第十三章車(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

第十三章車(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第一節(jié)概述

第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)

第三節(jié)局部連接網(wǎng)絡(luò)(LIN)

第四節(jié)車(chē)載局域網(wǎng)(LAN)與多媒體定向系統(tǒng)傳輸(MOST)簡(jiǎn)介第一節(jié)概述一、車(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的必要性圖13-1布線方法

a)常規(guī)布線b)CAN總線布線

隨著計(jì)算機(jī)、控制器、通訊和CRT顯示技術(shù)的發(fā)展，尤其是微處理器技術(shù)和集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，使得控制技術(shù)向高、精方向發(fā)展，汽車(chē)正在走向信息化。常規(guī)方法布線與采用CAN總線方式布線如右圖：第一節(jié)概述二、車(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用圖13-2車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用等級(jí)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，目前車(chē)載網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于車(chē)身系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和信息系統(tǒng)。圖13-2典型的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)1.動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)

2.安全系統(tǒng)

3.車(chē)身系統(tǒng)

4.信息(娛樂(lè))系統(tǒng)第一節(jié)概述

三、車(chē)載網(wǎng)絡(luò)參考模型圖13-3ISO／OSI參考模型第一節(jié)概述表13-1開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型ISO/OSI參考模型各層定義的主要項(xiàng)目軟

件

控

制7層應(yīng)用層提供各種實(shí)際可應(yīng)用的服務(wù)6層表示層對(duì)數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式進(jìn)行變換，如文字調(diào)整、數(shù)據(jù)壓縮與加密5層會(huì)話層為實(shí)現(xiàn)會(huì)話通信，按正確順序控制數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收4層傳輸層保證按順序控制數(shù)據(jù)及更正錯(cuò)誤等通信品質(zhì)，如糾正錯(cuò)誤、重新發(fā)送控制3層網(wǎng)絡(luò)層選擇數(shù)據(jù)的傳輸途徑和中轉(zhuǎn)，如ECU之間的數(shù)據(jù)交換及地址管理硬

件

控

制2層數(shù)據(jù)鏈路層將從物理層獲得的信號(hào)（字符集）匯總成具有某種意義的數(shù)據(jù)，提供控制順序，以便對(duì)控制傳輸錯(cuò)誤等數(shù)據(jù)加以傳輸，如訪問(wèn)時(shí)的方法及數(shù)據(jù)形式，連接控制方式、同步方式、錯(cuò)誤檢測(cè)方式，響應(yīng)方式、通信方式，幀的構(gòu)成、組幀方式1層物理層規(guī)定通信時(shí)所使用的電纜、插座等，媒體、信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)等，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間信號(hào)的交換，如信號(hào)電平、發(fā)送與接收、電纜及插座等形式第一節(jié)概述四、車(chē)載網(wǎng)絡(luò)分類和通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)按照系統(tǒng)的信息量、響應(yīng)速度、可靠性等要求，將車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為A類、B類、C類、D類。第一節(jié)概述表13-2各類典型汽車(chē)總線標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議特性和參數(shù)類別A類B類C類D類CAN安全X?by?Wire診斷多媒體名稱LINISO11519?2ISO11898

SAEJ1939SafetybusFlexRayISO15765DDB(MOST)所屬機(jī)構(gòu)MotorolaISO/SAEISO/TMC?ATADelphiBMW﹠DCISOPhilips用途智能傳感器控制、診斷控制、診斷SRS線控制診斷數(shù)據(jù)流控制介質(zhì)單根線雙絞線雙絞線雙線雙線雙絞線光纖位編碼NRZNRZ?5NRZ?5RTZNRZNRZBiphase第一節(jié)概述表13-2各類典型汽車(chē)總線標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議特性和參數(shù)媒體訪問(wèn)主/從競(jìng)爭(zhēng)競(jìng)爭(zhēng)主/從FTDMATESTENR

/SLAVETOKENRING錯(cuò)誤檢測(cè)8位CSCRCCRCCRCCRCCRCCRC數(shù)據(jù)長(zhǎng)度/B80～8824～39120～8—傳輸速率/(bit/s)20K10～125K250～1000K5K～10M5M10～250K12～400M總線最長(zhǎng)/m404040未定無(wú)限制40無(wú)限制最多節(jié)點(diǎn)/個(gè)163232(STP)

