（物理学专业论文）基于canlin总线混合网络的bcm平台的构建与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 到2 0 0 9 年末中国以3 0 0 多万辆的优势，首次超越美国，成为全球第一大汽 车产销国。但凡是涉及到电子零部件等高附加值的产品都是由国外进口，换句 话说就是钱都进了国外人的口袋。因此发展以c a n u n 总线为核心的电子信息 网络是我国汽车技术国产化发展的关键技术之一。本文就是在这一背景下进行 了基于c a n 以i n 总线的汽车车身网络技术的研究与应用。 本文在参阅大量文献资料的基础上，首先介绍了汽车电子技术的发展背景， 在结合汽车车身技术的国内外发展状况下，对汽车网络技术和特点进行了详细 分析。同时了解了c a n l i n 协议的o s i 参考模型，并对c a n l i n 协议的标准 进行了着重介绍。在分析的c a n l i n 协议的基础上，最后在参考典型车身网络 的解决方案的前提下提出了将f r e e s c f l e 公司的m c 9 s 1 2 x d g l 2 8 作为b c m 的 m c u ，构建一套汽车车身网络控制系统。同时还设计了两个组合开关模块( 分 别包含c a m 矾功能) 向b c m 提供相关信号，并对部分任务机制进行了详细 的定义与逻辑划分。最后本文对系统开发过程中的调试软件( c o d e w a r r i o r ) 和相 关工具( c a n o e 、c a n s t f e e ) 和测试方法进行了简单介绍。 本文完成了系统的前期调研，拓扑图、原理图的设计，在搭建的车身控制 系统平台实现了系统制定的相关功能。 关键词：b c m ，c a n 总线，l i n 总线，汽车，c a n o e ，c a n s t r e e a b s t r a c t t ot h ee n do f2 0 0 9c h i n ah a st h ea d v a n t a g eo fm o r et h a n3 0 0m i l l i o n ，a n d s u r p a s st h eu s f o rt h ef i r s tt i m e ，a n db e c o m et h el a r g e s t c o u n t r yo ft h e w o r l di nt h ea u t o m o t i v ep r o d u c t i o na n dm a r k e t i n g b u ta l lh i g hv a l u e a d d e d p r o d u c t sl i k e e l e c t r o n i cp a r t sa n dc o m p o n e n t sa r ei m p o r t e df r o ma b r o a d ，i n o t h e rw o r d s ，t h em o n e yi si n t ot h ep o c k e t so ff o r e i g n s ot h ed e v e l o p m e n to ft h e e l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nn e t w o r kw h i c hu s e dt h ec a n l i n b u sa si t s c r u c i a l t e c h n 0 1 0 9 yi so n e o ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o r t h ed e v e l o p m e n to fc h i n a s a u t o m o t i v e t h i sa r t i c l ei si nt h i sc o n t e x tt ot h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，r e f e rt ot h el a r g ea m o u n t so fd a t at oi n t r o d u c et h eb a c k g r o u n d o ft h ec a re l e c t r o n i c sd e v e l o p m e n t ，i nc o m b i n a t i o nw i t ha u t ob o d yt e c h n o l o g y o fi n t e r n a la n de x t e r n a lc o n d i t i o n s ，a n a l y s i st h ev e h i c l en e t w o r kt e c h n o l o g i e s a n df e a t u r e si nd e t a i l a tt h es a m et i m eu n d e r s t a n d i n gt h eo sim o d e la b o u t c a n l i np r o t o c o la n di