数据通讯工作原理_CAN_K-line_LIN_.doc

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1、1系统简要说明1.1系统综述曲丁法规在汽车的排放、能耗和安全性能方面的要求口益严格，顾客对汽车舒适性耍 求也不断提高，现代汽车往往使用人彊电控单尤來控制其正常行缎。执行一个较复杂的控 制时，石要在设备Z间进彳亍人彊的数据交换。当控制系统变得复杂时，交换数据的信号线连 接将变得更复杂，同时费用将提高。因此,BOSCH公司开发了 CAN总线(Controller Area Network),并已収得国际标准化纽织认证(IS011898),被国外各人汽车公司广泛应用。其 总线结构参照ISO/OSI参考模型。同时，国际上一些人的半导体厂商也枳极开发出支持CAN 总线的专用芯片。CAN BUS系统，即局

2、域网络控制系统。CAN BUS技术的最人优点，是减少了线束的数 駁和控制器接II的引脚数口，减少线束，降低成本。实现分布(集成)网络式控制系统， 与此同时町以更简单、迅速地实现在线编程、在线诊断，其至多个控制器共同作用等新功 能。同时，CAN BUS系统町以提高车辆功能扩展性和控制可靠性，降低开发成本和缩减开 发周期，也能人人降低汽车的故障率。对J - CAN BUS系统，奇瑞公诃盂耍从11?常网络通信，工厂在线检测和侶后服务诊断三 方面来考渥其只体的实现。12产品执行标准(1) 产品满足QC/T 413-2002汽车电气设备基本技术条件(2) 产品电子抗干扰性能满足：GB/T 17619机动

3、车电了电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测最方法； GB 18655-2002用J保护车在接收机的尢线电酿扰特性的限值和测届方法1.3典型系统框图根据貝体车樂网络町以配置不同的节点，这形成了 CAN网络拓扑结构，上图为一个典 型的CAN BUS网络拓扑结构。PDF 文件使用，zpdfFactory Pro试用版木创建 www. fineprint, com, cnApplicationCANXdCedSoftware ComponentsSutUl在这个示意图里，整个网络rh三部分网段组成，分别是动力系统部分，乍身控制部分, 音响娱乐部分通常情况卜，动力系统采用高速can进行通信，而乍身控制及音响

4、娱乐系 统采用低速CAN进行通信。这电的高速CAN通常指通信速度高J： 125Kbps的网络，如 250Kbps和500Kbps,低速CAN则是指通信速度小于等F 125Kbps的网络,如125Kbps, 64Kbps, 50Kbps等。上面示意图屮的三部分网络Z间通过网关进行连接，从而实现了不同 网段间信息的交换2设计构想2.1设计原则2丄1功能要求随着车用电气设备越來越多，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向 系统控制到安全保证系统及仪衣报警系统，从电源管理到为提高舒适性1何作的各种努力， 使汽车电气系统形成一个复杂的人系统.并.都集中在驾驶室控制.另外.随着近年來ITS 的发展

5、,以3G （GPS、GIS和GSM）为代表的新型电子通讯产品的出现,它对汽车的综合布 线和信息的共享交互提出了更高的要求。从布线角度分析，传统的电气系统人多釆用点对点的单-通信方式，相QZ间缺乏联 系，这样必然造成庞人的布线系统。据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导 线长度可达2000米,电气节点达1500个，而且,根据统计，该数字大约每十年增长1倍, 从而加剧了粗人的线束与汽车彳j限的町用空间Z间的矛盾。无论从材料成本还是匸作效率 看，传统布线方法都将不能适应汽车的发展。从倍息共享角度分析，现代典型的控制单尤有电控燃油喷射系统、电控传动系统、防 抱死制动系统（ABS）、防滑控制系统

