基于总线的汽车安全网络系统的研究.pdf

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1、沈阳理工大学 硕士学位论文 基于CAN总线的汽车安全网络系统的研究 姓名：孟娜 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：龚民 2011-03-11 沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 随着现代汽车技术的迅猛发展，汽车安全电子设备不断增多，为了解决汽车 安全综合控制系统越来越复杂所带来的线束增多、通信实时性差等问题。采用 CAN 现场总线技术、GSM 网络技术、串口通信技术和优先级调度理论，设计了 面向汽车防火和防盗的安全网络的系统。 本文从研究汽车局域网着手， 分析了国内外汽车控制器局域网的发展与现状， 对当今国内外汽车行业中应用最广的 CAN 总线通信网络的原理和应用进行了深 入研究

2、，给出了汽车防火与防盗安全系统的整体方案。 系统设计分为汽车安全通讯网络调度优化和报警系统硬件及其软件设计三大 部分。当总线负载和利用率过高时系统产生大量信息，随之带来的总线上节点实 时性差问题。提出了动态优先级调度算法，采用优先级晋升的调度原则对原有的 CAN 总线仲裁原则进行优化，并提出了数学模型以及算法的解决方案。报警系统 电路采用 A/D 转换技术对温度传感器进行数据采集，通过 CAN 总线上节点微处 理器进行数据处理与通信，运用先进的 GSM 报警技术在发生警情的同时发送短 信到指定的号码并且产生声光报警以及相应的液晶显示。同时介绍了该系统数据 采集、数据传输、报警等程序设计，并搭建

3、了基于 CAN 总线的汽车安全系统试 验平台。经过实际电路的调试，证明了系统的可行性。 关键词：汽车安全；CAN总线；优先级调度；GSM报警 沈阳理工大学硕士学位论文 Abstract With the rapid development of modern automotive technology, automotive safety electronics growing, in order to solve the problems such as the increased wiring harnesses and poor real-time brought by the more

4、 and more complex car integrated control system. The technology of CAN field bus, GSM network, serial communications and priority scheduling theory are used to design for fire and theft car security network system. The development and current situation of domestic and international car controller ar

5、ea network is analyzed from researching the vehicle area network, and the most widely used CAN bus communication network theory and application is researched deeply, and the whole program of car fire and Anti-theft security system is given. The system includes vehicle safety communication network sc

6、heduling optimization, alarm system hardware and software design. When the bus loading and utilization ratio was too high, large amounts of information will generate ,and it will bring poor real-time problem on the bus. Dynamic priority scheduling algorithm is given, which optimizes the existing CAN

7、 bus using the principle of priority scheduling, and the mathematical model and solution algorithm is proposed. The A/D conversing technology is used in the circuit system to collect the data of the temperature sensors, which is processed and communicated by CAN bus node microprocessor, and the mess

8、age is sent to the specified number, sound and light alarm is generated and displayed on the corresponding liquid crystal by the application of the advanced GSM in the case of the alarm situation. The programs of the data collection, data transmission, alarming are designed and the test platform bas

9、ed on CAN bus system is built. The system is feasibility after debugging the actual circuit. Keywords: Vehicle safety, CAN bus, Priority scheduling, GSM alarm 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要

10、 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者（签字） ： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课

11、题研究的背景 随着科学技术的迅猛发展，汽车车身上的各个部分的电子装备日趋完善，使 得传统汽车的电子化程度越来越高，特别是汽车领域引进先进的微控制器后，给 汽车领域的发展带来了前所未有的变化，大幅提升了汽车的动力性、操纵稳定性、 安全性、燃油经济性、对环境的友好性等等。使得汽车已经从它早期纯粹的机械 产品，渐渐的发展成性能与安全功能并重的电子化机械产品。现在的汽车不仅仅 是集性能、时尚于一体，而且融入大量的安全电气控制设备的产品。汽车的安全 性能是目前消费者最关心的问题，所以大部分用户认为最先考虑汽车方面的问题 就是安全问题,它比汽车行驶性能、车载娱乐项目和燃油效率高低更重要。消费者 对汽车安全

