局域汽车安全信息系统设计.doc

I 局域汽车安全信息系统设计 摘 要 随着现代汽车的快速发展 汽车电子设备不断增加 传统的点对点布线已远不能满 足汽车愈加复杂的控制系统 本课题充分利用现代电子 计算机 传感测控等方面的技 术成果 为解决汽车布线烦杂 系统可靠性低 故障维修难度大的问题 而研发基于CAN 总线的车身安全信息监测系统 CAN总线在汽车上的广泛应用将使汽车的实时性 稳定性 安全性 经济性都上升到新的高度 按汽车局域网发展趋势 以CAN为代表的C类网将逐 步普及并占据主导地位 根据汽车电子系统的特点 在深入研究CAN网络技术规范基础上 完成汽车在行驶过 程中各模拟信号 数字信号和开关信号的采集与处理 完成油量 水温 转速 车速等 的显示及超限报警 以及车灯的状态控制等 并设计一个网关 以实现发动机高速CAN和 车身低速CAN两种不同通信速率总线的数据通讯 采用自行设计的USB CAN适配卡把数据发送至车载终端 同时由车载终端向总线发控 制信号 成功控制相应节点后反馈信号给监控软件 实现CAN节点与车载终端之间的通信 一方面可以监控系统运行情况 另一方面也可以进行故障分析 CAN技术规范只定义了物理层和数据链路层协议 本文针对汽车CAN网络通讯制定了 一个简单有效的应用层协议 采用29位标识符的扩展模式 定义了2个字节的标识符ID和 1个字节的数据域编码 具体制定时每个功能插件的资源都留有一定的余度 以便将来扩 展设备需要 针对故障诊断中的不确定性 提出了基于D S证据理论的决策融合 简要介绍了D S 证据理论的基本概念 并结合算例进行了分析 提出了神经网络与证据推理相结合的决 策融合诊断方法 并通过实例验证了这种方法的可行性和有效性 关键词 CAN总线 应用层协议 高低速CAN网关 CAN适配卡 信息融合 II Local automotive safety system design AbstractAbstract With the rapid development of the modem automobiles the lasting increase of electronic devices of automobiles the traditional wiring harnesses can not satisfy much more complexity of control systems of automobiles The network control system for automobile is developed which takes advantage of the technical achievements in the fields such as electronic computer sensor and controlling In order to solve the questions that the automobile wiring becomes huge and complex the system is unreliable the difficulty of breakdown maintenance is big A kind of automobile network control system based on CAN bus is designed CAN bus make the real time stability safety and economy of the automobile much better As the development trend of the LAN of the automobile CAN bus as the representative of C class networks will be popularized gradually and hold a dominant position According to the characteristic of automobile electronic based on researchingthe standard of CAN protocol technology the acquisition and processing of the analog signal digital signal and switching signal are completed the display such as oil mass water temperature rotational speed the speed of vehicleetc alarm of overrun and control state of light is realized A kind of CAN gateway is designed with the aim of realizing data communication between high speed CAN and the low speed CAN communication A USB to CAN adapter is designed by myself Terminal sends the control