10(UTP)64643224成本低中中中中中高第一節(jié)概述(1)A類總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)面向傳感器、執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸速率通常只有l(wèi)～10Kbit／s。(2)B類總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)面向獨(dú)立ECU之間數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率一般為。(3)C類總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)面向高速、實(shí)時(shí)閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)絡(luò)，最高傳輸速率可達(dá)1Mbit／s，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)、ABS、ASR、懸架等控制。1)安全總線主要用于安全氣囊，以連接加速度傳感器、碰撞傳感器等，目前已有一些公司研制出相關(guān)的總線和協(xié)議，如Delphi公司的SafetyBus和BMW公司的Byteflight等。2)X-by-Wire總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。3)診斷系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)。第一節(jié)概述(4)D類總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)D類網(wǎng)絡(luò)稱為智能數(shù)據(jù)總線(IDB)，主要面向信息、多媒體系統(tǒng)等，采用D2B、MOST光纖傳輸和IDB-Wireless無(wú)線通信技術(shù)，通信速率為250Kbit／s～400Mbit／s，用于實(shí)時(shí)的音頻和視頻通信。控制器局域網(wǎng)CAN是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。CAN協(xié)議采用通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，取代了傳統(tǒng)的站地址編碼，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)在理論上不受限制。由于CAN總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力、支持差分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)一、CAN總線的特性

1)CAN支持從幾千到1Mbit／s的傳輸速率。

2)多站同時(shí)發(fā)送信息，模塊可以優(yōu)先獲取數(shù)據(jù)。

3)使用廉價(jià)的物理傳輸媒介。

4)錯(cuò)誤檢測(cè)校正能力強(qiáng)，系統(tǒng)可靠性高。

5)能判斷暫時(shí)錯(cuò)誤和永久錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)，具有故障節(jié)點(diǎn)自動(dòng)脫離功能。

6)大部分CAN在丟失仲裁或出錯(cuò)時(shí)，具有信息自動(dòng)重發(fā)功能。

第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)7)CAN總線符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，便于一輛車(chē)上不同生產(chǎn)廠家的ECU間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

8)組網(wǎng)自由，功能擴(kuò)展能力強(qiáng)。

9)總線利用率高，數(shù)據(jù)傳輸距離長(zhǎng)，可達(dá)10km。10)ECU實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

11)將傳感器信號(hào)線減至最少，更多的傳感器信號(hào)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。

第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)表13-3CAN協(xié)議與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)名稱傳輸速率/（Kbit／s）規(guī)格使用范圍SAEJ1939?11250雙線制，屏蔽式雙絞線載貨汽車(chē)，大型客車(chē)SAEJ1939?12250雙線制，屏蔽式雙絞線，供給電壓12V農(nóng)機(jī)SAEJ2284500雙線制，雙絞線（無(wú)屏蔽）汽車(chē)（高速：動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)）SAEJ241133．3，83．3單線制汽車(chē)（低速：車(chē)身系統(tǒng)）二、CAN協(xié)議

CAN技術(shù)的應(yīng)用普遍推廣，要求通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化。1991年9月Bosch公司制定并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范（Version2．0）。該技術(shù)規(guī)范包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術(shù)規(guī)范版本1.2中定義的CAN報(bào)文格式，而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和可擴(kuò)展的兩種CAN報(bào)文格式。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運(yùn)輸工具—數(shù)字交換—高速通信控制器局部網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（1SO11898-高速CAN）以及低速標(biāo)準(zhǔn)（ISO11519-低速CAN）。美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)（SAE）等組織和團(tuán)體也以CAN協(xié)議為基礎(chǔ)頒布本組織的標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表13-3。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)圖13-4數(shù)據(jù)鏈路層和物理層功能框圖CAN協(xié)議包括ISO/OSI參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如圖13-4所示。物理層分為物理層信號(hào)（PLS）、物理媒體連接（PMA）和媒體從屬接口（MDI），數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制（LLC）和媒體訪問(wèn)控制（MAC）。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)1.邏輯鏈路控制(LLC)

(1)功能LLC功能包括幀接收濾波、超載通告和恢復(fù)管理。

1)接收濾波：在LLC層上開(kāi)始的幀躍變是獨(dú)立的，其自身操作與先前的幀躍變無(wú)關(guān)。

2)超載通告：若接收器內(nèi)部條件要求延遲下一個(gè)LLC數(shù)據(jù)幀或LLC遠(yuǎn)程幀，則通過(guò)LLC子層開(kāi)始發(fā)送超載幀。

