（交通信息工程及控制专业论文）基于CAN总线的汽车车灯控制系统的研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着现代汽车技术的日益发展，汽车电子装置不断增加，汽车综合控制系统中需实 时交换的各种控制信息随之越来越多，传统线束技术已远远不能满足这种需求，汽车总 线控制技术应运而生。 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c a n 总线技术的原理和应用进行了深入研究与吸 收。并基于c a n 总线控制技术设计了车灯及仪表控制系统，同时研究和理解了s a e j 1 9 3 9 协议( j 1 9 3 9 是美国汽车工程协会s a e 的推荐标准，用于为中重型道路车辆上电 子部件间的通讯提供标准的体系结构) ，并在所设计的系统中使用该协议。通过实验验 证，所研究的车灯控制系统只需要两根信号线即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。 本文通过对上述理论知识的学习和掌握，提出符合课题设计要求的设计方案，主要 做了以下几个方面的工作： 1 分析本课题所需要做的工作，针对目标任务，提出并设计最为理想且经济的解 决方案，即基于两总线节点的汽车车灯及仪表控制。 2 分析汽车上所出现的各种传输信号及其特点，考虑各电子设备的安装位置，建 立系统结构模型。 3 根据上述结构模型，设计c a n 通信智能节点的原理电路。针对不同的数据类型 设计一些附加的接口电路，并就提高系统的抗干扰性采取了一些必要措施。 4 详细设计并分析了c a n 总线智能节点各线接口电路的输入及输出量。 5 基于微控制器编写程序，并对其中一些模拟信号予以处理。同时根据s a ej 1 9 3 9 协议，编写符合协议规则的c a n 通信程序。 6 对所设计的软硬件系统进行调试，利用车灯和车用仪表进行了实物验证。 7 最后对整个系统开发进行了总结，并提出可行的改进和完善意见，并对本课题 的后续发展和前景做出可行性分析。 本文在c a n 总线数据传输和控制方面做了一定的研究工作，为国内今后的汽车电 子及c a n 总线技术的发展及应用提供了一定的参考。 关键词：现场总线；c a n 总线；j 1 9 3 9 协议；车灯控制；仪表控制 大连交通大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f 也em o d e ma u t o m o b i l e ，t h ee l e c t r o n i cd e v i c e so fa u t o m o b i l e i n c r e a s ec e a s e l e s s l y ，w h i c hb r i n g sa b o u tt h ep r o b l e mt h a ti ti sn e c e s s a r yf o rm a n yo fc o n t r o l s y s t e m st oe x c h a n g et h es i g n a l si nt h er e a l t i m e t h et r a d i t i o n a lw i r i n gn e a r l yc a nn o ts a t i s f y d e v e l o p m e n t a ld e m a n d ，s ot h ea u t o m o b i l ea r e an e t w o r ki sb r o u g h ta b o t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t os t a r t 、v i t l lt h es t u d y i n go fv e h i c l ea r e an e t w o r k ，m a i n l ys t u d i e dt h e d e v e l o p m e n to ft h ec a n b u si na d v a n c e da u t o m o b i l et e c h n o l o g y n o wt h ec a n b u si s a p p l i e di ni n t e r n a t i o n a la u t o m o b i l ei n d u s t r yw i d e l y i no r d e rt od e s i g nc a n - b u sc o n t r o l s y s t e mo fa u t o m o b i l el i g h t ，s a ej19 3 9p r o t o c o ls h o u l da l s ob er e s e a r c h e d ( j19 3 9p r o t o c o li s t h ec o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r dr e c o m m e n d e db yt h ea m e r i c a na u t o m o b i l e e n g i n e e r i n g a s s o c i a t i o ns a ef o rt h em e d i u ma n dh e a v yv e h i c l e ) o n l yac o u p l eo fw i r e sc a nt r a n s f e ra l l t h ed a t ae x c h a n g e d ，w h i c hc a n s i m p l i f i e ss y s t e mw i