12、性能的要求不再满足于发生事故后对人员及车辆的保护，事故发生前 汽车对人和自身车辆采取的保护措施才是汽车安全技术的发展方向。由此可以看 出未来汽车安全技术发展的重点和趋势将是主动安全技术领域 1。 从轮胎和刹车技术的快速发展，到防撞保护和安全气囊技术，直到今天先进 的辅助巡航驾驶系统，汽车安全设备已经从物理领域转向电子领域。最新的安全 型汽车采用了大量的电子技术和专用传感器技术，不断的评估和监测车内外的环 境为司机提供所需相关信息，甚至在某些特定情况下直接接管车辆的控制。使用 这些电子设备对于提高汽车舒适性、安全性和驾驶效率方面起着重要的作用，因 而汽车相关的安全技术和市场也将在未来得到极大的拓

13、展。据Strategy Analytics公 司的市场研究报告指出，汽车电子领域增长是汽车安全系统中最强劲的需求之一, 年平均增幅达到25%以上。汽车上的安全电子设备数量和复杂程度都得到了前所 未有的增加，汽车开始装有越来越多的电气控制设备、电子部件、专用传感器和 功能各异的执行装置。例如，现在人们驾驶汽车时，会发现车上增加了很多电子 设备诸如：ABS、ASR、EBA、ESP、电动后视镜、油耗显示、安全气囊、CD/DVD 播放机、GPS导航仪、自动门窗、胎压测试系统、自适应巡航系统、车灯调节等。 沈阳理工大学硕士学位论文 2 很多电子设备以前只有在军用、航空方面使用，而现在的价格只是民用费类水

14、平。 电子产品目前在整车成本中所占比例普遍为30%，在高档豪华轿车中电子产品更 是占到55%以上 2。今后汽车将更多地由汽车电子技术带动发展，可能人们驾驶汽 车的感觉就像在操作一台复杂的电子设备，如图1.1所示。 安全电子 系统 车身控制 模块 电子仪表 电子系统 执行机构 电池管理 系统 ECU 发动机或 发电机 动力控制 单元 144V动力 电池 DC/DC转 换器 12V电源 变速 箱 内燃机 图1.1 汽车电子控制系统 1.2 研究的目的和意义 如今，各项先进的电子器件广泛应用于汽车安全技术领域中，导致车内的电 子电气布线无法像传统机械式汽车布线那样的清晰简单，而且使整车布线成本提 高

15、、能量损耗与车身重量增大、整车安全运行可靠性下降、维修难度也随之增大， 如图1.2所示。根据传统通讯方式（点到点的布线方式） ，汽车整车重量中线束重 量占5%，电控部件多达850个以上。权威数据显示，2001年豪华汽车上电部件数 目高达1400个左右，线束的总长度平均达到4Km以上，且线束的总质量也超过了 30Kg。这无形中使汽车研发电气化发展进入了这样一个怪圈，即为了提高汽车的 整体性能而增加相关的汽车电器，相关的汽车电器的增加导致整车线束的增加， 而线束的增加又阻碍了汽车整体可靠性的进一步提升。假设汽车在行驶过程中平 均50公斤的线束，每100公里，额外耗能达到100瓦，相当于燃烧0.2公

16、升的汽油。 在汽车中，规定所用铜线直径一般不能低于0.5mm，实际应用中，传送距离远的 铜线的直径一般都在0.8mm或1.0cm以上，使成本提高。况且，汽车线束的布置设 计一般都在比较隐蔽的地方，一旦出现故障后，繁多的线束不仅不利于检测，而 且使汽车电器维修也相当困难。再者，线束一般都和车辆配套使用，电器部分做 微小的改动，可能导致重新设计相应的布线方式 3。 第 1 章 绪论 3 车身电器变速箱 电控单元动力输出装置底盘电器 布线庞大复杂 空间紧缺 可靠性降低 故障率高 维修难度大 电磁干扰增强 安全性降低 图1.2 传统汽车网络图 针对上述线束问题，人们提出了以下几种解决方案，包括：改进电

17、缆技术、 提高集成度、并行网络方法和串行网络技术。 ? 改进电缆技术， 即用新型高质量的细电缆代替传统的粗电缆， 但改进线缆 粗细不能解决线缆繁多复杂的问题； ? 提高系统集成度的方法， 即把分散的电控节点功能集成在一个节点处理单 元中，从而使整车芯片的数量得到有效控制，然而此方法也有其局限性，不但使 处理器工作量大大增加，速度降低，而且设计灵活性低不便于修改； ? 并行网络方法，即采用数据线进行数据交换、控制线进行信号控制，这种 方法使线缆数量和重量大大降低，但设计与操作相对复杂，传送数据与寻址容易 出错； ? 串行网络方法， 即采用一根或两个线缆对全车电子单元进行数据交换与控 制，此方法不

