汽車CAN總線通信網(wǎng)絡可視化仿真和監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上汽車CAN總線通信網(wǎng)絡可視化仿真和監(jiān)控系統(tǒng)設計摘要：CAN總線已經(jīng)成為當今最成功的車載網(wǎng)絡標準，被廣泛應用于現(xiàn)代汽車控制中，但由于汽車應用環(huán)境的復雜性，CAN協(xié)議車載網(wǎng)絡的安全(容錯)性、實時性、可靠性以及帶寬資源利用能力至今仍未能滿足實際要求與發(fā)展需要。本課題就是在該背景之下深入研究了CAN總線通信協(xié)議，同時在VC+6.0環(huán)境下開發(fā)了CAN總線通信協(xié)議的可視化操作試驗平臺。該平臺能夠對CAN總線通信仿真，同時能夠實時的監(jiān)控實際車型的CAN總線通信系統(tǒng)。此外，仿真平臺開放了CAN總線上層應用層協(xié)議的制定，能夠按照用戶的需求，在基于CAN總線通信原則和通信數(shù)據(jù)格式的條件

2、下來制定應用層協(xié)議。此外，考慮到CAN總線通信數(shù)據(jù)多，速度快的特點，設計了數(shù)據(jù)庫，能夠實時的存儲通信數(shù)據(jù)。關鍵詞：CAN總線，VC+6.0，通信網(wǎng)絡第一章 緒論1.1 研究背景CAN 總線是種類眾多的現(xiàn)場總線的一種，它不但屬于一個開放通信網(wǎng)絡，同時也可以看做一種全分布控制系統(tǒng)。它作為智能設備的聯(lián)系橋梁，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡節(jié)點的智能設備相互連接，最終形成一個龐大的網(wǎng)絡系統(tǒng)，同時更進一步構建自動化系統(tǒng)，用來達到都基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合的目的1234。其規(guī)模屬于局域網(wǎng)、總線型結構，簡單但能滿足工業(yè)控制的需要。CAN 總線傳輸?shù)男畔绦。煽啃愿?6。

3、目前，高速發(fā)展的CAN 總線已經(jīng)形成了國際標準，被國際上眾多專家認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一567911。汽車電子裝置更新速度如此之快，通信方式也由原來的點對點變?yōu)榫W(wǎng)絡化，這就要求建立一個完整的測試平臺，對其復雜功能和參數(shù)進行測試，確保電子設備正常工作。CAN 現(xiàn)場總線由于其各方面的優(yōu)越性能，可以有效保證這些要求。CAN 總線整體性能雖然優(yōu)于其它總線，但在網(wǎng)絡負載較高情況下低優(yōu)先級信息幀的發(fā)送時延過長甚至無法發(fā)送，不僅影響整個通信網(wǎng)絡的實時性，在嚴重的情況下甚至會發(fā)生不可預料的事故。在比較復雜的環(huán)境下（如高溫、電磁干擾），都會對嵌有 CAN 裝置設備的可靠性產(chǎn)生一定影響。1.2 研究意義本問

4、的目的是希望開發(fā)出一套基于CAN總線通信的可視化監(jiān)控及仿真的試驗平臺。該可視化仿真平臺能夠模擬CAN總線通信的基本原理和方法，有些部分甚至能夠獨立運行，同時可以讓用戶按照CAI總線通信的標準制訂客戶的應用層協(xié)議來觀察其通信得質量。此外，通過所設計之后的硬件接口和實車系統(tǒng)進行連接，監(jiān)控試驗平臺能夠對其進行測試及監(jiān)控，進而得到真車通信系統(tǒng)上層通信協(xié)議格式，隨后深入分析該格式的優(yōu)勢。此外， 平臺能夠對通信數(shù)據(jù)進行顯示、統(tǒng)計、處理以及分析。經(jīng)過了上述的仿真和監(jiān)控，幫助我們研究一些國外先進車型的CAN總線技術特長和優(yōu)點。1.3 國內外研究現(xiàn)狀CAN總線自誕生之初，中間歷經(jīng)了上世紀90年代的飛速發(fā)展1-3

5、，已經(jīng)制定了在世界范圍內被廣泛接受的ISO國際標準(IS) 以及 CAN技術規(guī)范(CAN 2.0)。根據(jù)國際CAN用戶和制造商非營利組織CiA(CAN in Automation) 于上世紀90年代初的統(tǒng)計:在1998年CAN節(jié)點銷售量已經(jīng)達到9700萬個，其中80%安裝在歐洲，在這些CAN節(jié)點中80%應用在汽車工業(yè)，剩下20%則應用于工業(yè)控制系統(tǒng)和嵌入式網(wǎng)絡，如監(jiān)測系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)以及機器人控制系統(tǒng)等。令人注意的是CAN總線也應用在歐洲高能物理項目CERN之中。在21世紀之初，CAN總線技術發(fā)展迅速，在除了繼續(xù)應用于傳統(tǒng)的汽車應用領域，更開始逐漸應用在其他新的領域，如: 航空航天、醫(yī)療器械

