摘要 摘要 汽車電子技術步入控制系統綜合化 信息共享化 機能智能化的發展新階段 針對目前國內客車大量使用傳統儀表 傳統點到點控制的通信方式以及獨立的控 制單元 本文對客車運控系統進行了探討 研制了基于c a n 總線技術 智能檢測 技術 微型計算機控制技術的客車運控系統 該系統改變了客車的線束控制方式 和傳統儀表 實現了電器信息的集中檢測 控制以及數據共享 易于擴展 減少 了線束 提高系統維護性和可靠性 減少成本 本文分析和探討了客車電子控制系統和車輛網絡技術的發展現狀及趨勢 提 出了應用c a n 總線代替客車傳統線束的總線傳輸方式 在深入研究c a n 總線技術 和客車電器控制的基礎上 設計了基于c a n 總線的客車組合儀表系統和前 后輸 入輸出模塊 實現客車電器信息檢測 控制 傳輸與顯示 組合儀表主要實現電 器信息的傳輸和顯示 以具有增強c a n 控制模塊的p i c l 8 f 8 5 8 5 單片機作為中央控 制器 p i c l 8 f 8 5 8 5 控制t j a l 0 4 0c a n 總線驅動器實現c a n 總線信息的接收和發送 通過s p i 方式與步進電機驅動器m c 3 3 9 7 0 進行通訊 控制m sx c 5 步進電機對車 速 發動機轉速 冷卻水溫度 機油壓力 燃油量 電壓 氣壓l 和氣壓2 八個參 數進行了實時顯示 控制l c d 顯示單里程數 總里程數和各種示警信息 按鍵控 制l c d 翻屏顯示 控帶 l e d 指示燈顯示客車電器故障和狀態信息 輸入輸出模塊 主要實現電器信息的檢測 控制與傳輸 采用p i c l 8 f 8 5 8 5 單片機作為中央控制器 控制輸入模塊檢測車速 發動機轉速等八種參數以及各種開關量 將分散電器的 信息集中處理 然后通過功率模塊控制車燈 各種繼電器 直流電機等執行相應 功能 并將采集的儀表信息通過驅動t j a l 0 4 0 發送給組合儀表顯示 實現信息共享 本系統通過計算機的在線調試與系統模擬試驗 初步驗證了系統的綜合性能 及c a n 總線通訊的可靠性 初步達到了預期的目的和要求 為下一步的改進和完 善奠定了的基礎 關鍵詞c a n 總線 單片機 步進電機 i x 摘要 a b s t r a c t a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c st e c h n o l o g yw i l lc o m ei n t oan e ws t a g eo nw h i c hi ti s c h a r a c t e r i s t i co fc o n t r o ls y s t e mi n t e g r a t i o n s h a r em e s s a g e sa n di n t e l l i g e n tp e r f o r m a n c e i na l l u s i o nt ou s el a r g e l yo u t o f d a t em e t e r o l dc o n t r o lc o m m u n i c a t i o nm o d e 謝t h s i n g l ew i r i n gh a r n e s sa n du n c o n n e c t e dc o n t r o lu n i t sa tt h ep r e s e n tt i m ei nap a s s e n g e r c a r t h i sp a p e rd i s c u s s e sl u na n dc o n t r o ls y s t e m i td e v e l o p sa r u na n dc o n t r o ls y s t e m a d o p t i n gc a n b u st e c h n o l o g y i n t e l l i g e n c ed e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n dm i c r o c o m p u t e r c o n t r o lt e c h n o l o g y t h es y s t e mc h a n g e sc o n t r o lm o d eo fw i r i n gh a r n e s sa n dt r a d i t i o n a l m e t e r c e n t r a l i z i n gc h e c ka n dm e a s u r e c o n t r o lo fe l e c t r i ca p p a r a t u sm e s s a g e sa n ds h a r e d a t a m e s s a g e s e x t e n de a s i l y r e d u c i n gw i r i n gh a r n e s s i m p r o v i n gc r e d i b i l i t y a n d m a i n t a i n a b i l i t y r e d u c i n gs y s t e mc o s t t h i sp a p e ra n a l y s e sa n dd