大眾汽車車載CAN總線系統(tǒng)設(shè)計開題報告

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開 題 報 告文 獻 綜 述1 課題研究背景隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車上的電子裝置越來越多。較高檔的汽車中，電子系統(tǒng)的成本已經(jīng)超過總成本的 20%[1]，并且增長很快。汽車上新的技術(shù)增長點幾乎無一不與電子技術(shù)和信息技術(shù)相關(guān)。車上的電子裝置不斷增加，使得連接這些裝置的電子線路迅速膨脹，線束也越來越復雜，布線就越來越困難，在汽車設(shè)計，裝配，維修中的負擔甚至到了無法忍受的程度；而且線路以及接頭的增加是引起安全問題的巨大隱患。另外，線的質(zhì)量和占用的空間也都成為值得考慮的問題。質(zhì)量的增加意味著降低汽車的效率；線路直徑太大，在相當運動部分過線非常的困難，如車窗的線束等。因此，在電子裝置不斷增加的情況下，減少線束成為一個必須要解決的問題。使用傳統(tǒng)的點對點并行連接方法，既然無法擺脫這種困境，基于串行信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為一種必然的選擇2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀CAN 總線在國外已經(jīng)被廣泛的研究和接收，在國內(nèi)也有一些的研究，主要集中在汽車行業(yè)和高等院校。1995 年，北京航空航天大學的教授鄔寬明指導他的研究生完成了一個 CAN 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[2]，用于食堂刷卡機的連網(wǎng)，并且投入使用后獲得了好評。在這之前類似的系統(tǒng)都是使用 RS232 進行通信的，其穩(wěn)定性，傳輸速度和傳送距離都不及 CAN 總線。2000 年，浙江大學的葛林等三人寫了一篇論文，關(guān)于 CAN 總線在汽車中的應用研究。研究了 CAN 總線的速度 [3]，抗干擾和通用性等問題。最后得出結(jié)論：CAN 總線能夠滿足汽車的需要。2001 年，吉林大學的程芳提出了一個車上控制系統(tǒng) CAN 總線通信的實現(xiàn)方法 [4]。采用 SAEJ1939 通信協(xié)議在載貨車上實現(xiàn)了 CAN 通信，設(shè)計了 ABS 控制器和變速器控制器的各個數(shù)據(jù)的高層通信協(xié)議。2002 年，江蘇大學的劉惠等設(shè)計了一個基于 CAN 總線的客車后置發(fā)動機數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng) [5]。該系統(tǒng)是汽車局域網(wǎng) CAN 總線在現(xiàn)代客車上的具體應用，采用 89C52 單片機+SJA1000CAN 控制節(jié)點為核心設(shè)計了基于 CAN 總線的客車后置發(fā)動機數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)利用單片機通過傳感器對于發(fā)動機的冷卻水溫、機油壓力、轉(zhuǎn)速、車速等信號進行采集，再用 CAN 總線傳輸所有信號，簡化了汽車線束。文中還給出了數(shù)據(jù)采集通訊軟件。同一年，中國人民解放軍軍事交通學院的趙慧敏，朱先民，王明國，趙芳庚，姜丁，吳曉等，提出了一種評價 CAN 總線系統(tǒng) EMC 的一種新方法 [6]。介紹了評價汽車控制器局域網(wǎng)絡(luò)的 CAN 總線系統(tǒng)電磁兼容性 EMC 的基本標準，給出了單線 CAN 容錯 CAN 和高速 CAN 等不同 CAN 總線系統(tǒng)的測試裝置、評價標準及評價方法。同一年，Pisa 大學的 F.Baronti，D.Lunardini，R.Roncella and R.Saletti 等，謝了一篇關(guān)于 CAN 總線在摩托車上應用的文章：Low-Cost CAN-Based Communication system for High-End Motor-Scooter[7]。研究了廉價的 CAN 總線在摩托車上使用的可能性。3 研究的目的和意義 盡管 CAN 協(xié)議已經(jīng)有 27 年的歷史，但它仍處在改進之中?，F(xiàn)在，CAN 在全球市場仍然處于起始點，當?shù)玫街匾晻r誰也無法預料 CAN 總線系統(tǒng)在下一個 10-15 年內(nèi)的發(fā)展趨勢。這里需要強調(diào)一個現(xiàn)實，近幾年美國和遠東的汽車廠商將會在他們所生產(chǎn)汽車的串行部件上使用 CAN。另外大量潛在的新應用，例如娛樂，正在呈現(xiàn)。CAN 不僅可用于客車，也可用于家庭消費。同時，結(jié)合高層協(xié)議應用的特殊保安系統(tǒng)對 CAN 的需求也正在穩(wěn)健增長。