PALMNET通信協(xié)議及高級PALMNET通信協(xié)議.doc

can-bus汽車多路信息傳輸系統(tǒng)及其檢修技術(shù)李東江palmnet通信協(xié)議及高級palmnet通信協(xié)議1. palmnet協(xié)議及其特點 palmnet協(xié)議(protocal for automotive low and medium speed net work的縮寫)是馬自達汽車公司與古川電子公司1988年聯(lián)合開發(fā)的汽車中、低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是一種分布控制類型的車內(nèi)局域網(wǎng)系統(tǒng)。 采用palmnet協(xié)議的汽車局域網(wǎng)(lan)系統(tǒng)，成功地用在1990年型的馬自達宇宙車型上。該通信協(xié)議最顯著的特點是可靠性高，主要原因是它具有較多(24ack)的確認比特數(shù)的固定字段，該字段允許任一廣播節(jié)點從各個接收節(jié)點接收ack信號。確認比特數(shù)較多雖然降低了一些數(shù)據(jù)傳送速率，但保證了中、低速網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和實用性，為廣泛地將低成本、高可靠性的車內(nèi)局域網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用到普通等級的汽車上，奠定了良好的基礎(chǔ)。2高級palmnet協(xié)議及其與palmnet協(xié)議的異同 高級palmnet是一種具有csma/cd+nda(碰撞檢測功能的載波感知多路存取和非破壞性仲裁優(yōu)先級控制)的分布式控制車內(nèi)局域網(wǎng)(lan)。按照iso對傳輸速率的定義，該協(xié)議覆蓋的中、低傳輸速率可達到l25kbps，高傳輸速率可達到lmbps。高級palmnet協(xié)議繼承和擴展了palmnet協(xié)議的技術(shù)特性，并在后者的基礎(chǔ)上提高了傳輸速率，在經(jīng)濟性、可靠性和使用方便性等方面都有較多改進。 高級palmnet與palmnet協(xié)議的異同點見表1。表1 高級palmnet協(xié)議與palmnet協(xié)議的異同點osi層項目高級palmnet協(xié)議palmnet協(xié)議中-低傳輸速率高傳輸速率數(shù)據(jù)鏈路層存取方法具有i/o幀的csma/cd具有sdg幀的csma/cdcsma/cd優(yōu)先級控制非破壞性仲裁同左同左尋址廣播同左同左 確認網(wǎng)絡(luò)控制確認（anc）法+ack確認比特16個節(jié)點2組網(wǎng)絡(luò)控制確認（anc）法16個crc網(wǎng)絡(luò)控制確認（anc）法24個節(jié)點差錯檢測8位crc（循環(huán)冗余較驗）16位crc8位crc數(shù)據(jù)長度4字節(jié)4或8 bit（可選擇）4節(jié)字物理層同步起止同步位塞入+起止具有pwm的自同步編碼nrz（不歸零）nrz（不歸零）pwm（脈寬調(diào)制）位速率可達125 kbps可達1 mbps20 kbps總線接口直流耦合型對所有故障模式均能容錯直流耦合型除+b短路模式需屏蔽導線外，對所有故障模式均能容錯交流耦合型除總線中斷和總線方式短路外，對各種故障模式容錯媒體雙扭線帶屏蔽的雙扭線雙扭線3高級palmnet協(xié)議的傳輸速率 對于汽車局域網(wǎng)lan，為了包含從車身控制系統(tǒng)到底盤控制系統(tǒng)的所有信號，必須將原90型的palmnet 20kbps的傳輸速率向上增加，才能滿足使用要求。考慮到傳輸延遲，對于非破壞性仲裁優(yōu)先級控制和csma/cd，其總線傳輸速率通過20m長度的上限約為lmbps。如果采用pwm編碼方法，真正的信息傳輸速率的上限約為330kbps，為lmbps的l/3左右。從應(yīng)用的觀點出發(fā)，處理車身到底盤控制系統(tǒng)的所有信號，需要執(zhí)行約lmbps的速率，因此，應(yīng)變更編碼方法，即將原來的pwm更改為nrz編碼，調(diào)整速率至lmbps。雙扭線在palmnet中用作通信媒體，必須有抗干擾措施，也就是說，在傳輸速率增加時應(yīng)對雙扭線作屏蔽。 