3)恢復(fù)管理：發(fā)送期間，對(duì)于丟失仲裁或被錯(cuò)誤干擾的幀，LLC子層具有自動(dòng)重發(fā)功能。

(一)數(shù)據(jù)鏈路層第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)①標(biāo)識(shí)符：標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度為11位，其最高7位(ID-10～I(xiàn)D-4)不應(yīng)全為“1”。

②DLC場(chǎng)：DLC指出數(shù)據(jù)場(chǎng)字節(jié)個(gè)數(shù)。DLC由4位構(gòu)成，數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度可為0，數(shù)據(jù)幀允許數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)目范圍為0～8，表13-4中規(guī)定數(shù)值以外的其他數(shù)值不能使用。③數(shù)據(jù)場(chǎng)：數(shù)據(jù)場(chǎng)由數(shù)據(jù)幀內(nèi)被發(fā)送數(shù)據(jù)組成，包括0～8B，每個(gè)字節(jié)包括8位。(2)LLC幀結(jié)構(gòu)

LLC是等同LLC實(shí)體(LPDU)之間進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)單元。

1)LLC數(shù)據(jù)幀：由三個(gè)位場(chǎng)，即標(biāo)識(shí)符場(chǎng)、數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度碼(DLC)場(chǎng)和LLC數(shù)據(jù)場(chǎng)組成，如圖13-5所示。2)LLC遠(yuǎn)程幀：由標(biāo)識(shí)符場(chǎng)和DLC場(chǎng)組成，如圖13-6所示。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)表13-4由DLC表示的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)目編碼數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)目DLCDLC3DLC2DLC1DLC0000001000120010300114010050101601107011181000圖13-5LLC數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖13-6LLC遠(yuǎn)程幀第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)2.媒體訪問(wèn)控制(MAC)

(1)功能模型如圖13-7所示，模型中將MAC層劃分為完全獨(dú)立工作的發(fā)送部分和接收部分。

圖13-7媒體訪問(wèn)控制功能第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)①發(fā)送數(shù)據(jù)封裝：接收LLC幀及接口控制信息，循環(huán)冗余檢驗(yàn)(CRC)通過(guò)向LLC幀附加幀起始(SOF)和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求(RTR)、保留位、CRC、應(yīng)答(ACK)和幀結(jié)束(EOF)。1)發(fā)送部分功能。②發(fā)送媒體訪問(wèn)管理：確認(rèn)總線空閑后，開(kāi)始發(fā)送過(guò)程(通過(guò)幀間空閑應(yīng)答)；MAC幀串行化；插入填充位(位填充)；在丟失仲裁情況下，退出仲裁并轉(zhuǎn)入接收方式；錯(cuò)誤檢測(cè)(監(jiān)控、格式檢驗(yàn))；應(yīng)答校驗(yàn)；確認(rèn)超載條件；構(gòu)造超載幀并開(kāi)始發(fā)送；構(gòu)造出錯(cuò)幀并開(kāi)始發(fā)送；輸出串行位流至物理層準(zhǔn)備發(fā)送。

第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)①接收媒體訪問(wèn)管理：由物理層接收串行位流；解除串行結(jié)構(gòu)并重新構(gòu)建幀結(jié)構(gòu)；檢測(cè)填充位(解除位填充)；錯(cuò)誤檢測(cè)(CRC、格式校驗(yàn)、填充規(guī)則校驗(yàn))；發(fā)送應(yīng)答；構(gòu)造錯(cuò)誤幀并開(kāi)始發(fā)送；確認(rèn)超載條件；重激活超載幀結(jié)構(gòu)并開(kāi)始發(fā)送。②接收數(shù)據(jù)卸裝：由接收幀中去除MAC信息；輸出LLC幀和接口控制信息至LLC子層。2)接收部分功能。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)(2)MAC幀結(jié)構(gòu)CAN數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間發(fā)送和接收以四種不同類型的幀出現(xiàn)和控制，其中數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)由發(fā)送器傳至接收器；遠(yuǎn)程幀由節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀；出錯(cuò)幀可由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)出，以檢驗(yàn)總線錯(cuò)誤；而超載幀用于提供先前和后續(xù)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間的附加延時(shí)。圖13-8MAC數(shù)據(jù)幀第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)①幀起始(SOF)：標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，由單個(gè)“顯性”位構(gòu)成。只有當(dāng)總線空狀態(tài)時(shí)，才允許節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送，所有節(jié)點(diǎn)必須同步于首先開(kāi)始發(fā)送節(jié)點(diǎn)幀起始引起的上升沿。

