PALMNET通信协议及高级PALMNET通信协议.doc

can-bus汽车多路信息传输系统及其检修技术李东江palmnet通信协议及高级palmnet通信协议1. palmnet协议及其特点 palmnet协议(protocal for automotive low and medium speed net work的缩写)是马自达汽车公司与古川电子公司1988年联合开发的汽车中、低速网络协议，是一种分布控制类型的车内局域网系统。 采用palmnet协议的汽车局域网(lan)系统，成功地用在1990年型的马自达宇宙车型上。该通信协议最显著的特点是可靠性高，主要原因是它具有较多(24ack)的确认比特数的固定字段，该字段允许任一广播节点从各个接收节点接收ack信号。确认比特数较多虽然降低了一些数据传送速率，但保证了中、低速网络通信的可靠性和实用性，为广泛地将低成本、高可靠性的车内局域网系统应用到普通等级的汽车上，奠定了良好的基础。2高级palmnet协议及其与palmnet协议的异同 高级palmnet是一种具有csma/cd+nda(碰撞检测功能的载波感知多路存取和非破坏性仲裁优先级控制)的分布式控制车内局域网(lan)。按照iso对传输速率的定义，该协议覆盖的中、低传输速率可达到l25kbps，高传输速率可达到lmbps。高级palmnet协议继承和扩展了palmnet协议的技术特性，并在后者的基础上提高了传输速率，在经济性、可靠性和使用方便性等方面都有较多改进。 高级palmnet与palmnet协议的异同点见表1。表1 高级palmnet协议与palmnet协议的异同点osi层项目高级palmnet协议palmnet协议中-低传输速率高传输速率数据链路层存取方法具有i/o帧的csma/cd具有sdg帧的csma/cdcsma/cd优先级控制非破坏性仲裁同左同左寻址广播同左同左 确认网络控制确认（anc）法+ack确认比特16个节点2组网络控制确认（anc）法16个crc网络控制确认（anc）法24个节点差错检测8位crc（循环冗余较验）16位crc8位crc数据长度4字节4或8 bit（可选择）4节字物理层同步起止同步位塞入+起止具有pwm的自同步编码nrz（不归零）nrz（不归零）pwm（脉宽调制）位速率可达125 kbps可达1 mbps20 kbps总线接口直流耦合型对所有故障模式均能容错直流耦合型除+b短路模式需屏蔽导线外，对所有故障模式均能容错交流耦合型除总线中断和总线方式短路外，对各种故障模式容错媒体双扭线带屏蔽的双扭线双扭线3高级palmnet协议的传输速率 对于汽车局域网lan，为了包含从车身控制系统到底盘控制系统的所有信号，必须将原90型的palmnet 20kbps的传输速率向上增加，才能满足使用要求。考虑到传输延迟，对于非破坏性仲裁优先级控制和csma/cd，其总线传输速率通过20m长度的上限约为lmbps。如果采用pwm编码方法，真正的信息传输速率的上限约为330kbps，为lmbps的l/3左右。从应用的观点出发，处理车身到底盘控制系统的所有信号，需要执行约lmbps的速率，因此，应变更编码方法，即将原来的pwm更改为nrz编码，调整速率至lmbps。双扭线在palmnet中用作通信媒体，必须有抗干扰措施，也就是说，在传输速率增加时应对双扭线作屏蔽。 对于车身控制系统，100kbps左右的中-低速率已足够，而对于底盘控制系统则需要较高的约几百kbps速率。根据iso的定义，达到125kbps的传输速率定义为中-低速率，达到1mbps的定义为高速率。4高级palmnet协议的帧格式 高级palmnet有高速传输速率的帧格式和中-低速传输速率的帧格式，见表2。表2 高级palmnet协议的帧格式帧格式高速传输速率中-低速传输速率sof帧起始8 bit8 bitpri帧优先8 bit8 bittype帧类型8 bit8 bitid数据标识符8 bit8 bitdata数据字节每个8位号，n为4或8每个8位长crc循环冗余校验16 bit8 biteod数据结束2 bitand网络控制确认16 bit17 biteof帧结束10 bit10 bit为方便理解，将上述帧格式中的内容解释如下: 帧起始是一个指示帧开始的专用代码，它由有6个连续位支配的8位构成，每个位从属和位支配均从位同步的角度考虑，因此，在其后面很容易形成帧同步和位同步。 帧优先是一个优先控制区域，已从原先的4位增至8位以改善优先调度的自由度。有些汽车的车内局域网lan协议将优先码与数据标识符id合并，而本协议的id是独立的。 