對于車身控制系統(tǒng)，100kbps左右的中-低速率已足夠，而對于底盤控制系統(tǒng)則需要較高的約幾百kbps速率。根據(jù)iso的定義，達到125kbps的傳輸速率定義為中-低速率，達到1mbps的定義為高速率。4高級palmnet協(xié)議的幀格式 高級palmnet有高速傳輸速率的幀格式和中-低速傳輸速率的幀格式，見表2。表2 高級palmnet協(xié)議的幀格式幀格式高速傳輸速率中-低速傳輸速率sof幀起始8 bit8 bitpri幀優(yōu)先8 bit8 bittype幀類型8 bit8 bitid數(shù)據(jù)標識符8 bit8 bitdata數(shù)據(jù)字節(jié)每個8位號，n為4或8每個8位長crc循環(huán)冗余校驗16 bit8 biteod數(shù)據(jù)結(jié)束2 bitand網(wǎng)絡(luò)控制確認16 bit17 biteof幀結(jié)束10 bit10 bit為方便理解，將上述幀格式中的內(nèi)容解釋如下: 幀起始是一個指示幀開始的專用代碼，它由有6個連續(xù)位支配的8位構(gòu)成，每個位從屬和位支配均從位同步的角度考慮，因此，在其后面很容易形成幀同步和位同步。 幀優(yōu)先是一個優(yōu)先控制區(qū)域，已從原先的4位增至8位以改善優(yōu)先調(diào)度的自由度。有些汽車的車內(nèi)局域網(wǎng)lan協(xié)議將優(yōu)先碼與數(shù)據(jù)標識符id合并，而本協(xié)議的id是獨立的。 幀類型是專指幀類型的區(qū)域，它能將除標準幀以外的傳輸請求幀、同時數(shù)據(jù)收集 (sdg)幀及i/o-ic幀等區(qū)分開。 數(shù)據(jù)標識符以8位承襲以前的標識符，用來識別信號種類。 數(shù)據(jù)字節(jié)對于中-低速傳輸速率承襲早先的4字節(jié)作為數(shù)據(jù)長度;對于高速傳輸速率，考慮了同時數(shù)據(jù)收集(sdg)，可選擇4或8字節(jié)。 循環(huán)冗余校驗是最常用的一種差錯檢測代碼，8位crc適于中-低速傳輸速率，16位crc用于高速傳輸速率。該16位crc較早先的車內(nèi)局城網(wǎng)lan協(xié)議有更佳的檢錯能力。 數(shù)據(jù)結(jié)束只存在于高速傳輸速率和用于位同步轉(zhuǎn)換。 網(wǎng)絡(luò)控制確認是從接收節(jié)點等處回送確認的區(qū)域。對于中低速傳輸速率，anc確認位包含在該區(qū)域。 幀結(jié)束指示幀結(jié)束和準許向各節(jié)點依次傳輸。5高級palmnet協(xié)議位同步的理解 對于幀內(nèi)的位同步法，如果1個單節(jié)點正在發(fā)送，而且采用不歸零nrz編碼，則位塞入同步具有最佳的傳輸效率。但是，在anc或sdg方法中，有兩個以上的節(jié)點必須同時發(fā)送，發(fā)送節(jié)點在位塞入同步中，插入1個與相鄰位不可能同值的塞入位。這樣，僅僅在anc區(qū)域和在sdg模式的數(shù)據(jù)區(qū)使用起-止同步。因此，發(fā)送節(jié)點在1個固定周期發(fā)送同步位，而在高傳輸速率幀的發(fā)送過程中位塞入同步與起-止同步發(fā)生轉(zhuǎn)換。對于中-低速傳輸速率，為了降低成本，省去了同步轉(zhuǎn)換電路，在各個區(qū)域只使用起-止同步。 在該協(xié)議中若使用位塞入同步，當相鄰的5位有相同值則可插入1個塞入(填充)位。在起-止同步中，每4位插入2個同步位。6網(wǎng)絡(luò)控制確認 (anc)法的含義 馬自達公司1990年型宇宙汽車采用的palmnet協(xié)議，最顯著的特點就是采用anc應(yīng)答的確認方法。高級palmnet協(xié)議繼承了此方法。 圖1是高級palmnet協(xié)議的anc方法。根據(jù)來自于傳輸節(jié)點的同步位，各個接收節(jié)點插入確認信號(ack)于anc區(qū)域指配的位置，故確認信號可以從連接到網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點上的某一傳輸幀內(nèi)獲得。由于高級palmnet使用nrz編碼而不用原pwm編碼，因此，anc方法可由anc區(qū)域中兩個以上節(jié)點同時發(fā)送的起-止同步來實現(xiàn)。