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淺析汽車總線技術(shù)原作者:

出處:OneTwoFree.Sp【論文摘要】本文從不同角度分析了汽車總線技術(shù)的發(fā)展趨勢,探討汽車總線傳輸應(yīng)滿足的技術(shù)要求,并詳細(xì)論述汽車CAN總線的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn),指出汽車總線研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)問題。

一、汽車總線概述

1.汽車總線技術(shù)的發(fā)展

隨著車用電氣設(shè)備越來越多,從發(fā)動機(jī)控制到傳動系統(tǒng)控制,從行駛、制動、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制到安全保證系統(tǒng)及儀表報警系統(tǒng),從電源管理到為提高舒適性而作的各種努力,使汽車電氣系統(tǒng)形成一個復(fù)雜的大系統(tǒng),并且都集中在駕駛室控制。另外,隨著近年來ITS的發(fā)展,以3G(GPS、GIS和GSM)為代表的新型電子通訊產(chǎn)品的出現(xiàn),它對汽車的綜合布線和信息的共享交互提出了更高的要求。

從布線角度分析,傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對點(diǎn)的單一通信方式,相互之間少有聯(lián)系,這樣必然造成龐大的布線系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計,一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中,其導(dǎo)線長度可達(dá)2000米,電氣節(jié)點(diǎn)達(dá)1500個,而且,根據(jù)統(tǒng)計,該數(shù)字大約每十年增長1倍,從而加劇了粗大的線束與汽車有限的可用空間之間的矛盾。無論從材料成本還是工作效率看,傳統(tǒng)布線方法都將不能適應(yīng)汽車的發(fā)展。下圖1、圖2分別為相同節(jié)點(diǎn)的傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)通訊方式和使用CAN總線的通訊方式,從圖可以直觀地比較線束的變化(圖中節(jié)點(diǎn)之間的連線僅表示節(jié)點(diǎn)間存在的信息交換,并不代表線束的多少)。

圖1傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)通訊方式

圖2CAN總線通訊方式電控燃油噴射系統(tǒng)、電控傳動系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、防滑控制系統(tǒng)(ASR)、廢氣再循環(huán)控制、巡航系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)。為了滿足各子系統(tǒng)的實(shí)時性要求,有必要對汽車公共數(shù)據(jù)實(shí)行共享,如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、油門踏板位置等。但每個控制單元對實(shí)時性的要求是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期不同而不同的。這就要求其數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先勸競爭的模式,且本身具有較高的通信速率,CAN總線正是為滿足這些要求而設(shè)計的。

美國汽車工程師協(xié)會(SAE)車輛網(wǎng)絡(luò)委員會根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SAEJ2057將汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)劃分為A、B、C三類,為了直觀地說明其網(wǎng)絡(luò)劃分,這里圖3表示。從通訊速度角度分析,隨著車載多媒體和辦公設(shè)備在車輛應(yīng)用方面的快速發(fā)展,一種新型總線——IDB已經(jīng)出現(xiàn),世界各大汽車生產(chǎn)商對此非常關(guān)注,紛紛出臺相應(yīng)的研究計劃。現(xiàn)在已經(jīng)存在能夠?qū)?dǎo)航、GPS、電話、音響、電視、DVD等進(jìn)行信息綜合的雙總線(OEM總線+IDB)樣車,這些裝置之間需要頻繁地通訊,而且信息量巨大,原有的CAN總線或J1850總線無法滿足這些裝置間的通訊要求,因為傳輸?shù)乩硇畔ⅲ℅I)、數(shù)字音頻信息或車輛位置信息至少需要5Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)速度,IDB-1394可以支持100、200、400Mbit/s的通訊速度,完全可以滿足高速通訊的網(wǎng)絡(luò)需求。

2.CAN總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

國內(nèi)汽車品牌中已經(jīng)有幾款車型應(yīng)用了總線技術(shù),這些技術(shù)完全來自國外。目前應(yīng)用總線的國產(chǎn)車中大多采用兩套獨(dú)立的CAN總線:一套是動力CAN數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),另一套是舒適CAN數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

使用CAN總線后,對其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié),得出以下結(jié)論:

1)如果數(shù)據(jù)擴(kuò)展以增加新的信息,只需升級軟件即可。

2)控制單元對所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行實(shí)時檢測,檢測到故障后存儲故障碼。

3)使用小型控制單元及小型控制單元插孔可節(jié)省空間。

4)使傳感器信號線減至最少,控制單元可做到高速數(shù)據(jù)傳輸。

5)CAN總線符合國際標(biāo)準(zhǔn),因此可應(yīng)用不同型號控制單元間的數(shù)據(jù)傳輸。

3.汽車CAN總線的節(jié)點(diǎn)設(shè)計

3.1CAN節(jié)點(diǎn)ECU的設(shè)計(硬件)

汽車節(jié)點(diǎn)ECU的開發(fā)可以選擇帶有在片CAN的微控制器,也可以選擇其它微控制器和相應(yīng)的片外CAN控制器、收發(fā)器。本文以后者為例說明ECU的開發(fā)。

帶有CAN接口的ECU設(shè)計是總線開發(fā)的核心與關(guān)鍵,其中ECU的CAN總線模塊有幾個功能單元構(gòu)成——CAN控制器和CAN收發(fā)器。CAN控制器執(zhí)行完整的CAN協(xié)議,完成通訊功能,包括信息緩沖和接收濾波。CAN控制器與物理總線之間需要一個接口——CAN收發(fā)器,它實(shí)現(xiàn)CAN控制器與總線之間邏輯電平信號的轉(zhuǎn)換。CAN控制器和收發(fā)器完成CAN物理層和邏輯電路層的所有功能。應(yīng)用層的功能則由軟件來實(shí)現(xiàn)。

各節(jié)點(diǎn)的ECU主要由MCU、DSP、CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器PCA2C250和其它外圍器件構(gòu)成。圖5給出一個由51單片機(jī)開發(fā)CAN節(jié)點(diǎn)的原理圖(圖中省略了SJA1000與PCA2C250之間的光耦等細(xì)節(jié)),完全可以說明帶CAN接口ECU設(shè)計的原理。3.2CAN網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)現(xiàn)(軟件)

CAN設(shè)計的三層結(jié)構(gòu)模型為:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能由CAN接口器件完成,包括硬件電路和通訊協(xié)議兩部分。CAN通訊協(xié)議規(guī)定了四種不同用處的網(wǎng)絡(luò)通訊幀,即數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤指示幀和超載幀。CAN通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn),包括各種通訊幀的組織和發(fā)送,均是由集成在SJA1000通訊控制器中的電路實(shí)現(xiàn)的,因此系統(tǒng)的開發(fā)主要在應(yīng)用層的設(shè)計上。應(yīng)用層軟件的核心部分是CPU與SJA1000通訊控制器之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送程序,即CPU把待發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)給SJA1000通訊控制器,再由SJA1000通訊控制器發(fā)到總線上;當(dāng)SJA1000通訊控制器從總線接受到數(shù)據(jù)后,CPU再把數(shù)據(jù)取走。對于單片機(jī)而言,操作SJA1000就象訪問外部RAM一樣簡單。首先,應(yīng)對SJA1000中的有關(guān)控制寄存器寫入控制字,進(jìn)行初始化。之后,CPU即可通過SJA1000接收/發(fā)送緩沖區(qū)向物理總線接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

三、汽車總線的研究重點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

汽車總線系統(tǒng)的研究與發(fā)展可以分為三個階段:第一階段是研究汽車的基本控制系統(tǒng)(也稱舒適總線系統(tǒng)),如照明、電動車窗、中央集控鎖等。第二階段是研究汽車的主要控制系統(tǒng)(也稱動力總線系統(tǒng)),如電噴ECU控制系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、自動變速箱等。第三階段是研究汽車各電子控制系統(tǒng)之間的綜合、實(shí)時控制和信息反饋。

按照我國汽車電子技術(shù)發(fā)展規(guī)劃,進(jìn)入21世紀(jì)后轎車電子技術(shù)可達(dá)國外90年代水平,為了縮短同國外轎車技術(shù)水平的差距,提高自身的競爭力,單純靠技術(shù)引進(jìn)不利于發(fā)展,消化、吸收、研究和開發(fā)自己的汽車總線與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)勢在比行。目前我國的汽車總線研究和應(yīng)用尚處起步階段,而且汽車總線的應(yīng)用趨勢明顯,現(xiàn)在介入該研究正是大好時機(jī)。

