汽车安全气囊的应用研究毕业论文

1、 编号毕业设计(论文)汽车安全气囊的应用Application of automobile airbag 院（系）名称 专业名称 学生姓名 学号 指导教师2013年5月23日摘 要 汽车安全气囊作为一种辅助的乘员约束条件，在汽车发生碰撞时保护乘员的效用已越来越得到肯定，当今社会对安全气囊的要求也越来越高，尤其是对智能安全气囊的需求也越来越广泛，当汽车发生碰撞时汽车与汽车或汽车障碍物之间的碰撞称为第一次碰撞，第一次碰撞导致了汽车速度的急剧变化。由于惯性的作用，车上的乘员向前运动，于是发生了车内乘员与车内结构件之间的第二次碰撞，事故中造成乘员伤害的主要原因就是第二次碰撞。为了减轻和避免驾乘人员在第

2、二次碰撞中受到伤害，乘员保护系统的设计目标是在碰撞中利用约束系统（包括座椅、安全带、安全气囊等）避免或减缓乘员与车内结构件碰撞造成的伤害。汽车安全气囊的基本思想是：在发生第一次碰撞后，第二次碰撞前，迅速在乘员和汽车内部构件之间插入一个充满气体的气囊，让乘员“扑”在气囊上，通过气囊上的排气节流阻力吸收乘员的动能，使猛烈的第二次碰撞得以减缓，以达到保护乘员的目的。所以安全气囊作为一种防护措施已经是必不可少了。我在此设计中主要进行了安全气囊的设计工作，对安全气囊的工作过程进行研究，为使乘员安全而设计一个合适的安全气囊。介绍自行研制的智能式汽车安全气袋控制系统，该系统主要由单片机、传感器、点火电路等组

3、成，使用点火控制算法对汽车加速度信号进行判断，输出点火脉冲。本系统具有体积小、可靠性高、抗干扰能力强、可进行自诊断等特点。故设计的主要工作是对气囊电路中的CPU、加速度传感器的选择、继电器的选择及与电路有关的器件，如为防止错点火而要设计一个点火电路、为防止信号干扰我们要加光隔离等一些措施。所以我设计所做的主要工作就是对安全气囊的硬件电路实行操作并对其的工作原理进行分析，对其应用进行研究。关键词：智能型安全气囊、防护、安全传感器、汽车碰撞。AbstractThe auto safety aerocyst took one kind of auxiliary crew memberrestrain

4、s thecondition，Has the collision when the automobile protects crew member'seffectiveness more and more to obtain the affirmation，Now the society also more and more is high to the security aerocystrequest。Also more and more is in particular widespread to the intelligentsecurity aerocyst demand，Wh

5、en the automobile has the collision the automobile and theautomobile or between the automobile obstacle collision is called thefirst collision，The first collision has caused the automobile speed rapid change。As a result of inertia function，On vehicle crew member to front movement，Thereupon has had i

6、n the vehicle in the crew member and the vehiclebetween the structural element second collision，In the accident creates the main reason which the crew member injuresis the second collision。In order to reduce and avoids harnessing while the personnel receivesthe injury in the second collision，The cre

7、w protective system design goal is avoids or slows down theinjury in the collision using the restraint system which in the crewmember and the vehicle the structural element collision creates。The auto safety aerocyst basic thought is：After has the first collision，Before second collision，Rapidly inser

8、ts in the crew member and between the automobile interiorcomponent to fill the gas the aerocyst，Let the crew member "throw oneself" on the aerocyst, absorbs crewmember's kinetic energy through the aerocyst on exhaust throttleresistance, enables the violent second collision to slow down

9、,achieved protects crew member's goal. Therefore the security aerocysttook one kind of protective measure already was essential. I havemainly carried on the security aerocyst design work in this design,conducts the research to the security aerocyst work process, forcauses the crew member safety

10、to design an appropriate securityaerocyst。The introduction independently develops the intelligent type autosafety air pocket control system, this system mainly by the monolithicintegrated circuit, the sensor, the electric firing circuit and so onis composed, the use ignition control algorithm carrie

11、s on thejudgement to the automobile acceleration signal, the output ignitionpulse. This system has the volume slightly, the reliability high, theantijamming ability is strong, may carry on from characteristic and soon diagnosis。Therefore designs the main work is to in aerocyst electric circuitCPU, t

