基于CAN总线的车门控制系统

1、山东科技大学学士学位论文摘要随着汽车电子技术的不断发展，汽车上的各种电子装置越来越多，电子控制装置之间的通讯也越来越复杂，而汽车上传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，造成了庞大的布线系统，已远远不能满足汽车愈加复杂的控制系统要求。汽车控制局域网can总线应运而生，它广泛应用于汽车电子控制系统中，为实现汽车控制部件的智能化和汽车控制系统的网络化提供了一个有效的途径和方法。本课题以基于can总线的汽车车身控制系统为研究对象，主要做了以下几方面的工作：首先，介绍了目前国际汽车电子技术的现状与发展趋势，比较了当今汽车网络主流技术，充分分析了当前比较流行的几种现场总线性能和特点

2、，对基于can总线的汽车车身控制系统进行了深入研究。其次，描述了系统的硬件设计与开发过程。根据实际应用情况的需求，确定了系统各模块的设计方案。具体描述了系统各控制节点的功能，详细介绍了主控制芯片外围电路、can通讯模块电路、车灯控制电路、雨刮器控制电路、门锁电机控制电路、车窗电机控制电路、电动后视镜控制电路、开关量检测电路等各个模块的硬件电路结构。再次，描述了系统的软件设计与开发过程。介绍了系统can通讯模块的通信流程，描述了系统各子模块程序的开发流程，给出了车灯控制模块及车门控制模块的程序结构和软件设计流程，以左前门控制器单元和前车灯控制器单元为例说明了控制器主程序、车灯控制程序、车窗电机控

3、制程序以及后视镜控制程序的结构。最后，介绍了系统的软、硬件的可靠性设计与开发过程，针对系统设计的干扰因素进行了分析并提出了相应的抗干扰措施，最终完成了系统的设计工作，实现了车身控制系统的电动车窗控制、车灯控制、雨刮器控制和后视镜控制等功能，将车身控制功能集成化、网络化。研究表明，基于can总线的汽车车身控制系统是可行的并且能够很好满足现代汽车车身控制的需求。关键词：can总线，车身控制系统，汽车电子abstractwith the rapid development of the automotive electronics technology ,the communication betw

4、een the electronic control devices are also more and more complexand most of the traditional automotive electrical systems using a single point-to-point communication modeand the electronic devices has little contact with each other ,resulting in a large amount of cabling systemso the traditional sy

5、stem has been unable to meet the more complex control requirementsand the can bus came into being ,it is widely used in automotive electronic control system for the implementation of intelligent vehicle control components and automotive control system network to provide an effective means and method

6、sthis dissertation study the automobile electronic control system based on canthe following works have been presented in this projectthis dissertation study the automobile electronic control system based on canthe following works have been presented in this projectfirstly, introduce the current and

7、development trends of the international automotive electronics technology, compare the mainstream of todays automotive network technologiesanalyzes several current popular field bus performance and characteristicsand then study the can-based automotive control systemsfurthermore，describes the system

8、 hardware design and development processdetermine the modules design based on the actual needs of the systemdescribes the specific function of each control node，details the main controller circuitcan communication module circuit, lights control circuit, wiper control circuit, locks motor control cir

9、cuit, window motor control circuit, rear-view mirror control circuit, switch detection circuit modules and other hardware circuit structuremoreover, describe the software design and development processintroduce the communication processes of the can communication module system, describes the program

10、 development process of the systems sub-module, present the program structure and software design processes of the lamp control module and the door control moduletake the front left headlight controller unit and the former controller unit as the example to describe the structure of the main controll

11、er, lights control, motor window control and the rearview mirror control proceduresfinally, describes the reliability design process of the system, analyze the interfering factors of the systems design, propose the corresponding anti-jamming measures, and then realize the control systems functions,

12、such as the motor windows control, lights contr01wiper control and rearview mirror control and other functionsfrom the work which has been done in this projectthe conclusion can be draw mat automobile electronic control system based on can is feasible and usefulkeyword: can, body control system, aut

13、omotive electronics.目录第1章 绪论71.1课题研究的背景71.2课题研究的国内外现状及发展动态81.2.1目前国内外主流的车身控制技术及其特点81.2.2目前国内外主流的汽车网络总线技术及其特点111.3课题研究的目的和意义131.4本文研究的内容及要完成的工作14第2章 汽车车载总线的基础知识与网络协议152.1 can总线简介152.1.1 can总线协议的性能特点152.1.2 can总线协议的发展历史162.2 can总线协议的网络分层模型及网络拓扑结构172.2.1 can总线协议的网络分层模型172.2.2 can总线协议的网络拓扑结构202.3 can总线协