6、、自動化控制、航海和國防軍事等多種領域。經(jīng)歷了多年的發(fā)展，CAN總線已經(jīng)被全世界多家權威研究機構和大型公司認為是今后最有前途的現(xiàn)場總線之一。我國科技創(chuàng)新的突飛猛和進經(jīng)濟的高速發(fā)展，CAN總線作為我國新興的科學技術手段，必將會在我國工業(yè)、農業(yè)以及生活等眾多領域發(fā)揮出巨大的作用和潛力，為推動我國的現(xiàn)代化建設做出應有的貢獻?，F(xiàn)在，國際上流行的總線主要有如下幾種：基金會現(xiàn)場總線、ProfiBus、ControlNet和CAN總線等。雖然都是總線，不過每一種總線技術所具有的特點都有著不同，而他們主要的應用的領域也都沒有重疊與交叉。(1) 基金會現(xiàn)場總線 (Foundation Fieldbus)國際著名

7、的現(xiàn)場總線基金會22是被國際多家研究機構和知名公司所認可的唯一一個既不附屬與某廠家，同時還是非商業(yè)化的國際標準化組織。它的前身是以美國Fisher-Rosemount公司為首聯(lián)合了ABB、橫河、Foxboro等80家公司一起制定的ISP協(xié)議?；饡F(xiàn)場總線選擇了ISO的開放互聯(lián)系統(tǒng)OSI的簡化模型（1、2、7層），即數(shù)據(jù)鏈路層、物理層、用戶層和應用層。信號的發(fā)射方式是由無線和光纖來發(fā)射，且傳輸?shù)膮f(xié)議協(xié)議符合流行的IEC1158-2標準。FF的傳輸信號采用曼徹斯特編碼，每段最多允許240個節(jié)點，段數(shù)目最多可達65000個，最大允許報文可達128個比特組。(2) ProfibusProfiBus

8、有著比較強烈的地域特性，是以歐洲用戶和廠家為主而研發(fā)的特殊領域的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。它是建立在德國標準(DIN19245)以及歐洲標準(EN50170)基礎上的現(xiàn)場總線標準27。ProfiBus是一種多主多從的令牌網(wǎng)絡，目前它可提供三種模式，Profibus 是由 Profisbus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA系列組成。一般可以用在過程自動化方面，由于是屬于低速總線，因此它可以提供總線供電以及本質安全。網(wǎng)絡中由耦合器連接和耦合兩個相異的網(wǎng)段，耦合器還可發(fā)揮出防爆和供電的作用。德國國家標準 DIN19245 和歐洲標準 EN50170 的現(xiàn)場總線標準2829，用于物料輸送機

9、械、大型裝配和過程控制，并由 ProfiBus.DP，ProfiBus.FMS，ProfiBus.PA 組成了 ProfiBus 系列。Profisbus-DP 型一般會用來分散的外部設備之間高速的數(shù)據(jù)的傳輸，非常適于自動化加工領域等方面的應用。Profibus-FMS 多數(shù)都會用在一般的自動化控制，因其支持多主處理，因此非常適用于紡織領域，同時在低壓開關、可編程控制器和樓宇自動化等也有著許多的應用。ProfiBus 支持多主多從式混合系統(tǒng)、純主站式系統(tǒng)、主從式系統(tǒng)等幾種傳輸?shù)姆绞?。ProfiBus 的傳輸速率一般在 9.6k12Mbit/s左右，其最大傳輸距離在 9.6kbit/s 的條件下

10、為1200m，在 12Mbit/s 的條件下為 200m。也支持使用中繼器延長至 10km，以光纜或雙絞線做為傳輸介質，可允許的最多連接數(shù)為 127 個站點。(3) DeviceNetDeviceNet 是一種低成本的通信連接，也是一種簡單的網(wǎng)絡解決方案。有著開放的網(wǎng)絡標準。DeviceNet 是具有的直接互連性，不僅改善了設備間的通信，也提供了非常重要的設備間的功能?；?CAN 技術，DeivceNet的傳輸速率達到了125500kbit/s ，每一個網(wǎng)絡最大的節(jié)點數(shù)是 64 。DeivceNet的通信方式為：客戶/生產(chǎn)者 (Consumer / Porducer)，選擇的是信息發(fā)送多信道

11、廣播的方法。在目前，現(xiàn)場總線在中國等一些發(fā)展中國家以及歐美等發(fā)達國家發(fā)展非常迅速，而且已經(jīng)成功應用在很多領域，在全球很多地區(qū)，有許多的大專院校以及研究機構都在利用擁有的資源以及他們本身所學的知識，想盡辦法來幫助那些普通用戶加深對現(xiàn)場總線技術的認識和理解27-33。國內外的很多儀表制造商，都把對現(xiàn)場總線技術的發(fā)展以及產(chǎn)品作為重點來研究，這種策略是基于他們目前對國際時尚的需求和現(xiàn)場技術的發(fā)展趨勢，是非常有遠見的。在國內的汽車行業(yè)中，如上海帕薩特B5、國產(chǎn)一汽寶來(BORA)、一汽奧迪A6等很多汽車廠商都開始使用CAN總線系統(tǒng)。不僅在汽車業(yè)，CAN總線系統(tǒng)也已成功應用在如火車、船舶、煤礦等其他幾種交

