本科获奖毕业论文-基于光纤的汽车can总线研究

本科获奖毕业论文-基于光纤的汽车can总线研究内容摘要：

享，便于集中实现各子系统的在线故障诊断。 湖北汽车工业学院 本科 毕业设计（论文） 4 汽车网络技术的发展趋 势 在汽车应用中迅速普及 短短几年内，汽车网络技术的发展速度令人瞳目结舌，仅以上海大众的两款引进车型为例，两年前，人们还惊叹作为中档车的 PassatB5 采用了 CAN 总线控制技术，如今作为经济型轿车推出的 Pol。 也己全面采用网络控制技术。 从目前情况看，世界各大汽车公司的车身网络控制和动力系统网络控制技术平台均己基本建立，在新推出的车型中，全面采用网络控制技术己成为可能。 可以断言，近几年内网络技术在汽车中的应用将会迅速普及。 高速 、实时、容错网络控制技术 线控概念 (xbywire)是 一种新的汽车工程概念，目前己有使用线控系统的概念车出现。 2020 年 1 月初在底特律举行的北美国际车展上，展出的跑车 Autonomy 就首次在汽车中使用了 xbywire 技术。 xbywire 技术在未来将是十分重要的技术，该技术极大改善了汽车的可操纵性、安全性、设计的灵活度及总体结构。 驾驶员和方向盘之间将没有任何机械部分的连接，使用这种技术使汽车的操纵系统、制动系统及其它辅助系统能够通过电子方式进行控制，这就是说， 像 汽车内的刚性传动件将会被基于网络控制的各种传感器、控制器和电液式电动执行器所组成的线控系统取而 代之。 xbywire 技术必将促进高速、实时、容错网络通信技术的发展。 多媒体、高带宽的网络 未来汽车网络同时将是一个多媒体、高带宽的网络。 它能使车主生活更轻松，并在某种程度上将办公室移入车内。 若从长远来看，汽车甚至可以成为一个网站，人们可以下载软件以提高汽车的性能。 目前，此类技术尚处研发阶段，与蜂窝移动电话技术相结合，如全球定位系统 (GPS)和导航系统等少数技术己在高档汽车中得到应用。 作为最早的汽车电子产品的汽车收音机，现在不止是一种娱乐工具，还可以适配导航系统、 RDS, DAB, ARI 和 RKE 等的接口。 湖北汽车工业学院 本科 毕业设计（论文） 5 丰富的软件设计 未来汽车将成为软件产品，此断言可能是一种幻想，因为现在无法想象除了机械之外，还有什么能使汽车运动、关闭车窗和天窗、打开气门或电动机。 然而，这说明在未来的汽车中软件主导硬件的趋势是不可避免的，软件在汽车设计中已无处不见，可以说未来汽车市场竞争的热点之一就是软件的竞争。 这也正是 OSEK 产生的原因，使用 OSEK将大大缩短开发新型模块的周期。 将来 ，汽 车制造商必须与配件制造商、 芯片供应商紧密协作，三方各尽所能以确保汽车工程项目的成功。 在汽车设计过程中，软件开发正变得与发动 机或者车身设计一样重要。 据估计，在不久的将来，会出现汽车专用软件供应商，现有零部件供应商可能转移研发的重点和方向。 一方面，汽车软件设计的分工会更明细和模块化，另一方面，专用软件的开发也是一个趋势。 统一网络协议 目前 汽 车行业中存在许多网络通信协议，由于缺乏全世界统一的标准，实际上提高了汽车的制造成本。 虽然建立一个统一的汽车网络协议体系是一件十分复杂和困难的工作，但在汽车制造商和供应商之间己逐渐对这一问题达成一致 :A 类网络使用 LIN。 B 类 网 络 使 用 低 速 CAN,C 类网络使用高速 CAN 己作 为事实上的统一标准。 在采用xbywire 技术的下一代汽车中， TTP 或者 FIexRay 协议将是一种必然的选择。 此 外 ， 大多数汽车公司和零配件厂商对统一开发环境常感兴趣。 可以预见，在不久的将来，各类网络标准将被合并成为一个。 若真的形成这种天下一统的局面，那么汽车及其相关工业将受益匪浅，从而大大加快汽车技术的发展。 车用网络的拓扑结构 在汽车网络拓扑结构中，常见的结构有总线型网络、星型网络以及环形网络。 总线拓扑 在总线拓扑中，传输介质为一条总线，节点通过相应的硬件接口接至总线上。 当一个节点发送消息时，其他节点均可接收该消息。 由于所有的节点共享同一个信道。 因此任一时刻只允许一个节点发送消息。 该网络拓扑必须使用总线访问机制，这样当两个或湖北汽车工业学院 本科 毕业设计（论文） 6 多个节点同时准备发送消息时，能确定哪个节点优先获得总线的访问权。 目前在汽车控制网络中使用最多的是总线拓扑结构。 如图 所示。 图 总线拓扑 星型拓扑 在星型拓扑结构中，每个节点通过点对点的方式连接到中央节点，因此任何两个节点之间的通信都必须通过中央节点。 如图 所示。 