基于can-lin溷合网络的车身控制系统研究 开题报告

基于 CAN-LIN 混合网络的车身控制器的研究开题报告1.课题背景、来源及研究的目的和意义在现代社会中汽车承担起了越来越多越来越重要的作用。一部汽车就集合了交通、个人通讯、娱乐设备等众多功能于一身，为乘客提供了前所未有的便利。但随着电子技术的迅速发展及其在汽车上的广泛应用，汽车电子化程度越来越高，汽车电子系统中众多的电子控件、越来越复杂的通信必然导致整车布线庞大而且复杂，如在 1955 年平均一辆汽车所用线束总长度为 45 米，而到了 2002 年，一辆汽车所用的平均线束总长度达到了 4000 米 1。同时如此众多的布线也使得汽车内安装空间紧缺，运行可靠性降低，故障维修难度增大，汽车制造成本增加。传统的电气系统点对点的通信方式已越来越不能满足现代汽车的通信需求。从 20 世纪 80 年代初开始，世界各国开始研究一种基于数据网络的车内信息交互方式汽车网络，以解决在提高汽车性能与控制线束数量之间的矛盾。将汽车上的各种电子装置与设备连成一个网络，既可以减少线束，又可更好地控制和协调汽车的各个系统，使汽车性能达到最佳，同时也使得汽车的制造成本得到有效的控制。在 2003 年 6 月在南京菲亚特下线的“派力奥 周末风” ，由于采用了汽车整体汽车网络技术，从而减少了 23%的线束，降低元件重量 2.8 千克 1。汽车网络正使得汽车发展进入一个崭新的时代。目前国内的汽车公司大多没有建立自己的总线网络技术标准，在车辆上主要采用由配套零部件厂商自己定义的标准，造成整车总线网络协议不统一。在新车型系统集成过程中出现很多问题，导致产品开发周期延长。此外，在总线协议方面不具有知识产权。而与此同时，近年来随着我国汽车行业的迅速发展，汽车电子市场迅速扩大，整个市场以超过40%的比例快速增长，其中车身电子产品在整个汽车电子产品中所占份额较高。为了改变当前现状,本文主要针对汽车中低速CAN 总线协议和LIN 总线协议进行研究，对汽车车身电子相关控制器的报文、信号等进行定义，并对整车总线网络系统进行设计、分析和优化，从而最终形成一套具有应用前景的车身通信网络技术方案。2国内外在该方向的研究现状及分析自 1980 年起，众多国际知名汽车公司开始积极致力于汽车网络技术的研究及应用。汽车网络的使用解决了点对点式车身布线带来的问题，使车身布线更规范化、标准化，降低了成本，增强了稳定性。迄今为止，已有 Bosch 的 CAN(Controller Area Network)、SAE 的 J1850、LIN 协会的 LIN(local Interconnect Network)，FlaxRay 联盟的 FlaxRay，德国 Oasis Silicon System 公司开发的 MOST(Media Oriented Systems Transport)等多种网络标准。如今，在西方发达国家汽车网络技术已经非常普及，基本上出产的每一辆汽车都不同程度的使用了汽车网络技术。而且各种标准也还在迅速的发展之中。就发展趋势来看，在不远的将来，CAN 总线技术会普及到多数汽车上的动力及车身系统上，LIN 总线作为一种成本更低的网络，主要用于作为对 CAN 的补充，正广泛应用于车身等实时性要求不高的低速率场合，FlaxRay 逐步普及于汽车的安全系统(高级动力总成，底盘，线控系统)，MOST 在豪华型车辆的多媒体系统中将大有作为。我国的汽车网络技术起步较晚，发展落后于西方国家。近几年，随着中国经济的高速发展，面对中国巨大的轿车市场，世界上各大汽车制造商纷纷与国内汽车制造厂合作生产轿车，并且所生产轿车的技术含量正逐渐提高，但总体上发展远远落后于西方发达国家，而且发展状况很不平衡。汽车网络技术主要还是应用于中高档的轿车上面，而一些低档车，对于车在网络技术的应用还是相对较少。而且从产业角度来看，汽车网络的应用研究可分为两个层次，第一个层次是在单个 ECU 中嵌入汽车网络功能，使单个 ECU 能通过汽车网络实现与其他 ECU 之间的信息交互；第二层次是确保汽车网络在量产汽车中可靠工作，这是汽车网络产业化的终极目标 2。