汽车CAN总线—论文Word格式.docx
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2.2数据链路层和物理层功能简介 6
2.2.1接收滤波 6
2.2.2超载通知 6
2.2.3恢复管理 6
2.2.4数据封装和拆装 7
2.2.5帧编码 7
2.2.6物理信令(PLS) 7
2.2.7物理介质附件子层(PMA) 7
3汽车CAN总线系统硬件构成及其工作原理 8
3.1传感器 8
3.2控制单元 8
3.3控制器 9
3.4收发器 10
3.5汽车网络传输介质 11
3.5.1双绞线 11
3.5.2同轴电缆 11
3.5.3光纤 12
3.6网关 13
3.7数据线终端电阻 14
4.汽车CAN总线工作过程 15
4.1多路传输原理 15
4.2位数值表示与通信距离 15
4.3多帧信息的拆装与重组 16
4.4汽车CAN总线消息帧分类 17
4.4.1数据帧 17
4.4.2远程帧 18
4.4.3出错帧 18
4.4.4过载帧 19
4.4.5帧间空间 19
4.5CAN总线的错误类型和界定 20
4.6非破坏性按位仲裁规则 21
4.7CAN总线系统的网络管理 21
4.8例析CAN总线具体工作过程 22
5汽车CAN技术应用升级方向 25
5.2D2BOptical光纤 25
5.3OSEK开放式标准化系统 25
5.4COMMAND网络 26
6车用CAN总线在国内车市的应用趋势调查及影响 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31
前言
目前国内车市越来越类似于手机市场,车系繁多且性能多样,而具备相同性能的汽车在过去的价格要贵得多。
过去只有中高级轿车才具备的一些性能如今已成为中低价位汽车的标准配置。
正如手机普遍使用Android系统,国内汽车市场正在渐渐的向CAN时代迈进。
汽车CAN总线并不新鲜,但由于中国起步晚,国人对之相对陌生。
在欧美它已经应用在大多数汽车中并向中国出口,国内不少合资品牌也在大量生产。
自主品牌反应相对滞后但 也在穷追猛赶,同时与之相对应的汽车技术服务市场整体相对落后。
因此有必要研究一下汽车CAN总线在中国汽车中的应用状况,以引起汽车行业相关从业人员的注意同时向广大民众普及汽车专业知识,提升国民的汽车文化素养。
本文首先对CAN总线做一个简单介绍,之后通过CAN产生的原因加深对它的认知并逐次介绍CAN协议体系结构及其发展。
为了雅俗共赏,通过宏观上看得见的汽车上CAN系统的具体硬件形象描绘出CAN总线系统的轮廓,在此基础上深度解读CAN总线的几个关键技术和具体工作过程。
最后通过上网调查2000年以来的CAN总线在汽车上的应用发现自主品牌正在快速崛起。
因此本文预测随着民族汽车CAN总线应用的深入,中国汽车市场必将进入新一轮的数字化的竞争,中国汽车消费者将因此受益,然而中国的汽车服务业并不发达,所以说机遇与挑战并存,最后提出建议,强化汽车服务业培训,使我国汽车服务业紧跟时代步伐造福中国汽车消费者。
1汽车CAN总线的产生与发展
1.1CAN总线简介
CAN总线的全称是控制器局域网(ControllerAreaNetwork),是德国BOSCH公司为改善现代汽车中大量电控单元之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,它是
一种多主机局域网,各个电控单元地位平等,通信介质可以是同轴电缆,双绞线和光纤,传输速率最高达到1Mb∕S,最长有效传输距离可达10Km。
通过数据块编码取代了站地址编码后网络内的节点数理论上可以不受限制,它具有独特的纠错能力和良好的抗干
扰性,这极大的提升了汽车可靠性。
