基于LIN總線的SVW-POLO四車門控制系統(tǒng)設(shè)計

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基于 線的 車門控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要： 隨著社會，科學(xué)技術(shù)的不斷進步，人們對汽車性能的要求也越來越高。汽車電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用也越來越廣泛。為了使汽車的線束更加有序，增加通信的穩(wěn)定性，并盡可能的降低成本， 線廣泛運用在汽車上。 本文針對 車的車門、車窗、后視鏡、指示燈等實物設(shè)計了一套基于 線的四車門控制系統(tǒng)。我們分別從硬件和軟件兩方面對該系統(tǒng)進行了設(shè)計。硬件包括主要芯片的選用，整個網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)等內(nèi)容；軟件我們設(shè)計了 從節(jié)點的軟件原理框圖。在設(shè)計過程中，充分考慮了綜合成本和性能兩方面的因素，實現(xiàn)了對各個車門的控制。 關(guān)鍵詞： 汽車電子；汽車網(wǎng)絡(luò)； 線；車門控制系統(tǒng)。 N As of on of is in to of as as to is in a of IN of of of we of IN of of of of 錄 摘要： . I . 錄 . 汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述 . 1 言 . 1 載網(wǎng)絡(luò)簡介 . 3 有的汽車主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)介紹 . 5 國汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)展 狀況 . 5 文工作 . 6 2 絡(luò)介紹 . 7 言 . 7 絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) . 8 絡(luò)的特點 . 10 絡(luò)的通信協(xié)議 . 11 絡(luò)的幀結(jié)構(gòu) . 11 議的實際應(yīng)用 . 14 3 基于 線的車門控制 系統(tǒng)整體設(shè)計 . 15 體設(shè)計 . 15 片的選型及功能介紹 . 17 . 17 2 . 18 . 18 4 15 16 . 19 7 . 19 4 基于 線的 車門控制系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn) . 20 節(jié)點硬件設(shè)計 . 20 塊 . 20 源管理模塊 . 22 線接口 . 22 合開關(guān)輸入模塊 . 23 動模塊 . 23 口模塊 . 24 節(jié)點硬件設(shè)計 . 25 號具體的實現(xiàn)流程 . 26 從節(jié)點程序流程 . 26 5 總結(jié)與展望 . 30 結(jié) . 30 望 . 30 參 考 文 獻 . 31 附 錄 . 32 致 謝 . 36 1 汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述 言 隨著汽車工業(yè)和電子技術(shù)的快速成長，電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛，由單一的機械制造向高級的機電一體化方向發(fā)展，逐步進入了電腦控制時代，成為了“電子汽車”。 汽車機電一體化的發(fā)展是建立在電子技術(shù)的發(fā)展之上的。從真空管、晶體管、集成電路。大規(guī)模集成電路一步步成長到了超大規(guī)模集成電路，研發(fā)出了計算機等各種各樣的電子設(shè)備，汽車的電子化也在電子技術(shù)的快速成長下不斷進步。自 20世紀(jì) 70 年代以來，電子產(chǎn)品在汽車的應(yīng)用的比例逐年遞增，汽車的電子化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化程度成為了現(xiàn)代汽車水平的重要標(biāo)尺。汽車的機電一體化被譽為汽車技術(shù)的一次躍進。如今，汽車電子技術(shù)已成為汽車發(fā)展的技術(shù)職稱和產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵。一些豪華轎車電子元件成本占整車成本的比例很大，高級轎車在各個方面都裝有上百個微控 制器和傳感器，電子產(chǎn)品的成本占到整車成本的 50%以上，可以說電子技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到汽車全部的系統(tǒng)中。尤其近幾年來，隨著現(xiàn)代汽車向智能化和多媒體化發(fā)展，使汽車同時擁有了交通、娛樂、通信、辦公的綜合功能，同時，這樣的需求對汽車電子技術(shù)的要求也越來越高。據(jù)海外專家預(yù)測，未來汽車電子設(shè)備將占到汽車成本比例的 30%到 50%。 電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)有很長時間的歷史了。 20 世紀(jì) 50 年代，人們在汽車上加裝電子管收音機。當(dāng)晶體管收音機發(fā)明后，在汽車上廣泛使用。尤其在70 年代以后，電子技術(shù)開始廣泛的應(yīng)用于解決汽車的安全 、污染、節(jié)油三大問題 1 2。 70 年代后期，汽車電子的集成化開始了應(yīng)用研發(fā)，主要是采用集成電路和 8位微處理器研發(fā)出了汽車的獨立控制系統(tǒng)，各自完成各自的功能。 20 世紀(jì) 90 年代中期，汽車電子技術(shù)開始高速發(fā)展。