毕业设计can总线在汽车转向中的应用设计管理资料.docx
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毕业设计can总线在汽车转向中的应用设计管理资料
摘要
在现代汽车的智能电子控制系统中转向信号必不可少,是汽车安全、可靠行使的重要数据来源,所以转向角度信号的实时准确采集显得非常重要。
但随着现代汽车的日益发展,汽车电子设备不断增加,进而带来汽车综合控制系统中大量的控制信号需要实时交换的问题,传统线束已远远不能满足这种要求。
本设计首先简要分析了国内外汽车局域网CAN总线的发展现状,并对CAN总线的原理进行了研究、吸收。
在此基础上设计了采集汽车转向角度信号的CAN总线节点。
节点的核心部分CAN总线模块由三个功能单元组成—单片机、CAN控制器和CAN收发器。
CAN控制器执行完整的CAN协议,完成通讯功能。
CAN收发器实现CAN控制器与总线间逻辑电平信号的转换。
CAN控制器和收发器完成CAN物理层和逻辑链路层的所有功能,应用层功能由软件来实现。
A/D转换电路用ADC0809、I/V转换器,把来自传感器的信号进行有效转换。
在节点中用看门狗电路保障了节点的可靠性。
并且设计RS485通信电路,用于测试时连接PC或其它设备。
软件设计采用汇编编程,主要程序包含有CAN的初始化、报文发送、报文接收程序等。
在汽车通信网络中加入CAN总线系统能使汽车减少线束、提高系统实时性、保证系统的稳定性和提高整车的性能。
本文的研究内容具有普遍意义。
关键词:
现场总线;CAN总线;汽车转向
Abstract
Angle-steeringsignalisessentialintheelectroniccontrollingsystemofintelligenceinmodernMotor,itistheimportantdatasourcefortheautomobiletorunsafelyandreliably,soitseemsveryimportanttogathertheangle-steeringsignalreal-timelyandaccurately.ButwiththegrowingofmodernMotor,theelectronicequipmentofautomobileisincreasingconstantly,andthenbringthequestionthatalargenumberofcontrollingsignalsneedexchanginginrealtimeinthecomprehensivecontrollingsystemoftheautomobile,traditionallinebunchisalreadyfarfrommeetingthiskindofdemand.
ThistextintroducesthecurrentsituationofthedevelopmentofthedomesticandinternationalautomobileLANCANbusbrieflyatfirst,thencarriesonresearch,absorbtheprincipleofCANbus.OnthisbasisdesigntheCANbusnodegatheringtheautomobileangle-steeringsignal.Thecoreofthenode-CANbusmoduleismadeupbythreefunctionunits:
TheMCU,CANcontrollerandCANtransceiver.CANcontrollercarriesoutintactCANagreement,finishesthecommunicationfunction.CANtransceiverrealizestheconversionofCANcontrollerandtotalbuslogiclevelsignal.CANcontrollerandtransceiverfinishallthefunctionsonCANphysicslayerandlogicchainlayer,thefunctionsonapplyinglayerarerealizedbythesoftware.TheA/DconvertingcircuitusesADC0809,I/Vconvertertochangethesignalofthesensedeviceeffectively.Ituseswatchdogcircuitinthenodetoensuredependabilityofthenode.AndtheRS485communicationcircuitdesignedconnectsPCorotherequipmentwhenbeingusedfortestingthenode.Thedesignofsoftwareadoptscompilingprogram,mainprogramincludeCANinitialization,newspaperarticlesend,thenewspaperdocumentreceivingprocedure,etc.
Itcanmakeautomobilereducelinebunch,improvesystematicreal-timecharacter,ensurethestabilityofsystemandraiseperformanceofcompletedcarbyputtingCANbussystemintothecommunicationnetworkofautomobile.Thecontentsresearchedinthistexthaveuniversalsignificance.