r i n gh a r d n e s s ，i m p r o v e ss y s t e mr e l i a b i l i t y ， e f f e c t i v e l ys a v e ss p a c ea n dt h es y s t e mc o s t t h r o u g hl e a r n i n ga n dm a s t e r i n ga b o v et h e o r e t i c a lk n o w l e d g e ，s o l u t i o ni sb r o u g h t f o r w a r df o rt h es u b j e c t ，c o n c r e t es t u d yw o r ka sf o l l o w ： ( 1 ) t h r o u g ha n a l y z i n gt os u b j e c t ，a c c o r d i n gt ot h es u b j e c td e m a n d ，t h eb e s ts o l u t i o ni s g i v e n ，w h i c hi sal i g h ta n dm e t e rc o n t r o ls y s t e mo fv e h i c l eb a s e do nc a nb u s ( 2 ) b ya n a l y z i n gt h ek i n d so ft r a n s m i s s i o ns i g n a l s ，c o n s i d e r i n gt h ef i x i n gp o s i t i o no ft h e e l e c t r o n i ce q u i p m e n t s ，t h e nt ob u i l du pt h es y s t e ms t r u c t u r em o d e l ( 3 ) b a s e do nt h ea b o v es y s t e ms t r u c t u r em o d e l ，t h ec a nc o m m u n i c a t i o nn o d ec i r c u i ti s d e s i g n e d s o m ea d d i t i o n a li n t e r f a c ec i r c u i t sa r ed e s i g n e df o rd i f f e r e n tt y p e so fd a t aa n dt a s k s ， a n ds o m en e c e s s a r ym e a s l e sa r et a k e nt oi m p r o v et h es y s t e ma n t i - i n t e r f e r e n c e ( 4 ) c a nb u si n t e r f a c ec i r c u i t si n p u ta n do u t p u tp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ( 5 ) t op r o g r a mb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e r ，a n dt op r o c e s ss o m ea n a l o gi n p u ts i g n a l s ， w h i l el e a r n i n gs a ej 1 9 3 9p r o t o c o l ，t op r o g r a mf o rc a nc o m m u n i c a t i o nb a s e do nt h e p r o t o c o lr u l e s ( 6 ) t h es y s t e m s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ed e b u g g e d ，i ti sv a l i d a t e db yd o i n g e x p e r i m e n t so nt h ev e h i c l e sl i g h t sa n dm e t e r ss y s t e m ( 7 ) a tl a s t ，t os u m m a r i z et h ew h o l es y s t e md e v e l o p m e n t ，t h ep o s s i b l ei m p r o v e m e n t sa r e b r o u g h tf o r w a r d ，t h e ni nt h ef a c eo fs u b j e c tf u t u r ed e v e l o p m e n t ，t h ef e a s i b l ea n a l y s i si sg i v e n s o m ew o r k sa b o u tc a nb u sd a t ac o m m u n i c a t i o nh a v eb e e nd o n ei nt h ed i s s e r t a t i o n ， a n ds o m ev a l u a b l er e f e r e n c e ds u g g e s t i o na b o u ta u t oe l e c t r o n i c sa n dc a nb u sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：f i e l d b u s ；c a nb u s ；s a ej 19 3 9p r o t o c o l ；l i g h t sc o n t r o l ；m e t e r sc o n t r o l i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 现场总线 什么是现场总线【l 】，1 3 ，顾名思义，现场总线应当是应用在生产最底层的一种总线型 拓扑的网络。