signal to the bus the signal is fed back to the monitoring software after thesuccessfully controlling of the corresponding node The communication between CAN node and Terminal is realized In the first place the monitoring software can monitor the operation of the system in the second place the fault analysis is running The standard of CAN has only defined the protocol of the physical layer and the data link layer so the system establishes the application layer protocol for the automobile CAN network contr01 The system uses the expansion patterns of 29 identifiers which defined two byte identifier and one byte data field code Each device leaves wide resources for the future expansion when the protocol updated To me incertitude of fault diagnosis the decision making fusion based on evidence theory is put forward The basic conception of evidence theory is introduced With the simulation based on the example we can know evidence theory fusion improved the fault diagnosis precision It is hard to give the basic probability function in the process of using the evidence theory SO the model based on network and D S evidence is put forward The simulmion of the example show it is feasible and effective Keywords CAN Bus Application Layer Protocol CAN Gateway CAN Adapter Information Fusion I 目录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 2 现场总线的定义及特点 1 1 3 CAN 总线技术概述及发展现状 2 1 3 1 CAN 总线技术概述 2 1 3 2 国内外发展现状 2 1 4 多传感器信息融合技术简介 3 1 5 本课题研究的主要内容 4 2 车载 CAN 网络通讯方案设计 5 2 1 CAN 总线的技术特点 5 2 2 车载 CAN 网络系统的总体方案规划 5 2 3 监测节点的设计 7 2 3 1 CAN 控制器及收发器的基本功能 7 2 3 2 具体器件的选择 8 2 3 3 节点硬件电路设计 11 2 3 4 抗干扰措施分析及总线故障的判定 11 2 4 高低速 CAN 网关的设计 12 2 5 CAN 适配卡的设计 13 2 6 本章小节 14 3 CAN 应用层协议的设计 15 3 1 数据传输格式的制定 15 3 2 标识符 ID 的分配 16 3 2 1 数据采集节点 17 3 2 2 仪表显示节点 17 3 2 3 灯控节点 18 3 2 4 信息类别 18 3 3 数据域编码 18 3 3 1 设备类型编码 19 3 3 2 具体设备编码 19 3 3 3 状态编码 19 3 4 协议工作流程 19 3 5 CAN 网络通信软件设计 20 II 3 5 1 CAN 节点初始化程序设计 20 3 5 2 报文发送和接收程序设计 22 3 6 本章小节 25 4 汽车故障诊断中的信息融合技术 26 4 1 汽车故障诊断中的信息分类及系统组成 26 4 2 故障诊断中的信息融合方法 27 4 2 1 BP 网络简介 28 4 2 2 D S 证据理论简介 29 4 3 汽车变速箱故障检测 30 4 4 本章小结 34 5 总结与展望 35 5 1 论文工作总结 35 5 2 前景与展望 35 致谢 37 参考文献 38 附录 A 40 附录 B 43 附录 C 45 附录 D 网关 CAN 初始化程序如 48 江西理工大学应用科学学院毕业设计 1 1 1 绪论绪论 1 1 课题研究的背景和意义 汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命 