Keywords:
Fieldbus;CANbus;Theautomobilesteering
CAN的性能特点6
SJA1000一般说明15
第5章系统软件设计34
第1章绪论
1.1设计目的及意义
目的:
进行该研究的目的是利用现场总线中的CAN总线技术,设计一种通用的基于CAN总线的汽车转向信号采集节点,提供车辆转向信息的输出。
用于汽车的智能电子控制或辅助系统中保证汽车在行驶当中的可靠性和安全性。
意义:
目前国内大部分汽车的转向角度,行驶速度等信号采集后,分别通过不同的信号线将数据传送给前端仪表单元,不易布置,可靠性差,成本高、且不易维护。
本系统抛弃了传统繁冗的汽车线束,而用汽车局域网CAN总线将转向角度数据采集单元和汽车其它仪表单元相连,只用两根信号线就可以实现数据的传输,使得传输线束大为简化,可靠性得到了极大的提高,有效节约了线束安装空间和系统成本,具有很大的理论意义。
同时它也是数据传输的一个新的形式。
除以上优点对使用CAN总线的优点进行总结,得出以下结论:
(1)如果数据扩展以增加新的信息,只需升级软件即可。
(2)控制单元对所传输的信息进行实时检测,检测到故障后存储故障码。
(3)可使传感器信号线减至最少,控制单元可做到高速数据传输。
(4)CAN总线符合国际标准,因此可应用不同型号控制单元间数据传输。
1.2主要内容及研究方法
(1)本设计研究对象是当今国际汽车业最流行的CAN总线,本文对汽车局域网CAN总线的原理进行充分的消化吸收。
(2)把先进的网络通讯技术引入到汽车数据通讯中,解决汽车转向数据传输的问题。
具体设计基于CAN总线的汽车转向数据采集节点,该节点核心为AT89C52单片机与SJA1000CAN控制器芯片,系统利用单片机通过传感器对汽车的转向角度信号进行采集,再用CAN总线传输信号。
出于本设计的特点只设计一个节点,当CAN节点多的情况下简化汽车线束的效果将非常明显。
(3)设计系统的硬件电路原理图,并制作PCB印制电路板。
(4)用汇编语言编写节点初始化,数据发送,数据中断接收程序以及其它相关程序。
(5)对系统进行适当的硬件抗干扰设计。
第2章
汽车局域网CAN总线原理
2.1汽车局域网
2.1.1汽车局域网概况
随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的飞速发展,以全数字式现场总线为代表的现场控制仪表、设备大量应用,使得传统的现场控制技术及现场控制设备发生了巨大的变化。
繁琐的现场连线被单一简洁的现场总线所代替。
系统设计灵活,设备维护简单,信号传输质量也大大提高,为工业现场控制用户带来巨大好处。
经过长时间的发展,己形成Hart、Lonworks、Profibus,、Bitbus及CAN等多种现场总线协议。
电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用使得汽车电子化程度越来越高,特别是微控制器进入汽车领域后,给汽车带来了划时代的变化,汽车的动力性、操纵稳定性、安全性、燃油经济性、对环境的友好性都得到了大幅提升。
汽车电子设备的应用,电子设备的增多,必然导致车身布线愈长愈复杂,运行可靠性降低,故障维修难度增大,特别是电子控制单元的大量引入。
为了提高信号的利用率,要求大批数据信息能在不同的电子单元中共享,汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换,传统线束己远远不能满足这种要求,于是人们选择了网络总线技术。
CAN(ControllerAreaNetwork)现场总线就是一种极适于汽车环境的汽车局域网。
CAN总线是德国Bosch公司在80年代初为解决数据可靠交换而开发的一种串行数据通信总线。
在现代汽车设计中,CAN己经成为了必须采用的装置,奔驰、宝马、大众、沃尔沃及雷诺汽车都将CAN总线作为控制器联网的手段。
由于我国中高级车主要以欧洲车型为主,因此欧洲车应用最广泛的CAN技术,也将是国产车引进的技术项目。
汽车工业经历了三次技术创新浪潮:
40年代的以高压缩比发动机为代表的“动力”浪潮;70年代以微处理器为代表的“控制”浪潮;90年代以远程信息处理为代表的“连通”浪潮:
导航、智能交通系统、因特网技术进入汽车中。
因此在汽车中负担“连通”重任的传输信号和功率的线束必须应用多路总线传输技术,这已经成为今后汽车发展的必然趋势。
一些汽车专家预测,近10年现场总线的引入将是汽车电子技术发展史上的一个重要里程碑。
80年代末,英特尔公司己首先研制出CAN总线通讯控制器(82526),随后菲利浦公司推出CAN总线通讯控制器(82C200)。