6、（ASR）、废气再循环控制、巡航系统和空调系统。为 了满足各子系统的实时性耍求，有必耍对汽车公共数据实行共享，如发动机转速、车轮转 速、油门踏板位置等。但毎个控制单元对实时性的要求是因数据的更新速率和控制周期不 同而不同的。这就要求其数据交换网是基J：优先权竞争的模式，1本身具有较高的通信速 率，CAN总线正是为满足这些要求而设计的。随着计算机技术的高速发展，网络技术与控制结合的产物一总线技术，使我们的想 彖成为町能。通过总线技术，用户町将不同的公司生产的符合总线标准的电子控制单尤连 为一体，从而形成具有优异的性能的控制系统。2.1.2顾客要求CAN BUS系统包括电控燃油喷射、电控传动、防抱

7、死制动、防滑控制、巡航和空调灯 系统。从安全性和舒适性方而來看，CAN BUS系统对丁顾客的重要性是不言而喻。另外经 济性也是极苴重耍的因素。对丁顾客來说，总是希望得到物美价廉的产品，而CAN BUS系 统也是根据这-需求产生的。利用CAN总线连接的电子i殳备具仃高度的灵活性、可靠性以 及良好的故障诊断和纠错能力，相对丁传统连线而言成本较低。2. 2设计参数对CAN BUS系统进行设计时，需要考虔如卜参数：节点数：分布高低速网络上的最人节点数.节点ID：对J CAN BUS上的每一个节点都仃属门己的确定的ID,在网络传输的 过程中用來标示自己：一个节点可以有一个ID,也可以冇几个ID。不同 的

8、ID的优先级不同。需耍从系统的观点來统一分配并个节点的ID。网络速度：在系统设计的前期需要确定网络的传输速度。网络负载率：CAN BUS的网络负我率耍求在30$以卜，这就需耍在设计方案时进行 计算确定消息刷新率：系统屮每条消息的更新速率消息周期：每个周期醴消息发送的间隔时何消息延迟率：信息到达ECU与理想情况的延迟性农现网络拓扑结构：为个ECU在网络中布局3.网络方案设计网络方案设计即整乍网络控制策略设计，标志物是网络拓扑结构。网络上何哪吐节点 或者说某控制器是否需要网络通讯来实现功能，主要取决于： 信号最要求； 传输实时性要求； 线束和控制器引脚数忖耍求： 相关法规要求（如排放或诊断实现的法

9、观）。另外，还必须考虑供应商的实际开发能力。首先，根据整乍配置表来分析与CAN/LIN系统冇关的功能配置，该工作需耍貝备一定 的整乍控制设计经验，最好耍熟悉Mil或B21的分布式功能。同时耍协调节点T程师讨论 分析I： CAN整乍配置表中的功能，如巡航，DRL灯功能的控制原理，确认是否需要网络来 完成此功能。需耍说明的是，如果是新引入的控制器或节点丁程师对控制器原理了解不多, 则町以肖接与节点供W商的技术人员进行沟通讨论。览次，这一阶段最匝耍的是耍初步分析出网络卜.的信息需求，从而计算出网络负载率 是否满足设计耍求( 30%)o I/IJ这一作需要不断的利供应商进行交流讨论进而确定。然 后根据

10、以I：的定义耍进行网络的仿貞，主耍使用CANoe软件进行全数字仿貞，初步验证以 上设计方案： 对J记经成熟开发网络节点，可参考已开发项冃的信号列表； 对r新技术的网络节点，需要供应商提供控制策略和已有的信兮列表： 貝体操作流程详见整乍网络控制平台的选定与节点确定。网络负载率算法：MESSAGENAMETypePeriod (mSec.)Size (byte)FB c MEMSB s M ABsMBTcMSAME p sIcMCL MT p MABMYASTESTERFBCM 1P208TXRXRXRXRXRXRXRXRXRXFBCM 2P108TXRXO 0 o网络负敦率是Is内网络总线传输数

