（机械电子工程专业论文）基于can总线的客车运控系统设计研究.pdf

摘要 摘要 汽车电子技术步入控制系统综合化 信息共享化 机能智能化的发展新阶段 针对目前国内客车大量使用传统仪表 传统点到点控制的通信方式以及独立的控 制单元 本文对客车运控系统进行了探讨 研制了基于c a n 总线技术 智能检测 技术 微型计算机控制技术的客车运控系统 该系统改变了客车的线束控制方式 和传统仪表 实现了电器信息的集中检测 控制以及数据共享 易于扩展 减少 了线束 提高系统维护性和可靠性 减少成本 本文分析和探讨了客车电子控制系统和车辆网络技术的发展现状及趋势 提 出了应用c a n 总线代替客车传统线束的总线传输方式 在深入研究c a n 总线技术 和客车电器控制的基础上 设计了基于c a n 总线的客车组合仪表系统和前 后输 入输出模块 实现客车电器信息检测 控制 传输与显示 组合仪表主要实现电 器信息的传输和显示 以具有增强c a n 控制模块的p i c l 8 f 8 5 8 5 单片机作为中央控 制器 p i c l 8 f 8 5 8 5 控制t j a l 0 4 0c a n 总线驱动器实现c a n 总线信息的接收和发送 通过s p i 方式与步进电机驱动器m c 3 3 9 7 0 进行通讯 控制m sx c 5 步进电机对车 速 发动机转速 冷却水温度 机油压力 燃油量 电压 气压l 和气压2 八个参 数进行了实时显示 控制l c d 显示单里程数 总里程数和各种示警信息 按键控 制l c d 翻屏显示 控带 l e d 指示灯显示客车电器故障和状态信息 输入输出模块 主要实现电器信息的检测 控制与传输 采用p i c l 8 f 8 5 8 5 单片机作为中央控制器 控制输入模块检测车速 发动机转速等八种参数以及各种开关量 将分散电器的 信息集中处理 然后通过功率模块控制车灯 各种继电器 直流电机等执行相应 功能 并将采集的仪表信息通过驱动t j a l 0 4 0 发送给组合仪表显示 实现信息共享 本系统通过计算机的在线调试与系统模拟试验 初步验证了系统的综合性能 及c a n 总线通讯的可靠性 初步达到了预期的目的和要求 为下一步的改进和完 善奠定了的基础 关键词c a n 总线 单片机 步进电机 i x 摘要 a b s t r a c t a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c st e c h n o l o g yw i l lc o m ei n t oan e ws t a g eo nw h i c hi ti s c h a r a c t e r i s t i co fc o n t r o ls y s t e mi n t e g r a t i o n s h a r em e s s a g e sa n di n t e l l i g e n tp e r f o r m a n c e i na l l u s i o nt ou s el a r g e l yo u t o f d a t em e t e r o l dc o n t r o lc o m m u n i c a t i o nm o d e 谢t h s i n g l ew i r i n gh a r n e s sa n du n c o n n e c t e dc o n t r o lu n i t sa tt h ep r e s e n tt i m ei nap a s s e n g e r c a r t h i sp a p e rd i s c u s s e sl u na n dc o n t r o ls y s t e m i td e v e l o p sa r u na n dc o n t r o ls y s t e m a d o p t i n gc a n b u st e c h n o l o g y i n t e l l i g e n c ed e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n dm i c r o c o m p u t e r c o n t r o lt e c h n o l o g y t h es y s t e mc h a n g e sc o n t r o lm o d eo fw i r i n gh a r n e s sa n dt r a d i t i o n a l m e t e r c e n t r a l i z i n gc h e c ka n dm e a s u r e c o n t r o lo fe l e c t r i ca p p a r a t u sm e s s a g e sa n ds h a r e d a t a m e s s a g e s e x t e n de a s i l y r e d u c i n gw i r i n gh a r n e s s i m p r o v i n gc r e d i b i l i t y a n d m a i n t a i n a b i l i t y r e d u c i n gs y s t e mc o s t t h i sp a p e ra n