90年代初,菲利浦公司生产了带有CAN总线控制器的单片机(P8XC592),后又推出带数字/模拟输入输出功能的CAN总线控制器(82C150),可用于传感器等非开关量的传输,使CAN总线应用技术向成熟发展。
摩托罗拉公司也推出带有CAN总线控制器的单片机(68H05X4和68H05X16),西门子公司也推出带有CAN总线控制器的单片机(C167C)。
此外,还有菲利浦公司的82C250,西门子公司的8iC90/91、NEC公司的72005,SILIONI公司的SI9200单片机等。
在CAN协议推出的短短几年内,就有这么多的半导体厂提供众多的CAN总线器件,足以证明CAN总线的强大生命力和诱人的市场前景。
90年代,多路总线传输技术在汽车上成功使用的例子越来越多,一些名牌高档车,如奔驰(BENZ)、宝马(BMW)、保时捷(PORSCHE)、劳斯莱斯(ROLLSROYCE),美洲豹(JAGUAR)等都已开始采用CAN协议的多路总线传输技术来实现汽车内部控制系统,以便于检测执行机构间的数据通讯。
CAN总线协议作为一种通讯协议,不可能对每一种具体使用场合作更进一步的规定,一些厂家和公司也对汽车多路总线传输制定了进一步的标准,如美国SAEJ1708、J1787、J1792以及最新的J1939,标准中对优先权、数据格式、资源共享等问题做出了进一步的规定。
但各大公司对另外形式总线及相关标准的研究并没有停止,并且还在推出新的总线形式及相关标准,最终有可能形成像电视机那样的多种制式共存的局面。
在汽车电器多路总线传输技术发展中,存在的最大问题是标准化问题,形成一个真正在市场上站得住脚的标准,必然有主导车型和配件厂响应。
出于经济利益的关系,一些别的配件厂也会向主导车型所采用的标准靠拢,现在国外正在经历这一阶段。
开展汽车总线方面的研究,决不是只靠哪一个研究单位就可以独立完成的,这是一项需要多方协作的工作。
2.1.2汽车控制器局域网的现状及发展动态
目前存在的多种汽车网络标准,其侧重的功能有所不同,为方便研究和设计应用,SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为A、B、C三类。
A类:
面向传感器/执行器控制的低速网络,数据传输位速率只有1~10Kbps,主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。
B类:
面向独立模块间数据共享的中速网络,其速率一般为10K~100Kbps,主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统,以减少冗余的传感器和其它电子部件。
C类:
面向高速、实时闭环控制的多路传输网,最高位速率可达1Mbps,主要用于悬架控制,牵引控制、先进发动机控制、ABS等系统,以简化分布式控制和进一步减少车身线束。
CAN协议能够满足C类网要求的汽车控制器局域网。
三类网络功能均向下涵盖,即B类支持A类网的功能,C类能同时实现A类、B类网功能。
下面以CAN为例介绍三类汽车局域网的典型应用方案。
。
由于车门开关及行李箱等信号只在一定情况下才产生,正常时没有信号,所以对数据的传输率要求极低,低速A类网就能充分满足系统的要求,并且和传统的系统设计相比,车身线束大大减少,设计更为简单方便。
当大量共享数据需要在车辆各智能模块间进行交换时,A类网不再胜任,可采用B类网络系统。
。
车辆信息中心和仪表组单元无须单独挂接液位、温度、车灯及安全带等信号传感器,就能从总线上获取上述信息,大大减少了传感器和其它电子部件数量,有效节省了安装空间和系统成本。
通常A类网络系统不单独使用,而是和B类网络系统结合使用。
,图中没有摒弃A类网,而是通过车身计算机连接到CAN总线组成的B类网中,使得该A类网系统成为CAN总线的一个节点,这样无须在各传感器、执行部件安装CAN控制器就能使得信号在CAN总线上传输,有效地利用了A类网成本低的优点。
在上述应用中,都未充分发挥CAN总线高速大容量的特点。
为进一步减少车身线束,方便故障诊断,满足主要电子单元或系统间大量数据信息实时交换需要,使汽车各方面的性能趋于最佳状态,则需建立基于CAN总线的C类网络系统。
,CAN总线有效的将发动机控制系统,驱动防滑系统及自动巡航系统等连接成一个综合控制系统,整车性能得到大幅度的提高。
目前B类汽车局域网应用最为广泛,A类网趋于淘汰,C类网应用日益广泛。
按发展趋势,在不久的将来C类网将占据主导地位。
左侧车门
开关
防盗报警模块(主模块)
右侧车门
开关