汽车电子化的程度被看做是 衡量现代汽车水平的重要标志 是用来开发新车型 改进汽车性能最重要的技术措施 汽车制造商认为增加汽车电子设备的数量 促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的重要 的有效手段 由于汽车上的电子电器装置数量的急剧增多 为了减少连接导线的数量和重量 网 络 总线技术在此期问有了很大的发展 通讯线将各种汽车电子装置连接成为一个网络 通过数据总线发送和接收信息 电子装置除了独立完成各自的控制功能外 还可以为其 它控制装置提供数据服务 由于使用了网络化的设计 简化了布线 减少了电气节点的 数量和导线的用量 使装配工作更为简化 同时也增加了信息传送的可靠性 通过数据 总线可以访问任何一个电子控制装置 读取故障码对其进行故障诊断 使整车维修工作 变得更为简单 另外 和其他控制现场相比 汽车内温度变化范围大 电磁干扰和其他 电子噪声强 环境极其恶劣 因此网络可靠性尤为重要 CAN总线有效的将各个独立的控 制系统连接成为一个综合控制系统 使整车性能大幅度提高 1 CAN总线已经成为全球现代汽车电子设备的网络互联基础 而我国国内对CAN总线的 研究仍不够深入 在国产车中还没有整车应用CAN总线的先例 但随着我国汽车工业和电 子工业的发展 进行汽车电器的网络化研究与开发已经成为十分重要的课题 综合研究 国外的汽车网络 总线控制技术和高层通信协议的现状及发展趋势 结合国内汽车工业 的发展现状 设计适合我国国情的汽车CAN控制网络 以此促进我国自主研发 实现国产 汽车信息化 简化汽车电路系统 方便故障诊断 降低汽车维修工作量及费用具有重的 现实意义 1 2 现场总线的定义及特点 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备 仪表与控制室内的自动控制装置 系 统之间的一种串行 数字式 多点通信的数据总线 或者 现场总线是以单个分散的 数字化 智能化的测量和控制设备作为网络节点 用总线相连接 实现互相交换信息 共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统 现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统间的全数字化 多站总线式的双向多信息数字通讯的通讯规程 是互相操作以及数据共享的公共协议 1984年 现场总线的概念得到正式提出 IEC International Electrotechnical Commission 国际电工委员会 对现场总线的定义为 现场总线是一种应用于生产现场 在现场设备之间 现场设备和控制装置之间实行双向 串行 多节点的数字通信技术 现场总线技术是控制 计算机 通讯技术的交叉与集成 几乎涵盖了所有连续 离散工业领域 如过程自动化 制造加工自动化 楼半自动化 家庭自动化等等 它的 出现和快速发展体现了控制领域对降低成本 提高可靠性 增强可维护性和提高数据采 集的智能化的要求 2 根据国际电工委员会IEC和现场总线基金会FF的定义 现场总线技术具有以下5个主 要特点 1 数字信号完全取代4 20mA模拟信号 2 使基本过程控制 报警和计算功能等完全分布在现场完成 周文斌 局域汽车安全信息系统设计 2 3 使设备增加非控制信息 如自诊断信息 组态信息以及补偿信息等 提高设备的 智能化 4 实现现场管理和控制的统一 5 实现系统开放性 互操作性 3 1 3 CAN总线技术概述及发展现状 1 3 1 CAN总线技术概述 目前 国内外几种比较流行的现场总线是 CAN LonWorks Profibus FF 它们各 自占有一定的市场份额 在一些特定的应用领域显示了自己的独特优势 CAN是控制器局 域网 ControllerAreaNetwork 的简称 最早由德国BOSCH公司推出 它广泛用于离散控 制领域 其总线规范己被ISO国际标准组织制定为国际标准 得到了 Intel Motorola NEC等公司的支持 CAN协议分为二层 物理层和数据链路层 CAN 4 的信号传输采用短帧结构 传输时间短 具有自动关闭功能 具有较强的抗干扰能力 CAN支持多主工作方式 并采用了非破坏性总线仲裁技术 通过设置优先级来避免冲突 通讯距离最远可达10KM 5Kbps s 通讯速率最高可达40M 1Mbp s 网络节点数实际 可达110个 目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片 由于CAN总线具有较强的纠错能力 支持差分收发 因而适合高干扰环境 并具有 较远的传输距离 因此 CAN协议对于许多领域的分布式测控都很有吸引力 目前CAN总 线己成为最有前途的总线标准之一 按汽车局域网发展趋势 在不久的将来CAN总线将逐 步普及 并占据主导地位 本文中的车身安全信息监测模块中的主要节点便是利用CAN 4 总线来进行实时通信 1 3 2 国内外发展现状 近年来 随着汽车电子技术的不断发展 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 随着电子技术在汽车中的拓展 特别是在上个世纪80年代以后 MCU MPU在汽车中 得到了广泛应用 出现了基于数据通讯的车载网络15J 这为提高汽车性能和减少线束数 