进一步讲，这种总线是用作现场控制系统的，直接与所有受控( 设备) 节 点串行相连的通信网络。工业自动化控制的现场范围可以从一台家电设备到一个车间， 一个工厂。受控设备和网络所处的环境可能很特殊，对信号的干扰往往是多方面的，而 要求控制必须是实时性很强。这就决定了现场总线有别于一般的网络的特点。 现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一种全分布控制系统。f i e l db u s 体系结构模式如图所示。它作为智能设备的联系纽带，直接挂接在总线上，作为网络节 点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本的控制、补偿计算、 参数修改、报警、显示、监控、优化、及控管一体化的综合自动化功能。这是一项集嵌 入式系统、控制、计算机、数字通信、网络为一体的综合技术。 用户程序 l 应用层信息服务网络管理 数据链路 点篙是 物理层 媒体 图1 1f i e l db u s 体系结构模式【3 1 f i g 1 1f i e l db u ss t r u c t u r em o d e l 3 1 大连交通大学工学硕士学位论文 现场总线也可以说是工业控制与计算机网络两者的边缘产物。从纯理论的角度看， 它应该是属于网络范围的。但是，现有的网络技术不能完全适应工业现场控制系统的要 求。无论从网络的结构、协议、实时性，还是适应性、灵活性、可靠性乃至成本等，工 业控制的底层都有他的特殊性。现场总线其规模应属于局域网、总线型结构，它简单但 是能满足现场的需要。它要传输的信息帧短小，要求实时性很强、可靠性高( 网络结构 层次少，信息帧短小有利于提高实时性和降低受干扰的概率) 。然而现场的环境干扰因 素很多，有些很强烈而且带有突发性，这些都决定了现场总线必须是有自己特点的一个 新型领域。 1 2 现场总线的发展 2 0 世纪8 0 年代现场总线技术才开始形成和发展【2 】【4 】，这是与微型计算机，特别是 嵌入式系统的高速发展分不开的。在十几年的时间中，已经发现了好几种现场总线技术 走向成熟并且逐步的得到推广应用，显示出特有的优势和强大的生命力。 1 2 1 基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 基金会现场总线分为低速h 1 和高速h 2 两种通信速率。基金会现场总线的主要技 术内容包括有：f f 通信协议；用于完成开放互联模型中第2 - 7 层通信协议的通信栈 ( c o m m u n i c a t i o ns t a c k ) ；用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的d d l 设备描 述语言；设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块，实现 系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系 统集成技术。 1 2 2l o n w o r k s l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的神经元芯片中而得 以实现。集成芯片中有三个8 位c p u ，第一个用于完成开放互连模型中第一层和第二层 的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于网络第3 6 层的功能，称为网络处理器。负责网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、 软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等；第三个是应用处理器，执 行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现c p u 之间的信息 传递，并分为网络缓冲区和应用缓冲区。 1 2 3p r o f i b u s 该技术是以西门子公司为主的几十家德国公司、研究所共同推出的。它采用了o s i 模型的物理层、数据链路层。数据速率为9 6 k p b s 到1 2 m b p s ，在1 2 m b p s 时，最大传输 2 第一章绪论 距离为1 0 0 m ，1 5 m b p s 时为4 0 0 m ，可用中继器延长至1 0 k m 。其传输介质可以是双绞 线，也可以是光缆。最多可挂接1 2 7 个站点。可实现总线供电与本质安全防爆。 1 2 4h a r t h a r t 是h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et m s d u c e r 的缩写。它规定了一系列命令， 按命令方式工作，它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行的 命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备( 尽管不是全部) 中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便在 某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令 的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。 