n t r o d u c i n gt h ec a n l i np r o t o c o li nd e t a i l i n t h e a n a l y s i so ft h ec a n l i np r o t o c o l ，r e f e r e n c et o t h es o l u t i o n so ft y p i c a lb o d y n e t w o r kt h i sp a p e rp r o p o s e dt ou s et h ef r e e s c a l e sm c 9 s 1 2 x d g l 2 8a sb c m s m c u ，a n db u i l dan e t w o r ko fa u t o m o t i v eb o d yc o n t r o ls y s t e m s ，d e f i n et h et a s k m e c h a n i s ma n dl o g i c a ld i v i s i o n a tt h es a m e t i m et h i s p a p e rd e s i g n s c o m b i n a t i o ns w i t c hm o d u l e ( i n c l u d i n gt h ef u n c t i o no fc a n l i n ) w h i c hp r o v i d s r e l e v a n ts i g n a lt ob c m f i n a l l y ，t h i sp a p e rg i v eab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h e d e b u g g i n gs o f t w a r ea n dr e l a t e dt o o l s t h i sp a p e rc o m p l e t e dt h ep r e l i m i n a r yi n v e s t i g a t i o n ，t o p o l o g yd i a g r a ma n d s c h e m a t i cd e s i g n s f i n a l l yt h es y s t e mw a st e s t e di nt h ep h y s i c a lm o d e l sa n d a c h i e v et h er e l a t e df u n c t i o n s k e y w o r d s ：b c m ，c a n b u s ，l i n b u s ，v e h i c l e ，c a n o e ，c a n s t r e e n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 签名：瑙纹 e t 期：碰：至! 堑： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：尘务、 武汉理t 大学硕十学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 近几年，随着中国经济的飞速发展，我国汽车产业不断增强，汽车产量逐 年递增，从2 0 0 6 年汽车产销量7 2 0 万辆，2 0 0 7 年8 7 0 万辆，2 0 0 8 突破年9 3 0 万辆，到2 0 0 9 年中国汽车累计产销突破1 3 0 0 万辆，同比增长创历年最高，中 国成为世界第一汽车生产和消费国。中国汽车业已成为国民经济的支柱产业， 为整个的经济建设发挥了重要作用。与此同时当汽车从“奢侈品 变为“唾手 可得”的普通商品后，人们对汽车的要求也从简单的需求上升到不断提高汽车 的性能、舒适性、安全性和环境相容性。当汽车开始围绕这几个主题发展时， 汽车电子化的程度变无可争议的成为衡量现代汽车技术水平的重要标志。发展 到今天，汽车电子的应用在提高汽车驾驶安全性、减少燃料的消耗、增加驾乘 舒适性和便捷性等方面已经有了质的飞跃。 汽车制造商们一致认为增加汽车电子设备的数量、提高汽车电气化是争夺 未来汽车市场的有效手段。据统计，从8 0 年代以来，随着电子技术的发展，集 成电路和单片机在汽车中的应用已越来越多，这些电子控制单元包括：变速控 制单元( t c u ) 、防抱死制动装置( a b s ) 、安全气囊装置( a i r b a g ) 、发动机管 理系统( e m s ) 和电子防盗装置( i m m o ) 等等；而这些电子控制单元的主要功 能包括：换挡正时控制、锁制正时控制、蓄能减振器背压控制、“后座 控制， 减速控制、发动机扭矩控制、自诊断、失效保护等。现代汽车制造过程中，每 辆汽车平均消耗电子产品占整车的3 5 左右，般普通的汽车上大约有2 5 个 e c u ( 电子控制模块) ，而高档豪华车上大约有4 0 6 0 个e c u ，甚至更多，电子 化越高的汽车电子产品的费用甚至超过了整车费用的5 0 i m j 随着汽车电气设备越来越多，从传动系统控制发动机控制到，从行驶、转 向、制动系统控制到仪表报警系统以及安全保证系统，从电源管理系统到为提 高舒适性而作的各种努力，迫使整车形成一个复杂的大系统，并且都集中在驾 驶室控制。