PALMNET通信協(xié)議及高級(jí)PALMNET通信協(xié)議.doc

can-bus汽車多路信息傳輸系統(tǒng)及其檢修技術(shù)李東江palmnet通信協(xié)議及高級(jí)palmnet通信協(xié)議1. palmnet協(xié)議及其特點(diǎn) palmnet協(xié)議(protocal for automotive low and medium speed net work的縮寫)是馬自達(dá)汽車公司與古川電子公司1988年聯(lián)合開發(fā)的汽車中、低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是一種分布控制類型的車內(nèi)局域網(wǎng)系統(tǒng)。 采用palmnet協(xié)議的汽車局域網(wǎng)(lan)系統(tǒng)，成功地用在1990年型的馬自達(dá)宇宙車型上。該通信協(xié)議最顯著的特點(diǎn)是可靠性高，主要原因是它具有較多(24ack)的確認(rèn)比特?cái)?shù)的固定字段，該字段允許任一廣播節(jié)點(diǎn)從各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)接收ack信號(hào)。確認(rèn)比特?cái)?shù)較多雖然降低了一些數(shù)據(jù)傳送速率，但保證了中、低速網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和實(shí)用性，為廣泛地將低成本、高可靠性的車內(nèi)局域網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用到普通等級(jí)的汽車上，奠定了良好的基礎(chǔ)。2高級(jí)palmnet協(xié)議及其與palmnet協(xié)議的異同 高級(jí)palmnet是一種具有csma/cd+nda(碰撞檢測(cè)功能的載波感知多路存取和非破壞性仲裁優(yōu)先級(jí)控制)的分布式控制車內(nèi)局域網(wǎng)(lan)。按照iso對(duì)傳輸速率的定義，該協(xié)議覆蓋的中、低傳輸速率可達(dá)到l25kbps，高傳輸速率可達(dá)到lmbps。高級(jí)palmnet協(xié)議繼承和擴(kuò)展了palmnet協(xié)議的技術(shù)特性，并在后者的基礎(chǔ)上提高了傳輸速率，在經(jīng)濟(jì)性、可靠性和使用方便性等方面都有較多改進(jìn)。 高級(jí)palmnet與palmnet協(xié)議的異同點(diǎn)見表1。表1 高級(jí)palmnet協(xié)議與palmnet協(xié)議的異同點(diǎn)osi層項(xiàng)目高級(jí)palmnet協(xié)議palmnet協(xié)議中-低傳輸速率高傳輸速率數(shù)據(jù)鏈路層存取方法具有i/o幀的csma/cd具有sdg幀的csma/cdcsma/cd優(yōu)先級(jí)控制非破壞性仲裁同左同左尋址廣播同左同左 確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)控制確認(rèn)（anc）法+ack確認(rèn)比特16個(gè)節(jié)點(diǎn)2組網(wǎng)絡(luò)控制確認(rèn)（anc）法16個(gè)crc網(wǎng)絡(luò)控制確認(rèn)（anc）法24個(gè)節(jié)點(diǎn)差錯(cuò)檢測(cè)8位crc（循環(huán)冗余較驗(yàn)）16位crc8位crc數(shù)據(jù)長(zhǎng)度4字節(jié)4或8 bit（可選擇）4節(jié)字物理層同步起止同步位塞入+起止具有pwm的自同步編碼nrz（不歸零）nrz（不歸零）pwm（脈寬調(diào)制）位速率可達(dá)125 kbps可達(dá)1 mbps20 kbps總線接口直流耦合型對(duì)所有故障模式均能容錯(cuò)直流耦合型除+b短路模式需屏蔽導(dǎo)線外，對(duì)所有故障模式均能容錯(cuò)交流耦合型除總線中斷和總線方式短路外，對(duì)各種故障模式容錯(cuò)媒體雙扭線帶屏蔽的雙扭線雙扭線3高級(jí)palmnet協(xié)議的傳輸速率 對(duì)于汽車局域網(wǎng)lan，為了包含從車身控制系統(tǒng)到底盤控制系統(tǒng)的所有信號(hào)，必須將原90型的palmnet 20kbps的傳輸速率向上增加，才能滿足使用要求?？紤]到傳輸延遲，對(duì)于非破壞性仲裁優(yōu)先級(jí)控制和csma/cd，其總線傳輸速率通過(guò)20m長(zhǎng)度的上限約為lmbps。如果采用pwm編碼方法，真正的信息傳輸速率的上限約為330kbps，為lmbps的l/3左右。