12、通工具中。煤炭科學研究總院撫順分院曾經(jīng)將CAN總線運用到了 KJF-1型煤礦火災監(jiān)控系統(tǒng)中3435。由于KJF-1型煤礦火災監(jiān)控系統(tǒng)使用了 CAN總線，不僅節(jié)點間實現(xiàn)了直接數(shù)據(jù)通訊，具備了無主通訊功能，而且通訊速率也遠大于原有的監(jiān)控系統(tǒng)。CAN總線所獨有的諸多優(yōu)勢，使CAN成為串行總線的領頭羊，早在上世紀1999年，6千萬個CAN控制器就已經(jīng)在各個領域中表現(xiàn)頗為出色，顯示出了很好的前景，2000年，超過1億個CAN器件已經(jīng)開始大規(guī)模銷售?，F(xiàn)如今，CAN總線已經(jīng)開始應用在一些過去被認為根本不會被使用的領域，比如家庭消費需要CAN總線的實時監(jiān)控以及娛樂方便等，而在一些涉密單位，更加需要一些結合更高

13、層協(xié)議應用的特殊保全系統(tǒng)，它們不同于早先簡單的安保系統(tǒng)，這樣就要釆用有著更高性能的CAN總線。目前已經(jīng)有一些基于CAN的保安系統(tǒng)經(jīng)通過了權威認證，權威機構包括了TUV（德國安全標準權威）以及BIA（即德國專業(yè)委員），這足以說明CAN總線的優(yōu)越性。在全球范圍內Open-Safety CAN解決方案有幸獲得了他們的第一個許可認證。在此之后，很多其他方案開始逐步擴大CAN的應用范圍。比如DeviceNet-Safety364243，不僅要CAN應用在陸地上，更要向?？辗矫孢M行發(fā)展。全球分級協(xié)會的領導正在設計方案要在海事運輸中實現(xiàn)CANopen固件的使用。總的說來，CAN總線有著很強大的發(fā)展?jié)摿?、市?/p>

14、前景和生命力。作為在國內外正處于發(fā)展鼎盛時期的技術手段， 其技術應用水平在近十幾年中以極高的速度在發(fā)展，帶動了我國工業(yè)控制的自動化水平。在現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展和我國經(jīng)濟改革不斷深入的背景下，在巨大的全球市場中，CAN總線必然以其獨特之處而得到更加廣泛的應用。第二章 CAN總線技術原理及特點2.1 現(xiàn)場總線的原理CAN 是一個多主的總線網(wǎng)絡， 網(wǎng)絡上的各節(jié)點都有權向其它的節(jié)點發(fā)送信息， 通信介質可以是光纖、同軸電纜或雙絞線， 其主要的特點為:通信速率/ 距離為5kbps/10km1Mbps/ 40m， 網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)可以達到110個， 每以個節(jié)點都可以主動的進行傳輸， 通信介質可以是光纖、同軸電纜或

15、雙絞線; 采取點對點、全局廣播發(fā)送接受數(shù)據(jù); 可以實現(xiàn)全分布式的多機系統(tǒng)， 并且沒有主從機之分， 每點都可以主動發(fā)送報文， 能夠方便地構成多機備份系統(tǒng); 使用了非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術時， 在兩個節(jié)點同時向網(wǎng)上發(fā)送信息的時候，優(yōu)先級低的那些節(jié)點將會主動的停止發(fā)送數(shù)據(jù); 支持4種報文幀即遠程幀、數(shù)據(jù)幀、超載幀、出錯幀， 選擇了短幀結構， 受干擾概率低、傳送時間短; 選擇了CRC 校驗及其他校驗措施， 可以達到極低的信息出錯率; 具備了自動關閉的功能，當節(jié)點錯誤嚴重時， 自動切斷與總線的聯(lián)系， 以不影響系統(tǒng)的工作。2.2 現(xiàn)場總線的特點現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和其他自動化系統(tǒng)的雙向全數(shù)字的多站

16、通信系統(tǒng)，也就是說，即現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡節(jié)點是具有數(shù)字化與智能化特征的控制設備與監(jiān)測系統(tǒng)，這些以分散的設備通過總線與系統(tǒng)相連接實現(xiàn)雙向的信息交互，共同協(xié)作完成自動控制，網(wǎng)絡管理和分級管理?，F(xiàn)場總線技術為現(xiàn)場控制設備和高級控制或應用系統(tǒng)之間的信息交互提供了必備的通訊網(wǎng)絡，解決了工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行部件等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信問題2?，F(xiàn)場總線技術的主要應用領域包括：機械制造業(yè)、交通運輸業(yè)、冶金制造業(yè)與能源行業(yè)等?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術基礎是測量控制儀表具備數(shù)字計算和數(shù)字通訊能力3。伴隨著微電子技術與集成電路技術的發(fā)展，現(xiàn)在數(shù)字測量控制儀表都具有專用的微處理器與通訊接口，多個測量控制儀表之間