在電子技術(shù)與控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上，汽車電控系統(tǒng)廣泛使用 16 位或 32 位微處理器對汽車進行控制。電子元件的逐漸微型化，為現(xiàn)代汽車實現(xiàn)集中控制提供了基礎(chǔ)，電控系統(tǒng)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。 2 目前汽車電子技術(shù)已經(jīng)成長到了第四階段，電子技術(shù)（含微機技術(shù)）、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等綜合技術(shù)的不斷發(fā)展、從科研階段進入到了成熟的產(chǎn)品量產(chǎn)階段。 從汽車電子技術(shù)的軟件和硬件兩方面說，硬件包含了中央控制器、執(zhí)行元件、傳感器等；軟件主要是匯編語言、 C 語言等其他高級語言編制的各種程序，包含數(shù)據(jù)采集、計算判斷、監(jiān)控、報警、自診斷等功能。就功能來說分為一下幾個方面的內(nèi)容： 1) 汽車發(fā)動機電子控制系統(tǒng)。主要是汽車發(fā)動機的運行管理，包括空燃比控制、點火控制、怠速控制、配氣正時控制、渦輪的介入時間控制等。 2) 汽車傳動系統(tǒng)和行駛控制系統(tǒng)。汽車的動力系統(tǒng)和燃油控制等都屬于此方面。 3) 汽車安全及故障診斷系統(tǒng)。主要是保障汽車的安全性，包括防撞系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、安全氣囊等。 4) 汽車的信息系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)汽車的網(wǎng)絡(luò)智能化、自動跟蹤系統(tǒng)、汽車網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。 5) 車身電子控制系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)汽車的舒適性、包括座椅的調(diào)節(jié)、空調(diào)的控制、燈光的控制等。 6) 汽車電子元件。就是組成各個系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)電子元件、包括各種傳感器、繼電器、執(zhí)行件、接插件等等。 7) 還 包 括 在 現(xiàn) 代 汽 車 設(shè) 計 過 程 中 運 用 到 的 各 種 技 術(shù) ， 包 括 汽 車計、 路圖繪制、制造與 試驗以及涉及到的各類軟件 3。 汽車電子技術(shù)的應(yīng)用，對汽車的動力性、經(jīng)濟型、安全性、舒適性等方面有了很大的提高，適應(yīng)了越來越高的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車不僅僅作為一種交通工具，更是成為了生活和工作范圍的一種延伸。可以在汽車上打電話、上網(wǎng)和處理工作。汽車逐漸進入多媒體時代。 “電子汽車”將提高人們的生活水平，受到人們越來越高的期待 4。 3 載網(wǎng)絡(luò)簡介 近年來，隨著車載電控系統(tǒng)的日益復(fù)雜，整車系統(tǒng)對車身各個電控單元相互之間通信能力的要求也日益增長。傳統(tǒng)車載系統(tǒng)的各個控制單元之間采用的 點對點的連接方式使得車內(nèi)線束增多，在內(nèi)部通信的可靠性，安全性以及重量等方面都會給汽車設(shè)計和制造帶來了巨大的困擾 5。為了減少車內(nèi)線束，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速共享交換，提高傳輸?shù)目煽啃裕行У慕档统杀?，在快速發(fā)展的計算機網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)了 線、 線、 線等基礎(chǔ)的汽車電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖 示，即為車載網(wǎng)絡(luò)。 圖 用車載網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分類圖 車載網(wǎng)絡(luò) (稱為車輛通信網(wǎng)絡(luò)。該通信網(wǎng)絡(luò)作為新型的車輛通信網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)車輛內(nèi)部設(shè)備之間 (2P)、車輛與車輛之間（ 以 及 車 輛 與 道 路 基 礎(chǔ) 設(shè) 施 之 間 （ 2I）的復(fù)雜數(shù)據(jù)通信，為車輛的運行提供了多種安全應(yīng)用（如事故預(yù)警，交通管理）和非安全應(yīng)用（如故障自診斷，路況指引， 入及車內(nèi)多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋?近年來在汽車行業(yè)中整車中的各個零部件由純機械產(chǎn)品向機電一體化、電控 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化逐步轉(zhuǎn)變。這些車載電子技術(shù)的應(yīng)用改革，都離不開對車載網(wǎng)絡(luò)的依賴，如車載 障診斷，不停車收費系統(tǒng)，車聯(lián)網(wǎng)多媒體智能交互系統(tǒng)等。 4 相對于車載網(wǎng)絡(luò)，老舊的點對點線束連接存在以下問題： 1) 增加汽車的生產(chǎn)和使用成本 2) 影響汽車使用的安全性和可維護性 隨著汽車系統(tǒng)中電控單元的大幅增加，為了簡化線路，實現(xiàn)相關(guān)信息在各個汽車電氣設(shè)備中的數(shù)據(jù)共享，提高車輛數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，降低汽車的故障率，汽車制造商和相應(yīng)的研發(fā)部門開始設(shè)計具有一定組織結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)新的工業(yè)總線系統(tǒng)，即車載網(wǎng)絡(luò)，來進一步規(guī) 范，替代原有的點對點線束連接，如控制器局域網(wǎng)（ ,局部連接網(wǎng)絡(luò)（ 局域網(wǎng)（ 。