汽車CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)可視化仿真和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上汽車CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)可視化仿真和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計摘要：CAN總線已經(jīng)成為當(dāng)今最成功的車載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車控制中，但由于汽車應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，CAN協(xié)議車載網(wǎng)絡(luò)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?qū)AN總線通信仿真，同時能夠?qū)崟r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(yīng)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(yīng)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(shè)計了數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崟r的存儲通信數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：CAN總線，VC+6.0，通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)，同時也可以看做一種全分布控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系橋梁，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能設(shè)備相互連接，最終形成一個龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時更進一步構(gòu)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(jié)構(gòu)，簡單但能滿足工業(yè)控制的需要。CAN 總線傳輸?shù)男畔绦?，可靠性?6。

3、目前，高速發(fā)展的CAN 總線已經(jīng)形成了國際標(biāo)準(zhǔn)，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(luò)化，這就要求建立一個完整的測試平臺，對其復(fù)雜功能和參數(shù)進行測試，確保電子設(shè)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(luò)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(luò)的實時性，在嚴重的情況下甚至?xí)l(fā)生不可預(yù)料的事故。在比較復(fù)雜的環(huán)境下（如高溫、電磁干擾），都會對嵌有 CAN 裝置設(shè)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(biāo)準(zhǔn)制訂客戶的應(yīng)用層協(xié)議來觀察其通信得質(zhì)量。此外，通過所設(shè)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?qū)ζ溥M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?qū)νㄐ艛?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(shù)特長和優(yōu)點。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀CAN總線自誕生之初，中間歷經(jīng)了上世紀(jì)90年代的飛速發(fā)展1-3

5、，已經(jīng)制定了在世界范圍內(nèi)被廣泛接受的ISO國際標(biāo)準(zhǔn)(IS) 以及 CAN技術(shù)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(jì)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(yīng)用在汽車工業(yè)，剩下20%則應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)和嵌入式網(wǎng)絡(luò)，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(yīng)用在歐洲高能物理項目CERN之中。在21世紀(jì)之初，CAN總線技術(shù)發(fā)展迅速，在除了繼續(xù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的汽車應(yīng)用領(lǐng)域，更開始逐漸應(yīng)用在其他新的領(lǐng)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(lǐng)域。經(jīng)歷了多年的發(fā)展，CAN總線已經(jīng)被全世界多家權(quán)威研究機構(gòu)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(xué)技術(shù)手段，必將會在我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活等眾多領(lǐng)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(shè)做出應(yīng)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(shù)所具有的特點都有著不同，而他們主要的應(yīng)用的領(lǐng)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(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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。基金會現(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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。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(lǐng)域的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。它是建立在德國標(biāo)準(zhǔn)(DIN19245)以及歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN50170)基礎(chǔ)上的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)27。ProfiBus是一種多主多從的令牌網(wǎng)絡(luò)，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(zhì)安全。網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn) DIN19245 和歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN50170 的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備之間高速的數(shù)據(jù)的傳輸，非常適于自動化加工領(lǐng)域等方面的應(yīng)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(lǐng)域，同時在低壓開關(guān)、可編程控制器和樓宇自動化等也有著許多的應(yīng)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(zhì)，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(luò)解決方案。有著開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet 是具有的直接互連性，不僅改善了設(shè)備間的通信，也提供了非常重要的設(shè)備間的功能?；?CAN 技術(shù)，DeivceNet的傳輸速率達到了125500kbit/s ，每一個網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用在很多領(lǐng)域，在全球很多地區(qū)，有許多的大專院校以及研究機構(gòu)都在利用擁有的資源以及他們本身所學(xué)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(shù)的認識和理解27-33。國內(nèi)外的很多儀表制造商，都把對現(xiàn)場總線技術(shù)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(shù)的發(fā)展趨勢，是非常有遠見的。在國內(nèi)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(yīng)用在如火車、船舶、煤礦等其他幾種交

12、通工具中。煤炭科學(xué)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(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中3435。由于KJF-1型煤礦火災(zāi)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(lǐng)頭羊，早在上世紀(jì)1999年，6千萬個CAN控制器就已經(jīng)在各個領(lǐng)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。現(xiàn)如今，CAN總線已經(jīng)開始應(yīng)用在一些過去被認為根本不會被使用的領(lǐng)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(jié)合更高

13、層協(xié)議應(yīng)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(quán)威認證，權(quán)威機構(gòu)包括了TUV（德國安全標(biāo)準(zhǔn)權(quán)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(nèi)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(yīng)用范圍。比如DeviceNet-Safety364243，不僅要CAN應(yīng)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(lǐng)導(dǎo)正在設(shè)計方案要在海事運輸中實現(xiàn)CANopen固件的使用?？偟恼f來，CAN總線有著很強大的發(fā)展?jié)摿Α⑹袌?/p>

