1、 編號畢業設計(論文)汽車安全氣囊的應用Application of automobile airbag 院（系）名稱 專業名稱 學生姓名 學號 指導教師2013年5月23日摘 要 汽車安全氣囊作為一種輔助的乘員約束條件，在汽車發生碰撞時保護乘員的效用已越來越得到肯定，當今社會對安全氣囊的要求也越來越高，尤其是對智能安全氣囊的需求也越來越廣泛，當汽車發生碰撞時汽車與汽車或汽車障礙物之間的碰撞稱為第一次碰撞，第一次碰撞導致了汽車速度的急劇變化。由于慣性的作用，車上的乘員向前運動，于是發生了車內乘員與車內結構件之間的第二次碰撞，事故中造成乘員傷害的主要原因就是第二次碰撞。為了減輕和避免駕乘人員在第

2、二次碰撞中受到傷害，乘員保護系統的設計目標是在碰撞中利用約束系統（包括座椅、安全帶、安全氣囊等）避免或減緩乘員與車內結構件碰撞造成的傷害。汽車安全氣囊的基本思想是：在發生第一次碰撞后，第二次碰撞前，迅速在乘員和汽車內部構件之間插入一個充滿氣體的氣囊，讓乘員“撲”在氣囊上，通過氣囊上的排氣節流阻力吸收乘員的動能，使猛烈的第二次碰撞得以減緩，以達到保護乘員的目的。所以安全氣囊作為一種防護措施已經是必不可少了。我在此設計中主要進行了安全氣囊的設計工作，對安全氣囊的工作過程進行研究，為使乘員安全而設計一個合適的安全氣囊。介紹自行研制的智能式汽車安全氣袋控制系統，該系統主要由單片機、傳感器、點火電路等組

3、成，使用點火控制算法對汽車加速度信號進行判斷，輸出點火脈沖。本系統具有體積小、可靠性高、抗干擾能力強、可進行自診斷等特點。故設計的主要工作是對氣囊電路中的CPU、加速度傳感器的選擇、繼電器的選擇及與電路有關的器件，如為防止錯點火而要設計一個點火電路、為防止信號干擾我們要加光隔離等一些措施。所以我設計所做的主要工作就是對安全氣囊的硬件電路實行操作并對其的工作原理進行分析，對其應用進行研究。關鍵詞：智能型安全氣囊、防護、安全傳感器、汽車碰撞。Abstract The auto safety aerocyst took one kind of auxiliary crew memberrestrai

4、ns the condition，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，

5、When 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

6、 in 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 injures is the second collision。In order to reduce and avoids harnessing while the personnel receivesthe injury in the second collision，The

7、crew protective system design goal is avoids or slows down the injury 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 i

8、nserts in the crew member and between the automobile interior component 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

9、 down,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 sa

10、fety 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 c

11、arries 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 circuitC

12、PU, the 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 whic

13、h does 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.目錄摘 要2Abstract3（1） 緒論6（2） 安全氣囊簡介

14、7（3） 安全氣囊的作用與分類7（4） 安全氣囊的作用7（5） 安全氣囊的分類7（6） 安全氣囊系統的組成：7（7） 安全氣囊的工作原理：8（8） 安全氣囊的工作過程9（9） 使用安全氣囊注意事項9（10） 安全操作規范：9（11） 啟爆后安全氣囊的處理：10（12） 安全氣囊的拆卸：10（13） 安全氣囊的安裝：11（14） CAN總線在汽車內部的網絡研究12（15） CAN簡介：12（16） CAN 總線的概念12（17） CAN 總線的特點12（18） CAN總線的結構特點13（19） CAN節點概述13（20） CAN總線的分層結構14（21） CAN總線的位數值表示14（22） CA

15、N總線的通信距離15（23） CAN報文的幀格式15應答界定符=1個 隱性16（24） CAN總線高層協議介紹18（25） CAN總線在汽車內的應用19（26） 汽車內部CAN網絡設計19（27） 總結21（1） 緒論隨著高速公路的發展和汽車性能的提高，汽車行駛速度越來越快，特別是由于汽車擁有量的迅速增加，交通越來越擁擠，使得事故更為頻繁，所以汽車的安全性就變得尤為重要。汽車的安全性分為主動安全和被動安全兩種，主動安全是指汽車防止發生事故的能力，主要有操縱穩定性、制動性能、平順性等，被動安全是指在萬一發生事故的情況下，汽車保護乘員的能力，目前主要有安全帶、安全氣墊、防撞式車身和安全氣囊防護系統