17、采用雙絞線作為總線，進行簡單連接后即可形成基本的網(wǎng)絡系統(tǒng)。系統(tǒng)內部的各組成單元按照規(guī)范公開的通信協(xié)議進行數(shù)字通信，初步形成了適合現(xiàn)場環(huán)境與監(jiān)控領域的自動化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線控制中心系統(tǒng)對位于現(xiàn)場的數(shù)字測量控制儀表設備之間進行遠程控制。現(xiàn)場總線系統(tǒng)在技術上具有以下特點：(1) 功能的自治性自治性是指現(xiàn)場設備可在脫離控制設備或控制系統(tǒng)的情況下，獨自完成基本的自動控制功能，由于設備自身具有一定的計算能力，所以能夠將傳感信息進行自動采集并進行補償計算，通過總線通信接口將工程信息以數(shù)字信號的形式發(fā)送給控制系統(tǒng)。(2) 結構的分散性分散性是指現(xiàn)場總線的系統(tǒng)建構具有分布式的特點，構成現(xiàn)場總線的是一種

18、全分散的控制系統(tǒng)結構，這種結構提高了整體的可靠性，局部因素不會影響整體系統(tǒng)的運行，并且在異常狀態(tài)系統(tǒng)可進行自診斷。(3) 環(huán)境的適應性環(huán)境的適應性是指現(xiàn)場總線所支持的通訊介質多樣，可適應不同環(huán)境下對通訊技術的要求，一般來講，絕大多數(shù)現(xiàn)場總線支持雙絞線與光纖兩種通訊介質，此外，部分現(xiàn)場總線設備還支持、外線，射頻信號以及電力線等，現(xiàn)場總線可根據(jù)實施環(huán)境的不同而選擇不同的通訊介質進行通訊。（4）安裝容易 現(xiàn)場總線由其獨特的模塊化結構， 體積小， 節(jié)省空間;同時屬于標準導軌安裝， 可以做到即插即用，非常方便。（5）防護級別高現(xiàn)場總線的防護箱可達IP65 防護等級: 為適應工業(yè)現(xiàn)場工業(yè)總線系統(tǒng)的發(fā)展，

19、例如化工業(yè)、食品業(yè)等系統(tǒng)防護需求， 以及冶金、化工等工礦企業(yè)惡劣的現(xiàn)場環(huán)境， 提供了具有IP65 防護等級的產(chǎn)品。2.3 現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從系統(tǒng)組成方面來看，現(xiàn)有的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是由儀器儀表，總線傳輸設備與軟件系統(tǒng)共同組成，其中軟件系統(tǒng)按照系統(tǒng)功能，可劃分為測量軟件系統(tǒng)、控制軟件系統(tǒng)、設備管理軟件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)四個組成部分11。下面針對軟件系統(tǒng)的功能進行概要介紹：(1)數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)與企業(yè)辦公網(wǎng)絡不同，工業(yè)總線是一個相對獨立封閉的自動化工控網(wǎng)絡，要實現(xiàn)自動化控制網(wǎng)與計算機之間的信息交互，就需要一套數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負責自動化控制網(wǎng)與計算機之間的雙向信息交互12?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的數(shù)

20、據(jù)處理系統(tǒng)，通常與控制系統(tǒng)部署在一起，在工業(yè)總線網(wǎng)絡運行過程中，通過網(wǎng)絡技術與組態(tài)技術對系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)處理與計算。(2)控制軟件系統(tǒng)：控制軟件系統(tǒng)是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的最重要的軟件系統(tǒng)之一，一套完整的控制軟件系統(tǒng)通常由組態(tài)軟件，仿真軟件和監(jiān)控軟件共同組成13。系統(tǒng)操作員通過人機軟件接口對系統(tǒng)進行配置，通過組態(tài)軟件完成對設備進行功能參數(shù)定義，設置各個功能模塊的連接，同時優(yōu)化網(wǎng)絡結構與控制邏輯。當系統(tǒng)組態(tài)配置完成之后，系統(tǒng)使用人員即可通過監(jiān)控軟件，實時監(jiān)視現(xiàn)場總線的工作情況，系統(tǒng)還提供了查詢統(tǒng)計，報表輸出，報警提示等其他監(jiān)測軟件所必備的常用功能。(3)測量軟件系統(tǒng)：伴隨著智能測量儀表的