我国的汽车网络的研发主要还停留在第一个层次上，对整车网络宏观上的规划处于初级阶段，对于汽车网络规划的核心技术，不能公开获得，这也限制了我国车在网络技术的发展。总之，国内汽车网络通过几年的发展，取得了不小的成绩，但是现在也面临着巨大的挑战。要使得汽车网络研究产业化，将汽车网络转化为先进的生产力，达到世界先进水平，还有很长的路要走。3.几种车身控制网络拓扑结构的简介3.1 现场连线控制方案此方案将车身控制模块，作为一个 CAN 网络节点，连接在低速 CAN 总线上，所有的车身控制线与一个微控制器（MCU）的多个 I/O 口连接，由单个微控制器实现所有控制器开关的控制，如图 3.1 所示 3。M C U驱动器驱动器驱动器 驱动器 驱动器 驱动器驱动器驱动器驱动器多路驱动器位灯转向灯制动灯近光灯远光灯雾灯左前门锁 左前车镜左前车窗右前门锁 右前车窗 右前车镜驱动器内部照明C A N 总线图 3.1 现场连线式车身控制方案图由图 3.1 可知，所有的车身控制器直接由一片微控制器的 I/O 口通过控制线连接控制，这就对微控制器的性能提出了很高的要求，考虑到系统后期的扩展升级，备选的微控制器需具有较多的 I/O 口；由于车灯，门锁，车窗在汽车车身的前端和后端均有分布，这就需要大量的控制线束连接各个控制器，很容易产生电磁干扰，影响整车网络的正常运行，同时线束的增多也增加了车身控制模块的重量和成本；由于所有的车灯，车窗，门锁只由一块控制器控制，一旦此控制器出现异常，将导致整车的车身均不能正常运作，从而不利于行车安全。综合以上几点论述，我们认为现场连线式车身控制方案不是最优方案。3.2 单一 CAN 总线控制方案考虑到汽车车灯，门锁，车窗在车身的分布范围，将它们按其分布位置将其分为四个节点，即右前控制节点，右后控制节点，左前控制节点，左后控制节点。各个节点通过 CAN 总线相连如图 3.2 所示 4。左前节点M C UC A N 总线右前节点M C U左后节点M C U右后节点M C U图 3.2 单一 CAN 总线车灯控制方案图由图 3.2 可知，车身控制模块共有四个控制节点，虽然比方案一多出了三个微控制器，但由于每个控制器的功能要求都不高，故可选用较低性能的产品代替方案一中的高性能微控制器，这样每个控制器的负担都得到了很大的解放，将每个控制节点放置在车身的对应位置可以大大减少控制线束的长度和重量，从而也降低了系统的电磁干扰。CAN 总线具有很高的通讯速率，最高可提供 1M bps 的通讯速率，完全能够保证车身控制模块的实时性要求，但作为对于通讯的速率并没有那么高要求的车身控制模块，10Kbps 的通讯速率已经能够满足其正常工作的需求，这无疑是一种硬件成本和通讯资源的浪费，而成本因素对于汽车电子控制器的开发是至关重要的，因此此方案也不太适合作为最终方案。3.3 CAN/LIN 混合网络控制方案C A N 总线右前灯节点M C U左后灯节点M C U右后灯节点M C U左前灯节点M C U车灯控制节点M C U车门控制节点M C U右前门节点M C U左后门节点M C U右后门节点M C U左前门节点M C UL I N 总线L I N 总线C A N 总线图 3.3 CAN/LIN 混合网络车身控制方案图方案二虽然解决了方案一中线束复杂的问题，但由于 CAN 总线属于高性能的中高速串行通讯总线，将其应用在中低速的车身控制模块中，增加了硬件成本，同时也浪费了通讯资源。因此提出了基于 CAN/LIN 混合网络的控制方案，如图 3.3 所示。一方面车身控制主节点微控制器作为 CAN/LIN 总线的网关,将车身控制模块与 CAN 网络连接，另一方面车身控制主节点微控制器又作为 LIN 网络的主机节点，负责 LIN 网络通讯信息的调度和管理。左前节点等微控制器作为 LIN 网络的从节点接收来自主节点的开关信息，控制不同功能车身的动作。由于 LIN 总线是一种低成本的单主多从串行通讯总线，其通讯速率最高达 20Kbps，能够满足车身控制模块的通讯要求，相比单一 CAN 总线大大降低了硬件成本的开支，和通讯资源的浪费。因此对比方案一和方案二的特点，选择方案三作为最终方案。4.