18、但能使线缆的使用量降低至最小，而且稳定性较高 4。 现代车载串行网络的优点突出，组建汽车网络是十分必要的，如图 1.3 所示。 车身电器变速箱 电控单元动力输出装置底盘电器 汽车总线 信息互通 资源共享 协调控制 智能管理 图 1.3 现代汽车网络图 现场总线(Field bus)是在 20 世纪 80 年代末、90 年代初国际上出现的，它的 作用是在过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备之间互连 通信。它作为数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场、各个控制设备及其与 沈阳理工大学硕士学位论文 4 更高控制管理层次之间的联系。 它不单是一种基层网络， 而且还是集合了开放式、 新

19、型全分布控制的网络系统。现场总线技术成为以智能传感、控制过程、计算机、 数字通信等为主要内容的综合技术，已经受到世界各个领域的关注，成为电子自 动化技术发展的热点，引发了自动化系统结构与设备之间的深刻变革。 SAE（汽车工程师学会)把车用网络分为A、B、C三类。随着汽车电子技 术的高速发展，在原有网络基础上又增加了三类车用网络D、E、F，网络如 表1.1所示。 表1.1 汽车网络介绍 类别 对象 速度 典型协议 A 传感器与执行器 2 Mb/s D2B/MOST E 与排放相关诊断 10kb/s 左右 J2480/ISO15765/J1850/ISO9141/ISO14230 F 面向成员安全

20、 SafetyBus/Byteflight 汽车网络的种类不是绝对的还可以包括其它先进的网络，如图1.4所示。 车身电子网动力网 GSM Internet 图1.4 网络功能分类图 当前， 我国主要是靠引进电子技术与控制技术， 才实现了国外 90 年代的技术 水平。国内汽车企业在电子技术研发方面主要集中在汽车动力部分，即总线控制 系统与车身电器总线控制系统，而先进的汽车安全系统基本属于空白。因此，学 习国外先进的总线技术和标准规范，成为当前研究和开发国内自主知识产权汽车 的主要途径，这对提高国内汽车行业的核心竞争力以及改造和振兴东北老工业基 第 1 章 绪论 5 地有着重大意义 5。 1.3

21、CAN 在国内外的发展 CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是光导纤维、同轴电缆或双绞线， 可达1Mbps的通信速率。20世纪90年代初，国际上将Bosch公司研发的CAN规范作 为标准。1991年9月，荷兰的Philips公司发表了包括A、B两个部分的CAN技术规 范。 1993年11月， ISO正式颁布了道路交通运输工具数据信息交换高速通信控制器 局域网（CAN）国际标准ISO11898。同时，在CAN协议中定义了物理层的波特率 最高为1Mbps。在1995年的ISO11519-2中制定了CAN数据传送中的错误处理方式 的标准化，描述29位CAN的标识符也加入了ISO11898标准。到目

22、前为止，CAN规 范标准化仍然正在修改。“CAN数据链路层”在ISO11898-1被定义了，“无错误-误 差CAN物理层”在ISO11898-2被定义了，“错误-误差物理层”在ISO11898-3被定义 了。美国标准J1939，国际卡车和拖车接口标准ISO11992、农业和森林机械接口标 准ISO11783都定义了基于CAN应用的子协议 6，相关CAN总线版本如表1.2所示。 表1.2 CAN总线版本 命名 标准 最大信号速率 标示符 低速 CAN ISO11519 125Kb/s 11 位 CAN2.0A ISO11898:1993 1Mb/s 11 位 CAN2.0B ISO11898:1

23、995 1Mb/s 29 位 越来越多的北美和日本的汽车公司采用CAN总线通信网络技术。绝大多数与 汽车安全相关的通信系统和发动机的电子控制系统一般采用高速CAN，在车身的 电子控制中一般采用低速CAN，它具有许多容错功能。电气设备如控制仪器、微 处理器、传感器、执行机构在现代汽车上的大量使用带来线束增多的问题，需要 找出相应的解决方法来实现使用少量线束也能够满足大量电器通信，所以在现代 先进的电气化汽车上广泛应用了基于CAN协议的分布式控制通讯网络。CAN总线 通信协议的最大特点是废除了传统的站地址编码，取而代之的是以对通信数据块 进行编码。数据块的标识码是由11位或29位二进制代码组成，采