1.汽車總線的研究重點(diǎn)

由于我國的車型以歐美車型為主,且歐美車型又以CAN總線為主流,目前國內(nèi)使用總線技術(shù)的車型幾乎全部使用CAN總線,因此汽車總線的研發(fā)應(yīng)該結(jié)合國內(nèi)外實(shí)際情況選用CAN總線。

CAN符合ISO/OSI的參考模型,但只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議,其應(yīng)用層的協(xié)議需要用戶自己定義。支持CAN低層協(xié)議的芯片有許多,既有在片的MCU,也有片外的CAN控制器。用戶自己開發(fā)的應(yīng)用層協(xié)議也有很多,如AB公司定義的DEVICENET協(xié)議就是CAN協(xié)議基礎(chǔ)上的應(yīng)用層協(xié)議,Honeywell公司推出的SDS總線也是在CAN的基礎(chǔ)上定義了自己的應(yīng)用層??梢?,汽車CAN總線的研究重點(diǎn)是:針對具體的車型開發(fā)ECU的硬件和應(yīng)用層的軟件,并構(gòu)成車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。

2.關(guān)鍵技術(shù)

利用CAN總線構(gòu)建一個車內(nèi)網(wǎng)絡(luò),需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題有:

a)總線傳輸信息的速率、容量、優(yōu)先等級、節(jié)點(diǎn)容量等技術(shù)問題;

b)高電磁干擾環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸;

c)確定最大傳輸時的延時大??;

d)網(wǎng)絡(luò)的容錯技術(shù);

e)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和故障診斷功能;

四、結(jié)論

技術(shù)的先進(jìn)性是總線在汽車上應(yīng)用的最大動力,也是汽車生產(chǎn)商竟相應(yīng)用總線的主要原因,汽車總線的普及和發(fā)展是大勢所趨,是提高汽車性能的一條很好途徑。

參考文獻(xiàn)

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4.鄔寬明,CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,北京航空航天大學(xué)出版社,20汽車總線技術(shù)走向成熟

時間:2005年5月8日16:48隨著電子技術(shù)在汽車中的拓展,特別是在20世紀(jì)80年代以后,MCU/MPU在汽車中得到了廣泛應(yīng)用,出現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)通訊的車載網(wǎng)絡(luò),這為提高汽車性能和減少線束數(shù)量提供了有效的解決途徑。在各種數(shù)據(jù)通信方式中最常見的是UART,因此最早的車載網(wǎng)絡(luò)是在UART的基礎(chǔ)上建立的。UART在汽車中的成功應(yīng)用,標(biāo)志著汽車電子開始走向成熟,并逐步邁向網(wǎng)絡(luò)化。

TTCAN改善CAN實(shí)時性

由于汽車對電子部件在可靠性、工作溫度、成本等方面的特殊要求,通用MCU/MPU集成的UART逐漸不能適應(yīng)汽車發(fā)展的新要求。于是在20世紀(jì)80年代初,各大汽車公司開始研制適用汽車內(nèi)部信息交互的專用通信方式。博世公司推出的CAN(控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò))總線具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性,因而得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)同,并在1993年正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。以CAN為代表的總線技術(shù)在汽車的應(yīng)用不但減少了車身線束,也提高了汽車的可靠性。據(jù)Strategy

Analytics公司統(tǒng)計,2001年用在汽車上的CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過1億個。

為了調(diào)查汽車總線在中國的實(shí)際應(yīng)用情況,筆者曾在2003年12月到北京車市現(xiàn)場統(tǒng)計了當(dāng)時售價在8萬元~20萬元之間的轎車采用總線技術(shù)的情況(表1)。盡管統(tǒng)計不完全,但表1所列出的車型已超過了2002年到2003年兩年新下線、價格在8萬元~20萬元之間車型的40%以上。從表1可看出,汽車總線在中國生產(chǎn)的普及型轎車中所占的比重如此之大,說明總線技術(shù)在轎車中已經(jīng)很成熟,而不再是高檔轎車的獨(dú)享技術(shù)。而賽弗CC6450BY采用了CAN總線,進(jìn)一步說明汽車總線技術(shù)已開始融入中國自有品牌的轎車當(dāng)中。同時表1還說明CAN總線已成為普及型轎車的主流總線技術(shù)。當(dāng)然,CAN總線技術(shù)也在不斷發(fā)展。

傳統(tǒng)的CAN是基于事件觸發(fā)的,信息傳輸時間的不確定性和優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是它固有的缺點(diǎn)。為了滿足汽車控制對實(shí)時性和傳輸消息密度不斷增長的需要,改善CAN總線的實(shí)時性能非常必要。于是,傳統(tǒng)CAN與時間觸發(fā)機(jī)制相結(jié)合產(chǎn)生了TTCAN(Time-Triggered

CAN),ISO11898-4已包含了TTCAN。

TTCAN總線和傳統(tǒng)CAN總線系統(tǒng)的區(qū)別是:總線上不同的信息定義了不同的時間槽(Timer

Slot)。在同一時間槽內(nèi),總線上只能有一條信息傳輸,這樣避免了總線仲裁,也保證了信息的實(shí)時性。TTCAN系統(tǒng)需要全局時間同步,但采用傳統(tǒng)CAN控制器很難實(shí)現(xiàn)TTCAN,因此新推出的CAN控制器如Microchip的MCP2515就增加了與TTCAN相關(guān)的硬件資源,它們在軟件配合下就能實(shí)現(xiàn)TTCAN。

LIN適應(yīng)低成本需求

電子與信息技術(shù)在汽車中的持續(xù)滲透,車用電器的電子化使CAN及UART都不能滿足汽車制造業(yè)對成本的苛刻要求。從1998年開始,由寶馬、奧迪、戴姆勒-克萊斯勒、摩托羅拉和VCT等7家汽車和IC公司共同開發(fā)能滿足車身電子要求的低成本串行總線技術(shù),該技術(shù)在2000年2月完成開發(fā),它就是LIN(Local

Interconnect

Net-work)。實(shí)際上,LIN是基于UART的,它采用了主從單線方式傳輸,最高波特率為20Kb/s。LIN的最大優(yōu)勢是低成本,它對總線上各節(jié)點(diǎn)的時基要求很低。LIN雖然基于UART,它與UART的最大區(qū)別在于對各節(jié)點(diǎn)波特率誤差的容忍度:UART要求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸兩個節(jié)點(diǎn)波特率的誤差不大于±4%;LIN總線只要求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸兩個節(jié)點(diǎn)波特率的誤差不大于±15%?!?5%的波特率誤差容忍度決定了節(jié)點(diǎn)上的MCU可以不用精度高、價格也相對較高的石英晶體,而采用穩(wěn)定度稍差但價格十分低廉的RC電路來提供時鐘。

IN價格低廉,因此它可將MCU嵌入到車身零部件中,使其成為具備網(wǎng)絡(luò)功能的智能零部件,從而進(jìn)一步減少車身線束,降低成本。

車載媒體總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息共享

如今與現(xiàn)代人們生活密切相關(guān)的IT技術(shù)也不斷地與汽車融合。世界著名的汽車制造商BWM的一位高層人士曾說過:將來汽車的平臺,就是IT的平臺。

作為將來的IT平臺,汽車必須實(shí)現(xiàn)車內(nèi)IT裝置之間的信息共享。以BWM為首的歐洲汽車制造商制定了車內(nèi)媒體之間的互連標(biāo)準(zhǔn)MOST,以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)CD、GPS(全球定位系統(tǒng))和TV等媒體裝置之間的信息共享。到2003年底,BWM和VW已有21個車型采用了MOST。

與歐洲汽車制造商MOST陣營相對應(yīng)的是IDB-1394(見表2)。盡管IDB-1394標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)節(jié)正在制定之中,但由于它能夠兼容IEEE1394,因而吸引了大量汽車廠商,尤其是日本汽車廠商。預(yù)計日本車到2005年、歐洲車到2006年將陸續(xù)采用該標(biāo)準(zhǔn)。在IDB-1394標(biāo)準(zhǔn)下,車內(nèi)預(yù)留了連接汽車總線與IEEE1394規(guī)格的家電產(chǎn)品的CCP(Consumer

Convenience

Port)接口。數(shù)碼攝像機(jī)等通用的媒體裝置就可通過IEEE1394連接器與CCP相連,實(shí)現(xiàn)通過車載顯示器來觀看數(shù)碼攝像機(jī)所拍攝的圖像。

隨著藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展,其相對低廉的成本和簡便的使用方法得到汽車業(yè)界的認(rèn)同。移動電話與車內(nèi)媒體之間的信息交互成為藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)入汽車的突破點(diǎn)。在戴姆勒-克萊斯勒推出的Uconnect藍(lán)牙免提電話系統(tǒng)中,藍(lán)牙成為移動電話與車內(nèi)媒體之間進(jìn)行信息交互的手段,駕駛員通過安裝在擋風(fēng)玻璃上的麥克風(fēng)和車內(nèi)音響系統(tǒng)的揚(yáng)聲器與他人通話,將駕駛員的雙手從操作移動電話中解脫出來,從而保證了行車安全。

專家視點(diǎn)

發(fā)展車身電子及車載媒體網(wǎng)絡(luò)是務(wù)實(shí)之策

為汽車服務(wù)的汽車電子除了動力、制動、車身外,還包括車載多媒體。究竟哪里才是中國汽車電子OEM真正的切入點(diǎn)呢?

