教学课件：第七章-电动汽车车载总线技术.ppt

第七章 电动汽车车载总线技术,电动车辆国家工程实验室南金瑞 副教授,讲课内容,车用总线综述 奥运纯电动客车整车网络控制SAEJ1939分析下线检测设备CAN总线知识（一）CAN总线知识（二）仿真分析软件,教材及参考书,教材：待定参考资料：汽车单片机及车载总线技术（南金瑞等 北京理工大学出版社）CAN总线原理和应用系统设计（邬宽明 北京航空航天大学出版社）网上有许多资源,学习目的,学习内容特点内容较多，知识点相对零散应用性开放性和国际性学习目的对汽车总线技术有深刻理解了解相关资料分析和解决实际问题,第一节 车用总线综述,需要了解的内容,提出总线概念，为什么用总线连接各个ECU，有什么优点？总线技术基本概念：总线型拓扑结构？SAE是如何分类总线？CAN总线通信协议CAN总线的特点,一、汽车总线技术的产生,一、汽车总线技术的产生,一、汽车总线技术的产生,二、总线技术基本概念,二、总线技术基本概念,1、物理层：作用是在物理传输媒体上传输各种数据的比特流，而不管数据的类型和结构如何。传输速率、信道容量、传输媒体、调制/解调、交换技术、网络拓扑和多路复用技术,二、总线技术基本概念,二、总线技术基本概念,2、数据链路层：当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路（链路）外，还必须有一些必要的规程来控制这些数据的传输。把实现这些规程的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路层。数据链路层最重要的作用就是通过一系列数据链路层协议，在不可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。通常将原始数据分割成一定长度的数据单元（帧），一帧内应包含同步信号、差错控制、流量控制、控制信息、数据信息、寻址。,二、总线技术基本概念,3、网络层：向上面的传输层提供面向连接的网络服务和无连接的网络服务。网络层除了负责路由选择外，还要进行流量控制。4、传输层：在OSI参考模型中，物理层、数据链路层和网络层是面向网络通信的层次；会话层、表示层和应用层是面向信息处理的层次；而传输层（Transport Layer）位于低三层和高三层之间，无论从其所处的位置还是所起的作用来看，它都是整个协议层次的核心。传输层的任务是为高层从源端机到目的机提供可靠、经济的数据传输服务而与具体网络无关。为了保证数据传输的可靠性，传输层上必须实现差错控制、流量控制等功能；为了向用户提供经济有效的服务，传输层还提供多路复用和分流的功能。,二、总线技术基本概念,5、会话层：会话层最主要的目的是在传输层的基础上增加一些协调对话的功能。6、表示层：7、应用层：,三、SAE分类总线,1、A类总线,三、SAE分类总线,2、B类总线,三、SAE分类总线,3、C类总线,三、SAE分类总线,4、D类总线,四、新型专用总线,1、故障诊断总线,四、新型专用总线,2、安全总线,四、新型专用总线,3、X-by-wire,五、车用总线的市场前景,第二节奥运纯电动客车整车网络控制,本章需要掌握和了解的内容,网络拓扑通信协议数学模型BCM功能，特点仪表开发流程,一、网络拓扑结构,蓄电池管理系统(SA=243),电机控制器(SA=239),整车控制器(SA=208),高速网络段CAN1 Bus 250k,AMT(SA=3),驾驶室显示系统(SA=40),车身中央控制模块(SA=228),充电机控制系统(SA=229),调度控制系统(SA=230),高速网络段CAN2 Bus 250k,.,低速网络段CAN3Bus 