24、用CRC检验机制， 并可提供相应的错误处理功能，提高数据通讯可靠性。CAN总线是最适合汽车安 全网络数据通讯的现场总线之一。为了推动汽车电子化、电脑化、电信化三电一 体化，基于CAN总线通信协议的分布式控制网络，逐渐在现代汽车网络通信上广 沈阳理工大学硕士学位论文 6 泛采用。目前国外CAN总线技术应用在各个领域己经很成熟，在汽车动力和制动 通信网络应用领域更为突出。到目前为止，己经有20多家芯片生产商生产CAN控 制器，包括瑞萨、英特尔飞、TI、思卡尔、英飞凌、飞利浦、ST等，己有110多种 集成CAN控制器的微处理器芯片应用在市场上。不同的汽车通信系统采用不同速 度的网络，各种高低速信号网

25、络游走于汽车不同的通信系统，并用相应的网关来 充当中转站。富士通微电子高级系统设计工程师庞川明确指出，为了减少网络上 通信的信息量，并提高系统的可靠性，汽车上应该采用网关将多个同质或不同质 网络相互连接起来。 飞利浦推出的SJA2020车内网络网关控制器是市场上第一个支 持高达4个LIN控制器与6个CAN2.0B信道的微控制器。CAN总线在欧洲得到了广 泛的支持和认可，从1992年起就一直采用基于CAN的IS011898作为轿车通信的标 准 7。 虽然 CAN 总线标准在国外已经推出很多年， 但我国的汽车 CAN 总线通信技 术起步较晚，在国内的相关领域应用开发才刚刚开始，中国汽车电子厂商在基

26、础 的微处理器研发方面存在诸多缺失与不足， 开发车载网络处理器遭遇到层层考验。 据业内人士分析， 在 ECU 中嵌入车载网络己经比较完善， 目前主要的研发工作还 集中在车载电控器件的 CAN 网络支持技术，但与汽车安全网络相关的工作还十 分欠缺。 1.4 本文的主要工作 根据选题的目的和意义，考虑到汽车安全网络系统的职能与作用，设计基于 CAN总线的汽车安全网络系统。该网络以51系列单片机为核心，运用先进信息调 度、GSM报警技术和CAN总线技术，结合外围电路的配置，使之实用化、简单化。 系统具体的研究方案如下： ? 系统总体设计：了解国内外相关技术水平。分析CAN总线软、硬件技术。 弄清软、

27、硬件技术难度，明确技术主攻方向，综合考虑软、硬件的分工与配合， 通过调查研究，确定应用系统的功能指标，软、硬件指令性方案及分工； ? 算法设计：了解系统原有调度方案的性能与弊端，采用优先级晋升调度方 案对原有调度方法进行优化，并对其方案进行软件实现； ? 硬件设计：系统电路方案选择（CAN总线通讯模块电路、GSM模块电路、 液晶显示电路、报警电路、数据采集电路），包括系统硬件设计与电路制作； 第 1 章 绪论 7 ? 软件设计：根据要实现的功能绘制程序流程图（CAN通信程序、GSM报 警程序、显示子程序、号码存储程序、数据采集程序）编写相应的程序； ? 调试：进行现场联机调试，测试系统的稳定性

28、和可靠性。 沈阳理工大学硕士学位论文 8 第 2 章 CAN 总线基本理论 2.1 CAN 总线性能特点 CAN 总线是一种串行通信网络，由于其卓越的信号传输性能与可靠性，目前 已经被相关行业广泛的应用。CAN 总线是基于 OSI 模型，但进行了进一步优化， 提高了实时性。 由于其采用了许多新技术和独特性的设计， 与其它现场总线相比， CAN 总线的数据通信具有突出的可靠性、灵活性和实时性。CAN 总线特点概括 如下： ? CAN总线是多主方式工作的总线，通信方式比较灵活，在CAN总线网 络上任意一个节点都可在任意时刻无需繁琐站地址且不分主从的向网络上其他 节点发送信息帧，这个灵活的特点可方便