12、he acceleration instrument choice, the relay choice and the andcircuit related component, like for prevents the wrong ignition but tohave to design a electric firing circuit, for prevented the meaconingwe must add the light isolation and so on some measures. Therefore Idesign the main work which doe

13、s am to the security aerocyst hardwareelectric circuit implementation operation and to its principle of workcarry on the analysis, conducts the research to its application.Key word: Intelligence security aerocyst,；protection；security sensor； automobile collision.目录摘要2Abstract3（1） 绪论6（2） 安全气囊简介7（3） 安

14、全气囊的作用与分类7（4） 安全气囊的作用7（5） 安全气囊的分类7（6） 安全气囊系统的组成：7（7） 安全气囊的工作原理：8（8） 安全气囊的工作过程9（9） 使用安全气囊注意事项9（10） 安全操作规范：9（11） 启爆后安全气囊的处理：10（12） 安全气囊的拆卸：10（13） 安全气囊的安装：11（14） CAN总线在汽车内部的网络研究12（15） CAN简介：12（16） CAN 总线的概念12（17） CAN 总线的特点12（18） CAN总线的结构特点13（19） CAN节点概述13（20） CAN总线的分层结构14（21） CAN总线的位数值表示14（22） CAN总线的通信

15、距离15（23） CAN报文的帧格式15应答界定符=1个隐性16（24） CAN总线高层协议介绍18（25） CAN总线在汽车内的应用19（26） 汽车内部CAN网络设计19（27） 总结21（1） 绪论随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车行驶速度越来越快，特别是由于汽车拥有量的迅速增加，交通越来越拥挤，使得事故更为频繁，所以汽车的安全性就变得尤为重要。汽车的安全性分为主动安全和被动安全两种，主动安全是指汽车防止发生事故的能力，主要有操纵稳定性、制动性能、平顺性等，被动安全是指在万一发生事故的情况下，汽车保护乘员的能力，目前主要有安全带、安全气垫、防撞式车身和安全气囊防护系统(Airbag

16、 RestraintSystem，以下简称安全气囊)等。由于现实的复杂性，有些事故是难以避免的，因此被动安全性也非常重要，安全气囊作为被动安全性的研究成果，由于使用方便、效果显著、造价不高，所以得到迅速发展和普及。汽车发生碰撞事故时，若主要冲撞力是作用在汽车的前部，并在汽车中心轴线30度范围以内上十，可称为前碰撞事故。全世界的交通事故分析研究表明，前碰撞事故发生最频繁，损伤最惨重的交通事故。例如，在导致严重损伤和死亡事故中，前碰撞分别占了70%和50%，事故数目中前碰撞占5560%，各交通发达国家对前碰撞事故的研究和防护都高度重视我国也发布了MI类乘用车前碰撞试验技术法规。前碰撞被动安全性的研

17、究主要集中在两大方面，一方面是改进汽车的结构设计，使其更具有耐撞性，如采用各种新型材料和结构，合理地在汽车前部设计挤压吸能区，主要目的是用车身的结构吸收和分散碰撞产生的能量，减少车内乘员受到的冲击，同时控制车身变形，保护乘员的安全空间。另一方面是采用被动安全设备对乘员进行防护，其主要原理是发生在碰撞时，约束乘员因惯性而发生的与车体的相对运动，减少和防止乘员与车内发生碰撞（称为“二次碰撞），从而达到保护乘员、减少碰撞损伤的目的。用来约束乘员运动的装置称为乘员约束系统，常用的乘员约束系统有安全带、安全气囊和安全垫等。安全气囊的防护效果与众多的因素有关，一方面是事故发生的客观条件，如碰撞强度、碰撞类

18、型，乘员的身高、体重、乘员乘做的位置，车辆的类型和大小等。另一方面是车辆上安装的防护系统及其使用情况，例如是否使用了安全带，安全带的类型和参数。因而，要对安全气囊的防护有效性做出客观准确的评价，找到影响其防护效果的主要因素，是汽车被动安全性领域难度很大的科技问题，它涉及到工程学、交通事故损伤流行病学等多个学科，是一个综合性很强的研究领域。 汽车安全气囊依据其作用的不同分为防止前碰撞损伤的驾驶员安全气囊、前排座乘员安全气囊和侧面碰撞防护安全气囊等。本文主要讨论前碰撞安全气囊，汽车发生碰撞事故时，安全气囊是一种重要的防护装置，但是安全气囊在防止重大损伤和减少事故死亡的同时，也可能出现它的快速展开而