16、(Airbag RestraintSystem，以下簡稱安全氣囊)等。由于現實的復雜性，有些事故是難以避免的，因此被動安全性也非常重要，安全氣囊作為被動安全性的研究成果，由于使用方便、效果顯著、造價不高，所以得到迅速發展和普及。 汽車發生碰撞事故時，若主要沖撞力是作用在汽車的前部，并在汽車中心軸線30度范圍以內上十，可稱為前碰撞事故。全世界的交通事故分析研究表明，前碰撞事故發生最頻繁，損傷最慘重的交通事故。例如，在導致嚴重損傷和死亡事故中，前碰撞分別占了70%和50%，事故數目中前碰撞占5560%，各交通發達國家對前碰撞事故的研究和防護都高度重視我國也發布了MI類乘用車前碰撞試驗技術法規。前碰

17、撞被動安全性的研究主要集中在兩大方面，一方面是改進汽車的結構設計，使其更具有耐撞性，如采用各種新型材料和結構，合理地在汽車前部設計擠壓吸能區，主要目的是用車身的結構吸收和分散碰撞產生的能量，減少車內乘員受到的沖擊，同時控制車身變形，保護乘員的安全空間。另一方面是采用被動安全設備對乘員進行防護，其主要原理是發生在碰撞時，約束乘員因慣性而發生的與車體的相對運動，減少和防止乘員與車內發生碰撞（稱為“二次碰撞），從而達到保護乘員、減少碰撞損傷的目的。用來約束乘員運動的裝置稱為乘員約束系統，常用的乘員約束系統有安全帶、安全氣囊和安全墊等。 安全氣囊的防護效果與眾多的因素有關，一方面是事故發生的客觀條件，

18、如碰撞強度、碰撞類型，乘員的身高、體重、乘員乘做的位置，車輛的類型和大小等。另一方面是車輛上安裝的防護系統及其使用情況，例如是否使用了安全帶，安全帶的類型和參數。因而，要對安全氣囊的防護有效性做出客觀準確的評價，找到影響其防護效果的主要因素，是汽車被動安全性領域難度很大的科技問題，它涉及到工程學、交通事故損傷流行病學等多個學科，是一個綜合性很強的研究領域。 汽車安全氣囊依據其作用的不同分為防止前碰撞損傷的駕駛員安全氣囊、前排座乘員安全氣囊和側面碰撞防護安全氣囊等。本文主要討論前碰撞安全氣囊，汽車發生碰撞事故時，安全氣囊是一種重要的防護裝置，但是安全氣囊在防止重大損傷和減少事故死亡的同時，也可能

19、出現它的快速展開而引發新的損傷，本文將此種損傷稱為“氣囊引發損傷”。如何保證安全氣囊對各類汽車乘員在各種碰撞條件下提供最有效防護的同時，減少甚至避免氣囊損傷，是目前汽車乘員約束系統研究的主要問題之一。本文所做的主要工作如下：1對汽車安全氣囊防護有效、氣囊損傷和相關技術發展進行全面綜述，剖析了這一研究領域涉及的問題。2在汽車電路的設計中，我主要采用CAN總線對各個安全器件進行連接，即對CAN總線在汽車內部網絡的研究 3在安全氣囊電路的設計當中，還要對安全傳感器、繼電器、CPU、等與之相關的器件進行選擇，避免誤點火和氣囊損傷，以保護乘員的安全。（2） 安全氣囊簡介（3） 安全氣囊的作用與分類（4）

20、 安全氣囊的作用安全氣囊是最近發展起來的被動安全裝置。它對駕駛員和乘員的頭部、頸部安全起著明顯的保護作用。特別是在汽車證明碰撞和前側碰撞時，其保護作用尤為明顯，而座椅安全帶對人體胸部以上的保護作用十分有限。汽車發生事故時，人體胸部以上受傷的幾率高達75%以上。安全氣囊主要是針對乘員上體，特別是頭部和頸部在撞車時的安全而設計的 ，而且一般汽車出廠時就已安裝在車內，無須人們有意識地去完成佩帶這一動作。因而它可隨時隨地保護人們的安全，更容易被人們接受。（5） 安全氣囊的分類汽車安全氣囊按控制類型不同，可分為機械式和電子控制式兩類。電子控制式又分為元件型、集成電路型、電腦控制型之分。電子控制式又分集中

21、控制式，即一個電子控制器控制兩個以上的氣囊；分散控制式，即一個電子控制器只控制一個氣囊。有的把傳感器也放在氣囊內，所以有內部和外部傳感器式安全氣囊之分。有的也叫整體式安全氣囊。現代汽車大都采用電子控制式安全氣囊。電子控制式可按以下分類：（6） 安全氣囊系統的組成： 安全氣囊系統主要包括碰撞傳感器、氣囊電腦、系統指示燈、氣囊組件以及連接線路，氣囊組件主要包括氣囊、氣體發生器以及點火器等。（） 碰撞傳感器對于各汽車制造廠生產的車輛，碰撞傳感器的安裝位置不盡相同，而且碰撞傳感器的名稱也不統一，例如有些碰撞傳感器按照工作原理也稱為加速度傳感器。按照用途的不同，碰撞傳感器分為觸發碰撞傳感器和防護碰撞傳感