当车辆上的控制装置越来越多，设备越来越复杂时，传统的汽车电 系统f 传统的电气系统大多采用单一的点对点的通信方式，并且相互之间很少有 联系) 使得汽车车身线束质量剧增、线路繁冗复杂、故障率不断上升、车内空间 武汉理1 ：人学硕十学位论文 利用率不断缩小，如图1 1 所示。据统计，在一辆用传统布线方式生产的高档汽 车中，其导线的长度2 1 0 0 米左右，电气节点约1 6 0 0 个，而且据统计，该数字 每十年大约增长1 倍。由此可见传统的线束已经不能满足汽车行业的飞速发展。 图1 - 1 传统车身通信框架图 针对上述问题，在现场控制技术和计算机网络技术飞速发展的基础上，汽 车制造商们开发出了多种适用于汽车环境的汽车网络总线技术。汽车网络总线 技术不但能让大批数据信息在电子单元中共亭、提高汽车中各种信号的利用率， 而且能让汽车综合控制系统中的大量控制信号得到实时的传输交换、让在一条 线中传输的信号能被多个系统所共享，在节约材料成本的同时延长了适用寿命、 增加了智能化功能、提高了驾乘人员的安全性、舒适性、提高了电子控制系统 的稳定性、简化了汽车故障诊断和维修，如图1 2 所示。针对汽车网络技术的的 这些特点，越来越多的汽车制造商们都已经加大了对汽车总线网络技术的研究 3 - 5 1 。 f1fl 陋il 鬻i 圜圆 等囹 圈圜幽 引一j 嬲翻鬻 貔“光控麓， 空镰。 彦：门镶n 秀 幽幽睦蝴 伽s 山 圜圈黝 网圜翻彦霭幽艮l 图1 2 现在主流车身通信框架图 虽然我国2 0 0 9 年汽车全球产销量第一，但我国还没有成为全球汽车强国， 我国汽车工业在技术开发水平与世界汽车强国还有一些差距，我国的汽车总线 2 团一 、园已-，。习j蜓一，泠国r笆习压一心，、园 、。 ； 。、o 凛 圉、一日圉、一日 刮j r 兀 一目 武汉理：人学硕士学位论文 研究可以说只是处在初步的理论研究，国内还没有真正意义上的完全本土化的 汽车网络总线技术，为了缩短同国外汽车技术水平，提供自身的竞争力，单纯 靠合资和技术引进已经不利于我们汽车行业的未来发展，因此发展国产汽车技 术是我国汽车发展的首要任务，是汽车发展史上不可逾越的阶段。目前汽车网 络总线技术已经被纳入我国未来汽车行业发展的重点，因此研究和开发我国自 己的汽车网络总线技术已经势在必行。 1 2 国内外发展状况 上世纪9 0 年代初，总线技术已经开始在汽车中流行起来。在早期的汽车行 业中，并没有特定网络标准。汽车制造商们绝大部分是利用自己制定的标准、 集成电路和异步收发器等般设备来实现简单的串行通信。由于各制造商们独 自为营，加上没有统一的网络技术标准，因此各供应商必须提供一套专门的独 立定义接口规范的产品给制造商。虽然供应商和制造商一直都是紧密的纵向合 作，但却缺乏与其他制造商有更深层次的横向联系，导致生产的同一产品很难 兼容互换，限制了汽车网络技术的的发展【6 1 。 近年来，随着汽车行业的突飞猛进，制造商们越来越发现执行统一的网络标 准是汽车网络技术发展的必然。采用标准化网络技术标准后，技术人员可以在 统一的平台上进行网络技术研究，已经不需要再去研究各制造商各自的定义标 准，缩短了技术研究的时间，增加了二次开发的操作性，同时各供应商按照制 造商的委托按照统一标准生产零部件，提高了同类产品的互换性和兼容性1 7 捌。 对于我国来说，国内汽车制造和零部件的发展水平和国外汽车行业的技术水 平还有相当的差距。虽然合资品牌和自主品牌的量产车基本上都采用了 c a m 小网络技术，但由于国内零部件配套体系在电器零部件，特别是在智能 零部件上的弱势，使得具有c a n l i n 总线的零部件的消耗几乎都是从国外购买 的，它们中一部分是国外生产的，一部分是由外资企业或国内合资生产的。真 正国内自主研发的具有总线接口的零部件在量产车中( 年产量超过1 万辆以上的) 几乎没有。但国内部分小批量生产的汽车，如北京市场上达到国i i i 标准的扫 雪车、公共汽车等，它们带有c a n t i n 功能的车灯控制、车门控制等技术， 这些都是国内自主研发和生产的。因此在总线方面的研究应用国内和国外的差 距主要体现在以下两方面1 9 j ： ( 1 ) 国内汽车行业的起步就比较晚，大部本土汽车都是模仿国外的技术， 武汉理j t = 大学硕士学位论文 没有掌握真j 下的核心技术，一直被国外汽车技术牵着鼻子走，加上忙于市场的 竞争，根本不能分出更多的资金和精力去研究最新的技术。 ( 2 ) 由于国外的技术封锁使得在c 黼i n 的汽车网络研究方面国内一些厂 家还处在起步阶段和实验阶段。据报道，奇瑞公司已成功试装了国内首款据有 c a n 总线混合动力的轿车，但只是进行了初步的测试和运行，离真正意义上的 量产还有很长的一段路。 为在未来的世界汽车工业发展中立于不败之地，我国必须加强汽车电子的研 究，开发具有自主知识产权的汽车电子产品的研究。 1 3 汽车电子的介绍 汽车电子主要包括车载汽车电子控制装置和车体汽车电子控制装置两 部分。车体汽车电子控制装置，主要由底盘控制系统、发动机控制系统和 车身电子控制系统三部分组成。汽车电子技术是由现代汽车技术与电子技术相 结合的产物，它最主要的任务是不断提的高汽车的安全性、舒适性、经济性 和娱乐性。 