i s c u s s e sd e v e l o p m e n ta c t u a l i t ya n dd i r e c t i o no fn e t w o r k t e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi nac a r b r i n g i n gf o r w a r db u st r a n s m i s s i o n m o d es u b s t i t u t i n gc a nb u sf o rt r a d i t i o n a lw i r i n gh a r n e s si nap a s s e n g e rc a r b a s e do n r e s e a c h i n gc a nb u st e c h n o l o g ya n de l e c t r i ca p p a r a t u s c o n t r o lo fap a s s e n g e rc a l d e e p l y i td e s i g n sa m e t e ra s s e m b l ys y s t e ma n df r o n t r e a ri n p u to u tm o d u l ef o rc a r r y i n g o u tc h e c k i n ga n dm e a s u r i n g c o n t r o l l i n g t r a n s m i t t i n ga n dd i s p l a y i n ge l e c t r i ca p p a r a t u s m e s s a g e si nap a s s e n g e rc a r m e t e ra s s e m b l ys y s t e mc a r r i e so u tt r a n s m i t t i n ga n d d i s p l a y i n ge l e c t r i ca p p a r a t u sm e s s a g e s i ta d o p t st h ep i c 18 f 8 58 5s e f i e s e ss i n g l ec h i p m i c y o c ow h i c hi n c l u d e se n h a n c e dc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k e c a n m o d u l e a sc e n t e r c o n t r o l l e r p i c18 f 8 5 8 5c o n t r o l l st j a l 0 4 0c a nb u sd r i v ef o rr e c e i v i n ga n ds e n d i n g m e s s a g e sf r o mc a nb u s e x c h a n g i n gm e s s a g e s 謝mm c 3 3 9 7 0s t e pm o t o rd r i v et o d r i v es t e pm o t o rm sx c 5t od i s p l a ye i g h tp a r a m e t e r sr e a l t i m e l y c a rs p e e d e n g i n e r o t a t es p e e d c o o l i n gf l u i dt e m p e r a t u r e o i lp r e s s u r e o i lc a p a c i t y v o l t a g e a i rp r e s s u r e1 a n da i rp r e s s u r e2 d r i v i n gl c dt od i s p l a ys i n g l em i l e a g e t o t a lm i l e a g ea n dm a n yk i n d s o fw a r n i n gm e s s a g e s t u r n i n gl c ds c r e e nb yk e y p r e s s c o n t r o l l i n gl e di n d i c a t o rl i g h t x i 山東大學碩十論文 f o rt os h o wb r e a k d o w no fe l e c t r i ca p p a r a t u sa n ds t a t em e s s a g e s i n p u to u tm o d u l e c a r r i e so u tc h e c k i n ga n dm e a s u r i n g c o n t r o l l i n ga n dt r a n s m i t t i n ge l e c t r i ca p p a r a t u s m e s s a g e s a l s ou s i n gp i c l8 f 8 5 8 5s e r i e s e ss i n g l ec h i pm i c