11、据所占带宽的百分率。以上图网络矩阵表为例，假设 总线速度为500Kbps,网络中仃很多倍号帧，把每个信号帧所占的负载率算出來，相加即 得出总的网络负载率。FBCM.1/FBCM_2这两帧的所占的负载率算法如下：负载率 1= (1000ms/20ms) *111/500000= 0.0111=1. 11%负载率 2二(lOOOms/lOms) *111/500000= 0. 0222=2. 22%上而公式屮111为1个8字肖的数据帧在不考电填充位的情况卜的所含位数。3该系统开发所需的资源3.1开发所需工具现在市场上仃很多种的CAN Bus的开发软件，但是主流的是Vector Informatik

12、公司 的 CANoe、CANscope、CANstress 及 CANalyzer。对单个节点的开发，多使用 CANalyzer. 而对整个系统的开发，则多使用CANoe、CANscope及CANstress。CANoe和CANalyzer町以模拟仿真及测试网络，在概念设计、工程设计及试制试验阶 段均使用到：CANscope和CANstress的作用是测试节点的物理层，故在试制试验阶段使用 到。另外，在开发过程中还耍涉及到以卜软件及编程环境： dSPACE C CANoe MatlabSimulink CANscope CANstress CANape Visual Basic Visual

13、C以匕软件CANoe、CANscope. CANstress和C必须掌握，其他软件屈辅助作用。3. 2网络资源町以窃陆如卜网站进行CAN相关知识的了解和学习：周立功单片机：http： , www zlgmcu. com/home aspBOSCH s Controller Area Network：http： www can bosch com/CAN in Automation：http： I www. can-cia de/Kvaser* advanced can solutions:http： I www. kvaser com/TimeTriggered Technology：http

14、： www tttech com/Yahoo! Groups CANbus:http： groups yahoo. com, group/CANbus/Irrt roduction to In-Vehicle Net working:http： www inte1 com/design auto/autolxbkhtm4网络设计相关标准4.1 ISO标准 ISO 11898-1 Road vehicles - Controller area network (CAN) Parti:Data link layer and physical signalling ISO 11898-2 Roadv

15、ehicles - Controllerarea network (CAN) Part2:High-speedmedium access unit ISO 11898-3 Roadvehicles - Controllerarea network (CAN) Part3:Low-speed,faulttolerant, mediumdependent interface ISO 11898-4 Roadvehicles - Controllerarea network (CAN)PDF 文件使用，zpdfFactory Pro试用版木创建 www. fineprint, com, cnPDF

16、文件使用，zpdfFactory Pro试用版木创建 www. fineprint, com, cn Parti: Time-triggered communication I SO/1 EC 7498-1 Information technologyOpen Sys tems Interconnec ti on - BasicPDF 文件使用，zpdfFactory Pro试用版木创建 www. fineprint, com, cnReference Model: The basic Model ISO 10605 Road vehicles-Test methods for electri

17、cal disturbances from electrostatic discharge ISO 16845 CAN Conformance Test Plan4. 2 SAE标准 SAE J2284-500 HIGH SPEED CAN (HSC) FOR VEHICLE APPLICATIONS AT 500 KBPS4. 3其它标准 CAN Specification 2. 0 LIN 2. 04. 4奇瑞企业标准整车CAN件标准汽车电子CANBUS通讯系统信号列衷标准汽车电子LINBUS通讯系统信号列衷标准整车CAN件标准在概念设计、工程设计及试制试验阶段均使用到；其他两个标准在 工

18、程设计及试制试验阶段均使用到。5附CAN Bus相关基础知识CAN是一种串行通讯协议，CAN通讯速率为5Kbps/10Km, lMbps/40m,节点数授人110 个，传输介质为双绞线和同轴电缆等。CAN可以使用点对点、一点对多点及全局广播儿种 方式发送接收数据。CAN系统为无主式结构，以节点地位相同，每个节点均町以主动发送 报文。CAN总线上采用差分电压作为数字信号，差分电压状态仃两种，当总线的两根线冇2V 的压差时，这时总线称为显性状态，当总线的两根线电压相等时称为隐性状态。显然，总 线上只耍冇一个节点发送显性信号位，总线状态就为显性，而只冇半所冇节点都发送隐性 信巧位时，总线状态才为隐性