②仲裁場(chǎng)：表明數(shù)據(jù)優(yōu)先順序的區(qū)域，由來(lái)自LLC層的標(biāo)識(shí)符和RTR位構(gòu)成。在MAC數(shù)據(jù)幀中，RTR位數(shù)值為“0”。

③控制場(chǎng)：表明預(yù)約位數(shù)和數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的區(qū)域，由6位構(gòu)成，包括兩位用于DLC擴(kuò)展的保留位。接收器接收“0”和“1”位作為所有組合中的保留位。在定義保留位功能前，發(fā)送器只送“0”位。

④數(shù)據(jù)場(chǎng)：MAC數(shù)據(jù)場(chǎng)與LLC數(shù)據(jù)場(chǎng)格式相同。1)數(shù)據(jù)幀。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)⑤CRC場(chǎng)：表示循環(huán)冗余碼區(qū)域，包括CRC序列，后隨CRC界定符。CRC循環(huán)冗余檢驗(yàn)是將發(fā)送的數(shù)據(jù)看成高次多項(xiàng)式，用預(yù)先選定的生成多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行模2除運(yùn)算后，將余數(shù)附加在數(shù)據(jù)位之后發(fā)送。接收方對(duì)送來(lái)數(shù)據(jù)列用同一生成多項(xiàng)式進(jìn)行模2除運(yùn)算，沒(méi)有余數(shù)就證明接收的數(shù)據(jù)正確。

⑥ACK場(chǎng)：ACK場(chǎng)為兩位，ACK隙和ACK界定符。發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ACK場(chǎng)中，送出兩個(gè)“隱性”位。在ACK隙內(nèi)，所有接收匹配CRC序列的節(jié)點(diǎn)，以“顯性”位改用發(fā)送器的“隱性”位送出一個(gè)應(yīng)答。ACK界定符為ACK場(chǎng)的第二位，其必須是“隱性”位，因此，ACK隙被兩個(gè)“隱性”位(ACK界定符和CRC界定符)所包圍。

⑦幀結(jié)束：MAC的每個(gè)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由7個(gè)“隱性”位構(gòu)成的標(biāo)志序列界定。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)2)MAC遠(yuǎn)程幀。激活為數(shù)據(jù)接收器的節(jié)點(diǎn)，可通過(guò)發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀，啟動(dòng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送各自的數(shù)據(jù)。一個(gè)遠(yuǎn)程幀由6個(gè)不同位場(chǎng)構(gòu)成，即幀起始（SOF）、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)（兩位保留位+DLC場(chǎng)）、CRC場(chǎng)、ACK場(chǎng)和幀結(jié)束（EOF），如圖13-18所示。仲裁場(chǎng)由來(lái)自LLC層的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)和RTR位構(gòu)成。在MAC數(shù)據(jù)幀中，RTR位數(shù)值為“1”。幀起始（SOF）、控制場(chǎng)、CRC場(chǎng)、ACK場(chǎng)和幀結(jié)束（EOF）等位場(chǎng)均與MAC數(shù)據(jù)幀的相應(yīng)位場(chǎng)相同。圖13-9MAC遠(yuǎn)程幀3)出錯(cuò)幀。由兩個(gè)不同場(chǎng)構(gòu)成，第一個(gè)由來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加給出，第二個(gè)為錯(cuò)誤界定符。

①錯(cuò)誤標(biāo)志：有活動(dòng)錯(cuò)誤和認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志，前者由6位連續(xù)的“顯性”位組成，后者由6位連續(xù)的“隱性”位組成，認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志部分或所有位由來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的“顯性”位改寫(xiě)。

②錯(cuò)誤界定符：由8位“隱性”位構(gòu)成。發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)送出“隱性”位，并監(jiān)控總線，直至其檢測(cè)到“隱性”位。然后開(kāi)始發(fā)送剩余的7個(gè)“隱性”位。4)超載幀.