21、出現(xiàn)，數(shù)字式儀表已經(jīng)具有數(shù)據(jù)采集與計算能力，通過總線網(wǎng)絡將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到測量軟件系統(tǒng)。測量軟件系統(tǒng)具有多參數(shù)高性能的技術特點，并且能夠實時顯示儀表的狀態(tài)信息，例如儀表電壓，電量，閥門通斷等13。系統(tǒng)操作員可通過測量軟件隨時觀測各設備的工作狀態(tài)與現(xiàn)場參數(shù)變化，極大的方便了生產(chǎn)流程的調度與控制。(4)設備管理軟件系統(tǒng)：設備管理軟件系統(tǒng)主要是針對設備的信息進行統(tǒng)一管理，其功能包括設備的廠商信息，出場日期，設備診斷信息，運行狀態(tài)記錄，設備維護與更換信息等。該軟件的重要作用是通過可靠性智能預測分析對設備進行預防性維護，降低了設備運行風險，采用了可預測性的管理維護替代了被動的管理模式。2.4 關鍵技術(1

22、) 網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)并發(fā)處理本系統(tǒng)與現(xiàn)場總線或其他類型的現(xiàn)場總線系統(tǒng)之間是一對多的雙向通信關系，在多個現(xiàn)場總線系統(tǒng)同時向本系統(tǒng)發(fā)送業(yè)務數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會面臨數(shù)據(jù)并發(fā)處理的問題。所以，本系統(tǒng)在保障系統(tǒng)性能的前提下，要充分考慮網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)的并發(fā)處理問題，包括數(shù)據(jù)的接收，緩存，解析和上行處理通知等。(2) 多版本異構數(shù)據(jù)的并行解析當數(shù)據(jù)進入本系統(tǒng)之后，本系統(tǒng)將開始對數(shù)據(jù)的處理，包括過慮，校驗，解析，二次封裝，分發(fā)等一系列處理步驟，其中數(shù)據(jù)的解析是數(shù)據(jù)處理的重點。本系統(tǒng)不僅僅要面對的是多個網(wǎng)絡通信的并發(fā)訪問問題，而且還要面臨多版本異構數(shù)據(jù)解析的問題。由于現(xiàn)場總線領域缺少統(tǒng)一的協(xié)議規(guī)范，即使是同一廠家的產(chǎn)品，軟

23、件版本的升級必然會產(chǎn)生數(shù)據(jù)格式異構的問題。所以，本系統(tǒng)要有一套可靠的機制來保證多版本異構數(shù)據(jù)的并行解析。(3) 針對多應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐本系統(tǒng)的一項重要功能是實現(xiàn)了對多個應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，與網(wǎng)絡通信并發(fā)訪問的情況一樣，本系統(tǒng)與應用系統(tǒng)之間也是一對多的關系。本系統(tǒng)根據(jù)應用系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)訂閱的策略和上行數(shù)據(jù)類別的不同能夠實現(xiàn)向多個應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分發(fā)。綜上所述，系統(tǒng)目標的設定是源于對現(xiàn)有產(chǎn)品的實際使用需要，本系統(tǒng)的關鍵是實現(xiàn)了網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)向應用數(shù)據(jù)的轉化，同時，為了便于系統(tǒng)未來的擴展性和兼容性，我們提高了系統(tǒng)的技術指標，并且增強了產(chǎn)品功能，以上核心系統(tǒng)目標明確了產(chǎn)品方案和產(chǎn)品設計的目的性。第三章

24、硬件描述3.1 系統(tǒng)分析適用于汽車總線的通用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要作用是用于汽車總線系統(tǒng)與其它應用系統(tǒng)之間的雙向通訊服務。從系統(tǒng)的層次結構角度來看，本系統(tǒng)即是連接汽車總線與外部應用的中間系統(tǒng)，也是總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的必備條件。作為具有數(shù)據(jù)處理功能的服務系統(tǒng)，本系統(tǒng)對于總線網(wǎng)絡以及應用系統(tǒng)都是必不可少的數(shù)據(jù)支撐15。系統(tǒng)的應用領域主要為工業(yè)與制造業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的設備通信控制與網(wǎng)絡管理，對于系統(tǒng)的通信性能，容錯能力，解析規(guī)則，外部接口，數(shù)據(jù)格式等都具備非常高的要求。按照總線控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理應用服務的三層解決方案，本系統(tǒng)的分析工作將分別從通信服務，系統(tǒng)內部功能和應用服務三項內容進行闡述。汽車總線網(wǎng)絡

25、通信服務汽車總線網(wǎng)絡通信服務實現(xiàn)了本系統(tǒng)與汽車總線網(wǎng)絡的通信。分析要點包括如下內容：（1） 通信服務需求首先，通信服務支持以太網(wǎng)口數(shù)據(jù)接口。對于以太網(wǎng)接口，系統(tǒng)要求能夠實現(xiàn)多設備并發(fā)接入，可以同時最多打開多個以太網(wǎng)端口，以服務的形式進行網(wǎng)絡通信12。系統(tǒng)啟動后，應按照系統(tǒng)的通信配置項開啟以太網(wǎng)端口，等待網(wǎng)絡通信的接入，而每個端口又是異步的處理方式，這樣在打開多個端口的情況下可支持大于多個設備的并發(fā)接入。再次，本系統(tǒng)與設備之間的以太網(wǎng)通信方式應采用長連接的通信方式。數(shù)據(jù)服務接入的瓶頸不在于數(shù)據(jù)的接收，處理或響應，而在于數(shù)據(jù)連接的建立，如果采用短連接的方式，周期更長，并且需要頻繁的身份認證，數(shù)據(jù)處