a l y s e sa n dd i s c u s s e sd e v e l o p m e n ta c t u a l i t ya n dd i r e c t i o no fn e t w o r k t e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi nac a r b r i n g i n gf o r w a r db u st r a n s m i s s i o n m o d es u b s t i t u t i n gc a nb u sf o rt r a d i t i o n a lw i r i n gh a r n e s si nap a s s e n g e rc a r b a s e do n r e s e a c h i n gc a nb u st e c h n o l o g ya n de l e c t r i ca p p a r a t u s c o n t r o lo fap a s s e n g e rc a l d e e p l y i td e s i g n sa m e t e ra s s e m b l ys y s t e ma n df r o n t r e a ri n p u to u tm o d u l ef o rc a r r y i n g o u tc h e c k i n ga n dm e a s u r i n g c o n t r o l l i n g t r a n s m i t t i n ga n dd i s p l a y i n ge l e c t r i ca p p a r a t u s m e s s a g e si nap a s s e n g e rc a r m e t e ra s s e m b l ys y s t e mc a r r i e so u tt r a n s m i t t i n ga n d d i s p l a y i n ge l e c t r i ca p p a r a t u sm e s s a g e s i ta d o p t st h ep i c 18 f 8 58 5s e f i e s e ss i n g l ec h i p m i c y o c ow h i c hi n c l u d e se n h a n c e dc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k e c a n m o d u l e a sc e n t e r c o n t r o l l e r p i c18 f 8 5 8 5c o n t r o l l st j a l 0 4 0c a nb u sd r i v ef o rr e c e i v i n ga n ds e n d i n g m e s s a g e sf r o mc a nb u s e x c h a n g i n gm e s s a g e s 谢mm c 3 3 9 7 0s t e pm o t o rd r i v et o d r i v es t e pm o t o rm sx c 5t od i s p l a ye i g h tp a r a m e t e r sr e a l t i m e l y c a rs p e e d e n g i n e r o t a t es p e e d c o o l i n gf l u i dt e m p e r a t u r e o i lp r e s s u r e o i lc a p a c i t y v o l t a g e a i rp r e s s u r e1 a n da i rp r e s s u r e2 d r i v i n gl c dt od i s p l a ys i n g l em i l e a g e t o t a lm i l e a g ea n dm a n yk i n d s o fw a r n i n gm e s s a g e s t u r n i n gl c ds c r e e nb yk e y p r e s s c o n t r o l l i n gl e di n d i c a t o rl i g h t x i 山东大学硕十论文 f o rt os h o wb r e a k d o w no fe l e c t r i ca p p a r a t u sa n ds t a t em e s s a g e s i n p u to u tm o d u l e c a r r i e so u tc h e c k i n ga n dm e a s u r i n g c o n t r o l l i n ga n dt r a n s m i t t i n ge l e c t r i ca p p a r a t u s m e s s a g e s a l s ou s i n gp i c l8 f 8 5 8 5s e r i e s e ss i n g l ec h i pm i c