在汽車電子中,動力和制動部分的電子控制是非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程,是汽車中的核心技術(shù)。發(fā)展這些技術(shù)需長期積累,并且目前已被全球頂級汽車制造商和汽車部件供應(yīng)商所壟斷。因此,中國的汽車電子OEM應(yīng)該根據(jù)自身的特點(diǎn),在汽車市場中尋求突破點(diǎn)。

除了動力和制動部分外,車身和車載多媒體仍然在汽車電子中占有很大的比重。從市場角度來看,它處于發(fā)展階段;從技術(shù)角度上分析,與安全和環(huán)保等涉及汽車核心技術(shù)的關(guān)系不大,但它涉及面很廣,不可能被少數(shù)集團(tuán)壟斷。根據(jù)中國汽車電子的現(xiàn)狀,作為企業(yè)發(fā)展車身電子及車載多媒體,是一項務(wù)實(shí)的決策。汽車電子涉及的是一些相對簡單的控制,如汽車電動座椅、電動門窗等,但它的核心是汽車總線技術(shù)。最近一汽與北京一家公司開發(fā)的基于LIN的車身控制系統(tǒng)已開始進(jìn)入試驗階段。將零部件與總線融為一體,使系統(tǒng)成本最低,這將給中國汽車電子和汽車零部件企業(yè)帶來機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

汽車逐漸進(jìn)入百姓之家,車載多媒體的不斷發(fā)展,也將為中國的汽車電子、IT和家電制造商帶來機(jī)遇。在汽車中,將己成功應(yīng)用的家電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)移植到汽車媒體,并且實(shí)現(xiàn)家庭、汽車和辦公媒體三位一體,這在技術(shù)上可行,而且與車載媒體的發(fā)展目標(biāo)一致。汽車用總線技術(shù)

目前令人關(guān)注的一個動向是在汽車中使用“便攜式”技術(shù)。一個顯而易見的原因是汽車用微控制器的數(shù)量在不斷增加??偩€上帶有這么多的器件,其消耗的功率就應(yīng)盡可能地低。因此,需用低功率(便攜式)技術(shù)。

遺憾的是,便攜領(lǐng)域與汽車領(lǐng)域在產(chǎn)品時限與設(shè)計周期上有極大的差異。一般說來,便攜式產(chǎn)品的時限為6~9個月,設(shè)計周期為9~12個月。而汽車的產(chǎn)品時限有幾年的時間,設(shè)計周期大體上與此相同。長設(shè)計周期導(dǎo)致一種總線要使用多年。

在北美汽車行業(yè),汽車內(nèi)有兩類網(wǎng)絡(luò)。第一類是動力與傳動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),用來連接各個動力與傳動部件,有時也包括防抱死制動系統(tǒng)(ABS)。因此,通常采用高速控制器局域網(wǎng)(CAN)總線。

動力與傳動系統(tǒng)的電子裝置在很大程度上受IC供應(yīng)商的控制,系統(tǒng)的差別不大。然而,在車身系統(tǒng)電子裝置中,那又是另外一種光景。這是汽車制造商充分展示自我的舞臺。例如,考察一下Mercedes或BMW,你會發(fā)現(xiàn)五花八門的車內(nèi)氣象控制裝置、電話接口以及儀表總匯。對汽車制造商來說,這是樹立品牌的一項舉措。因此和動力與傳動系統(tǒng)不同,汽車制造商對車體總線和電子裝置擁有很大的控制權(quán)。

CAN最初是一種歐洲標(biāo)準(zhǔn),此后也在美國得到普及(圖1)。其潛在的運(yùn)行速率可達(dá)1Mbits/s,通常以半速率工作,以求控制射頻的輻射量。在某些場合,運(yùn)行的速率甚至更低,如125Kbits/s。

第二類是車身系統(tǒng)電子裝置。它包括蓄電池與儀表盤電子裝置一類部件。這些裝置通常是用基于J1850標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連接的。J1850總線的問世約有15年的時間。

CAN可也用于車身系統(tǒng),但這是一種容錯式總線。根據(jù)定義,CAN是一種兩線式總線??偩€內(nèi)置容錯功能,要是兩條線中有一條短接至地或開路,網(wǎng)絡(luò)切換至一線方式,繼續(xù)工作。

規(guī)范要求,從2線過渡至1線期間不能丟失數(shù)據(jù)位。為此,車身系統(tǒng)的物理層芯片比動力與傳動設(shè)備更復(fù)雜,即便它運(yùn)行在較低的速率。

但是在故障狀態(tài)下,時序變得不可預(yù)測。采用CAN,要是傳輸路徑不通暢,最初的發(fā)送方會反復(fù)地發(fā)送消息。由于發(fā)送方未能接收到來自接收方的應(yīng)答信號,所以它知道線路發(fā)生了故障。這就導(dǎo)致不可預(yù)測的時序,當(dāng)然僅在故障狀態(tài)下。一個斷裂的節(jié)點(diǎn)獨(dú)占總線而不斷發(fā)送消息被稱為“串?dāng)_傻瓜”。

即使汽車的某些部件具有“故障-安全”功能,其它部件未必具有這種功能。例如,安全氣囊不停地進(jìn)行診斷。如果檢測到故障,告警燈被接通,通知用戶對它進(jìn)行修理。在此狀態(tài)下安全氣囊不能工作,但它不會中止汽車的運(yùn)行。對ABS亦是如此,如果檢測到故障,ABS不能工作,但它不會中止制動器的正常工作。--

作者:寒木春華

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發(fā)布時間:2005-4-1512:08:07

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當(dāng)然,也有某些部件不具備故障-安全功能,例如方向盤。這是真正需要容錯功能的部件實(shí)例。

Motorola公司正和Mercedes與BMW一起制訂新的協(xié)議來處理這類問題。這可能是一種時間觸發(fā)系統(tǒng),即便在故障狀態(tài)仍保持在可預(yù)測狀態(tài)。

例如,為了防止出現(xiàn)串?dāng)_傻瓜問題,使用單獨(dú)的總線保護(hù)芯片。芯片僅在所分配的時隙內(nèi)為節(jié)點(diǎn)打開窗口,將消息放置在總線上。

目前已經(jīng)完成該協(xié)議的初始設(shè)計。它稱為字節(jié)飛行技術(shù),是一種安全系統(tǒng)用的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)。

協(xié)議處理安全氣囊一類基本模塊間的連接。在正常條件下,總線工作在低速方式,約10Kbits/s,以減少輻射。但是在撞車期間,這里已無暇顧及輻射,它切換至高速方式。這種技術(shù)稱為分布系統(tǒng)接口(DSI)。

C167是具有CAN功能的16位微控制器。該器件由Infineon研發(fā),組合了4級流水式CPU(高達(dá)33MHz)和多種外設(shè)與增強(qiáng)的I/O功能(圖2)。片上功能包括4KbyteSRAM和高達(dá)128KbytesROM。片上CAN模塊符合CAN規(guī)范的2.0B工作版本。

第二種CAN控制器由DallasSemiconductor提供,內(nèi)置與8051兼容的DS80C390微處理器。處理器最高速率為40MHz,也可選用內(nèi)部倍頻器,全速工作時能省去晶振,從而減少EMI。DS80C390具有兩個全功能的CAN2.0B控制器。除了標(biāo)準(zhǔn)的11位或擴(kuò)充的29位消息識別器,器件支持兩個獨(dú)立的8位媒體屏蔽和媒體判決字段,以便使用高級CAN協(xié)議。DS80C390備有4KbyteSRAM。一個22位程序計數(shù)器可訪問最大4Mbyte外部程序存儲器和4Mbyte外部數(shù)據(jù)存儲器。

