（通信与信息系统专业论文）基于can总线的汽车仪表的研究与设计.pdf

哈尔滨t 稗人学硕十学伊论文 摘要 随着汽车行业的发展，人们对汽车可靠性和舒适性要求越来越高，汽车 电子成为当前广受关注的焦点。传统的线束连接方式应对当前车上复杂的电 子设备显得力不从心，c a n 总线作为一种有效支持分布式控制和实时控制的 技术、可靠性高、抗干扰能力强、布线简洁和通讯速度高等优点越来越受到 人们的重视。随着总线技术的发展和汽车上电子设备的增加，传统的汽车仪 表受到巨大的挑战，取而代之的是基于c a n 总线的数字汽车仪表，基于c a n 总线的显示信息丰富的汽车仪表研究与开发具有非常重要的意义。 本文介绍了汽车仪表的有关特点，就开发c a n 总线汽车仪表的有关技 术做了分析和研究。提出了基于a t 9 1 s a m 9 2 6 3 微处理器，r t c o s i i 实时操 作系统和i x c g u i 图形用户接口和数字液晶屏的解决方案。利用 a t 9 1 s a m 9 2 6 3 作为系统的核心处理器，利用 t c o s i i 作为系统软件设计平 台，进行仪表的整体软硬件设计。 在上述方案的基础上开展了仪表的硬件设计，包括处理器系统、数据存 储电路、c a n 总线通讯、液晶显示部分、视频转换电路、人机交互的接口设 计和电源电路的设计，为了防止汽车电源部分的干扰信号对仪表系统的影响， 在电源电路设计中加入了抗干扰处理，并且按照仪表外壳的结构要求进行仪 表印制板的设计。 本文还介绍了c a n 总线的原理及其应用层的通信协议，重点介绍了故 障码的组成，和多包数据的传输协议。论述了g c o s i i 和g c g u i 在仪表硬 件上移植的思路和过程，完成了仪表系统的启动程序设计。并按照多任务的 设计流程设计了仪表的应用程序，包括c a n 数据接收和处理任务，数据存 储任务、按键任务和界面显示任务等，仪表上所用的芯片的驱动程序。 关键词：汽车仪表：彩色液晶；c a n 总线；a r m 哈尔滨r 稃大学硕十学伊论文 i mi ii_i_m a b s t r a c t a l o n gw i t hd e v e l o p i n g o fv e h i c l e i n d u s t r ya n dp e o p l e f o c u st o w a r d s a u t o m o b i l er e l i a b l ea n dc o m f o r t a b l er e q u i r e m e n tm o r ea n dm o r e h i g h l y a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c sh a sb e c o m ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lc o n c e m e df o c u s w h e nt h et r a d i t i o n a lw r i n gh a r n e s sc a nd e a lw i t ht h ec o m p l e x c a nf i e l d b u s ， w h i c he 衔c i e n t l ys u p p o r t sd i s t r i b u t e dr e a l t i m ew i t he x e c e l l e n c eo fl e v e lo f s e c u r i t y , h i g ha n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y , e a s yl a y o u t ，h i g hs p e e do fc o m m u n i c a t i o n ， g e tm o r ea t t e n t i o no fp e o p l e w i t hr a p i d - d e v e l o p i n go fc a nf i e l d b u st e c h n o l o g y a n di n c r e a s i n go fe q u i p m e n ti nv e h i c l e t h et r a d i t i o n a la u t o m o b i l ei n s t r u m e n tw i l l b ea f f e c t e d a n di tw i l lb er e p l a c e db vl c di n s t r u m e n tw h i c hi sb a s e do nc a n b u sa n ds h o wm o r ei n f o r m a t i o n s ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e i n s t r u m e n tb a s e do nc a nb u sh a v er e a l i s t i cm e a n i n g i n t r o d u c e d 廿l ec h a r a c t e r i