29、的构成多机备份系统； ? CAN总线网络无需专门的相关“调度”，只要通过内部相应的报文滤波即 可实现点对点、一点对多点和全局广播等几种方式的数据传送接收； ? CAN总线的通信介质选择性十分的灵活，包括同轴电缆、双绞线或光纤； ? CAN总线网络的各个节点信息在报文标识符上可以分成不同的优先级， 可 满足不同通信要求下的不同的实时要求。优先级高的数据被传输最多延迟134s； ? 短帧格式作为CAN总线的通信格式， 可满足相关的工业领域中控制测试数 据、命令以及工作状态数据的一般要求。优点为传输时间比较短、具有很好的检 错功能，受干扰概率相对低，每一帧字节数不大于8个，而且8字节信息不会占用 过

30、长的总线时间，CAN总线通信的实时性得到了满足； ? CAN总线节点在错误严重的情况下，具有自动关闭发送功能， 使总线上其 它节点的操作不受任何影响，而且发送的信息遭到破坏后，可以自动重发； ? CAN总线网络采用仲裁技术是非破坏性总线的优先级仲裁技术，CAN 总线上多个节点发送信息要求占用总线时，优先级最高的节点可以不受其它节 点的影响，把数据传输出去，优先级相对较低的节点会自动的退出发送，这种仲 裁方式使CAN总线上网络负载很大的时候也不会出现整个网络瘫痪情况，大大节 第 2 章 CAN 总线基本理论 9 省了节点申请占用总线仲裁冲突的时间； ? CAN 总线为了保证数据的正确性， 每帧信

31、息都有 CRC 校验和其它的检错 措施，并且具有很好的检错效果； ? CAN总线网络的直接通信距离最远可以达到10km(传输速率在5Kb/s 以下)，通信速率可以达到1Mb/s(此时通信距离40m为最长通信距离)； ? CAN总线协议的物理层和数据链路层相关功能被CAN总线通信接口集 成，可完成对通信数据的组成、相应的帧的处理， 其中有循环冗余检验、 优先级判 别、 位填充、 数据块编码等多项工作； ? CAN总线网络上的节点个数主要取决于总线电路驱动能力大小，目 前可以达到110个，报文标识符标准帧可达2032种之多(CAN 2.0A)，而扩展标 准帧(CAN 2.0B)的报文标识符几乎不受

32、限制 7。 CAN 总线最显著的特点是摒弃了站地址体制， 即任一节点所发送的数据信息 不包括发送节点或接收节点的实在的物理地址。在整个 CAN 总线网络中，报文 帧通过一个标识符中的 ID 段作为标记,该标识符是唯一不重复的。当其它节点收 到某一个节点报文帧时，每一个 CAN 总线节点都对这个标识符进行分析，判断 此报文是否能通过自己的报文滤波。若通过滤波，该报文认为与自己相关并且得 到处理，否则该帧的信息将被忽略。在整个 CAN 总线网络中，谁都可以主动的 向其它节点发送报文，被称为“多主”方式。采用“多主”方式可使 CAN 总线网络中 的节点个数在理论上不受限制(实际上受电气负载影响)，也

33、可以使相同的数据同 时发送到不同的节点。帧中的标识符决定了报文的优先权，优先权越高 ID 值越 小，反之优先权越低。CAN 总线采用带有冲突检测的载波监听多路访问方法。总 线按照“线与”的机制对总线上潜在的冲突进行仲裁，“显性”（即逻辑 0）电平覆 盖“隐性”电平（即逻辑 1） 。 2.2 CAN 总线的基础规范 2.2.1 电气特性 CAN-H 和 CAN-L 这两根导线组成了 CAN 总线的通信线路，也就是总线， 它的材质是双绞线、同轴电缆或光纤，CAN 总线网络的各个节点都挂在上面。两 根导线上 VCAN-H 和 VCAN-L 的电压差值表示总线上某一时刻表现的数值大小， 沈阳理工大学硕