汽车电子化是汽车技术发展史上里程碑式的改革，汽车制造商们一致认 为增加汽车上电子装置数量、增强汽车电子技术、促进汽车电子智能化是 抢占未来汽车市场份额的重要手段，汽车电子化的程度是衡量现代汽车水 平的重要标志，是用来开发新车型，提高汽车整体性能的重要技术措施。 按照汽车电子对汽车行驶性能产生的影响划分，汽车电子产品可以分为 两类：一类是汽车电子控制装置，该控制装置一般是和车上机械系统进行 配合使用的，即人们经常谈及的“机电结合”的汽车电子装置；它们一般 由发动机、底盘、车身电子控制等部分组成。例如制动防抱死控制、电子 燃油喷射系统、牵引力控制、电子控制悬架、防滑控制、电子动力转向、 电子控制自动变速器等，另一类是车载汽车电子装置，车载汽车电子装置 一般包括那些在能够汽车环境下独立使用的电子装置，它们和汽车本身的 性能没有直接的关系。它们一般包括导航系统、汽车信息系统( 行车电脑) 、 车载通信系统、上网设备、汽车音响及电视娱乐系统等【1 0 l 。 随着汽车电子技术的逐步推广将使汽车发生以下主要变化： 一、由于电子装置的日益增多以前传统的1 2 伏供电系统已经不能满足 人们的需求了，制造商们纷纷转向4 2 伏供电系统的研究。越来越多的汽车 4 武汉理：r ：大学硕士学位论文 电子装置被安置在汽车上，导致消耗的电能也在大幅度地增加，使得目前 1 2 伏的电源在供电方面显得相形见绌。今后将采用由起动机一发电机集成 的4 2 伏供电系统，发电效率将会提高到8 0 以上，同时发电机最大输出功 率也会由目前的l 千瓦增加到8 千瓦左右。面对4 2 伏汽车供电系统新标准 的问世与实施，以前的那些专门针对1 2 伏电源系统设计的机械式继电器、 熔丝式保护电路等将会被逐步淘汰，汽车电器零部件的设计和结构在未来 也将发生重大的变革。 二、汽车的机械结构发生了翻天覆地的变化，汽车的各种操纵系统通过 向电子化和电动化的发展，实现了线操控。传统的机械传动机构已经被导 线替换，例如导线制动、电子油门、导线转向等。 汽车电子信息产品占据目前电子市场的8 左右，而且产量还以7 的年 增长率不断上涨，据初步估计车载远程信息处理系统市场将达2 0 0 亿美元。 随着我国汽车行业的迅速发展，目前我国汽车电子业呈现出如下七大发展 特点【1 0 i ： 一、汽车工业正处于科技创新时代，传统机电产品成为高新技术产品， 汽车产业已成为高新技术装备起来的产业。 二、可以看出目前所有发动机都已采用了电子技术，厂商也正在普及和 提高电控电喷系统的技术：氢燃料电池混合动力汽车商业化有了新的突破、 高级电控均匀充气压燃发动机正在大量研究、电力电子模块混合动力驱动 系统成为现在的主流研究方向、电控复合火花点火发动机正在迅速推广、 电控高压共轭柴油机正在加紧研究步伐，厂商们追求动力系统效率提高的 脚步在不停前进。 三、车身与防盗系统、底盘与安全系统、动力传动系统等综合控制系统 将成为汽车电子信息技术发展的新潮流，远程信息处理系统将使蓝牙技术 在汽车当中得到广泛的应用，汽车智能化将会不断升级。 四、汽车和发动机系统微处理器越来越多，规模也将越来越大。有的车 型微处理器将达6 0 个，并使用了目前流行的c a n 、l i n 网络控制，随着i c 的集成度不断提高，如今的一个i c 可实现相当于以前多个i c 的功能。汽 车电子产品已占汽车总成本的1 3 ，软件部分占4 ，这一两年预计将超过 1 0 。为适应电子系统的发展需求，汽车供电系统也将从1 2 v 供电系统发展 到4 2 v 供电系统。 五、汽车底盘将发生革命性变化：线控或驱动系统正在广泛研究，线控 5 武汉理工人学硕士学位论文 转向、线控制动正在迅速发展，线控将会逐渐取代机械系统。 六、法规和市场推动着汽车电子信息技术的不断前进。客户对舒适性的 要求不断提高，安全、能源、噪声、排放等法规日趋严格，这些都推动着 汽车电子信息技术的不断发展。提升汽车安全性的安全带、安全气囊、a b s 、 a s r 等都已智能化。我国还将逐步实施欧i 排放标准，欧洲等国家也将实施 欧排放标准，德国已开发出百公里油耗一升的汽车。 七、i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，智能交通系统) 正迅速兴起， 包括汽车的智能化、公路的自动化和导航系统等。 汽车电子的发展可以归纳为两方面：首先，为了不断适应社会的高速发展， 满足人们日益对汽车使用的更高追求，如安全性、舒适性、操纵方便、成本等， 推动汽车电子的不断发展。其次，可以看做电子技术的高速发展给汽车电子技 术的发展带来了质的飞跃：电子产品质量轻，体积小轻，处理速度快，信息容 量大，传感精确高，稳定性好，比纯机械装置更容易维护等特点，使汽车电子 具有更十分广阔的发展与应用前景【1 1 】。 表i - i 汽车电子技术的发展过程 时间第一阶段第一二阶段第三阶段 7 0 年 车载收音机 代发电机硅整流器 晶体管无触点点火 8 0 年 燃油喷射控制发动机电予管理系统 代 电子时钟自动变速系统 制动防抱死系统 巡航控制 2 0 ( ) o 电子仪表群 动力传动总成本控制 年左 车声电子控制系统 右 综合信息显示系统 在线故障诊断系统 目前通信和导航系统 多路传输 智能电源 1 4 汽车总线网络技术的的介绍 1 4 1 汽车网络的的分类【1 2 1 3 】 自2 0 世纪8 0 年代起，大批国际知名汽车公司已经开始投入大量人力、物 6 武汉理j ：人学硕十学位论文 力、财力进行汽车网络技术的研究和应用。