14、议报文传输及帧结构222.3.1逻辑电平定义222.3.2 can总线协议报文的帧结构232.4 can总线协议的通信错误处理机制292.4.1 错误类型292.4.2 错误界定302.5 can总线协议的位定时与同步312.6 本章小结33第章 车门控制系统的方案确定343.1 车门控制系统的总体设计方案343.2 车身控制系统各节点功能描述353.3车门控制系统的具体功能37第章 车身控制系统的硬件设计394.1系统核心元器件选型394.1.1微控制器芯片mc9s08dz60单片机394.1.2 can总线驱动器mc33388414.2 系统硬件电路总体结构424.3 系统各模块硬件电路的

15、设计434.3.1 单片机时钟及复位电路设计434.3.2 电源模块电路设计444.3.3 can节点通信电路设计454.3.4 车窗电机驱动电路设计464.3.5 门锁电机驱动电路设计47第5章 车窗防夹算法研究495.1.1电机周期的测量495.1.2车窗位置的确定515.2 防夹车窗算法的提出和实现515.2.1 防夹试验数据分析515.2.2 防夹算法的提出525.3 算法优化535.3.1 车窗在底部启动时的算法优化535.3.2 车窗到顶时的算法优化535.3.3 车窗中途停止再启动时的算法优化545.4电动车窗防夹的总结56第6章 结论与展望576.1 全文总结576.2 工作展

16、望57致谢59参考文献60附录62第1章 绪论1.1课题研究的背景进入二十一世纪以来，我国国民经济持续高速增长，同时汽车产业也得到迅猛的发展。我国汽车特别是轿车的生产和消费都进入了高速增长期。据统，2007年我国汽车产量达到近888.2万部，而轿车依然是汽车产业发展的最劲动力，轿车比重进一步扩大，达到总产量的54.3。在汽车业高度发达的今，汽车已逐步进入中国工薪阶层，成为普通市民的主要交通工具。据统计至7年末，全国民用汽车保有量达到5697万辆，比上年末增长14.3，其中私人汽车保有量3534万辆，增长20.8。民用轿车保有量1958万辆，增长26.7。人民对家用轿车的消费需求r益增长，而汽车

17、也正朝着电子化、智能化的向发展。近年来，在中国汽车产业高速发展的直接推动下，中国汽车电子市场发展迅猛，2007年我国汽车电子产品销售额达到1215.7亿元，同比2006年长超过40。汽车技术的创新70都是来自于电子技术的应用5，整车设计师汽车电子作为开发新车型，改善和提高汽车性能的技术措施。汽车制造商把加汽车电子化进程，增加汽车电子装置数量，作为汽车的新卖点和夺取未来市场重要手段。当前国际汽车电子技术正处于全面快速发展的阶段，其特征体现在以下五个方面1：(1)功能多样化。从最初的电子点火、电控燃油喷射发展到如今各种控制功能，如汽油机缸内自喷，电控复合火花点火，智能气门电子，各种线控技术(x-b

18、y-wire)，主动和自适应悬挂，防撞防盗等等。(2)技术一体化。从最初的机电部件到如今的机、液、电、磁一体化，如自喷式发动机电控燃料喷射系统。(3)系统集成化。从最初的单一控制发展到如今的多口标、多变量综合协调控制，使之更经济有效。从传感器到控制器包括布线都越来越集成化，把几项功能集成在一起。(4)通信网络化。从最初的多子系统分别上作到如今的分布式模块化控制器局部网络，如以can总线为基础的整车信息共享的车载分布式控制系统，以d2b(domestic digital bus)无线通信为基础的远程高频网络通信系统。(5)技术标准化。由博世公司提出的控制器局域网(controller area

19、network)己经成为国际标准(is011519和is011898)，并产品化，在欧洲汽车上获得广泛应用。汽车车身电子控制系统(bcm)是汽车电子系统中的一个重要组成部分，其在汽车电子市场中占有的份额正逐步增加。现在的汽车基本都具备一定的车身电子控制功能2，比如电子钥匙防盗、电动门窗、电动雨刮、电动集中式和分布座椅、电动后视镜等。目前汽车车身控制技术主要有三种方式：分散式、集中式和分布式(总线式)。汽车车身控制技术的广泛普及应用，为汽车电子行业的发展开拓了新的潜在市场。1.2课题研究的国内外现状及发展动态1.2.1目前国内外主流的车身控制技术及其特点汽车车身控制系统包括汽车安全、舒适性控制和