在車載網(wǎng)絡(luò)中各個電控單元相互連接構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)信息通過數(shù)據(jù)總線進行傳輸，從而實現(xiàn)信息資源共享。 車載網(wǎng)絡(luò)也算是計算機網(wǎng)絡(luò)的一種，車載網(wǎng)絡(luò)作為計算機網(wǎng)絡(luò)在汽車領(lǐng)域內(nèi)的一個特殊應(yīng)用，又呈現(xiàn)出部分與汽車相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)特點，具體如下： 1) 由于使用了總線技術(shù)代替了傳統(tǒng)的點對點的導(dǎo)線。在為車身布線提供方便的同時，還大幅度消減了導(dǎo)線的數(shù)量和體積，降低了線路成本 6。 2) 由于減少了線路和節(jié)點，信號傳輸和整車線路的可靠性大幅提高。 3) 改善了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的靈活性，通過系統(tǒng)軟件即可實現(xiàn)控制系統(tǒng)的變化與維護升級。 4) 為汽車故障診斷提供通用接口，通過故障代碼等形式對網(wǎng)絡(luò)通信或車載控制單元經(jīng)行測試診斷，便于維修人員對車載設(shè)備進行維護和故障檢修。 美國汽車工程師學(xué)會的汽車網(wǎng)絡(luò)委員會對綜合系統(tǒng)的復(fù)雜程度、數(shù)據(jù)流量、傳輸數(shù)率、網(wǎng)絡(luò)的可靠性、延遲時間等參 量，將汽車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)劃分為以下幾類： A 類網(wǎng)絡(luò)主要是針對傳感器執(zhí)行器進行控制的低速網(wǎng)絡(luò)。傳輸速率小于 10Kb/s，主要用于后視鏡，車窗，燈光等不需要精確控制的電控單元的數(shù)據(jù)傳輸。 B 類網(wǎng)絡(luò)是針對獨立模塊之間數(shù)據(jù)互通的中速網(wǎng)絡(luò)。傳輸速率一般在 10Kb/s125Kb/s 之間，主要應(yīng)用于舒適系統(tǒng)和儀表顯示等系統(tǒng)。 C 類網(wǎng)絡(luò)是針對動力系統(tǒng)的控制以及 駕駛輔助系統(tǒng)等需要高速，實時閉環(huán)控制的多路傳輸系統(tǒng)，傳輸速率一般在 125Kb/s 1Mb/s 之間。 D 類網(wǎng)絡(luò)是智能數(shù)據(jù)總線 絡(luò)主要是面對多媒體影音娛樂系統(tǒng)，傳輸速 5 率一般在 250Kb/s 100Mb/s 之間。 E 類網(wǎng)絡(luò)是面向汽車被動安全系統(tǒng)（如安全氣囊）的車載網(wǎng)絡(luò)，其傳輸速率為10Mb/s。 從目前的汽車制造行業(yè)來看，通常都采用多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互結(jié)合在汽車上進行綜和應(yīng)用。特別值得一提的是，隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，車載無線網(wǎng)絡(luò)也得到了廣泛應(yīng)用，如藍牙技術(shù)， 術(shù)等。 有的汽車主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)介紹 1） 控制器局域網(wǎng)（ 線是德國 司在 80 年代為解決現(xiàn)代汽車繁雜的 控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)互通而研發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議 7。它是一種多主節(jié)點的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通信速率可達 1。節(jié)點之間不分主次，由信息的優(yōu)先級決定順序。當(dāng)同時有多條信息發(fā)起通信時，優(yōu)先級低的避讓優(yōu)先級高的，不會對線路造成堵塞。 2） 局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) (絡(luò)（ 一種低成本的串行通信網(wǎng)絡(luò)，通常情況下主要用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制 8。本質(zhì)上講 線是一種輔助的車載總線網(wǎng)絡(luò)。 本文后面將會對 線進行詳細的介紹。 3） 設(shè)備網(wǎng)（ 設(shè)備網(wǎng)是一種開放式的通信網(wǎng)絡(luò)。雖然 絡(luò)是工業(yè)控制的底層網(wǎng)絡(luò)，通信速率較低，傳輸數(shù)據(jù)也較少，但由于 備網(wǎng)采用了新的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，如遵循控制及信息協(xié)議 有較低的成本，較高的效率和較高的可靠性等特點。 國汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r 20 世紀(jì) 90 年代初，總線技術(shù)開始 應(yīng)用在 汽車 上 。如今已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車 上必不可少的的組件 ， 總線技術(shù)相對于傳統(tǒng)線束的優(yōu)點使得絕大部分汽車 都 或多或少的采用 了 線。