s t i c so fa u t o m o b i l ei n s t r u m e n t a n a l y z e da n d s t u d i e dt e c h n o l o g yo fc a nb u si n s t r u m e n t t h ep a p e rp r e s e n t st h ee n t i r es o l u t i o n b a s e da t 91s a m 9 2 6 3p r o c e s s o r , g c o s i ir e a l t i m es y s t e ma n dg c g u i t h e s o l u t i o nu s e st h ea t 91s a m 9 2 6 3a st h ec o r ep r o c e s s o r , u s e si a c o s i ia ss o f t w a r e b a s et od e s i g nt h ew h o l es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fa u t o m o b i l ei n s t r u m e n t t h eh a r d w a r es y s t e mi n c l u d e sm i c r o p r o c e s s o rc o r es y s t e m m e m o r yd e v i c e s c a nb u sc o m m u n i c a t i o n ，d i s p l a yp a r tc i r c u i t ，v i d e oc o n v e r t i n gc i r c u i t sa n d p o w e rc i r c u i t t or e s i s ts e v e r ec h a n g eo fp o w e rp r o v i d e db yv e h i c l e ，a d ds o m e a n t i - ja m m i n gc i r c u i t s i nt h e p o w e rp a r t d e s i g n t h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d a c c o r d i n gt oc r u s to fa u t o m o b i l ei n s t r u m e n tb o a r d i n t r o d u c e dt h ee l e m e n t so fc a nb u sa n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fc a n c o m m u n i c a t i o n t h ec o n s t i t u t eo ft r o u b l ec o d ea n dm u l t i f r a m et r a n s m i s s i o n p r o t o c o li s i n t r o d u c e d d e t a i l e d l y i n t r o d u c e d t h em e a n sa n d p r o c e s s o f t r a n s p l a n t i n g 肛c o s i i a n dg c g u it oh a r d w a r eo fa u t o m o b i l e d e s i g nt h e b o o t l o a d e rp r o g r a m m eo fi n s t r u m e n ts y s t e m t h ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n to ft h e d a s h b o a r ds y s t e mi sa c c o m p l i s h e di nt e r m so ft h ed e s i g nr u l e so fr e a l - t i m e m u l t i t a s k s t h es o f t w a r ei n c l u d e sc a nb u sd a t ar e c e i v i n ga n dd i s p o s i n gt a s k ， d a t as t o r i n gt a s kk e y - p r e s st a s k a n ds o m ed r i v i n gp r o g r a m m eo fd e v i c e si nt h e d a s h b o a r d k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ei n s t r u m e n t ；c o l o r i z e dl c d ；c a nb u s ；a r m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：7 