y o c oa sc e n t e rc o n t r o l l e r c h e c k i n ga n dm e a s u r i n ga l lk i n d so f s w i t c hm e s s a g e sa n de i g h tp a r a m e t e r s c a r s p e e d e n g i n er o t a t es p e e da n ds oo nb yu s i n gi n p u tm o d u l e d e a l i n gw i mm e s s a g e so f d i s p e r s i v ee l e c t r i ca p p a r a t u sc o n c e n t r a t i v e l y t h e nd r i v i n gc a l l u m p m a n yk i n d so fr e l a y a n dd i r e c tc u r r e n te l e c t r o m o t o ru s i n gp o w e rm o d u l e u s i n gt j a10 4 0c a nb u st os h a r e m e s s a g e s 析mm e t e ra s s e m b l y t h es y s t e mh a sb e e nt e s t e do n l i n e l ya n de m u l a t e du s i n gc o m p u t e r a n dt h er e s u l t a r g u e dt h a tg e n e r a lp e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e ma c c o r d e d 析t ht h ea n t i c i p a n tp u r p o s ea n d r e q u e s t a n di ta l s oe s t a b l i s h e sf o u n d a t i o nf o r t h en e x ti m p r o v e m e n ta n dp e r f e c t i n g k e y w o r d sc a nb u s s i n g l ec h i pm i e y o c o s t e pm o t o r x i i 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果 对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本声明 的法律责任由本人承担 论文作者签名 钮吕翌 e t 期 硅型 矽 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论 文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 锄丝导师签名氍日期 型 如 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着计算机技术 网络通讯技术 集成电路技术的飞速发展和在客车上的广 泛应用 使得客车电子化程度越来越高 为了满足现代客车有关动力性 经济性 安全性 可靠性 净化性和舒适性等方面的要求 需要越来越多的控制装置 例 如电子燃油喷射装置 防抱死制动装置 a b s 电控自动变速器 安全气囊装置 电控门窗装置和主动悬架等等 但鉴于汽车制造业的特殊性 按功能模块化分工 制作 各个厂家生产的产品及其配套的e c u 部分 均为独立的控制系统 能够完 成单个模块的预定控制功能 但是 各个子系统之间没有联系 e c u 之间联动关 系几乎没有 信息也不能共享 势必会影响到这些子系统功能的发挥 导致整车 性能下降 而以总线形式把它们组成一个有机整体 则是一种新的尝试 1 1 c a n t 2 总线正是为满足这些要求而设计的 本文采用的s a ej 1 9 3 9 3 j 就是基于c a n 2 0 基础 之上的 2 0 世纪9 0 年代以来 随着集成电路和单片机在客车上的广泛应用 客车上电 控装置越来越多 大部分客车仍采用传统的点到点控制的通信方式 即电线一端 与开关相接 另一端与用电设备相通 车上导线急剧增加 安装空间短缺 一辆 采用传统布线方法的高档汽车 其导线长度可达2 0 0 0 米 电气节点达1 5 0 0 个 电 线的重量可以达到4 0 6 0 公斤 另外 电控系统的增加虽然提高了客车的安全性 经济性和舒适性 但随之增加的复杂电路也降低了客车的可靠性 增加了维修的 难度 加上客车车身长 发动机大多后置的特点 前后灯光线束和发动机与仪表 板之间的信息传递也造成线束大幅增加 4 为了减少线束 提高信号利用率 对客 车电子控制系统的设计提出了越来越高的要求 要求实现通信网络化和系统集成 化 5 1 然而用常规的仪表显然不能满足大信息量显示的要求 因此 设计能够实现 电器信息集中检测 控制与共享的控制系统和数字仪表 是当前客车工业发展的 需要 山东大学硕士论文 1 2 客车电子控制系统的发展现状及发展趋势 1 2 1 国内 外客车电子控制系统的发展现状 1 9 9 0 年 