量提供了有效的解决途径 在各种数据通信方式中最常见的是UART 因此最早的车载网 络是在UART的基础上建立的 比如通用汽车的E 2 1 qq q ij njni 该网络的输入输出变换关系为 4 1 1 0 0 1 1 qq i qq j q ij q wxxws 4 2 1 1 q sfx q BP网络连接权的调整采用反向传播的学习算法 其算法如下 4 3 0 1 akaDkwk q ij q ij q ij 4 4 1 1 q pj p p q pi q ij xD 4 5 1 1 1 a pt a pt k ki q pk q pi xxw 1 Q pi Q pi Q pipi Q pt xxxd 总的来说 BP网络的主要优点是 1 只要有足够多的隐层和隐节点 BP网络可以逼近任意的非线性函数 江西理工大学应用科学学院毕业设计 29 2 BP网络的学习算法属于全局逼近的方法 因而具有较好的泛化能力 BP网络的主要缺点是 1 收敛速度慢 2 局部极值 3 难以确定隐层和隐节点的个数 4 2 2 D S证据理论简介 D S证据理论 Dempster Shafer 作为信息融合中解决不确定性问题的一种有力方法 已经在电力系统的一些决策问题中得到了应用 如电力系统扩展规划 恢复控制等 在 一些预测问题中也有应用 如负荷预测 对于具有主观不确定性判断的多属性诊断问题 D S证据组合理论是一个融合主观不确定性信息的有效手段 在设备故障诊断问题中 若干可能的故障产生一些症状 每个症状下各故障都可能有一定的发生概率 融合各症 状信息以求得各故障发生的概率 发生概率最大的为主要故障 D S证据理论的基本策略是把证据集合划分为若干个不相关的部分 并分别利用它们 对识别框独立进行判断 然后利用组合规则把它们组合起来 设 为论域U上t个独立证据的信任函数 其相应的基本概 1 Bel 2 Bel t Bel 率分配函数 可信度分配函数 分别为 t fff 21 相应的焦点元素分别为 1 11211k AAA 1 21222221ikiik AAAAAA 设 21 21 t tttt AAA 21 211 t tttt AfAfAfK 若K l 则融合后的可信度分配为 4 8 1 222111 1 K AfAfAf Af ntnttt 在多传感器信息融合中应用D S推理的基本过程如图4 4所示 它首先计算各个证据 的基本概率分配函数研 信任函数 和似然函数 然后用D S组合规则计算 t m t Bel t Pls 所有证据联合作用下的基本概率分配函数 信任函数和似然函数 最后根据一定的决策 规则 选择联合作用下支持度最大的假设 图4 4为证据理论在多传感器信息融合中的基 本应用过程 36 周文斌 局域汽车安全信息系统设计 30 传感器 1 传感器 2 传感器 n 预处理器 1 预处理器 2 预处理器 n 计算自然函数 计算似然函数 Bel 1 Pls 1 计算自然函数 计算似然函数 Bel 2 Pls 2 计算自然函数 计算似然函数 Bel n Pls n 计算所有证 据联合作用 下的基本概 率分布函数 信任函数 和似然函数 组 合 规 则 决 策 规 则 图4 4证据理论在多传感器信息融合中的基本应用过程 4 3 汽车变速箱故障检测 为了全面检测汽车变速箱的故障情况 采用2种传感器 分别测量变速箱的振动量和 噪声量 给出了各测点完好状态和五种故障状态下的典型样本 构成样本训练集 由于 条件限制 无法对真实的汽车变速箱进行测试 故本文采用了参考文献中提供的样本 38 数据来说明BP网络与D S相结合的综合诊断方法 BP网络输入层定为8个节点 分别对应8 个频率段的最大幅值 隐含层定为5个节点 输出层定为6个节点 分别代表完好状态和5 种故障 用训练集对三层BP网络进行训练 然后再从各故障样本中抽出部分样本进行测 试 测试结果如表4 1 表中 A1 A2 A6表示不同的故障模式 对应关系如下 A1 完好状态 A2 一轴常啮合齿轮断齿 A3 二轴轴承外圈点蚀 A4 二轴轴承内外圈均点蚀 A5 二轴二档齿轮齿根微裂纹 A6 二档齿轮点蚀 表4 1 BP网络测试的振动样本数据 决 策 江西理工大学应用科学学院毕业设计 31 样本测点 Al A2 A3 A4 A5 A6 l 0 9546380 0240900 0050290 0050520 0095780 001603 2 0 9677580 0150630 0020870 0042080 0160130 007103 3 0 9800090 0043100 0007990 0042560 0004210 011036 样 本 l 4 0 9539650 0071490 0180600 0208190 0069370 015571 l 0 0319450 9217500 0345220 0012240 0005480 000226 2 0 0245470 9303370 0406290 0016140 0282290 004024 3 0 0000140 9479660 0356010 0009170 0117170 000229 样 本 2 4 0 0001790 9341620 0100640 0411780 0311730 009692 l 0 0000960 0187380 9443780 0587980 