19、引发新的损伤，本文将此种损伤称为“气囊引发损伤”。如何保证安全气囊对各类汽车乘员在各种碰撞条件下提供最有效防护的同时，减少甚至避免气囊损伤，是目前汽车乘员约束系统研究的主要问题之一。本文所做的主要工作如下：1对汽车安全气囊防护有效、气囊损伤和相关技术发展进行全面综述，剖析了这一研究领域涉及的问题。2在汽车电路的设计中，我主要采用CAN总线对各个安全器件进行连接，即对CAN总线在汽车内部网络的研究 3在安全气囊电路的设计当中，还要对安全传感器、继电器、CPU、等与之相关的器件进行选择，避免误点火和气囊损伤，以保护乘员的安全。（2） 安全气囊简介（3） 安全气囊的作用与分类（4） 安全气囊的作用安

20、全气囊是最近发展起来的被动安全装置。它对驾驶员和乘员的头部、颈部安全起着明显的保护作用。特别是在汽车证明碰撞和前侧碰撞时，其保护作用尤为明显，而座椅安全带对人体胸部以上的保护作用十分有限。汽车发生事故时，人体胸部以上受伤的几率高达75%以上。安全气囊主要是针对乘员上体，特别是头部和颈部在撞车时的安全而设计的 ，而且一般汽车出厂时就已安装在车内，无须人们有意识地去完成佩带这一动作。因而它可随时随地保护人们的安全，更容易被人们接受。（5） 安全气囊的分类汽车安全气囊按控制类型不同，可分为机械式和电子控制式两类。电子控制式又分为元件型、集成电路型、电脑控制型之分。电子控制式又分集中控制式，即一个电子

21、控制器控制两个以上的气囊；分散控制式，即一个电子控制器只控制一个气囊。有的把传感器也放在气囊内，所以有内部和外部传感器式安全气囊之分。有的也叫整体式安全气囊。现代汽车大都采用电子控制式安全气囊。电子控制式可按以下分类：（6） 安全气囊系统的组成：安全气囊系统主要包括碰撞传感器、气囊电脑、系统指示灯、气囊组件以及连接线路，气囊组件主要包括气囊、气体发生器以及点火器等。（） 碰撞传感器对于各汽车制造厂生产的车辆，碰撞传感器的安装位置不尽相同，而且碰撞传感器的名称也不统一，例如有些碰撞传感器按照工作原理也称为加速度传感器。按照用途的不同，碰撞传感器分为触发碰撞传感器和防护碰撞传感器。触发碰撞传感器也

22、称为碰撞强度传感器，用于检测碰撞时的减速度或惯性，并将碰撞信号传给气囊电脑，作为气囊电脑的触发信号；防护碰撞传感器也称为安全碰撞传感器，它与触发碰撞传感器串联，用于防止气囊误爆。 按照结构的不同，碰撞传感器分为机电式碰撞传感器、电子式碰撞传感器以及机械式碰撞传感器。防护碰撞传感器一般采用电子式结构，触发碰撞传感器一般采用机电结合式结构或机械式结构。机电结合式碰撞传感器是利用机械的运动（滚动或转动）来控制电气触点动作，再由触点断开和闭合来控制气囊电路的接通和切断，常见的有滚球式和偏心锤式碰撞传感器。电子式碰撞传感器没有电气触点，目前常用的有电阻应变式和压电效应式2种。机械式碰撞传感器常见的有水银

23、开关式，它是利用水银导电的特性来控制气囊电路的接通和切断。对于早期的汽车，一般设有多个触发碰撞传感器，安装位置一般在车身的前部和中部，例如车身两侧的翼子板内侧、前照灯支架下面以及发动机散热器支架两侧等部位。随着碰撞传感器制造技术的发展，有些汽车将触发碰撞传感器安装在气囊电脑内。防护碰撞传感器一般都与气囊电脑组装在一起，多数安装在驾驶舱内中央控制台下面。气囊电脑它是气囊系统的核心部件，大多安装在驾驶舱内中央控制台下面。气囊爆炸后，在气囊电脑中会存储碰撞数据和故障码，这些故障码用普通仪器无法清除。为了保证气囊工作的可靠性，很多汽车生产厂家建议气囊电脑一次性使用。但是气囊电脑的价格很高，因此很多具有