在汽车上控制系统使用的m c u 的平均数量是1 4 个 而2 0 0 0 年 却增 加到3 5 个 m c u 的类型也逐渐从8 位机 1 6 位机发展到今天的3 2 位机 据分析 超 过8 0 的汽车技术革新源于电子系统部分的创新 就成本而言 上世纪7 0 年代 一辆汽车的电子系统的平均成本约为1 0 0 美元 而到了本世纪初 却上升为1 8 0 0 美 元 今天 在一些豪华车型中 电子系统所占整车制造成本已超过2 3 更有芯 片制造业界预测 汽车电子设备成本将在未来1 0 年内增加到3 5 可见 电子系 统在车辆上的 份量 是越来越重了 6 7 当越来越多的电子系统应用于同一台车时 各系统之间也就有了关联性和时 序性的要求 目前 广泛应用于汽车上的电子装置 己经实现了局部的网络控制 在国外 c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 总线技术已广泛应用在客车上 如m a n 奔驰 尼奥普兰 沃尔沃等客车厂家c a n 总线技术已经很成熟 在国内 c a n 总 线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段 绝大部分的客车还没有 采用汽车总线的设计 2 0 0 7 年1 月1 日实施的交通行业标准j t t 3 2 5 2 0 0 6 营运客车 类型划分及等级评定 规定 特大型 大型高三和高二等级客车须采用c a n 技术 如字通 金龙等客车厂家已成功试装c a n 总线 现正处于发展阶段 8 l 但对于整车 的集成控制 国内还未见报道 因此 如何对这些独立的控制系统实现有效 有 序和安全方便的集成控制 综合利用他们的信息己成为客车技术发展迫切需要解 决的问题 9 1 1 2 2 目前客车电子控制系统存在的主要问题 国内客车电子控制系统中电子控制单元的增多 虽然提高了客车性能 但由 于相关配套技术的发展滞后 也带来了一系列急需解决的问题 1 线束更繁杂 客车线束的组成按传统的办法是每个电器设备都需要以一根 或两根 回路 导线与控制开关进行连接 现代客车的电子控制系统种类繁多 导致 线束增多 控制线路复杂 进一步引发成本增加 安装不便 检修困难 并引发 2 第1 章绪论 安全事故 2 对驾驶员要求进一步提高 目前 许多客车上采用的是传统的机械式仪表 或电子式仪表 功能较少 不便于驾驶员了解客车的各种状态信息 而客车驾驶 主要依赖于驾驶员的熟练程度 大量电子控制单元的独立工作 要求驾驶员必须 熟练掌握各单元操作方法和操作时序 从而增加了驾驶员的劳动强度和精神负担 误操作概率上升 降低了客车行驶的安全性 3 信息传递和关联性增强 现代客车的电子控制单元越来越多 越来越复杂 各控制系统之间信息的传递和关联性也越来越重要 充分利用各类信息资源 减 少信息冗余 要求大批数据信息能在不同的电控单元中共享 例如客车在行驶过 程中 如果驾驶员误操作打开了车门 会对乘客造成严重威胁 很容易发生事故 所以就要考虑到行驶控制系统与电动车门控制系统之间的信息传递和关联控制 但目前客车电子控制单元各自独立 客车驾驶几乎无关联性可言 带来安全隐患 4 影响客车安全性和舒适性 客车作为城市公共交通 人们外出的重要工具 其安全性 舒适性方面的要求日益提高 客车独立电子控制单元的使用虽然有利 于提高客车某方面的性能 但电子控制单元的增多和相互之间的弱关联性 以及 驾驶员误操作概率的上升 反而导致客车的安全性和舒适性的降低 1 0 1 1 2 3 客车电子控制系统的发展趋势 客车电子控制系统将运用计算机网络技术和现场总线技术 使客车与社会联 结方面获得较大的进步 包括广泛使用蜂窝电话与全球卫星定位系统 g p s 以及 采用多路总线分布式网络来集成所有汽车部件的电子控制单元 e c 使整个系统 具有数据融合 故障诊断合一的自修复功能 1 1 客车电子控制系统的发展趋势体 现在以下几个方面 1 客车电子控制趋于集中化 智能化 进入9 0 年代后 汽车电子技术开始向智能化 微型化 集控化方向发展 如 一个微处理器可同时对发动机 变速器 牵引力 稳定性等进行综合控制 客车 仪表从传统的机械式或电子式仪表发展为多用途 智能化数字仪表 不但可以很 精确地把客车上所有的待测量都显示结果 而且还有运算 判断 预测和引导等 山东大学硕十论文 功能 如可监视汽车各大部件的工作情况 还可以对蓄电池电压 轮胎气压 车 速等检测量的高低限量进行报警 1 2 2 客车电子控制趋于网络化 在客车上应用网络技术 一是减少线束 二是提高传输速度 实现信息共享 从而达到提高客车综合性能的目的 在计算机网络和现场总线技术的基础上 开 发各种应用于客车环境的网络技术和设备 组建汽车内部的通信网络 是现代汽 车发展的重要趋势 1 3 1 3 由独立控制系统推向综合控制系统 基于产品发展的现实状况 客车上装的多属独立的控制系统 不同的车型用 不同的控制系统 从发展的眼光考虑生产厂家及用户的各方面利益 将独立的控 制系统推向综合控制系统势在必行 当今 在硬件及软件的研制方面 已具备一 定条件实现汽车各种性能的综合控制 1 4 1 1 3 车载网络技术的发展现状 国外早在2 0 世纪8 0 年代就积极开展了车载网络技术的研究及应用工作 a u d i b m w m o t o r o l a 和v o l v o 等公司和部门成立了l i n