19、。CAN协议没仃规定显性位代表0还是1,但实际应用时， 显性位一般代表0,隐性位代表1。CAN帧包括四种，数据帧、远程帧、出错帧和过载帧。肖节点探测到总线出现错误状 态时，向总线发送出错帧，CAN节点具仃自动关闭功能，当节点错误严重的情况卜，则门 动切断与总线的联系，这样可不影响总线正常工作。为节点驚忙，不能及时接收数据时， 便发送过我帧，出错帧和过载帧一般由数据链路层來控制发送，应用层一般只查看状态， 不控制发送。图2.1 CAN总线上的差分电压和对应的总线状态应用层控制发送的是数据帧和远程帧，两者的羞别足远程帧小没仃数据域，因此远程 帧通常用來请求别的节点发送几仃相同识别码的数据帧。完整的

20、数据帧构成见图2.2oip.n.杯徨:“Id 唯! 叮 ll出唯k匸或址图2.2 CAN数据帧结构CAN总线空闲状态昱隐性，一个显性位的跳变标志一帧的开始。随后所冇的节点都可 以开始发送，最先发送的是仲裁域，仲裁域主耍由识别码和一个RTR位组成，讲别码确定 了该帧的优先权，用來进行争夺总线的仲裁，RTR位表明该帧是数据帧述是远程帧。发送 显性位的节点会使总线呈显性，而每个节点都是一边发送一边接收，肖一个节点发送的是 隐性位，接收到的却是显性位时，该节点认为冇优先权更高的节点在同时发送，是该节 点退出发送，优先权高的节点继续发送，这样没冇时间损失，因此CAN可以实现无延迟的 总线优先级仲裁，提高

21、了实时性。对于数拥帧，控制域用来表明数期域仃多少孑节的数据；而对于远程帧，控制域用来 表明所请求的数据帧中的数据域有多少字节的数据。数据域存放要发送的数据。远程帧则没冇数夯域。CRC校验域,CRC (Cyclic Redundancy Check),即循环冗余校验,是一种校验方式， 它首先対前面收到的数据按照特定算法进行计算和变换，得到的数据便足校验码，存放在 CRC校验域内，接收节点也会对收到的CRC校验域以前的数据进行同样的计算，并把计算 结果与收到的枝验码相比较，如采相同则该帧仃效，如果错谋认为发送或传输过程发生错 谋，该帧无效.使用CRC校验提高了数据传输的可靠性。确认位，在这个位时间

22、，发送节点发送隐性位，如果接收节点正确收到-帧，则会发 送显性位，改写该位为显性，这样发送节点确认別的节点已经收到数据。帧尽，包括7个隐性位，标志一帧的结束。帧间，与下一帧的起始位以前的空隙，至少耍仃3个隐性位。6附LIN Bus相关基础知识LIN (Local Interconnect Network) 低成本的汽车网络，它是现仃多种V(车网络在 功能上的补充。通讯模式和相应的开发环境L1经由LIN协会制泄成标准LI$的标准化将 为汽车制造商以及供应商在研发应用操作系统降低成本。帧(f rame)的槪念：总线上传输的实体，信号通过帧的数据域进行传输。儿个信号M以打包在一个帧里面 进行传输。毎

23、个信号都勺一个固泄的节点发送，且叮以同时被-个或多个节点同时接收。信号的一致性：当信号值里的位还只是部分更新时，应用层不会接收。另外，信号与 信号Z间以及字节数组里的无联系的字节Z间没有一致性。每个估号都是先传输低位后传输高位。信号的类型：信号类型町以是标最值，或者是字节数组。标彊值(scalar value)信号长度可以由1到16个位构成，只有一个位的标量信号称为布尔信号,2到16 位的标最信号称为无符号整型信号(unsigned integer)字节数组(byte array)是由一个到八个字节组成的数组，LIN协议里面没有严格的对字节数组进行释义 规定在LIX网络上信息是以帧的格式进行传