善l 鲨 日期： 二加罗年月弓日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囤在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签- 7 - - ) ：夕习翌 导师( 签铋始搿 日期：伽罗年f 月哆日二锕9 年，月乡日 哈尔滨t 手罕大学硕十学位论文 i i i i i i i i i ill-ii n i iiii - i i i i i i i 第1 章绪论 1 1 汽车仪表的发展 汽车仪表是各类汽车不可缺少的装置，它用来显示汽车各个系统的工作 状态包括运行参数( 车速、发动机转速、机油压力、水温及电池电压等信息) 、 故障显示( 发动机故障，变速箱故障等信息) 以及里程和发动机转数等信息， 是驾驶员获取汽车运行状态的直接途径。仪表显示的直观性、准确性以及可 靠性直接关系到汽车行驶的安全。 汽车仪表的电子化是随着半导体技术的不断进步而获得迅速发展。电子 显示式仪表的开发，始于2 0 世纪6 0 年代，但是电子元器件还达不到装车实 用的水平。7 0 年代后半期，随着半导体及显示器件技术的进步，出现了荧光 显示管、发光二极管，1 9 7 8 年电子显示仪表上市。此后，各种电子显示器在 汽车上不断得到应用。从内核上i 1 单片机的广泛应用使汽车仪表由模拟仪表 向数字仪表发展；从外观上，逐渐形成了数字显示为主流的显示方式，显示 元器件的电子化，大大推进了汽车仪表技术的重大变革。 按照汽车仪表的工作原理和工作方式来划分，可将汽车仪表的发展过程 分为以下四个阶段。第一代汽车仪表是基于机械作用力力而工作的机械式仪 表这种汽车仪表功能单一，仅仅显示传感器的信息以向驾驶员提供自身的状 态参数，更多的是为安全性着想，信息量少，整个仪表系统的精度低，可靠 性较差，体积较大，视认性不好，容易使驾驶员疲劳；第二代汽车仪表是基 于电测原理，即通过各类传感器将被测的非电量变换为电信号加以测量，通 常称为电气式仪表；第三代为模拟电路电子式仪表，这种仪表的工作原理与 电气式基本相同，只不过使用电子器件取代了原来的电气器件，随着集成电 路技术突飞猛进的发挥咱，这种仪表现在均采用汽车仪表专用的集成电路， 是国内汽车仪表目前的主流产品；第四代是步迸电机式全数字汽车仪表，从 其应用技术手段上看，还是电子技术范畴，但信号传输的方式已经从模拟信 哈尔滨l 。t 下i - 1 人学硕十 ：何论文 号变成数字信号，并朝着数字化、智能化、网络化方向发展。其主要特点就 是单片机和微处理器的广泛应用，同时软件程序在系统设计方案中占的比例 也越来越大，内部程序的编写取代了外围电路的连接。目前我国仪表的发 展正处于从第三代向第四代的转型期。 1 2c a n 总线在汽车上的应用 随着汽车电子技术的快速发展，汽车工业进入了一个全新的时代。由于 汽车排放、节能、安全和舒适等使用性能不断提高，使得汽车电子控制程度 也越来越高。目前，平均每辆汽车电子装置的费用约占成本的2 0 ，而且越 是高档的车电子化程度越高。汽车控制装置的增加，使得连接汽车电子控制 装置之间的导线也变得更为复杂。仅以车速信号为例，车速传感器输出的车 速信号需要提供给仪表、发动机控制、巡航控制、自动悬架、行车记录仪等 电子装置，这些装置分布在车体的各个位置，若是采用传统的布线方式，即 电线一端与开关相接，另一端与用电设备相通，将导致车上电线数目急剧增 加。一辆采用传统的布线方法的高档汽车，其导线长多可达两千米，电气节 点大1 5 0 0 个，电线的重量可达4 0 - - 6 0 公斤，降低了车辆的可靠性，增加了 维修的难度，而且使车身自重增加，不利于节能减排，为此改革汽车电子技 术的呼声日益高涨，于是车上控制器局域网络c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 应运而生【2 1 。 c a n 总线是德国b o s c h 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之 间的数据交换而推出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 ，距离可达 l o k m 。c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对 通信数据块进行编码，使网络内的节点个数在理论上不受限制。它可以有效 支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。在这个系统中各控制装置独立 运行，控制和改善汽车某一方面性能，同时为其他控制装置提供数据服务。 由于c a n 总线具有通信速率高、可靠性好、连接方便、通信协议简单和性 价比高等突出优点，如今c a n 总线已成为汽车电子控制装置之间通信的标 准总线，在汽车分布控制系统得到广泛应用1 。 2 n 合尔滨t 稗大学硕+ 学何论文 1 3 论文研究的目的和意义 我国汽车工业起步较晚，汽车电子产品的研发能力和生产能力相对较弱， 目前国内大量汽车仪表厂家生产的仪表是针对中低档车型的，而高档的汽车 所采的具有良好显示效果的基于c a n 总线的仪表则多为用外国的仪表厂家 所生产如欧曼、v d o 等，所以研发功能全的，针对高端车型的仪表具有重要 的工程意义。 