汽車設(shè)計者可使用的另一種結(jié)構(gòu)是在法國研發(fā)的VAN總線。它與CAN類似,兩者都是多重結(jié)構(gòu)。但VAN具有不同的位編碼方案。

VAN協(xié)議主要是法國汽車制造商采用。目前也用于某些車身應(yīng)用。就動力與傳動系統(tǒng)而言,甚至在法國也集中在CAN總線上。

CAN的又一種方案是NEC研發(fā)的,使用了最新32位微控制器的Atomic和CarGate。兩個器件組成專用的硬件基CAN橋接器,微控制器用作汽車內(nèi)各種網(wǎng)絡(luò)間的通信網(wǎng)關(guān)。這樣,微控制器可同時為5個CAN網(wǎng)絡(luò)管理多個任務(wù),如動力與傳動、導(dǎo)航系統(tǒng)、或車內(nèi)氣象控制裝置。通過硬件實(shí)現(xiàn)橋接器,控制器可讓主CPU擺脫某些例行任務(wù)。

NEC器件與傳統(tǒng)的CAN基產(chǎn)品有明顯的區(qū)別,它提供“時間觸發(fā)”功能,信號是按時隙傳輸?shù)?,而不是根?jù)外部事件判決傳輸?shù)摹榱嗽黾影踩?,控制器?zhí)行“停工時間監(jiān)測”,來預(yù)測是否接收到規(guī)定時間幀內(nèi)的重要消息。

橋接器包含了3個組件,可編程狀態(tài)機(jī)、存儲區(qū)(用于存儲在狀態(tài)機(jī)上所執(zhí)行的命令)、以及暫存緩沖器。狀態(tài)機(jī)讓汽車制造商根據(jù)自己的要求來決定分配給每個CAN接口的存儲器資源數(shù)量。

另一種還在逐漸普及的總線是LIN(局部互連網(wǎng)絡(luò))。就性能而言,它比CAN慢,是局部區(qū)域,如車門,使用的一個分總線。換句話說,CAN總線連接至車門,車門僅僅是CAN的一個節(jié)點(diǎn)。從該節(jié)點(diǎn)再用LIN分總線連接車窗,反射鏡、門鎖等各個部件。

安全氣囊的配置按類似的方式處理。CAN節(jié)點(diǎn)連接至主接口。然后用LIN分總線直接連接至傳感器。

使用LIN分總線是由成本因素驅(qū)動的。LIN節(jié)點(diǎn)的成本要比CAN節(jié)點(diǎn)低得多。同時,CAN總線能支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)已接近其極限。

高速領(lǐng)域,諸如娛樂系統(tǒng),通常不是任務(wù)為主的應(yīng)用。如,控制汽車CD播放機(jī)的線路故障遠(yuǎn)不如ABS或安全氣囊故障嚴(yán)重。

正在布署的一種高速線是面向媒體型系統(tǒng)傳送結(jié)構(gòu)(MOST)。MOST是一種光學(xué)高速網(wǎng)絡(luò)。它的一個主要特性是能傳送等時性數(shù)據(jù)。這個特性十分重要,因為在多數(shù)場合,數(shù)據(jù)到達(dá)的順序和時間比每個數(shù)據(jù)位都能到達(dá)更重要。明顯的例子是樂曲,樂曲的數(shù)據(jù)位即使是丟失了一位也應(yīng)按正確的順序播放。

MOST是一種環(huán)型結(jié)構(gòu)。因此,如果發(fā)生故障,環(huán)被斷開,總線就不能工作。由于這個原因,總線僅用于非任務(wù)為主的應(yīng)用,如娛樂系統(tǒng)。

有幾個行業(yè)聯(lián)合組織正在定義標(biāo)準(zhǔn)多媒體總線。目前,這是一項很難出臺的標(biāo)準(zhǔn)。可能的標(biāo)準(zhǔn)有幾個,北美有,歐洲也有。且有幾家消費(fèi)品公司希望參與此項工作。甚至傳統(tǒng)的計算機(jī)公司,如Microsoft和Intel,也正在出臺幾項標(biāo)準(zhǔn)。

高速總線的最大問題是輻射。通常,總線的工作速度越快,其輻射量越大。

一種可入選的高速多媒體總線是IEEE1394。遺憾的是,1394規(guī)定的連接器易產(chǎn)生輻射,不適合汽車使用。

在多媒體領(lǐng)域,重要的是將消費(fèi)品技術(shù)和汽車專業(yè)知識相結(jié)合,使這些系統(tǒng)真正成為汽車的部件。

通信和多媒體總線系統(tǒng)正在成為汽車研發(fā)中的一個熱門話題。在典型的汽車環(huán)境中有蜂窩電話、音響系統(tǒng)、車內(nèi)氣象控制設(shè)備、定位設(shè)備、以后可能還有數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)。要是將它們放置在各自的機(jī)盒中,用點(diǎn)對點(diǎn)方式連接,就會浪費(fèi)很多資源。--

作者:寒木春華

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發(fā)布時間:2005-4-1512:09:51

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在理想的環(huán)境中,系統(tǒng)的核心是集中了很多智能的主控制器。這與計算機(jī)系統(tǒng)十分相似,主機(jī)要連接不同的外設(shè)。

新興的光學(xué)技術(shù)消除了最大潛在的問題-輻射。采用的技術(shù)基本上與常規(guī)PC相同,只是要提高到汽車的檔次。這就是說要考慮到溫度的制約、機(jī)械問題、振動、加速度等等。上述細(xì)節(jié)并不會出現(xiàn)在常規(guī)PC系統(tǒng)中。

為了處理汽車中的音頻和視頻,帶寬需達(dá)到50或60Mbits/s。要是僅僅考慮音頻則容易得多。但自從DVD出現(xiàn)后,就希望在總線上傳送視頻信號,將這些信號傳送至后座供人們觀看。

一個可入選的這類高速總線是Delphi研發(fā)的移動媒體鏈路(MML)。MML是一種光學(xué)總線,可以高達(dá)110Mbits/s速率發(fā)送或接收信號。它是按集線器方案構(gòu)建的,即有一個所有分支都能連接的中心節(jié)點(diǎn),這與環(huán)型結(jié)構(gòu)不同。

是否會出現(xiàn)總線選擇不合理的情況?有時會。確實(shí)存在政治與地域的因素,驅(qū)使某些汽車制造商偏愛一種解決方案,但最終能取得成功的是最佳的解決方案。

Agere的前身是LucentMicroelectronics,該公司也在密切關(guān)注汽車內(nèi)的通信應(yīng)用。它將這類系統(tǒng)稱為遠(yuǎn)程信息通信系統(tǒng),定義了進(jìn)、出汽車的通信系統(tǒng)。公司的目標(biāo)是:通信系統(tǒng)既要安全可靠,又能提供娛樂或信息等其它服務(wù)。

Agere的工作集中在三個特定的領(lǐng)域:音響和語音處理、數(shù)字音頻收音機(jī)、以及藍(lán)牙系統(tǒng)。第一個領(lǐng)域包括構(gòu)建免提套件和蜂窩電話、收音機(jī)或車身控制的應(yīng)用接口。公司提供衛(wèi)星服務(wù)的數(shù)字音頻收音機(jī)的芯片組。汽車內(nèi)配置藍(lán)牙技術(shù)似乎為時過早,但可能性也是極大的。

除了免提操作,基于DSP的芯片組能使雙方通話更加清晰,而不用提高說話的聲音。DSP工作在100MIPS;能同時完成語音識別;免提操作;全雙工功能,包括消音響回聲、消線路回聲,抑制噪聲;同時傳送話音和數(shù)據(jù);以及聲控存儲-記錄功能。CellPortSystems和Motorola也在各自通用免提系統(tǒng)中使用了這種芯片組。

Agere公司的藍(lán)牙工作集中在汽車運(yùn)行時啟用免提接口。該技術(shù)將音響和語音應(yīng)用與藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起,提供特有的、無縫的通用汽車免提套件。