幀存在兩類具有相同格式的超載幀，即LLC要求的超載幀和重激活超載幀，前者為L(zhǎng)LC層所要求，表明內(nèi)部超載狀態(tài)；后者由MAC層的一些出錯(cuò)條件而啟動(dòng)發(fā)送。超載幀包括超載標(biāo)志和超載界定符，超載標(biāo)志的完整形式相應(yīng)于活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。超載界定符與錯(cuò)誤界定符具有相同形式，超載標(biāo)志由6個(gè)“顯性”位構(gòu)成，超載界定符由8位“隱性”位構(gòu)成。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)圖13-10幀間空間

a)非“錯(cuò)誤-認(rèn)可”或已收到先前幀節(jié)點(diǎn)的幀間空間

b)先前幀已發(fā)送“錯(cuò)誤-認(rèn)可”節(jié)點(diǎn)的幀間空間5)幀間空間數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同前述的任何幀（數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀、超載幀）均稱為幀間空間的位場(chǎng)隔開(kāi)。相反，超載幀和錯(cuò)誤幀前面不存在幀間空間，并且多個(gè)超載幀也不用幀間空間分隔。幀間空間包括間歇場(chǎng)和總線空閑場(chǎng)，并對(duì)先前幀已發(fā)送“錯(cuò)誤認(rèn)可”的節(jié)點(diǎn)還有暫停發(fā)送場(chǎng)，如圖13-10所示。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)①間歇場(chǎng)：由3個(gè)“隱性”位構(gòu)成。間歇期間不允許節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀，僅起標(biāo)注超載條件的作用。

②總線空閑場(chǎng)：可以是任意長(zhǎng)度，總線空閑時(shí)任何節(jié)點(diǎn)均可訪問(wèn)總線以便發(fā)送。其他幀發(fā)送期間，等待發(fā)送的幀在緊隨間歇場(chǎng)后的第一位啟動(dòng)。若在總線空閑期間檢測(cè)到總線上“顯性”位將被理解為幀起始。

③暫停發(fā)送場(chǎng)：“錯(cuò)誤認(rèn)可”節(jié)點(diǎn)完成發(fā)送后，其在緊隨間歇后，被允許發(fā)送下一幀前，送出8位“隱性”位。其間，若有發(fā)送啟動(dòng)(由其他節(jié)點(diǎn)引起)，則節(jié)點(diǎn)變?yōu)樵搸慕邮掌鳌?/p>

第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)圖13-11位發(fā)送次序(3)MAC幀編碼和發(fā)送／接收幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)和CRC序列幀段均以位填充方法進(jìn)行編碼。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)(4)媒體訪問(wèn)和仲裁當(dāng)檢測(cè)到間歇場(chǎng)未被“顯性”位中斷后，認(rèn)為總線被所有節(jié)點(diǎn)釋放。

除僅當(dāng)總線釋放時(shí)，可以啟動(dòng)發(fā)送這一原則外，還存在解決沖突的下列原則：①在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，每條信息必須標(biāo)以惟一的標(biāo)識(shí)符。②具有給定標(biāo)識(shí)符和非零DLC的數(shù)據(jù)幀僅可由一個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)。③遠(yuǎn)程幀僅可由全系統(tǒng)內(nèi)確定的DLC發(fā)送，該數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼為對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)幀的DLC。具有相同標(biāo)識(shí)符和不同DLC遠(yuǎn)程幀的同時(shí)發(fā)送導(dǎo)致不能解決的沖突。

基于競(jìng)爭(zhēng)的仲裁依靠標(biāo)識(shí)符和緊隨其后的RTR位完成。具有不同標(biāo)識(shí)符的兩幀中，優(yōu)先權(quán)被標(biāo)注于幀中，較高優(yōu)先權(quán)的標(biāo)識(shí)符具有較低的二進(jìn)制數(shù)值。若具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時(shí)被初始化，數(shù)據(jù)幀較遠(yuǎn)程幀具有較高優(yōu)先權(quán)，通過(guò)按照RTR位數(shù)值標(biāo)志達(dá)到。(5)錯(cuò)誤檢測(cè)MAC層具有檢測(cè)、填充規(guī)則校驗(yàn)、幀校驗(yàn)、15位循環(huán)冗余碼校驗(yàn)和應(yīng)答校驗(yàn)功能。