汽车网络技术的应用使车身布线趋 于规范化、标准化，增加了可靠性、降低了生产成本，解决了传统点对点式车 身布线带来的问题。到目前为止，已有b o s c h 的s a e 的j 1 8 5 0 、c a n 、p h i l i p s 的d 2 b 、i s o 的v a n 和l i n 协会的l i n 等多种网络标准。 2 0 世纪9 0 年代后期美国汽车工程师协会s a e ( s c o i e t yo fa u t o m o t i v e e n g i n e e r ) 根据数据的传输速率、传输特性和汽车中不同的应用领域、控制对象 等，将车用网络划分为a 、b 、c 、d 三类，如表一1 所示。a 类网络是低速网 络，速率低于i o k b p s ，主要应用在车身系统，例如：电动门窗、灯光照明控制 等，相关代表性的协议有：l i n 、低速c a n - a ；b 类网络是中速网络，速率位于 1 0 一1 2 5 k b p s 之间，应用于状态系统，例如：电子仪表、安全气囊等，相关代表 性的协议有低速c a n b ，j 1 8 5 0 、v a n 等；c 类网络是速率位于1 2 5 k b p s i m b p s 之间，应用于实时控制系统，例如：发动机控制、变速控制等，相关代表性的 协议有高速c a n c 。d 类网络是速率位于i m b p s 以上的网络成为d 类网络，主 要针对汽车娱乐系统，例如多媒体系统，支持的协议有m o s t 、f l e x r a y 、d 2 b 、 i e e e l 3 9 4 等 1 2 - 1 6 。 表1 - 2 车身网络划分表 类别 位速率k b p s戍用场合主要麻用范嗣协议类型 a一1 0 车身系统 电动门窗、座椅调节、灯光照明控制 u n 等 c a n b 1 0 - 1 2 5 状态系统电子仪表，驾驶信息、故障诊断、安 j 1 8 5 0 全气囊、自动空调等 v 久n c a n c 1 2 5 一l o o o 实时控制系统发动机控制、变速控制、a b s 、悬架 c a n 控制、转向控制等 d1 0 0 啦 多媒体系统 m o s t f l e x r a y d 2 b i e e e l 3 9 4 1 4 2 汽车网络的特点 1 ) 增强系统功能【1 7 】 实现复杂的智能控制功能。 故障诊断与维修能力显著提升。 提升汽车控制功能和水平。 2 ) 建立汽车电子网络平台。 提高信息互换性。 7 武汉理：t ：人学硕士学位论文 便于升级。只需要进行软件的升级，不必做硬件的修改。 3 ) 实现控制器本地布置 提高控制器的可靠性。 降低汽车布线的复杂性和布线成本。 按照我国汽车电子技术发展规划，进入2 1 世纪后轿车电子技术可达国外9 0 年代水平，届时也将会有大量智能电子控制单元被引入。为缩短同国外轿车技 术水平，提高自身的竞争力，单纯靠技术引进不利于长期发展，消化、吸收、 研究和开发自己的汽车网络应用系统已势在必行。 8 武汉理下人学硕十学位论文 第二章车身网络c a n 和l i n 的协议规范 2 1c a n 总线的介绍 c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k 控制器局域网) 是德国b o s c h 公司在2 0 世纪 8 0 年代初，为了解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发 的一种高性能串行数据通讯协议。汽车c a n 总线的技术是从工业现场总线技术 和计算机局域网这些非常成熟的技术基础上发展而来的，它的非破坏性总线性 仲裁技术、短帧数据结构以及灵活的通讯方式适应了汽车的实时性和极高的可 靠性要求。因此c a n 已经被广泛的应用于各个领域【搏2 0 1 。 2 1 1 q 总线的特点【2 1 - 2 2 】 c a n 是一种多主总线，作为支持分布式实时控制的通讯网络，它的通讯介 质可以是同轴电缆、双绞线或光纤，c a n 总线基本结构图如所示。 n o d ea_n o d en a p p l i c a t i o n眵 tf l1 e g ；h o s t - c o n t r o l l e r 殛毽e 韭g 毯 c 1 6 7 c r t o r c 5 1 5 c c a n c o n t r o l l e r圈ic a n ，i 7 l _t c a n t r a n s c e i v e r 露团羧煳 ilil ! c a n - b u s 勰铋c a nh 6 i 勺霹擎u d e 砖连k 如勰 啦 幽4 0 m 1 7 m b l 3 p o s f t 图2 1c a n 总线基本结构 c a n 总线属于总线式串行通讯网络，在汽车发动机控制部件、传感器、抗 滑系统等应用中其总线的位速率最大可达1 m b i t s 。与一般的通讯总线相比，由 于c a n 采用了许多新技术及独特的设计，因此其数据通讯具有极高的实时性、 可靠性和灵活性等特点。