帧类型是专指帧类型的区域，它能将除标准帧以外的传输请求帧、同时数据收集 (sdg)帧及i/o-ic帧等区分开。 数据标识符以8位承袭以前的标识符，用来识别信号种类。 数据字节对于中-低速传输速率承袭早先的4字节作为数据长度;对于高速传输速率，考虑了同时数据收集(sdg)，可选择4或8字节。 循环冗余校验是最常用的一种差错检测代码，8位crc适于中-低速传输速率，16位crc用于高速传输速率。该16位crc较早先的车内局城网lan协议有更佳的检错能力。 数据结束只存在于高速传输速率和用于位同步转换。 网络控制确认是从接收节点等处回送确认的区域。对于中低速传输速率，anc确认位包含在该区域。 帧结束指示帧结束和准许向各节点依次传输。5高级palmnet协议位同步的理解 对于帧内的位同步法，如果1个单节点正在发送，而且采用不归零nrz编码，则位塞入同步具有最佳的传输效率。但是，在anc或sdg方法中，有两个以上的节点必须同时发送，发送节点在位塞入同步中，插入1个与相邻位不可能同值的塞入位。这样，仅仅在anc区域和在sdg模式的数据区使用起-止同步。因此，发送节点在1个固定周期发送同步位，而在高传输速率帧的发送过程中位塞入同步与起-止同步发生转换。对于中-低速传输速率，为了降低成本，省去了同步转换电路，在各个区域只使用起-止同步。 在该协议中若使用位塞入同步，当相邻的5位有相同值则可插入1个塞入(填充)位。在起-止同步中，每4位插入2个同步位。6网络控制确认 (anc)法的含义 马自达公司1990年型宇宙汽车采用的palmnet协议，最显著的特点就是采用anc应答的确认方法。高级palmnet协议继承了此方法。 图1是高级palmnet协议的anc方法。根据来自于传输节点的同步位，各个接收节点插入确认信号(ack)于anc区域指配的位置，故确认信号可以从连接到网络的各个节点上的某一传输帧内获得。由于高级palmnet使用nrz编码而不用原pwm编码，因此，anc方法可由anc区域中两个以上节点同时发送的起-止同步来实现。图1 网络控制确认法 对于中-低速传输速率，网络中的节点可分为两组管理，每组包括16个节点，节点总数达32个。对于高速传输速率，最多的节点数只有16个，对底盘控制系统，16个节点目前足以够用。 anc法有以下优点:在汽车局域网lan特别需要的n（1:n）的通信方式中，anc法具有高的传输可靠性，容易对网络进行实时管理。当网络用于底盘控制系统时，能对所有节点的故障实时检测，并能迅速转换为故障无碍控制。例如，在电子控制变速系统(eat)中，当使动/执行器控制节点通过anc实时检测出eat节点发生某一断路或击穿等故障，就立即置使动器于安全端，并转入故障无碍操作，以维持汽车的继续行驶。7同时数据收集(sdg)法的概念 在底盘控制系统的信号传输中，要求1个节点具有同时获得几个节点数据并处理这些数据。例如，防抱死制动系统的车轮速度传感器、电控有源悬架的四轮高度传感器等发送的信息，都要求1个节点能同时收集并处理这些信息。 sdg方法能让1个节点仅用1帧从几个节点同时收集数据(图2)。如果节点a发送1个sdg帧，企图从几个信息源同时处理数据，在sdg帧中根据id编码设计数据的节点b、c、d和e，依次将数据插入sdg帧内的设定区域。图2 sdg(同时数据收集)法 sdg功能对用于底盘控制系统的车内局域网lan极为有用。如果无sdg功能，为了收集几个信息源的数据，lan将对各个节点发送单独的传输请求，这样会花费太多的时间去同步处理数据，对底盘控制系统的安全性极为不利。另外，多次请求增加的业务量还会影响整个系统的等待时间。 在sdg帧内，多个节点必须在相互同步时传送，在数据字段周期位塞入同步法转换为起-止法。8高级palmnet采用的几种通信集成电路 对于中-低速传输速率，采用basic-ic(基本集成电路)和i/o-ic(输入/输出集成电路);对于高速传输速率，开发了hi-ic(高速集成电路)。3种ic都采用cmos0.8 m标准的精细处理技术，并通过缩减芯片尺寸降低成本。3种ic都装有总线接口。安装在发动机舱内的节点工作温度调定在一40125。(1)basic-ic。它用作电子控制装置/模块，布局如图3所示。通图3 basic-ic框图信控制电路与8位单片机集成在一起。由与cpu一体化的软件处理电子控制模块和通信控制区的应用程序，因此，通信硬件的尺寸和成本均有明显减少。对于通信控制，可以从应用软件中调用子程序获得传输数据。对于接收部分，可由通信控制电路及软件处理通信控制中断cpu。