總線零部件也成為發(fā)展的主流。 對于我國來說，國內(nèi)汽車制造水平和零部件的發(fā)展水平極不平衡。由于發(fā)展時間太短， 國內(nèi)真正 具有 自主研發(fā)總線接口的零部件 能力的廠商的 幾乎沒有 9。 由于我國總線技術(shù)發(fā)展年限較短，在汽車的量產(chǎn)過程中， 線的零 6 部件幾乎都是國外研發(fā)的，一部分是國外生產(chǎn)的，一部分是由國內(nèi)合資或外資企業(yè)生產(chǎn)。 從單純的技術(shù)層面來說，通過幾年的發(fā)展，國內(nèi)的生產(chǎn)水平與國際先進水平差距正在縮小。但從量產(chǎn)角度來說，由于國內(nèi)離國際先進水平差距還是很大，總線研發(fā)還處于起步階段。 文工作 本課題以 線技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計出一套 對汽車各個車門進行控制的方案，對各個車門的車窗，車鎖，后視鏡，各項指示燈進行實體驅(qū)動控制。設(shè)計方案是通過一個 節(jié)點和若干個從節(jié)點構(gòu)成 域網(wǎng)絡(luò)，總節(jié)點對各個節(jié)點發(fā)出控制命令，各個節(jié)點根據(jù)主節(jié)點發(fā)出的信息來對相應(yīng)的設(shè)備進行控制，實現(xiàn)各個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信。 本方案主要想要實現(xiàn)以下功能： 1) 深入研究汽車電子技術(shù)和汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀。 2) 根據(jù)主從節(jié)點的具體需求進行硬件設(shè)計。 3) 進行車門軟件系統(tǒng)的原理設(shè)計 。 7 2 絡(luò)介紹 言 車載 絡(luò)（ 一種低速、低成本的串行通信網(wǎng)絡(luò)，針對實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。 在不需要 線的高速帶寬和復(fù)雜功能的場所，比如對車門、車窗、后視鏡的控制，使用 線可以大大節(jié)省成本。 線最初被開發(fā)于 1996 年，是由 信（ 80系列開發(fā)的一種基于 協(xié)議即 1997 年 作，幫助他們改進以滿足更多復(fù)雜的需求。 1998 年 12 月，成立了 會。開發(fā) 準(zhǔn)的目的在于研發(fā)出一種適合在低端，對速度和可靠性要求不高、低成本的的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 議經(jīng)歷了幾個版本的發(fā)布與更新，具體如表 示。 表 議的歷史版本 版本發(fā)布時間 本 本正式發(fā)布 本正式發(fā)布 本正式發(fā)布 本正式發(fā)布，主要針對物理層進行了修改，提供了節(jié)點之間的兼容性 本正式發(fā)布，支持配置和診斷的標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)定了節(jié)點性能文件等 本正式發(fā)布，澄清了部分內(nèi)容，修正了配置部分，將傳輸層和診斷部分獨立分開 8 絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖 述了 絡(luò)和 絡(luò)在車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的分布。通常來說，一個典型的車載 信網(wǎng)絡(luò)包含了 機節(jié)點和從機節(jié)點。一個 點即為一個 口。 絡(luò)與圖 的 線相連時需要加入 關(guān)，用來協(xié)調(diào)不同網(wǎng)絡(luò)類型數(shù)據(jù)的交互通信。其網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖 示。 圖 絡(luò)在汽車中的分布 圖 絡(luò)的基本結(jié)構(gòu) 需要注意的是，由于 絡(luò)在汽車中一般以輔助總線的形式存在，經(jīng)常與上層網(wǎng)絡(luò)，如 絡(luò)相連接，因此有時也被稱為 網(wǎng)絡(luò)。此外，在車載網(wǎng)絡(luò)中一個 能會有多個 口，連接到不同的 信子網(wǎng)中。 9 在 絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)中，節(jié)點應(yīng)用層向下層傳輸信號和消息。信號和消息保存于幀中的數(shù)據(jù)段，是節(jié)點發(fā)出的實質(zhì)信息。用信號封裝與信號的攜帶幀（幀 0間）進行區(qū)分，用于在運行狀態(tài)傳遞上層發(fā)出的信息，如溫度傳感器的測量結(jié)果等。消息封裝于診斷幀（幀 圍在 0 0），是有固定的格式，最大長度不能超過 4096 字節(jié)的信息，如服務(wù)請求等。應(yīng)用程序通過信號處理實現(xiàn)信息的傳遞，如圖 示 圖 點的構(gòu)成 與 線類似， 線也是單線總線。由于物理層限制，一個 絡(luò)最能只能包含 16個節(jié)點，一般情況都控制在 12個左右。 2V，傳輸速率為 20Kb/s。顯然，相比于 絡(luò)， 絡(luò)更適合在低速網(wǎng)絡(luò)中使用。 從任務(wù)分配角度上講， 絡(luò)的主機節(jié)點（ 含了主機任務(wù)（ 從機任務(wù)（ 從機節(jié)點（ 包含從機任務(wù)，如圖 示。 10 圖 絡(luò)主 /從節(jié)點的任務(wù)分布 具體來說， 絡(luò)中的主機任務(wù)包含以下內(nèi)容： 1) 調(diào)度總線上幀的傳輸次序； 2) 監(jiān)測數(shù)據(jù)， 處理錯誤； 3) 作為標(biāo)準(zhǔn)時鐘參考； 4) 接收從機點發(fā)出的總線喚醒信息。 