20、信息通信系统，主要是用于增强汽车的安全性、驾驶的方便性和乘坐的舒适性。该系统涵盖的范围包括空调控制、车辆信息显示、挡风玻璃的雨刮控制、灯光控制、汽车门锁控制、电动车窗控制、安全气囊与安全带控制、防撞与防盗安全控制、电源管理系统等，还有用于和车外连接，以及协调整车各部分电子控制功能，并将大量计算机、传感器与交通管理服务系统连接在一起的综合显示系统、驾驶员信息系统、导航系统、计算机网络系统、状态监测与故障诊断系统等。车身控制技术发展至今，己形成模块化和系统化，即众多的控制功能已整合到一个(或几个)功能强大的控制模块中，这就是我们常说的bcm(车身控制模块)。目前国际上流行的汽车车身控制技术主要有三

21、种方式：分散式、集中式和分布式(总线式)2。国外很早就对汽车车身控制系统进行了相关的研究，目前，外资企业占据了我国轿车的车身控制模块的市场，成为市场主流企业。相比而言，我国的车身网络和车身控制模块行业还处于起步阶段，国内的企业面临着技术和市场两个瓶顶。2006年我国新产轿车中采用bcm技术类型的比例图如图1-1所示2，其中采用分散式车身控制技术的轿车产量比例达50，其次是采用分布式车身控制技术的比例占38，集中式车身控制技术占12，三种车身控制方式各有优劣。图1-1 2010年我国新产轿车中采用bcm技术类型比例图分散式控制的控制功能由几个分散独立的ecu完成，各个ecu之间的信息交流不容易实

22、现；分散式控制方式的优点是对汽车电器的控制灵活性高，可以根据用户的不同需求，进行添加、更换不同功能模式的ecu。其控制方式技术上相对简单，对汽车电器供应商的技术要求也相对较低，便于新车型的开发。它的缺点是各ecu之间没有通信，不便于信息共享和功能的提升，无法实现强大的控制功能，同时增加或改变ecu也使成本增加。分离ecu模块的大量使用，在提高车辆舒适性的同时也带来了成本增加、故障率上升、布线复杂等问题。所以分散式控制由于其控制效果差，线束成本高以及不易诊断等缺点将渐渐被市场淘汰。目前国内采用分散式bcm的车型主要是经济型轿车，如桑塔纳3000、旗云、自由舰、伊兰特、爱丽舍、捷达等。集中式控制则

23、是将所有的控制信号集于一身，采集量和控制信号过多，其优点是系统实现的成本较低。缺点是集成度越高，体积就越大，耗电多，散热问题多，且其出错的可能性比较高，可靠性不是很好，一旦bcm中的某个元器件被损坏，就必须更换整个bcm，因此集中式控制的维修成本比较高。目前国内采用集中式bcm的车型较少，代表车型有御翔、天籁、颐达、骐达、尊驰、骏捷等。分布式控制系统是根据整车上的电气负载及其线束的布局，合理配置控制模块，以减少整车线束的布局。其将各个ecu分布在邻近的区域，相互之间通、过总线通信，不仅减少了线束用量，也实现了整个系统的统一调度和通信，而且可以在原有系统上添加和删减。目前市场上的中高档轿车多采用

24、分布式控制技术，如帕萨特、途安、雅阁、凯旋、奥迪、速腾、蒙迪欧、皇冠、君威、派朗等，而且分布式车身控制技术也开始逐渐向经济型轿车普及。因此，在汽车车身控制系统中采用分布式控制的方式是大势所趋。1.2.2目前国内外主流的汽车网络总线技术及其特点分布式控制技术由于其具有的各种优点，使其更适合于应用在汽车车身控制系统中。为了解决汽车各电控单元之间的信息交换与共享，分布式控制技术引入了车载网络总线技术，其分类主要以其适用的网络协议标准划分。目前存在多种汽车网络标准，为方便研究和设计应用，sae车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为a、b、c三类。如表1-1所示。a类主要面向传感器/执行器控制的低速网络，

25、数据传输位速率通常只有1-10kbit/s。主要应用于电动门窗、中控锁、座椅调节、灯光照明等控制。b类主要面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般为10-100kbit/s。主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，以减少冗余的传感器和其它电子部件。c类主要面向高速、实时闭环控制的多路传输网，最高位速率可达1mbit/s，主要用于发动机和自动变速的动力控制、防滑控制、悬架控制等系统，以简化分布式控制和进一步减少车身线束。其中lin总线、flexray总线以及can总线是当前汽车车载网络技术中应用的较多的总线标准。lin总线是目前a类中的首选标准。lin是用于汽车分布式