遍布车身的传感器采集实时信息并发送到控制单元之后在总线上实现共享,短帧多发的数据传输方式使得数据传输的实时性得以大大提高,高速CAN数据总线每毫秒即可传输32字节的有效数据。
汽车上一般同时应用高速和低速两条CAN总线,高速的通常连接发动机ECU,变速器ECU等,低速的连接汽车内部电子构件和车身附件。
1.2CAN总线的产生
传统汽车中的电信号通过一对一的节点连接实现信息共享,对于汽车高级性能的追求催生了越来越多的电子部件,线束及与之配套的插件数量迅速增加占用了大量本来就紧张的空间。
早在1955年,一辆汽车的平均线束使用量为45m,到了2002年这一数值飙升至4000m。
传统线束汽车的制造维护成本日益增高,由于线路导线多是塑胶包装的铜导线,一年左右的时候就开始出现不仅影响了经济利润,更严重的是大大降低了汽车使用可靠性。
汽车研发同时进入一个恶性循环:
本为追求汽车的高级性能而大量应用电子设备所引起的线束增多反过来严重削弱了汽车使用的可靠性。
20世纪80年代半导体技术迅速发展并逐步深入到汽车车领域。
1983年RobertBosch公司开发出汽车总线系统,德国的wolfhardlawrenz教授给这种总线命名为ControllerAreaNetwork,简称CAN总线。
1.3车用CAN总线标准化历程
随着CAN在不同的汽车企业的广泛应用,其通信协议的标准化亟待解决,为此PHILIPSSEMMICONDOTORS于1991年9月制定并颁布了CAN2.0规范,该技术规范包括A、B两部分。
V2.0A应用了11位地址的报文格式,而V2.0B给出了标准和扩展两种报文帧格式,扩展帧可以兼容标准帧并应用29位位地址。
两年后,ISO于1993年11月正式颁布了道路交通运载工具—数字信息交换—高速通信控制局域网(CAN)国际标准(ISO1898),至此CAN的标准化又迈出了重要的一步。
美国汽车工程师协会(SAE)车辆网络委员会根据标准SAEJ1057将汽车数据传输网络划分为A、B、C三类。
A类首选标准是LIN(LocalInterconnectNetwork),它是为了降低成本而作为CAN的辅助网络而存在。
B类中的国际标准正是CAN总线。
其在汽车上的应用有ISO11898,传输速率为100kb∕s左右,在卡车和大客车上的应用有SAEJ1939标准,其传输速率可达
250kb∕s。
C类标准主要是与汽车的安全有关以及实时性通信要求较高的地方,因此其通讯速率最高可达125kb∕s~1000kb∕s,对于C类总线而言,欧洲汽车厂商普遍使用CAN总线ISO11898。
目前美国的汽车制造商已经在生产的部分汽车的动力系统上应用了CAN线,欧洲的基本上实现了用CAN总线连接车身电子系统和动力系统,远东汽车厂商也早已意识到车用CAN总线的重要性并正在使用。
1.4汽车CAN总线应用分类
CAN网络已经覆盖了车用网络的大部分并已经逐渐呈现出“局部成网,区域互联”
的格局,对于大部分车载网络,按照功能大致分成以下四类。
图1.1汽车CAN总线网络结构
Fig1.1vehicleCAN-BUSNetworkStructure
1.4.1驱动系统子网
该系统子网一般按照ISO11898、J1939及J2284的规定建成CAN或TTCAN,传感器定时输出检测到的信号并转变电信号给控制单元,控制单元再间接发送到CAN总线上,连接在总线上的各驱动控制单元“各取所需”,有效提高总线的资源利用效率。
途安1.8T采用驱动系统子网后将动力系统与ABS、MSR、ASR等的控制器及组合仪表相互连接在一起,在充分发挥动力的同时,又获得了优异的操控性能和经济性。
1.4.2信息∕娱乐子网