汽車套件是一個支持音頻或語音通道和控制通道的互連系統(tǒng)。這樣,啟用藍(lán)牙的遠(yuǎn)程信息通信控制通道能傳送用藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)建立的API。API包括一組統(tǒng)一的、兼容的命令,用來應(yīng)答電話、實(shí)現(xiàn)呼叫,進(jìn)行手動撥號或雙音多頻(DTFM)拔號,以及傳送其它數(shù)據(jù)。

汽車多媒體接口協(xié)作組(AMI-C)是汽車行業(yè)的一個非贏利性機(jī)構(gòu),它的創(chuàng)立是為了促進(jìn)電子網(wǎng)關(guān)技術(shù)的研發(fā)、推廣和標(biāo)準(zhǔn)化。電子網(wǎng)關(guān)用來連接汽車多媒體、遠(yuǎn)程信息通信系統(tǒng)、以及汽車內(nèi)的其它電子設(shè)備。

AMI-C最近公布了車內(nèi)電子設(shè)備和服務(wù)的多媒體規(guī)范。規(guī)范確定了公共接口,減輕了與多個OEM要求有關(guān)的工作量和費(fèi)用。這類電子組件包括PDA與蜂窩電話,讓AMI-C兼容設(shè)備可互換地工作。

AMI-C規(guī)范可采納1394或MOST作為它的高速總線。這些網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)規(guī)范將等待AMI-C的最后批準(zhǔn),另行公布。初始規(guī)范將在AMI-C的研發(fā)階段制訂。

毫無疑問,1394總線將朝著汽車方向發(fā)展,其證據(jù)是1394貿(mào)易協(xié)會和智能交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線(IDB)論壇共同推出的規(guī)范草案。規(guī)范定義了裝備1394車輛的啟用要求。它確立了基本體系結(jié)構(gòu),塑料光纖和銅導(dǎo)線連接器規(guī)范,供裝備1394嵌入式設(shè)備,如CD或DVD播放機(jī)、游戲機(jī)或計算機(jī)使用(圖3)。

IDB-1394規(guī)范定義了汽車級物理層,包括電纜和連接器,供電方式,以及所有1394設(shè)備能與嵌入式汽車IDB-1394設(shè)備互操作所必需的高層協(xié)議。汽車結(jié)構(gòu)體系分成光纖嵌入式網(wǎng)絡(luò)與用戶使用端口(CustomerConveniencePort-CCP)兩部分。該規(guī)范是IEEE1394-1995、1394a-2000、和1394b標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。下一步是制訂1394汽車功率管理規(guī)范,定于年底前完成。

CCP由1394b物理層與連接器組成,讓用戶以熱插入方式插入他們的消費(fèi)類電子設(shè)備。嵌入式網(wǎng)絡(luò)能支持工作速率為100、200、或400Mbits/s的設(shè)備。CAN總線技術(shù)簡介

CAN總線又稱作汽車總線,其全稱為“控制器局域網(wǎng)(CAN—ControllerAreaNetwork)”。CAN總線是一種現(xiàn)場總線(區(qū)別于辦公室總線),是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的電控模塊(ECU)之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行通信協(xié)議。CAN總線的設(shè)計充分考慮了汽車上惡劣工作環(huán)境,可靠性高。因此CAN總線在諸多現(xiàn)場總線中獨(dú)占鰲頭,成為汽車總線的代名詞。

隨著車用電氣設(shè)備越來越多,從發(fā)動機(jī)控制到傳動系統(tǒng)控制,從行駛、制動、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制到安全保證系統(tǒng)及儀表報警系統(tǒng),從電源管理到為提高舒適性而作的各種努力,使汽車電氣系統(tǒng)形成一個復(fù)雜的大系統(tǒng),并且都集中在駕駛室控制。另外,隨著近年來ITS的發(fā)展,以3G(GPS、GIS和GSM)為代表的新型電子通訊產(chǎn)品的出現(xiàn),它對汽車的綜合布線和信息的共享交互提出了更高的要求。從布線角度分析,傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對點(diǎn)的單一通信方式,相互之間少有聯(lián)系,這樣必然造成龐大的布線系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計,一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中,其導(dǎo)線長度可達(dá)2000米,電氣節(jié)點(diǎn)達(dá)1500個,而且,根據(jù)統(tǒng)計,該數(shù)字大約每十年增長1倍。無論從材料成本還是工作效率看,傳統(tǒng)布線方法都將不能適應(yīng)汽車的發(fā)展。從信息共享角度分析,現(xiàn)代典型的控制單元有電控燃油噴射系統(tǒng)、電控傳動系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、防滑控制系統(tǒng)(ASR)、廢氣再循環(huán)控制、巡航系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)。為了滿足各子系統(tǒng)的實(shí)時性要求,有必要對汽車公共數(shù)據(jù)實(shí)行共享,如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、油門踏板位置等。但每個控制單元對實(shí)時性的要求是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期不同而不同的。這就要求其數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先競爭的模式,且本身具有較高的通信速率,CAN總線正是為滿足這些要求而設(shè)計的。

二、CAN總線技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

數(shù)據(jù)共享減少了數(shù)據(jù)的重復(fù)處理,節(jié)省了成本。比如,對于具有CAN總線接口的電噴發(fā)動機(jī),其它電器可共享其提供的轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、油量瞬時流速等等,一方面可省去額外的水溫、油壓、油溫傳感器,另一方面可以將這些數(shù)據(jù)顯示在儀表上,便于司機(jī)檢查發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況,從而便于發(fā)動機(jī)的保養(yǎng)維護(hù)。

再比如,電渦流緩速器、空氣懸架、門控制及巡航定速控制都用到車速數(shù)據(jù),結(jié)果這些電器都有一套車速處理電路,浪費(fèi)了資源。而采用總線技術(shù)后,大家都從總線上即可獲得車速數(shù)據(jù)。

減少車身布線,進(jìn)一步節(jié)省了成本。由于采用總線技術(shù),模塊之間的信號傳遞僅需要兩條信號線。布線局部化,車上除掉總線外,其他所有橫貫車身的線都不再需要了,節(jié)省了布線成本。另外,數(shù)據(jù)共享也節(jié)省了線路,還拿車速信號打比方,在沒有總線的情況,車速信號要接到電渦流緩速器、空氣懸架、門控制及電噴發(fā)動機(jī)。有了總線后只要接到一處,其他電器通過總線共享。

硬件方案的軟件化實(shí)現(xiàn),大大地簡化了設(shè)計,減小硬件成本和設(shè)計生產(chǎn)成本。

比如發(fā)動機(jī)點(diǎn)火控制,前點(diǎn)火時必須滿足下列條件:

1、后倉門關(guān)閉

后點(diǎn)火時必須滿足下列條件:

1、空檔

2、鑰匙門處于ON檔

另外還需點(diǎn)火保護(hù)裝置,以往是靠一系列繼電器來實(shí)現(xiàn)這些功能,既不可靠又增大成本。而用軟件實(shí)現(xiàn)既可靠又無資金投入。

具有錯誤診斷能力和自動恢復(fù)能力,節(jié)省了生產(chǎn)維護(hù)成本。比如通過配合我公司的CAM1.0(CAN分析模塊)對總線系統(tǒng)進(jìn)行錯誤診斷,如傳感器的故障診斷、車燈的故障診斷、各個模塊的錯誤診斷以及線路連接間的錯誤診斷等。對于總線內(nèi)部錯誤,總線系統(tǒng)可以通過自身軟件進(jìn)行自動恢復(fù)。而非總線車輛,一旦出現(xiàn)故障,第一更依賴人工,第二,往往需要對復(fù)雜線束挨根測量,第三,需要對相關(guān)電器依次測定。整個過程非常費(fèi)工時。

擴(kuò)充性強(qiáng),產(chǎn)品升級快,節(jié)省了新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計成本。CAN節(jié)點(diǎn)幾乎可以在不改動原有線束的情況下增加新的組件。

數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,CAN總線具有線間干擾小、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。由于VITI-CAN系統(tǒng)采用的是模塊化管理,各模塊按其功能分散的擺放在車內(nèi),簡化了布線并縮短了線束的長度,從而降低了耦合電流的產(chǎn)生,減小了線間干擾。同時在軟件上,CAN總線采用短幀傳輸,這樣使總線數(shù)據(jù)報文在傳輸過程中有較強(qiáng)的抗干擾能力。