1)錯(cuò)誤類型。

①位錯(cuò)誤：正在向總線發(fā)送一位的節(jié)點(diǎn)同時(shí)在檢測(cè)總線。當(dāng)檢測(cè)到的位數(shù)值與送出的位數(shù)值不同時(shí)，則檢驗(yàn)到位錯(cuò)誤。但仲裁期間，當(dāng)送出隱性信息位或ACK隙期間送出隱性位時(shí)，而檢測(cè)到顯性位不認(rèn)為是位錯(cuò)誤；送出認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志，而檢測(cè)到“顯性”位的節(jié)點(diǎn)不將其確定為位錯(cuò)誤。②填充錯(cuò)誤：在使用位填充方法進(jìn)行編碼的幀場(chǎng)中，出現(xiàn)第六個(gè)連續(xù)相同電平位的位時(shí)，則檢測(cè)到填充錯(cuò)誤。

第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)③CRC錯(cuò)誤：CRC序列由發(fā)送器的CRC計(jì)算結(jié)果構(gòu)成，接收器以發(fā)送器相同的方法計(jì)算CRC。當(dāng)計(jì)算的CRC序列不等于接收到的序列時(shí)，則檢測(cè)到CRC錯(cuò)誤。④形式錯(cuò)誤：當(dāng)固定格式位場(chǎng)含有一個(gè)或更多非法位時(shí)，則檢測(cè)到形式錯(cuò)誤。但接收器在幀結(jié)束的最后位檢測(cè)到“顯性”位時(shí)，不將其理解為形式錯(cuò)誤。⑤應(yīng)答位錯(cuò)誤：在發(fā)送器ACK隙期間未檢測(cè)到“顯性”位時(shí)，則檢測(cè)到一個(gè)應(yīng)答錯(cuò)誤。當(dāng)檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，LLC層即被通知，且MAC層啟動(dòng)發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志。當(dāng)任何節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤或應(yīng)答錯(cuò)誤時(shí)，由各自節(jié)點(diǎn)在下一位啟動(dòng)發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志。當(dāng)檢測(cè)到CRC錯(cuò)誤時(shí)，錯(cuò)誤幀在緊隨ACK界定符后的那位起始發(fā)送，除非另一個(gè)錯(cuò)誤條件的錯(cuò)誤幀已經(jīng)準(zhǔn)備好啟動(dòng)。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)2)錯(cuò)誤界定規(guī)則。

①“錯(cuò)誤激活”節(jié)點(diǎn)：可正常參與總線通信，并在檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)出一個(gè)活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志?；顒?dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志由6個(gè)連續(xù)“顯性”位組成，并且遵守位填充規(guī)則和在規(guī)定幀中出現(xiàn)的所有固定格式。②“錯(cuò)誤認(rèn)可”節(jié)點(diǎn)：不應(yīng)發(fā)送活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志，并參與總線通信，但在檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)送一個(gè)認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志，認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志由6個(gè)連續(xù)的隱性位組成。一個(gè)“錯(cuò)誤認(rèn)可”完成報(bào)文發(fā)送后，在間隙場(chǎng)送出8個(gè)。③“總線脫離”節(jié)點(diǎn)：當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)由于請(qǐng)求故障界定實(shí)體而對(duì)總線處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，其處于“總線脫離”狀態(tài)。在“總線脫離”狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)既不發(fā)送，也不接收任何幀。只有應(yīng)用戶請(qǐng)求，節(jié)點(diǎn)才能解除“總線脫離”狀態(tài)。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)圖13-12節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)(二)物理層

1.物理層結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖13-13)圖13-13物理層結(jié)構(gòu)第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)1)物理信令(PLS)用于實(shí)現(xiàn)與位表示、定時(shí)和同步相關(guān)的功能。

2)媒體訪問(wèn)單元(MAU)表示用于耦合節(jié)點(diǎn)至發(fā)送媒體的物理層的功能部分。

2.位時(shí)間圖13-14正常位時(shí)間的組成第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)2)先前采樣點(diǎn)檢測(cè)到的數(shù)值(先前讀總線數(shù)值)不同于邊沿后即現(xiàn)的總線數(shù)值，邊沿將被用于同步。

3)總線空閑期間，當(dāng)存在“隱性”至“顯性”的跳變沿即完成硬同步。

4)所有滿足規(guī)則1)和2)的其他“隱性”至“顯性”的跳變沿(和在低位速率情況下，選擇的“顯性”至“隱性”跳變沿)將被用于重同步；若只有“隱性”至“顯性”沿被用于重同步，由于具有正相位的“隱性”至“顯性”跳變沿，發(fā)送器將不完成重同步。