本课题需要解决的问题就是设计一款应用于c a n 总线网络，以大显示 区域的彩色液晶屏来承担主要的显示任务的，具有视频监视功能的全数字彩 色液晶仪表。 1 4 论文研究内容 本次论文的研究把c a n 总线通信技术引入到汽车仪表中，解决了汽车 仪表数据传输的问题。针对当前汽车仪表所要显示的信息量过大而目前流行 的用单色小液晶辅助显示无力应对的问题，提出用大显示区域的彩色液晶屏 显示报警信息及其他一些信息，利用彩色液晶这个硬件平台扩展了视频监视 功能，提高对仪表硬件的利用率。通过研究基于a r m 嵌入式技术( 包括嵌 入式系统平台操作系统图形用户界面) 及车辆诊断的工作原理，综合了现 场总线、人机交互技术、以及视频显示技术对汽车整车运行状况及对各个数 据块的数据存储、传输以及图形化显示，为用户提供详尽有效的信息。并在 此基础上实现数字彩色液晶仪表系统。总体设计可分为以下几个部分： ( 1 ) r t c o s i i 在a t 9 1 s a m 9 2 6 3 上的移植 实现了嵌入式操作系统g c o s i i 在基于a t 9 1s a m 9 2 6 3 的仪表板上的 移植。 ( 2 ) 实现仪表与c a n 总线通信 系统要将采集的数据进行处理，首先必须要进行可靠的传输，本系统采 用c a n 总线作为数据通信网络。需要对j 1 9 3 9 协议、以及相关的软件和硬件 进行研究。 3 哈尔滨t 秤火学硕十学位论文 ( 3 ) 数据存储保护的实现 仪表要显示的一些数据是需要累计的，所以要对数据的存储，以及掉电 保护和意外断电进行特殊处理，使仪表指示更加准确可靠。 ( 4 ) l c d 驱动 驱动6 5 英寸彩色液晶屏，显示汽车各个模块的运行参数信息。 ( 5 ) 模拟视频的显示 将摄像头传来的模拟视频信息经过解码显示到数字液晶屏上。 ( 6 ) 步进电机和蜂鸣器的驱动 驱动6 路步进电机，用来显示车速、转速、水温、燃油、电压和机油压 力等信息，对于有些报警信号要辅助以蜂鸣提示音。 ( 7 ) 信号片的驱动 驱动由2 8 个l e d 组成的信号片来显示部分开关量信息以及报警信息。 ( 8 ) 抗电磁干扰 在仪表的电源和数据传输电路的设计中采取了抗电磁干扰的措施。 4 哈尔滨丁干旱夫学硕十学伊论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i | nmnnmm i - - i i i i i i i i i i i i 第2 章o a n 总线通信原理及实现 随着汽车功能的日新月异，传统的电气控制系统设计已经不能够满足汽 车对安全性、便利性的要求，基于这样的现状，现场总线技术的应用就成为 汽车产业发展的方向。控制器局域网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r kc a n ) 是国际上 应用最为广泛的国际标准现场总线之一，是一种极具强韧性的电气规范和协 议，专门用于汽车中常常无法预料的到恶劣环境。 c a n 属于总线形式串行通信网络，采用了许多新技术及独特的设计。总 线的数据通信具有高稳定性、高灵活性、高可靠性的特点。一个由总线构成 的单一网络中，理论上可以挂无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬 件的电器特性所限制。而c a n 总线的使用，解决了用少量的线束实现大量 的控制测控仪器、处理器、传感器和执行机构之间的数据交换问题【4 】。在本 次课题中也结合c a n 总线的优势和汽车总线的发展，用c a n 总线来传输仪 表所需要的所有信息。 2 1 c a n 总线的原理 2 1 1c a n 总线定义 c a n 总线通信网络的定义与丌放系统互联模型( o s i ) 一致，是基于o s i 的网络层模式来定义的。实际的通讯发生在每一个设备相邻的两层，而设备 只通过模型物理层的物理介质互连j 1 9 3 9 协议由七层模型构建，其结构如表 2 1 所示。 c a n 总线能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。信号使用差 分电压传送，两条信号线为“c a n h ”和“c a n l ”，静态时均为2 5 v 左右，此 时表示逻辑“1 ”，也叫做“隐性”。用c a n h 比c a n l 高表示逻辑0 ，称为“显 性”。此时通常电压值为：c a n h - - 3 5 v 和c a n l = 1 5 v 。差分信号的传输方 式使c a n 总线具有很强的抗干扰能力。 5 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 m_i ii_i i 2 1o s i 开放系统且联模型 1物理层特定结构的比特流在物理媒介上的传输；处理访问物理媒 介的机械、电气、功能和时序 2数据链提供通过物理层的可靠信息传输；通过加入必须的同步、 路层错误控制、时序控制及流量控制来发送数据帧 3网络层为高层屏蔽系统间连接时所使用的数据传输及切换等技术 细节；负责建立、维护以及拆除连接 4传输层提供终端节点间数据的可靠、透明传输；提供点到点的错 误恢复和流量控制；提供长消息的分段以及再组装 5会话层提供不同应用之间通信的控制框架；建立、管理以及拆除 互联应用层的会话 6表示层为应用过成提供数据表示之间差别的屏蔽 7应用层提供用户对开放系统互连环境的访问及提供分布式信息服 务 2 1 2 报文传输及帧格式 在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器。