CAN總線專為汽車量身訂做,可靠性有保障。CAN總線的設(shè)計充分考慮了汽車上惡劣工作環(huán)境,比如點(diǎn)火線圈點(diǎn)火時產(chǎn)生的強(qiáng)大的反沖電壓,電渦流緩速器切斷時產(chǎn)生的浪涌電流及汽車發(fā)動機(jī)倉100℃要:根據(jù)CFA6470長豐混合動力汽車的特點(diǎn),運(yùn)用TMS320LF240X系列數(shù)字信號處理器和89C52單片機(jī),組建了基于CAN總線多主分布式控制技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)。提出了一種基于TMS320LF2407A內(nèi)嵌式CAN控制器的混合動力汽車能源總成控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞:混合動力汽車,CAN,分布式控制,能源總成控制系統(tǒng)

1引言

混合動力汽車(HEV)表示有多種動力參與汽車驅(qū)動,一般指的是燃油發(fā)動機(jī)和電機(jī)這兩種動力。目前,國內(nèi)和國際上對混合動力汽車的研究和開發(fā)方興未艾,這種車綜合了傳統(tǒng)汽車引擎驅(qū)動與電機(jī)驅(qū)動的兩大優(yōu)點(diǎn)。主要能源仍然是汽油、柴油?;旌蟿恿ζ嚰瘸浞职l(fā)揮了燃料發(fā)動機(jī)持續(xù)工作時間長、動力性好的優(yōu)點(diǎn),又可以發(fā)揮電動機(jī)無污染、低噪聲的好處,具有低油耗、低污染的特性。并且,混合動力汽車可以在運(yùn)行過程中維持電量的均衡,不像純電動汽車需要配備專用的充電器等配套設(shè)備。在不遠(yuǎn)的將來,混合動力車將與傳統(tǒng)燃油車、純電動車形成三足鼎立的局面。

混合動力汽車在傳統(tǒng)的燃油車的基礎(chǔ)上,新增了電機(jī)、電池等部件,從而需要電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、能源總成控制系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)、電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,使各設(shè)備工作在高效區(qū),提高能源的利用率,使整車性能最佳。傳統(tǒng)燃油車內(nèi)的制動控制器、變速器控制器、發(fā)動機(jī)ECU(EngineControlUnit)等電控設(shè)備、儀表儀器采用CAN總線進(jìn)行通訊,CAN總線具有實(shí)時性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低、多主站等特點(diǎn),混合動力汽車沿用燃油車的傳統(tǒng),新增的電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、能源總成控制系統(tǒng)也采用CAN總線聯(lián)成一體,進(jìn)行信息的交換。

2CAN總線技術(shù)簡介

CAN(ControllerAreaNetwork)是一種先進(jìn)的串行通信協(xié)議,它最初是為了解決汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊總線,屬于現(xiàn)場總線范疇。1993年CAN總線成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898:道路車輛的高速控制局域網(wǎng)數(shù)字信息交換標(biāo)準(zhǔn)),它有效支持分布式控制及實(shí)時控制,并采用了帶優(yōu)先級的CSMA/CD協(xié)議對總線進(jìn)行仲裁。因此,CAN總線允許多站點(diǎn)同時發(fā)送,這樣,既保證了信息處理的實(shí)時性,又使得CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)的系統(tǒng),保證了系統(tǒng)的可靠性。另外,CAN采用短幀結(jié)構(gòu),且每幀信息都有校驗及其他檢錯措施,保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時性、低傳輸出錯率。其傳輸介質(zhì)可以使用雙絞線、同軸電纜或光纖。

3混合動力汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)

下面以長豐CFA6470HEV混合動力汽車為例加以討論。CFA6470HEV以CFA6470G四輪驅(qū)動越野車為平臺,去掉了分動箱,發(fā)動機(jī)僅驅(qū)動后橋,電機(jī)以鎳氫動力電池為能源驅(qū)動前橋,前輪、后輪通過地面摩擦力達(dá)到速度一致。能源總成控制系統(tǒng)根據(jù)整車的狀態(tài)協(xié)調(diào)控制發(fā)動機(jī)的啟停、電機(jī)的出力。整個CFA6470HEV功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。針對CFA6470HEV混合動力汽車,我們組建了如圖2所示的CFA6470HEV混合動力汽車CAN控制網(wǎng)絡(luò)。

其中能源總成控制系統(tǒng)、電機(jī)控制器以TMS320LF240x(參見TI公司:TMS320LF24xADSPControllersReferenceGuide,1999)系列數(shù)字信號處理器為CPU,電池管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集顯示器以89C52為CPU。其各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)信息流圖見圖3。

4混合動力汽車能源總成控制系統(tǒng)CAN接口設(shè)計

混合動力汽車能源總成控制系統(tǒng)作為混合動力汽車的中央處理器,要求實(shí)時性高、運(yùn)算能力強(qiáng),且要與CAN總線相連,故其CPU選用TI公司內(nèi)嵌CAN控制器的TMS320LF2407A。

4.1TMS320LF2407ACAN控制器簡介

TMS320LF2407A的CAN控制器模塊是一個完全的CAN控制器,該控制器是一個16位的外設(shè)模塊,完全支持CAN2.0B協(xié)議,支持?jǐn)?shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀,可工作在標(biāo)準(zhǔn)模式或擴(kuò)展模式下,它采用郵箱發(fā)送、接收數(shù)據(jù),對接收郵箱可配置接收屏蔽字,可編程位定時器、可編程中斷配置、可編程CAN總線喚醒功能,自動回復(fù)遠(yuǎn)程請求,當(dāng)發(fā)送出現(xiàn)錯誤或仲裁時丟失數(shù)據(jù)時,CAN控制器自動重發(fā),具有總線錯誤診斷功能,可工作在自測試模式下。

TMS320LF2407A的CAN控制器采用郵箱機(jī)制發(fā)送、接收數(shù)據(jù),有別于一般的CAN控制器。一般的CAN控制器(如SJA1000)只有一個發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)、一個接收緩沖區(qū),再加64字節(jié)接收緩沖區(qū),當(dāng)發(fā)送不同標(biāo)識符數(shù)據(jù)幀時,須改變標(biāo)識符寄存器。當(dāng)接收不同標(biāo)識符數(shù)據(jù)幀時,屏蔽寄存器須對不同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀都開放。而TMS320LF2407A的CAN控制器有6個郵箱,其中2個接收郵箱(MBOX0、1),2個發(fā)送郵箱(MBOX4、5),2個可配置為接收或發(fā)送郵箱(MBOX2、3),每個發(fā)送郵箱相當(dāng)于一個發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū),每個接收郵箱等同于一個接收數(shù)據(jù)區(qū),使得TMS320LF2407A在不改變標(biāo)識符寄存器或接收屏蔽寄存器的情況下最少可接收2幀(最多4幀)不同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀,最少可發(fā)送2幀(最多4幀)不同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀,但不可同時為最多,這對發(fā)送、接收數(shù)據(jù)幀類型不多的CAN節(jié)點(diǎn)很適用。

TMS320LF2407A的CAN控制器有15個16位的控制寄存器,這些寄存器控制著CAN的位定時器、郵箱的發(fā)送或接收使能、錯誤狀態(tài)及CAN的中斷等。詳細(xì)資料見參考文獻(xiàn)1。

4.2CAN接口硬件設(shè)計

CAN接口硬件電路如圖4所示,TMS320LF2407A的CAN控制模塊通過高速光電隔離模塊(兩片高速光電隔離器6N137)與CAN收發(fā)器PCA82C250相連。4.3CAN接口軟件設(shè)計

CAN接口軟件分初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、中斷接收程序三大塊。數(shù)據(jù)解釋功能由主程序完成。

4.3.1初始化CAN控制器

根據(jù)整車要求,混合動力汽車能源總成控制系統(tǒng)需接收4種不同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀、發(fā)送兩種不同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀,因此,我們將TMS320LF2407A的MBOX2、3配置成接收方式,在初始化程序中一次配置好標(biāo)識符、接收屏蔽字。于是,初始化程序完成波特率、郵箱標(biāo)識符、接收屏蔽字、不使能發(fā)送中斷、使能接收中斷等配置功能,其初始化流程見圖5。

4.3.2發(fā)送數(shù)據(jù)

由于郵箱標(biāo)識符已在初始化程序中一次性配好,發(fā)送程序只將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)郵箱的數(shù)據(jù)區(qū),設(shè)置發(fā)送請求位啟動發(fā)送,待發(fā)送完畢,復(fù)位發(fā)送應(yīng)答位即可。其數(shù)據(jù)發(fā)送流程見圖6。