26、电控系统的一种新型低成本串行通信系统，它是一种基于uart的数据格式、主从结构的单线12v的总线通信系统，主要用于智能传感器和执行器的串行通信，而这正是can总线的带宽和功能所不要求的部分。由于目前尚未建立低端多路通信的汽车标准，因此lin正试图发展成为低成本的串行通信的行业标准。lin的标准简化了现有的基于多路解决方案的低端sci，同时将降低汽车电子装置的开发、生产和服务费用。lin采用低成本的单线连接，传输速度最高可达20kb/s，对于低端的大多数应用对象来说，这个速度是可以接受的。它的媒体访问采用单主、多从的机制，不需要进行仲裁。在从节点中不需要晶体振荡器而能进行自同步，这极大地减少了硬

27、件平台的成本。can总线是德国bosch公司从20世纪80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1mb/s。can总线通信接口中集成了can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、循环冗余检验、优先级判别等项工作。can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，最多可标识2048(2.0a)个或5亿(2.0b)多个数据块。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上受限制。数据段长度最多为8个字节，不

28、会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。can协议采用crc检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。flexray总线则是伴随x-by-wire技术而诞生的，它可以满足更高的实时性和安全性通信要求。其具有高速度(每信道高达10mbps)、双信道、时间触发、强大的容错协议等特点。flexray主要是针对电子转向和电子制动应用的。flexray是继can和lin之后的最新研发成果，具有多重安全功能。flexray关注的是当今汽车行业的一些核心需求，包括更快的数据速率，更灵活的数据通信功能，更全面的拓扑选择和容错运算。flexray主要应用于线控操作转向、防抱死制动系统(abs)

29、(包括车辆稳定控制vsc和车辆稳定助手vsa)、动力系统(电子节气门)，电脑化燃油喷射器、电脑化可变进气系统以及电脑化怠速控制系统等。因此，flexray可以为下一代的车内控制系统提供所需的速度和可靠性。综上所述，由于lin总线主要是为了满足局域网络中更低成本的需求产生的，其带宽、实时性、可靠性已经不能满足日益复杂的车身控制系统的需求。而在未来几年，flexray总线技术的成本很难降到can总线的程度，并且can总线的带宽、可靠性等已经可以满足汽车控制领域的通信需求，所以flexray也很难替代can总线成为车身控制系统的总线。而can总线就是为了实现各车载电子模块之间的数据交换、减少整车线束

30、而形成的汽车电子控制网络。所以从当前汽车产业的现状及发展来看，can总线更适用于应用在汽车车身控制系统中。 1.3课题研究的目的和意义在传统的机械装置与技术在汽车领域的应用已相当成熟，进一步地发展存在投入或成本等方面的局限性背景下，电子技术开始广泛应用于汽车领域。从汽车技术发展的现状和发展看，汽车电子技术是支撑现代汽车发展的基础技术之一，他不简单的对汽车零部件进行电子控制，而是根据汽车实际使用条件多变的需要，对汽车进行优化综合控制。由于使用条件不同有不同的综合控制目标，无法依靠单个部件的控制来实现所有功能，因此网络技术也将是汽车技术发展的另一个领域。据估计，到2011年，汽车中使用的电器和电子

31、产品元件占汽车总成本的比例将提高到40%左右。而随着这些电子装置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，而传统的电器系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间可少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达2000米，电气节点达1500个，而且该数字大约每十年增长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。一般情况下线束都安装在纵梁下等看不到的地方，一旦线束中出了问题，不仅查找相当麻烦，而且维修也很困难。另外，在汽车中增加新的用电设备对线束的改动很大，一般只能从外面加线，从而使线路更凌乱。所以，无论从材料成本还是工

32、作效率看，传统布线方法都不能适应汽车的发展。can总线推出的最初动机，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。将can总线技术应用到车身控制系统中去就是为实现汽车控制部件的智能化和汽车控制系统的网络化提供了一个有效的途径和方法。综上所述，本研究的意义在于从车门的can总线控制系统着手来了解can总线技术是如何简化现代汽车中日益复杂的电子控制设备之间的连线，从而有效的增强系统的可靠性、舒适性、安全性及降低系统的综合成本，提高汽车系统化、智能化程度。1.4本文研究的内容及要完成的工作本课题的主要研究内容是基于can总线的车门控制系统，论文共分5章，各章主要内容

33、如下:第1章 绪论第2章 can总线技术的基本原理及协议分析第3章 车门控制系统的方案确定第4章 车门驱动控制系统的硬件设计第5章 车窗防夹算法研究第2章 汽车车载总线的基础知识与网络协议2.1 can总线简介2.1.1 can总线协议的性能特点控制器局域网(controller area net)简称can总线，是德国bosch公司于80年代初为解决现代汽车中众多的电控模块(ecu)之间的数据交换而开发的一种串行通信协议。can总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。can总线上的任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可