24、输的.LIN总线上的所有通讯部由主机节点屮 的主机任务发起，主机任务根据调度表來确定肖前的通讯内容，发送柑应的帧头，并为报 文帧分配帧通道，总线上的从节点接收帧头Z后，通过解读标识符來确定自己是否应该对 肖前通讯做出响应，做出何种响应，基J：这种报文滤波方式，LIX可实现多种数据传输模 式，且一个报文帧町以同时被多个节点接收利用。LIN协议的关键部分是调度表的使用。调度表确保网络负载率不容易过载;，同时也保 证了信号能够周期性无冲突的发送。主节点调控调度表的使用，主节点确保在确定模式卜相关的信息被分配足够的时间段 来传输。时间片分配的应用为LIN协议提供了一种无冲突H简便高效的传输方法。与零星

25、帧和事件触发帧有关联的普通帧不能与冬星帧或爭件触发帧放在同一个调度 表里面。时间片的长度必须满足帧最大发送时间TFrame_Maximum但TFrame_Maximum也可以 根据用户支持的程度做相应的调整，也可以适最减小。PDF 文件使用，zpdfFactory Pro试用版木创建 www. fineprint, com, cn7附K-L i ne相关基础知识K线用丁外部测试设备和车载ECU Z间的诊断通讯，并可通过K线建立通信Z前的初始化 动作。K-Lme的物理拓扑如F：图1物理拓扑图中L-line仅用FECU通信前的初始化。7.1 K 线倍息结构 KL i ne Message Stru

26、cture本章主要说明K线信息结构。K线信息结构主耍由以卜三部分组成:HeaderData bytesChecksumData bvtes Checksum fFmtTgt1)Sc1)Len1Sld2)Data2)csmax. 4 bytes 1) byte is optional, depending on format byte2) Service identification, part of data bytes图2 k线信息结构Fmt格式字节Tgt冃标地址字节Src源地址字节Len附加长度字节Sid服务标识符字节Data数据字节CS校验和字弋7.1.1 HeaderHeader li

27、四个字节组成，每个字节定义如卜:一格式字节目标地址字节 一源地址字节一数据长度字节Fonnat Byte (Fmt)Target Address Byte (Tgt)Source Address Byte (Src)AdditionalLengthByte(Len)图 3 Message header stnictiue7.1.1.1格式字节格式7节山6 bit数据长度信息和2 bit地址模式信息组成。诊断仪町以通过KeyByte获取 头字节的其体内容。AlAOL5L4L3L2LIL0图 4 Format Byte stincture地址模式信息A1A0:一定义信息中header所支持的地址模

28、式，A1A0 H体定义如卜:Header ModeAlAOModeMnemonic000Headei* without address mfbmation, physical addressingHMO101Exception mode (CARB)HM1210Header with address information physical addiessingHM2311Header with address information, functional addiessingHM3表1头字节中A1A0的定义目前奇瑞诊断规范屮，不支持A1AO = O1, CARB模式。对丁 A1AO = O

29、O无地址信息，当诊断仪进入诊断，默认情况卜只和一个ECU在进行通信, 可以使用不带地址借息的信息头模式，此模式为用户选用模式。对于A1AO=1O,带物理地址借息的头字节,为奇瑞K诊断目前所用模式。A1AO=11,带功能地址信息的头字VG为点对多模式。L5.L0:一定义信息的数据氏度，信息数据长度从服务标倶符开始（包括服务标识符）到校验和为 止（不包括校验和）。佶息的长度可以是1-63字也 如将L0-L5设嵬为0,那么佔息中就含勺附加长度字节。7.1.1.2目标地址字节M标地址是信息接收方的地址。H标地址通常和源地址一起使用，它町以是物理地址或者 是功能地址。物理地址可以是5-baud地址字节（