24、气囊电脑数据修复功能的仪器被开发出来，通过读取并修复碰撞数据，可以实现气囊电脑的再次使用。需要注意的是，配件市场上存在将修复电脑作为新配件销售的情况，购买配件时应注意。（7） 安全气囊的工作原理：准确判断出事故的碰撞强度，并点爆气袋。控制系统主要有机械式、模拟电子式、智能式几种1。第一、二代的机械式和模拟式控制系统，由于结构的局限，灵活性有很大限制，应用正在减少。现在大部分系统都采用第三代的带微处理器的智能控制系统。它使用单片机对电子式加速度传感器测得的信号进行计算，认为发生了碰撞并且达到一定强度时，输出点火脉冲引爆气体发生器，迅速产生大量气体充满气袋。智能控制系统的控制算法由软件实现，极大地

25、提高了算法的灵活性，而且具有记录事故信息和与计算机通讯等前两代控制系统无法实现的功能。汽车SRS气囊系统并非在所有碰撞情况下都起作用，正面SRS安全气囊系统在汽车从正前方或斜度在正前方的正负30度角范围内发生碰撞，且其纵向减速度达到某一值（通常成为减速阀值）才能引爆气体发生器给正面SRS气囊充气。减速阀值根据SRS气囊系统的性能设定，不同车型SRS气囊系统的减速阀值可能不同。当正面碰撞车速在20km/h以下时，气囊应该不启爆；当车速在2040km/h之间时，这是一个过渡区，气囊可能启爆也可能不启爆；当车速在40km/h以上时，气囊应该启爆。在下列条件之一情况下，SRS气囊系统不会启爆：（1）汽

26、车遭受斜前方碰撞斜角超过正前方正负30度角范围时；（2）汽车遭受后方撞击时；（3）汽车遭受横向撞击时；（4）汽车发生侧翻时；（5）纵向减速度没达到设定阀值时；（8） 安全气囊的工作过程（1）将从碰撞传感器接收的电信号传给充气器的引爆剂；（2）引爆剂像根“电火柴”通电後着火，然後再点燃充气器组件内的扩爆剂，扩爆剂又称为引爆管；（3）扩爆剂点燃後，点燃主装药主推进剂。传统的主推进剂由氮化钠+氧化剂组成，也有些使用压缩氮气或氩气，还有两种混合应用；（4）推进剂燃烧生成氮气流；（5）迅速膨胀的气体经过过滤进入折囊垫，形成安全气囊雏形；6）充气器使充入安全气囊的气体压力增高，并开始推压安全气囊饰罩；（7

27、）安全气囊饰罩上的压力不断上升，饰罩材料延伸变形和撕裂薄弱区的接缝；（8）随着裂缝的出现，饰罩门开启，为充气安全气囊的喷出提供最佳通路；（9）气体压力继续增长，安全气囊张开至织物绷紧；（10）乘员接触和压迫安全气囊，实现安全保护；（11）通过气体的粘性阻尼作用，乘员前移能量被吸收和耗散，安全气囊中过压气体经过安全气囊通气孔排出而不致伤害乘员。（9） 使用安全气囊注意事项（10） 安全操作规范：不正当的操作、储存、拆卸、安装或移动SRS-40安全气囊系统都可能会造成不应有的启爆，这样会对操作者造成伤害或对系统产生不良的影响，为了避免维修人员和乘员受伤害，必须遵守以下安全操作规范：（1）当拆装发生

28、器-传感器和组件时，应站在气囊展开的轨迹之外，并且穿戴好防火手套和防护镜，这是一个预防措施以防止发生器-传感器意外突然启爆。在此类事故中，热气会从发生器中产生，发生器的底座会变得很热；（2）如果发生器-传感器总成从0.9m或更高的地方掉下或已被损坏，此发生器-传感器就不能再用；（3）发生器-传感器不应在温度超过52的地方储存；（4）如果必须要移动这个发生器-传感器总成时，必须从底部凸缘部分抓住，并使其上的小孔远离人身；（5）不要将发生器-传感器放入没有固定紧的方向盘里，也不要触动发生器-传感器或旋转底部的D形孔，以免造成意外的误启爆；（6）维修装有安全气囊的转向柱之前，应先把发生器传感器拆下，