從應(yīng)用的觀點(diǎn)出發(fā)，處理車身到底盤控制系統(tǒng)的所有信號(hào)，需要執(zhí)行約lmbps的速率，因此，應(yīng)變更編碼方法，即將原來(lái)的pwm更改為nrz編碼，調(diào)整速率至lmbps。雙扭線在palmnet中用作通信媒體，必須有抗干擾措施，也就是說(shuō)，在傳輸速率增加時(shí)應(yīng)對(duì)雙扭線作屏蔽。 對(duì)于車身控制系統(tǒng)，100kbps左右的中-低速率已足夠，而對(duì)于底盤控制系統(tǒng)則需要較高的約幾百kbps速率。根據(jù)iso的定義，達(dá)到125kbps的傳輸速率定義為中-低速率，達(dá)到1mbps的定義為高速率。4高級(jí)palmnet協(xié)議的幀格式 高級(jí)palmnet有高速傳輸速率的幀格式和中-低速傳輸速率的幀格式，見表2。表2 高級(jí)palmnet協(xié)議的幀格式幀格式高速傳輸速率中-低速傳輸速率sof幀起始8 bit8 bitpri幀優(yōu)先8 bit8 bittype幀類型8 bit8 bitid數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符8 bit8 bitdata數(shù)據(jù)字節(jié)每個(gè)8位號(hào)，n為4或8每個(gè)8位長(zhǎng)crc循環(huán)冗余校驗(yàn)16 bit8 biteod數(shù)據(jù)結(jié)束2 bitand網(wǎng)絡(luò)控制確認(rèn)16 bit17 biteof幀結(jié)束10 bit10 bit為方便理解，將上述幀格式中的內(nèi)容解釋如下: 幀起始是一個(gè)指示幀開始的專用代碼，它由有6個(gè)連續(xù)位支配的8位構(gòu)成，每個(gè)位從屬和位支配均從位同步的角度考慮，因此，在其后面很容易形成幀同步和位同步。 幀優(yōu)先是一個(gè)優(yōu)先控制區(qū)域，已從原先的4位增至8位以改善優(yōu)先調(diào)度的自由度。有些汽車的車內(nèi)局域網(wǎng)lan協(xié)議將優(yōu)先碼與數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符id合并，而本協(xié)議的id是獨(dú)立的。 幀類型是專指幀類型的區(qū)域，它能將除標(biāo)準(zhǔn)幀以外的傳輸請(qǐng)求幀、同時(shí)數(shù)據(jù)收集 (sdg)幀及i/o-ic幀等區(qū)分開。 數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符以8位承襲以前的標(biāo)識(shí)符，用來(lái)識(shí)別信號(hào)種類。 數(shù)據(jù)字節(jié)對(duì)于中-低速傳輸速率承襲早先的4字節(jié)作為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;對(duì)于高速傳輸速率，考慮了同時(shí)數(shù)據(jù)收集(sdg)，可選擇4或8字節(jié)。 循環(huán)冗余校驗(yàn)是最常用的一種差錯(cuò)檢測(cè)代碼，8位crc適于中-低速傳輸速率，16位crc用于高速傳輸速率。該16位crc較早先的車內(nèi)局城網(wǎng)lan協(xié)議有更佳的檢錯(cuò)能力。 數(shù)據(jù)結(jié)束只存在于高速傳輸速率和用于位同步轉(zhuǎn)換。 網(wǎng)絡(luò)控制確認(rèn)是從接收節(jié)點(diǎn)等處回送確認(rèn)的區(qū)域。對(duì)于中低速傳輸速率，anc確認(rèn)位包含在該區(qū)域。 幀結(jié)束指示幀結(jié)束和準(zhǔn)許向各節(jié)點(diǎn)依次傳輸。5高級(jí)palmnet協(xié)議位同步的理解 對(duì)于幀內(nèi)的位同步法，如果1個(gè)單節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送，而且采用不歸零nrz編碼，則位塞入同步具有最佳的傳輸效率。但是，在anc或sdg方法中，有兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)必須同時(shí)發(fā)送，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在位塞入同步中，插入1個(gè)與相鄰位不可能同值的塞入位。這樣，僅僅在anc區(qū)域和在sdg模式的數(shù)據(jù)區(qū)使用起-止同步。