图 星型拓扑 环形拓扑 在环形拓扑结构中， 有许多中继器进行点到点的链路连接，使整个网络构成一个封闭式的环路。 如图 所示。 图 环形拓扑 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 节点 湖北汽车工业学院 本科 毕业设计（论文） 7 汽车 CAN 总线 CAN 总线是德国 BOSCH 公司在 20 世纪 80 年代初，为了解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议。 它的短帧数据结构、非破坏性总线性仲裁技术以及灵活的通讯方式适应了汽车的实时性和可靠性 要求。 汽车 CAN 总线的技术背景来源于工业现场总线和计算机局域网这样非常成熟的技术，因此具有很高的可靠性，抗干扰性。 CAN 总线的特点 CAN 作为一种多主总线，支持分布式实时控制的通讯网络。 其通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。 在汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中，总线的位速率最大可达 1Mbit/s。 CAN 总线属于总线式串行通讯网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通讯总线相比， CAN 总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 其特点可以概括如下： CAN 为多主方式工 作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。 利用这一点可方便地构成多机备份系统。 CAN 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在 134us 内得到传输。 CAN 采用非破坏性总线性仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。 尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况（以太网则可能）。 CAN 只需通过帧滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接受数据，无需专门的 “调度 ”。 CAN 采用 NRZ 编码，直接通信距离最远可达 10km（速率 5kbps）；通信速率最高可达 1Mbps(此时通信距离最长为 40m)。 CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达 110 个；标示符可达 2032 种（ ） ,而扩展标准 ()的标示符几乎不受限制。 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 湖北汽车工业学院 本科 毕业设计（论文） 8 CAN 的每帧信息都有 CRC 效验及其他检错措施，保证数据出错率极低。 CAN 的 通信介质可为双铰线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。 CAN 总线技术的优点 国内汽车品牌中已经有几款车型应用了总线技术，这些技术完全来自国外。 目前应用总线的国产车中大多采用两套独立的 CAN 总线：一套是动力 CAN 数据传输系统，另一套是舒适 CAN 数据传输系统。 使用 CAN 总线后，对其优点进行了总结，得出以下结论： 1) 如果数据扩展以增加新的信息，只需升级软件即可。 2) 控制单元对所传输的信息进行实时检测，检测 到故障后存储故障码。 3) 使用小型控制单元及小型控制单元插孔可节省空间。 4) 使传感器信号线减至最少，控制单元可做到高速数据传输。 5) CAN 总线符合国际标准，因此可应用不同型号控制单元间的数据传输。 湖北汽车工业学院 本科 毕业设计（论文） 9 第 三 章 方案对比 这次设计的主要目的是 在选定的网络拓扑基础上，通过一种选定的通信介质完成汽车通信网络的组建，有以下几种方案： ， WireCAN WireLIN 本地互连网络 (LIN)是一个低成本、单线串行总线，能执行全双工串行通信。 LIN 用在汽车的分布式电子系统中，例如与智能传感器和传动器的通信。 LIN 协议能采用低成本的 UART/SCI 接口来实现，几乎所有的微控制器都提供这些接口。 LIN 网络由一个主控和多个从器件组成，主控器件发起所有的通信。 