德國專業(yè)委員會 BIA 和 德國安全標準權(quán)威 TUV 已經(jīng)對一些基于 CAN的保安系統(tǒng)進行了認證，CANopen-Safety [8]是第一個獲得 BIA 許可的 CAN 解決方案。DeviceNet-Safety 也會馬上跟進，全球分級協(xié)會的領(lǐng)導者之一 Germanischer Lloyd 正在準備提議將 CANopen 固件應用于海事運輸 [9]。4 本課題研究的內(nèi)容1 在廣泛收集國內(nèi)外相關(guān)文獻資料的急促上，對 CAN 總線技術(shù)在國內(nèi)外的研究應用狀況、CAN 總線的相關(guān)理論與技術(shù)要點予以概括和與分析。2 以大眾系列典型的車載 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為代表，研究分析車載 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及功能特點，并對車載 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)應用方案予以設(shè)計總結(jié)。3 利用單片機和 CAN 控制器 SJA1000、收發(fā)器 PCA82C250 等元器件，設(shè)計開發(fā)車載CAN 總線測控節(jié)點并與原車身舒適系統(tǒng) CAN 總線網(wǎng)絡(luò)匹配，完善和改進原車身舒適系統(tǒng)的 CAN 總線控制功能及其存在的不足。5 CAN 系統(tǒng)的組建方法5.1 CAN 節(jié)點的組成CAN 節(jié)點主要由 CAN 控制器 【10】 ，CAN 驅(qū)動器，單片機（或其它智能裝置）組成。在使用 CAN 總線時，首先就要考慮使用什么樣的 CAN 控制器。CAN 控制器有集成的和獨立的兩種形式，集成的 CAN 控制器成本低，速度快，可靠性高；獨立的 CAN 控制器兼容性好，軟件可以實用于其它系統(tǒng)，適應性強 【10】 。如：Bosch 公司就廣泛使用集成的CAN 控制器。5.2 常見的 CAN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的特性有很大的影響，CAN 網(wǎng)絡(luò)一般使用總線結(jié)構(gòu)，所以 CAN 網(wǎng)絡(luò)又稱作 CAN 總線，CAN 總線又有多種連接方法。CAN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇的原則是：在同樣的硬件參數(shù)下，盡量提高網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容性。另外，為實現(xiàn)一些特定的要求，有時需要采用一些特殊結(jié)構(gòu)，如無線連接，多終端的呈形結(jié)構(gòu)等 【1】 。6 車上 CAN 協(xié)議的發(fā)展現(xiàn)狀6.1CAN 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)協(xié)議當提到“CAN 標準”或“CAN 協(xié)議”時，我們需要理解 ISO11898 標準中的功能性【11】 。這個標準包括由 ISO 參考模型的物理層（第一層）和數(shù)據(jù)連接庫（第二層） ，沒有規(guī)定應用層?，F(xiàn)在，數(shù)據(jù)鏈路層有兩種形式現(xiàn)在都被廣泛使用，一種具有 11 位 ID標識符的 BasicCAN，另一種是帶有擴展成 29 位 ID 標識符的高級形式 PeliCAN，各使用者根據(jù)不同的要求有不同的選擇。汽車上一般使用 BasicCAN，也有使用 PeloCAN 的。6.2CAN 網(wǎng)絡(luò)高層協(xié)議（應用層）由于 CAN 也在非汽車自動化中被廣泛使用，幾乎同時產(chǎn)生了幾個較高層協(xié)議和并放式系統(tǒng)方法。今天，DeviceNet 【12】 ，CANopen 【8】 和 SDS【12】 這三種基于 CAN 的開放式系統(tǒng)已經(jīng)成熟其標準已經(jīng)形成。這三個標準給人留下一個印象，那就是它們具有相同的功能性，雖然這三個標準采用的方法不盡相同，最明顯的不同是信息標示符的使用也自由但相對于有些限制?，F(xiàn)在，汽車上使用 DeviceNet 較多。參考文獻：[1]秦貴和.車上網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社，2003[2]鄔寬明.CAN 總線原理與應用系統(tǒng)設(shè)計.北京，北京航空航天大學出版社，1996[3]葛林.CAN 通信網(wǎng)絡(luò)在汽車中的應用研究.汽車技術(shù)，2000[4]程芳.車輛控制系統(tǒng) CAN 總線通信的實施方法.汽車工程，2001.5[5]劉惠.