3.同步

1)在一個(gè)位時(shí)間內(nèi)僅允許一種同步。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)圖13-15CAN的基本組成三、CAN的基本組成和數(shù)據(jù)傳輸原理

(一)CAN的基本組成第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)圖13-16CAN接線圖

80C51—單片機(jī)SJA1000—CAN控制器PCA2C250—CAN收發(fā)器CAN接線如圖13-16所示，中央ECU（CEM）的CAN控制器具有雙通道（CRXO、CTXO/CRX1、CTX1）的CAN接口，接到兩個(gè)不同的CAN總線（CANH、CANL）上。各ECU通過(guò)收發(fā)器與CAN總線相連，相互交換數(shù)據(jù)。CAN控制器根據(jù)兩根線的電位差判斷其總線的電平?？偩€的電平分顯性電平與隱性電平兩種，二者必居其一。發(fā)信節(jié)點(diǎn)通過(guò)改變?cè)摽偩€的電平，即可將報(bào)文發(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)。與總線相連的所有節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送報(bào)文，在兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始發(fā)信的情況下，具有優(yōu)先級(jí)報(bào)文的節(jié)點(diǎn)獲得發(fā)信權(quán)，其他所有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為收信狀態(tài)。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)1.ECU圖13-17CAN網(wǎng)絡(luò)框架第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)2.CAN控制器

3.CAN收發(fā)器圖13-19與TX線耦合的收發(fā)器第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)表13-5總線工作狀態(tài)狀態(tài)晶體管是否有源電阻狀態(tài)總線電平1截止?fàn)顟B(tài)(開(kāi)關(guān)未接合)無(wú)源高10接通狀態(tài)(開(kāi)關(guān)接合)有源低0第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)圖13-20三個(gè)收發(fā)器耦合于一根總線第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)工作過(guò)程1)若某一開(kāi)關(guān)已接合，則電阻上有電流流過(guò)，總線導(dǎo)線電壓為0V。

2)若所有開(kāi)關(guān)均未接合，則沒(méi)有電流流過(guò)，電阻上沒(méi)有電壓降，總線導(dǎo)線電壓為5V。表13-6收發(fā)器狀態(tài)與總線電位收發(fā)器A收發(fā)器B收發(fā)器C總線導(dǎo)線1111（5V）1100（0V）1010（0V）1000（0V）0110（0V）0100（0V）0010（0V）0000（0V）第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)4.數(shù)據(jù)傳遞終端

5.CAN總線圖13-21CAN數(shù)據(jù)傳輸線第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)圖13-22CAN數(shù)據(jù)格式(二)數(shù)據(jù)傳輸原理

1.信息格式轉(zhuǎn)換與請(qǐng)求發(fā)送信息第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)圖13-23總線空閑判斷2.發(fā)送開(kāi)始(總線空閑判斷)第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)圖13-24發(fā)送信息3.發(fā)送信息第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)圖13-25信息接收4.接收過(guò)程1)第一步：檢查信息是否正確(監(jiān)控層)。圖13-26確認(rèn)位(應(yīng)答場(chǎng))第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)2)第二步：檢查信息是否可用(接收層)。圖13-28接收層工作原理(組合儀表ECU)第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)5.位仲裁

(1)位仲裁的特點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理時(shí)，必須快速傳送數(shù)據(jù)，因此要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。

(2)位仲裁實(shí)施過(guò)程

1)ECU發(fā)送的每個(gè)信息都要分配優(yōu)先權(quán)，且不同的信息量

具有不同的優(yōu)先權(quán)(優(yōu)先權(quán)隱含在數(shù)據(jù)中的“標(biāo)識(shí)符”)，

優(yōu)先權(quán)高的信息優(yōu)先發(fā)送。

2)所有的ECU都是通過(guò)各自的RX線跟蹤總線的變化，并獲

知總線的狀態(tài)。

3)請(qǐng)求發(fā)送信息的ECU，每個(gè)發(fā)射器將對(duì)TX線和RX線的狀

態(tài)一位一位的進(jìn)行比較，比較結(jié)果可以不一致。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)