22、器。觸發碰撞傳感器也稱為碰撞強度傳感器，用于檢測碰撞時的減速度或慣性，并將碰撞信號傳給氣囊電腦，作為氣囊電腦的觸發信號；防護碰撞傳感器也稱為安全碰撞傳感器，它與觸發碰撞傳感器串聯，用于防止氣囊誤爆。 按照結構的不同，碰撞傳感器分為機電式碰撞傳感器、電子式碰撞傳感器以及機械式碰撞傳感器。防護碰撞傳感器一般采用電子式結構，觸發碰撞傳感器一般采用機電結合式結構或機械式結構。機電結合式碰撞傳感器是利用機械的運動（滾動或轉動）來控制電氣觸點動作，再由觸點斷開和閉合來控制氣囊電路的接通和切斷，常見的有滾球式和偏心錘式碰撞傳感器。電子式碰撞傳感器沒有電氣觸點，目前常用的有電阻應變式和壓電效應式2種。機械式碰

23、撞傳感器常見的有水銀開關式，它是利用水銀導電的特性來控制氣囊電路的接通和切斷。對于早期的汽車，一般設有多個觸發碰撞傳感器，安裝位置一般在車身的前部和中部，例如車身兩側的翼子板內側、前照燈支架下面以及發動機散熱器支架兩側等部位。隨著碰撞傳感器制造技術的發展，有些汽車將觸發碰撞傳感器安裝在氣囊電腦內。防護碰撞傳感器一般都與氣囊電腦組裝在一起，多數安裝在駕駛艙內中央控制臺下面。氣囊電腦它是氣囊系統的核心部件，大多安裝在駕駛艙內中央控制臺下面。氣囊爆炸后，在氣囊電腦中會存儲碰撞數據和故障碼，這些故障碼用普通儀器無法清除。為了保證氣囊工作的可靠性，很多汽車生產廠家建議氣囊電腦一次性使用。但是氣囊電腦的價

24、格很高，因此很多具有氣囊電腦數據修復功能的儀器被開發出來，通過讀取并修復碰撞數據，可以實現氣囊電腦的再次使用。需要注意的是，配件市場上存在將修復電腦作為新配件銷售的情況，購買配件時應注意。（7） 安全氣囊的工作原理：準確判斷出事故的碰撞強度，并點爆氣袋。控制系統主要有機械式、模擬電子式、智能式幾種1。第一、二代的機械式和模擬式控制系統，由于結構的局限，靈活性有很大限制，應用正在減少。現在大部分系統都采用第三代的帶微處理器的智能控制系統。它使用單片機對電子式加速度傳感器測得的信號進行計算，認為發生了碰撞并且達到一定強度時，輸出點火脈沖引爆氣體發生器，迅速產生大量氣體充滿氣袋。智能控制系統的控制算

25、法由軟件實現，極大地提高了算法的靈活性，而且具有記錄事故信息和與計算機通訊等前兩代控制系統無法實現的功能。汽車SRS氣囊系統并非在所有碰撞情況下都起作用，正面SRS安全氣囊系統在汽車從正前方或斜度在正前方的正負30度角范圍內發生碰撞，且其縱向減速度達到某一值（通常成為減速閥值）才能引爆氣體發生器給正面SRS氣囊充氣。減速閥值根據SRS氣囊系統的性能設定，不同車型SRS氣囊系統的減速閥值可能不同。當正面碰撞車速在20km/h以下時，氣囊應該不啟爆；當車速在2040km/h之間時，這是一個過渡區，氣囊可能啟爆也可能不啟爆；當車速在40km/h以上時，氣囊應該啟爆。在下列條件之一情況下，SRS氣囊系

26、統不會啟爆：（1）汽車遭受斜前方碰撞斜角超過正前方正負30度角范圍時；（2）汽車遭受后方撞擊時；（3）汽車遭受橫向撞擊時；（4）汽車發生側翻時；（5）縱向減速度沒達到設定閥值時；（8） 安全氣囊的工作過程（1）將從碰撞傳感器接收的電信號傳給充氣器的引爆劑；（2）引爆劑像根“電火柴”通電後著火，然後再點燃充氣器組件內的擴爆劑，擴爆劑又稱為引爆管；（3）擴爆劑點燃後，點燃主裝藥 主推進劑。傳統的主推進劑由氮化鈉+氧化劑組成，也有些使用壓縮氮氣或氬氣，還有兩種混合應用；（4）推進劑燃燒生成氮氣流；（5）迅速膨脹的氣體經過過濾進入折囊墊，形成安全氣囊雛形；6）充氣器使充入安全氣囊的氣體壓力增高，并開始