该单元在总 线空闲或丢失仲裁前恒为发送器。如果一个单元不是报文发送器，并且总线 不处于空闲状态，则该单元为接收器。对于报文发送器和接收器，报文的实 际有效时刻是不相同的。对于发送器而言，如果直到帧结束末尾一直未出错， 则报文是有效的。如果报文受损，将允许按照优先权顺序自动重发送。为了 能同其他报文进行总线访问竞争，总线一旦空闲，重发送立即开始。对于接 收器而言，如果直到帧结束的最后一位一直未出错，则对于接收器的报文是 有效的。 c a n 信息帧根据用途可分为四种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带 数据从发送器到接受器；远程帧通过总线单元发送，请求目标地址节点发送 具有同一识别符的数据帧；错误帧由检测出总线错误的任何一个节点发送； 过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供附加的延时。 6 哈尔滨t 科人学硕+ 学何论文 1 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据 场、c r c 场、a c k 场和帧结束。c a n 2 0 数据帧组成见图2 1 。 帧 或超载自 倾酗w , t jl 一l 仲裁场控制场 数据场 c r c 场 帧起始 a c k 场 图2 1 数据帧结构、 ( 1 ) 帧起始( s o f ) 标志数据帧和远程帧的起始，它仅由一个“1 ”构成。只有 在总线处于空闲状态时，才允许节点开始发送。所有节点都必须同步于首先 开始发送的那个节点的帧起始前沿。 ( 2 ) 仲裁场由标识符和远程发送请求位( r t r ) 组成。仲裁场的组成见图2 2 帧间空间 帧起始 仲裁场 控制塌 标识符叶 r t r 位 图2 2 仲裁场的组成 在标准帧中，标识符的长度为1 1 位，在扩展帧中标识符的长度为2 9 位， 这些位按从高位到地位的顺序发送，r t r 位为“0 ”代表是数据帧，为“l ”代表 远程帧。为“0 ”还是为“l ”是由用户填写的。 ( 3 ) 控制场由6 位组成，见图2 3 仲 f ，v 7 r 1r 0 d l c 3d l c 2d l c ld l c o 一饪嘲， l 场 图2 3 控制场的组成 如图2 3 所示，控制场包括保留位和数据长度，这两个保留位必须发送 “0 ”。数据长度码d l c 指出数据场的字节数目。数据长度码为4 位，在控 制场中发送。数据长度码中数据字节数目编码如表2 2 所示，数据字节允许 7 哈尔滨t 释人学硕十学伊论文 数目为0 8 ，不能使用其他数值。数据长度码是由用户根据用户想要发送的 数据字节数来填写的。 表2 2 数据长度码中数据字节数目编号 数据字节数据；蜓度码 d l 3d l 2d l i d l 0 0o0o0 l0oo1 200lo 300l 1 401 00 50l o1 601 l0 70lll 80o00 ( 4 ) 数据场由数据帧中被发送的数据组成，它包括o 8 个字节，每个字 节8 位。首先发送的是最高有效位。 ( 5 ) c r c 场包括c r c 序列，后面跟随c r c 界定符，c r c 序列由循环 冗余码求得的帧检查序列组成，最适用于位数小于1 2 7 的帧，为实现c r c 计算，被除的多项式系数由包括帧起始、仲裁场、控制场、数据场在内的位 给出，其1 5 个最低位的系数为o ，此多项式被发生器产生的多项式除( 系数 为模2 运算) ，该多项式除法的余数即为发向总线的c r c 序列。c r c 界定 符必须为“1 ”。c r c 的位填充均由硬件实现。 ( 6 ) 帧结束：每个数据帧和远程帧均由“1 1 1 1 1 1 1 ”组成的标志序列界定， 这也有硬件自动填充。 2 远程帧 8 哈尔演t 稃人学硕十学位论文 i iiml 图2 4 远程帧组成 需要获得数据的节点可以借助于发送一个远程帧来请求对应的节点发送 数据给它。远程帧由6 个不同分位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场和帧结束。同数据帧相比教，不同的是：远程帧的r t r 位是“1 ” ( 这须由用户用程序填充) ；远程帧不存在数据场。d l c 的数据值是独立的， 它可以是0 8 中的任何数值。 3 出错帧 出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得 到，后随的第二个是出错界定符，出错帧结构见图2 5 。 譬议霸5 阿l 1 il - 错误标志制 一错误叠加标志 图2 5 出错帧组成 错误标志具有两种形式，一种是活动错误标志，一种是认可错误标志， 活动错误标志由“0 0 0 0 0 0 ”组成，而认可错误标志由“1 1 1 11 1 ”组成。