29、因为对转向柱、方向盘或发生器一个突然有力的冲击会造成系统的损害或误启爆；（7）安装新的发生器-传感器和组件之前，不要将发生器-传感器和或组件外部的包装拆开，以免落入异物；（8）不要撞击或解剖发生器-传感器，它应该是密封的以防止同其他化学药品接触。如果发生器打开或金属容器破裂，里面的化学药品就会泄漏出来，这些化学药品对人的身体是有害的、易燃的和具有潜在的危险。如果接触到产生的气体并感到皮肤或眼睛在洗完后仍有刺激感，你应该尽快请医生诊治。（11） 启爆后安全气囊的处理：在气囊启爆之后，SRS系统的金属件将会变得非常热，并且含有残余的、有刺激的化学药品。为避免受到伤害，要带上手套和防护镜而且要等待系

30、统冷却之后才能触摸。拆卸已报废的SRS系统元件，在处理完启爆的气囊之后，要用肥皂和清水清洗双手和暴露在外的皮肤，并按维修手册规定的标准修理汽车，更换SRS安全气囊系统。对事故中没有启爆的气囊的检查：如果SRS系统没有启爆，那么就必须检查整个转向柱以保证这些元件符合技术标准。如果转向柱、方向盘松动，并且方向盘严重受损，这个气囊就可能启爆，这样可能会造成非常严重的伤害。做这一步时，应该保证站在气囊启爆展开轨迹的外面。车辆在发生碰撞事故之后应对保险杠、车身覆盖件、车身骨架以及转向柱等进行检查并修复。特别值得注意的是：按维修手册规定的程序检查转向柱，以保证方向柱传动轴和支架没有任何变形或收缩。在任何撞

31、击后，无论安全气囊是否启爆，都要对SRS系统和下列约束系统元件进行检查：a 仪表板、转向柱固定支架：检查是否变形、弯曲、裂开或其他损伤。b 方向盘：如果SRS-40方向盘弯曲，就要更换一个全新的SRS-40系统。c 汽车前部保险杠和车身前部骨架都要按照维修手册要求来修复（12） 安全气囊的拆卸：拆卸SRS安全气囊时应严格遵循下列程序：（） 戴好防火手套和防护镜；（） 拆卸方向盘两侧盖板；3.拧下两侧面的4个固定螺栓；4.小心地拿开气囊组件； 5.用小一字号螺丝刀将黑色的塑料锁片向外拨开，并且小心地逆时针旋转发生器-传感器直到发生器-传感器座同方向盘配合槽对齐。轻轻地将发生器-传感器从方向盘接口

32、处拿出； 6.将前轮转到正前方的位置，如果还需继续使用该转向柱和方向盘，则应标出方向盘同转向柱的相对位置，然后拆卸方向盘的固定螺母，取出螺母和平垫圈，拆下方向盘。（13） 安全气囊的安装：在安装安全气囊之前，应注意：带上防火手套和防护镜；处理SRS系统时，不要使用碰撞型的工具；操作SRS系统时，禁止吸烟。安装SRS系统的方向盘时，应按下述步骤进行：1检查方向盘中间的D形支柱有没有裂纹或破损，如果这个D形支柱有任何形式的损坏，就不要再安装此方向盘，必须更换；2安装方向盘时，先将前轮调整到正前方的位置后，再将方向盘对准正前方的位置套入转向柱的花键轴上，安装平垫圈和螺母，并拧紧方向盘固定螺母。3紧握

33、方向盘向各个方位移动，以查看方向盘或转向柱是否有松动，如有松动应在装发生器-传感器前加以拧紧或修复；4转动方向盘时，要保证没有摩擦或干涉，在安装发生器-传感器总成前，所有的障碍和干涉必须排除。安装发生器-传感器时，要带上防火手套和防护镜，然后轻轻地将发生器-传感器拿起放在方向盘接口上对准卡槽位置，接着按顺时针方向旋转(大约40°)发生器-传感器直到被锁止，使弹簧受力。当黑色的塑料锁片卡入发生器的卡槽中，就会听到"咔嗒"的声音，这时发生器-传感器总成已安装好。（14） CAN总线在汽车内部的网络研究（15） CAN简介：（16） CAN 总线的概念CAN (Cont