30、奇瑞冃前不使用）或者是汽乍生产主机厂自己定义的物 理地址信息（只体地址可以参考奇瑞K线诊断物理地址分配）。目标地址是可选项,只有在多点总线拓扑模式时是必须的，对丁点对点模式为可选项，可 以忽略。7. 1.1.3源地址字节源地址是信息发送方的地址。它必须是物理地址，通常和口标地址-起出现。与冃标地址类似，対丁-点对点模式，源地址是町选项；而对丁多点通信，它是必须的。7.1.1.4附加数据长度字节如果头字节屮L0-L5=0,那么信息屮将包含此附加数据氏度字巧。使用数据长度字节允 许用户传输超过63字节的数据。本字节定义从服务标识符开始（包括服务标识符）到校验和为止（不包括校验和）Z间的 数据域长度

31、。数据长度最人可达255字节。最长的信息可以冇260个字节（头4字节，数据255字节，校验和1字节）。対小于64字节的数据，仃以卜两种可能：一使用格式字节屮的长度信息，不用数据长度信息一将格式字节中的长度信息设置为0,使用数据长度信息字节指定数据域长度信息ECU不同时支持卜面两种恪式,诊断仪通过开始通讯中的keyBytes获取ECU支持的擀式。7.1.1.5头字节的使用卜图显示了头字节所支持的四种不同格式。PDF 文件使用，zpdfFactory Pro试用版木创建 www. fineprint, com, cn Checksum Udld Uy ICbFFmtSidDataCSChecksu

32、m calculationHeader without address Information, no additional length byte Data bytes Checksum -FmtLenSidDataCS4Checksum calculation 1 byteHeader without address Information, additional length byte丄Cata丄Phprkci imFmtTgtSrcSidDataCS1 hSaacnecKsum caicuiauon Header with address Information, no additio

33、nal length byteCata hwfacLxdId uyICOFmtTgtSrcLenSidDataCSun ecKsum caicuiau oni uyiufHeader with address Information,additional length byteFmtFormat byteSidService identification ByteTgtTarget address (optional)Datadepending on serviceSrcSource address (optional)CSChecksum byteLenadditional lenath b

34、vte (opt!onal)The shaded area (header, checksum) are described in this part. The data bytes are descnbed in Keyword Protocol 2000 German Implementation Specification - Part 3图5头字节的使用PDF 文件使用，zpdfFactory Pro试用版木创建 www. fineprint, com, cn7.1.2数据字节依据所用的长度信息，数据域町能包倉长达63字廿或者255 了节的数据信息。数据域的第一个字节是服务标志符，服务

35、标志符后是参数标志符。具体的参数要根据具体 的诊断服务而泄（请参考诊断应用层一诊断服务部分）。7.1.3校验和字节校验和字节位每个信息的最后一个字节，用F校齡信息的接收正确与否.最简单的校验和可以定义为信息中所有字廿的和（不包括校验和字节）。7. 2快速初始化和时间参数的设置奇瑞K线诊断使用快速初始化。7.2.1空闲和唤醒模式快速初始化町以分为如卜四个部分:空闲时间 唤醒模式Idle Time (T:fle)Wake Up pattern (TWuP)丿 F 始通信请求服务 StartCominumcationRequest Sernce 开始通信肯定应答 StartConimumcation

36、Positive Service7.2.2时间参数奇瑞k诊断仅使用标准时间参数。卜表是时间参数的设置，通常使用默认时间参数，农中时间参数的上卜限不可改动。注：奇瑞诊断不支持AccessTimiugPaiameters服务(此服务可以用来修改时间参数)。Timinglower limit values msupper limit values msParameterdefaultniin.ResolutiondefaultmaxResolutionPl002020P22500.5500025 ms ; SFF = xP35500.550000025 ms ; SFF = xP4500.52020Twup50495051TinL25242526TIdle 300 表2时间参数WherePl ECU响应信息的字节时间间隔P2 :外部测试设备请求和ECU响应或两个ECU响应Z间的时间间隔P3 : ECU结束响W至外部测试设备新的请求Z间的时间间隔P4:外部测试设备请求信息的字肖时间间隔TwuP：唤醒模式高电平持续时间 丁泣：唤醍模式低电平持续时间 T皿(W5):空闲时间PDF 文件使用，zpdfFactory Pro试用版木创建 www. fineprint, com, cn