27、推壓安全氣囊飾罩；（7）安全氣囊飾罩上的壓力不斷上升，飾罩材料延伸變形和撕裂薄弱區的接縫；（8）隨著裂縫的出現，飾罩門開啟，為充氣安全氣囊的噴出提供最佳通路；（9）氣體壓力繼續增長，安全氣囊張開至織物繃緊；（10）乘員接觸和壓迫安全氣囊，實現安全保護；（11）通過氣體的粘性阻尼作用，乘員前移能量被吸收和耗散，安全氣囊中過壓氣體經過安全氣囊通氣孔排出而不致傷害乘員。（9） 使用安全氣囊注意事項（10） 安全操作規范：不正當的操作、儲存、拆卸、安裝或移動SRS-40安全氣囊系統都可能會造成不應有的啟爆，這樣會對操作者造成傷害或對系統產生不良的影響，為了避免維修人員和乘員受傷害，必須遵守以下安全操作

28、規范：（1）當拆裝發生器-傳感器和組件時，應站在氣囊展開的軌跡之外，并且穿戴好防火手套和防護鏡，這是一個預防措施以防止發生器-傳感器意外突然啟爆。在此類事故中，熱氣會從發生器中產生，發生器的底座會變得很熱；（2）如果發生器-傳感器總成從0.9m或更高的地方掉下或已被損壞，此發生器-傳感器就不能再用；（3）發生器-傳感器不應在溫度超過52的地方儲存；（4）如果必須要移動這個發生器-傳感器總成時，必須從底部凸緣部分抓住，并使其上的小孔遠離人身；（5）不要將發生器-傳感器放入沒有固定緊的方向盤里，也不要觸動發生器-傳感器或旋轉底部的D形孔，以免造成意外的誤啟爆；（6）維修裝有安全氣囊的轉向柱之前，應

29、先把發生器傳感器拆下，因為對轉向柱、方向盤或發生器一個突然有力的沖擊會造成系統的損害或誤啟爆；（7）安裝新的發生器-傳感器和組件之前，不要將發生器-傳感器和或組件外部的包裝拆開，以免落入異物；（8）不要撞擊或解剖發生器-傳感器，它應該是密封的以防止同其他化學藥品接觸。如果發生器打開或金屬容器破裂，里面的化學藥品就會泄漏出來，這些化學藥品對人的身體是有害的、易燃的和具有潛在的危險。如果接觸到產生的氣體并感到皮膚或眼睛在洗完后仍有刺激感，你應該盡快請醫生診治。（11） 啟爆后安全氣囊的處理：在氣囊啟爆之后，SRS系統的金屬件將會變得非常熱，并且含有殘余的、有刺激的化學藥品。為避免受到傷害，要帶上手

30、套和防護鏡而且要等待系統冷卻之后才能觸摸。拆卸已報廢的SRS系統元件，在處理完啟爆的氣囊之后，要用肥皂和清水清洗雙手和暴露在外的皮膚，并按維修手冊規定的標準修理汽車，更換SRS安全氣囊系統。對事故中沒有啟爆的氣囊的檢查：如果SRS系統沒有啟爆，那么就必須檢查整個轉向柱以保證這些元件符合技術標準。如果轉向柱、方向盤松動，并且方向盤嚴重受損，這個氣囊就可能啟爆，這樣可能會造成非常嚴重的傷害。做這一步時，應該保證站在氣囊啟爆展開軌跡的外面。車輛在發生碰撞事故之后應對保險杠、車身覆蓋件、車身骨架以及轉向柱等進行檢查并修復。特別值得注意的是：按維修手冊規定的程序檢查轉向柱，以保證方向柱傳動軸和支架沒有任

31、何變形或收縮。在任何撞擊后，無論安全氣囊是否啟爆，都要對SRS系統和下列約束系統元件進行檢查：a 儀表板、轉向柱固定支架：檢查是否變形、彎曲、裂開或其他損傷。b 方向盤：如果SRS-40方向盤彎曲，就要更換一個全新的SRS-40系統。c 汽車前部保險杠和車身前部骨架都要按照維修手冊要求來修復（12） 安全氣囊的拆卸：拆卸SRS安全氣囊時應嚴格遵循下列程序：1. 戴好防火手套和防護鏡；2. 拆卸方向盤兩側蓋板；3.擰下兩側面的4個固定螺栓；4.小心地拿開氣囊組件； 5.用小一字號螺絲刀將黑色的塑料鎖片向外撥開，并且小心地逆時針旋轉發生器-傳感器直到發生器-傳感器座同方向盤配合槽對齊。輕輕地將發生