总体概括如下【1 5 】： 9 武汉理1 ：人学硕十学位论文 1 、c a n 采用n r z 编码，最远直接通信距离可达1 0 k m ( 速率5 k b p s ) ；最 高通信速率可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 2 、c a n 采用非破坏性总线性仲裁技术，即使是在网络负载很重的情况下 也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。因为当有多个节点在同一时间向总 线上发送信息时，优先级较低的节点会被自动的屏蔽，不去争抢有限的网络资 源，而优先级最高的节点则不受影响地继续传输数据，因此大大节省了总线冲 突仲裁时所消耗的时间，提升了系统多效率。 3 、为了满足不同的实时要求，c a n 网络上的节点信息都被划分为不相等的 优先级，高优先级的数据最慢也会在0 1 5 m s 内得到传输。 4 、c a n 无需专门的“调度 ，只需要通过设置帧滤波( 允许那些帧即可以 通过，那些帧不允许通过) 可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式 传送接受数据。 5 、c a n 是种特殊的网络与一般常见的网络有所不同，它主要为不分主从 的多主式工作方式，这种通信方式灵活，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，利用这c a n 这方面的特点可方便地构成多机备 份系统。 6 、c a n 上的节点数目前最多可达1 1 0 个，节点数量的多少主要取决于总线 驱动电路；c a n 的标示符可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ：而扩展标准( c a n 2 o b ) 的 标示符几乎不受限制。 7 、c a n 的每帧信息都包含c r c 效验及其他检错措施，保证数据极高的可 靠性，极低的出错率。 8 、在错误严重的情况下c a n 节点具有自动关闭输出功能，以使总线上其他 节点的操作不受影响。 9 、c a n 的通信介质选择灵活可为双铰线、同轴电缆或光纤等。 1 0 、采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 国内汽车品牌中已经很有一些车型应用了总线技术，但些技术基本上完全来 自国外。目前应用总线的国产车中大多采用两套独立的c a n 总线：一套是动力 c a n 数据传输系统，另一套是舒适c a n 数据传输系统。在此对c a n 总线的 优点进行了总结，得出以下结论【2 3 1 ： 1 1 如果需要增加新的信息进行数据扩展，只需升级软件即可。 2 ) 控制单元会实时检测所传输的信息，检测到故障后存储故障码。 3 ) 使小型控制单元及小型控制单元插孔可节省空间。 1 0 武汉理- 大学硕+ 学位论文 4 ) 传感器信号线得到精简减至最少，控制单元可做到高速数据传输。 5 ) c a n 总线是按国际标准研发的，可用在不同型号控制单元间的数据传输。 2 1 2c a n 的基本概念【2 0 , 2 4 】 a r b i t r a t i o nf i e l dc o n t r o if i e l dd a t af i e l dc h e c kf i e l da c kf i e l d s o fs t a r to ff 阳m e 枇挺蝓 r t r r e m o t e 丁r a n s m i s s i o nr e q u e s t _ j 垃秘传翰请求怯 z d ei d e n t i f i e re x t e n s i o n 杯i , b t - 猡胜 d l cd a t al e n g t hc o d e 数撤k 眨 鲥 a c k a c k n o w l e d g e m e n t 融符 e o f e n do ff r a m e 赖绌啦场 图2 2c a n 总线数据帧格式 报文( m e s s a g e s ) ： 通常我们把在总线上传输该固定格式的信息称作报文，其长度是有限制的。 当总线空闲时任何连接到总线的单元都可以开始发送新的报文。 信息路由( i n f o r m a t i o nr o u t i n g ) ： 在q 埘系统里，总线上的所有单元是通过报文滤波来判断是否接收报文， 报文的寻址内容是由报文的标示符指定，标示符是不含报文的目的地址。 位速率( b i tr a t e ) ： 位速率是指总线的传输速率。在一个给定的c a n 系统中，位速率是唯一的， 也是固定不变的，但是不同的系统，c a n 的速度是可以不同的。而且位速率决 定c a n 总线上任意两个单元之间的最大传输距离。如下表列出了位速率与最 大传输距离的相关数据。这里最大传输距离是指不接中继器的两个单元之间的 距离。 表2 - 1c a n 位速率与距离表 位速率( r m s ) 1 0 0 0 5 0 02 5 01 2 51 0 05 02 01 05 最大传输距离( m ) 4 01 3 02 7 05 3 06 2 01 3 0 0 3 3 0 06 7 1 0 0 0 0 武汉理工人学硕士学位论文 优先权( p r i o r i t i e s ) ： 在总线访问期间，报文标示符定义了一个静态的报文优先权。