本课题主要研究内容本课题研究开发了一套基于总线技术的汽车车身控制系统(主要以车灯和车门为控制对象) ，在总线类型选择上采用目前国际主流的 CAN 和 LIN 总线协议，符合 CAN2.0B 协议和 LIN2.0 协议。主要做的工作如下：1.分析确定整个控制系统的总体方案，并按照最终方案进行系统的软硬件设计。2.选定系统所需的各种芯片，以及芯片资料的收集研读，原理图的设计，PCB 板制作，搭建了硬件实验平台。3.研究分析 CAN2.0B 协议和 LIN2.0 协议内容，制定出符合协议要求的通信网络。4.软件的编写调试，主要包括 CAN 通信模块的开发，LIN 通信模块的开发，CAN/LIN 通信网关开发，以及各个 LIN 从节点的功能模块开发。5.利用 Visual Basic 软件开发人机交互界面，通过 USB-CAN 协议转换器作为一个 CAN 节点与车灯控制模块通信，模拟各种车灯控制量的发送，并实时显示车灯模块内产生的故障信息。6.车身控制系统的实际测试。通过以上工作，在完成系统软硬件平台搭建，饿通信协议开发的基础之上，对所设计的实际车身控制系统进行联合测试，检验和评估设计效果。5. 研究方案及进度安排，预期达到的目标5.1 研究方案本课题主要根据汽车控制系统中的照明控制系统和车门控制系统（中央门锁系统和电动车窗）为例来介绍汽车电子网络化中的 CAN 网络连接、LIN 网络连接和 CAN/LIN 网关节点设计，由于车灯的各个从机节点和车门的各个从机节点的各自设计均相同，所以考虑节约成本的问题，具体的设计方案与上述讨论的第三种方案，在坚持 CAN-LIN 混合结构的观点上细节设计有所改变，主要是主控芯片即做车灯控制又做车门控制，而上述的四个相同结构的车灯和车门从机各变成一个，具体系统结构示意图如图 5.1 所示。L I N 收发器 L I N 收发器 L I N 收发器主机控制器从机控制器 从机控制器驱动电路 驱动电路控制面板C A N 网络L I N 网络左前近光灯左前远光灯左前雾灯左转向灯左前位灯左前门锁左前车窗左前车镜图 5.1 系统结构示意图5.1.1 主控制器功能介绍主控制器负责整个系统的 CAN/LIN 网络的控制。为了便于管理整个系统的调试，在 PC 机上利用 Labview8.0 开发了一套人机界面用于模拟 CAN 网络中的一个节点与主控制器通过 CAN 总线协议进行数据传输，实现控制信息的交互传递。主控制器功能示意图如图 5.2 所示。主控制器M S C A NS C IC A N 协议接口芯片L I N 协议接口芯片L I N B U S人机操作界面（ 模拟 C A N 节点 ）C A NB U S图 5.2 主控制器功能示意图一方面主控制器作为 CAN 网络中的一个节点接收来自操作界面的封装成 CAN 数据帧的控制信息，然后将其解析并封装成 LIN 数据帧发送给挂接在 LIN 网络中的所有从控制器节点，主控制器还要接收来自各个从控制器节点反馈的车身负载故障信息，然后将其封装成 CAN 数据帧发送给 PC 机模拟的 CAN 节点并从人机交互界面中显示出来；另一方面，主控制器作为 LIN 网络中的主节点，还要负责整个 LIN 网络信息的调度和管理，以及 LIN 网络中各种通讯故障的识别和处理。5.1.2 从控制器功能介绍从控制器S C I小功率灯驱动L I N 协议接口芯片L I N B U S大功率灯驱动图 5.3 车灯从控制器功能示意图从控制器S C I车镜电机驱动器 L I N 协议接口芯片L I N B U S门锁驱动器霍尔信号处理电路驱动电路 车窗电机图 5.4 车门从控制器功能示意图根据不同功能车灯，车门的位置分布，分配了四个从控制器分别为右前节点控制器、左前节点控制器、右后节点控制器和左后节点控制器。从控制器作为 LIN 网络中的从节点主要接收来自主节点的控制信息，并执行相应动作（如前照灯的开关动作，门锁开关动作） ；从控制器还需定时扫描各个车身负载的工况信息，及时发现诸如过载、短路和断路等故障信息，并将这些工况信息封装成 LIN 数据帧，及时发送给主节点进行相应处理。从控制器功能示意图如图 5.3,5.4 所示。