0033400 000001 2 0 0016530 0617450 9355400 0535980 0002540 010354 3 0 0004830 0363050 8644240 1039340 0300730 003391 样 本 3 4 0 0116200 0115330 9630890 0158220 0041980 000059 表4 2 BP网络测试的噪音样本数据 l 0 0000150 0045920 0502460 9299320 0062070 000402 2 0 0082340 0035480 0415060 9705160 0000950 001698 3 0 0138310 0012240 0117380 9851050 0002830 001323 样 本 4 4 0 2613260 0757550 0725880 7163050 0902460 004841 l 0 0257880 0003270 0050100 0017660 9519300 028484 2 0 0021810 0580100 0002970 0000300 9747630 017633 3 0 0000220 0370120 0000110 0002100 9751770 017218 样 本 5 4 0 0108930 0037570 0008860 0010400 9758840 009335 l 0 0197640 0030380 0000000 0007360 0302160 949695 2 0 0011470 0004610 0154630 0000020 0031670 978415 3 0 0147840 0002320 0078520 0010200 0211720 975612 样 本 6 4 0 0124220 0047790 0000020 0088130 0008780 979698 下面将神经网络的计算结果转化为证据理论模型 设信任函数 对应于第 N 39 1 Bel 点的判断结果 信任函数Belz对应第 N点的判断结果 两个信任函数的焦点元素都是 A1 A2 A6 这些不同的故障模式构成了分辨框 即 有共同的分辨框 1 Bel 2 Bel 将神经网络的训练误差作为不确定因素 将网络输出节点的输出作归一化处理 作 为各焦点元素的基本概率值 计算公式为 4 9 S Ay Am 1 1 表示故障模式 i 1 2 6 y 表示BP网络的诊断结果 1 A i A E为网络的样本误差 分别对应第i个神经元的期望 n i i EAys 6 1 nynynjnjn ytytE 2 1 2 周文斌 局域汽车安全信息系统设计 32 值和实际值 计算得到单个样本的网络误差见下表4 5 表4 3单个样本的网络误差 样本 1样本 2样本 3样本 4样本 5样本 6 测点 l0 0023270 0023270 0023270 0023270 0023270 002327 测点 20 0023270 0023270 0023270 0023270 0023270 002327 测点 30 0023270 0023270 0023270 0023270 0023270 002327 测点 40 0023270 0023270 0023270 0023270 0023270 002327 表4 4用神经网络方法算得的基本概率值 1 m 0 029629 11 Am 0 894151 21 Am 0 02962912 31 Am 0 000687 41 Am 0 040665 51 Am 0 005332 61 Am 0 002634 2 m 0 013521 12 Am 0 844151 22 Am 0 109626 32 Am 0 011219 42 Am 0 002088 52 Am 0 010929 62 Am 0 008736 3 m 0 006617 13 Am 0 924567 23 Am 0 019655 33 Am 0 022296 43 Am 0 004487 53 Am 0 020114 63 Am 0 002264 1 4 m 0 029629 14 Am 0 876687 24 Am 0 037873 34 Am 0 014409 44 Am 0 017768 54 Am 0 022144 64 Am 0 001490 1 m 0 038745 11 Am 0 020332 21 Am 0 896292 31 Am 0 017444 41 Am 0 012526 51 Am 0 007675 61 Am 0 006986 2 m 12 Am 22 Am 32 Am 42 Am 52 Am 62 Am 0 0113470 021440 8745770 0200980 0368650 0173320 017934 样 本 样 本 江西理工大学应用科学学院毕业设计 33 7 3 m 0 003692 13 Am 0 012288 23 Am 0 924471 33 Am 0 000777 43 Am 0 033369 53 Am 0 007822 63 Am 0 017581 2 4 m 0 012991 14 Am 0 020414 24 Am 0 932239 34 Am 0 011119 44 Am 0 004475 54 