4)若某個(gè)ECU向外發(fā)送“l(fā)”(TX線為1)，但通過(guò)RX線在總

線接到“0”，則該ECU退出對(duì)總線的發(fā)送信息控制，轉(zhuǎn)為

接收信息。圖13-29信息發(fā)送過(guò)程第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)四、CAN設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理介紹圖13-30系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括操作站和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)兩大部分。操作站由一臺(tái)PC實(shí)現(xiàn)。其主要功能是處理需要復(fù)雜計(jì)算的信息，將經(jīng)過(guò)處理的信息再送回CAN總線，并對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)又可分為模／數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元和通信轉(zhuǎn)換接口電路等幾個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)單元。其主要功能是采集各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)信息，并根據(jù)所得信息發(fā)送控制命令去控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)2.硬件電路設(shè)計(jì)圖13-31CAN總線數(shù)據(jù)采集、通信轉(zhuǎn)換接口電路基于CAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是將系統(tǒng)功能盡可能地分散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)以微處理器為核心，完成各種數(shù)據(jù)采集與控制功能。為了把各個(gè)節(jié)點(diǎn)的不同種類、不同格式的信息能夠在基于CAN協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都設(shè)有與CAN總線接口的電路。圖13-231是模/數(shù)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)單元的數(shù)據(jù)采集、通信轉(zhuǎn)換接口電路。第二節(jié)控制器局域網(wǎng)(CAN)3.軟件設(shè)計(jì)根據(jù)分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間和節(jié)點(diǎn)到操作站的距離較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾大。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)故障報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)情況顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢、打印報(bào)表等功能。對(duì)于最底層的現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)單元的軟件設(shè)計(jì)思想為：上電初始化、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、現(xiàn)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)顯示、故障實(shí)時(shí)報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控與其他設(shè)備進(jìn)行通信等。其軟件控制流程如圖13-32所示。圖13-32智能節(jié)點(diǎn)控制流程圖圖13-33操作站軟件流程圖第三節(jié)局部連接網(wǎng)絡(luò)(LIN)一、LIN標(biāo)準(zhǔn)

(1)LIN協(xié)議規(guī)范介紹了LIN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

(2)LIN配置語(yǔ)言描述介紹了LIN配置文件的格式。

(3)LINAPI(應(yīng)用程序接口)介紹了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序之間的接口。圖13-34LIN網(wǎng)絡(luò)第三節(jié)局部連接網(wǎng)絡(luò)(LIN)圖13-35OSI參考模型第三節(jié)局部連接網(wǎng)絡(luò)(LIN)1)單主機(jī)多從機(jī)組織，即沒(méi)有總線仲裁。

2)從節(jié)點(diǎn)無(wú)振蕩器的自同步功能。

3)系統(tǒng)配置靈活。

4)保證延時(shí)和信號(hào)傳輸?shù)恼_性。

5)故障節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)功能。

6)數(shù)據(jù)傳輸速率為20Kbit／s。

7)可選的報(bào)文幀長(zhǎng)度為2、4和8字節(jié)。

8)基于UART／SCI接口的廉價(jià)硬件實(shí)現(xiàn)。

二、LIN的特點(diǎn)第三節(jié)局部連接網(wǎng)絡(luò)(LIN)9)帶時(shí)間同步的多點(diǎn)廣播式發(fā)送／接收方式，從機(jī)節(jié)點(diǎn)無(wú)需石英或陶瓷諧振器。

10)數(shù)據(jù)累加和校驗(yàn)和及錯(cuò)誤檢測(cè)功能。

11)廉價(jià)的單總線結(jié)構(gòu)。12)廉價(jià)的單片元器件。

第三節(jié)局部連接網(wǎng)絡(luò)(LIN)表13-7LIN和CAN主要特性對(duì)比網(wǎng)絡(luò)

指標(biāo)LINCAN媒體訪問(wèn)控制方式單主方式多主方式典型總線傳輸速率/（Kbit/s）2．4~19．662．45~500信息標(biāo)識(shí)符/bit611/29網(wǎng)絡(luò)典型節(jié)點(diǎn)數(shù)/個(gè)2~104~20位/字節(jié)編碼方式NRZ8N1(UART)NRZw/位填充每幀信息數(shù)據(jù)量/B2,4,80~8三、LIN與CAN的比較每4字節(jié)的發(fā)送時(shí)間/ms3．5(20Kbit/s時(shí))0．8