34、在各节点之间实现自由通信。can总线协议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，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，这样就可使网络内的节点个数在理论上不受限制。can总线具有很高的网络安全性、通讯可靠性和实时性，而且简单实用，网络成本低，特别适用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。具体来说其主要特点有：(1)采用通讯数据块编码，可实现多主工作方式，数据收发方式灵活，可实现点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式；(2)采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术，具有暂时错误和永久性故障节点的判别及故障节点的自动脱离功能，使系统其他节点的通信不受

35、影响；(3)can节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其它操作不受影响；(4)采用统一的标准和规范，使各设备之间具有较好的互操作性和互换性，系统的通用性好；(5)通讯介质可采用双绞线，无特殊要求；现场布线和安装简单，易于维护，经济性好。只有2根线与外部相连，且内部含有错误探测和管理模块；(6)网络上的节点信息可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求；(7)can总线通信格式采用短帧格式，每一帧的有效字节数为8个(can技术规范2.0a)，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；(8)采用非破坏性总线仲裁技术。当两个节点同时向网络上传送数据时

36、，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，有效避免了总线冲突；(9)直接通信距离最大可达10km(速率5kb/s以下)，最高通信速率可达1mb/s(此时距离最长为40m)；(10)can总线采用crc检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。2.1.2 can总线协议的发展历史can总线协议最早由德国bosch公司于1985年推出，之后经过多次修改，于1993年被iso国际标准组织制订为国际标准，包括用于高速场合的is011898标准和用于低速场合的is011519标准，can是目前世界上唯一取得国际标准的总线规范。表2-1列出了can总线协议技

37、术规范的发展历程。can总线协议规范在版本1.0到1.2之问只做了少量修改：1.1版本中，对位定时要求重新作了规定，以提高位定时特性和识别力；1.2版本中对间歇场和错误/超载界定符中出现的显性位的解释做了微小改动，振荡器容差提高，使得陶瓷振荡器可以代替石英振荡器工作。1991年重新制定并颁布的can技术规范2.0版包括2.0a和2.0b两部分。其中2.0a内容同1.2版，给出了报文标准格式。2.0b给出了报文的标准和扩展帧两种格式，推出2.0b是为了满足美国汽车制造商对c类网络应用的要求，这是因为扩展格式使用29位标识符，能实现和j1850类似的信息标示策略。随后，sae的卡车巴士控制和通信网

38、络委员会j1939投票通过了将can作为c类数据交换网应用于巴士、卡车、农业及建筑车辆，并将其作为j1939标准的核心内容。如今，can技术规范2.0a和2.0b以及国际标准is011898是设计can应用系统的基本依据，也是应用设计的基本规范。2.2 can总线协议的网络分层模型及网络拓扑结构2.2.1 can总线协议的网络分层模型为了实现各种计算机网络系统之间的互联，iso(国际标准化组织)于20世纪80年代提出了网络互联协议的基本框架开放式通信系统互联(osi)参考模型。osi模型把网络功能分为七个层次，由下至上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，每层都规定

39、了完成的功能及相应的协议。osi参考模型的层次结构如图2-1所示。图2-1 osi参考模型层次结构图osi参考模型采用分层结构技术，把网络在逻辑上看成是若干相邻的层组成，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，而把这种服务是如何完成的细节对上层屏蔽起来。高层的功能是以其下层提供的服务为基础的，下层的任务是向其上层提供无误码信息传输。值得注意的是osi参考模型只是网络结构设计的向导，但不是任何使用网络的最佳选择。由于can协议用于特定的工业控制现场，要求网络结构简洁、价格低廉、通常还要求数据传输速度快，满足实时控制需要。osi模型显得过于庞大，数据处理耗时太大，不适合于工业现场实时控制，所以

40、can协议只采用了三层网络结构。为了设计透明和执行灵活，can技术规范2.0a中，网络被划分为应用层、传输层和物理层三层。can节点的分层结构如图2-2所示。图2-2 can节点的分层结构图应用层和传输层包括了由iso/osi模型定义的数据链路层的所有服务和功能，按iso/osi参考模型层次定义，这两层应被划分为数据链路层范围。应用层功能包括：确认哪个信息要发送；确认传输层接收到的哪些信息真正有用：为应用层提供接口。在定义目标处理时，存在很大的灵活性。传输层是can协议的核心，其功能包括：帧组织；总线仲裁；错误检测、错误报警及故障界定：确认总线是否空闲；确认是否接收信息：位定时等。和目标层相比