26、理的實時性將極為低下；最后，本系統(tǒng)與設備之間的這種長連接方式，還將提高本系統(tǒng)向總線網(wǎng)絡的控制信息的快速下發(fā)。（2） 功能性需求首先，接收的消息數(shù)據(jù)緩存在消息隊列中，并在文件中緩存，數(shù)據(jù)解析成功后要清除原始數(shù)據(jù)，只有數(shù)據(jù)碎片和非法數(shù)據(jù)被保留。其次，對于接入的連接要進行數(shù)據(jù)回復，保證發(fā)送超時的情況下，設備重新接，重發(fā)數(shù)據(jù)。最后，為了保證連接的有效性，設備與系統(tǒng)之間采用發(fā)送/應答心跳幀的方式保持通訊鏈路的連接狀態(tài)。系統(tǒng)內部功能（1） 功能性需求首先，本系統(tǒng)的重要功能之一是解決多數(shù)據(jù)版本兼容問題。本系統(tǒng)所處理的數(shù)據(jù)內容多樣，總線協(xié)議格式異構，為了滿足協(xié)議版本兼容性的需求，我們將采用如下方式：1.本系統(tǒng)

27、支持版本庫的管理；2.上傳的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)符合標準的總線協(xié)議，既在數(shù)據(jù)前封裝制定格式的數(shù)據(jù)頭（包括廠家編號，協(xié)議編號和協(xié)議版本等）3.標準的 DDL，對于協(xié)議的識別，解析以及數(shù)據(jù)存儲均采用標準的 DDL 執(zhí)行。其次，與協(xié)議解析相對應的是下行數(shù)據(jù)也要采用標準版本庫的處理方式；系統(tǒng)實現(xiàn)DDL 注冊機功能，用于校驗 DDL 的合法性和完整性。最后，系統(tǒng)還應支持線程池與數(shù)據(jù)庫連接池的管理。由于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的多樣性，所以不能使用數(shù)據(jù)工廠模式進行數(shù)據(jù)的生成與寫入，由標準的 DDL 引用數(shù)據(jù)庫鏈接進行數(shù)據(jù)的寫入與讀取。（2） 數(shù)據(jù)管理需求首先，系統(tǒng)要能實現(xiàn)數(shù)據(jù)日清理，對于系統(tǒng)工作所使用的數(shù)據(jù)庫要每日進行清理和備份，

28、提高數(shù)據(jù)表的查詢能力。其次，為了便于數(shù)據(jù)維護，系統(tǒng)應實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的備份與恢復功能。應用服務功能性需求首先，本系統(tǒng)與應用系統(tǒng)間的網(wǎng)絡通信格式支持 TCP/IP 數(shù)據(jù)服務與 Web service 服務兩種通信方式。在數(shù)據(jù)通信期間，針對 Web Service 我們采用 SOAP 協(xié)議，針對 TCP/IP我們使用 XML 文檔或具備 XML 格式的數(shù)據(jù)幀進行數(shù)據(jù)傳輸，無論采用哪種方式，我們所發(fā)送的數(shù)據(jù)內容和格式是規(guī)范的，便于系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)生成，更便于應用系統(tǒng)的解析，對后續(xù)應用系統(tǒng)的升級不存在任何數(shù)據(jù)格式可變因素影響。其次，應用系統(tǒng)與本系統(tǒng)之間采用訂閱/發(fā)布與請求/應答兩種工作模式：在訂閱/發(fā)布模式中

29、，應用本系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)服務層向數(shù)據(jù)本系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)訂閱，數(shù)據(jù)本系統(tǒng)根據(jù)已訂閱的規(guī)則實時地向應用本系統(tǒng)發(fā)布數(shù)據(jù)消息；在請求/應答模式中，應用本系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)服務層向數(shù)據(jù)本系統(tǒng)發(fā)起服務請求，數(shù)據(jù)本系統(tǒng)根據(jù)當前請求的上下文信息進行相應的服務應答。最后，本系統(tǒng)要進行應用系統(tǒng)的注冊管理。系統(tǒng)要為應用提供可接入的服務端口，應用系統(tǒng)通過服務端口進行服務信息注冊，信息注冊的內容包括應用系統(tǒng)的名稱，服務類型，服務地址，數(shù)據(jù)訂閱類別等。3.2 硬件電路設計為了與CAN總線進行連接，還需要使用控制接口芯片、CAN協(xié)議處理。本設計中所使用的是TJA1050和飛思卡爾的MCS912DJ644微處理器滿足了和CAN總線連接的需