4.3.3中斷接收數(shù)據(jù)

中斷接收服務(wù)程序置相應(yīng)數(shù)據(jù)接收標(biāo)志,并復(fù)位接收懸掛位和接收中斷標(biāo)志位。主程序中根據(jù)數(shù)據(jù)接收標(biāo)志讀取數(shù)據(jù)并解釋數(shù)據(jù)。這樣可減少中斷服務(wù)程

序占用CPU的時間。

5TMS320LF2407ACAN接口電路設(shè)計的關(guān)鍵問題

為了進(jìn)一步抑制干擾,CAN總線接口中往往采用光電隔離電路。光電隔離器一般位于CAN控制器與收發(fā)器之間?;旌蟿恿ζ嚹茉纯偝煽刂葡到y(tǒng)的CAN總線接口中采用了高速光隔6N137光電隔離器。但是光電隔離電路增加了CAN總線有效回路信號傳輸延時時間,導(dǎo)致速率距離積減少,CAN收發(fā)器(如82C250/251等)本身具有瞬間抗干擾能力,保護(hù)總線、降低射頻干擾(RFI)以及實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)的能力。因此,在干擾不嚴(yán)重的應(yīng)用場合,可考慮不加光電隔離,以使系統(tǒng)達(dá)到最大的通信速率或距離。若要使用光隔電路,也要盡量選用高速光電隔離器件,以減少CAN總線有效回路信號傳輸延時時間,同時82C250的發(fā)送信息輸入腳TXD(第1腳)必須接上拉電阻。

6結(jié)束語

本文所組建的CFA6470HEV混合動力汽車CAN網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)通信可靠,所設(shè)計的混合動力汽車能源總成控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定實(shí)時性強(qiáng),已成功應(yīng)用于湖南省“十五”計劃重點(diǎn)攻關(guān)項目:長豐集團(tuán)CFA6470HEV混合動力汽車。陳效忠

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院)

摘要:本文提出了一種基于CAN總線的、用軟件實(shí)現(xiàn)汽車儀表的設(shè)計思想。該汽車儀表用軟件完成數(shù)據(jù)在液晶顯示屏的顯示,充分利用汽車總線的優(yōu)勢,用CAN總線傳輸從各傳感器采集的數(shù)據(jù),便于與其他控制單元連接,可隨時實(shí)現(xiàn)汽車儀表的升級擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞:CAN總線;汽車儀表;ECU;PC-CAN接口

引言

隨著汽車上的電子裝置越來越多,汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生,控制器局域網(wǎng)(CAN,ControllerAreaNetwork)開始大量應(yīng)用與汽車之上。如何利用汽車網(wǎng)絡(luò)中的信息,以便于司機(jī)與乘客了解車輛信息,是一項需要展開的研究。本研究從CAN總線獲取汽車儀表板所需的數(shù)據(jù),并在液晶顯示屏上動態(tài)顯示,這一系列任務(wù)在硬件支持的情況下全部由高級語言編程實(shí)現(xiàn)。

1.CAN總線技術(shù)

目前存在多種汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,CAN總線技術(shù)屬于現(xiàn)場總線范疇,CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)(ControlAreaNetwork)的簡稱,最早由德國BOSCH公司推出,用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信,其縱向規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn),由于得到了Philip、Siemence、Motorola、Intel、Fusitu等公司的支持,它已成為國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線。它有效支持分布式控制及實(shí)時控制,并采用了帶優(yōu)先級的CSMA/CD協(xié)議對總線進(jìn)行仲裁。因此,CAN總線允許多站點(diǎn)同時發(fā)送,這樣,既保證了信息處理的實(shí)時性,又使得CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)的系統(tǒng),保證了系統(tǒng)的可靠性。另外,CAN采用短幀結(jié)構(gòu),且每幀信息都有校驗及其他檢錯措施,保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時性、低傳輸出錯率。其傳輸介質(zhì)可以使用雙絞線、同軸電纜或光纖。

2.汽車儀表的發(fā)展及趨勢

按汽車儀表在工作原理上取得的重大技術(shù)創(chuàng)新來分,可以劃分為4個階段,或稱為經(jīng)過4代。第1代汽車儀表是基于機(jī)械作用力而工作的機(jī)械式儀表,人們習(xí)慣稱這類儀表為機(jī)械機(jī)心表;第2代汽車儀表的工作原理基于電測原理,即通過各類傳感器將被測的非電量變換成電信號加以測量,通常稱這類儀表為電氣式儀表;第3代為模擬電路電子式;第4代為步進(jìn)電動機(jī)式全數(shù)字汽車儀表。

隨著計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及液晶現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,汽車儀表的發(fā)展趨勢將更加體現(xiàn)這些高新技術(shù)的結(jié)合。如儀表的功能由軟件和硬件共同來完成儀表的功能由軟件和硬件共同實(shí)現(xiàn),而且主要是通過軟件實(shí)現(xiàn)。這對于量大且對成本極為敏感的汽車儀表有特殊意義,因為軟件的開發(fā)費(fèi)用分?jǐn)偟矫總€儀表上是非常少的。與僅由電子線路硬件組成的汽車儀表相比,帶有ECU的汽車儀表,其功能的實(shí)現(xiàn)手段更加靈活多樣。產(chǎn)品的“柔性”更好,即在推出新款產(chǎn)品時,能最大限度地利用以前產(chǎn)品的硬、軟件設(shè)計成果僅做少量修改便可,這在產(chǎn)品更新?lián)Q代很快的今天和未來特別重要。

3.基于CAN總線的汽車儀表設(shè)計方案

3.1設(shè)計思想

本文利用車輛網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢,從CAN總線上采集汽車儀表面板所需要的數(shù)據(jù),如車速、水溫、燃油、里程等,經(jīng)處理器處理后進(jìn)行各種實(shí)時控制和顯示。不是像傳統(tǒng)的儀表面板那樣,本設(shè)計用液晶顯示屏動態(tài)顯示所采集并用軟件處理的數(shù)據(jù)。這樣可以隨時根據(jù)需要,由軟件實(shí)現(xiàn)儀表面板的擴(kuò)充。整體網(wǎng)絡(luò)具有自診斷功能,降低系統(tǒng)的故障率,同時使用CAN總線方式使得整體系統(tǒng)工作更加及時、準(zhǔn)確,提高了安全性、可靠性,更具有智能化和人性化。

由于本設(shè)計只是實(shí)驗性研究以及各汽車總線數(shù)據(jù)編碼的多樣性,本設(shè)計自行開發(fā)了簡單的ECU,用于采集車速、燃油、水溫、里程等數(shù)據(jù)。然后由CAN總線通過CAN-PC接口卡接入PC機(jī),再由軟件編程來完成從CAN總線采集到的數(shù)據(jù)動態(tài)顯示。這里用VisualBasic編程。系統(tǒng)共享娛樂系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)所用的計算機(jī)。作為實(shí)驗性研究,可由筆記本電腦代替PC機(jī)。然后進(jìn)行各項實(shí)驗驗證,如抗干擾、準(zhǔn)確度、工作穩(wěn)定性、振動的影響、溫度的影響等。

3.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及所用器件

該測試系統(tǒng)由液晶顯示器、PC-CAN接口卡、單片機(jī)、CAN控制器(SJA1000)、CAN總線發(fā)送/接收驅(qū)動器(PCA82C250)、和各數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

專用液晶顯示屏用來顯示轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、水溫、燃油消耗等;PC機(jī)用來處理CAN總線上的數(shù)據(jù)并通過軟件顯示于顯示屏上;PC-CAN接口卡完成PC機(jī)與CAN之間的通信;自行設(shè)計的ECU完成從各傳感器采集數(shù)據(jù),通過CAN收發(fā)器連于CAN總線上。其中的PC-CAN接口卡通過RS232接口或UAB與PC機(jī)相連,PC-CAN接口卡再通過總線與自行設(shè)計的ECU相連。在實(shí)際中PC-CAN接口卡與車輛CAN總線相連,可采集大量數(shù)據(jù)信息,從而隨時可通過軟件編程把這些信息在顯示屏上動態(tài)顯示出來。

3.3系統(tǒng)的硬件設(shè)計

PC-CAN接口卡選用CAN232智能CAN接口卡,它適合CAN-bus的小流量數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用,最高可達(dá)500幀/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率,提供廣泛和強(qiáng)大的軟件支持。支持在VC++、C++Builder、Delphi和VB等開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計。該接口卡為用戶提供了編程需要的三個文件:CAN232dll.DLL,CAN232dll.LIB,ExportHead.H。