y o c oa sc e n t e rc o n t r o l l e r c h e c k i n ga n dm e a s u r i n ga l lk i n d so f s w i t c hm e s s a g e sa n de i g h tp a r a m e t e r s c a r s p e e d e n g i n er o t a t es p e e da n ds oo nb yu s i n gi n p u tm o d u l e d e a l i n gw i mm e s s a g e so f d i s p e r s i v ee l e c t r i ca p p a r a t u sc o n c e n t r a t i v e l y t h e nd r i v i n gc a l l u m p m a n yk i n d so fr e l a y a n dd i r e c tc u r r e n te l e c t r o m o t o ru s i n gp o w e rm o d u l e u s i n gt j a10 4 0c a nb u st os h a r e m e s s a g e s 析mm e t e ra s s e m b l y t h es y s t e mh a sb e e nt e s t e do n l i n e l ya n de m u l a t e du s i n gc o m p u t e r a n dt h er e s u l t a r g u e dt h a tg e n e r a lp e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e ma c c o r d e d 析t ht h ea n t i c i p a n tp u r p o s ea n d r e q u e s t a n di ta l s oe s t a b l i s h e sf o u n d a t i o nf o r t h en e x ti m p r o v e m e n ta n dp e r f e c t i n g k e y w o r d sc a nb u s s i n g l ec h i pm i e y o c o s t e pm o t o r x i i 原創性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學位論文 是本人在導師的指導下 獨 立進行研究所取得的成果 除文中已經注明引用的內容外 本論文不 包含任何其他個人或集體己經發表或撰寫過的科研成果 對本文的研 究作出重要貢獻的個人和集體 均己在文中以明確方式標明 本聲明 的法律責任由本人承擔 論文作者簽名 鈕呂翌 e t 期 硅型 矽 關于學位論文使用授權的聲明 本人完全了解山東大學有關保留 使用學位論文的規定 同意學 校保留或向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版 允許論 文被查閱和借閱 本人授權山東大學可以將本學位論文的全部或部分 內容編入有關數據庫進行檢索 可以采用影印 縮印或其他復制手段 保存論文和匯編本學位論文 保密論文在解密后應遵守此規定 論文作者簽名 鋤絲導師簽名氍日期 型 如 第1 章緒論 1 1 課題研究背景 第1 章緒論 隨著計算機技術 網絡通訊技術 集成電路技術的飛速發展和在客車上的廣 泛應用 使得客車電子化程度越來越高 為了滿足現代客車有關動力性 經濟性 安全性 可靠性 凈化性和舒適性等方面的要求 需要越來越多的控制裝置 例 如電子燃油噴射裝置 防抱死制動裝置 a b s 電控自動變速器 安全氣囊裝置 電控門窗裝置和主動懸架等等 但鑒于汽車制造業的特殊性 按功能模塊化分工 制作 各個廠家生產的產品及其配套的e c u 部分 均為獨立的控制系統 能夠完 成單個模塊的預定控制功能 但是 各個子系統之間沒有聯系 e c u 之間聯動關 系幾乎沒有 信息也不能共享 勢必會影響到這些子系統功能的發揮 導致整車 性能下降 而以總線形式把它們組成一個有機整體 則是一種新的嘗試 1 1 c a n t 2 總線正是為滿足這些要求而設計的 本文采用的s a ej 1 9 3 9 3 j 就是基于c a n 2 0 基礎 之上的 2 0 世紀9 0 年代以來 隨著集成電路和單片機在客車上的廣泛應用 客車上電 控裝置越來越多 大部分客車仍采用傳統的點到點控制的通信方式 即電線一端 與開關相接 另一端與用電設備相通 車上導線急劇增加 安裝空間短缺 一輛 采用傳統布線方法的高檔汽車 其導線長度可達2 0 0 0 米 電氣節點達1 5 0 0 個 電 線的重量可以達到4 0 6 0 公斤 另外 電控系統的增加雖然提高了客車的安全性 經濟性和舒適性 但隨之增加的復雜電路也降低了客車的可靠性 增加了維修的 難度 加上客車車身長 發動機大多后置的特點 前后燈光線束和發動機與儀表 板之間的信息傳遞也造成線束大幅增加 4 為了減少線束 提高信號利用率 對客 車電子控制系統的設計提出了越來越高的要求 要求實現通信網絡化和系統集成 化 5 1 