一个检测 到出错条件的“错误活动”节点通过发送一个活动错误标志进行标注。同理， 其他节点若同样也检测到出错条件，则也发送出错标志。这样，在总线上被 监视到的“0 ”序列是由各个站单独发送的出错标志叠加而成的。该序列的总长 度在最小值6 和最大值1 2 位之间变化。一个检测到出错条件的“错误认可” 站发“1 1 1 1 1 1 1 1 ”。错误标志发送后，每个站都送出“1 ”，并监视总线，直到检 测到“1 ”，以后开始发送剩余“1 1 1 1 1 1 1 ”。 4 超载帧 超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符，其组成如图2 6 所示： ，；啊j 、i v 一i 陨i h j j 亡l h j 超载帧界定符卜超载标志一 或超载帧 | 一超载叠加标志超簸桢界定符 图2 6 超载帧组成 9 哈尔滨t ；f 罕人。学硕十学伊论文 超载标志由“0 0 0 0 0 0 ”组成。超载界定符由“i l l l l l l l ”组成。超载界定符与 错误界定符具有相同的形式。发送超载标志后，一旦节点监视到总线发生由 “o ”到“1 ”的变化，所有站一致的开始发送剩余的“1 1 1 1 1 1 1 ”。该帧由硬件自动 执行。 5 帧空间 数据帧和远程帧同前面的帧相同，不管是何种帧( 数据帧、远程帧、出错 帧和超载帧) 均被称为帧间空间的位场分开。帧间空间包括间歇场和总线空闲 场，对于“错误认可”节点还有暂停发送场。 2 1 3 单包数据传输 c a n 总线是一个基于报文的协议，c a n 总线最大的特点是任何一个节 点所发送的数据信息不包括发送节点和接收节点的物理地址。信息内容通过 一个标识符( i d ) 作标记，而且在整个网络中每个标识符都是唯一的。网络 上的其它节点收到信息后，每个节点都通过检测i d 来判断此信息是否是自己 要接收的信息。 标识符还决定了信息的优先权，i d 值越小，优先级越高，c a n 总线上 优先级高的信息先获得总线的使用权，而优先级低的自动停止发送，待总线 空闲时自动重发。 在识别c a n 数据帧的数据域属于哪个参数组时，需要一个2 4 位值。这 2 4 位值就是p g n 码( 参数组编号) 。p g n 码包括以下部分：保留位、数据页 位、p d u 格式域和组扩展域。数据段中数据的意义参考商用车控制系统局域 网络( c a n ) 通信协议即j 1 9 3 9 协议的应用层的规定来确定。 2 1 4 多包数据传输 长度大于8 字节的消息无法用单个c a n 数据帧来装载。因此，它们必 须被拆分为若干个小的数据包，然后使用单个的数据帧对其逐一传送。而接 收方必须能够接收这些单个的数据帧，然后解析各个数据包并重组成原始的 信息。 1 0 哈尔滨l ：秤大。7 ：硕十学何论文 c a n 数据帧包含一个8 字节的数据域，由于组成长信息的单个数据包必 须能被识别出来以便正确重组，因此把数据域的首字节定义为数据包的序列 编号，每个数据包都会被分配到一个从1 到2 5 5 的序列编号。由此最大的数 据长度为1 7 8 5 个字节。接收方通过所收到的每个数据包的编号将收到的多包 消息进行重组【l 引。 传送的每个数据包( 除了传送队列中的最后一个数据包) 都装载着原始数 据中的7 个字节。而最后一个数据包的数据域的8 个字节包含：数据包的序 列编号和剩余的数据，余下未使用的字节全部设置为f f l 6 ，多包传送时数据 包的格式见表2 3 。 表2 3 多包传输中数据包格式 序列号( 1 2 5 5 ) l 字节 字节 1 序列号 2 8 消息报数据( 7 字节) 。注意多包参数组的最后一个包可 能不足8 个字节数据。没有使用的字节设为f f l 6 如果某个节点要广播一条多包消息，它首先要发送一条广播公告消息 ( b a m ) ，这条消息必须传送到全局目标地址，作为一个长消息预告发送给网 络上的节点。b a m 消息包含了即将广播的长消息的参数组编号、消息大小和 它被拆装成的数据包的数目。通知准备接收该数据的那些节点准备好接收和 重组数据所需要的资源。然后使用( p g n 6 0 1 6 0 ) 来发送相关的数据广播公告消 息的结构见表2 4 。 表2 4 广播公告消息格式 字节 l 控制字节= 3 2 ，广播公告消息( b a m ) 字肖 2 ，3整个消息大小的字。1 ，数 字节 4 全部数据包的数 字节 5 保留位，该字节应设为o x f f 字+ 1 了 6 8 打包消息的参数乡开编号 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 2 1 5 诊断码的定义及提取 诊断故障代码( d t c ) 由4 个独立域构成如表2 5 所示。 表2 5 诊断故障代码的组成 a 可疑参数编号( s p n )1 9 位 b 故障模式标志( f m i )5 位 c 发生次数( o c )7 位 d 可疑参数编号的转化方式( c m )1 位 可疑参数编号( s p n ) ：该1 9 位的数字是用于识别报告的诊断项目。s p n 用 于多种目的，专用于诊断的有：( 1 ) 用于识别可修复的失效最小子系统；( 2 ) 用于识别子系统或集成部件可能并无严重故障，但存在运行不正常；( 3 ) 识别 一个将要告知的专门事件或情况；( 4 ) 用于报告部件和非标准的故障模式。