l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k 联 合体 l r nc o n s o r t i u m 陆续发行了l i n l 0 l i n l 1 l i n l 2 三种版本 l5 1 r o b e r t b o s c h 公司于1 9 8 6 年提出了c a n 并于2 0 0 0 年开发了支持时间触发的协议 t t c a n t l 6 1 9 1 i s o 于1 9 9 3 年1 2 月出版了c a n 的国际标准i s 0 1 8 9 8 目前c a n 协议规 范为c a n 2 o 版本 b m w m o t o r o l a 和b o s c h 等几大汽车公司和半导体元件公司成 立t f l e x r a y 共同体 f l e x r a yc o n s o r t i u m 为车上应用系统高层网络和线控系统开 发通信协议 建立了f l e x r a y 系统标准 2 0 1 并且组织开发了一系列适合这个标准的 软硬件 b y t e f l i g h t t 2 1 网络通信协议是由m o t o r o l a e l m o s 以及i x x a t 等公司提 出的高速网络系统协议 目的是满足汽车系统需求的高速安全网络标准 b m w d a i m l e r c h r y s l e r 和o a s i ss i l i c o ns y s t e m s 等公司于1 9 9 8 年建立了在汽车上推广使用 m o s t m e d i ao r i e n t e ds y s t e m st r a n s p o r t 硐标准的合作机构 欧洲 美国和日本等 发达国家已经将汽车网络作为车辆必须采用的装置 奔驰 宝马 大众 沃尔沃 4 第1 苹绪论 及雷诺汽车都将网络作为电子控制器连接的手段 第5 9 届德国国际商用汽车展上 包括e x o d u s m a n s c a n i a v o l v o 等世界著名的汽车生产商展出的汽车产品 都装备了汽车网络系统 在我国的汽车市场中 奥迪a 4 宝来 p o l o 东风标致 3 0 7 赛纳 雪铁龙c s 等汽车中采用c a n 连接了部分电子控制单元 以提高其性能 北方奔驰汽车制造 烟台 有限公司引进美国卡特比勒发动机的基础上 在n d 6 1 2 0 s 汽车上初步应用c a n 总线技术 2 3 1 早在2 0 世纪9 0 年代中期美国汽车工程师协会 s a e 根据系统的复杂程度 信息 量 必要的动作响应速度 可靠性要求等将汽车网络系统由低到高划分为a 级 b 级 c 级网络 1 3 如表卜l 所示 表1 一ls a e 定义的汽车网络 在a 类网络中 u a r t 的应用逐渐减少 而l i n 协议将会成为主流协议 b 类网 络中的主流协议将是低速c a n s a ej 1 8 5 0 和v a n 等协议 其中c a n 最为突出 c 类网络的主流协议有高速c a n i s 0 11 8 9 8 2 和正在发展中的t t c a n t t p t m c t 2 4 和f l e x r a y 局部互联网络 l r n l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k 是一个汽车低端网络协议 它 采用s c i u a r t 等通用硬件接口 辅以相应的驱动程序 因此适用面较广 且成 本低廉 配置灵活 而且采用l i n 网络能够提高汽车上分层多路复用网络的性能 降低汽车电子控制装置开发 生产以及诊断服务的成本 l i n 将自身定位为c a n 等 5 山东大学硕十论文 主流总线的辅助总线 主要用于低速的车身电器控制 它已经广泛地被世界上大 多数汽车公司以及零部件厂商所接受 有望成为a 类网络中的世界标准 t t p a 是由t t t e c h 公司拥有的a 级汽车网络标准 它的应用目标与l i n 基本一 致 它是基于时间触发访问方式的协议 使用不同的物理层 数据传输速度可在 很大范围内选择 j 1 8 5 0 最初就是由美国的汽车公司f o r d g m 和c h r y s l e r 提出的 他们很多车型采用3 1 8 5 0 作为b 级网络使用 但是 f o r d 采用的j 1 8 5 0 标准 其物理 层与g m 和c h r y s l e r 公司使用的不同 而g m 和c h r y s l e r 公司在相同物理层上又使用 不同的数据帧格式 并且三个公司使用各自的消息协议 t t p c 和f l e x r a y 是以线控系统为主要应用目标的c 级汽车网络协议 相关的支 撑元器件 应用系统以及开发测试工具等 都处于初期研制阶段 在未来的线控 系统中哪一种系统会具有生命力尚难定论 m o s t 和d 2 b 是由媒体领域引入的标准 由于媒体信息音像的传输数据量大 所以比车上控制网络要求更高的传输速度 宽带 一般要求光纤或同轴电缆作为物 理层媒介 无线局部网络在汽车控制系统或媒体系统中的应用只有些探索性工作 由b o s c h 公司提出的c a n 标准最早在欧洲汽车上被广泛采用 后来包括美国 日本的汽车公司也适用它作为b 级或c 级汽车网络 它是一种多主总线 通信介质 可以是双绞线 同轴电缆或光纤 通信速率可达1 m b p s c a n 