14、前景和生命力。作為在國內(nèi)外正處于發(fā)展鼎盛時期的技術(shù)手段， 其技術(shù)應(yīng)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(shù)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(yīng)用。第二章 CAN總線技術(shù)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(luò)， 網(wǎng)絡(luò)上的各節(jié)點都有權(quán)向其它的節(jié)點發(fā)送信息， 通信介質(zhì)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(luò)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(zhì)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(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)， 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(guān)閉的功能，當(dāng)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(shè)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(luò)節(jié)點是具有數(shù)字化與智能化特征的控制設(shè)備與監(jiān)測系統(tǒng)，這些以分散的設(shè)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(luò)管理和分級管理。現(xiàn)場總線技術(shù)為現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制或應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息交互提供了必備的通訊網(wǎng)絡(luò)，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(shè)備間的數(shù)字通信問題2?，F(xiàn)場總線技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)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。現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)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(shù)與集成電路技術(shù)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(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)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(lǐng)域的自動化網(wǎng)絡(luò)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(shè)備之間進行遠程控制?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點：(1) 功能的自治性自治性是指現(xiàn)場設(shè)備可在脫離控制設(shè)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(shè)備自身具有一定的計算能力，所以能夠?qū)鞲行畔⑦M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(jié)構(gòu)的分散性分散性是指現(xiàn)場總線的系統(tǒng)建構(gòu)具有分布式的特點，構(gòu)成現(xiàn)場總線的是一種

18、全分散的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)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(yīng)性環(huán)境的適應(yīng)性是指現(xiàn)場總線所支持的通訊介質(zhì)多樣，可適應(yīng)不同環(huán)境下對通訊技術(shù)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(zhì)，此外，部分現(xiàn)場總線設(shè)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(zhì)進行通訊。（4）安裝容易 現(xiàn)場總線由其獨特的模塊化結(jié)構(gòu)， 體積小， 節(jié)省空間;同時屬于標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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(yīng)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(shè)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(shè)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(luò)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(luò)，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(zé)自動化控制網(wǎng)與計算機之間的雙向信息交互12。現(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(luò)運行過程中，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與組態(tài)技術(shù)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(shè)備進行功能參數(shù)定義，設(shè)置各個功能模塊的連接，同時優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與控制邏輯。當(dāng)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(luò)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(shù)特點，并且能夠?qū)崟r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(shè)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(diào)度與控制。(4)設(shè)備管理軟件系統(tǒng)：設(shè)備管理軟件系統(tǒng)主要是針對設(shè)備的信息進行統(tǒng)一管理，其功能包括設(shè)備的廠商信息，出場日期，設(shè)備診斷信息，運行狀態(tài)記錄，設(shè)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(yù)測分析對設(shè)備進行預(yù)防性維護，降低了設(shè)備運行風(fēng)險，采用了可預(yù)測性的管理維護替代了被動的管理模式。2.4 關(guān)鍵技術(shù)(1

22、) 網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(wù)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(luò)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(gòu)數(shù)據(jù)的并行解析當(dāng)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(luò)通信的并發(fā)訪問問題，而且還要面臨多版本異構(gòu)數(shù)據(jù)解析的問題。由于現(xiàn)場總線領(lǐng)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(gòu)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(gòu)數(shù)據(jù)的并行解析。(3) 針對多應(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，與網(wǎng)絡(luò)通信并發(fā)訪問的情況一樣，本系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)之間也是一對多的關(guān)系。本系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)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?qū)崿F(xiàn)向多個應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分發(fā)。綜上所述，系統(tǒng)目標(biāo)的設(shè)定是源于對現(xiàn)有產(chǎn)品的實際使用需要，本系統(tǒng)的關(guān)鍵是實現(xiàn)了網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)向應(yīng)用數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)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(shù)指標(biāo)，并且增強了產(chǎn)品功能，以上核心系統(tǒng)目標(biāo)明確了產(chǎn)品方案和產(chǎn)品設(shè)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(yīng)用系統(tǒng)之間的雙向通訊服務(wù)。從系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)角度來看，本系統(tǒng)即是連接汽車總線與外部應(yīng)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(wù)系統(tǒng)，本系統(tǒng)對于總線網(wǎng)絡(luò)以及應(yīng)用系統(tǒng)都是必不可少的數(shù)據(jù)支撐15。系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要為工業(yè)與制造業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備通信控制與網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用服務(wù)的三層解決方案，本系統(tǒng)的分析工作將分別從通信服務(wù)，系統(tǒng)內(nèi)部功能和應(yīng)用服務(wù)三項內(nèi)容進行闡述。汽車總線網(wǎng)絡(luò)