41、，传输层不存在能被灵活修改的特性。物理层功能范围包括：以一定的电气特征要求完成节点问的实际位传送过程。物理层在2.0a中没有被定义，以便在具体应用中对传输介质和信号电平进行优化设计。2.2.2 can总线协议的网络拓扑结构在计算机网络中，把计算机、终端、通信处理机等设备抽象成点，把连接这些设备的通信线路抽象成线，并将由这些点和线所构成的拓扑称为网络拓扑结构。网络拓扑结构反映出网络的结构关系，它对于网络的性能、可靠性以及建设管理成本等都有着重要的影响，因此网络拓扑结构的设计在整个网络设计中占有十分重要的地位，在网络构建时，网络拓扑结构往往是首先要考虑的因素之一。计算机网络中常见的拓扑结构有总线型

42、、星型、环型、树型以及网状型。图2-3给出了常见的计算机网络拓扑结构图。图2-3 计算机网络拓扑结构图(1)总线型拓扑总线型拓扑中采用单根传输线路作为传输介质，所有站点通过专门的连接器连到这个公共信道上，这个公共的信道称为总线。任何一个站点发送的数据都能通过总线传播，同时能被总线上的所有其他站点接收到。可见，总线型结构的网络是一种广播网络。总线型拓扑形式简单，节点易于扩充，是基本局域网拓扑形式之一。(2)星型拓扑星型拓扑中有一个中心节点，其他各节点通过各自的线路与中心节点相连，形成辐射型结构。各节点间的通信必须通过中心节点的作用，如图2-3(b)中a到b或a到c都要经过中心节点d。星型拓扑的网

43、络具有结构简单、易于建网和易于管理等特点。但这种结构要耗费大量的电缆，同时中心节点的故障会直接造成整个网络的瘫痪。星型拓扑也经常应用于局域网中。(3)树型拓扑树型拓扑结构如图2-3(d)所示，它可以看作成星型拓扑的一种扩展，也称扩展星型拓扑。(4)环型拓扑在环型拓扑中，各节点和通信线路连接形成的一个闭合的环。在环路中，数据按照一个方向传输。发送端发出的数据，延环绕行一周后，回到发送端，由发送端将其从环上删除。我们可以看到任何一个节点发出的数据都可以被环上的其他节点接收到。环型拓扑具有结构简单，容易实现，传输时延确定以及路径选择简单等优点，但是，网络中的每一个节点或连接节点的通信线路都有可能成为

44、网络可靠性的瓶颈。当网络中的任何一个节点出现故障都可能会造成网络的瘫痪。另外，在这种拓扑结构中，节点的加入和拆除过程比较复杂。环型拓扑也是局域网中常用的一种拓扑形式。(5)n状拓扑在网状拓扑结构中，节点之间的连接是任意的，每个节点都有多条线路与其他节点相连，这样使得节点之间存在多条路径可选，如图2-3(e)中从a到c可以是a-b-c也可以是a-d-b-c，在传输数据时可以灵活的选用空闲路径或者避开故障线路。可见网状拓扑可以充分、合理的使用网络资源，并且具有可靠性高的优点。我们知道，广域网覆盖面积大，传输距离长，网络的故障会给大量的用户带来严重的危害，因此在广域网中，为了提高网络的可靠性通常采用

45、网状拓扑结构。但是我们也应该看到，这个优点是以高投资和高复杂的管理为代价的。2.3 can总线协议报文传输及帧结构2.3.1逻辑电平定义can的传输介质由两根传输线组成，其中一根被称为高电平传输线can_h，另一根被称为低电平传输线can_l，对地电压分别被表示为vcan_h和vcan_l，它们之间的差值被称为差分电压vdiff，即vdiffvcan_hvcan_l 。满足条件0.9vvdiff5.0v时，代表逻辑数字“0” ，当前传送的数据被称之为“显性(dominate)”位，当-1.0vvdiff0.5v时，代表逻辑数字“1” ，当前传送的数据位被称之为“隐性(recessive)”位。

46、总线电压波形、差分电压波形以及逻辑电平之间的关系如图2-4所示，在总线发送“显性”位的标称值分别为3.5v、1.5v和2.0v，发送“隐性”位期间，它们的标称值分别为2.5v、2.5v和0v。图2-4 电压波形及逻辑电平定义2.3.2 can总线协议报文的帧结构can以报文为单位进行消息传送，每一个发送数据或请求数据发送的报文均包含有标识符id，它标识该报文的优先权4。can总线上各节点不分主从，都可主动发送消息。如果同时有两个或更多节点开始发送报文，can采用无损总线裁决技术进行仲裁，优先权高的报文赢得总线使用权，而其它优先权低的报文主动停止发送，当总线再次空闲后，这些节点自动重发报文。ca