总线凭借其突出的可 靠性 实时性和灵活性成为b 类总线中的主流协议 本文采用的s a ej 1 9 3 9 协议是 一种应用于汽车的c a n 应用层协议 它基于c a n 扩展数据帧格式 传输速率为 2 5 0 k b p s 1 4 本课题研究的意义 解决现代客车电子控制系统面临问题的目标就是要改变传统的点对点控制的 通信方式 集中检测 控制电器信息 实现各控制单元信息共享 以及大量信息 的数字仪表显示 c a n 总线作为专用车载总线 能够实现信息在不同电子控制单 元间共享 简化传输导线数量 体积与重量 为客车提供更多的空间 提高安装 检修能力 中华人民共和国交通行业标准j t t 3 2 5 2 0 0 4 营运客车类型划分及等级 6 第1 章绪论 评定 2 5 1 中要求在高二级以上的客车底盘动力总成间采用c a n 总线 信息共享带 来大量信息需要实时的数字仪表显示 使驾驶员能及时了解客车的状态信息 集 中处理改变常规的布线方式 减少控制线束 易于互换 本课题研究基于s a ej 1 9 3 9 客车运控系统具有以下的现实意义和应用价值 1 有利于解决客车电子控制所存在的主要问题 如前所述 常规客车布线与电子控制方式已不适应客车e c u 日益增多 信息 交流日益广泛 e c u 协同工作日益突出的现状 网络控制在客车电子控制系统中 的作用越来越重要 它已不仅仅是解决客车电子化中出现的线路复杂和线束增加 问题的手段 其通信和资源共享能力是新的电子与计算机技术在客车上应用的一 个基础 是车上信息与控制系统的支撑 2 有利于推动我国客车车载网络的标准化进程 网络技术本身具有对标准依赖的特点 客车中网络协议的多样性必然要求形 成和采用行业标准 并与客车电控产业合作 这种标准化有利于不同部件或装置 生产厂家产品的集成 也有利于设计的可操作性 设计时可以为尚未存在的装置 或可替代的装置留出接口 最明显的是客车软件接口 现在车上嵌入系统硬件的水 平足以支持相对独立的软件 应当把这些软件看作为一种车上的部件或总成 这 种标准化即所谓的开放结构 o p e n a r c l l i t e 叽鹏 2 6 1 3 促使客车产业链的变革 采用汽车网络技术有利于提升企业技术水平 提高产品技术含量 占领市场 份额 网络化控制取代传统控制方式后 应用于常规客车控制方式的部分电器 如 继电器 将被取消 可以通过软件代替硬件功能 如电子闪光器 2 3 l 本课题的研究工作 顺应国家大力发展汽车电子的科技政策 在理论 技术 和应用上都具有十分重要的意义 1 5 本课题主要研究内容 本课题采用了微处理器嵌入技术 对客车控制系统中的各个测控单元进行数 字化改造 使之成为数字化的仪表模块和集中测控的i o 模块 并同时具备网络通 7 山东大学硕士论文 信能力 从而为客车网络化控制做好准备 利用c a n 总线技术实现客车控制系统 网络化 将客车所有模块连接起来 在j 1 9 3 9 协议支持下形成一个有机的网络运制 系统 1 本课题的主要研究内容包括 1 研究和分析c a n 总线技术及j 1 9 3 9 协议 以客车电器为控制对象 j 1 9 3 9 为 通信标准 按照根据几何位置靠近 功能相似 性能要求基本一致的原则划分输 入输出模块 进行数字化的组合仪表显示 采用c a n 总线构建客车运控系统 2 组合仪表设计 分析组合仪表功能和工作原理 设计基于s a ej 19 3 9 协议 的c a n 通讯接口 步进电机驱动 l c d 显示等仪表硬件结构 并采用结构化 模 块化的程序设计方法 以实现数字仪表功能和c a n 总线通讯 3 i o 模块设计 分析i o 模块的功能结构和工作原理 设计基于s a ej 1 9 3 9 协 议的c a n 通讯接口 状态量输入模块 功率驱动模块等i o 模块硬件结构 并采 用了结构化程序设计方法 以实现客车电器信息的集中采集 控制以及c a n 总线 通讯 4 在计算机平台上 进行程序调试与系统实验 初步实现了基于c a n 总线的 客车运控系统的综合性能测试 2 本论文主要工作 本论文的主要任务之一就是通过查阅大量的资料 了解汽车电子控制系统的 发展现状及发展趋势 在了解汽车网络技术的基础上 深入研究了c a n 总线技术 及j 1 9 3 9 协议 为具体应用奠定良好的理论基础 另一个主要任务是建立了一个功 能比较完善的电器运控系统 包括数字仪表总成设计与前 后部输入输出模块设 计 对所开发的模块功能进行初步的模拟测试 为今后深入研究开发与系统扩展 做好必要的准备 这其中包括大量的外文资料收集 查阅和消化工作 系统的软 硬件设计和调试工作 本论文的主要结构如下 1 基于c a n 总线的客车运控系统 2 组合仪表设计 3 i o 模块设计 8 第1 章绪论 4 程序调试与模拟实验 5 结论与展望 1 6 本章小结 本章首先阐述了本课题的研究背景 重点介绍客车电子控制系统的发展现状 及发展趋势 并概述了车辆网络技术的发展现状 接着介绍了本课题的意义 最 后说明了课题研究内容和论文的主要工作及结构 9 第2 章基于c a n 总线的客车运控系统 第2 章基于c a n 总线的客车运控系统 控制器局域网 c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k c a n 总线最初是由德i 虱b o s c h 公司为 