Am 0 005587 64 Am 0 013175 1 m 0 006799 11 Am 0 008941 21 Am 0 020618 31 Am 0 913199 41 Am 0 029629 51 Am 0 030128 61 Am 0 009314 2 m 0 008745 12 Am 0 019871 22 Am 0 018778 32 Am 0 879877 42 Am 0 003565 52 Am 0 848978 62 Am 0 008877 3 m 0 009258 13 Am 0 005789 23 Am 0 004778 33 Am 0 932238 43 Am 0 009874 53 Am 0 019465 63 Am 0 018598 3 4 m 0 01763 14 Am 0 009556 24 Am 0 009114 34 Am 0 897676 44 Am 0 009458 54 Am 0 047745 64 Am 0 008823 1 m 0 025654 11 Am 0 005787 21 Am 0 011465 31 Am 0 011334 41 Am 0 916633 51 Am 0 022652 61 Am 0 010763 2 m 0 018878 12 Am 0 029956 22 Am 0 015778 32 Am 0 009978 42 Am 0 910454 52 Am 0 005543 62 Am 0 005413 3 m 0 002298 13 Am 0 006875 23 Am 0 021329 33 Am 0 014447 43 Am 0 929868 53 Am 0 006845 63 Am 0 018338 4 4 m 0 016327 14 Am 0 109668 24 Am 0 001387 34 Am 0 100145 44 Am 0 870678 54 Am 0 008956 64 Am 0 107160 1 m 0 035654 11 Am 0 010787 21 Am 0 020451 31 Am 0 018421 41 Am 0 009562 51 Am 0 894521 61 Am 0 009396 2 m 0 035654 12 Am 0 012098 22 Am 0 011217 32 Am 0 020978 42 Am 0 013437 52 Am 0 905843 62 Am 0 003215 3 m 0 008732 13 Am 0 000451 23 Am 0 054678 33 Am 0 000345 43 Am 0 001868 53 Am 0 914334 63 Am 0 019592 5 4 m 0 061539 14 Am 0 023627 24 Am 0 012325 34 Am 0 011438 44 Am 0 052432 54 Am 0 834121 64 Am 0 029333 1 m 11 Am 21 Am 31 Am 41 Am 51 Am 61 Am 0 0178860 0201870 0089670 0167540 0107340 0099210 883237 2 m 0 015108 12 Am 0 027952 22 Am 0 015324 32 Am 0 020322 42 Am 0 021235 52 Am 0 006567 62 Am 0 893492 3 m 002717 13 Am 0 001873 23 Am 0 015786 33 Am 0 010345 43 Am 0 006863 53 Am 0 034523 63 Am 0 918327 6 4 m 0 013958 14 Am 0 009326 24 Am 0 014323 34 Am 0 0250638 44 Am 0 008432 54 Am 0 020982 64 Am 0 897341 由于A1 A2 A6相互独立 则 把测点1的数据排成横排 测点2 jiAjAi 样 本样 本样 本 样 本 周文斌 局域汽车安全信息系统设计 34 的数据排成竖排 再用D S证据理论的合并规则计算表格中的各栏 即可得到1 2测点 40 的融合结果 用融合的结果再与测点3的判断结果融合 即可得到1 2 3测点的融合结 果 最后再用1 2 3测点的融合结果与测点4的判断结果融合 得到所有测点的融合数 据 将表4 6中的数据用D S合并规则融合 得到的结果如表4 7所示 表4 5数据融合的结果 样本 m A1A1A1A1A1A1 1 0 0000010 9999880 0000020 0000010 0000030 0000030 000003 2 0 0000010 0000020 9999750 0000140 0000050 0000020 000001 3 0 0000010 0000010 0000150 9998140 0001680 0000000 000000 4 0 0000010 0000020 0000040 0000350 9999560 0000000 000000 5 0 0000010 0000020 0000060 0000000 0000000 9999840 000006 6 0 0000010 0000030 0000010 0000010 