100k,二、车身网络,实现车身电子的分布式控制；实现减少线束、减少继电器、减少保险；降低相关电气部件的复杂程度；提高系统功能、降低车身电气系统成本,二、车身网络,传统客车电气连接示意图,二、车身网络,网络系统所要求的电气连接示意图,二、车身网络,设计原则：不改变原车开关和负载的基础上实现车身电器一体化设计,二、车身网络,二、车身网络,二、车身网络,二、车身网络,车内、外灯光控制：实现车辆灯光控制及诊断，如远近光灯、转向灯、倒车灯、制动灯、前后雾灯、厢灯等的开闭控制及开路、短路故障诊断；制动灯替代功能，在制动灯发生故障时，由后雾灯替代；转向灯独立控制功能：某一个转向灯发生短路或开路故障时，不影响其它转向灯正常工作；其它转向灯闪烁频率加倍提示状态。前后门控制：实现前后门开闭控制、控制回路诊断及状态反馈；残疾人踏板控制：实现残疾人电源电路控制及诊断、状态反馈；干燥器控制：实现干燥器启动、停止控制及控制回路诊断；换气扇控制：实现换气扇启动、停止控制及诊断；仪表显示消息采集传输：采集低压电压、电流和前后高桥气压模拟量信息，采集车身门行程开关、后备门开关等开关信息送仪表显示。故障信息传送：将车身低压电气网络器件的状态、故障信息送高速CAN网络。,三、CAN仪表,三、CAN仪表,三、CAN仪表,三、CAN仪表,三、CAN仪表,三、CAN仪表,四、常见故障及排除,故障分析,网络控制系统采用了智能化的控制技术，所有负载的故障都可以经过整车控制器处理后送仪表显示。,故障排除,发生故障的时候，针对不同情况进行不同处理。检测的基本依据是电气系统的网络结构图和各个控制器的接口图。明确故障 通过仪表显示界面，确定故障部件，判断故障器件部位；故障排除 根据上述故障信息，对故障进行排除,四、常见故障及排除,故障排除方法,对于开路故障，主要检查相应的负载是否开路，接插件处的线束是否有脱落或者断开，需要更换负载或者检修线束，直到相应的故障消除为止；对于短路故障，检查负载是否短路，接插件处线束是否短接，或者负载连接的线束是否有裸漏造成短路，需要更换负载或者检修线束，直到相应的故障消除为止；注意：故障排除后，所对应的故障不一定会立即消除，需要重新启动一次相应负载后才能消除。本产品部件控制带有诊断功能，若部件有故障，控制器会自动切断输出，所以不能用常规的模拟线束检查方法来判断。使用中如出现故障,请找专职人员维修。,四、常见故障及排除,常见故障分析,检查一个回路工作是否正常的顺序可以如下进行：先检查相应控制开关工作是否正常，开关的通断是否接入模块中；再检查开关接入模块（主节点/左右前灯节点）工作是否正常；最后检查功率控制模块工作是否正常，控制的负载是否开短路。检查CAN总线：对于CAN1、CAN2首先检查CAN_H(CAN正线)与CAN_L(CAN负线)间的电阻是否约为60欧姆。如果约为40欧姆则总线中多接入一个终端电阻，如果约为120欧姆，则少接入一终端电阻。,四、常见故障及排除,常见故障分析,系统工作正常，但仪表不能正常显示所有的灯具状态信息；对策：可能是与仪表的CAN通信线有问题或者仪表本身有故障，需要给系统断电，使用万用表测量连接仪表的CAN通讯线的两根线之间CAN线有没有接好；或者更换仪表试试。,控制器功能一切正常（包括灯光夜间照明功能，与仪表的通信功能等），但其它所有从节点控制器工作都不正常；对策：检查控制网络的CAN通信线是否有短路或是断路故障发生，系统断电后直接用万用表测量CAN线是否短路或连通。,四、常见故障及排除,常见故障分析,某一个控制器上的所有电气都不能正常工作对策：测量当前控制器是否正确的接到了网络上（检查CAN通信线），或是更换一个控制器进行比较判断。,对开关进行操作后，负载无动作，且没有故障信息对策：检测相关电气的开关信号是否正常。可以根据开关的电气特性（接高有效还是接地有效），直接对控制器上的相关引脚进行开关接地测试，看是否能正常工作。