34、roller Area Network)总线，又称控制器局域网，是Bosch公司在现代汽车技术中领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越的性能，极高的可靠性，独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于工业现场控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域。CAN已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准，CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连参考模型基础上的，主要工作在数据链路层和物理层。用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议，但由于CAN总线极高的可靠性，从而使应用层通信协议得以大大简化。简单的CAN总线系统

35、主要由上位机和位控制器构成。包括： 个人计算机CAN的接口（CAN适配卡、若干CAN网络节点）（17） CAN 总线的特点现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN(Controller Area Network)属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言,  基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：首先,CAN控制器工作于多主方式,网络中的各节点都可

36、根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行,系统的实时性、可靠性较差。其次,CAN总线通过CAN控制器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS

37、-485网络中,当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。而且CAN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,从而保证不会出现象在网络中,因个别节点出现问题,使得总线处于“死锁”状态。而且,CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期,这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。另外,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前 CAN总线应用于众多领域,具有强劲的

38、市场竞争力的重要原因。CAN (Controller Area Network)即控制器局域网络,属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的,世界上一些著名的汽车制造厂商,如BENZ(奔驰)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和宝马车辆JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、

39、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN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。其典型的应用协议有： SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。 其主要特点是：1、CAN是目前为止惟一有国际标准的现场总线。2、CAN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上其他节点发送信息，而不分主从。3、在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。4、CAN采用非破坏总线仲裁技术。5、CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可以实现点对点

40、、一点对多点及全局广播等方式传送接收数据。6、CAN的直接通信距离最远可达10Km（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。7、CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。8、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。9、CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。10、CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。11、CAN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。12、CAN总线具有较高的性价比。（18） CAN总线的结构特点（19） CAN节点

41、概述CAN适配卡是实现上位机系统和CAN总线的连接接口，作用和以太网网卡相同。带CAN适配卡的上位机在CAN总线系统中相当于一个网络节点。CAN 总线上的节点是网络上的信息接收和发送站，智能节点能通过编程设置工作方式、ID地址、波特率等参数。它主要由单片机和可编程的CAN通信控制器组成。（1）节点的概念：一般指挂在CAN总线上的传感部件、执行部件或控制器单元，CAN总线是通过允许节点间对等的传播数据来实现网络通信的（单向或双向）。（2）节点的组成：由于受总线收发器物理信号驱动能力的限制，在一个CAN总线网络上，最多可挂接110个节点设备。CAN总线系统的拓扑结构：（1）基于CAN的拓扑概念：网

42、络拓扑结构设计是构建计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络的性能、可靠性和通信费用等都有很大影响。CAN网络中也存在着各种拓扑结构。（2）常用的CAN总线系统拓扑结构：一般有4种常见的拓扑结构总线结构、环形结构、星形结构、网状结构。（20） CAN总线的分层结构CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模型OSI一致。CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层，其中数据链路层又划分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC），应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方案，如已在工业控制和制造业领域得到广泛应

43、用的协议标准DeviceNet，以及在汽车工业中被大量使用的CANOpen协议等。具体分层结构如图1所示。（21） CAN总线的位数值表示CAN中的总线数值为两种互补逻辑数值之一：“显性”或“隐性”。“显性” ( “Dominant”)数值表示逻辑“0”，而“隐性”( “Recessive”)表示逻辑“1”。“显性”和“隐性”位同时发送时，最后总线数值将为“显性”。（22） CAN总线的通信距离CAN总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关，下表列举了相关的数据。（23） CAN报文的帧格式有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同：含有11位标识符的帧为标准帧，含有29位标识

44、符的帧为扩展帧。1、 帧类型：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧。d 数据帧：帧起始（SoF）：标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个显性位组成。仲裁场：标准帧和扩展帧的仲裁场格式不同。远程发送请求位RTR在数据帧中为显性；在远程帧中为隐性。 标识符扩展位IDE在标准帧中为显性；在扩展帧中为隐性。 替代远程请求位SRR是一隐性位，它在扩展帧中标准帧的RTR位的位置被发送，因而替代标准帧的RTR位。当标准帧与扩展帧发送冲突时，而扩展帧的基本ID同标准帧的标识符一样时，标准帧优先于扩展帧。控制场：标准格式中控制场包括数据长度代码、IDE位（显性）及保留位r0； 扩展格式中控制场包括数据长度代码、两个保留r