h a r t 采用统一的设备描述语言d d l 。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设 备特性，由h a r t 基金会负责登记管理这些设备描述并把他们编为设备描述字典。主设 备运用d d l 技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于 这种模拟数字混合制信号，导致很难开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。 h a r t 能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理 系统主机作为主设备的双主设备系统 1 2 5c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线 现场总线( f i e l db u s ) 能同时满足过程控制和制造业自动化的需求，因而现场控制 总线已经成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为 工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的目标，但 现场总线的高性价比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的标准尚未 统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰 富的依据。控制局部网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 正是在这种背景下应运而生的1 3 j 。 ( 1 ) c a n 总线介绍 控制器局域网c a n 为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时 控制。c a n 的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路配线都可以使用c a n 。在 汽车电子行业里，使用c a n 连接发动机控制单元、传感器、防滑系统等，其传输速度 可达1 m p b s 。同时，可以将c a n 安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电 气车窗等，可用以代替接线配线装置。 随着现代科技的飞速发展【6 】，汽车装备日趋完善，车用电子设备越来越多，从发动 机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统， 从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力，使汽车电气系统形成一个复杂的大系统， 3 大连交通大学t 学硕士学1 1 ) ：论文 并且都集中在驾驶室控制。如果按照常规点到点间的布线法，则整个汽车的布线将十分 复杂，显得很凌乱。尤其是高档乘用车，传统布线不仅增加了布线的复杂程度，而且布 线所需的金属用量也将成倍增加。 一个采用传统布线方法的高档汽车中，其电线总长度可达2 k m ，电气节点高达1 5 0 0 个。而且该数字大约每1 0 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，线束都装在看不到的地方( 比如纵梁下等) ，一旦线束中出 了问题，查找维修相当困难。另外，每个车型的线束都不一样，每种车都单独设计，从 而增加了设计和试制的难度。有时需替代某个落后的电器配件，要增加几根线，因无法 加到原线束中，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从工 作效率看，传统布线法都将不适应汽车的发展。基于串行信息传输的网络结构成为一种 必然的选择，这是汽车上使用网络通信技术的一个主要原因【5 j 。 c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为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串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是 双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1 m b p s 。c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块 编码、循环冗余检测、优先级判别等项工作。c a n 协议的一个最大的特点是废除了传 统的站点地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内 的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由1 l 位或2 9 位二进制数组成，因此 可以定义2 1 1 或2 2 9 个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可以使不同的节点同 时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8 个字 节，可满足通常工业控制领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。