,第三节 SAEJ1939分析,数据链路层,使用CAN扩展帧的29位标识符并进行了重新定义，以下为29标识符的分配表。其中，优先级为3位，可以有8个优先级；R一般固定为0；DP现固定为0；8位的PF为报文的代码；8位的PS为目标地址或组扩展；8位的SA为发送此报文的源地址；,数据链路层,协议数据单元PDU,协议数据单元PDU,优先权（P）：由3位组成，优先级由高到低的顺序为07，共8级。缺省的面向控制信息的优先级为3，面向别的信息的为6，速度快的系统优先级高。保留位（R）：1位，不可与CAN的保留位相混淆，发送信息此位应清零。用于留待SAE将来使用，扩展PDU域，定义新的PDU格式，扩展优先权或是增加地址空间。,协议数据单元PDU,数据页（DP）：1位，即0和1页。用于扩展得参数组，目前定义的参数组数都填充在0页。PDU格式（PF）：由8位组成，决定PDU的格式和决定分配到数据域的参数组数（PGN）。PGN用于标识命令、数据、请求和确认等信息。有两种特定的标识不同参数的PDU格式，即PDU1和PDU2。PDU1格式可用于传递数据帧到特定或全局的目标地址（DA），也即某个ECU；PDU2格式仅仅用于全局信息传送到扩展的参数组（GE）。,协议数据单元PDU,特定PDU（PS）：由8位组成，它的定义取决于PDU格式（PF）：如果PF的值小于240，则PS定义为目标地址（DA），为PDU1格式；如果PF的值在240255之间，则PS包含一个扩展组（GE），即为PDU2格式。因此在实际应用中PS要根据PF的定义情况只能定义为DA和GE之一。源地址（SA）：由8位组成，在网络中每个设备对应唯一的源地址，确保CAN辨识码的唯一性。,协议数据单元PDU,上述的保留位（R）、数据页（DP）、PDU格式PF和特定PDU（PS）构成了参数组数PGN。PGN用来识别或标识命令、数据、某些请求、应答和负应答等。用来定义传输的命令、信息、格式以及编码，例如转速控制参数和控制器信息等。PGN有时需要一个以上的信息帧来传送，它由24位来表示。由于保留位R一般定义为0，数据页一般定义为第0页，所以PGN一般由PF、PS组合，可以用公式表示为：PGN=PF256+PS。当PF的值小于240时，PS取DA，PS=0。当PF的值在240255之间时，PS取GE，PSGE。,第四节 下线检测设备,本章需要掌握和了解的内容,下线检测设备的概念目前国内外应用情况下线检测设备开发流程,一、主要功能和使用环境,奥运电动车电器检测设备主要用于网络总成与传统线束两款车型，对整车进行车内线束、元器件与网络的检测，最终检测 内所有线束与元器件的连接有无短路、开路、其它故障，并将测试结果保存并传输到 返修工位。返修工人根据测试结果对 进行检修。,一、主要功能和使用环境,二、系统组成,奥运电动车电器检测设备分为四大部分，分别为1、手持设备，2、电检仪。,二、系统组成,三、软件安装使用,工控机软件安装手持设备软件安装手持设备无线网络设置工控机无线网络设置有线网络设置,四、电检设备使用,四、电检设备使用,上位机软件,用户管理：“添加用户”：添加新用户，但当前用户必须为管理员才能添加新用户。“删除用户”：删除本登陆用户。“修改用户”：修改当前用户密码。“用户登陆”：软件启动时，为新用户登陆。,四、电检设备使用,上位机软件,数据管理：“数据操作”：主要是对测试数据管理，查找，添加，删除。数据有车型整车测试结果和车型所有测试项结果。“备份数据库”：对当前数据库做备份来保存。“还原数据库”：将以前备份的某一个数据库转成当前使用数据库。“清空数据库”：清空当前数据库的测试相关内容，清空前会提示备份当前使用数据库。,四、电检设备使用,上位机软件,(3)测试管理：“系统自检”：进行监测仪系统本身故障检测。,(4)关于：显示软件版本及相关信息。,(5)退出关闭本软件。