CAN協(xié)議控制器選用SJA1000,它是Philips公司生產(chǎn)的適合汽車環(huán)境的獨(dú)立CAN控制器,支持CAN2.0B協(xié)議。CAN發(fā)送/接收驅(qū)動器選用Philip公司的PCA82C250,它是CAN控制器和物理傳輸線路之間的接口,它可以用高達(dá)1Mbits/s的位速率在兩條有差動電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù)。

3.4系統(tǒng)軟件設(shè)計

CAN2.0的分層結(jié)構(gòu)是按ISO/OSI模型對CAN結(jié)構(gòu)的描述。數(shù)據(jù)鏈路層又分為邏輯鏈路層(LLC,LogicalLinkControl)和媒體訪問控制(MAC,MediumAccessControl)兩個層。LLC層完成下列功能:為數(shù)據(jù)發(fā)送以及以及遠(yuǎn)層數(shù)據(jù)請求傳送服務(wù);判斷是否接受接收到的數(shù)據(jù);提供恢復(fù)管理和超載處理。

MAC層主要定義了傳輸協(xié)議,包括信息幀格式、仲裁方式、應(yīng)答信號、錯誤檢測、錯誤信令和故障限制等。

物理層實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的物理信號的傳送,主要定義網(wǎng)絡(luò)的電氣特性。CAN網(wǎng)絡(luò)中可以采用多種不同的物理層協(xié)議。

本研究用VC編程語言實(shí)現(xiàn)汽車儀表數(shù)據(jù)的顯示。PC—CAN接口卡自帶三個文件CAN232dll.DLL,CAN232dll.LIB,ExportHead.H,其中ExportHead.H描述了動態(tài)鏈接庫CAN232dll.DLL所定義的外部函數(shù)。如下所示,

voidOpenSerialPort(intnPort,unsignedintBaud);

voidCAN232Send(unsignedchar*sdata,size_tLen);

voidCAN232Setting(unsignedchar*sdata,size_tLen);

charCAN232Receive(unsignedchar*CANReceive);

將接口卡所帶的三個文件拷貝在VC目錄下,在VC菜單的PROJECT->SETTING中的LINK項下,填入CAN232dll.LIB。然后在程序的頭文件中加入“#includeExportHead.H”。

4.結(jié)論

本研究只有一個CAN節(jié)點(diǎn),所以顯示器所顯示的數(shù)據(jù)只有轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、水溫、燃油消耗,但是在實(shí)際的汽車網(wǎng)絡(luò)中,通過編程我們可以動態(tài)獲得CAN總線上的所有信息,并能夠以友好的人機(jī)界面顯示,使車輛信息對駕駛員或乘客透明化。所以基于CAN總線的汽車儀表軟件實(shí)現(xiàn)是汽車儀表設(shè)計的一個新的嘗試。

參考文獻(xiàn)

[1]楊忠敏.汽車儀表的發(fā)展現(xiàn)狀[J].汽車電器,2004,1:1~3.

[2]康建輝,張慶順.單片機(jī)控制液晶顯示器在汽車儀表板中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2002,3:6~7.

[3]向云秀.汽車儀表板電子化技術(shù)[J].湖南大學(xué)學(xué)報,2001,6:50~55.

[4]秦貴和.車上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社,2003,19~20.--

作者:mch173

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發(fā)布時間:2005-4-2211:25:08

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你好斑竹,我市使用can總線的新手,現(xiàn)在正在用motorola大的單片機(jī)做這方面的調(diào)試,現(xiàn)在遇到一點(diǎn)問題,請斑竹指教,我發(fā)的數(shù)收不到,不知道是什么原因,接受時需不需要設(shè)置接受id號,請指教,不勝感激。CAN通信網(wǎng)在汽車中的應(yīng)用研究

1前言

控制局域網(wǎng)CAN(ControllerAreaNetwork)是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而應(yīng)用開發(fā)的一種通信協(xié)議。在國外,尤其是歐洲,CAN網(wǎng)絡(luò)已被廣泛地應(yīng)用在汽車上,如BENZ、BMW、PORSCHE、ROLLSROYCE、JAGUAR等車。

2汽車對通信網(wǎng)絡(luò)的要求

現(xiàn)代汽車典型的控制單元有電控燃油噴射系統(tǒng)、電控傳動系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、防滑控制系統(tǒng)(ASR)、廢氣再循環(huán)控制、巡航系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng),如圖1所示。

圖1汽車通訊網(wǎng)絡(luò)總線方式拓?fù)鋱D

在一個完善的汽車電子控制系統(tǒng)中,許多動態(tài)信息必須與車速同步。為了滿足各子系統(tǒng)的實(shí)時性要求,有必要對汽車公共數(shù)據(jù)實(shí)行共享,如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、油門踏板位置等。但每個控制單元對實(shí)時性的要求是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期不同而不同的。例如,一個8缸柴油機(jī)運(yùn)行在2400r/min,則電控單元控制兩次噴射的時間間隔為6.25ms。其中,噴射持續(xù)時間為30°的曲軸轉(zhuǎn)角(2ms),在剩余的4ms內(nèi)需完成轉(zhuǎn)速測量、油量測量、A/D轉(zhuǎn)換、工況計算、執(zhí)行器的控制等一系列過程。這就意味著數(shù)據(jù)發(fā)送與接收必須在1ms內(nèi)完成,才能達(dá)到柴油機(jī)電控的實(shí)時性要求。這就要求其數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先權(quán)競爭的模式,且本身具有極高的通信速率,CAN現(xiàn)場總線正是為滿足這些要求而設(shè)計的。不同參數(shù)應(yīng)具有不同的通信優(yōu)先權(quán),表1列出了幾個典型參數(shù)允許響應(yīng)時間。

表1典型參數(shù)允許響應(yīng)時間

典型參數(shù)

允許響應(yīng)時間

發(fā)動機(jī)噴油量

10ms

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速

300ms

車輪轉(zhuǎn)速

1s~100s

進(jìn)氣溫度

20s

冷卻液溫度

1min

燃油溫度

≈10min

3CAN總線的特點(diǎn)及通信協(xié)議

3.1CAN總線的特點(diǎn)

CAN作為一種多主總線,支持分布式實(shí)時控制的通信網(wǎng)絡(luò)。其通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。在汽車發(fā)動機(jī)控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中,總線的位速率最大可達(dá)1Mbit/s。CAN光線具有以下主要特性:

a.無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)競爭的總線仲裁。

b.可借助接收濾波的多地址幀傳送。

c.具有錯誤檢測與出錯幀自動重發(fā)送功能。

d.數(shù)據(jù)傳送方式可分?jǐn)?shù)據(jù)廣播式和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求式。

3.2CAN總線幀格式

CAN和OSI七層參考模式,按照IEEE802.2和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn),其通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理,包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗及優(yōu)先級別等項工作。在系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)按照攜帶的信息類型可分為四種幀格式:

a.數(shù)據(jù)幀。用于節(jié)點(diǎn)間傳遞數(shù)據(jù),是網(wǎng)絡(luò)信息的主體,其幀格式如圖2所示。一個數(shù)據(jù)幀由7個不同位場構(gòu)成:幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、ACK場和幀結(jié)束。其中數(shù)據(jù)段長度可編程0~8個字節(jié)。

圖2數(shù)據(jù)幀格式

b.遠(yuǎn)程幀。由在線單元發(fā)送,用于請求發(fā)送具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀,其幀格式與數(shù)據(jù)幀基本相同,但沒有數(shù)據(jù)場。

c.出錯幀。出錯幀是檢測總線出錯的一個信號標(biāo)志,由兩個不同場構(gòu)成。第一場由來自不同節(jié)點(diǎn)的錯誤標(biāo)志疊加,第二個場為錯誤界定符。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能,保證數(shù)據(jù)通信的可靠性。

d.超載幀。由超載標(biāo)識和超載界定符組成,表明邏輯鏈路控制層要求的內(nèi)部超載狀態(tài),并將由媒體訪問控制層的一些出錯條件而被啟動發(fā)送。用于擴(kuò)展幀序列的延遲時間。

3.3CAN數(shù)據(jù)鏈路控制

系統(tǒng)中,CAN總線以報文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,節(jié)點(diǎn)對總線的訪問采取位仲裁方式。報文起始發(fā)

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