47、n系统中，一个can节点不使用有关系统结构的任何消息(如站地址等)。报文中标识符id并不指出报文的目的地址，而是表述数据的类型和含义，通常这些数据的类型根据它们在控制中的重要性和实时性要求被划分。can中一个报文被称一帧，报文传输有以下4个不同类型的帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。(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、crc场、应答场、数据场和帧结束。数据场长度可为0。报文的数据帧结构如图2-5所示。图2-5 报文的数据帧结构图在can技术规范2.0a中规定了标准数据帧的格式，而在2.0b中则规定了两种格式：标准格式和扩展格式。其主要区别在于标识符的长度，具有1

48、1位标识符的帧称为标准帧，而包括29位标识符的帧称为扩展帧。帧起始(sof)帧起始标志位标志着数据帧和远程帧的起始，它以一个比特的显性位出现。只有在总线处于空闲状态时，才允许站点开始发送信号，这个状态将结束总线空闲状态，表明有某个节点设备开始发送消息，并且所有站都必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿。仲裁域仲裁域由标识符id和远程发送请求位(rtr)组成。对于can2.0b，标准格式和扩展格式的仲裁域格式不同。在标准格式中，仲裁域由11位标识符和远程发送请求位rtr组成，标识符为id.28-id.18，标准帧的仲裁域结构图如图2-6图2-6 标准帧的仲裁域结构图而在扩展格式中，仲裁场由2

49、9位标识符、远程请求srr位、标识位(ide)和远程发送请求位(rtr)组成，标识符位为id.28-id.0，扩展帧的数据结构图如图2-7所示。图2-7 扩展帧的仲裁域结构图控制域控制域结构图如图2-8所示。标准格式的控制域结构和扩展格式的不同。标准格式早的控制域包括数据长度代码、ide位及保留位r0。扩展格式晕的控制域包括数据长度代码和两个保留位：r1和r0。其保留位必须发送为显性，但是接收器接收的是显性和隐性位的组合。图2-8 控制域结构图数据长度码dlc指示了数据域里的字节数目。数据长度代码为4位，它在控制域里发送。数据帧长度允许的数据字节数为0至8，其他数值不允许使用。数据长度代码如表

50、2-1所示，其中d代表“显性”位；r代表“隐性”位。数据域数据域由数据帧里的发送数据组成，它可包括0-8个字节，每个字节包含8位。首先发送数据的最高有效位。循环冗余码域crc域包括crc序列，其后是crc界定符，循环冗余码结构图如图2-9所示。应答域应答域长度为2个位，包括应答间隙和应答界定符，应答域结构图如图2-10所示。在应答域里，发送器送出两个隐性位。当接收器正确地接收到有效的报文时，接收器就会在应答间隙期间向发送器发送一个显性位以示应答。图2-9 循环冗余码结构图图2-10 应答域结构图表2-1 数据帧长度代码dlc帧结尾每一个数据帧和远程帧均由一个7位隐性位组成的标志序列界定。(2)

51、远程帧远程帧被用来请求总线上某个远程节点发送自己想要接收的某种数据，具有发出这种远地消息能力的节点收到远程帧后，就应尽力响应这个远地传送要求。所以对远程帧本身来说，是没有数据域的。在远程帧中，除了rtr位是被设置成l(隐性)，表示被动状态外，其余部分与数据帧完全相同。可以说，rtr位的极性表示了所发送的帧是数据帧还是远程帧。数据长度代码的数值是独立的(可以标注为0-8范围里中的任何数值)。远程帧结构图如图2-11所示。图2-11 远程帧结构图(3)错误帧错误帧由两个不同的域组成，错误帧结构图如图2-12所示。第一个域是不同站提供的错误标志的叠加；第二个域是错误界定符。在报文的传输过程中，检测到

52、任何一个节点出错，即于下一位发送错误帧，通知发送端停止发送。图2-12 错误帧结构图(4)过载帧过载帧包括两个位域：过载标志和过载界定符。过载帧结构如图2-13所示。图2-13 过载帧结构图导致发送过载帧的情况有3种：接收器的内部原因，它需要延迟下一个数据帧或远程帧。在间歇的第一位和第二位检测到一个显性位。如果can节点在错误界定符或过载界定符的第八位采样到一个显性位，则节点会发送一个过载帧。过载标志由6个显性位组成。过载标志的所有形式和“激活错误”标志的一样。由于过载标志的格式破坏了间歇域的固定格式，因此，所有其他的站都检测到过载条件，并与此同时发出过载标志。如果在问歇的第3个位期间检测到显