25、通信服務(wù)汽車總線網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)實現(xiàn)了本系統(tǒng)與汽車總線網(wǎng)絡(luò)的通信。分析要點包括如下內(nèi)容：（1） 通信服務(wù)需求首先，通信服務(wù)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?qū)崿F(xiàn)多設(shè)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(wù)的形式進行網(wǎng)絡(luò)通信12。系統(tǒng)啟動后，應(yīng)按照系統(tǒng)的通信配置項開啟以太網(wǎng)端口，等待網(wǎng)絡(luò)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(shè)備的并發(fā)接入。再次，本系統(tǒng)與設(shè)備之間的以太網(wǎng)通信方式應(yīng)采用長連接的通信方式。數(shù)據(jù)服務(wù)接入的瓶頸不在于數(shù)據(jù)的接收，處理或響應(yīng)，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(shè)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(luò)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(fù)，保證發(fā)送超時的情況下，設(shè)備重新接，重發(fā)數(shù)據(jù)。最后，為了保證連接的有效性，設(shè)備與系統(tǒng)之間采用發(fā)送/應(yīng)答心跳幀的方式保持通訊鏈路的連接狀態(tài)。系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)容多樣，總線協(xié)議格式異構(gòu)，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(luò)數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的 DDL，對于協(xié)議的識別，解析以及數(shù)據(jù)存儲均采用標(biāo)準(zhǔn)的 DDL 執(zhí)行。其次，與協(xié)議解析相對應(yīng)的是下行數(shù)據(jù)也要采用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的備份與恢復(fù)功能。應(yīng)用服務(wù)功能性需求首先，本系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)通信格式支持 TCP/IP 數(shù)據(jù)服務(wù)與 Web service 服務(wù)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(nèi)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(yīng)用系統(tǒng)的解析，對后續(xù)應(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)與本系統(tǒng)之間采用訂閱/發(fā)布與請求/應(yīng)答兩種工作模式：在訂閱/發(fā)布模式中

29、，應(yīng)用本系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)服務(wù)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(yīng)用本系統(tǒng)發(fā)布數(shù)據(jù)消息；在請求/應(yīng)答模式中，應(yīng)用本系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)服務(wù)層向數(shù)據(jù)本系統(tǒng)發(fā)起服務(wù)請求，數(shù)據(jù)本系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前請求的上下文信息進行相應(yīng)的服務(wù)應(yīng)答。最后，本系統(tǒng)要進行應(yīng)用系統(tǒng)的注冊管理。系統(tǒng)要為應(yīng)用提供可接入的服務(wù)端口，應(yīng)用系統(tǒng)通過服務(wù)端口進行服務(wù)信息注冊，信息注冊的內(nèi)容包括應(yīng)用系統(tǒng)的名稱，服務(wù)類型，服務(wù)地址，數(shù)據(jù)訂閱類別等。3.2 硬件電路設(shè)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(shè)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(nèi)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(nèi)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(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)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(luò)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。SN74ALVC是5V一3.3V電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的流向。電路圖如3-3所示。圖3-3 電平轉(zhuǎn)換電路3.2.3整體電路設(shè)計圖3-4 整體電路設(shè)計第四章 軟件設(shè)計4.1 軟件總體設(shè)計設(shè)計在充分遵守CAN協(xié)議和USB的基礎(chǔ)之上,滿足了CAN數(shù)據(jù)與USB數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)發(fā)和轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)發(fā),即將USB數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)給USB控制芯片,轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。4.2 微控制器固件設(shè)計固件程序指的是運行在設(shè)備CPU之中的程序。該程序只有在運行時,外設(shè)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(dāng)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(wù)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(wù),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?qū)?shù)據(jù)包直接發(fā)送至USB接口緩沖區(qū),轉(zhuǎn)發(fā)給上位機腳l。第五章 軟件平臺總體設(shè)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(guān)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(dāng)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(quán)限來最終確定總線由哪個節(jié)點來占用,最終權(quán)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(jié)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(dāng)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(guān)的數(shù)據(jù)幀,若有關(guān)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(guān)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(shè)計5.2.1 節(jié)點ID的分配一般低速CAN應(yīng)用與汽車的舒適系統(tǒng)當(dāng)中。在本文的仿真系統(tǒng)當(dāng)中,所有的控制節(jié)點所對應(yīng)的ID號都能夠由用戶自己來定義。在司機一側(cè)的左前門控制單元有著更高的權(quán)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(quán)限,因此為左前門分配的ID值應(yīng)小于舒適系統(tǒng)中的其他模塊。5.2.2 車門模塊的設(shè)計因為各個控制節(jié)點有著一些共同特征,所以在設(shè)計當(dāng)中要盡量對所有的控制

38、節(jié)點采取面向?qū)ο蟮脑O(shè)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(guān)系。圖5-2表示了控制模塊類圖:圖5-2 控制模塊類關(guān)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(dāng)前節(jié)點狀態(tài)mState; 當(dāng)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(yīng)的操作等。ReeeiveFrame成員負責(zé)

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(yīng)。其他成員函數(shù)也都定義為虛函數(shù),當(dāng)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(shè)計后備箱、后視鏡控制節(jié)點和其他車門的設(shè)計相似,就是對各自對應(yīng)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(yīng)的協(xié)議控制幀后,后視鏡控制節(jié)點調(diào)用后視鏡顯示模塊的顯示函數(shù),對相應(yīng)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?qū)ο蟮拈_發(fā)工具, 可以直接對硬件操作并支持多任務(wù)多線程。所以在此設(shè)計當(dāng)中利用其特點進行設(shè)計,能夠