根據(jù) 絡(luò)的協(xié)議和主從節(jié)點的任務(wù)分配機制，從機任務(wù)不能夠主動發(fā)送數(shù)據(jù)，需要接受主機 發(fā)送的幀頭，即信息幀的起始部分，進而根據(jù)幀頭所包含的信息判斷以下三中不同的內(nèi)容： 1) 發(fā)送應(yīng)答，即幀中除幀頭外剩余的部分。 2) 接收應(yīng)答； 3) 既不接收應(yīng)答也不發(fā)送應(yīng)答。 絡(luò)的特點 相對于 絡(luò)而言， 絡(luò)雖然在部分性能上不及 絡(luò)，但同樣也具有其自身的特點，具體描述如下： 1) 主從式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)由一個主機節(jié)點和若干個從機節(jié)點構(gòu)成，這在一定程度上保證了數(shù)據(jù)傳遞的可靠性，也保持了一定的向上和向下的兼容性。 2) 較低的軟件成本。 絡(luò)采用了開放式的協(xié)議規(guī)范，可以免費從官網(wǎng)獲得。除此之外， 絡(luò)采用了基于普通 口的低成本硬件實現(xiàn)方案，不需要單獨的硬件模塊支持，大大降低了 絡(luò)的硬件成本。此外， 絡(luò)中的從機節(jié)點無需高精度時鐘就可以完成自同步，總線采用一條單根電纜等，這些措施 都大大的降低了 絡(luò)解決方案的成本。 3) 數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。相對于普通的 絡(luò) ，其數(shù)據(jù)的傳輸更具有確定性，即傳播時間可以提前算出，有效降低了發(fā)生網(wǎng)絡(luò)沖突的概率，一定程度上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，可靠性和實時性，能夠滿足 絡(luò)在車載網(wǎng)絡(luò)中的要求。 4) 可預(yù)測的 能。總線對系統(tǒng)的電磁兼容性（ 較好的預(yù)測能力。為了限制系統(tǒng)的電磁干擾強度（ ,議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸速率為 20Kb/s。 5) 網(wǎng)絡(luò)的管理和診斷。在 絡(luò)中，系統(tǒng)提供了較為完善的信息處理， 網(wǎng) 11 絡(luò)管理配置，信號識別以及網(wǎng)絡(luò)故障診斷等功能，能夠為 線的可靠運行和管理提供較為全面的保障，在提高 絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性方面提供了較為周全的保障。 絡(luò)的通信協(xié)議 在前面的內(nèi)容，已經(jīng)介紹過 絡(luò)中，有且只有一個主節(jié)點和一個或多個從節(jié)點。同時， 線全部節(jié)點都有一個從通信任務(wù)，其主要內(nèi)容是發(fā)送信息和接受信息兩大內(nèi)容，而主節(jié)點除從通信任務(wù)之外還有一個主發(fā)送任務(wù)。 一般來說，一個 線上的通信一般由主發(fā)送任務(wù)發(fā)起。在 絡(luò)中，這種通信規(guī)則交換數(shù)據(jù)時可以使用多種方法：由主節(jié)點到一個或多個從節(jié)點；由一個從節(jié)點到主節(jié)點或者其他從節(jié)點，通訊信號可以不經(jīng)過主節(jié)點直接在在從節(jié)點之間傳遞或者主節(jié)點以廣播的形式向總線發(fā)送信息。由主控制器決定報文幀中的時序。 絡(luò)的幀結(jié)構(gòu) 一般來說，在 絡(luò)中，信息幀的幀頭主要包含了同步間隔段、同步段、以及 保護 ，應(yīng)答包含數(shù)據(jù)段和校驗和段，示。 圖 絡(luò)中信息幀的幀頭 在 線上“ 0”代表顯性電平（ 而“ 1”代表隱性電平 (所有的節(jié)點都發(fā)送隱性電平時，總線才表現(xiàn)隱性電平?？梢?，顯性電平起主導(dǎo)作用。 1. 同步間隔段（ 在 絡(luò)中同步間隔（ 同步間隔段間隔符 (同組成了同步間隔段。同步間隔段可以標(biāo)志一個幀的開始。同步間隔段間隔符至少保持1 位的隱性電平狀態(tài)。 2. 同步段（ 在介紹同步段之前，首先需要補充介紹一下字節(jié)域（ 在 絡(luò) 12 中，字節(jié)域主要包括 1 位起止位（ 性）、 8 位數(shù)據(jù)位和 1 位停止位（ 性）。通常來說，這種數(shù)據(jù)格式是一種標(biāo)準(zhǔn)的 據(jù)傳輸格式。 在 一幀當(dāng)中，除了同步間隔段，后面的信息都是以字節(jié)域的格式進行傳輸?shù)?。為了實現(xiàn)不同節(jié)點之間的數(shù)據(jù)信息同步， 絡(luò)采用下降沿位判斷標(biāo)志的方式進行數(shù)據(jù)同步，即采用字節(jié) 0方式進行數(shù)據(jù)同步處理，具體同步段的的字節(jié)域如圖 示。 圖 絡(luò)中的數(shù)據(jù)同步 通常情況下， 線可以采用片上振蕩器等精度和成本相對較低的時鐘。所以需要通過同步段進行調(diào)整與主機節(jié)點時鐘之間的偏差，這也是 絡(luò)中采用數(shù)據(jù)同步機制的目的。 3. 受保護的 （ 在 絡(luò)中，一般將受保護 的前 6 位稱為幀 D），與兩個奇偶檢驗位一起組成受保護的 。根據(jù) 絡(luò)的協(xié)議規(guī)范，幀 數(shù)值應(yīng)該在 00區(qū)間之間，共 64 個。幀 作用主要是標(biāo)識 絡(luò)中信息幀的類別和目的地。在 絡(luò)數(shù)據(jù)通信過程中，從機任務(wù)是對幀頭做出反應(yīng)，包括接收、應(yīng)答、忽略等等，都是依據(jù)幀 進行判斷的。如果幀 到傳輸錯誤，信號就無法被正確的傳送到達目的地。因此，引入了奇偶校驗位以對數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性進行檢測。 