30、求。MASCAN12的CAN總線協(xié)議處理芯片被集成在了MCS912DJ644的內部，有5個FIFO接收緩沖器和3個發(fā)送緩存器。CAN控制器被集成于片內的好處就在于電路有著很強的抗干擾能力;在開發(fā)的過程當中，操作CAN控制器非常方便; 節(jié)省了PCB板的面積、電路簡單;能夠縮短硬件的開發(fā)周期; CPU在負載CAN控制器的時候負載比較低，一般為獨立CAN的一半。協(xié)議處理芯片僅僅處理CAN總線協(xié)議數(shù)據(jù)，但依然需要具體的硬件接口和硬件CAN總線進行連接，發(fā)送、接收CAN總線數(shù)據(jù)幀，論文采用TJA1050作為CAN總線收發(fā)芯片。3.2.1 USB接口電路通過連接上位機的USB總線, USB接口電路會接收U

31、SB數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來自上位機。USB接口轉發(fā)數(shù)據(jù)至微處理器 ,數(shù)據(jù)也通過USB總線將微處理器發(fā)出來的發(fā)送至主機。通過USB控制器EZUSBFXZ把主機的USB信號轉化為并行信號,將其傳送至微控制器MCS912DJ644,并能夠接收微控制器MCS912DJ644傳來的信號轉換后發(fā)送至主機。電路模塊如圖3-1所示:圖3-1 USB接口電路圖通過CAN總線收發(fā)器TJA1050，MC9S12DJ64內部的MSCAN12模塊接收CAN總線上的數(shù)據(jù)幀，USB控制器EZ-USBFX2會接收經(jīng)過MC9S12DJ64處理后轉化成的信號。MC9S12DJ64接收來自USB數(shù)據(jù)傳輸請求，并經(jīng)過MSCAN12通過總線收

32、發(fā)器TJA1050將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到CAN總線上。電路圖如圖3-2所示.圖3-2 CAN接口電路MC9S12DJ64中MSCAN12的TXCAN、RXCAN管腳分別和CAN總線收發(fā)器TJA1050的TXD、RXD管腳進行連接。為了使抗干擾能力得到提高,管腳利用光耦隔離器6N137進行互相連接,這樣就可以實現(xiàn)總線上各個CAN節(jié)點間之間的電氣隔離。為了使CAN通訊的可靠性得到提升,通常終端匹配電阻要加在CAN總線網(wǎng)絡的兩個端點之間。傳輸電纜的阻抗特性決定了終端匹配電阻的大小。3.2.2 電平轉換電路由于USB控制器EZ一USB FX的I/O電平為3.3V,而微處理器MC9S12DJ64的I/O電平值是

33、5V,因此必須對此加以電平轉換。SN74ALVC是5V一3.3V電平轉換的芯片,目的是為了控制微處理器USB控制器EZ一USBFX與MCS912DJ644之間電平轉換以及數(shù)據(jù)的流向。電路圖如3-3所示。圖3-3 電平轉換電路3.2.3整體電路設計圖3-4 整體電路設計第四章 軟件設計4.1 軟件總體設計設計在充分遵守CAN協(xié)議和USB的基礎之上,滿足了CAN數(shù)據(jù)與USB數(shù)據(jù)之間的轉發(fā)和轉換。因為僅USB協(xié)議的低速模式就可以達到1.SMbPs, 高速達到480MbPs,全速為12Mbps,相比之下CAN總線最高速度也只有1Mb/s,因此兩者之間速度的差異在設計中必須予以解決。此外,USB協(xié)議規(guī)定

34、了在總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式,一個數(shù)據(jù)幀在全速的情況下有1500字節(jié),低速的幀也包含187字節(jié)。而一個CAN數(shù)據(jù)包中最多只包含8個字節(jié),因此對于CAN總線小的數(shù)據(jù)包和USB大的數(shù)據(jù)包的差異也必須考慮到。設計中CAN和USB采用了中斷方式, USB和CAN數(shù)據(jù)包由中斷處理程序得到并存入緩沖區(qū)中。微處理器固件程序主要完成數(shù)據(jù)的轉發(fā),即將USB數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)處理后轉發(fā)給CAN處理芯片,發(fā)送到CAN總線上,同時將CAN數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)包轉發(fā)給USB控制芯片,轉發(fā)給上位機。4.2 微控制器固件設計固件程序指的是運行在設備CPU之中的程序。該程序只有在運行時,外設才可以真正的具有給定功能。本文中的MCS91

35、2DJ64固件程序主要實現(xiàn)如下的功能: 初始化MSCAN控制器;初始化EZ一USBFXZusB接口芯片;接收USB接口發(fā)來的命令,同時按照事先用戶的定義, 對CAN執(zhí)行的操作,比如向總線發(fā)送CAN數(shù)據(jù)幀;當其他CAN節(jié)點有報文傳來時,將會接收報文并利用USB接口直接向計算機上傳。USB總線速率則要高出許多,而且USB數(shù)據(jù)包比CAN總線數(shù)據(jù)包大的多,所以向CAN接口發(fā)送數(shù)據(jù)主要的任務是完成拆包以及如何重新打包。對于CAN數(shù)據(jù)包接收任務,因為USB數(shù)據(jù)包和速度都較CAN總線數(shù)據(jù)包要大的多,在CAN數(shù)據(jù)包時來到時,能夠將數(shù)據(jù)包直接發(fā)送至USB接口緩沖區(qū),轉發(fā)給上位機腳l。第五章 軟件平臺總體設計5.