34、士学位论文 10 该差分电压 Vdif 可表示“显性”和“隐性”两种互补的逻辑数值，并且控制信号和数 据传输都是通过这两根导线来完成的。如图 2.1 所示。 Vdif 隐性位 Vcanl Vcanb 显性位 时间t 平 均 电 平 图 2.1 导线上电压差值 CAN 总线上的数据按位进行串行传输的速率可在 5Kbps1Mbps 之间， 挂接 在同一条总线上的所有节点都必须采用相同的传输速率。当在总线上存在同时发 送“显性”位和“隐性”位时，总线表现为“显性”状态即表示节点驱动电路正在向总 线发送信号，总线表现为“隐性”状态即表示总线没有被占用表示总线在空闲位期 间。“显性”状态改写“隐性”状态

35、启动发送并进行各节点之间的同步 8。 2.2.2 通信距离 CAN 总线一般采用屏蔽或非屏蔽的双绞线进行数据通信，这样保证了 CAN 总线接口在极其恶劣的环境下也能够正常工作。决定通信距离的主要因素是波特 率、总线电缆。通信距离和总线波特率的关系如表 2.1 所示。 表 2.1 通信距离与波特率关系 位速/Kbps 1000 500 250 125 10050 20 10 5 最大距离/m 40 130 270 530 6201300 3300 6700 10000 从表可知，CAN 总线的通信速率达到 1Mbps 时，最大传输距离为 40m，即 使 1Km 的通信范围内，通信速率还可达到 5

36、0bps，对一般实时控制工业现场来说 已经足够使用。 CAN 总线节点可以通过故障判定机制自动识别短暂干扰和永久性 故障。如果存在连续干扰，CAN 总线节点将退出总线并处于关闭状态。CAN 总 线具有循环冗余校验、报文格式检查、位填充和强大的错误检测能力，未检测出 来的出错概率小于 4.7e-11， 而且 CAN 总线网络中的节点可在不影响所有节点及其 应用层不改变任何软件或硬件的情况下被连入 CAN 总线网络中。 第 2 章 CAN 总线基本理论 11 2.2.3 拓扑结构 拓扑是一个数学概念。网络拓扑结构按照几何图像的形状可分成总线拓扑、 环形拓扑、星形拓扑、网状拓扑四种。 ? 总线拓扑结

37、构是由连接网络中的所有节点单根电缆组成， 它支持一种信道 的， 总线的全部带宽被总线上所有节点共享。 当网络上的某一个节点发出数据时， 所有的节点都将侦测到这个数据，但只有目的节点能接受和处理这个节点数据， 当目的节点接收后其它节点放弃这个数据。 总线拓扑结构的网络优点是容易实现、 成本低，缺点是扩展性不高、网络的容错能力较差。当网络需要增减节点时网络 性能有较大变化，如果网络出现差错，整个网络都会被影响。所以 CAN 总线网 络很少单一的采用总线拓扑结构，总线拓扑结构如图 2.2 所示。 图 2.2 总线拓扑结构 ? 环形拓扑结构中， 数据沿着环向一个方向发送。 环上的每一个节点接收环 中传

38、输的数据，再将数据转发到下一个节点，节点相当于一个中继器。但是单纯 的环形拓扑结构不灵活也不易于扩展， 当节点增加时， 相应的传输时间就会延长， 而且一旦某一节点或线缆发生故障网络就会瘫痪，所以一些 CAN 总线网络采用 双环结构以提供容错，环形拓扑结构如图 2.3 所示。 图 2.3 环形拓扑结构 ? 星形拓扑结构中， 一个中央设备控制网络中的每个节点， 网络上的所有数 据都通过这个中央控制设备收发。 星形拓扑结构缺点是线缆使用量比上两种要多， 中央设备的故障会造成整个网络故障，优点是电缆问题只能影响两个节点，易于 沈阳理工大学硕士学位论文 12 扩展、移动、隔绝与其它网络的连接。所以星形拓

39、扑是目前 CAN 总线局域网中 最常用的一种网络拓扑结构，星形拓扑结构如图 2.4 所示。 图 2.4 星型拓扑结构 ? 网状拓扑结构中， 数据能够从发送地直接传输到目的地， 它是每两个节点 直接互联的。优点是扩展性高、灵活、容错性高，由于网状拓扑结构数据传输路 径为多条，所以网络上节点和线束出现问题也不会造成网络瘫痪。缺点是采用网 状结构线束繁多，为了降低成本可选用半网状网络与星形和环形拓扑结构相结合 能更加适用于实际网络 9，网状拓扑结构如图 2.5 所示。 图 2.5 网状拓扑结构 2.3 CAN 总线的一些概念 ? 报文：总线上的信息以不同固定格式的报文发送，但长度有限制，当总线 空闲