4. 數(shù)據(jù)段（ 在 絡(luò)的數(shù)據(jù)通信過程中，節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)位于幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)段，主要包含 1 到 8 字節(jié)。從發(fā)送的順序角度來看，節(jié)點會選擇優(yōu)先級編號最低的字節(jié) 13 然后在以編號依次增加的順序繼續(xù)發(fā)送其他數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段主要包含兩種數(shù)據(jù)類型，信號數(shù)據(jù)（ 診斷消息（ 號數(shù)據(jù)由信號攜帶幀傳遞，一個幀 應(yīng)的數(shù)據(jù)段可能包含一個或多個信號。一般來說 線上的數(shù)據(jù)是以廣播形式被發(fā)送到總線上的，任何節(jié)點均能接收，但并非所有信號對每個節(jié)點都有用，非目標(biāo)節(jié)點會忽略當(dāng)前幀的應(yīng)答部分。 5. 校驗和段（ 絡(luò)中，校驗和段對信息幀中所傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容進行校驗。對于具體的數(shù)據(jù)校驗和而言，校驗和又可以進一步分為標(biāo)準(zhǔn)型校驗和（ 增強型校驗和（ 具體如圖 示。 圖 絡(luò)中的校驗和類型 在 絡(luò)中，系統(tǒng)具體采用了什么類型的校驗和主要由主機節(jié)點管理和決定，而發(fā)布節(jié)點和其他各個節(jié)點則會根據(jù)相應(yīng)的幀 判斷采用哪種校驗和方式。 14 議的實際應(yīng)用 絡(luò)一般主要用于一些時效性要求較低的網(wǎng)絡(luò)，典型應(yīng)用就是用于車身的電子控制系統(tǒng)，控制對象主要是一些 低速電機、電磁閥、開關(guān)等器件。用 線可以有效的增加總線長度，大大降低成本，提高抗干擾能力。具體如汽車的空調(diào)控制系統(tǒng)、車門控制系統(tǒng)、座椅控制系統(tǒng)、車頂控制系統(tǒng)等。 15 3 基于 線的車門控制系統(tǒng)整體設(shè)計 車門是汽車上使用頻率最高的部件之一，現(xiàn)代汽車的車門一般都會裝有負(fù)責(zé)門鎖和插銷的中央門鎖控制器、用于電動車窗升降的電動玻璃升降控制器、調(diào)整后視鏡角度和加熱后視鏡的后視鏡控制器，還有一些狀態(tài)指示燈。車門的功能在不斷增多，單對于信息傳輸?shù)臅r效性并沒有太高要求， 絡(luò)滿足其需要的要求并能有效的降低成本。還能避免傳統(tǒng)的點對點通信可能造成的短路現(xiàn)象。 絡(luò)還能實現(xiàn)一些擴展的功能，如車窗的防夾功能、智能防盜功能等等，這對解決傳統(tǒng)系統(tǒng)功能擴展的難題有很大的意義。 體設(shè)計 基于 線的車門控制系統(tǒng)是一個 復(fù)雜的分層系統(tǒng)，其包括著 絡(luò)的基礎(chǔ)構(gòu)建（主從節(jié)點的基礎(chǔ)設(shè)計）與上層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信（ 關(guān)）。本文主要設(shè)計 絡(luò)的構(gòu)建，對 關(guān)只作簡單說明。針對 型我們選擇了一個主節(jié)點和三個從節(jié)點的的設(shè)計方法，如圖 示 。 圖 體方案設(shè)計圖 我們將駕駛員一側(cè)的車門設(shè)置為 絡(luò)的主節(jié)點，右前車門和兩個后車門為絡(luò)的從節(jié)點。安全級別從高到低為：左前車門高于右前車門，后排車門最低。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 示。 16 7 各 車門的控制模塊的具體功能如下： 左前車門：作為基于 線的車門控制系統(tǒng)的主節(jié)點。首先需要接受中央組合開關(guān)發(fā)出的控制命令，判斷是否針對本車門，如果針對執(zhí)行信號。如果是針對其他車門發(fā)出的信號，則通過 線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?yīng)的從節(jié)點，并接受總線上傳回的各節(jié)點的狀態(tài)信號包括故障信息等等。并對左前車門的，車窗、門鎖、后視鏡、狀態(tài)指示燈等負(fù)載進行直接控制。保持與上位機的通信。 右前車門：接收主節(jié)點發(fā)出的命令，對右前車門的車窗、車鎖、后視鏡、指示燈等負(fù)載進行直接控制，并向主節(jié)點傳輸狀態(tài)信息。 兩后車門：接受主節(jié)點發(fā) 出的命令，對后車門的車窗、車鎖、只是能等負(fù)載進行直接控制，并向主節(jié)點傳輸狀態(tài)信息。 圖 門控制系統(tǒng)各個節(jié)點具體功能示意圖 片的選型及功能介紹 根據(jù)控制系統(tǒng)的具體需要和控制成本的考慮，我們進行了芯片選型。采用了 列的 8 位單片機和 驅(qū)動芯片。下面我們分別來介紹一下各個芯片的功能。 18 司專門為汽車電子研發(fā)的具有強大功能的 8位微處理器。 它采用高性能 構(gòu) ,部總線統(tǒng)一 頻 率 ,60 存 ,1 部 鐘模塊 (串行通信模塊 (一個串行外圍接口模塊 (15 A/D 轉(zhuǎn)換器 ,三個計時模塊 (塊 ),系統(tǒng)保護功能 (微控制器工作正常復(fù)位 ,低電壓檢測復(fù)位 ,非法指令檢測復(fù)位 ,非法地址復(fù)位 ),等待 /停止低功率模式 ,上電復(fù)位 和外部復(fù)位銷 ,五個鍵盤中斷模式 ,制器模塊 10。所有單片機 列包括以下功能 :升級編程模式 ,16 位尋址模式 ,16 個索引寄存器和堆棧指針 ,內(nèi)存到 內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸 ,快速 8 乘 8 指令 ,快速 16 除以 8 指令 ,令 ,控制器應(yīng)用程序代碼的優(yōu)化 ,支持 C 語言 ,使用 式的封裝11。