因此，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在1個(gè)固定周期發(fā)送同步位，而在高傳輸速率幀的發(fā)送過(guò)程中位塞入同步與起-止同步發(fā)生轉(zhuǎn)換。對(duì)于中-低速傳輸速率，為了降低成本，省去了同步轉(zhuǎn)換電路，在各個(gè)區(qū)域只使用起-止同步。 在該協(xié)議中若使用位塞入同步，當(dāng)相鄰的5位有相同值則可插入1個(gè)塞入(填充)位。在起-止同步中，每4位插入2個(gè)同步位。6網(wǎng)絡(luò)控制確認(rèn) (anc)法的含義 馬自達(dá)公司1990年型宇宙汽車采用的palmnet協(xié)議，最顯著的特點(diǎn)就是采用anc應(yīng)答的確認(rèn)方法。高級(jí)palmnet協(xié)議繼承了此方法。 圖1是高級(jí)palmnet協(xié)議的anc方法。根據(jù)來(lái)自于傳輸節(jié)點(diǎn)的同步位，各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)插入確認(rèn)信號(hào)(ack)于anc區(qū)域指配的位置，故確認(rèn)信號(hào)可以從連接到網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的某一傳輸幀內(nèi)獲得。由于高級(jí)palmnet使用nrz編碼而不用原pwm編碼，因此，anc方法可由anc區(qū)域中兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送的起-止同步來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1 網(wǎng)絡(luò)控制確認(rèn)法 對(duì)于中-低速傳輸速率，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可分為兩組管理，每組包括16個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)達(dá)32個(gè)。對(duì)于高速傳輸速率，最多的節(jié)點(diǎn)數(shù)只有16個(gè)，對(duì)底盤控制系統(tǒng)，16個(gè)節(jié)點(diǎn)目前足以夠用。 anc法有以下優(yōu)點(diǎn):在汽車局域網(wǎng)lan特別需要的n（1:n）的通信方式中，anc法具有高的傳輸可靠性，容易對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)用于底盤控制系統(tǒng)時(shí)，能對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的故障實(shí)時(shí)檢測(cè)，并能迅速轉(zhuǎn)換為故障無(wú)礙控制。例如，在電子控制變速系統(tǒng)(eat)中，當(dāng)使動(dòng)/執(zhí)行器控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)anc實(shí)時(shí)檢測(cè)出eat節(jié)點(diǎn)發(fā)生某一斷路或擊穿等故障，就立即置使動(dòng)器于安全端，并轉(zhuǎn)入故障無(wú)礙操作，以維持汽車的繼續(xù)行駛。7同時(shí)數(shù)據(jù)收集(sdg)法的概念 在底盤控制系統(tǒng)的信號(hào)傳輸中，要求1個(gè)節(jié)點(diǎn)具有同時(shí)獲得幾個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并處理這些數(shù)據(jù)。例如，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的車輪速度傳感器、電控有源懸架的四輪高度傳感器等發(fā)送的信息，都要求1個(gè)節(jié)點(diǎn)能同時(shí)收集并處理這些信息。 sdg方法能讓1個(gè)節(jié)點(diǎn)僅用1幀從幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)收集數(shù)據(jù)(圖2)。如果節(jié)點(diǎn)a發(fā)送1個(gè)sdg幀，企圖從幾個(gè)信息源同時(shí)處理數(shù)據(jù)，在sdg幀中根據(jù)id編碼設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)b、c、d和e，依次將數(shù)據(jù)插入sdg幀內(nèi)的設(shè)定區(qū)域。