53、性位，则这个位将被解释为帧的起始位。过载界定符包含有8个隐性位。过载界定符的形式和错误界定符的形式一样。过载标志被传送后，站就一直监视总线，直到检测到一个从显性位到隐性位的跳变为止。在这一时刻，总线上的每一个站完成了各自过载标志的发送，并开始同时发送其余7个隐性位。(5)帧间空间数据帧(或远程帧)与其前面帧的隔离是通过帧间空间来实现的，无论其前面的帧为何类型(如数据帧、远程帧、出错帧、超载帧)。而超载帧与出错帧之前没有帧间空间，并且多个超载帧之间也不是由帧间空间隔离的。帧间空间包括“间歇”和“总线空闲”的位域，如果是发送前一报文的“错误认可”站，则还包括称作“挂起传送的位域。对于不是“错误认可

54、”的站或作为前一报文的接收器的站，其帧间空间结构如图2-14所示。图2-14 帧间空间结构(1)对于已作为前一报文发送器的“错误认可”的站，其帧间空间结构如图2-15所示。图2-15 帧间空间结构(2)2.4 can总线协议的通信错误处理机制2.4.1 错误类型can总线协议有五种错误类型【】。(1)位错误节点单元在发送位的同时也对总线进行监测。如果所发送的位值与所监测的位值不相符合，则在此位时间里检测到一个位错误。但是在仲裁域的填充位流期间或应答问隙域发送一隐性位时的情况是例外的，此时，当监测到显性位时，不会发出位错误。当发送器发送一个“认可错误”标志但检测到显性位时，也不视为位错误。(2)

55、填充错误在应当使用位填充法进行编码的报文域中，出现了第6个连续相同的位电平时，将检测到一个填充错误。(3)crc错误crc序列包括了发送器的crc计算结果。接收器计算crc的方法与发送器相同，如果计算结果与接收到crc序列的结果不相符，则检测到一个crc错误。(4)格式错误如果一个固定形式的位域含有1个或多个非法位，则检测到一个形式错误。(5)应答错误只要在应答间隙期间所监视的位不为显性，发送器就会检测到一个应答错误。2.4.2 错误界定节点单元的故障状态有3种4：错误激活、错误认可、总线关闭。“错误激活”的单元可以正常地参与总线通信，并在检测到错误时发出“激活错误”标志。“错误认可”的单元不

56、允许发送“激活错误”标志。“错误认可”的单元参与总线通信，在检测到错误时只发出“认可错误”标志。而且，发送以后，“错误认可”单元将在启动下一个发送之前处于等待状态。“总线关闭”的单元不允许在总线上有任何影响。为了界定故障，在每个总线单元中都设有两种计数：发送出错计数和接收出错计数。在运行过程中，3种故障状态之间的转换过程图如图2-16所示。图2-16 故障状态转换过程2.5 can总线协议的位定时与同步有关can总线协议中的位定时与同步要求包括如下重要概念：(1)标称位速率标称位速率为理想的发送器在没有重新同步的情况下每秒发送的位数量。(2)标称位时间可以把标称位时间划分为几个不重叠时间的片段

57、，即同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2，标称位时间的划分图如图2-17所示。图2-17 标称位时间的划分图(3)信息处理时间信息处理时间是一个以采样点作为起始的时间段，被保留用于计算后续位的位电平。(4)时间额数时间额数是从振荡器周期派生出的一个固定时问单元。以最小时间额数为起点，时间额数可为：时间额数=m*最小时间额数（其中m为预比例因子）。(5)硬同步硬同步后，内部的位时间从同步段重新开始。因而，硬同步迫使引起硬同步的跳变沿处于重新开始的位时间同步段之内。(6)重同步跳转宽度由于重同步的结果，相位缓冲段1可被延长或相位缓冲段2可被缩短。这两个相位缓冲器段的延长或缩短的总和上限由重同步跳转宽度给定。重同步跳转宽度可编程为1和4相位缓冲段1中的最小值之间。(7)边沿的相位误差边沿相位误差由相对于同步段边沿的位置给出，以时间额数度量。(8)重新同步当引起重新同步的边沿相位误差的值小于或等于重新同步跳转宽度的编程值时，重新同步和硬同步的作用相同。当相位误差的值大于重新同步跳转宽度时，如果相位误差为正，则相位缓冲1就增长一个重新同步跳转宽度的值；如果相位误差为负，则相位缓