c a n 协议采用了c r c 检验 并可以提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。 ( 2 ) c a n 总线所具有的特点 由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而扩展到了 机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感器等 领域发展。c a n 已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。 由于采用了许多新技术及独特的设计 7 1 ，c a n 总线与一般的通信总线相比，它的数 据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可以概括如下： c a n 是到目前为止唯一的有国际标准的现场总线。 c a n 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其他节点 发送信息，而不分主从。 4 第一章绪论 在报文标识符上，c a n 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1 3 4 , u s 内得到传输。 c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时， 优先级较低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的情况( 以太网则可能) 。 c a n 节点只需要通过对报文的标识符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。 c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高可达 1 m b p s ( 此通信距离最长为4 0 m ) 。 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。在标准帧报文标 识符有1 1 位，而在扩展帧的报文标识符( 2 9 位) 的个数几乎不受限制。 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。 c a n 的通信介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 c a n 节点在错误严重的情况下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。 c a n 总线具有较高的性能价格比。它结构简单，器件容易购置，每个节点的价 格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。 1 3 课题研究背景 近几年来，随着汽车产业的飞速发展，汽车技术的更新周期也在缩短，汽车对电子 产品的依赖性越来越突出，可以说要提高汽车的技术水平，主要靠汽车电子技术来完成。 目前，国内的汽车电子技术多数还处于初级阶段，有自主技术的汽车电子产品也不 过是汽车音响、影音娱乐系统及空调等汽车媒体技术。而控制类汽车电子技术还没有形 成产业，国内整车厂现在采用的汽车电子控制技术，多为直接引进国外产品或是一些中 外合资企业生产、组装的产品。 汽车工业已经是我国国民经济的一个支柱型产业，2 0 0 6 年中国汽车产量已经达到 7 0 0 万辆，而我国的汽车零部件产业还很薄弱，特别是汽车电子技术更加落后，已经阻 碍了汽车产业的迅速发展。所以，能否在电子技术上占领制高点，开发出具有自主知识 产权、技术含量高的汽车电子产品，实现跨越式发展，减轻对国外汽车零部件的技术依 5 大连交通大学工学硕十学位论文 赖，是我国汽车产业发展的当务之急。这样才能使我国的汽车技术赶上世界发达国家的 汽车技术水平，为我国汽车产业的发展提供必要条件。 1 3 1 汽车车身控制电子技术 控制类汽车电子产品一般分为动力系统和车身控制系统两类，在本研究课题中将详 细介绍车身控制技术中关于仪表和车灯控制的详细内容。 车身控制系统主要是为了汽车增加辅助功能，提高驾驶的方便性、乘坐的舒适性及 安全性。车身控制系统涵盖范围广，包括灯光控制系统，门窗控制系统，座椅控制系统， 气候( 空调) 控制系统，防盗系统，导航定位系统，安全气囊，仪表板显示集控等。下 图是当前汽车电子技术的应用趋势图。 语 言 口 识 别 智 能 仿 真 网短数c a n冀l i nm o s t 精 络程字 才 巧 通无卫 望 信 限星 蒌 通通 心 信信 疑 军 指语i 视 用 纹言c 网 操 识识卡膜 堡 别别 识 系 别 图1 2 电子技术产品在汽车上的应用【8 】 f i g 1 2t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yp r o d u c t so na u t o s l 1 3 2 现场总线的意义 现场总线控制系统( f c s ) 是2o 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工 业控制技术，它的出现引起了传统的p l c 和d c s 控制系统基本结构的革命性变化。现 场总线技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检 测和控制单元的分布更趋合理，使原来基于设备来选择控制和通信的方式，转变为基于 网络来选择设备。随着i n t e m e t 和i n t r a n e t 的迅猛发展，现场总线控制技术越来越显示出 6 第一章绪论 其传统控制系统无可替代的优越性。