然而用常規的儀表顯然不能滿足大信息量顯示的要求 因此 設計能夠實現 電器信息集中檢測 控制與共享的控制系統和數字儀表 是當前客車工業發展的 需要 山東大學碩士論文 1 2 客車電子控制系統的發展現狀及發展趨勢 1 2 1 國內 外客車電子控制系統的發展現狀 1 9 9 0 年 在汽車上控制系統使用的m c u 的平均數量是1 4 個 而2 0 0 0 年 卻增 加到3 5 個 m c u 的類型也逐漸從8 位機 1 6 位機發展到今天的3 2 位機 據分析 超 過8 0 的汽車技術革新源于電子系統部分的創新 就成本而言 上世紀7 0 年代 一輛汽車的電子系統的平均成本約為1 0 0 美元 而到了本世紀初 卻上升為1 8 0 0 美 元 今天 在一些豪華車型中 電子系統所占整車制造成本已超過2 3 更有芯 片制造業界預測 汽車電子設備成本將在未來1 0 年內增加到3 5 可見 電子系 統在車輛上的 份量 是越來越重了 6 7 當越來越多的電子系統應用于同一臺車時 各系統之間也就有了關聯性和時 序性的要求 目前 廣泛應用于汽車上的電子裝置 己經實現了局部的網絡控制 在國外 c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 總線技術已廣泛應用在客車上 如m a n 奔馳 尼奧普蘭 沃爾沃等客車廠家c a n 總線技術已經很成熟 在國內 c a n 總 線技術在我國汽車工業中的應用尚處于試驗和起步階段 絕大部分的客車還沒有 采用汽車總線的設計 2 0 0 7 年1 月1 日實施的交通行業標準j t t 3 2 5 2 0 0 6 營運客車 類型劃分及等級評定 規定 特大型 大型高三和高二等級客車須采用c a n 技術 如字通 金龍等客車廠家已成功試裝c a n 總線 現正處于發展階段 8 l 但對于整車 的集成控制 國內還未見報道 因此 如何對這些獨立的控制系統實現有效 有 序和安全方便的集成控制 綜合利用他們的信息己成為客車技術發展迫切需要解 決的問題 9 1 1 2 2 目前客車電子控制系統存在的主要問題 國內客車電子控制系統中電子控制單元的增多 雖然提高了客車性能 但由 于相關配套技術的發展滯后 也帶來了一系列急需解決的問題 1 線束更繁雜 客車線束的組成按傳統的辦法是每個電器設備都需要以一根 或兩根 回路 導線與控制開關進行連接 現代客車的電子控制系統種類繁多 導致 線束增多 控制線路復雜 進一步引發成本增加 安裝不便 檢修困難 并引發 2 第1 章緒論 安全事故 2 對駕駛員要求進一步提高 目前 許多客車上采用的是傳統的機械式儀表 或電子式儀表 功能較少 不便于駕駛員了解客車的各種狀態信息 而客車駕駛 主要依賴于駕駛員的熟練程度 大量電子控制單元的獨立工作 要求駕駛員必須 熟練掌握各單元操作方法和操作時序 從而增加了駕駛員的勞動強度和精神負擔 誤操作概率上升 降低了客車行駛的安全性 3 信息傳遞和關聯性增強 現代客車的電子控制單元越來越多 越來越復雜 各控制系統之間信息的傳遞和關聯性也越來越重要 充分利用各類信息資源 減 少信息冗余 要求大批數據信息能在不同的電控單元中共享 例如客車在行駛過 程中 如果駕駛員誤操作打開了車門 會對乘客造成嚴重威脅 很容易發生事故 所以就要考慮到行駛控制系統與電動車門控制系統之間的信息傳遞和關聯控制 但目前客車電子控制單元各自獨立 客車駕駛幾乎無關聯性可言 帶來安全隱患 4 影響客車安全性和舒適性 客車作為城市公共交通 人們外出的重要工具 其安全性 舒適性方面的要求日益提高 客車獨立電子控制單元的使用雖然有利 于提高客車某方面的性能 但電子控制單元的增多和相互之間的弱關聯性 以及 駕駛員誤操作概率的上升 反而導致客車的安全性和舒適性的降低 1 0 1 1 2 3 客車電子控制系統的發展趨勢 客車電子控制系統將運用計算機網絡技術和現場總線技術 使客車與社會聯 結方面獲得較大的進步 包括廣泛使用蜂窩電話與全球衛星定位系統 g p s 以及 采用多路總線分布式網絡來集成所有汽車部件的電子控制單元 e c 使整個系統 具有數據融合 故障診斷合一的自修復功能 1 1 客車電子控制系統的發展趨勢體 現在以下幾個方面 1 客車電子控制趨于集中化 智能化 進入9 0 年代后 汽車電子技術開始向智能化 微型化 集控化方向發展 如 一個微處理器可同時對發動機 變速器 牽引力 穩定性等進行綜合控制 客車 儀表從傳統的機械式或電子式儀表發展為多用途 智能化數字儀表 不但可以很 精確地把客車上所有的待測量都顯示結果 而且還有運算 判斷 預測和引導等 山東大學碩十論文 功能 如可監視汽車各大部件的工作情況 還可以對蓄電池電壓 輪胎氣壓 車 速等檢測量的高低限量進行報警 1 2 2 客車電子控制趨于網絡化 在客車上應用網絡技術 一是減少線束 二是提高傳輸速度 實現信息共享 從而達到提高客車綜合性能的目的 在計算機網絡和現場總線技術的基礎上 開 發各種應用于客車環境的網絡技術和設備 組建汽車內部的通信網絡 是現代汽 車發展的重要趨勢 1 3 1 3 由獨立控制系統推向綜合控制系統 基于產品發展的現實狀況 客車上裝的多屬獨立的控制系統 不同的車型用 不同的控制系統 從發展的眼光考慮生產廠家及用戶的各方面利益 將獨立的控 制系統推向綜合控制系統勢在必行 當今 在硬件及軟件的研制方面 已具備一 定條件實現汽車各種性能的綜合控制 1 