45、1和r0。数据场：由0-8字节数据组成，每字节包含8个位。CRC场: CRC场包括CRC序列，后随CRC界定符。用于帧校验的CRC序列由特别适用于位数小于127位帧的循环冗余码校验(BCII码)驱动。为实现CRC计算，被除的多项式被定义为这样一个多项式，其系数由帧起始、仲裁场、控制场、数据场(如果存在)和15位最低系数为0组成的解除填充的位流给定。此多项式被下列生成多项式除：相除的余数即为发至总线的CRC序列。CRC序列随后的CRC界定符仅由单个“隐性”位构成。 ACK场:ACK场为两位应答间隙和应答界定符。应答间隙=2个隐性（发送器发出）应答界定符=1个隐性帧结束：由7个隐性位组成。（2）远

46、程帧：激活为数据接收器的节点可以通过发送一个远程帧启动源节点发送各自的数据。远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧结尾。与数据帧相反，远程帧的RTR位是隐性的。没有数据场，所以数据长度代码的数值没有意义。（3）错误帧：两个场组成，第一场由来自各站的错误标志叠加，第二场为出错界定符。报文传输过程中任何一个节点出错，即于下一位开始发送出错帧，通知发送端停止发送。主动错误标志：6个连续显性位被动错误标志：6个隐性位错误界定符： 8个隐性位。发送了错误标志后，每一站就发送一个隐性位，并一直监视总线直到检测出一个隐性位为止。然后就开始发送其

47、余7个隐性位。（4）过载帧：有3种过载情况：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8位采样到一个显性位，节点会发送一个过载帧（不是错误帧）。过载标志：6个显性位。过载界定符：8个隐性位。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。然后开始发送其余7个隐性位。2、 帧格式：有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同：含有11位标识符的帧为标准帧，含有29位标识符的帧为扩展帧。2.0B标准帧（11字节）： 13字节信息部分 411字节数据部分扩展帧（13字节）：15

48、 字节为信息613字节为数据（24） CAN总线高层协议介绍概述CAN 协议是一个非常简单的协议。它只定义了物理层和数据链路层, 本身并不完整, 有些复杂的应用问题需要一个更高层次的协议应用层协议来实现，比如, CAN 数据帧一次最多只能传送8 字节;CAN 只提供了非确认的数据传输服务等。CAN的技术特点允许各厂商在CAN 协议的基础上自行开发自己的高层应用协议, 给用户提供了一个面向应用的清晰接口。目前, 许多厂商都根据自己的意图并结合其优势纷纷推出基于CAN 的总线产品, 如DeviceNet (设备网) , CANopen , CAN Kingdom , SDS 等。它们都得到CiA

49、(CAN in Automation) 的支持, 符合ISO11898 标准, 同时又各具特色。1、DeviceNet（1）、概述DeviceNet 最初由Rock well 旗下Allen - Bradly 公司研制开发, 为PLC 和智能传感器设计。凭借该公司在可编程控制器和变频器等方面的优势, DeviceNet在PLC 与现场设备之间的通信网络中得到广泛应用。DeviceNet 可以说是最好的CAN 协议工业标准, 得到CiA 的支持, 并由ODVA (开放设备网供货商协会)负责它的进一步发展。据世界著名的市场调查公司VDC的“工业分布式远程I/ O 的全球市场和用户需求”研究报告称,

50、 1999 年的市场份额位居世界第二,到2003 年仍将占第三位。DeviceNet 在CAN 协议的基础上加入了自己的应用层协议, 结合了CAN 总线的优点, 同时也满足了更为复杂的要求。涉及的标准有CAN 技术规范210A/B、ISO 11898 标准和DeviceNet 技术规范Vo1.1/ 2。DeviceNet 采用了CAN 物理层协议中的几种网络运行速率125kbps ( 500m) 、250kbps ( 250m) 、500kbps(100m) , 最多支持64 个节点。DeviceNet 的数据链路层完全遵循CAN 规范的定义, 并通过CAN 控制器芯片实现。DeviceNet