0000010 0000070 999987 比较表4 5和表4 1及表4 2可以发现 经过数据融合之后 诊断精度大大提高了 如 果只用单测点数据进行判断 很容易误判 而利用数据融合的办法 将多个测点的数据 综合考虑 用D S合并规则进行合并 得出表4 5中的最后结果是非常理想的 从总体上 看 表4 1中单测点用于表征样本类型的量与l的差约在10量级上 而表4 5中多测点的 2 融合结果表征样本类型的量与l的差约在10量级上 同时干扰项由原来10量级变为10 5 2 量级 说明根据融合之后的数据进行诊断决策把握要大得多 诊断决策的可信度能够大 6 幅度提高 4 4 本章小结 本章针对多传感器系统中故障诊断时难以确定故障源的难题 提出了神经网络和D S 证据理论相结合的故障诊断思路 结合汽车变速箱振动情况的例子 首先将神经网络单 测点诊断结果转化为证据推理模型 再用D S证据推理方法进行具体融合运算 得到了满 意结果 大大提高了诊断的精度 从而验证了这一方法在设备故障诊断中的有效性 5 总结与展望 5 1 论文工作总结 随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用 汽车电子化程度越来越高 尤其是 江西理工大学应用科学学院毕业设计 35 车身电子设备的大量应用 导致布线越来越复杂 运行可靠性低 故障维修难度大 如 果要求大量的数据信息在不同的电控单元间共享的话 传统的线束已经远远不能满足了 针对上述问题 本文将CAN总线技术引入到汽车内部 开发了基于CAN总线的车身安全信 息监测系统 有效的克服了布线复杂 运行可靠性低的缺点 能够对车身的各种信号数 据进行实时的监测 保障了行车的安全 同时针对多传感器系统中故障诊断时难以确定 故障源的难题 提出了神经网络和D S证据理论相结合的故障诊断思路 并对方案做出了 验证 本文主要完成的工作如下 1 深入研究了CAN总线协议及其技术规范 分析车用电子控制设备 仪表板及发动 机的各相关传感器及其传输电路状况 设计了车载CAN总线网络 2 完成汽车在行驶过程中各状态参量的采集及显示 对汽车在行驶过程中各模拟信 号 数字信号和开关信号的采集与处理做了详细的说明 实现了转速 车速 油量 水 温 本次里程 总里程的显示及超限报警以及车灯的状态控制 3 完成CAN智能节点的硬件设计 研究设计高 低速CAN网关 以便实现发动机高速 CAN和车身低速CAN的数据交换 设计USB CAN适配卡 实现CAN监测节点与车载终端的通 信 从而实现报警监测功能 对硬件 设计中需要考虑到的抗干扰问题也做了一定的研究工作 4 深入研究CAN总线网络应用层协议的制定规则 制定适合于本系统的CAN总线应用 层协议和通讯流程 利用C51编写通信协议程序 实现了CAN网络通信的软件设计 5 提出了基于神经网络和D S证据理论的综合诊断方案 并针对汽车变速箱的振动 情况做了具体的算例分析 其中将研究的重点放在了整体网络方案的设计上 包括CAN智能节点 高低速CAN网 关及USB CAN的适配卡设计 这些都是组成本系统的基本但非常重要的部分 另一个研 究重点是CAN总线网络应用层协议的制定 相比国外成熟的应用层协议如SAEl939协议 CANopen协议等 国内在这方面的研究还不很成熟 大多数的研究仅仅把CAN总线作为一 种性能优异的串行总线协议用在如智能设备 自控系统 远距离通信等方面 而在车载 网络的研究和尝试还很少 本着尝试和探索的精神 本文也制定了与本系统相关的应用 层协议 具体制定时每个功能的资源都留有一定的余度 以便以后能够扩展功能 5 2 前景与展望 本课题仍然处于试验阶段 距离实际的应用还有许多工作有待进一步的研究 这也 是我未来努力的方向 下面先谈谈这几个问题 1 由于条件的限制 本文中所涉及的硬件模块均在实验室环境下完成 虽然已经考 虑并采用了一些抗干扰技术 但真实的车载环境往往是非常恶劣的 极有可能存在强的 干扰而造成整个网络通信衰竭 为了抑制这些强干扰 还需要加大试验的力度 考虑其 他抗干扰措施 真正达到在真实的车载环境中稳定运行 2 由于CAN总线采用基于标识符ID的非破坏性总线仲裁技术 具有高优先级的报文 可以在规定时间内发送出去 而较低优先级的报文有可能会被高优先级报文霸占总线 不能及时发送出去 这里可以考虑设计一种算法 来完美的对各种优先级的报文做出动 态调度 在系统运行性能和实时性中达到一种最优状态 本文仅设计了基本的协议机制 高效的调度方法仍可作为后续的研究重点 3 本系统中传感器节点与监测节点之间仍然采用的是1对l形式 即只要某一个传感 器中的信号或数据超过了预警界限 则监测节点就会认为是一种错误 需要报警 而现 实中往往单个传感器并不足以提供足够的预警信息 采用多传感器信息融合的方法后 周文斌 局域汽车安全信息系统设计 36 则多个传感器之间的数据可用来共同判定是否需要报警 这样对整个监测系统的实用性 会带来很大的提高 4 错误处理功能还不够完善 目前系统只能对某些重大错误作出反应并处理 还需 要对网络节点的错误进行细致的规划 并制定相关的错误处理方式 5 上位机监测程序的设计 如人机界面的设计 使系统更加完善 人性化 总的来说CAN总线在汽车环境上的广泛应用将使汽车的实时性 稳定性 安全性 经 济性都上升到新的高度 按汽车局域网发展的趋势 