4 1 1 3 車載網絡技術的發展現狀 國外早在2 0 世紀8 0 年代就積極開展了車載網絡技術的研究及應用工作 a u d i b m w m o t o r o l a 和v o l v o 等公司和部門成立了l i n l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k 聯 合體 l r nc o n s o r t i u m 陸續發行了l i n l 0 l i n l 1 l i n l 2 三種版本 l5 1 r o b e r t b o s c h 公司于1 9 8 6 年提出了c a n 并于2 0 0 0 年開發了支持時間觸發的協議 t t c a n t l 6 1 9 1 i s o 于1 9 9 3 年1 2 月出版了c a n 的國際標準i s 0 1 8 9 8 目前c a n 協議規 范為c a n 2 o 版本 b m w m o t o r o l a 和b o s c h 等幾大汽車公司和半導體元件公司成 立t f l e x r a y 共同體 f l e x r a yc o n s o r t i u m 為車上應用系統高層網絡和線控系統開 發通信協議 建立了f l e x r a y 系統標準 2 0 1 并且組織開發了一系列適合這個標準的 軟硬件 b y t e f l i g h t t 2 1 網絡通信協議是由m o t o r o l a e l m o s 以及i x x a t 等公司提 出的高速網絡系統協議 目的是滿足汽車系統需求的高速安全網絡標準 b m w d a i m l e r c h r y s l e r 和o a s i ss i l i c o ns y s t e m s 等公司于1 9 9 8 年建立了在汽車上推廣使用 m o s t m e d i ao r i e n t e ds y s t e m st r a n s p o r t 硐標準的合作機構 歐洲 美國和日本等 發達國家已經將汽車網絡作為車輛必須采用的裝置 奔馳 寶馬 大眾 沃爾沃 4 第1 蘋緒論 及雷諾汽車都將網絡作為電子控制器連接的手段 第5 9 屆德國國際商用汽車展上 包括e x o d u s m a n s c a n i a v o l v o 等世界著名的汽車生產商展出的汽車產品 都裝備了汽車網絡系統 在我國的汽車市場中 奧迪a 4 寶來 p o l o 東風標致 3 0 7 賽納 雪鐵龍c s 等汽車中采用c a n 連接了部分電子控制單元 以提高其性能 北方奔馳汽車制造 煙臺 有限公司引進美國卡特比勒發動機的基礎上 在n d 6 1 2 0 s 汽車上初步應用c a n 總線技術 2 3 1 早在2 0 世紀9 0 年代中期美國汽車工程師協會 s a e 根據系統的復雜程度 信息 量 必要的動作響應速度 可靠性要求等將汽車網絡系統由低到高劃分為a 級 b 級 c 級網絡 1 3 如表卜l 所示 表1 一ls a e 定義的汽車網絡 在a 類網絡中 u a r t 的應用逐漸減少 而l i n 協議將會成為主流協議 b 類網 絡中的主流協議將是低速c a n s a ej 1 8 5 0 和v a n 等協議 其中c a n 最為突出 c 類網絡的主流協議有高速c a n i s 0 11 8 9 8 2 和正在發展中的t t c a n t t p t m c t 2 4 和f l e x r a y 局部互聯網絡 l r n l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k 是一個汽車低端網絡協議 它 采用s c i u a r t 等通用硬件接口 輔以相應的驅動程序 因此適用面較廣 且成 本低廉 配置靈活 而且采用l i n 網絡能夠提高汽車上分層多路復用網絡的性能 降低汽車電子控制裝置開發 生產以及診斷服務的成本 l i n 將自身定位為c a n 等 5 山東大學碩十論文 主流總線的輔助總線 主要用于低速的車身電器控制 它已經廣泛地被世界上大 多數汽車公司以及零部件廠商所接受 有望成為a 類網絡中的世界標準 t t p a 是由t t t e c h 公司擁有的a 級汽車網絡標準 它的應用目標與l i n 基本一 致 它是基于時間觸發訪問方式的協議 使用不同的物理層 數據傳輸速度可在 很大范圍內選擇 j 1 8 5 0 最初就是由美國的汽車公司f o r d g m 和c h r y s l e r 提出的 他們很多車型采用3 1 8 5 0 作為b 級網絡使用 但是 f o r d 采用的j 1 8 5 0 標準 其物理 層與g m 和c h r y s l e r 公司使用的不同 而g m 和c h r y s l e r 公司在相同物理層上又使用 不同的數據幀格式 并且三個公司使用各自的消息協議 t t p c 和f l e x r a y 是以線控系統為主要應用目標的c 級汽車網絡協議 相關的支 撐元器件 應用系統以及開發測試工具等 都處于初期研制階段 在未來的線控 系統中哪一種系統會具有生命力尚難定論 m o s t 和d 2 b 是由媒體領域引入的標準 由于媒體信息音像的傳輸數據量大 所以比車上控制網絡要求更高的傳輸速度 寬帶 一般要求光纖或同軸電纜作為物 理層媒介 