51、 使用数据帧传送数据, 远程帧没有被使用, 超载帧和出错帧则用于例外情况的处理。（2）、DeviceNet 应用层协议功能DeviceNet 定义了两种不同类型的报文, 称作I/ O报文和显式报文。I/ O 报文适用于实时性要求较高的I/ O 端子的信号输出。I/ O 报文通常使用优先级高的连接标识符, 通过点对点或广播方式进行信息交换。连接标识符提供了I/ O 报文的相关信息, 在I/ O 报文利用连接标识符发送之前, 报文的发送和接受设备都必须先进行设定。显式报文则适用于两个设备间多用途的点对点报文传递, 是典型的请求- 响应通讯方式, 常用于节点的配置、问题诊断等。显示报文通常使用优先级

52、低的连接标识符, 并且该报文的相关信息包含在显示报文数据帧的数据场中, 包括要执行的服务和相关对象的属性及地址。DeviceNet 为长度大于8字节的报文提供了分段服务。以I/ O 报文为例, I/ O 报文经过分割形成I/ O 报文片段时, 数据场中有一位由报文分割协议使用。而长度小于8 字节的I/ O 报文可以直接加在数据场中一次传送。对于显示报文, 也可以进行分段。分段服务为设备网提供了更多的可扩展性和兼容性, 保证了将来更加复杂、更智能化的设备可以加入到设备网中。DeviceNet 采用了面向对象的技术, 对象模型为管理和实现DeviceNet 产品组件的属性(数据) , 服务(方法或

53、步骤) 和行为提供了一个模板。对象提供了由4 个数字组成的寻址方案。它们分别是节点地址(MAC ID) , 对象类标识符, 实例编号和属性编号。这四级地址与显式报文连接相结合, 将数据从DeviceNet 网络上的一点传送到另一点。设备网面向对象的设计和编址方式使设备网可以在不改变基本的协议和连接模型的基础上无限制的扩展其能力。DeviceNet 在应用层信息中还增加了对设备应用数据的描述, 它通过定义标准的设备模型促进不同厂商设备之间的互操作性。设备描述主要包括设备的各种特定数据, 如设备类型、厂家、节点地址和通信速率等。属于同一设备模型的所有设备都必须支持共同的标识和通讯状态数据。Devi

54、ceNet 采用了两种通信机制: 非连接消息管理模式和预定义主/ 从连接模式。前者充分体现了DeviceNet 的开放性, 允许动态配置设备间的连接,但对微处理器的计算能力提出了很高的要求。对于不需要使用这一功能的设备, 则采用后者。预定义主/从连接的连接标识符, 简化了主/ 从结构中I/ O 和配置型数据的传送。2、CANOpenCANOpen 是基于CAN 总线系统的网络。它是由CiA 特别兴趣组使用CAL 提供的通讯服务的一个子集进行开发的, CAL 已被CiA 标准化。CANOpen 甚至可以在具有低计算性能和存储能力的设备中使用。CANOpen 应用层和通信行规(CiA DS - 3

55、01 和CiADSP302) 既支持对设备参数的直接存取, 也支持对时间苛求的过程数据通信。在CANOpen 网络中附加预定义对等通讯能力, 所有的站点是对等的, 数据交换可以直接由站(设备) 之间组织。CANOpen 支持的传输速率为20 kbps、125 kbps、500 kbps 和1 Mbps 。CANOpen 设备结构的大部分与其它总线系统相对应,所以对应用程序开发者来讲很容易使用。对于面向网络的通信对象, 标识符的地址分配是系统设计中的一个主要方面。为了减少组态工作量CANOpen 网络定义了强制性的缺省标识符地址分配表。地址分配表包含一个功能部分和一个模块ID 部分。这些标识符在

56、预操作状态中是可用的, 通过动态的分配还可以修改它们。3、SDSSDS (Smart Distributed System) 是由Honeywell 公司开发的、基于CAN 通信协议的、用于工厂自动化的控制系统。通过它, 传感器、执行器、现场控制器及其它工业设备连接为一个整体。SDS 协议结构适用于高速、实时的分布式控制。其特点如下:(1) 设备简捷有效地连接到主控制器(King) ;(2) 主控制器对所有节点进行全权控制, 不支持没有主PLC 的节点之间的通信;(3) 系统中节点数最多为125 个;(4) 仅支持标准的CAN 协议。（25） CAN总线在汽车内的应用随着车用电气设备越来越多，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，而且这一系统都集中在驾驶室控制。另外，随着近年来ITS的发展，以3G（GPS、GIS和GSM）为代表的新型电子通信产品的出现，对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求。（26） 汽车内部CAN网络设计德国Bosch 公司为解决现代车辆中众多的控制和数据交