40、时，任何一个连接的单元都可以开始发送一个新报文； ? 位速率：不同的 CAN 总线系统中可以有不同的位速率，但在一个给定的 系统中，位速率是唯一固定的； ? 远程数据请求：数据的节点可以通过发送远程帧请求与它标示符 ID 相同 的另一个节点发送相应的数据帧； ? 优先权：在总线访问期间，静态优先权由标识符定义，标识符越小则优先 权越高； ? 多主站： 任何单元在总线空闲时均可发送报文， 赢得总线访问权是具有最 第 2 章 CAN 总线基本理论 13 高优先权报文； ? 信息路由：在 CAN 总线系统中，一个 CAN 总线节点不使用有关系统结 构的任何信息，这里包含一些重要概念： ? 数据相容性

41、：在 CAN 总线网络里，可以确保报文同时被所有节点或者没 有节点接收，系统通过多播和错误处理原理实现了数据相容性； ? 报文通信：标识符 ID 命名了一个报文的内容。ID 的内容解释了数据的含 义并不指出报文的目的， 使得节点通过报文滤波决定网络是否对该数据做出反应； ? 成组： 任何节点报文滤波后都可以接收报文， 并对此报文做出相应的动作； ? 系统灵活性：想要在 CAN 总线上添加节点，不需要任何节点和应用层的 软件或硬件改变就可以实现； ? 仲裁：当总线访问出现冲突时，借助标识符使用逐位仲裁来解决，这样可 以使信息和时间均无损失，当初始化数据帧和远程帧具有相同的标识符同时，数 据帧优先

42、于远程帧。 ? 连接：理论上，CAN 总线是一条多单元可被连接与节点数量没有限制的 总线，实际上单元数量是有限的，它受信号传输延时和电气负载能力的影响； ? 安全性：CAN 总线采取了强有力的错误自检、出错标定及错误检测措施， 目的是为获得尽可能高的数据传送安全性，采取的措施有: 报文格式检查、监视 (发送器对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较)、位填充、循环冗余检查； ? 应答：用标志一个不相容报文和回答一个相容报文来表示报文的相容性， 它是由接收器进行检查的； ? 出错标定和恢复时间： 当节点检测出错误时， 已损的报文会被标记而失效， 报文将被自动重新发送，如果没有新的错误，从检测到错

43、误到下一个报文开始发 送的恢复时间最多为 29 位时间； ? 故障界定：永久故障和暂时扰动能被 CAN 总线节点区别开来，且故障节 点被自动关闭 10。 2.4 CAN 总线的技术规范 2.4.1 体系结构 CAN 总线协议主要描述设备之间的信息传递方式，从结构上可以分为 3 个层 沈阳理工大学硕士学位论文 14 次，分别对应 ISO/OSI 网络模型的最低两层：数据链路层和物理层，CAN 总线协 议层结构由高到低如图 2.6 所示。 ISO/OSI 网络模型的应用层通过专门用于特定工 业领域的各种协议或 CAN 用户专用方案与物理媒体相连，目前应用层主要使用 3 个协议包括 Allen Br

44、adley 公司推出的 DeviceNet、Honeywell 公司开发的 SDS、自 动化组织推出的 CANopen,这些标准化的应用层是与通信过程几乎完全分离的。 数据链路层 逻辑链路子层（LLC） 接收滤波 超载通知 恢复管理 媒体访问控制子层（MAC） 数据封装/拆装 帧编码 媒体访问管理 错误监测 出错标定 应答、串行化/解除串行化 物理层 位编码/解码 位定时 同步 （驱动器/接收器特征） 故障界定 总线故障管理 图 2.6 CAN 总线协议层结构 CAN 总线数据链路层的两个子层包括逻辑链路层 LLC 和媒体访问控制子层 MAC。数据报文的传输具体的控制由控制子层 MAC 完成，