,四、电检设备使用,手持设备软件,四、电检设备使用,（1）连接功能（2）登陆功能,手持设备软件,四、电检设备使用,（2）登陆功能“浏览全体用户”,手持设备软件,四、电检设备使用,（2）登陆功能“用户设置”“添加用户”,手持设备软件,四、电检设备使用,（2）登陆功能“修改密码”“用户登陆”,手持设备软件,四、电检设备使用,（3）测试功能 手动测试,手持设备软件,四、电检设备使用,（3）测试功能 测试顺序 新建测试顺序,手持设备软件,四、电检设备使用,（4）查询功能 按日期查询,手持设备软件,四、电检设备使用,（4）查询功能 按车型查询 按测试项查询,手持设备软件,五、测试流程,（1）默认操作：操作者默认将 内所有开关操作一遍（2）条件操作：（3）人工检查：,车辆线束连接测试序列选择扫描信息开始测试测试过程,五、测试流程,当操作者点击“停止”，则停止测试，结果不会被保存，不进行打印。当操作者点击“打印结果”，则停止测试，保存结果，打印故障项。当操作者点击“保存结果”，则停止测试，保存结果，不打印故障项。当测试时间超过5分钟时，系统自动停止测试，结果不保存，不打印。,测试结束,第五节 CAN总线知识,本章需要掌握和了解的内容,CAN的基本概念和层结构CAN的帧类型CAN的数据帧结构CAN的数据帧由哪几部分组成？画出数据帧的结构图。CAN规范使用目前还存在那些缺陷？有什么解决办法？,一、简介,技术规范的目的：是为了在任何两个CAN 仪器之间建立兼容性。逻辑链路控制子层(LLC)的作用：MAC 子层的作用：物理层的作用：CAN2.0规范主要是定义传输层，并定义CAN 协议于周围各层当中所发挥的作用。,一、简介,一、简介,协议版本V2.0A（标准）11位消息ID最多2048种消息ID号V2.0B（扩展）29位消息ID超过536x106种消息ID号,一、简介,协议版本可用的CAN模块有三种不同类型（均可处理11位ID）：2.0A 将29位ID视为错误2.0B 被动 忽略29位ID的消息2.0B 主动可处理11位与29位两种ID的消息。,一、简介,协议版本当多个版本的协议混合使用时，必须千万小心！,二、基本概念,1、CAN的属性报文的优先权保证延迟时间设置灵活时间同步的多点接收系统内数据的连贯性多主机错误检测和错误标定只要总线一处于空闲，就自动将破坏的报文重新传输将节点的暂时性错误和永久性错误区分开来，并且可以自动关闭由OSI 参考模型分层CAN 结构的错误的节点。,二、基本概念,多主站结构节点数量不受协议限制无节点地址，由消息标识符指定消息内容与优先级节点容易连接或断开广播/多点传播能力,二、基本概念,二、基本概念,复杂的错误监测与处理便于同步的NRZ编码方式与位填充通过CSMA/CDw/AMP方式进行总线访问,二、基本概念,2、CAN的层结构,二、基本概念,3、报文：总线上的信息以几个不同的固定格式的报文发送，但长度受限 4、报文路由：报文的寻址内容由识别符指定。识别符不指出报文的目的地，但解释数据的含义。5、位速率6、优先权7、远程请求,二、基本概念,8、多主机9、仲裁10、安全性11、故障界定12、连接13、总线值,二、基本概念,14、应答15、睡眠模式、唤醒16、振荡器容差17、发送器和接收器：产生报文的单元被称之为报文的“发送器”。此单元保持作为报文发送器直到总线出现空闲或此单元失去仲裁（ARBITRATION）为止。如果有一单元不作为报文的发送器并且总线也不空闲，则这一单元就被称之为报文的“接收器”。,二、基本概念,线与,二、基本概念,线与,二、基本概念,线与,二、基本概念,线与,二、基本概念,总线访问与仲裁：CSMA/CD w/AMP,三、CAN报文传输,1、帧格式,三、CAN报文传输,2、帧类型 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。