目前音像媒体类文件数据传输速率要求达到2Mb∕s以上,这就大大超出了CAN的带宽范围,因此CAN在该子网的应用主要是IDB-C,该子网中当前主流的的则是MOST总线,而IDB—C仅提供辅助性的应用,例如音响控制系统,仪表显示系统和GPS等。
1.4.3安全∕舒适子网
该子网主要用于满足乘客对于安全性和舒适性的需求的控制单元的控制,所以该系统不仅有高速CAN还引入了低速LIN以降低成本同时弥补CAN应用的不足,该子网发展十分迅速,以最常见的一键启动为例:
一键启动省去了传统钥匙点火的繁琐,点火时只需要轻轻一按,车辆就启动了。
现在大量应用于各级别的汽车中,已经成为广大商务人士和时尚超人的标签式功能。
1.4.4故障诊断子网
CAN在故障诊断子网中应用的标准有ISO75765,它遵照ISO14230-3和ISO15031中有关诊断的内容制定。
随着CAN总线应用的日益广泛,美国的通用、福特、克莱斯勒对乘用车采用了CAN的J2480诊断系统标准,它满足了OBD-Ⅱ(OnBoardDiagnose)和通信要求。
2000年开始,欧洲汽车制造商开始使用基于CAN总线的诊断通信标准ISO3145765,它可以满足E-OBD系统的要求。
2CAN协议体系结构和功能
2.1CAN协议分层
为了减少计算机网络设计的复杂性绝大多数网络采用分层设计的方法。
按照信息流动的过程可以将网络划分为一个一个的功能层,不同的机器在同等层之间使用相同的协议,而同一个机器的相邻功能层之间通过接口传递信息。
国际标准化组织ISO提出开放系统互联参考模型ISO∕OSI。
OSI正是研究如何把开放式系统连接起来的标准。
OSI把计算机网络划分为七层,从底层到高层依次是物理层(PhysicalLayer)、数据链路层(DataLinkLayer)、网络层(NetworkLayer)、传输层(TransportLayer)、会话层(SessionLayer)、表示层(PresentationLayer)、应用层(ApplicationLayer)。
CAN协议遵循ISO∕OSI模型,定义了OSI模型的数据链路层和物理层,并且依照ISO8802―2和ISO8802―3,数据链路层被进一步划分为:
逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC);
物理层细分为物理信令(PLS)、物理介质附件(PMA)及介质附属接口(MDI)。
由此看出CAN虽然只有OSI模型的两层,但它也是一个开放的系统,在网络中如果要增添的节点不是任一个数据帧的发送器,则该节点不需要接受追加额外发送的数据,则网络中所有的节点不需要做任何软件或者硬件的调整,因此其配置灵活。
图2.1汽车CAN协议体系结构
Fig2.1VehicleAgreementSystemStructure
2.2数据链路层和物理层功能简介
2.2.1接收滤波
当来自总线的电压值进入接收器后,接收器检查核实该信息与接受滤波器预定义值是否相同,只有相同CAN控制器才允许将已接收的信息存入RXFIFO,用于进一步加工。
2.2.2超载通知
当接收节点正在处理信息或尚未准备好接收时,想发送节点发送一个超载帧请求暂停发送。
2.2.3恢复管理
当仲裁失败或者传输期间被故障损坏了的帧可以自动重发,任何正在发送数据的节点或者错误激活状态下接收数据的节点都能对出现了错误的帧做出标记,并进行出错通报,这些帧会立即被放弃,此时遵循恢复计时机制,它们可以被适时重发,从错误被检测出直到能够发送下一帧的时间为恢复时间。
此后如果再未出错,恢复时间会
占17到23个位时间,总线受到严重干扰的情况下,最多会用29个位时间。
2.2.4数据封装和拆装
数据封装指的是指将协议数据单元(PDU)封装在一组协议头和尾中的过程。