所有节点执行包括发送和接收任务在内的从属通信任务。 此外，主节点执行主控发送任务，主控任务能决定什么时候、哪一个帧将在总线上传输。 在该方式中，没有总线仲裁，并且在最坏情况下每个消息的时间很容易计算。 当一个消息帧发送时，在接收和过滤标识符后，仅有一个从器件得到激活。 如图 所示。 总线上的所 有消息以帧的形式发送，帧由一个帧头和响应字段(response field)组成。 主控器件始终在总线上发送帧头，帧头至少由一个 13 位字段、一个同步字节和一个 6 位标识符组成，该标识符的范围为 0 到 63。 响应字段由两个、四个和八个数据字节和具有倒置 8 位和的校验和字段，以及所有的数据字节和标识符组成。 图 显示了在一个消息帧上所有字段的排列顺序 只有很少微控制器集成有专用的 LIN 硬件，大多数供应商用 SCI 或 UART 来提供支持。 因为 LIN 物理层是一个从汽车自诊断用 ISO9141 标准引出的单线 12V 总线，所 以需要一个外部 LIN 收发器来转换电平。 例如当前市场上已有供货的摩托罗拉 IMC33689 LIN 和英飞凌公司的 TLE62592G 收发器。 湖北汽车工业学院 本科 毕业设计（论文） 10 WireCAN 在传统的 CAN 总线系统中 主要采用微处理器、 CAN 控制器和 CAN 总线驱动器模式，如图 所示。 图 基本电路 SJA1000 的 AD0~AD7 连接到微处理器 8051 的 P0 口， CS 连接到 8051 的。 为 0 时 CPU 片外存储器地址可选中 SJA1000， CPU 通过这些地址可对 SJA1000 执行相应的读 /写操作。 SJA1000 的 RD、 WR、 ALE 分别与 8051 的对应的引脚相连， INT 接8051 的 INT0， 8051 页可以通过中断方式访问 SJA1000。 为了增强 CAN 总线节点的抗干扰能力， SJA1000 的 TX0 和 RX0 并不直接与 82c250相连，而是通过高速光耦 6N137 后与 82C250 相连，这样就很好的实现了总线上的各CAN 节点间的电气隔离。 不过，应该特别说明的一点是，光耦部分电路所采用的两个电源 VCC 和 VDD 必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。 电源的完全隔离可采用小功率的电源隔离模块或带多 5V 隔离输出的开关电源模块 实现。 这些部分虽然增加了接口电路的复杂性，但是却踢过了节点的稳定性和安全性。 82C250 与 CAN 总线的接口部分野采用了一定的安全和抗干扰措施。 82C250 的CANH 和 CANL 引脚各自通过一个 5 欧的电阻与 CAN 总线相连，电阻 起到了一定的限流的作用，保护 82C250 免受过流的冲击。 CANH 和 CANL 与地之间并联了两个 30pF的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。 为了减少反射，在总线的两端加了 120 欧的电阻已达到阻抗匹配 的目的。 82C250 的 Rs 脚 上接有一个斜率电阻，电阻的大小可根据总 线的通信速率适当的调整，一般在 16~140K 欧之间。 FiberCAN 在现代通讯网中为了解决大容量．高速率、远距离数据传输问题，产生了光纤通讯湖北汽车工业学院 本科 毕业设计（论文） 11 网。 与双绞线和同轴电缆相比， 光缆还具有不辐射 、不导电、不存在光信号相互干扰的影响，也不会有在线路 “接头处 ”感应耦合导致的安全问题。 目前光纤的另一优越性能——强大的抗 EMI 能力， 引起人们的关注． 所以为进一步提高 CAN 网络的性能， 采用光纤作传输介质十分必要。 FiberCAN 节点 FiberCAN的节点连接方式和 WireCAN大致相同， 只是物理数据发送 的介质是 光纤，发送器为 光电转换器。 其原理图 如图。 图 CAN接口原理图 光纤的选择 塑料光纤 (POF)具备了有利于大量生产的若干优点。 首先，它是柔韧的并能在行车车辆中承受振动。 其次， 因为 POF是大直径光纤，它能传输的光通 量 大。 另外，这种光纤可允许中心轴线错位，不需要高度精密的接头，能容易与光源连接。 第 ， POF易于切断和加工。 汽车工程师们发现，选择最适用于汽车内部环境的光纤类型是更可取的， 而不是在汽 车中信号传输网络中仅采用单一种类的光纤。 目前有两种类型的塑料光纤： PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯 )和 PC(聚碳酸酯。