36、1 制節(jié)點的仿真 作為多主模式總線, CAN總線上各個控制節(jié)點都能夠為接收和發(fā)送節(jié)點,所有的節(jié)點都有自治的能力。各個節(jié)點在仿真系統(tǒng)中都具有如下的功能:(l)該節(jié)點相關的數(shù)據(jù)幀的生成,例如車門控制器節(jié)點能夠發(fā)送當前車門狀態(tài)信息的CAN數(shù)據(jù)幀;(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀,發(fā)送生成的數(shù)據(jù)幀到仿真總線上。而且，總線有著仲裁能力,即總線按照各數(shù)據(jù)幀的權限來最終確定總線由哪個節(jié)點來占用,最終權限最高的數(shù)據(jù)幀才能獲得總線,剩下的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)自動結束,進入接收狀態(tài),等到總線空閑時再進行總線仲裁;(3)接收數(shù)據(jù)幀, 接收模塊在仿真總線上有數(shù)據(jù)幀發(fā)送時接收當前數(shù)據(jù)幀;(4)處理數(shù)據(jù)幀,在已經(jīng)接收到的幀中取出m部分, 丟棄和

37、本身無關的數(shù)據(jù)幀,若有關就進行下一步得處理。在接收到遠程幀的時候,則發(fā)送具有相同m的數(shù)據(jù)幀。每一組成模塊和它們的關系如圖5-1所示:圖5-1 控制節(jié)點各模塊組成5.2 仿真平臺低速CAN通信模塊設計5.2.1 節(jié)點ID的分配一般低速CAN應用與汽車的舒適系統(tǒng)當中。在本文的仿真系統(tǒng)當中,所有的控制節(jié)點所對應的ID號都能夠由用戶自己來定義。在司機一側的左前門控制單元有著更高的權限（優(yōu)先級）,它能夠舒適系統(tǒng)的其他部分進行控制。較小ID號的模塊有著較高的權限,因此為左前門分配的ID值應小于舒適系統(tǒng)中的其他模塊。5.2.2 車門模塊的設計因為各個控制節(jié)點有著一些共同特征,所以在設計當中要盡量對所有的控制

38、節(jié)點采取面向對象的設計方法,合理選擇一個抽象類,代表所有節(jié)點共同的特征,同時用類圖的方式來表達其間的關系。圖5-2表示了控制模塊類圖:圖5-2 控制模塊類關系圖所有的中央控制單元和車門控制單元都是以ControlNode為基類的派生類,Control Node類有著控制單元共同的屬性;當前節(jié)點狀態(tài)mState; 當前總線波特率m_baudrate;兩個錯誤計數(shù)器: 發(fā)送錯誤計數(shù)器(m_sendErrCount)和接收錯誤計數(shù)器(mReeErrCount)。其余相同的操作有數(shù)據(jù)幀的接收, 控制節(jié)點的初始化 ,數(shù)據(jù)幀的發(fā)送, 數(shù)據(jù)幀的校驗以及對遠程幀的響應的操作等。ReeeiveFrame成員負責

39、接收數(shù)據(jù)幀功能。ResponseRemoteFrame定義為純虛函數(shù),需要借助實際的子類來實現(xiàn),實現(xiàn)不同的控制節(jié)點對遠程幀的不同響應。其他成員函數(shù)也都定義為虛函數(shù),當各個具體節(jié)點需要完成自己特有的功能時,再由具體的節(jié)點類進行實現(xiàn)。5.2.3 后備箱、后視鏡模塊設計后備箱、后視鏡控制節(jié)點和其他車門的設計相似,就是對各自對應的節(jié)點動作的控制。圖5-3是后視鏡單元類圖:圖5-3 后視鏡控制節(jié)點類圖在收到相應的協(xié)議控制幀后,后視鏡控制節(jié)點調用后視鏡顯示模塊的顯示函數(shù),對相應的動作進行顯示,例如后視鏡向下、向上、向右、向左、收起等的動作。5.3 仿真平臺運行為了更加直觀觀察CAN總線的運行規(guī)律,仿真平臺選擇了微軟VisualC+6.0進行開發(fā)。VisualC+6.0功能齊全，是一種面向對象的開發(fā)工具, 可以直接對硬件操作并支持多任務多線程。所以在此設計當中利用其特點進行設計,能夠