可 疑参数与参数组中相关参数或与诊断项目一一对应，但并不是参数组中的参 数本身。 故障模式标示符( f m i ) ：该f m i 定义了为s p n 所识别的子系统中发现的 故障类型。 s p n 转化方式：s p n 的转化方式见表2 6 所定义的内容。 发生次数( o c ) ：该7 位的发生次数域包括了一个故障从先前激活状态到 激活状态的变化次数，最大值为1 2 6 ，计数向上溢出时，该计数器值保留为 1 2 6 。假定发生次数未知，则该域所有位的数值均为l 。 故障码和指示灯两者都是电子控制模块用来通知网络上其它成员该模块 自身的诊断状态。该数据信息包括了：指示灯状态，一列诊断代码及当前激 活状态诊断代码的发生次数仅当有一个激活的d t c 存在或处于响应一个请 求时才会发送一个d t c 消息，参数组编号：6 5 2 6 6 ( 0 0 f f c a l 6 ) 消息具体描述 如下： 字节： 1 8 - - - , 7 位故障指示灯状态 6 5 位红色停止灯状态 4 , - - - 3 位琥珀色警告灯状态 2 1 位保护灯状态 1 2 哈尔滨t 程人予1 顽十学何论文 字节： 28 - 7 位予负留以用米表示任务灯状态 6 - - 5 位预留以用来表示任务灯状态 4 - 3 位预留以用来表示任务灯状态 2 l 位预留以用来表示任务灯状态 字节：3 字节：4 字节：5 字节：6 8 1 位s p n ，s p n 的低低字节( 最高有效位为第8 位) 8 1 位s p n ，s p n 的第2 个字节( 最高有效位为第8 位) 8 - - 6 位s p n ，有效位中的高3 位( 最高有效位为第8 位) 5 1 位f m i ( 最高有效位为第5 位) 8 位可疑参数编号的转化方式 7 1 位发生次数 根据读出的s p n 、f m i 、和发送该报文的源地址就可以判断当前车上的 故障，故障码对照表见附录c 。 表2 6s p n 转化的阐述 d t c 字节3字节4字节5字节6 s p n 的低8 位有效s p n 第2 字节s p n 高3 位有效位故障发生次数o c 的 位( 第8 位为最高有与f m i 有效位有效位( 第7 位为高 ( 第8 位为最高有效位)( 第8 位为s p n 的有效位) 效位)最高有效位及第5 位为f m i 的最高 有效位) s p n f m i c o c m 8 7 6 543 21876 5 4 3 218 7 6 543218 76 5 4321 例：s p n ：5 2 0 2 7 6 f m i ：1 4 s a ：3 这组故障码的含义是一没有挂空挡关钥匙。 若是一个模块上有多个故障发生，需要多组诊断故障码来描述，这就需 要采用多包的传输方式，多组诊断故障码的数据格式如下： 已知： 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 a ：灯状态 b = s p n c = f m i d = c m 和o c 多个故障码传输时信息格式为：a , b ，c ，d ，b ，c ，d ，。 由于在发送多包数据前要先把这些数据拆分为多个数据包，所以对多包 故障码传输就需要三个步骤，第一步，接收广播消息，确定多包数据的数据 包个数，以及所要传送的数据的字节个数；第二步，接收全部的多包数据，并 将数据包重的数据按照包的编号排列整齐；最后，按照a , b ，c ，d ，b ，c ，d 的顺 序将所有的故障码都提取出来。 2 2c a n 通信的实现 2 2 1a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c a n 控制器的介绍 本课题选用的a t 9 1 s a m 9 2 6 3 处理器集成了一路兼容c a n 2 0 a c a n 2 0 b 的c a n 控制器，该控制器可以处理数据帧，远程帧，出错帧和超 载帧，而且传输速率可高达1m b i t s 。该控制器包含了16 个可独立配置的缓 冲器( 也称作邮箱) ，每个缓冲器都可以配置为发送或接收的功能。同时该 c a n 控制器还包含了滤波和报文管理功能，减轻了处理器的负担【1 9 】。 2 2 2c a n 通信部分的硬件电路 在设计中用t i 公司生产的3 3 v 的c a n 收发器，s n 6 5 h v d 2 3 0 应用在符 合i s o 协议的c a n 通信网络的物理层中，和c a n 收发器仪器构成网络上的 节点。作为a r m 的c a n 控制器与c a n 总线之间的接口芯片s n 6 5 h v d 2 3 0 提供和对c a n 总线的差动接收和差动发送，而且最高的信号速率可达到 1 m b i t s 。 由于本次设计的仪表所需要的信号都是从c a n 总线获取，所以仪表和 1 4 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 c a n 总线的通信对仪表来讲具有至关重要的做，本次所用的处理器集成了 c a n 控制器，所以只需要外接c a n 收发器就可以实现微处理和c a n 总线 通信的功能，但考虑到仪表工作环境比较恶劣，在c a n 总线通信部分又加 入了抗干扰的器件，共模抑制电感h m 6 7 一s 5 1 0 f l t r 和c a n 保护器n u p 2 1 0 5 使增强了数据传输的稳定性。