在OSI7层参考模型中,每层主要负责与其它机器上的对等层进行通信。
该过程是在“协议数据单元”(PDU)中实现的,其中每层的PDU一般由本层的协议头、协议尾和数据封装构成,数据拆装正好相反。
2.2.5帧编码
帧编码就是将信息、数据转换成规定的电脉冲信号的过程。
2.2.6物理信令(PLS)
PLS用于实现位表达、同步及正时。
2.2.7物理介质附件子层(PMA)
物理介质附件子层用于在进行总线发送或者接收的功能电路,并为监测总线故障提供工具。
3汽车CAN总线系统硬件构成及其工作原理
汽车的一个完整CAN总线系统包括传感器、控制单元、控制器、收发器、CAN数据线、数据总线和终端电阻,在同时具有高速CAN和低速CAN的车载网络中还有网关把二者联系起来,以下详细介绍各构件的特点。
图3.1汽车CAN总线硬件构成
Fig3.1VehicleCAN-BUSHardwareStructure
3.1传感器
传感器类似于人体的皮肤,它定时采集实时信息,并以电信号的形式发送到其附属的控制单元处理。
3.2控制单元
控制单元即ECU,是CAN总线的主要计算器,对控制器和传感器传送来的信息进行计算并分别再传送执行机构和数据总线,同时它还具有故障记忆的功能。
按照字长其可分为8位、16位和32位控制单元,8位的应用主要在车门模块、方向盘、天窗、胎压监测、看门狗等;
16位的应用于中央车身电子、底盘及安全系统、动力总成管理(如引擎管理、传动控制);
32位的控制单元应用于信息娱乐系统如导航和高性能DIS。
3.3控制器
控制器是CAN通信时实现CAN协议的主要构件,它接受来自控制单元处理过的传感器信号并加工成要发送的指令传递给发送器或反过来接收来自接收器从总线上采集到的信息经过协议处理后再传递给控制单元。
控制单元接收到传感器(如发动机转速或温度传感器)的值会被定时查询并顺序的存进存储器,存储器内的传感器数据在CPU经过运算处理后存入输出存储器执行控制功能。
控制单元通过控制器的中介功能从网络内获取信息并负责传达了控制单元对该信息的回应。
CAN控制器能完成CAN协议所规定的的物理层和数据链路层的大部分功能。
它有微处理器接口与单片机相连,按结构分为独立IC或与单片机集成在一起的Ic,SJA1000属于前者,属于后者的有:
PHILIPS的87c591,LPC的2119,西门子的c167c,INTEL的80C196CA等它们都遵循CAN2.0规范。
SJA1000支持CAN2.0A和CAN2.0B规范,因此其同时支持11位和29位标识符,具有64字节先进先出缓冲器(FIFO),通信速率最高达1Mb∕s,工作温度为‐40℃~125℃,环境适应性强。
图3.2控制器
Fig3.2Controller
3.4收发器
CAN收发器在汽车上的应用目前有FREESCALE的低速CAN收发器MC33388和PHILIPS的PCA82C250收发器,前者可轻松适应汽车的内部环境,检测出错误状态并转换到合适模式一旦检测到总线出错,就会始终监视总线工作情况,以便于在故障消除后迅速转换到正常工作模式。
收发器具有极低的待机∕休眠电流,典型值为15μA,大大节省了汽车电源,两条线其中一条出现问题,符合条件的话,就可以切换到单线工作模式,这大大提高了系统的可靠性,收发器可以承受的外界温度范围也是是-40℃
~125℃。
工作模式支持高速模式、斜率控制模式、待机模式,系统的灵活性和稳定性得到了强化。
PHILIPS的PCA82C250也有优良的性能表现,PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线的接口主要为汽车的中高速应用设计,该器件向总线向总线提供差动发送位。
CAN控制器提供差动接口,完全符合ISO11898标准。