圖1 網(wǎng)絡(luò)控制確認法 對于中-低速傳輸速率，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可分為兩組管理，每組包括16個節(jié)點，節(jié)點總數(shù)達32個。對于高速傳輸速率，最多的節(jié)點數(shù)只有16個，對底盤控制系統(tǒng)，16個節(jié)點目前足以夠用。 anc法有以下優(yōu)點:在汽車局域網(wǎng)lan特別需要的n（1:n）的通信方式中，anc法具有高的傳輸可靠性，容易對網(wǎng)絡(luò)進行實時管理。當網(wǎng)絡(luò)用于底盤控制系統(tǒng)時，能對所有節(jié)點的故障實時檢測，并能迅速轉(zhuǎn)換為故障無礙控制。例如，在電子控制變速系統(tǒng)(eat)中，當使動/執(zhí)行器控制節(jié)點通過anc實時檢測出eat節(jié)點發(fā)生某一斷路或擊穿等故障，就立即置使動器于安全端，并轉(zhuǎn)入故障無礙操作，以維持汽車的繼續(xù)行駛。7同時數(shù)據(jù)收集(sdg)法的概念 在底盤控制系統(tǒng)的信號傳輸中，要求1個節(jié)點具有同時獲得幾個節(jié)點數(shù)據(jù)并處理這些數(shù)據(jù)。例如，防抱死制動系統(tǒng)的車輪速度傳感器、電控有源懸架的四輪高度傳感器等發(fā)送的信息，都要求1個節(jié)點能同時收集并處理這些信息。 sdg方法能讓1個節(jié)點僅用1幀從幾個節(jié)點同時收集數(shù)據(jù)(圖2)。如果節(jié)點a發(fā)送1個sdg幀，企圖從幾個信息源同時處理數(shù)據(jù)，在sdg幀中根據(jù)id編碼設(shè)計數(shù)據(jù)的節(jié)點b、c、d和e，依次將數(shù)據(jù)插入sdg幀內(nèi)的設(shè)定區(qū)域。圖2 sdg(同時數(shù)據(jù)收集)法 sdg功能對用于底盤控制系統(tǒng)的車內(nèi)局域網(wǎng)lan極為有用。如果無sdg功能，為了收集幾個信息源的數(shù)據(jù)，lan將對各個節(jié)點發(fā)送單獨的傳輸請求，這樣會花費太多的時間去同步處理數(shù)據(jù)，對底盤控制系統(tǒng)的安全性極為不利。另外，多次請求增加的業(yè)務(wù)量還會影響整個系統(tǒng)的等待時間。 在sdg幀內(nèi)，多個節(jié)點必須在相互同步時傳送，在數(shù)據(jù)字段周期位塞入同步法轉(zhuǎn)換為起-止法。8高級palmnet采用的幾種通信集成電路 對于中-低速傳輸速率，采用basic-ic(基本集成電路)和i/o-ic(輸入/輸出集成電路);對于高速傳輸速率，開發(fā)了hi-ic(高速集成電路)。3種ic都采用cmos0.8 m標準的精細處理技術(shù)，并通過縮減芯片尺寸降低成本。3種ic都裝有總線接口。安裝在發(fā)動機艙內(nèi)的節(jié)點工作溫度調(diào)定在一40125。(1)basic-ic。它用作電子控制裝置/模塊，布局如圖3所示。通圖3 basic-ic框圖信控制電路與8位單片機集成在一起。由與cpu一體化的軟件處理電子控制模塊和通信控制區(qū)的應(yīng)用程序，因此，通信硬件的尺寸和成本均有明顯減少。對于通信控制，可以從應(yīng)用軟件中調(diào)用子程序獲得傳輸數(shù)據(jù)。對于接收部分，可由通信控制電路及軟件處理通信控制中斷cpu。用不同的中斷類型簡化判定過程，而中斷類型又是根據(jù)是否正常地接收到信號或是否出現(xiàn)差錯以確定。表3是basic-ic的主cpu功能。表3 basic-ic主cpu功能及規(guī)范cpu功能規(guī)范cpu功能規(guī)范rom16 k字節(jié)計時器16位1通道8位2通道監(jiān)視器1通道ram512字節(jié)pwm輸出16位1通道i/o口36外部中斷2串行接口通用收發(fā)信機usrt1外部總線英特爾（intel）多路復用總線a/d轉(zhuǎn)換器8位6通道 (2)i/o-ic。它用作節(jié)點，專門用于非智能控制傳感器和使動器的輸入/輸出操作。不需要附加的微處理器，將輸入/輸出功能并入通信芯片，可以降低制造成本。i/o集成電路規(guī)約的特性如圖4所示。圖4 i/o-ic中的網(wǎng)絡(luò)控制確認(anc)管理 在上述的anc方法中，由于傳輸出錯或其他問題導致接收節(jié)點未能收到正確的幀，為了校準幀，接收節(jié)點檢測到ack不足之后，發(fā)送節(jié)點將重發(fā)幀。