它们用一个帧间空间与前面的帧分隔。,三、CAN报文传输,3、数据帧,三、CAN报文传输,仲裁场V2.0A（标准）11位消息ID最多2048种消息ID号V2.0B（扩展）29位消息ID超过536x106种消息ID号,三、CAN报文传输,控制场,三、CAN报文传输,CRC场,三、CAN报文传输,应答场,三、CAN报文传输,4、远程帧,三、CAN报文传输,4、远程帧,三、CAN报文传输,5、激活错误帧：用于错误的信号传输,三、CAN报文传输,6、过载帧:用于延迟下一条CAN消息,三、CAN报文传输,7、帧间空间：作为任何消息帧与下一个数据帧或远程帧的分隔,四、报文滤波,报文滤波取决于整个识别符。允许在报文滤波中将任何的识别符位设置为“不考虑”的可选屏蔽寄存器，可以选择多组的识别符，使之被映射到隶属的接收缓冲器里。如果使用屏蔽寄存器，它的每一个位必须是可编程的，即，他们能够被允许或禁止报文滤波。屏蔽寄存器的长度可以包含整个识别符，也可以包含部分的识别符。,五、报文校验,发送器如果直到帧的末尾位均没有错误，则此报文对于发送器有效。如果报文破损，则报文会根据优先权自动重发。为了能够和其他报文竞争总线，重新传输必须在总线空闲时启动。接收器 如果直到一最后的位（除了帧末尾位）均没有错误，则报文对于接收器有效。帧末尾最后的位被置于“不重要”状态，如果是一个“显性”电平也不会引起格式错误,六、编码,编码即位流编码（Bit Stream Coding），它的规定是帧的部分，诸如帧起始、仲裁场、控制场、数据场以及CRC 序列，均通过位填充的方法编码。无论何时，发送器只要检测到位流里有5 个连续相同值的位，便自动在位流里插入一补充位。数据帧或远程帧（CRC界定符、应答场和帧结尾）的剩余位场形式固定，不填充。错误帧和过载帧的形式也固定，但并不通过位填充的方法进行编码。,六、编码,消息编码格式：NRZ-Code,六、编码,位填充：是为了保证有足够的隐性到显性的跳变沿填充位出现在5个连续的相同极性的位之后填充位与其前面的位极性相反,七、错误处理,错误检测：可检测的错误,七、错误处理,错误标志 检测到错误条件的站通过发送“错误标志”指示错误。对于“错误激活”的节点，错误信息为“激活错误”标志，对于“错误认可”的节点，错误信息为“认可错误”标志。,七、错误处理,错误检测 循环冗余码校验（CRC）计算出的校验值与接收到的校验值必须一致,七、错误处理,错误检测 循环冗余码校验（CRC）否则，消息帧没有被正确接收（CRC Error）,七、错误处理,错误检测 应答一个帧必须被一个或几个节点应答，否则会出现应答错误。,七、错误处理,错误检测 帧检测在CRC分隔符、ACK分隔符、帧结束、帧间隔中不允许出现显性位。否则出现形式错误（Form Error）。,七、错误处理,错误检测 位检测所发送的位必须从总线上正确回读在仲裁域和应答间隙，隐性位可以被显性位重写,七、错误处理,错误检测 位填充检查在帧起始位与CRC分隔符之间不允许存在6个连续的相同极性的位出现。,七、错误处理,错误处理,七、错误处理,错误处理,八、故障界定,“错误激活”的单元可以正常地参与总线通讯并在错误被检测到时发出主动错误标志。“错误认可”的单元不允许发送激活错误标志。“错误认可”的单元参与总线通讯，在错误被检测到时只发出认可错误标志。而且，发送以后，“错误认可”单元将在初始化下一个发送之前处于等待状态。“总线关闭”的单元不允许在总线上有任何的影响（比如，关闭输出驱动器）。,九、总线同步,硬同步发生在帧的起始位重新同步发生在每一个隐性到显性的跳变沿,十、位构建,每个位时间分为4个时间段，包括825个时间份额（Time Quantum）。时间份额来源于对晶振频率可编程的分频。