收发器通过TX线(发送线)和RX线(接收线)与传输总线连接,RX线通过一个放大器与数据总线相连接,目的是随时监控总线信号,发送器的TX线(发送线)通过一个断路式集流器电路与总线耦合,总线上可以出现两种状态。
状态1:
晶体管截止,电阻高,无源,总线电平等于1。
状态2:
晶体管导通,电阻低,有源,总线电平等于0。
收发器正是通过这两种连续不断的状态来实现数据的接收与传输。
图3.3收发器工作原理
Fig3.3Transceiver
3.5汽车网络传输介质
数据总线是控制单元之间彼此进行信息交流的信道,即所谓的“信息高速公路”,如果一个控制单元既可以向总线发送数据又能够从总线接收数据则该总线称之为双向数据总线。
目前的车用网络介质有双绞线、同轴电缆和光纤,以下分别介绍。
3.5.1双绞线
CAN双线式数据总线系统是由两条彼此缠绕的数据线连接的网络,只需通过这两条数据总线就可以实现网络内所有节点的信息共享,双绞线由两根各自封装在彩色塑料套内的铜线扭绞而成,而两根线传输的是电平完全相反信息完全相同的的电压信号,因此可以有效防止电磁干扰同时防止本身对外界产生电磁干扰,CAN-High线和CAN-Low线互为镜像,国产的一汽宝来轿车,一汽奥迪A6,上海帕萨特B5以及polo轿车上均不同程度的采用了双绞线式系统。
2001年12月9日上市的一汽宝来就融入了许多
新技术在动力传动系统和舒适系统安装了2套CAN总线。
图3.4双绞线
Fig3.4TwistedPair
3.5.2同轴电缆
同轴电缆的核心是单根铜导线,外部需要一层绝缘材料,在绝缘材料的外部网状金属屏蔽层,最外层是塑料套封装。
这同双线相比少了一根线因此成本降低抗干扰的方式
也比较独特,但一旦电路短路或者短路,则整个系统就陷入崩溃。
它的网状金属层不仅可以屏蔽来自外界的噪声,还能兼做信号的地线。
图3.5同轴电缆
Fig3.5coaxialtransmissionline
3.5.3光纤
光纤在目前有线传输介质中性能最为优良。
它的直径只有50到100μm,材质柔软,可以传导光波,一般由玻璃纤维和塑料构成,在折射率较高的纤芯外面加上一层折射
率较低的保护膜,就形成了一条光波通道,再在外面覆盖一层保护膜一条单芯光缆就造出来了。
光纤利用光脉冲的有无代表“1”和“0”。
典型的光纤传输系统的工作原理如所示。
其工作原理是由电光转换装置把输入的电信号通过发光二极管(LED)或激光二极管(LD)转换成光脉冲,光脉冲通过光纤传输,接收端的原理与发送端正好相反。
在数据通信技术中光纤网络在高级轿车中开始得到应用,由光纤连接起来的光学网络成本目前正逐渐降低到电路系统的水平,其继续降低的趋势也逐渐显现,加之它数据传输量大,速率高,信号不易受外界干扰,耐腐蚀的众多优点,光学网络将会成为汽车网络继续发展的一个突破口。
但是光纤弯曲半径不能太小,覆盖层易损坏或有磨层,端面刮伤,光丝易热影响了它目前广泛的应用。
图3.6光学网络
Fig3.6OpticalNetwork
图3.7光纤
Fig3.7FiberOptical
3.6网关
按照汽车装配的控制单元所构成的子网在整个网络的功能差别可以将其划分为若干小局域,各子网由于所承担的功能各不相同,如驱动系统子网的优先级一般高于舒适子网,因此在CAN总线中高速和低速CAN总线之间直接进行信息共享时由于各自数据传输速率不同,且一个子网的信号直接进入另一个子网而不能被识别,因此必须在这两个甚至更多个子网之间设置一个中介节点来对进入其他子网的子网的信息进行
“翻译”。
这个任务正是由网关来完成。
以一汽迈腾为例,其动力系统子网的数据传输速率高达500kb∕s,
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