無線局部網絡在汽車控制系統或媒體系統中的應用只有些探索性工作 由b o s c h 公司提出的c a n 標準最早在歐洲汽車上被廣泛采用 后來包括美國 日本的汽車公司也適用它作為b 級或c 級汽車網絡 它是一種多主總線 通信介質 可以是雙絞線 同軸電纜或光纖 通信速率可達1 m b p s c a n 總線憑借其突出的可 靠性 實時性和靈活性成為b 類總線中的主流協議 本文采用的s a ej 1 9 3 9 協議是 一種應用于汽車的c a n 應用層協議 它基于c a n 擴展數據幀格式 傳輸速率為 2 5 0 k b p s 1 4 本課題研究的意義 解決現代客車電子控制系統面臨問題的目標就是要改變傳統的點對點控制的 通信方式 集中檢測 控制電器信息 實現各控制單元信息共享 以及大量信息 的數字儀表顯示 c a n 總線作為專用車載總線 能夠實現信息在不同電子控制單 元間共享 簡化傳輸導線數量 體積與重量 為客車提供更多的空間 提高安裝 檢修能力 中華人民共和國交通行業標準j t t 3 2 5 2 0 0 4 營運客車類型劃分及等級 6 第1 章緒論 評定 2 5 1 中要求在高二級以上的客車底盤動力總成間采用c a n 總線 信息共享帶 來大量信息需要實時的數字儀表顯示 使駕駛員能及時了解客車的狀態信息 集 中處理改變常規的布線方式 減少控制線束 易于互換 本課題研究基于s a ej 1 9 3 9 客車運控系統具有以下的現實意義和應用價值 1 有利于解決客車電子控制所存在的主要問題 如前所述 常規客車布線與電子控制方式已不適應客車e c u 日益增多 信息 交流日益廣泛 e c u 協同工作日益突出的現狀 網絡控制在客車電子控制系統中 的作用越來越重要 它已不僅僅是解決客車電子化中出現的線路復雜和線束增加 問題的手段 其通信和資源共享能力是新的電子與計算機技術在客車上應用的一 個基礎 是車上信息與控制系統的支撐 2 有利于推動我國客車車載網絡的標準化進程 網絡技術本身具有對標準依賴的特點 客車中網絡協議的多樣性必然要求形 成和采用行業標準 并與客車電控產業合作 這種標準化有利于不同部件或裝置 生產廠家產品的集成 也有利于設計的可操作性 設計時可以為尚未存在的裝置 或可替代的裝置留出接口 最明顯的是客車軟件接口 現在車上嵌入系統硬件的水 平足以支持相對獨立的軟件 應當把這些軟件看作為一種車上的部件或總成 這 種標準化即所謂的開放結構 o p e n a r c l l i t e 嘰鵬 2 6 1 3 促使客車產業鏈的變革 采用汽車網絡技術有利于提升企業技術水平 提高產品技術含量 占領市場 份額 網絡化控制取代傳統控制方式后 應用于常規客車控制方式的部分電器 如 繼電器 將被取消 可以通過軟件代替硬件功能 如電子閃光器 2 3 l 本課題的研究工作 順應國家大力發展汽車電子的科技政策 在理論 技術 和應用上都具有十分重要的意義 1 5 本課題主要研究內容 本課題采用了微處理器嵌入技術 對客車控制系統中的各個測控單元進行數 字化改造 使之成為數字化的儀表模塊和集中測控的i o 模塊 并同時具備網絡通 7 山東大學碩士論文 信能力 從而為客車網絡化控制做好準備 利用c a n 總線技術實現客車控制系統 網絡化 將客車所有模塊連接起來 在j 1 9 3 9 協議支持下形成一個有機的網絡運制 系統 1 本課題的主要研究內容包括 1 研究和分析c a n 總線技術及j 1 9 3 9 協議 以客車電器為控制對象 j 1 9 3 9 為 通信標準 按照根據幾何位置靠近 功能相似 性能要求基本一致的原則劃分輸 入輸出模塊 進行數字化的組合儀表顯示 采用c a n 總線構建客車運控系統 2 組合儀表設計 分析組合儀表功能和工作原理 設計基于s a ej 19 3 9 協議 的c a n 通訊接口 步進電機驅動 l c d 顯示等儀表硬件結構 并采用結構化 模 塊化的程序設計方法 以實現數字儀表功能和c a n 總線通訊 3 i o 模塊設計 分析i o 模塊的功能結構和工作原理 設計基于s a ej 1 9 3 9 協 議的c a n 通訊接口 狀態量輸入模塊 功率驅動模塊等i o 模塊硬件結構 并采 用了結構化程序設計方法 以實現客車電器信息的集中采集 控制以及c a n 總線 通訊 4 在計算機平臺上 進行程序調試與系統實驗 初步實現了基于c a n 總線的 客車運控系統的綜合性能測試 2 本論文主要工作 本論文的主要任務之一就是通過查閱大量的資料 了解汽車電子控制系統的 發展現狀及發展趨勢 在了解汽車網絡技術的基礎上 深入研究了c a n 總線技術 及j 1 9 3 9 協議 為具體應用奠定良好的理論基礎 另一個主要任務是建立了一個功 能比較完善的電器運控系統 包括數字儀表總成設計與前 后部輸入輸出模塊設 計 對所開發的模塊功能進行初步的模擬測試 為今后深入研究開發與系統擴展 做好必要的準備 這其中包括大量的外文資料收集 查閱和消化工作 系統的軟 硬件設計和調試工作 本論文的主要結構如下 1 基于c a n 總線的客車運控系統 2 組合儀表設計 3 i o 模塊設計 8 第1 章緒論 4 程序調試與模擬實驗 5 結論與展望 1 6 本章小結 本章首先闡述了本課題的研究背景 重點介紹客車電子控制系統的發展現狀 及發展趨勢 并概述了車輛網絡技術的發展現狀 接著介紹了本課題的意義 最 后說明了課題研究內容和論文的主要工作及結構 