該芯片具有強大的功能 通常用于 絡(luò)或 絡(luò)的 主節(jié)點 中 。 2 右前門并不作為 絡(luò)的主節(jié)點所以不需要集成 制器，所以我們選用了這款較為低端的單片機。它的主要特性是： 高性能 構(gòu) ,與命令代碼完全兼容 ;5v 工作電壓 ;8內(nèi)部總線頻率 ;可以通過態(tài)自動喚醒 ; 1000 字節(jié)的 片內(nèi) 通道 16 位定時器 (10 位 8 通道數(shù)模 轉(zhuǎn)換器 (系統(tǒng)保護功能 (控制器 工作 正常復(fù)位 ,低電壓 檢測 復(fù)位 ,非法指令檢測復(fù)位 ,非法地址 檢測 復(fù)位 ),等待 /停止低功率模式 ;具有 32 針和 48 針兩種封裝格式 。 司的 片是專用于 單線物理接口器件，通信速率范圍為 1 20Kb/s，有正常和睡眠兩種工作模式， 擁有 總線喚醒、 令喚醒和接口外部高壓開關(guān)輸入喚醒三種喚醒方式。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框 圖及各引腳功能如圖 示 13。 19 圖 部結(jié)構(gòu)框圖及各引腳功能 4 15 16 這三款均為 司生產(chǎn)的驅(qū)動芯片。其中 款為多負(fù)載芯片。在本系統(tǒng)中，主要將其使用在車鎖、后視鏡轉(zhuǎn)動、加熱、指示燈。由于驅(qū)動玻璃的電機所需電流較大，所以單獨選用 款芯片專門用于驅(qū)動玻璃電機。這三款芯片都具有過流保護、過壓保護、欠壓保護和過溫保護功能。 7 線物理接口芯片。本系統(tǒng)只是提供一個 線接口，并不設(shè)計 據(jù)轉(zhuǎn)換。所以此芯片不再贅述。 20 4 基于 線的車門控制系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn) 由設(shè)計要求可知，在整個 線系統(tǒng)中，汽車左前門控制模塊的功能是最多的，任務(wù)最重。而其他三個車門的功能是左前門控制功能的一部分。所以，下面的零件設(shè)計和軟件設(shè)計主要以駕駛員側(cè)車門控制系統(tǒng)為例重點介紹，其他三個車門系統(tǒng)只有在有區(qū)別的部分作簡單介紹。 節(jié)點硬件設(shè)計 本 系 統(tǒng) 主 節(jié) 點 即 左 前 門 控 制 模 塊 的 硬 件 包 含 七 部 分 ： 、 線接口 ( 線接口（本文主要針對 絡(luò)主題，網(wǎng)關(guān)不做研究）、上位機通信串口模塊、電源管理器模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換控制模塊和負(fù)載驅(qū)動輸出模塊。如圖 示。 圖 絡(luò)主節(jié)點硬件設(shè)計 塊 選擇是整個系統(tǒng)中最重要的部分，在 定確定的前提下我們才對其余的硬件設(shè)備進行設(shè)計。有上節(jié)分析可知，我們用左前車門控制模塊作為 擔(dān)負(fù) 線上指令的收發(fā)，其次要控制自身車門的車鎖、車窗、后視鏡及相關(guān)的指示燈狀態(tài)，還需和上位機進行通信，需提供 線接口。我 21 們可以有兩種實現(xiàn)方式： 1) 選擇一般的 線控制器外部添加； 2) 選擇內(nèi)部集成 制器的芯片。 在本設(shè)計的中我們選用了 司的 片，它內(nèi)部集成了 線控制器和 行通信模塊。一方面減少了電路板上的電子元件數(shù)量，減少了線束連接，提高了系統(tǒng)的可靠性。該 原理圖如圖 示。大圖詳見附錄 3。 圖 節(jié)點的中央控制器單元的原理圖 需提供對各種故障信息進行檢測的能力，包括系統(tǒng)節(jié)點斷路及各個車窗、車鎖、后視鏡產(chǎn)生的局部故障、發(fā)生故障時向上位機發(fā)送故障信息并顯示報警，并將故障信息儲存在 ，以供后續(xù)維修提供直接可靠的數(shù)據(jù)。 主節(jié)點的 元的原理圖 如圖 示，包括時鐘電路、電源濾波電路、復(fù)位電路、與仿真器相連的 試電路、上位機連接電路等等。 2 具有的特性，十分適合做 節(jié)點的中央控制器。 源管理模塊 電源管理模塊包括電壓轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路，目的是對輸入的 12V 電壓進行轉(zhuǎn)換，為其他模塊電路提供 5V 的工作電壓。本設(shè)計我們選用了 源轉(zhuǎn)換芯片，具有電流保護和反向電壓保護功能，詳細電路圖如下： 圖 源管理模塊 線接口 線接口，負(fù)責(zé) 線的連接。 發(fā)器我們選用了 是一個面向物理層的 議接口器件。 線接口部分電路如圖 與 連控制該收發(fā)器的狀態(tài)， 應(yīng)引腳負(fù)責(zé)與 線進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受。 號控制電源的輸出，在 線睡眠的時候可以切斷電源，喚醒后接通電源。 23 圖 線接口 合開關(guān)輸入模塊 我們的設(shè)計完全是為 門控制系統(tǒng)開發(fā) ，所以組合開關(guān)也是使用的 型的原配組合開關(guān)，它的每個開關(guān)都有兩種以上的狀態(tài)，每個狀態(tài)輸出的電阻信號不同，通過搭建外圍電路，將電阻信號以電壓信號的形式反應(yīng)出來，再連接至 口，便可識別每個開關(guān)的狀態(tài)位置。電路圖由圖 示。大圖詳見附錄 1。 圖 合開關(guān)輸入模塊 動模塊 24 驅(qū)動部分我們選擇了 智能驅(qū)動芯片，使系統(tǒng)的控制動作準(zhǔn)確，同時具有智能的故障反饋功能，并具有優(yōu)良的抗電磁干擾功能。主節(jié)點采用了 具有的電流反饋功能可以通過將電流反饋端通過一電阻和 口相連，便可間接判斷該芯片輸出的電流大小，以此判斷車窗的極限位置，也為根據(jù)電流大小實現(xiàn)防夾功能提供了硬件條件。