基于 CAM 總線的客車后置發(fā)動機數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)，車輛與動力技術(shù)，2002[6]趙慧敏，朱先民，王明國，趙芳庚，姜丁，吳曉等，評價 CAN 總線系統(tǒng) EMC 的一種新方法. 汽車電器，2001，第 7 期[7]F.Baronti,etc. Low-cost CAN-Based communication System for High-End Motor-Scooter.SAE Paper 2002-01-2154[8]周立功.CANstarter-I 開發(fā)套件應用指南 V1.1,2003[9]Bosch,CAN specification,Version 2.0,1991,Robert Bosch GmbH[10]PHILIPS.SJA1000 stand-alone CAN controller product specification,2000[11]ISO-IS 11898 , Road vehicles – Interchange of digital information – Controller Area Network(CAN) for high speed communication,1993[12]CiaDS 201-207，CAN Application Layer for Industrisl Applications,1996[13]黃維通.Visual C++面對對象與可視化程序設(shè)計.清華大學出版社,2003[14]廣州周立功單片機發(fā)展有限公司。STA1000 獨立的 CAN 控制器，2003[15]王練.CAN 在大眾汽車上的應用.上海大眾，2000 開 題 報 告２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：1. 本課題要解決的問題：本汽車 CAN 總線系統(tǒng)由三個節(jié)點（至少三個節(jié)點才能說明通信網(wǎng)絡(luò)的正確性）組成，并通過控制器局域網(wǎng)（CAN-bus）連接起來，形成一個基于 CAN 總線的通訊網(wǎng)絡(luò)。第一個 CAN 節(jié)點（node-1）是由計算機構(gòu)成的控制平臺，通過 CAN 總線設(shè)定電機的運行參數(shù)，并實現(xiàn)顯示反饋的電機運行情況。首先制作一塊 CAN 到 LPT 到轉(zhuǎn)接卡，實現(xiàn) CAN 總線接入計算機，然后編寫總線驅(qū)動程序和低層 的接口函數(shù)庫，最后完成控制平臺的應用程序。第二個 CAN 節(jié)點（node-2）和第三個節(jié)點（node-3）分別由 89C51 系列的單片機構(gòu)成，保持與 node-1 的通信，根據(jù) node-1 的要求實時監(jiān)控一個直流電機，并反饋電機的運行情況。單片機通過 CAN 控制器和 CAN 的驅(qū)動器接入 CAN 總線，要為 CAN 控制器編寫正確的初始化程序。對小型直流電動機的速度控制采用 PWM 調(diào)速，控制平臺接收操作人員給出的 PWM 的占空比，然后把含有占空比的控制信息發(fā)送給指定的節(jié)點。節(jié)點 MCU 接收到控制信息后，首先分析該控制信息的性質(zhì)，然后根據(jù)控制信息做出相應的操作。當接收到含有占空比的控制信息，MCU 就改變輸出的 PWM 信號的占空比，該 PWM 信號經(jīng)放大后用來驅(qū)動電機，達到調(diào)速的目的。速度的測量使用霍爾效應傳感器?；魻栃獋鞲衅鞲袘碾姍C的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)放大后送 MCU 計數(shù)，MCU 計數(shù)一秒得到電機的轉(zhuǎn)速，MCU 把數(shù)據(jù)打包上傳到 CAN 總線。Node-1 從總線上接收到的數(shù)據(jù)，控制平臺實時顯示。 2.通過本課題要完成的目的：1 綜合運用 CAN 總協(xié)議。2 提高自己分析與解決問題的能力，初步形成科學研究的能力。3 研究分析車載 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及功能的特點。4 對車載 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)應用方案予以總結(jié)。5 利用單片機和 CAN 控制器元器件，設(shè)計和開發(fā) CAN 總線測控節(jié)，并于原車舒適系統(tǒng)的 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)匹配。6 完善和改進原車身舒適系統(tǒng)的 CAN 總線控制功能及其存在的不足。7 提升原車身舒適系統(tǒng)的安全與舒適性。 開 題 報 告指導教師意見：指導教師： 年 月 日所在系審查意見：系主任： 年 月 日