用不同的中断类型简化判定过程，而中断类型又是根据是否正常地接收到信号或是否出现差错以确定。表3是basic-ic的主cpu功能。表3 basic-ic主cpu功能及规范cpu功能规范cpu功能规范rom16 k字节计时器16位1通道8位2通道监视器1通道ram512字节pwm输出16位1通道i/o口36外部中断2串行接口通用收发信机usrt1外部总线英特尔（intel）多路复用总线a/d转换器8位6通道 (2)i/o-ic。它用作节点，专门用于非智能控制传感器和使动器的输入/输出操作。不需要附加的微处理器，将输入/输出功能并入通信芯片，可以降低制造成本。i/o集成电路规约的特性如图4所示。图4 i/o-ic中的网络控制确认(anc)管理 在上述的anc方法中，由于传输出错或其他问题导致接收节点未能收到正确的帧，为了校准帧，接收节点检测到ack不足之后，发送节点将重发帧。为了判定上述是否重发，发送节点先识别是哪些节点连接在网络上，识别方法是用anc表，该表是从各个节点(anc信号)最后的4个ack信号作为依据制成的。发送节点通过比较传输中的anc信号与anc表，判定是否需要重发。按上述情况，依据每次发送和接收操作获得的anc信号形成和修订的anc表的操作程序，被称为anc管理功能。 证实了anc信号与anc表一致后，还可以通过网络中的basic-ic管理某个anc表，以取代i/o-ic发送anc字段后部分的anc确认位。 i/o-ic可以通过校验anc确认位决定是否重发。当任何输入口的状态发生变化，i/o-ic就自动起动发送1帧;而当i/o-ic收到正确的数据帧，它就立即在输出口输出数据。 (3)hi-ic。底盘控制系统的电子控制装置由高性能的微处理器组成，而高速传输速率下的通信集成电路hi-ic则用微处理器构成外围电路。另外，hi-tc以对各个微处理器提供直接接口的高效cpu接口为特征。多路复用或分离的地址/数据总线可由与摩托罗拉或英特尔总线规格兼容的结构提供给hi-ic。 hi-ic中的接收缓冲器由重写缓冲器和非重写缓冲器组成。重写缓冲器被标识符id分为几个区域，当hi-ic收到寄存器id的信息帧，不管cpu是否读出老数据，老数据都将被新数据重写。不过，非重写缓冲器特制了两个区域，可储存寄存器id的所有信息帧，至于这两个区域的信息若存满了，也就不能再继续储存了。 重写缓冲器用于频繁发送的信息帧。对每个信息帧的接收，cpu不必中断就能顺利地读出所接收的数据，因此，cpu参与通信的问题勿需过多考虑。非重写缓冲器参与应急方式下的驱动型事件的信息帧，其应用结果，可获得快速响应和可减少接收部分的cpu载荷。9高级palmnet的总线接口的故障容错能力 高级palmnet的总线接口的最主要特点就是有很强的容错能力，也就是说，这是一种高可靠性的增强型总线接口。 表4是由iso推荐的9种故障容错。故障容错是指在传输媒体中，发生了表中的某种故障类型，通信仍能继续进行。 表4 iso推荐的9种故阵容错故障形式提出方式故障形式规范（1）总线+中断推荐（6）总线-至蓄电池（b+）推荐（2）总线-中断推荐（7）总线+至总线-可选择（3）总线+至蓄电池（b+）推荐（8）总线+与总线-在同一位置同时中断推荐于子系统（4）总线-至地（gnd）推荐（9）两个终端电阻之一损耗推荐（5）总线+至地（gnd）推荐10高级palmnet的中-低速传输速率总线接口的特点 中-低速传输速率总线接口如图5所示。由于nrz中的占空率用在palmnet中波动较大，因此，早先的ac藕合输入电路因充放电时间得不到平衡，故选择了dc耦合输入电路。图5 中-低速传输速率下总线接口 双扭线作为总线，其上的电压信号被转换为合适值供至带有衰减电路的比较器。经过3个比较器的转换信号与总线信号相互比较，各个转换信号与具有参考电压的某个总线信号比较后转换为3个接收信号。接收信号中的非正常信号被单独检出并由数字滤波电路过滤掉，仅让正常信号进入数据链路。采用这样的电路布局，即使有1根总线发生中断，3个接收信号中至少还有1个正常信号进入数据链路，以此确保故障条件下仍能继续通信;如果总线之间发生短路，传输模式转换至非平衡模式，此时分离出1个偏置电路代替总线。由此可看出，高级palmnet的中-低速传输速率总线接口最大的特点是容错能力完全能与前述iso推荐的9种故障模式相对应。 考虑到无线电干扰，总线驱动电路采用恒流电路，这样总线驱动电流性能最佳。作为传输媒体的双扭线，在传输长度达40m，工作温度-40125，以及传输速率125kbps的条件下，可获得优良的电磁兼容性。 所有的总线接口电路，除了衰减电路和驱动器电路与