32、器-傳感器從方向盤接口處拿出； 6.將前輪轉到正前方的位置，如果還需繼續使用該轉向柱和方向盤，則應標出方向盤同轉向柱的相對位置，然后拆卸方向盤的固定螺母，取出螺母和平墊圈，拆下方向盤。（13） 安全氣囊的安裝：在安裝安全氣囊之前，應注意：帶上防火手套和防護鏡；處理SRS系統時，不要使用碰撞型的工具；操作SRS系統時，禁止吸煙。安裝SRS系統的方向盤時，應按下述步驟進行：1檢查方向盤中間的D形支柱有沒有裂紋或破損，如果這個D形支柱有任何形式的損壞，就不要再安裝此方向盤，必須更換；2安裝方向盤時，先將前輪調整到正前方的位置后，再將方向盤對準正前方的位置套入轉向柱的花鍵軸上，安裝平墊圈和螺母，并擰緊

33、方向盤固定螺母。3緊握方向盤向各個方位移動，以查看方向盤或轉向柱是否有松動，如有松動應在裝發生器-傳感器前加以擰緊或修復；4轉動方向盤時，要保證沒有摩擦或干涉，在安裝發生器-傳感器總成前，所有的障礙和干涉必須排除。安裝發生器-傳感器時，要帶上防火手套和防護鏡，然后輕輕地將發生器-傳感器拿起放在方向盤接口上對準卡槽位置，接著按順時針方向旋轉(大約40°)發生器-傳感器直到被鎖止，使彈簧受力。當黑色的塑料鎖片卡入發生器的卡槽中，就會聽到"咔嗒"的聲音，這時發生器-傳感器總成已安裝好。（14） CAN總線在汽車內部的網絡研究（15） CAN簡介：（16） CAN 總線的

34、概念CAN (Controller Area Network)總線，又稱控制器局域網，是Bosch公司在現代汽車技術中領先推出的一種多主機局部網，由于其卓越的性能，極高的可靠性，獨特靈活的設計和低廉的價格，現已廣泛應用于工業現場控制、智能大廈、小區安防、交通工具、醫療儀器、環境監控等眾多領域。CAN已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。CAN總線規范已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，CAN協議也是建立在國際標準組織的開放系統互連參考模型基礎上的，主要工作在數據鏈路層和物理層。用戶可在其基礎上開發適合系統實際需要的應用層通信協議，但由于CAN總線極高的可靠性，從而使應用層通信協議得以大大簡化

35、。簡單的CAN總線系統主要由上位機和位控制器構成。包括： 個人計算機 CAN的接口（CAN適配卡、若干CAN網絡節點） （17） CAN 總線的特點現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一,被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。CAN(Controller Area Network)屬于現場總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。較之目前許多RS-485基于R線構建的分布式控制系統而言,  基于CAN總線的分布式控制系統在以下方面具有明顯的優越性： 首先,CAN控制器工作于

36、多主方式,網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權(取決于報文標識符)采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據,且CAN協議廢除了站地址編碼,而代之以對通信數據進行編碼,這可使不同的節點同時接收到相同的數據,這些特點使得CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強,并且容易構成冗余結構,提高系統的可靠性和系統的靈活性。而利用RS-485只能構成主從式結構系統,通信方式也只能以主站輪詢的方式進行,系統的實時性、可靠性較差。 其次,CAN總線通過CAN控制器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連,而CANH端的狀態只能是高電平或懸浮狀態,CANL端只能是低電平或懸浮

37、狀態。這就保證不會出現象在RS-485網絡中,當系統有錯誤,出現多節點同時向總線發送數據時,導致總線呈現短路,從而損壞某些節點的現象。而且CAN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,從而保證不會出現象在網絡中,因個別節點出現問題,使得總線處于“死鎖”狀態。而且,CAN具有的完善的通信協議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現,從而大大降低系統開發難度,縮短了開發周期,這些是只僅僅有電氣協議的RS-485所無法比擬的。另外,與其它現場總線比較而言,CAN總線是具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現場總線。這些也是目前 CAN

38、總線應用于眾多領域,具有強勁的市場競爭力的重要原因。 CAN (Controller Area Network)即控制器局域網絡,屬于工業現場總線的范疇。與一般的通信總線相比,CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計,CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領域上的應用是最廣泛的,世界上一些著名的汽車制造廠商,如BENZ(奔馳)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和寶馬車輛JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。同時,由于CAN總線本身的特點,其應用范圍目前已不再局限于汽車行業,而向自動控制、航空