现场总线控制技术已成为工业控制领域中的一个热 点。传统机电产品是否具有总线接口已成为能否在市场上生存的一个必要条件。 1 3 3 车灯控制系统利用c a n 总线的意义 目前，现场总线有许多种类，几种有影响的总线为：基金会现场总线，l o nw o r k s ， p r o f i b u s ，c a n ，h a r t 等，由于c a n 总线( 全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ”) 最初是 针对汽车提出的，故在汽车领域，可以说c a n 总线占据着霸权的地位。2 0 世纪9 0 年 代以来，汽车上由电子单元控制的部件越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动 装置( a s s ) 、安全气囊、电控门窗、主动悬架、自动变速器、汽车稳定性控制( e s p ) ，混和 动力汽车中的电机控制，电池管理系统、座椅控制之类的舒适系统、汽车声像之类的娱 乐系统等等。随着这些集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，使得电子控制装置之间 的通讯越来越复杂，如果用传统的信号线连接方式来连接各个控制器，不但会使控制器 的引脚过多、控制器设计变得非常复杂，而且也会使得连接导线变得非常冗长( 如某型 汽车原来的连线为5 0 0 米，使用c a n 以后缩短为5 0 米；采用传统连线方式的东风汽车 公司的混和动力轿车，仅连接电缆就达4 0 公斤) ，使可靠性大大降低。博世( b o s c h ) 公司 推出c a n 总线的最初动机，就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯 问题，减少不断增加的信号线。c a n 总线是一种单一的网络总线，其最大的优点是：所 有的控制器件都可以挂接在c a n 总线( 只有两根电线) 上。 现在汽车上的网络连接方式主要采用2 条c a n ，一条用于驱动系统的高速c a n ， 速率达到5 0 0 k b s ，一条用于车身系统的低速c a n ，速率是1 0 0 k b s 驱动系统主要连接 对象是发动机控制器e c u ，a s r 及a s s 控制器、安全气囊控制器、组合仪表等，它们的 基本特征相同，都是控制与汽车行驶直接相关的系统。车身系统c a n 主要连接对象是 4 门以上的集控锁、电动车窗、后视镜和厢内照明灯等。目前，驱动系统c a n 和车身 系统这2 条独立的总线之间尚没有关系。但人们已在设计“网关”，以实现在各个c a n 之间的资源共享，并将各个数据总线的信息反馈到仪表板上。驾车者只要看看仪表板， 就可以知道各个电控装置是否正常工作了。 1 4 本课题的研究意义 本课题所研究的基于c a n 总线的汽车车身控制系统，主要是为了简化现代汽车车 身中日益复杂的电子控制设备之间的连线。在现代汽车的车身中，电子控制的部件越来 越多( 例如集控锁、电动车窗、后视镜、厢内照明灯、各种信号灯、座椅控制和汽车声 像系统) ，如果用传统的信号线连接方式会使得连接导线非常复杂和冗长。采用c a n 总 线以后，不管有多少电子部件需要控制，从控制命令发出部件所在位置，到接收部件所 7 大连交通大学工学硕士学位论文 在位置的连线只需2 根，故需要控制的部件越多，从命令发出地点到接收地点的距离越 长( 如大型车) ，节约导线的效果就越明显。并且随着导线连接的简化，给汽车制造时的 线束布置带来极大方便，另外在功能扩展( 如再加入新的电子控制部件) 时，无需重新布 线，大大方便了升级换代工作。一个常用来说明c a n 总线优点的例子是：某型汽车原来 的连线总长为5 0 0 米，使用c a n 以后缩短为5 0 米，节约导线l o 倍( 总重量也会减轻) 。 不仅如此，c a n 总线能够方便地实现整车数据共享，使汽车的性能全面优化和高水平 智能化。 c a n 总线具有卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，因此，已经在汽车工业、 航空工业、控制安全防护、嵌入式网络和保安系统等领域得到了广泛应用。 今天，在欧洲几乎每一辆新客车上均装配有c a n 局域网。在国外现代轿车的设计 中，c a n 己经成为必须采用的技术，奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺、劳斯莱斯等 汽车都将c a n 作为控制器联网的手段。一些汽车专家认为，就像汽车电子技术在2 0 世 纪7 0 年代引入集成电路、8 0 年代引入微处理器一样，近1 0 年现场总线c a n 技术的引 入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。 我国在c a n 总线研究应用方面起步较晚，工程应用几乎是空白。特别是在汽车上 的应用，可以说是从近年，才在几个大的汽车研究和生产单位正式启动的，目前都处于 研究的初级阶段，还没有拿出产品化的成果。由于这些研究刚刚还处于起步阶段，故目 前的研究重点都集中在动力系统( 发动机、自动变速器、电机、电池、仪表等) 的c a n 通 讯上，还没有精力针对汽车车身的电子控制部件进行c a n 总线的应用研究。 在我国，c a n 总线技术的研究开发还刚刚起步，完全国产化的、应用c a n 总线控 制动力系统的汽车还没有；c a n 总线在车身控制方面的应用还仅限于开关量控制( 如车 灯、车门等) 。本课题所研究的c a n 总线车身控制系统，可以简洁汽车网络的设计、促 进产品的实用化和低成本化。 同时在本课题中还将l i n 总线与c a n 总线相结合，使课题更加注重实际应用。