45、包括帧总线仲裁、结 构控制、报文收发控制、错误检测、出错界定等。媒体访问控制子层 MAC 传递 的报文被逻辑链路层 LLC 接收，并且报文的滤波、过载通知以及恢复管理等工作 由逻辑链路层 LLC 完成 11。 物理层定义信号是如何传输的，涉及到位时间、位编码、同步等问题，CAN 总线协议并未对物理层部分进行具体的规定。 2.4.2 基本通信协议 CAN总线是以总线访问、仲裁、编码/解码、出错标注、超载标注这5条基 本规则进行通信的。 第 2 章 CAN 总线基本理论 15 ? 总线访问：CAN总线采用载波监听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)的一种

46、对媒体的访问机制，它是类似于与以太网的一种共享 媒体的总线。CAN总线上的节点要想向总线发送数据，必须总线为空闲状态 （网络上至少存在3个空闲位时网络的状态，也就是CAN节点在侦听到网络 上至少出现3个隐性位）才能发送。CAN总线采用硬同步，且CAN控制器同 步都位于帧起始的前沿。CAN总线用硬同步后，为避免异步时钟累计误差导致的 错位而进行重同步； ? 编码/解码：在CAN总线中， 每连续5个同状态的电平插入一位与它相补 的电平，还原时每5个同状态的电平后的相补电平被删除，保证了数据正确性， 这叫做位填充技术，帧起始域、仲裁域、控制域、数据域和CRC序列均使用位 填充技术进行编码； ? 仲裁

47、： CAN总线解决总线冲突的方法比以太网的CSMA/CD方法有很大 的改进。CAN总线使用的通信模式是波监测，多主掌控/冲突避免。只有检测到 总线空闲的状况下才能发送信息报文。多主掌握是总线空闲状态下每个节点都可 以向总线发送报文，在多个节点同时向总线申请占用时优先级高的申请成功，低 优先级的进入等待，等待总线再一次空闲在发送，这样可以避免节点发出消息帧 在总线上产生冲突。 这是一种非破坏性的仲裁方式来实现冲突检测以及解决冲突。 因此说明总线冲突出现时任何发送的帧不会受到影响能够继续发送； ? 出错标注：当节点产生出错标志时，说明这个节点产生应答错误、填 充错误、位错误、形式错误； ? 超载标

48、注：由于总线上某些原因需要使数据帧或远程帧延迟发送，所 以一些CAN控制器会发送一个或多个超载帧以延迟数据帧或远程帧的发送 12。 2.4.3 通信协议 2.4.3.1 报文帧类型 CAN 总线在进行数据传输时，每次传输的数据都是由一个位串组成的，这个 位串被称之为“帧”。 为了实现数据传输和链路控制， CAN 总线提供了 4 种帧结构， 它们分别为带有应用数据的数据帧、向网络请求数据的远程帧、能够报告每个节 点错误的出错帧以及节点的接收器电路尚未准备好就会延迟传送的过载帧8。在 这 4 种帧结构中，又可以将一帧分为几个部分，每一部分负责不同的功能，这些 沈阳理工大学硕士学位论文 16 部分被

49、称为“位场”。对于帧中的各个位，用“显性”表示逻辑“0”，用“隐性”表示逻 辑“1”。 1.CAN 总线报文的数据帧 数据帧用于将数据从发送器传输到接收器，它由 7 个不同的位场组成，分别 为帧起始、仲裁场、控制场、数据场（长度可以为 0） 、CRC 场、应答场和帧结束。 数据帧的结构如图 2.7 所示。 仲裁场控制场数据场CRC场 帧结束 应答场 帧间空间 数据帧 帧起始 或超载帧 帧间空间 图 2.7 数据帧结构 在CAN2.0B中存在两种不同的帧格式， 具有11位标识符的标准帧和具有29位 标识符的扩展帧，其格式如图2.8所示。 标准格式 仲裁场控制场数据场 DL11位标示符 仲裁场控制场 数据场 11位标示符 18位标示符 DCL 图 2.8 11 位标识符的标准帧与 29 位标识符的扩展帧 ? 帧起始：该域表示一个数据帧或远程帧的开始，它由一个显性位组成，该 显性位用于接收状态下的 CAN 控制器的硬同步； ? 仲裁域： 由 RTR 位和信息标识符组成该域， 当有多个 CAN 控制器同时发 送数据时，在仲裁域要进行冲突仲裁。 标准帧的标识符由 11 位（ID10ID0） 组成，信息优先级由这 11 位提供，用来解决总线上的仲裁问题； ? 控制场： 两个保留位