发动机罩盖
开关
行李箱开关
汽车喇叭
汽车防盗报警A类网络系统
CAN总线
车门、窗状态
汽车喇叭
仪表盘开关
车身计算机
行李箱开关
仪表组单元
车辆信息单元
A类网和B类网的组合应用
液位、温度
等信号
仪表单元
车灯、安全带
等信号
发动机单元控制
车身计算机
车辆信息中心
车门开关状态
车门开关状态
乘客区车门控制单元
驾驶区车门控制单元
基于CAN总线的B类网络系统
CAN总线
发动机管理系统
防抱死控制系统
驱动控制系统
自动变速系统
故障检测单元
巡航控制系统
排放控制系统
仪表显示系统
基于CAN总线的C类网络系统
CAN总线
在实际应用方面,目前一些高档名牌汽车如Benz(奔驰)、BMW(宝马)、Jaguar(美洲豹)、Royce(劳斯莱斯)、Porsche(宝时捷)等都已经采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。
日本马自达公司和古河电工公司合作,研制成功汽车多路传输用CAN总线系统,在两根呈螺旋状的平衡双绞线电缆上组装了多片CAN通信控制器等功能芯片,可以传输汽车内所有的电子信号,包括汽车信号灯、音响、空调、通信、电子点火、发动机燃油喷射自控系统,相当于传输6000根信号线所传输的信号量。
2.2CAN总线
2.2.1CAN的性能特点
CAN总线即控制器局域网络(ControllerAreaNetwork)。
由于其高性能、高可靠性、及独特的设计,CAN越来越受到人们的重视。
其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。
CAN已经形成国际标准,并己被公认为几种最有前途的现场总线之一。
CAN属于总线式串行通信网络,由于其采用了许多新技术及独特的设计,与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
其特点可概括为:
1.CAN为多主方式工作,网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息,而不分主从,通信方式灵活,且无需站地址等节点信息。
利用这一特点可方便地构成多机备份系统。
2.CAN网络上的节点信息分成不同的优先级,可满足不同的实时要求,高优先级的数据最多可在134us内得到传输。
3.CAN采用非破坏性总线仲裁技术,当多个节点同时向总线发送信息时,优先级较低的节点会主动地退出发送,而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据,从而大大节省了总线冲突仲裁时间。
尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。
4.CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据,无需专门的“调度”。
5.CAN的直接通信距离最远可达10Km(速率5Kbps以下);通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)。
6.CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达110个;报文标识符可达2032种()。
7.采用短帧结构,传输时间短,受干扰概率低,具有极好的检错效果。
8.CAN每帧信息都有CRC校验及其它检错措施,保证了数据出错率极低。
9.CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活。
10.CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其它节点的操作不受影响。
2.2.2CAN技术规范
随着CAN在各种领域的应用和推广,对其通信格式的标准化提出了要求。
为此,1991年9月PhilipsSemiconductors制订并发布了CAN技术规范()。
该技术规范包括A和B两部分。
,。
此后,1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具—数据信息交换—高速通信控制器局域网(CAN)国际标准ISO11898,为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路。
1.CAN的一些基本概念
(1)报文:
总线上的信息以不同格式的报文发送,但长度有限制。
当总线开放时,任何连接的单元均可开始发送一个新报文。
(2)信息路由:
在CAN系统中,一个CAN节点不使用有关系统结构的任何信息(如站地址)。
这里包含一些重要概念:
系统灵活性—节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下被接于CAN网络。
报文通信—一个报文的内容由其标识符ID命名。
ID并不指出报文的目的,但描述数据的含义,以便网络中的所有节点有可能借助报文滤波决定该数据是否使它们激活。
成组—由于采用了报文滤波,所有节点均可接收报文,并同时被相同的报文激活。
数据相容性—在CAN网络内,可以确保报文同时被所有节点或者没有节点接收。
(3)位速率:
CAN的数据传输率在不同的系统中是不同的,而在一个给定的系统中,此速度是唯一的,并且是固定的。
(4)优先权:
在总线访问期间,标识符定义了一个报文静态优先权。
(5)远程数据请求:
需要数据的节点通过发送一个远程请求帧,可以请求其它节点发给它数据。
(6)多主站:
当总线空闲时,任何节点单元均可开始发送报文,其中具有最高优先权的报文可以最先被发送。
(7)仲裁:
当总线空闲时,任何单元均可开始发送报文,若同时有两个或更多的单元开始发送,则总线数据传输会发生冲突,此时总线将运用逐位仲裁规则,借助标识符ID解决冲突。
若具有相同标识符的一个数据帧和一个远程帧同时发送,数据帧优先于远程帧。
该仲裁由硬件自动控制。
逐位仲裁规则:
仲裁期间,每一个发送器都把发送位的电平与总线上检测到的电平进行比较,若相同则该单元可继续发送。
如:
当发送一个“1”电平,而在总线上检测为“0”电平时,该单元退出仲裁,并不再传送后续位。
(8)安全性:
为获得尽可能高的数据传送安全性,在每个CAN节点中均设有错误自动检测的强有力措施。
(9)出错标注和恢复时间:
己损报文由检出错误的任何节点进行标注。
这样的报文将失效,并自动进行重发送。
如果不存在新的错误,自检出错误至下一个报文开始发送的恢复时间最多为29个位时间。
(10)故障界定:
CAN节点有能力识别永久性故障和短暂扰动,可自动关闭故障节点。
(11)连接:
CAN串行通信线路是一条众多节点均可被连接的总线,理论上,单元数目是无限的,实际上,节点总数受限于延迟时间和总线的电气负载。
(12)总线数值表示:
总线上具有两种互补逻辑数值:
“0”电平或“1”电平。
在“0”与“1”同时发送期间,总线上数值将是“0”。
(13)睡眠方式及唤醒:
为降低系统功耗,CAN器件可被置于无任何内部活动的睡眠方式,相当于未连接上总线。
睡眠状态借助任何总线激活或者系统的内部条件被唤醒而告终。
要唤醒系统内仍处于睡眠状态的其它节点,可使用具有最低可能标识符的专用唤醒报文:
11111101111。
2.CAN节点的分层结构
为使设计透明和执行灵活,遵循ISO/OSI标准模型,CAN分为数据链路层(包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC)和物理层,,数据链路层的LLC和MAC子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。
。
LLC子层的主要功能是:
为数据传送和远程数据请求提供服务,确认由LLC子层接收的报文实际已被接收,并为恢复管理和通知超载提供信息。
在定义目标处理时,存在许多灵活性。
MAC子层的功能主要是传送规则,亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。
MAC子层也要确定,为开始一次新的发送,总线是否开放或者是否马上开始接收。
位定时特性也是MAC子层的一部分。
MAC子层特性不存在修改的灵活性。
CAN的分层结构和功能
数据链路层
逻辑链路子层LLC
接收滤波
超载通知
恢复管理
媒体访问控制子层MAC
数据封装/拆装
帧编码(填充/解除填充)
媒体访问管理
错误监测
出错定标,应答
串行化/解除串行化
物理层
位编码/解码
位定时
同步
(驱动器/接收器特性)
故障界定
总线故障管理
3.报文传送及其帧结构
在进行数据传送时,发出报文的单元称为该报文的发送器。
该单元在总线空闲或丢失仲裁前恒为发送器。
如果一个单元不是报文发送器,并且总线不处于空闲状态,则该单元为接收器。
对于报文发送器和接收器,报文的实际有效时刻是不同的。
对于发送器而言,如果直到帧结束末尾一直未出错,则对于发送器报文有效。
如果报文受损,将允许按照优先权顺序自动重发送。
为了能同其它报
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