解决汽车监控系统中的诸多复杂技术和难题而设计的数字信号通信协议 属于总 线式串行通信网络 本文设计的客车运控系统是基于c a n 总线 并采用j 1 9 3 9 作为 通讯协议 2 1 汽车网络技术 汽车网络控制是研究如何利用总线数据通信原理实现现代汽车中各个独立电 子系统和装置间控制信息传递通道的简洁互连 实时 可靠的数据交换及综合协 调控制的一门最新技术 它是以科学 合理的数据通信协议及支持这样协议的大 规模集成电路器件为基础的 和其他控制现场相比 汽车内温度变化范围大 一 般为一4 0 8 0 摄氏度 电磁干扰和其它电子噪声强 环境极其恶劣 因此网络在车 内运行的可靠性尤为重要 这不但体现在网络结构自身的容错能力和抗干扰能力 上 而且也体现在信号的编码方式和传输方式上 汽车局域网无一例外地都采用 了同步串行传输方式 数据信号多采用p w m v p w 和n r z 编码 汽车控制局域网属于现场总线类网络 是在汽车电子控制设备之间实现双向 串行多节点数字通信的系统 为开放式 数字化 多点通信的底层控制网络 对 于任何遵循上述协议的供应商所生产的控制单元都可轻易添加入该网络系统中或 者从网络系统中拆出 系统几乎不需要做任何硬件和软件的修改 这完全符合现 代汽车平台式设计的理念 2 7 1 再者 汽车内的e c u 之间的数据传输频率是变化的 在一个完善的汽车电子 控制系统中 许多动态信息必须与车速同步 为了满足各子系统的实时性要求 有必要对汽车公共数据实行共享 如发动机转速 车轮转速 加速踏板位置等 但每个控制单元对实时性的要求是因数据的更新速率和控制周期不同而不同的 这就要求其数据交换网是基于优先权竞争的模式 且本身具有极高的通信速率 山东大学硕士论文 c a n 总线正是为满足这些要求而设计的 2 2c a n 总线技术 2 2 1c a n 总线 2 0 世纪8 0 年代 德国b o s c h 公司最初为汽车监测和控制系统设计了c a n 总线 在1 9 9 1 年b o s c h 公司制定并发布了c a n 技术规范 该技术规范包括a 和b 两部分 2 0 a 给出了c a n 的报文格式 2 o b 给出了标准和扩展的两种报文格式 1 9 9 3 年i s o 正式颁布t c a n 国际标准0 s o l l 8 9 8 随着c a n 总线国际标准的形成 其应用范围 目前不仅局限于汽车行业 推广到了机械工业 纺织机械 农用机械 机器人 数控机床 医疗机械 家用电器等领域 c a n 协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的 由于c a n 的 数据结构简单 又是范围较小的局域网 故模型结构只取了o s i 的2 层 物理层和 数据链路层 因为结构层次少 有利于系统中实时控制信号的传输 c a n 总线位的数值表示 c a n 总线上用 显性 和 隐性 两个互补的逻辑 值表示0 和1 当在c a n 总线上出现同时发送显性和隐性位时 其结果是总线数值 为显性 图2 1 所示v c a n h 和v c a v l 为c a n 总线收发器与总线之间的两接口引脚 信号是以两线之间的差分电压形式出现 2 引 v 图2 一l 总线位数值表示 c a n 总线任意两节点之间的最大传输距离与其速率有关 表2 1 y i j 举了相关的 数据 1 2 第2 章基于c a n 总线的客车运控系统 表2 1c a n 总线任意两节点的通信距离 2 2 2c a n 总线的特点 c a n 属于总线式串行通信网络 由于采用了许多新技术 与一般的通信总线 网络相比 其特点概括如下 2 8 1 c a n 的数据通信具有突出的可靠性 实时性和灵活性 2 c a n 是到目前为止惟一具有国际标准的现场总线 3 c a n 为多主方式工作 网络上任一节点均可以在任意时刻主动的向网络上 其他节点发送信息 而不分主从 通讯方式灵活 且无须站地址等节点信息 4 在报文符号上 c a n 网络上的节点分成不同的优先级 可满足不同的实时 要求 高优先级的数据最多可在1 3 4 1 x s l 内得到传输 5 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时 优先 级较低的节点会主动地退出发送 而高优先级的节点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 网络瘫痪现象 6 c a n 节点只需要通过报文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 7 c a n 的直接通信距离最远可达至u 1 0 k m 速度5 k b p s 以下 通信速率最高可达 1 m b p s 此时最长距离为4 0 m 8 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 报文标识符 有1 1 位 而扩展帧的报文标识符 2 9 位 几乎不受限制 9 c a n 总线报文采用短帧结构 传输时间短 受干扰概率低 保证了数据出 错率低 1o 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 11 c a n 的通讯介质为双绞线 具有极高的总线利用率且成本低廉 山东大学硕士论文 1 2 