圖2 sdg(同時(shí)數(shù)據(jù)收集)法 sdg功能對(duì)用于底盤控制系統(tǒng)的車內(nèi)局域網(wǎng)lan極為有用。如果無(wú)sdg功能，為了收集幾個(gè)信息源的數(shù)據(jù)，lan將對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送單獨(dú)的傳輸請(qǐng)求，這樣會(huì)花費(fèi)太多的時(shí)間去同步處理數(shù)據(jù)，對(duì)底盤控制系統(tǒng)的安全性極為不利。另外，多次請(qǐng)求增加的業(yè)務(wù)量還會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的等待時(shí)間。 在sdg幀內(nèi)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)必須在相互同步時(shí)傳送，在數(shù)據(jù)字段周期位塞入同步法轉(zhuǎn)換為起-止法。8高級(jí)palmnet采用的幾種通信集成電路 對(duì)于中-低速傳輸速率，采用basic-ic(基本集成電路)和i/o-ic(輸入/輸出集成電路);對(duì)于高速傳輸速率，開發(fā)了hi-ic(高速集成電路)。3種ic都采用cmos0.8 m標(biāo)準(zhǔn)的精細(xì)處理技術(shù)，并通過(guò)縮減芯片尺寸降低成本。3種ic都裝有總線接口。安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的節(jié)點(diǎn)工作溫度調(diào)定在一40125。(1)basic-ic。它用作電子控制裝置/模塊，布局如圖3所示。通圖3 basic-ic框圖信控制電路與8位單片機(jī)集成在一起。由與cpu一體化的軟件處理電子控制模塊和通信控制區(qū)的應(yīng)用程序，因此，通信硬件的尺寸和成本均有明顯減少。對(duì)于通信控制，可以從應(yīng)用軟件中調(diào)用子程序獲得傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于接收部分，可由通信控制電路及軟件處理通信控制中斷cpu。用不同的中斷類型簡(jiǎn)化判定過(guò)程，而中斷類型又是根據(jù)是否正常地接收到信號(hào)或是否出現(xiàn)差錯(cuò)以確定。表3是basic-ic的主cpu功能。表3 basic-ic主cpu功能及規(guī)范cpu功能規(guī)范cpu功能規(guī)范rom16 k字節(jié)計(jì)時(shí)器16位1通道8位2通道監(jiān)視器1通道ram512字節(jié)pwm輸出16位1通道i/o口36外部中斷2串行接口通用收發(fā)信機(jī)usrt1外部總線英特爾（intel）多路復(fù)用總線a/d轉(zhuǎn)換器8位6通道 (2)i/o-ic。它用作節(jié)點(diǎn)，專門用于非智能控制傳感器和使動(dòng)器的輸入/輸出操作。不需要附加的微處理器，將輸入/輸出功能并入通信芯片，可以降低制造成本。i/o集成電路規(guī)約的特性如圖4所示。圖4 i/o-ic中的網(wǎng)絡(luò)控制確認(rèn)(anc)管理 在上述的anc方法中，由于傳輸出錯(cuò)或其他問題導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)未能收到正確的幀，為了校準(zhǔn)幀，接收節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到ack不足之后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將重發(fā)幀。為了判定上述是否重發(fā)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)先識(shí)別是哪些節(jié)點(diǎn)連接在網(wǎng)絡(luò)上，識(shí)別方法是用anc表，該表是從各個(gè)節(jié)點(diǎn)(anc信號(hào))最后的4個(gè)ack信號(hào)作為依據(jù)制成的。發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過(guò)比較傳輸中的anc信號(hào)與anc表，判定是否需要重發(fā)。按上述情況，依據(jù)每次發(fā)送和接收操作獲得的anc信號(hào)形成和修訂的anc表的操作程序，被稱為anc管理功能。 證實(shí)了anc信號(hào)與anc表一致后，還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的basic-ic管理某個(gè)anc表，以取代i/o-ic發(fā)送anc字段后部分的anc確認(rèn)位。 