CAN波特率可通过编程设置合适的时间份额长度与数量来确定。,十、位构建,同步段（Synchronization Segment）一位的输出从同步段的开头启动（对于发送节点）如总线状态要被改变，接收节点应在这个时间段内进行改变固定长度，1个时间份额。,十、位构建,传播段（Propagation Segment）补偿信号传播延时（通过网络与节点）长度可编程（1 8个时间份额）,十、位构建,相位缓冲段1（Phase Buffer Segment 1）允许通过重新同步对该段时间加长在这个时间段的末端进行总线状态的采样长度可编程（1 8个时间份额）,十、位构建,相位缓冲段2（Phase Buffer Segment 2）允许通过重新同步对该段时间缩短长度可编程（1 8个时间份额）,十、位构建,位延长,十、位构建,位延长（续）,十、位构建,位缩短,十、位构建,位缩短（续）,十、位构建,同步跳转宽度在重新同步中，位长度可调整的时间份额数量定义为同步跳转宽度（Synchronization Jump Width）相位缓冲段1可以被延长的时间份额数量相位缓冲段2可以被缩短的时间份额数量同步跳转宽度是强制设置的：最短为1个时间份额，最长为4个时间份额,十、位构建,位定时为了方便编程，许多CAN模块常常将传播时间段与相位缓冲段1合并为一个时间段（即，只有3个时间段）,十、位构建,为什么要对采样位置编程？提前采样可以减小振荡器误差的敏感性便于使用价格低廉的振荡器（如陶瓷振荡器）,十、位构建,为什么要对采样位置编程？（续）延迟采样可以获取更多的信号传播时间便于处理更长的总线/不合理的总线拓扑结构,九、CAN总线的位数值表示与通信距离,九、CAN总线的位数值表示与通信距离,九、CAN总线的位数值表示与通信距离,高达1Mbit/sec 40米（130英尺）,十、ISO物理层,常用的ISO物理层：双绞线，两端连接终端电阻，典型阻值为120欧姆两线使用差分信号驱动（CAN_H，CAN_L）,十、ISO物理层,CiA-DS 102-1规定的CAN总线连接器,十一、CAN与EMI,CAN对于电磁干扰（EMI）不敏感：,十二、CAN的标准化,十二、CAN的标准化,ISO-IS 11898规定的物理层,十二、CAN的标准化,ISO-IS 11898规定的总线电平,十三、CAN在汽车中的应用,应用状况：局部成网，区域互联”,十三、CAN在汽车中的应用,CAN存在的问题1、CAN的每个节点都能自主通讯。因此，节点较多的CAN一旦用于实时控制，目前CAN微控制器只能以事件触发方式工作，根本无法应付网络事件源源不断送来的中断处理请求。2、汽车内联网所涉及的节点众多，通讯任务繁重。以现阶段CAN微控制器的处理能力，势必需要容量非常大的存储器来缓存和保留数据。仅仅这一项，就会使汽车内联网的硬件成本非常高。,十三、CAN在汽车中的应用,解决方法1、把要进行的网络划分得小一些,十三、CAN在汽车中的应用,解决方法2、采用低端网络，把系统底层的ECU、传感器和执行器先组织管理起来，再在上层用CAN构建主干网。,十四、CAN主要芯片选择,构成CAN节点硬件的半导体器件主要有以下几类：1、独立CAN控制器 SJA1000 2、CAN微控制器 3、CAN收发器 CAN的物理层接口芯片。高速CAN通常使用PHILIPS的PCA82V250低速容错CAN则可以使用摩托罗拉的MC33388,十五、CAN基本硬件结构,十五、CAN基本硬件结构,十六、CAN控制器,Basic-CAN 控制器一般只用于速率很低或消息量很少的CAN节点中,十六、CAN控制器,Full-CAN 控制器,小节,基础知识CAN的起源概述基本概念数据链路层总线访问仲裁帧格式错误检测错误处理协议版本(标准/扩展),小节,物理层消息编码同步位定时/位构建CAN 总线电缆CAN控制器,