l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c t n e t w o r k ) 是由汽车厂商专门为汽车开发的一种低成本的串行通信网 络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。其主要目的是为现有汽车网络c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 提供辅助功能，目标用于低端系统，无需c a n 的性能、带宽 以及复杂性。可以说l i n 是一种辅助的总线网络。在不需要c a n 总线的带宽和多功能 的场合，诸如智能传感器和制动装置之间的通信，使用l i n 总线则可大大减低成本。l i n 的标准化简化了多种现存的多点解决方案，且可以降低在汽车电子领域中的开发、生产、 服务和后勤成本。 8 第一章绪论 1 5 本课题所研究的主要内容和研究方法 综上所述，总线方法是目前汽车技术领域中变各个子系统独立控制为综合协调控制 的先进方法。它不但是本课题实现汽车仪表及车灯多装置控制通信的方法，也是主要的 研究内容。根据国产化的要求，本课题在众多车上网络标准中选取了性能可靠、容错性 强、时间特性好、可扩展性强的c a n 总线作为研究对象，将c a n 总线应用于汽车仪表 及车灯控制模块，用集成化的总线系统来控制前后端及车内车灯的控制，以及汽车仪表 盘和汽车故障灯等装置的模块通信。实现智能化的汽车控制功能。本文对这一研究过程 主要做了一下几个方面的工作： ( 1 ) 本系统包括两个模块分别为前端模块和后端模块，实现了汽车前后身车灯的控 制与通信，传感器采集数据控制仪表显示，以及故障指示灯等功能。采用摩托罗拉公司 生产的m c 6 8 h c 9 0 8 a z 6 0 a 为微控制器，采用十字线圈指针式组合仪表。各个模块间通 过双绞线作为c a n 总线的物理层介质连线。 ( 2 ) 对电路进行了焊接和调试，对产生的硬件问题进行了很好的解决。 ( 3 ) 采用单片机c 语言来编写控制程序。 ( 4 ) 对汽车仪表进行初始化的测量，分析数据及控制驱动。 ( 5 ) 将两个模块进行联网调试，捕捉通信线路上的传输数据，通过已知的c a n 总线 原理进行分析，实现网络通信。 ( 6 ) 熟悉并使用s a ej 1 9 3 9 协议来作为该系统的应用层协议便于为以后的网络节点 扩展提供协议基础。 本章小结： 本章通过对现场总线的介绍来引出c a n 总线当前最流行的总线之一，通过对 它进行简单的分析介绍来说明本课题使用c a n 的优势，并通过分析当前c a n 总线技术 的发展趋势来说明课题意义。 9 大连交通大学工学硕士学位论文 第二章c a n 总线的基本工作原理 2 1c a n 协议的技术规范 由于目前c a n 为愈来愈多的不同领域采用和推广 9 1 ，【1 1 】，【1 2 1 ，导致要求不同应用领域 通信报文的标准化。为此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了c a n 技术 规范( v e r s i o n2 o ) 。该技术规范包括a 和b 两个部分。2 0 a 给出了曾在c a n 技术规 范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，而2 0 b 给出了标准的和扩展的两种报文格式。此 后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具数字信息交换高速通信控 制器局部网( c a n ) 国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ) ，为控制器局部网标准化、规范化、推广铺 平了道路。 c a n 技术规范2 0 a 和2 0 b 以及c a n 国际标准i s 0 11 8 9 8 是设计c a n 应用系统 的基本依据，也是应用设计工作的基本规范。 控制器局部网是一种具有很高保密性、有效支持分布式控制或实时控制的串行通信 网络。c a n 应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域、发 动机控制部件、传感器、抗滑系统等的应用中，c a n 的位速率可高达1 m b p s 。同时， 它可以廉价地用于交通运载工具电器系统中，例如：灯光聚束、电气窗口等等以代替所 需要的硬件连接。c a n 技术规范的目的是使任意两个c a n 执行过程达到兼容。然而， 兼容性具有众多的不同方面，例如：电气特性和被传送数据的表示方法。 c a n 技术规范版本2 0 包括两部分内容【3 】：版本2 0 a 描述在c a n 技术规范1 2 中 定义的c a n 报文格式；版本2 0 b 描述标准和扩展格式两种报文格式。为了同c a n 技 术规范2 0 兼容，要求c a n 执行既同版本2 0 a ，也同版本2 0 b 兼容。 随着串行通信进入更多应用领域，因此，要求各种应用领域通信功能报文标识符标 注的标准化，如果原有由1 1 个标识符定义地址范围加以扩展，c a n 对于这些应用服务 将更加周到，因而，引入了第二种报文格式( 扩展格式) ，它可以提供由2 9 位定义的 更大地址范围，这将使系统设计者解释除在定义良好结构名称方面的苦恼。需要借助扩 展格式提供标识符范围的c a n 用户可以继续使用方便的1 l 位标识符( 标准格式) 。这 种情况下，他们可以使用市场过去推广使用的c a n ，也可以使用两种格式的新型控制 其来实现。 为了区分标准格式和扩展格式，c a n 报文格式中第一个保留位像它在c a n 技术规 范版本1 2 中定义的一样被使用。