i/o-ic可以通過(guò)校驗(yàn)anc確認(rèn)位決定是否重發(fā)。當(dāng)任何輸入口的狀態(tài)發(fā)生變化，i/o-ic就自動(dòng)起動(dòng)發(fā)送1幀;而當(dāng)i/o-ic收到正確的數(shù)據(jù)幀，它就立即在輸出口輸出數(shù)據(jù)。 (3)hi-ic。底盤控制系統(tǒng)的電子控制裝置由高性能的微處理器組成，而高速傳輸速率下的通信集成電路hi-ic則用微處理器構(gòu)成外圍電路。另外，hi-tc以對(duì)各個(gè)微處理器提供直接接口的高效cpu接口為特征。多路復(fù)用或分離的地址/數(shù)據(jù)總線可由與摩托羅拉或英特爾總線規(guī)格兼容的結(jié)構(gòu)提供給hi-ic。 hi-ic中的接收緩沖器由重寫緩沖器和非重寫緩沖器組成。重寫緩沖器被標(biāo)識(shí)符id分為幾個(gè)區(qū)域，當(dāng)hi-ic收到寄存器id的信息幀，不管cpu是否讀出老數(shù)據(jù)，老數(shù)據(jù)都將被新數(shù)據(jù)重寫。不過(guò)，非重寫緩沖器特制了兩個(gè)區(qū)域，可儲(chǔ)存寄存器id的所有信息幀，至于這兩個(gè)區(qū)域的信息若存滿了，也就不能再繼續(xù)儲(chǔ)存了。 重寫緩沖器用于頻繁發(fā)送的信息幀。對(duì)每個(gè)信息幀的接收，cpu不必中斷就能順利地讀出所接收的數(shù)據(jù)，因此，cpu參與通信的問題勿需過(guò)多考慮。非重寫緩沖器參與應(yīng)急方式下的驅(qū)動(dòng)型事件的信息幀，其應(yīng)用結(jié)果，可獲得快速響應(yīng)和可減少接收部分的cpu載荷。9高級(jí)palmnet的總線接口的故障容錯(cuò)能力 高級(jí)palmnet的總線接口的最主要特點(diǎn)就是有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力，也就是說(shuō)，這是一種高可靠性的增強(qiáng)型總線接口。 表4是由iso推薦的9種故障容錯(cuò)。故障容錯(cuò)是指在傳輸媒體中，發(fā)生了表中的某種故障類型，通信仍能繼續(xù)進(jìn)行。 表4 iso推薦的9種故陣容錯(cuò)故障形式提出方式故障形式規(guī)范（1）總線+中斷推薦（6）總線-至蓄電池（b+）推薦（2）總線-中斷推薦（7）總線+至總線-可選擇（3）總線+至蓄電池（b+）推薦（8）總線+與總線-在同一位置同時(shí)中斷推薦于子系統(tǒng)（4）總線-至地（gnd）推薦（9）兩個(gè)終端電阻之一損耗推薦（5）總線+至地（gnd）推薦10高級(jí)palmnet的中-低速傳輸速率總線接口的特點(diǎn) 中-低速傳輸速率總線接口如圖5所示。由于nrz中的占空率用在palmnet中波動(dòng)較大，因此，早先的ac藕合輸入電路因充放電時(shí)間得不到平衡，故選擇了dc耦合輸入電路。圖5 中-低速傳輸速率下總線接口 雙扭線作為總線，其上的電壓信號(hào)被轉(zhuǎn)換為合適值供至帶有衰減電路的比較器。經(jīng)過(guò)3個(gè)比較器的轉(zhuǎn)換信號(hào)與總線信號(hào)相互比較，各個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)與具有參考電壓的某個(gè)總線信號(hào)比較后轉(zhuǎn)換為3個(gè)接收信號(hào)。接收信號(hào)中的非正常信號(hào)被單獨(dú)檢出并由數(shù)字濾波電路過(guò)濾掉，僅讓正常信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)鏈路。采用這樣的電路布局，即使有1根總線發(fā)生中斷，3個(gè)接收信號(hào)中至少還有1個(gè)正常信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)鏈路，以此確保故障條件下仍能繼續(xù)通信;如果總線之間發(fā)生短路，傳輸模式轉(zhuǎn)換至非平衡模式，此時(shí)分離出1個(gè)偏置電路代替總線。由此可看出，高級(jí)palmnet的中-低速傳輸速率總線接口最大的特點(diǎn)是容錯(cuò)能力完全能與前述iso推薦的9種故障模式相對(duì)應(yīng)。 考慮到無(wú)線電干擾，總線驅(qū)動(dòng)電路采用恒流電路，這樣總線驅(qū)動(dòng)電流性能最佳。作為傳輸媒體的雙扭線，在傳輸長(zhǎng)度達(dá)40m，工作溫度-40125，以及傳輸速率125kbps的條件下，可獲得優(yōu)良的電磁兼容性。 所有的總線接口電路，除了衰減電路和驅(qū)動(dòng)器電路與