9 第2 章基于c a n 總線的客車運控系統 第2 章基于c a n 總線的客車運控系統 控制器局域網 c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k c a n 總線最初是由德i 虱b o s c h 公司為 解決汽車監控系統中的諸多復雜技術和難題而設計的數字信號通信協議 屬于總 線式串行通信網絡 本文設計的客車運控系統是基于c a n 總線 并采用j 1 9 3 9 作為 通訊協議 2 1 汽車網絡技術 汽車網絡控制是研究如何利用總線數據通信原理實現現代汽車中各個獨立電 子系統和裝置間控制信息傳遞通道的簡潔互連 實時 可靠的數據交換及綜合協 調控制的一門最新技術 它是以科學 合理的數據通信協議及支持這樣協議的大 規模集成電路器件為基礎的 和其他控制現場相比 汽車內溫度變化范圍大 一 般為一4 0 8 0 攝氏度 電磁干擾和其它電子噪聲強 環境極其惡劣 因此網絡在車 內運行的可靠性尤為重要 這不但體現在網絡結構自身的容錯能力和抗干擾能力 上 而且也體現在信號的編碼方式和傳輸方式上 汽車局域網無一例外地都采用 了同步串行傳輸方式 數據信號多采用p w m v p w 和n r z 編碼 汽車控制局域網屬于現場總線類網絡 是在汽車電子控制設備之間實現雙向 串行多節點數字通信的系統 為開放式 數字化 多點通信的底層控制網絡 對 于任何遵循上述協議的供應商所生產的控制單元都可輕易添加入該網絡系統中或 者從網絡系統中拆出 系統幾乎不需要做任何硬件和軟件的修改 這完全符合現 代汽車平臺式設計的理念 2 7 1 再者 汽車內的e c u 之間的數據傳輸頻率是變化的 在一個完善的汽車電子 控制系統中 許多動態信息必須與車速同步 為了滿足各子系統的實時性要求 有必要對汽車公共數據實行共享 如發動機轉速 車輪轉速 加速踏板位置等 但每個控制單元對實時性的要求是因數據的更新速率和控制周期不同而不同的 這就要求其數據交換網是基于優先權競爭的模式 且本身具有極高的通信速率 山東大學碩士論文 c a n 總線正是為滿足這些要求而設計的 2 2c a n 總線技術 2 2 1c a n 總線 2 0 世紀8 0 年代 德國b o s c h 公司最初為汽車監測和控制系統設計了c a n 總線 在1 9 9 1 年b o s c h 公司制定并發布了c a n 技術規范 該技術規范包括a 和b 兩部分 2 0 a 給出了c a n 的報文格式 2 o b 給出了標準和擴展的兩種報文格式 1 9 9 3 年i s o 正式頒布t c a n 國際標準0 s o l l 8 9 8 隨著c a n 總線國際標準的形成 其應用范圍 目前不僅局限于汽車行業 推廣到了機械工業 紡織機械 農用機械 機器人 數控機床 醫療機械 家用電器等領域 c a n 協議是建立在國際標準組織的開放系統互連模型基礎上的 由于c a n 的 數據結構簡單 又是范圍較小的局域網 故模型結構只取了o s i 的2 層 物理層和 數據鏈路層 因為結構層次少 有利于系統中實時控制信號的傳輸 c a n 總線位的數值表示 c a n 總線上用 顯性 和 隱性 兩個互補的邏輯 值表示0 和1 當在c a n 總線上出現同時發送顯性和隱性位時 其結果是總線數值 為顯性 圖2 1 所示v c a n h 和v c a v l 為c a n 總線收發器與總線之間的兩接口引腳 信號是以兩線之間的差分電壓形式出現 2 引 v 圖2 一l 總線位數值表示 c a n 總線任意兩節點之間的最大傳輸距離與其速率有關 表2 1 y i j 舉了相關的 數據 1 2 第2 章基于c a n 總線的客車運控系統 表2 1c a n 總線任意兩節點的通信距離 2 2 2c a n 總線的特點 c a n 屬于總線式串行通信網絡 由于采用了許多新技術 與一般的通信總線 網絡相比 其特點概括如下 2 8 1 c a n 的數據通信具有突出的可靠性 實時性和靈活性 2 c a n 是到目前為止惟一具有國際標準的現場總線 3 c a n 為多主方式工作 網絡上任一節點均可以在任意時刻主動的向網絡上 其他節點發送信息 而不分主從 通訊方式靈活 且無須站地址等節點信息 4 在報文符號上 c a n 網絡上的節點分成不同的優先級 可滿足不同的實時 要求 高優先級的數據最多可在1 3 4 1 x s l 內得到傳輸 5 c a n 采用非破壞總線仲裁技術 當多個節點同時向總線發送信息時 優先 級較低的節點會主動地退出發送 而高優先級的節點不受影響地繼續傳輸數據 從而大大節省了總線沖突仲裁時間 尤其是在網絡負載很重的情況下也不會出現 網絡癱瘓現象 6 c a n 節點只需要通過報文濾波即可實現點對點 一點對多點及全局廣播等 幾種方式傳送接收數據 7 c a n 的直接通信距離最遠可達至u 1 0 k m 速度5 k b p s 以下 通信速率最高可達 1 m b p s 此時最長距離為4 0 m 8 c a n 上的節點數主要取決于總線驅動電路 目前可達1 1 0 個 報文標識符 有1 1 位 而擴展幀的報文標識符 2 9 位 幾乎不受限制 9 c a n 總線報文采用短幀結構 傳輸時間短 受干擾概率低 保證了數據出 錯率低 1o c a n 的每幀信息都有c r c 校驗及其他檢錯措施 具有極好的檢錯效果 11 