為了判定上述是否重發(fā)，發(fā)送節(jié)點先識別是哪些節(jié)點連接在網(wǎng)絡(luò)上，識別方法是用anc表，該表是從各個節(jié)點(anc信號)最后的4個ack信號作為依據(jù)制成的。發(fā)送節(jié)點通過比較傳輸中的anc信號與anc表，判定是否需要重發(fā)。按上述情況，依據(jù)每次發(fā)送和接收操作獲得的anc信號形成和修訂的anc表的操作程序，被稱為anc管理功能。 證實了anc信號與anc表一致后，還可以通過網(wǎng)絡(luò)中的basic-ic管理某個anc表，以取代i/o-ic發(fā)送anc字段后部分的anc確認位。 i/o-ic可以通過校驗anc確認位決定是否重發(fā)。當任何輸入口的狀態(tài)發(fā)生變化，i/o-ic就自動起動發(fā)送1幀;而當i/o-ic收到正確的數(shù)據(jù)幀，它就立即在輸出口輸出數(shù)據(jù)。 (3)hi-ic。底盤控制系統(tǒng)的電子控制裝置由高性能的微處理器組成，而高速傳輸速率下的通信集成電路hi-ic則用微處理器構(gòu)成外圍電路。另外，hi-tc以對各個微處理器提供直接接口的高效cpu接口為特征。多路復用或分離的地址/數(shù)據(jù)總線可由與摩托羅拉或英特爾總線規(guī)格兼容的結(jié)構(gòu)提供給hi-ic。 hi-ic中的接收緩沖器由重寫緩沖器和非重寫緩沖器組成。重寫緩沖器被標識符id分為幾個區(qū)域，當hi-ic收到寄存器id的信息幀，不管cpu是否讀出老數(shù)據(jù)，老數(shù)據(jù)都將被新數(shù)據(jù)重寫。不過，非重寫緩沖器特制了兩個區(qū)域，可儲存寄存器id的所有信息幀，至于這兩個區(qū)域的信息若存滿了，也就不能再繼續(xù)儲存了。 重寫緩沖器用于頻繁發(fā)送的信息幀。對每個信息幀的接收，cpu不必中斷就能順利地讀出所接收的數(shù)據(jù)，因此，cpu參與通信的問題勿需過多考慮。非重寫緩沖器參與應(yīng)急方式下的驅(qū)動型事件的信息幀，其應(yīng)用結(jié)果，可獲得快速響應(yīng)和可減少接收部分的cpu載荷。9高級palmnet的總線接口的故障容錯能力 高級palmnet的總線接口的最主要特點就是有很強的容錯能力，也就是說，這是一種高可靠性的增強型總線接口。 表4是由iso推薦的9種故障容錯。故障容錯是指在傳輸媒體中，發(fā)生了表中的某種故障類型，通信仍能繼續(xù)進行。 表4 iso推薦的9種故陣容錯故障形式提出方式故障形式規(guī)范（1）總線+中斷推薦（6）總線-至蓄電池（b+）推薦（2）總線-中斷推薦（7）總線+至總線-可選擇（3）總線+至蓄電池（b+）推薦（8）總線+與總線-在同一位置同時中斷推薦于子系統(tǒng)（4）總線-至地（gnd）推薦（9）兩個終端電阻之一損耗推薦（5）總線+至地（gnd）推薦10高級palmnet的中-低速傳輸速率總線接口的特點 中-低速傳輸速率總線接口如圖5所示。由于nrz中的占空率用在palmnet中波動較大，因此，早先的ac藕合輸入電路因充放電時間得不到平衡，故選擇了dc耦合輸入電路。圖5 中-低速傳輸速率下總線接口 雙扭線作為總線，其上的電壓信號被轉(zhuǎn)換為合適值供至帶有衰減電路的比較器。經(jīng)過3個比較器的轉(zhuǎn)換信號與總線信號相互比較，各個轉(zhuǎn)換信號與具有參考電壓的某個總線信號比較后轉(zhuǎn)換為3個接收信號。接收信號中的非正常信號被單獨檢出并由數(shù)字濾波電路過濾掉，僅讓正常信號進入數(shù)據(jù)鏈路。采用這樣的電路布局，即使有1根總線發(fā)生中斷，3個接收信號中至少還有1個正常信號進入數(shù)據(jù)鏈路，以此確保故障條件下仍能繼續(xù)通信;如果總線之間發(fā)生短路，傳輸模式轉(zhuǎn)換至非平衡模式，此時分離出1個偏置電路代替總線。由此可看出，高級palmnet的中-低速傳輸速率總線接口最大的特點是容錯能力完全能與前述iso推薦的9種故障模式相對應(yīng)。 考慮到無線電干擾，總線驅(qū)動電路采用恒流電路，這樣總線驅(qū)動電流性能最佳。作為傳輸媒體的雙扭線，在傳輸長度達40m，工作溫度-40125，以及傳輸速率125kbps的條件下，可獲得優(yōu)良的電磁兼容性。 所有的總線接口電路，除了衰減電路和驅(qū)動器電路與