每一个在c a n 总线上发送的报文都具有一个确定而且唯一的1 1 位( 标准帧) 或2 9 位( 扩展帧) 的标示符。总线状念取决于二进制数0 而不是1 ，标示符越小，代表该报文拥有 的优先权越高，因此一个全为0 的标示符的报文具有总线上的最高级别优先权。 总线上当有两个节点同时请求进行发送时，必须通过“无损的逐位仲裁方法 来使有最高优先权的报文先发送。 远程数据请求( r e m o t ed a t ar e q u e s t ) ： 当总线上某单元需要请求另一单元发送数据时，可以通过发送远程帧实现远 程数据请求。数据帧和相应的远程帧是由相同的识别符命名的。 多主机( m u l t i m a s t e r ) ： 一旦总线空闲时，总线上的任何单元都可以向总线上传送报文，但只有具有 最高优先权的报文单元可以获得总线访问权。 仲裁( a r b i t r a t i o n ) ： 只要总线空闲，总线上任何单元都可以开始发送报文。如果2 个或2 个以 上的单元同时开始传送报文，那么总线将会运用逐位仲裁规则，借助标示符d 解决这个冲突。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同识别符的 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总线上检测到的电平进行比较。如果电平相同，则这个 单元可以继续发送。如果发送的是一“隐性”电平而监视的是一“显性 电平 ( 见总线值) ，那么单元就失去了仲裁，并退出发送状态。 错误标定和恢复时间( e r r o rs i g n a l i n ga n dr e c o v e r yt i m e ) ： 任何检测到错误的单元都会标志出损坏的报文。此报文会失效的同时将会自 动地开始重新传送。如果不再出现错误的话，从检测到错误到下一报文的传送 开始为止，恢复时间最多为3 1 个位的时间。 故障界定( f a u l tc o n f i n e m e n t ) ： c a n 节点是可以把永久的故障和短暂的干扰区别开来。故障的节点会被自 动关闭。 连接( c o n n e c t i o n s ) ： c a n 串行通讯链路是一条可以连接许多单元的总线。理论上，总线上可以 连接的单元数量是不限制的。但由于实际上受延迟时间和总线线路上电气负载 的影响，连接单元的数量是有限的。例如，当采用飞利浦公司的p 8 2 c 2 5 0 作为 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 c a n 收发器时，一般同一网络中最多可以挂1 1 0 个节点。 单通道( s i n g l ec h a n n e l ) ： c a n 总线是由一单独的通道组成的。通过此通道可以获得数据的再同步报 文。c a n 技术规范不限制c a n 通道的实现方法，一般可以采用单线( 加地线) 、 双绞线( 两条差分线) 、光等，应用范围最广的一般是双绞线。 总线数据表示( b u sv a l u e s ) ： c a n 总线和以往接触的总线是不通，c a n 总线上的数据不是直接用o 和1 表示的，而是采用显性( d o m i n a n t ) 和隐性( r e c e s s i v e ) 来表示0 和1 “显性 位和“隐性 位在c a n 总线上同时传送时，总线的结果值为“显性 。c a n 总 线是采用差分电压传送总线上的信号，两条信号线分别被称为c a nh 和 c a n，如下图所示。在隐性状态( 即逻辑) 时， 和上的电_l 1c a nhc a nl 压被限制在平均电压( 大约2 5 v ) 附近，两者的差值接近于o 。在显性状态( 即 逻辑o ) 时，c a nh 的电压要远高于c a nl 上的电压，通常此时两者的电压 分别为c a nh = 3 5 v 和c a nl = i 5 v 。在总线空闲或隐性位这段时间内，发送 的是隐性位。 时划t ”；ii 一 ；一： ：“ 一 一1 了_ 图2 3 总线位的数值表示 应答( a c k n o w l e d g m e n t ) ： 对于所有接收到的报文接收器都要进行一致性( c o n s i s t e n c y ) 检查。对于一 致的符合的报文，接收器给予应答；对于不一致不符合的报文，接收器都做出 标志。 2 1 3c a n 的分层结构 c a n 是完全遵从i s o o s i 标准模型的，按照这个标准，c a n 结构被划分为 武汉理 二人学硕士学位论文 数据链路层和物理层两层。在c a n 技术规范2 0 a 版本中，数据链路层中的逻 辑链路层和媒体访问控制层对应为对象层和传输层。c a n 节点的分层结果如下 图所示1 2 5 】： 1 c a n 对象层( t h eo b i j e c tl a y e r ) 对象层的主要功能是对报文滤波和报文的处理。 