h m 6 7 s 5 l o f l t r 是表面安装的共模扼流圈， 抑制c a n 总线上产生的共模干扰信号，而c a n 保护器能够使c a n 总线网 络免受静电干扰和瞬时电压的干扰。c a n 收发器与处理器的接口电路见图 2 7 。 2 3 本章小结 图2 7c a n 收发器与处理器的接口电路 本章主要介绍了c a n 总线的原理及特点，以及常用的c a n 数据帧格式， 以及数据i d 的格式及意义，及单包和多包故障码的数据协议。重点介绍了 a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c a n 控制器的特点，和本次设计中c a n 通信部分的硬件 电路。 1 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第3 章硬件系统设计及实现 3 1 系统硬件设计 本次设计把先进的c a n 总线网络技术应用到汽车仪表中，解决了汽车 仪表的数据传输问题。该系统是基于a r m 和c a n 总线在汽车仪表中的应用， 整车中各传感器对发动机冷却液温度、油量、机油压力、转速和车速等信息 进行采集，经所属模块的处理后通过c a n 总线传到仪表。本次设计用指针、 信号片结合彩色液晶来显示汽车个部分运行参数，便于驾驶员对整车状况的 把握，系统中加入了模拟视频到数字视频转换的环节，通过彩屏显示倒车视 频和乘客门视频，本章重点介绍系统的硬件设计。 3 1 1 硬件系统总体结构框图 图3 1 系统硬件结构框图 1 6 哈尔滨一1 4 j 警火硕十学伊论文 3 1 2 微处理器( m c u ) 的选择 在本文设计的c m q 总线彩色液晶仪表系统中，m c u 是核心部分。它首 先要完成与c a n 总线上其它节点的通信，获取汽车上各模块的参数，然后 驱动步进电机、l e d 和彩色液晶屏显示，从设计简洁和成本考虑本次设计选 择了集成有c a n 控制器和l c d 控制器的a t m e l 公司推出的a r m 9 处理器 a t 9 1 s a m 9 2 6 3 作为本系统的m c u 。 a t 9 1 s a m 9 2 6 3 是完全围绕a r m 9 2 6 e j sa r mt h u m b 处理器构建的系 统。它有丰富的系统与应用外设及标准接口，从而为低功耗、低成本、高性 能计算机的宽范围应用提供了一个单片解决方案。a t 9 1 s a m 9 2 6 3 包括一个 高速片上s d r a m 工作区及一个低等待时间的外部总线接口( e b i ) ，以完成 应用所要求的片外存储器和内部存储器映射外设配置的无缝连接。e b i 有同 步d r a m ( s d r a m ) 、b u r s tf l a s h 及静态存储器的控制器，并设计了专用电 路以方便与s m a r t m e d i a 、c o m p a c t f l a s h 及n a n df l a s h 连接。高级中断控制 器( a i c ) 通过多向量、中断源优先级划分及缩短中断传输时间来提高a r m 9 2 6 e j s 处理器的中断处理性能。外设控制器( p d c ) 向所有的串行外设提供d m a 通道，使其片内与片外存储器传输数据时不用经过处理器，这就减少了传输 数据流时处理器的开销。并行i o 控制器与作为通用数据的i o 复用外设输 入输出口线，从而最大程度上适应了器件的配置。每条口线上包含有一个输 入变换中断、开漏能力及可编程上拉电阻。电源管理控制器( p m c ) 通过软件 控制有选择的使能禁用处理器及各种外设来使系统的功耗最低。它用一个增 强的时钟产生器来提供包括慢时钟( 3 2 k h z ) 在内的选定时钟信号，以随时优化 功耗和性能。a t 9 1 s a m 9 2 6 3 集成了许多标准接口，包括u s b 2 0 全速主机和 设备端口；多数外设和在网络层广泛应用的1 0 1 0 0 b a s e t 以太网媒体访问器 ( m a c ) ；提供了兼容i s o 1 1 8 9 8 协议规定的高速c a n 和i s o i1 5 1 9 2 协议规 定的低速c a n 的c a n 控制器，该控制器可以处理所有的c a n 消息类型， 最高速度可达每秒l m b i t ；而且提供了支持2 4 位像素t f t 显示模式和1 6 位 每像素的s t n 色彩模式的液晶控制器；两线接e i ( t w i ) ；串行外设计h ( s p i ) 等。为了完善性能，a t 9 1 s a m 9 2 6 3 集成了包括j t a g i c e 、专f - iu a r t 调试 1 7 哈尔滨t 群大学硕十学何论文 i i m mnu_ 通道( d b u g ) 及嵌入式的实时追踪的一系列调试功能，使得开发和调试所有的 应用特别是受实时性限制的应用成为可能。a t 9 1 s a m 9 2 6 3 工业级芯片的工 作环境温度为4 0o c , - , 8 5o c 1 9 】。 3 2 主控板电路板的设计 a t 9 1 s a m 9