通过半实物仿真获得了满意的效果。利用 MATLAB/Simulink 开发中央节点过程中所需编写的代码少，模型参数的修改、代码的生成及下载非常方便。开发的汽车中央门锁控制系统能够满足车辆的实际要求，为开发更先进的门锁控制系统提供了思路。优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！结 论本研究基于 MATLAB/Simulink 和 dSPACE 开发了汽车中央门锁半实物仿真试验系统。系统以 dSPACE 标准组件的 MicroAutoBox 作为汽车中央门锁的中央控制节点，用来接收车速信号、钥匙位置信号和遥控器信号，并对这些数据进行处理。向采用STC89C52RC 单片机的 CAN 控制器 SJA1000 和 CAN 驱动收发器 PCA82C250 发送相应信号，各节点按信号要求执行相应动作对汽车门锁进行控制。本文借鉴和吸收了很多先进的研究成果，完成了基于 dSPACE 的 CAN 总线通信的汽车中央控制门锁系统。在此次设计中对 dSPACE、Matlab/Simulink、CAN 通信以及汽车中央门锁等原理进行了研究，主要概括为以下几个方面：1. 研究了 CAN 通信系统结构和原理，按其结构和原理完成了 CAN 节点的设计和搭建。2. 研究了 Matlab/Simulink 的工作机制和应用原理，并且完成了对中央门锁的控制程序（线框模型图） 。3. 研究了 dSPACE 系统的组成及工作原理，利用 dSPACE 体统完成了对 CAN网中央门锁的控制，并且进行了试验，取得了最终满意的成果。本论文所存在的不足以及进一步的展望：经过前面章节的详细叙述，论文表述了CAN 网中央门锁系统的硬件与软件设计，虽然做出了一些成果，但由于个人能力和时间限制，系统仅仅是在 CAN 网中央门锁方面的一个验证性实验，离最后的实用化、产品化还有一定的距离。总结以上的工作，有以下几点展望：1. CAN 网中央门锁系统的试验验证工作仍需进一步加强。2. 选用更先进合理的器件及电路解决方案，提高系统硬件设计水平，促进整机性能的提高。3. 实现全车网络化。利用 CAN 总线网络的优势，将网络节点遍布车身。实现最大限度的数据采集，存储，并实现与汽车其它电控单元的车况信息共享，实现汽车集中控制。优秀本科毕业设计（论文）精品优秀毕业设计，助答辩无忧！参考文献1 薛定宇,陈阳泉,基于 MATLAB/Simulink 系统仿真技术与应用M,北京:清华大学出版社.2002.2 邬宽明,CAN 总线原理和应用系统设计,北京:北京航空航天出版社 ,1996.3 杨涤,李立涛,杨旭,朱承元.系统实时仿真开发环境与应用M. 清华大学出版社,2002.4 阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社 ,1999.5 程军等.车辆控制系统 CAN 总线通信的实施方法.汽车工程,2001(5).6 韦作高. 基于 dSPACE 的混合动力汽车试验台系统的研究与开发 D,重庆大学,2007年.7 朱正礼,殷承良,张建武.混合动力车中 CAN 总线系统的应用,交通运输工程学报,2004.3.8 曹珊,于秀敏,高莹,孙平,李颖.CAN 总线在混合动力电动公共汽车中的应用,汽车技术,2005 年第 6 期.9 孙智娟,徐杜,钟舜聪.Matlab 在计算机辅助数值分析与计算中的应用J. 计算机工程与科学,2002.10侯钢领,欧进萍.结构可靠指标计算的优化模型及其在 Matlab 环境下的实现J. 哈尔滨建筑大学学报. 11张月明,李闯.一种流行的现场总线CAN 总线J .现代电子技术,2003 ,26 (24) ：61 - 62.12韩党群. 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