以CAN总线为代表的C类网将逐步普 及并占据主导地位 致谢 在大学四年的学习生活即将结束之际 我衷心的感谢所有关心 帮助和指导过我的亲 人 老师 同学和朋友们 江西理工大学应用科学学院毕业设计 37 首先我要感谢悉心培养肖清老师 他的很严谨以及渊博的知识和勤奋的工作态度给 我树立了做人和治学的好榜样 老师在学习工作以及生活上都给我悉心的指导和热情的 帮助 这使我一生受用 激励着我在以后的人生道路上不断进取 感谢学校为我创造的 实习机会 使我在工作能力及交流协助能力上都有长足的进步 老师丰富的专业知识 兢兢业业的工作态度 敏捷的思维及专业方面的造诣让我深感钦佩 两年半的硕士学习 生涯 离不开老师们的关心和帮助 在大学四年即将完成之际 向老师们表示最衷心的 感谢 感谢一起学习的同学们 谢谢你们在学习和生活上对我的巨大帮助 在论文的写作 中他们给了我许多有益的启发 最后 深深感谢养育我24年的父母 是他们的关心 支持与鼓励伴随着我这20多年 来的学习生涯 我的每一点进步都离不开他们 在即将踏上工作岗位之际 再次感谢他 们对我的养育之恩和教导 周文斌 局域汽车安全信息系统设计 38 参考文献 1 邬宽明 CAN总线原理与应用系统设计 M 北京 北京航空航天大学出版社 2003 2 杨艳慈 王秀艳 基于现场总线技术的控制系统的探讨 J 石油化工自动化 2007 6 50 52 3 阳宪惠 现场总线技术及其应用 清华大学出版社 2000 76 95 4 CAN协议规范V2 0 广州周立功单片机发展有限公司 2007 5 吴浩硅 汽车电子控制技术和车内局域网 M 北京 电子工业出版社 2006 6 孙德仕 曹杰 纪真 神经网络信息融合技术在TBM故障诊断中的应用 建筑机械 2009 04 107 110 7 R R Murphy Dempster Shafer Theory for Sensor Fusion in Autonomous Mobile Robots IEEE Transactions of Robotics and Automation V01 14 j 2 2008 8 BOSCH CAN Specification Version 2 0 1 99 1 69 10 1 9 Szabo S Oplustil v Distributed CAN based control system for robotic and airborm applications J IEEE on Control Automation Robotics and Vision 2007 3 11 1233 1238 10 刘灿军 实用传感器 M 北京 国防工业出版社 2004 11 刘微 独立CAN器件SJAl000的应用 2006 3 1 32 35 12 Data Sheet PCA82C250 Philips Semiconductors September 1 994 13 AT89S52 Data sheet http pdf dzsc com 9S5 AT89S52 1 197195 pdf 14 徐立 汽车电子部件的电磁抗扰度技术要求 电子质鼍 2006 1l 77 80 15 Gabriel Leen Donal Hefeman Expanding Automotive Electronic System IEEE Computer and Control Eng J Jan 2007 16 刘立峰 廖力清 高低速CAN总线在汽车控制系统中的研究 J 自动化与仪表 2006 1 36 39 17 MC9S 1 2DG 1 28 Data sheet http datasheets weeqoo coIIl MC9 MC9S l 2D32 pdf 18 Pinho L M Vasques F Timing analysis of reliablere real time communication in CAN networks IEEE in Digital Object Identifier 200 1 19 PDIUSBDl2 Users Manual Philips 2001 20 SAE SAE International Surface Vehicle Standard Series 2003 21 SAE SAE J 1 939 Recommended Practice for Control and Communications Network USA SAE 2000 22 高青春 基于CAN LIN总线的汽车通信网络设计 微机发展2005 22 25 23 程军 崔继波 苟凯英 车辆控制系统CAN总线通信的实施方法 汽车工程 2001 23 5 3006 302 24 ISO IS l 1 898 Road vehicles Interchange of digital information Controller Area Network For hi曲speed communication 1 993 3 l 34 25 朱正礼 任少云 殷承良 张建武 CAN总线系统在电动轿车上的应用 汽车工 程 2003 2 4 380 382 26 Nolte Thomas Mikael Nolin Hans A Hansson Real time