39、航天、航海、過程工業、機械工業、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領域發展。CAN已經形成國際標準,并已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。其典型的應用協議有： SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。 其主要特點是：1、CAN是目前為止惟一有國際標準的現場總線。2、CAN為多主方式工作，網絡上任一節點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，而不分主從。3、在報文標識符上，CAN上的節點分成不同的優先級，可滿足不同的實時要求。4、CAN采用非破壞總線仲裁技術。5、CAN節點只需要通過對

40、報文的標識符濾波即可以實現點對點、一點對多點及全局廣播等方式傳送接收數據。6、CAN的直接通信距離最遠可達10Km（速率5kbps以下）；通信速率最高可達1Mbps（此時通信距離最長為40m）。7、CAN上的節點數主要取決于總線驅動電路，目前可達110個。8、報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數據出錯率極低。9、CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果。10、CAN的通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。11、CAN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。12、CAN總線具有較高的性價比。（18） CAN總

41、線的結構特點（19） CAN節點概述CAN適配卡是實現上位機系統和CAN總線的連接接口，作用和以太網網卡相同。帶CAN適配卡的上位機在CAN總線系統中相當于一個網絡節點。CAN 總線上的節點是網絡上的信息接收和發送站，智能節點能通過編程設置工作方式、ID地址、波特率等參數。它主要由單片機和可編程的CAN通信控制器組成。（1）節點的概念：一般指掛在CAN總線上的傳感部件、執行部件或控制器單元，CAN總線是通過允許節點間對等的傳播數據來實現網絡通信的（單向或雙向）。（2）節點的組成：由于受總線收發器物理信號驅動能力的限制，在一個CAN總線網絡上，最多可掛接110個節點設備。CAN總線系統的拓撲結構

42、：（1）基于CAN的拓撲概念：網絡拓撲結構設計是構建計算機網絡的第一步，也是實現各種網絡協議的基礎，它對網絡的性能、可靠性和通信費用等都有很大影響。CAN網絡中也存在著各種拓撲結構。（2）常用的CAN總線系統拓撲結構：一般有4種常見的拓撲結構總線結構、環形結構、星形結構、網狀結構。（20） CAN總線的分層結構CAN通訊協議主要描述設備之間的信息傳遞方式。CAN層的定義與開放系統互連模型OSI一致。CAN的規范定義了模型的最下面兩層：數據鏈路層和物理層，其中數據鏈路層又劃分為邏輯鏈路控制子層（LLC）和媒體訪問控制子層（MAC），應用層協議可以由CAN用戶定義成適合特別工業領域的任何方案，如已

43、在工業控制和制造業領域得到廣泛應用的協議標準DeviceNet，以及在汽車工業中被大量使用的CANOpen協議等。具體分層結構如圖1所示。（21） CAN總線的位數值表示CAN中的總線數值為兩種互補邏輯數值之一：“顯性”或“隱性”。“顯性” ( “Dominant”)數值表示邏輯“0”，而“隱性”( “Recessive”)表示邏輯“1”。“顯性”和“隱性”位同時發送時，最后總線數值將為“顯性”。（22） CAN總線的通信距離CAN總線上任意兩個節點之間的最大傳輸距離與其位速率有關，下表列舉了相關的數據。（23） CAN報文的幀格式有兩種不同的幀格式，不同之處為標識符域的長度不同：含有11位標

44、識符的幀為標準幀，含有29位標識符的幀為擴展幀。1、 幀類型：數據幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀。（1） 數據幀：幀起始（SoF）：標志數據幀和遠程幀的起始，僅由一個顯性位組成。仲裁場：標準幀和擴展幀的仲裁場格式不同。遠程發送請求位RTR在數據幀中為顯性；在遠程幀中為隱性。 標識符擴展位IDE在標準幀中為顯性；在擴展幀中為隱性。 替代遠程請求位SRR是一隱性位，它在擴展幀中標準幀的RTR位的位置被發送，因而替代標準幀的RTR位。當標準幀與擴展幀發送沖突時，而擴展幀的基本ID同標準幀的標識符一樣時，標準幀優先于擴展幀。控制場：標準格式中控制場包括數據長度代碼、IDE位（顯性）及保留位r0； 擴展格式