5.1.3 CAN/LIN 混合网络和协议转换在汽车电子控制系统的设计中，各种电器对网络信息传输延迟的敏感性差别很大，首先应该从安全的角度来考虑，如发动机控制器、自动变速器控制器、安全气囊和 ABS 防抱死控制器等之间的协调关系所要求的实时性很强，应采用 CAN 总线控制；而对于那些与安全无关和对信息传输延迟的要求相对较低的单元，如灯控单元、门控单元、电动座椅控制等简单事件，出于成本的考虑可以采用成本较低的 LIN 总线控制方式。如果将这些功能简单的节点都挂在高速总线上，势必会提高对节点的技术要求和成本，故有必要进行多路总线设计。这样，汽车的通讯网络通常由 CAN 网络和 LIN 网络构成。车身系统中通常采用低速 CAN 网络，信息传输速率为 125Kbps。主控制器是汽车电子系统的控制核心，主要功能是对来自 CAN 网络的各种信息进行分析处理，并发出指令，协调汽车车身控制系统的工作。而从控制器通过 LIN 总线间接从主控制器获取命令或者通过 LIN 总线向主控制器反馈各种工况信息。LIN 总线是直接面向执行机构的。为了实现 CAN/LIN 网络之间的通讯，需要一个 CAN/LIN 网关。该网关允许将 CAN 数据帧透明传输到 LIN 网络，也允许 LIN 数据帧透明传输到 CAN 网络。网关在本系统中作为 LIN 的主节点工作。网关接收到 LIN 数据帧后， LIN 标识符将被转换为 CAN 标识符，然后作为 CAN 数据在 CAN 网络中传送；网关接收到 CAN 数据帧后，CAN 标识符将被转换为 LIN 标识符，然后作为 LIN 数据在 LIN 网络中传送。网关系统由两个单元组成：一个 CAN 单元，一个 LIN 单元。CAN 单元接收到指令信号之后，先进行分析处理，然后通过 LIN 总线把控制指令发送给各受控端，各受控端响应后做出相应动作，并把执行的结果通过网关反馈给主控系统。5.2 进度安排2011 年 7 月，进一步完善研究方案并论证其可行性。2011 年 8 月2011 年 9 月，学习 LIN 总线与 CAN 总线通信协议，了解通信流程，为硬件系统搭建完成后的通信模块编写打下基础。2011 年 10 月11 月，学习 LaBVIEW8.0 并研读相关芯片资料，为硬件系统设计及后续人机界面调试，奠定基础。2011 年 12 月2012 年 3 月，进行硬件电路的设计，以及 PCB 板的绘制，完成硬件电路的调试工作。2012 年 4 月，完成通信模块，控制功能的软件编写，完成基于 Labview 的相应人机界面的设计。2012 年 5 月，系统软硬件连调，测试和评估基于混合网络的车身控制系统的设计效果。2012 年 6 月，完成毕业论文的撰写，准备答辩。5.3 预期达到的目标完成基于 CAN-LIN 混合通信网络的车身控制系统的设计，实现车灯和车门的预期控制功能，用实际控制效果进一步证明 CAN-LIN 混合网络在车身控制方面的优越性，指导下一步的车身控制系统的生产实践。5 为完成课题已具备和所需的条件和经费对于 8 位 MCU 编程比较熟悉，对于 Labview 编程也有一定了解；实验室已有 USB-CAN 模块，可用于人机界面的开发，需要购买 LIN 和 CAN 协议的接收，发送模块，由于所选主控芯片内部集成了 MSCAN，所以不必另外购买CAN 控制器。6 预计研究过程中可能遇到的困难和问题及解决的措施可能存在问题和遇到的困难：CAN-LIN 混合网络设计完成后，总线和总线和主机节点与从机节点之间的通信可能不符合预先设计的要求；可能网络通信已经正常，但是受控节点不执行动作。解决的措施：进一步深入通信协议，及 API 函数的调用规则，研究和改进驱动器，不断学习与查阅相关的资料，请教老师、师兄以及有经验的工程技术人员，并且充分利用网络资源以及江森自控有限责任公司的实际生产条件。参考文献1. 汽车电子成本与车载网络发展,2007-3-29. 中国自动化网 www.CA880.com.2. 唐晓泉.国内车载网络的今天与明天N. 中国电子报，200. 吴志红，顾云峰等.基于 C167CS 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