2 c a n 传输层( t h et r a n s f e rl a y e r ) 传输层是c a n 协议的核心，该层主要任务是把介绍到的报文提供给对象层 和接收对象层传送过来的报文。传输层主要负责定位时间及同步、报文分帧、 仲裁、应答、错误检测和标定、故障界定等。 3 物理层( t h ep h y i c a ll a y e r ) 物理层主要定义实际信号的传输方法，根据所有的电器属性在不同节点之间 进行位信息的实际传输。对于在同一网络内，物理层对于所有的节点必须是相 同的。尽管如此，物理层在选择方面还是很自由的。 表2 - 2c a n 分层结构表 应用层 对象层 本文传输 报文和状态的处理 传输层 故障界定 报文分帧 应答 仲裁 报文校验 传输速率和定时 错误检测和标定 物理层 信号电平和位表示 传输媒体 2 1 4 报文传输和报文帧 报文传输由以下4 个不同的帧类型所表示和控制【2 6 】： 1 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。 2 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。 3 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 1 4 武汉理一i ：人学硕士学位论文 4 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附 加的延时。 数据帧和远程帧既可以使用标准帧也可以使用扩展帧。它们用一个帧间空间 与前面的帧分隔。 数据帧( d a t af r a m e ) 数据帧的组成包含以下7 个位场： 帧起始( s t s r to ff r a m e ) 、仲裁场( a r b i t r a t i o nf r a m e ) 、控制场( c o n t r o lf r a m e ) 、 数据场( d a t af r a m e ) 、c r c 场( c r cf r a m e ) 、应答场( a c kf r a m e ) 、帧结束 ( e n do ff r a m e ) 1 2 7 】。如下图所示。 帧闻空南 16 问空问 或过藏 帧绪柬 l 1 仲裁塌控捌场数据场隙g 塌 帧起始 应警场 图2 4 数据帧组成图 ( 1 ) 帧起始( 标准格式和扩展格式) 帧起始( s o f ) 是标志数据帧和远程帧的起始位，仅由一个单独的“显性”位 组成。 只在总线空闲时才允许站开始发送报文( 信号) 。所有的站必须要和首先开 始发 送报文的站的帧起始前沿相同步。 ( 2 ) 仲裁场 在c a b r 2 0 b 中标准格式帧与扩展格式帧的仲裁场格式不同。其主要区别在 于标示符的长度。 标准格式中，仲裁场由1 1 位识别符和r t r 位组成。识别符位由 i d 2 8 i d 1 8 组成。 扩展格式中，仲裁场包括2 9 位识别符、s r r 位、i d e 位、r t r 位。其识 别符由i d 2 8 m o 组成。 武汉理工人学硕士学位论文 图2 5 数据帧标准格式中的仲裁场结构 图2 - 6 数据帧扩展格式中的仲裁场结构 标识符： 在标准格式中标识符的长度为1 1 位。这些位按照从i d l 0 到i d 0 的顺序发 送，最低位从i d 0 开始，最高的7 位( i d i o i d 4 ) 不能全是隐性。在扩展格式 中，标识符的长度为2 9 位，由1 1 位的基本i d 和1 8 位的扩展i d 帧组成，基本 i d 定义了扩展帧的基本优先权。扩展格式中基本m 按照i d i o 到i d o 顺序发送， 扩展i d 帧按照i d 2 8 到i d l 8 的顺序发送。 r t r 位： r t r 中文表达为“远程发送请求位( r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s tb i t ) 9 9 0 r 1 限位在数据帧中必须为显性，而在远程帧中必须为隐性。 s r r 位： s r r 的中文名称是“替代远程请求位( s u b s t i t u t er e m o t er e q u e s tb i t ) 9 9 。 s r r 位属于扩展格式，是一隐性位。它在扩展格式的标准帧r t r 位的位置， 因而代替标准帧的r t r 位。在扩展帧的基本i d 与标准帧的标识符一样的情况 下当标准帧与扩展帧发生冲突时，标准帧是要优先于扩展帧的。因此，标准帧 与扩展帧的冲突是通过标准帧优先于扩展帧这一途径得以解决的。 i d e 位： i d e 的中文叫法是“识别符扩展位( i d e n t i f i e re x t e n s i o nb i t ) ”该位属于扩展 格式的仲裁场和标准格式的控制场。在标准格式中i d e 位为显性，在扩展格 式中的i d e 位为隐性。 1 6 武汉理工人学硕士学位论文 ( 3 ) 控制场 表2 3 数据长度码中数据字节数目编码表 数据字1 7 数目 数据长度码 d l c 3d l c 2d l c ld l c o 0dddd 1dddr 2ddr d 3ddr r 4 drdd 5 dddr 6ddr d 7ddrr 8rrd d 控制场在标准格式中和扩展格式中