由于c a n 技术规范1 2 的报文格式等效于标准格式， 1 0 第二章c a n 总线的基本t 作原理 因而仍然可用，而由于定义了扩展格式，可使标准格式和扩展格式的报文在相同的网络 中同时存在。 2 2c a n 技术规范2 0 a 为了使设计透明和执行灵活【1 3 】，b 4 ，c a n 划分了不同层次：c h j , , t 目标层、c a n 传 输层和物理层。目标层和传输层完成所有服务和由i s 0 o s i 模型目标定义的数据链层的 功能，c a n 节点分层结构如图： 应用层 目标层 - 报文过滤 报文和状态处理 传输层 故障界定 出错检测和信令 报文确认 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 1c a n 节点的分层结构- f i g 2 1c a n n o d eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e 目标层的功能包括：寻找被发送的报文，确定通过传输层接收的报文实际被使用以 及提供与硬件有关应用层的接口；在定义目标处理时，存在许多灵活性。传输层的功能 大连交通大学工学硕十学位论文 主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。传输 层也要确定为开始一次新的发送，总线是否开放或者是否马上开始接收。位定时特性也 被作为传输层的一部分。传输层特性不存在修改的灵活性。物理层的范围是有关全部电 气特性不同节点间的实际传送。自然，在一个网络内，物理层对于所有节点必须是相同 的。然而，在选择物理层时存在很大的灵活性。 c a n 2 0 a 技术规范的范围是定义传输层和与c a n 有关的外层。由图可见，传输层 描述由目标层接收到的报文和对目标层发送的认可报文。传输层可响应位定时和同步、 报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定以及故障界定。它是c a n 协议的核心。目标层 的主要功能是报文滤波和报文处理。物理层定义信号怎样进行发送。在这部分技术规范 中未定义物理层，以便允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 2 3c a n 技术规范2 o b c a n 技术规范2 0 b 较之c a n 技术规范2 0 a 的主要不同在于2 0 a 给出的是曾在 c a n 技术规范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，而2 0 b 给出了标准的和扩展的两种 报文格式。 c a n 的协议也是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的。不过，其模 型结构只能有2 层，即只取o s i 底层的物理层和数据链路层。由于c a n 的数据结构简 单，又是范围较小的局域网，因此不需要其他中间层，应用层数据直接取自数据链路层 或直接向链路层写数据。结构层次少，有利于系统中实时控制信号的传送。如图2 2 所 示： l l c 子层的主要功能是：为数据传输和远程数据请求提供服务，确认由l l c 子层 接收的报文实际已经被接收和为恢复管理和通知超载提供信息。在定义目标处理时，存 在许多灵活性。m a c 子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构，执行仲裁，错误 检测，出错标定和故障界定。m a c 子层也要确定为开始一次新的发送，总线是否开始 或者是否马上开始接收。位定时特性也是m a c 子层的一部分。m a c 子层特性不存在 修改的灵活性。物理层的功能是有关全部电器特性不同节点间位的实际传送。自然，在 一个网络内，物理层所有节点必须是相同的。然而，在选择物理层时存在着很大的灵活 性。 c a n 技术规范2 0 b 定义数据链中的m a c 子层和l l c 子层的一部分，并描述与 c a n 有关的外层。物理层定义信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编码和同步 的描述。在这部分技术规范中未定义物理层的驱动器接收器特性，以便允许根据它们 的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。m a c 子层是c a n 协议的核心。它描述由 1 2 第二章c a n 总线的基本工作原理 l l c 子层接收到的报文和对l l c 子层发送的认可报文。m a c 子层可响应报文帧、仲裁、 应答、错误检测和标定。m a c 子层由称之为故障界定的一个管理实体监控。它具有识 数据链路层 l l c 接收滤波 超载通知 恢复管理 m a c 数据封装拆装 帧编码( 填充解除填 充) 媒体访问管理 错误检测 出错标定 应答 串行化解除串行化 物理层 p l s 位编码解码 位定时 同步 p m a 驱动器接收器特性 m d l 连接器 图2 2 c a n 的分层结构 f i g 2 2c a n h i e r a r c h i c a ls n u c t i l r e 别永久性故障或短暂扰动的自检机制。l l c 子层的主要功能是报文滤波，超载通知和复 原管理。 在c a n 协议中使用四种协议帧，分别是数据帧、远程帧、错误指示帧和超载帧 【lo 】，【1 3 】，【1 4 1 。 ( 1 ) 数据帧 1 3 大连交通大学工学硕士学位论文 数据帧自一个发送节点携带数据至一个或多个接收节点，数据帧结构如图2 3 所示。 数据帧由七种不同的位域组成：帧的起始域；仲裁域；控制域；数据域；c r c 域；应答 域；帧的结束域