45、中控制場包括數據長度代碼、兩個保留r1和r0。數據場：由0-8字節數據組成，每字節包含8個位。CRC場: CRC場包括CRC序列，后隨CRC界定符。用于幀校驗的CRC序 列由特別適用于位數小于127位幀的循環冗余碼校驗(BCII碼)驅動。為實現CRC計算，被除的多項式被定義為這樣一個多項式，其系數由幀起始、仲裁場、控制場、數據場(如果存在)和15位最低系數為0組成的解除填充的位流給定。此多項式被下列生成多項式除：相除的余數即為發至總線的CRC序列。CRC序列隨后的CRC界定符僅由單個“隱性”位構成。 ACK場:ACK場為兩位應答間隙和應答界定符。 應答間隙=2個隱性（發送器發出） 應答界定符=

46、1個 隱性幀結束：由7個隱性位組成。（2）遠程幀：激活為數據接收器的節點可以通過發送一個遠程幀啟動源節點發送各自的數據。遠程幀也有標準格式和擴展格式，而且都由6個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場、幀結尾。與數據幀相反，遠程幀的RTR位是隱性的。沒有數據場，所以數據長度代碼的數值沒有意義。（3）錯誤幀：兩個場組成，第一場由來自各站的錯誤標志疊加，第二場為出錯界定符。報文傳輸過程中任何一個節點出錯，即于下一位開始發送出錯幀，通知發送端停止發送。主動錯誤標志：6個連續顯性位被動錯誤標志：6個隱性位錯誤界定符： 8個隱性位。發送了錯誤標志后，每一站就發送一個隱性位，并一直監視總

47、線直到檢測出一個隱性位為止。然后就開始發送其余7個隱性位。（4）過載幀：有3種過載情況：接收器的內部原因，它需要延遲下一個數據幀或遠程幀；在間歇的第一位和第二位檢測到一個顯性位；如果CAN節點在錯誤界定符或過載界定符的第8位采樣到一個顯性位，節點會發送一個過載幀（不是錯誤幀）。過載標志：6個顯性位。 過載界定符：8個隱性位。過載標志被傳送后，站就一直監視總線，直到檢測到一個從顯性位到隱性位的跳變為止。然后開始發送其余7個隱性位。2、 幀格式：有兩種不同的幀格式，不同之處為標識符域的長度不同：含有11位標識符的幀為標準幀，含有29位標識符的幀為擴展幀。2.0B標準幀（11字節）： 13字節信息部

48、分 411字節數據部分擴展幀（13字節）： 15 字節為信息 613字節為數據 （24） CAN總線高層協議介紹概述 CAN 協議是一個非常簡單的協議。它只定義了物理層和數據鏈路層, 本身并不完整, 有些復雜的應用問題需要一個更高層次的協議應用層協議來實現，比如, CAN 數據幀一次最多只能傳送8 字節;CAN 只提供了非確認的數據傳輸服務等。CAN的技術特點允許各廠商在CAN 協議的基礎上自行開發自己的高層應用協議, 給用戶提供了一個面向應用的清晰接口。目前, 許多廠商都根據自己的意圖并結合其優勢紛紛推出基于CAN 的總線產品, 如DeviceNet (設備網) , CANopen , CA

49、N Kingdom , SDS 等。它們都得到CiA (CAN in Automation) 的支持, 符合ISO11898 標準, 同時又各具特色。1、DeviceNet（1）、概述DeviceNet 最初由Rock well 旗下Allen - Bradly 公司研制開發, 為PLC 和智能傳感器設計。憑借該公司在可編程控制器和變頻器等方面的優勢, DeviceNet在PLC 與現場設備之間的通信網絡中得到廣泛應用。DeviceNet 可以說是最好的CAN 協議工業標準, 得到CiA 的支持, 并由ODVA (開放設備網供貨商協會)負責它的進一步發展。據世界著名的市場調查公司VDC的“工業

50、分布式遠程I/ O 的全球市場和用戶需求”研究報告稱, 1999 年的市場份額位居世界第二,到2003 年仍將占第三位。DeviceNet 在CAN 協議的基礎上加入了自己的應用層協議, 結合了CAN 總線的優點, 同時也滿足了更為復雜的要求。涉及的標準有CAN 技術規范210A/B、ISO 11898 標準和DeviceNet 技術規范Vo1.1/ 2。DeviceNet 采用了CAN 物理層協議中的幾種網絡運行速率125kbps ( 500m) 、250kbps ( 250m) 、500kbps(100m) , 最多支持64 個節點。DeviceNet 的數據鏈路層完全遵循CAN 規范的定