c a n 的通訊介質為雙絞線 具有極高的總線利用率且成本低廉 山東大學碩士論文 1 2 c a n 節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能 以使總線上其他 節點的操作不受影響 1 3 c a n 總線可根據報文的i d 決定接收或屏蔽該報文 發送的信息遭到破壞 后 可自動重發 1 4 c a n 總線結構簡單 器件容易購置 每個節點的價格較低 而且開發技 術容易掌握 能充分用現有片開發工具 c a n 協議也是建立在國際標準組織的開放系統互聯模型基礎上的 不過 其 模型結構只有3 層 即只取o s i 底層的物理層 數據鏈路層和應用層 由于c a n 的 數據結構簡單 又是范圍較小的局域網 因此不需要其他中間層 應用層數據直 接取自數據鏈路層或直接向鏈路層寫數據 結構層次少 有利于系統中實時控制 信號的傳送 總之 c a n 總線具有實時性強 可靠性高 通信速率快 結構簡單 互操作 性好 總線協議具有完善的錯誤處理機制 靈活性高和價格低廉等特點 2 2 3c a n 總線的分層結構 c a n 協議是建立在國際標準組織的開放系統互連模型 i s o o s i 基礎上的 考 慮到現場總線的應用特點 c a n 協議規定的網絡系統結構由 i s o o s i 七層中的物 理層 數據鏈路層和應用層組成 2 8 1 c a n 協議為解決現代汽車中眾多控制單元 測試儀器之間的實時數據交換而開發的一種串行通信協議 經多次修訂 現已形 成技術規范2 o 版本 該版本包括2 0 a 和2 0 b 兩部分 在c a n 技術規范2 0 a 中 網絡被劃分為目標層 傳輸層和物理層三層 節點 的分層結構和功能如圖2 2 a 所示 目標層和傳輸層包括了由i s o o s i 模型定義的 數據鏈路層的所有服務和功能 按i s o o s i 參考模型層次定義 這兩層應被劃分為 數據鏈路層范圍 目標層的功能包括 1 確認哪個信息是要發送的 2 確認哪個傳輸層接收到了信息 3 為應用層提供接口 1 4 第2 蘋基于c a n 總線的客車運控系統 在目標處理方面 c a n 提供很大的自由 傳輸層的功能范圍包括 1 幀組織 2 總線仲裁 3 檢錯 錯誤報告 錯誤處理 物理層是將e c u 連接至總線的物理實現 e c u 的總數將受限于總線上的電氣 負載 c a n 2 0 b 嚴格遵循i s o o s t 參考模型 節點的分層結構和功能如圖2 2 b 所 示 將c a n 分為數據鏈路層和物理層 其中數據鏈路層又被劃分為邏輯鏈路控制 子層 l l c l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 和媒體訪問控制子層 m a c m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 這兩層的功能分別與2 o a 中的目標層以及傳輸層功能相對應 2 9 應用層 目標層 報文濾波 報文和狀態處理 傳輸層 故障鑒定 錯誤監測與標定 報文確認 接收應答 總線總裁 報文幀處理 傳輸速率與定時 物理層 信號電平和位表示 傳輸介質 數據鏈路層 數據鏈路控制子層 接收濾波 超載報告 恢復管理 媒體訪問控制子層 數據封裝與拆裝 幀編碼 媒體訪問管理 錯誤檢測 錯誤標定 接收應答 串行化 解除 物理層 位編碼 解碼 位定時 同步 驅動器 接收器特性 監控器 故障界定 總線故障界 定 a b 圖2 2c a n 的分層結構 1 數據鏈路控制子層l l c l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 涉及報文濾波 過載通知 以 及恢復管理 2 媒體訪問控制子層m a c m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 是c a n 協議的核心 它把 接收到的報文提供給l l c 子層 并接收來自l l c 子層的報文 m a c 子層負責報文 1 5 山東大學碩十論文 的分幀 仲裁 應答 錯誤檢測和標定 m a c 子層也受一個名為 故障界定 f a u l t c o n f i n e m e n t 的管理實體監管 此故障界定為自檢機制 以便把永久故障和短時擾 動區別開來 s a e 的貨車客車控制和通信網絡小組委員會投票通過了將c a n 協議作為c 類 數據交換網應用于客車 貨車 農業及建筑等 并形成s a ej 1 9 3 9 標準 2 3s a ej 1 9 3 9 協議 2 3 1s a ej 1 9 3 9 簡介 由s a e 卡車和公共客車電子及電子學委員會發起的s a e 卡車和公共客車控制 及通信網絡小組委員會開發出s a er e c o m m e n d e dp r a c t i c e s 系列 這個小組委員會 的目標是開發信息報文 推薦技術和一些標準 它們與在汽車組件之間傳輸電子 信號和控制信息的設備的需求 設計和使用密切相關 這些s a e 推薦技術旨在開放 或封閉路面上的輕 重型汽車 還包括使用源于組件 比如 發電機設備 的汽車的 適合的固定應用 汽車行業不只局限于開放或封閉公路上的卡車和客車 還包括 建筑設備 農業設備以及器具 本設計使用的是s a e 推薦技術中的路面車