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 1 3 c a n 总线可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文 发送的信息遭到破坏 后 可自动重发 1 4 c a n 总线结构简单 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 能充分用现有片开发工具 c a n 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 模型结构只有3 层 即只取o s i 底层的物理层 数据链路层和应用层 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 总之 c a n 总线具有实时性强 可靠性高 通信速率快 结构简单 互操作 性好 总线协议具有完善的错误处理机制 灵活性高和价格低廉等特点 2 2 3c a n 总线的分层结构 c a n 协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模型 i s o o s i 基础上的 考 虑到现场总线的应用特点 c a n 协议规定的网络系统结构由 i s o o s i 七层中的物 理层 数据链路层和应用层组成 2 8 1 c a n 协议为解决现代汽车中众多控制单元 测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信协议 经多次修订 现已形 成技术规范2 o 版本 该版本包括2 0 a 和2 0 b 两部分 在c a n 技术规范2 0 a 中 网络被划分为目标层 传输层和物理层三层 节点 的分层结构和功能如图2 2 a 所示 目标层和传输层包括了由i s o o s i 模型定义的 数据链路层的所有服务和功能 按i s o o s i 参考模型层次定义 这两层应被划分为 数据链路层范围 目标层的功能包括 1 确认哪个信息是要发送的 2 确认哪个传输层接收到了信息 3 为应用层提供接口 1 4 第2 苹基于c a n 总线的客车运控系统 在目标处理方面 c a n 提供很大的自由 传输层的功能范围包括 1 帧组织 2 总线仲裁 3 检错 错误报告 错误处理 物理层是将e c u 连接至总线的物理实现 e c u 的总数将受限于总线上的电气 负载 c a n 2 0 b 严格遵循i s o o s t 参考模型 节点的分层结构和功能如图2 2 b 所 示 将c a n 分为数据链路层和物理层 其中数据链路层又被划分为逻辑链路控制 子层 l l c l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 和媒体访问控制子层 m a c m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 这两层的功能分别与2 o a 中的目标层以及传输层功能相对应 2 9 应用层 目标层 报文滤波 报文和状态处理 传输层 故障鉴定 错误监测与标定 报文确认 接收应答 总线总裁 报文帧处理 传输速率与定时 物理层 信号电平和位表示 传输介质 数据链路层 数据链路控制子层 接收滤波 超载报告 恢复管理 媒体访问控制子层 数据封装与拆装 帧编码 媒体访问管理 错误检测 错误标定 接收应答 串行化 解除 物理层 位编码 解码 位定时 同步 驱动器 接收器特性 监控器 故障界定 总线故障界 定 a b 图2 2c a n 的分层结构 1 数据链路控制子层l l c l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 涉及报文滤波 过载通知 以 及恢复管理 2 媒体访问控制子层m a c m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 是c a n 协议的核心 它把 接收到的报文提供给l l c 子层 并接收来自l l c 子层的报文 m a c 子层负责报文 1 5 山东大学硕十论文 的分帧 仲裁 应答 错误检测和标定 m a c 子层也受一个名为 故障界定 f a u l t c o n f i n e m e n t 的管理实体监管 此故障界定为自检机制 以便把永久故障和短时扰 动区别开来 s a e 的货车客车控制和通信网络小组委员会投票通过了将c a n 协议作为c 类 数据交换网应用于客车 货车 农业及建筑等 并形成s a ej 1 9 3 9 标准 2 3s a ej 1 9 3 9 协议 2 3 1s a ej 1 9 3 9 简介 由s a e 卡车和公共客车电子及电子学委员会发起的s a e 卡车和公共客车控制 及通信网络小组委员会开发出s a er e c o m m e n d e dp r a c t i c e s 系列 这个小组委员会 的目标是开发信息报文 推荐技术和一些标准 它们与在汽车组件之间传输电子 信号和控制信息的设备的需求 设计和使用密切相关 这些s a e 推荐技术旨在开放 或封闭路面上的轻 重型汽车 还包括使用源于组件 比如 发电机设备 的汽车的 适合的固定应用 汽车行业不只局限于开放或封闭公路上的卡车和客车 还包括 建筑设备 农业设备以及器具 本设计使用的是s a e 推荐技术中的路面车