51、義, 并通過CAN 控制器芯片實現。DeviceNet 使用數據幀傳送數據, 遠程幀沒有被使用, 超載幀和出錯幀則用于例外情況的處理。（2）、DeviceNet 應用層協議功能DeviceNet 定義了兩種不同類型的報文, 稱作I/ O報文和顯式報文。I/ O 報文適用于實時性要求較高的I/ O 端子的信號輸出。I/ O 報文通常使用優先級高的連接標識符, 通過點對點或廣播方式進行信息交換。連接標識符提供了I/ O 報文的相關信息, 在I/ O 報文利用連接標識符發送之前, 報文的發送和接受設備都必須先進行設定。顯式報文則適用于兩個設備間多用途的點對點報文傳遞, 是典型的請求- 響應通訊方式,

52、 常用于節點的配置、問題診斷等。顯示報文通常使用優先級低的連接標識符, 并且該報文的相關信息包含在顯示報文數據幀的數據場中, 包括要執行的服務和相關對象的屬性及地址。DeviceNet 為長度大于8字節的報文提供了分段服務。以I/ O 報文為例, I/ O 報文經過分割形成I/ O 報文片段時, 數據場中有一位由報文分割協議使用。而長度小于8 字節的I/ O 報文可以直接加在數據場中一次傳送。對于顯示報文, 也可以進行分段。分段服務為設備網提供了更多的可擴展性和兼容性, 保證了將來更加復雜、更智能化的設備可以加入到設備網中。DeviceNet 采用了面向對象的技術, 對象模型為管理和實現Dev

53、iceNet 產品組件的屬性(數據) , 服務(方法或步驟) 和行為提供了一個模板。對象提供了由4 個數字組成的尋址方案。它們分別是節點地址(MAC ID) , 對象類標識符, 實例編號和屬性編號。這四級地址與顯式報文連接相結合, 將數據從DeviceNet 網絡上的一點傳送到另一點。設備網面向對象的設計和編址方式使設備網可以在不改變基本的協議和連接模型的基礎上無限制的擴展其能力。DeviceNet 在應用層信息中還增加了對設備應用數據的描述, 它通過定義標準的設備模型促進不同廠商設備之間的互操作性。設備描述主要包括設備的各種特定數據, 如設備類型、廠家、節點地址和通信速率等。屬于同一設備模型

54、的所有設備都必須支持共同的標識和通訊狀態數據。DeviceNet 采用了兩種通信機制: 非連接消息管理模式和預定義主/ 從連接模式。前者充分體現了DeviceNet 的開放性, 允許動態配置設備間的連接,但對微處理器的計算能力提出了很高的要求。對于不需要使用這一功能的設備, 則采用后者。預定義主/從連接的連接標識符, 簡化了主/ 從結構中I/ O 和配置型數據的傳送。2、CANOpenCANOpen 是基于CAN 總線系統的網絡。它是由CiA 特別興趣組使用CAL 提供的通訊服務的一個子集進行開發的, CAL 已被CiA 標準化。CANOpen 甚至可以在具有低計算性能和存儲能力的設備中使用。

55、CANOpen 應用層和通信行規(CiA DS - 301 和CiADSP302) 既支持對設備參數的直接存取, 也支持對時間苛求的過程數據通信。在CANOpen 網絡中附加預定義對等通訊能力, 所有的站點是對等的, 數據交換可以直接由站(設備) 之間組織。CANOpen 支持的傳輸速率為20 kbps、125 kbps、500 kbps 和1 Mbps 。CANOpen 設備結構的大部分與其它總線系統相對應,所以對應用程序開發者來講很容易使用。對于面向網絡的通信對象, 標識符的地址分配是系統設計中的一個主要方面。為了減少組態工作量CANOpen 網絡定義了強制性的缺省標識符地址分配表。地址分

56、配表包含一個功能部分和一個模塊ID 部分。這些標識符在預操作狀態中是可用的, 通過動態的分配還可以修改它們。3、SDSSDS (Smart Distributed System) 是由Honeywell 公司開發的、基于CAN 通信協議的、用于工廠自動化的控制系統。通過它, 傳感器、執行器、現場控制器及其它工業設備連接為一個整體。SDS 協議結構適用于高速、實時的分布式控制。其特點如下:(1) 設備簡捷有效地連接到主控制器(King) ;(2) 主控制器對所有節點進行全權控制, 不支持沒有主PLC 的節點之間的通信;(3) 系統中節點數最多為125 個;(4) 僅支持標準的CAN 協議。（25） CAN總線在汽車內的應用隨著車用電氣設備越來越多，從發動機控制到傳動系統控制，從行駛、制動、轉向系統控制到安全保證系統及儀表報警系統，從電源管理到為提高舒適性而作的各種努力，使汽車電氣系統形成一個復雜的大系統，而且這一系統都集中在駕駛室控制。另外，隨著近年來ITS的發展，以3G（GPS、GIS和GSM）為代表的新型電子通信產品的出現，對汽車的綜合布線和信息的共享交互提出了更高的