其他所有負(fù)載都使用 片驅(qū)動，它還具備 號輸出功能，在我們的設(shè)計中主要用于前排座位前燈自動開 /關(guān)延緩處理，也可用于實現(xiàn)電機啟動時的保護。電路圖如圖 圖詳見附錄 2。 圖 動模塊 口模塊 為了模擬 塊的中央集控功能，我們將主節(jié)點和上位機連接，提供上位機控制和主節(jié)點控制兩種模式，當(dāng)處于上位機控制模式時，主節(jié)點控制模式失效。這里需要注意：因為 片只有一個 塊，而且已經(jīng)被 以我們需要用普通的 I/0 口進行模擬。電路設(shè)計如圖 示。 25 圖 口模塊 節(jié)點硬件設(shè)計 本系統(tǒng)存在三個從節(jié)點，右前車門控制模塊除多一個驅(qū)動右前后視鏡的電機外，均與兩后車門相同。從節(jié)點由 5 部分組成： 、線接口 (電源管理芯片（ 組合開關(guān)模塊和負(fù)載驅(qū)動模塊。從節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖所 示。 圖 絡(luò)從節(jié)點硬件結(jié)構(gòu) 從節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)相對于主節(jié)點來說簡單了很多，其中組合開關(guān)部分只是對車門車窗上升和下降的控制。 分原理圖如圖 示。大圖詳見附錄 4。 26 圖 節(jié)點的中央控制器單元原理圖 號具體的實現(xiàn)流程 下面我們用駕駛員控制右后車門車窗來演示本系統(tǒng)是如何實現(xiàn)該功能的。 首先，操縱駕駛員側(cè)車門的控制右后車門車窗的組合開關(guān)， 電阻大小發(fā)生改變，通過外圍電路以電壓信號的形式傳到 節(jié)點 口上，中央控制器識別出組合開關(guān)的狀態(tài)后通過 口將信號傳給 發(fā)器， 發(fā)器的 口收到 遞的信號后通過 線以廣播的形式發(fā)送信息。此時，右后車門從節(jié)點上的 發(fā)器收到主節(jié)點發(fā)出的命令后通過 遞給從節(jié)點 過 到了主節(jié)點發(fā)出的控制命令，隨即通過 口向控制車窗升降的驅(qū)動芯片發(fā)出命令。驅(qū)動芯片的 收到總線的控制命令后隨即對車窗的升降進行控制。 以上我們介紹了 絡(luò)的整體架構(gòu)和硬件設(shè)計，接下來我們將會簡單介紹一下主從結(jié)構(gòu)的基本軟件結(jié)構(gòu)，和如何用軟件實現(xiàn)功能。 從節(jié)點程序流程 絡(luò)中主節(jié)點和從節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一致的，都是由 動（ 應(yīng)用程序接口（ 應(yīng)用軟件(部分組成，如圖 示。 27 圖 絡(luò)節(jié)點軟件結(jié)構(gòu) 在主節(jié)點軟件的主循環(huán)中，首先進行初始化，接著進入一個死循環(huán)。在這一死循環(huán)中， 不停的掃描連接組合開關(guān)的 A/D 轉(zhuǎn)換接口，判斷是否有控制信號輸入，一旦有信號輸入，就會對信號進行判斷，接著發(fā)出相應(yīng)的指令信息，軟件流程圖如圖 示。 28 圖 節(jié)點程序流程圖 從節(jié)點一直處于等待狀態(tài)，等待 線上傳來的控制指令。每個信息所包含的 識符定義了信息的發(fā)送目標(biāo)，目標(biāo)節(jié)點會自動識別并接受信息，解讀繼而執(zhí)行命令。這里有一點需要注意，每個從節(jié)點也有一套組 合開關(guān)控制各自車門車窗的升降，但是它的優(yōu)先級較總線命令低，所以當(dāng)總線命令沒有對該節(jié)點車窗進行控制時，從節(jié)點才會對自己的組合開關(guān)進行掃描。從節(jié)點流程圖如圖 示。 29 圖 節(jié)點的程序流程圖 30 5 總結(jié)與展望 結(jié) 本文研究的目的是基于 線為 型設(shè)計出一款車門控制系統(tǒng)。我們選用了 為 節(jié)點的 為 節(jié)點的 上其他模塊（如電源管理模塊、組合開關(guān)模塊、驅(qū)動模塊等），共同建立起基于 線的車門控制系統(tǒng)。具體工作如下： 1. 本文開始通過對車載網(wǎng)絡(luò)和總線技術(shù)的大量梳理，分析每種車載網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點，因為車門控制系統(tǒng)不需要精確控制。低速、低成本的 絡(luò)十分適合搭建車門控制系統(tǒng)。 2. 根據(jù) 型的實際情況和成本的考慮，我們確立了主從節(jié)點的芯片選擇和其他輔助芯片。并介紹了各個芯片的主要功能。 3. 利用選用的芯片搭建起基于 線的車門控制系統(tǒng)，闡述了各個芯片在整個車門控制系統(tǒng)的功用。最后單獨用后車 門車窗這一組信號來具體說明本系統(tǒng)是如何實現(xiàn)具體功能的。 4. 根據(jù)設(shè)計出的車門控制系統(tǒng)建立了軟件的基本結(jié)構(gòu)并設(shè)計出了主從節(jié)點軟件的程序框圖。 望 本網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的是簡單的 型的車門控制系統(tǒng)，基本滿足了設(shè)計要求。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，車門上設(shè)置的開關(guān)也越來越多，包括空調(diào)、影音、座椅等設(shè)備的控制功能都會集成到車門上來。那么本系統(tǒng)的設(shè)計就不能滿足這么多的需求了，還需后續(xù)的解決方案。此外，國內(nèi)電子元件的生產(chǎn)水平不斷提高，未來汽車的電子元件將會全部實現(xiàn)國產(chǎn)化。設(shè)計水平也會逐步趨于世界前列。 31 參 考 文 獻 1 李建 汽車運用， 2006 . 9： 182 盧東昕，馬振華 現(xiàn)