CAN总线技术前沿解读课件.ppt

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1、21世纪汽车的发展趋势,1、汽车自质量越来越小2、向大型化和小型化方向发展 3、向大功率和高速度方向发展 4、向低油耗方向发展 5、采用旋转活塞发动机 6、采用燃气轮机用作汽车的动力源 7、太阳能汽车 8、电动汽车 9、智能汽车 10、未来的飞行汽车 11、集乘栖于一体的“家园”汽车 12、网络汽车,1、汽车自质量越来越小,因汽车行驶快，受到的冲击负荷大，为了保证各部件工作可靠、不损坏，各零部件都采用一定尺寸和品质的钢材，所以一般汽车的共同缺点是自质量太大。为了提高运输效率、节省燃料，汽车自质量越来越小。汽车质量每降低100kg，每百公里油耗可减少0.7，汽车自重每降低10%，燃油效率可以提高

2、5.5%,减轻汽车自质量的方法：现代汽车越来越多地使用轻合金材料，总的发展趋势是将铸铁件用铝制品来代替。除铝制件外，汽车用镁合金制件也越来越引起人们的注意，因镁比铝更轻。减轻汽车自质量的另一个方面，是扩大塑料在汽车上的应用。新型塑料，刚度大，耐磨性好，使用寿命长，但密度只有钢铁的1814。汽车上的油箱、风扇、空气滤清器壳、蓄电池壳等不少零件都可以使用塑料来制造。据报道，美国已实验成功用耐热塑料制造的发动机，比金属发动机大约轻50。美国通用汽车公司已研制出车身和车架采用新型增强塑料制造的全塑汽车。,2、向大型化和小型化方向发展,汽车的用途虽然多种多样，但最重要的仍是承担运输。随着各国工业化的进展

3、，需要的货运量越来越多，给汽车运输提出了载质量大、速度快的要求。因此，汽车的吨位越来越大。20世纪3040年代，主要运输车辆是 24 t，50年代货运的主力是 5 t级的汽车，60年代主要货运汽车已经是8t的了，70年代以后则是1012t的。据日本调查，载重 11t的汽车与载重 6 t的汽车相比，运输成本降低30。,随着露天采矿、大型水电工程、土建工程和港口工程的需要，重型汽车发展很快，吨位越来越大，目前已达 450 t，产量也越来越大。随着街道工厂、小型企业、商业网点的增多和家用汽车的需要，日本、美国等国近年来生产了不少小型化的汽车，即2t以下的汽车，这类汽车由于体积小、质量轻、油耗省、价格

4、低、小巧灵活和便于操作而深受欢迎。,3、向大功率和高速度方向发展,目前，汽车一个很重要的发展方向就是增大发动机的功率，提高行驶的速度。要提高车速，就必须首先增大发动机的功率。总质量一定的汽车，发动机的功率越大，汽车的动力性能就越好，汽车的加速性能、爬坡能力就强，最高车速就大。近年来，考虑到汽车安全、空气污染和节省燃料等因素，各国对车速都有一定的限制。,为了减小自质量，提高车速，人们希望发动机功率大、体积小、质量轻。 早期采用的最有效的办法是提高压缩比。因为将可燃混合气在气缸内压得越紧，爆发后产生的力气也越大。但目前由于排气污染和汽油品的限制，压缩比一般控制在89范围内。另一个提高功率的办法是缩

5、短活塞行程，提高转速。但转速过分增加后，发动机的机械负荷提高很大，磨损随之加剧，工作过程变坏。所以转速的增加不能不受到限制。,4、向低油耗方向发展,汽车运输成本中燃料费占到2530。据估计，目前世界石油储备量只够维持使用几十年了。汽车是用油大户，因此，如何使汽车节省燃料，是一个迫在眉睫的重大问题。目前节油的方法与技术主要有： a）在汽车制造方面，从结构设计、选用材料等方面减轻汽车的自质量； b）改进发动机，减少油耗； C）采用效率更高的传动装置，减少功率损失；,d）采用制动蓄能器，设法使制动消耗的能量储存起来，再用于使车辆行驶；e）在汽车使用方面，及时正确地维护汽车、合理地驾驶汽车，以及因地制

6、宜地采用各种节油器等；f）为了更省油，采用柴油发动机，因为柴油机的热效率比汽油机约高30，而且柴油比汽油便宜，燃烧后废气毒性少，污染轻。,5、采用旋转活塞发动机,传统的发动机都是活塞在气缸内来回直线运动完成工作循环，所以称为往复活塞发动机。这种发动机活塞运动时，速度的快慢和方向都在变，要产生很大的惯性力，其数值可达几吨的力量。所以，发动机的转速不能太高。此时要增加发动机的功率，就必须提高气缸内的燃烧爆发压力，这样就必须增大发动机的吸气量，结果导致发动机的尺寸增大，质量增加 这是往复活塞式发动机的一个致命弱点。,为克服这一弱点，人们想到了用旋转运动来代替往复运动。这样转速就可以提高了。德国工程师

7、于20世纪50年代研制成功了一种三角活塞旋转式发动机，它只要转子和转轴两个运动零件，结构紧凑，体积小、质量轻，转速可以大大提高。目前，世界上有20多家公司生产转子发动机，美国通用汽车公司已有 2 000辆汽车装上了转子发动机。与往复活塞式发动机相比，转子发动机的优点是体积约少13，质量和零件数减少一半，排气毒害小。缺点是油耗高，密封性较差，寿命不算很长，各国正在研究改进转子发动机。,一般发动机是往复运动式发动机，工作时活塞在气缸里做往复直线运动，为了把活塞的直线运动转化为旋转运动，必须使用曲柄连杆机构。转子发动机则不同，它直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。与往复式发动机相比，转子发动机取

8、消了无用的直线运动，因而同样功率的转子发动机尺寸较小，重量较轻，而且振动和噪声较低，具有较大优势。,转子发动机,黄色：新鲜气；红色：压缩、点火；灰色：废气,黄色：新鲜气；红色：燃烧做功；灰色：废气,转子发动机的运动特点是：三角转子的中心绕输出轴中心公转的同时，三角转子本身又绕其中心自转。在三角转子转动时，以三角转子中心为中心的内齿圈与以输出轴中心为中心的齿轮啮合，齿轮固定在缸体上不转动，内齿圈与齿轮的齿数之比为3：2。上述运动关系使得三角转子顶点的运动轨迹（即汽缸壁的形状）似“8”字形。三角转子把汽缸分成三个独立空间，三个空间各自先后完成进气、压缩、做功和排气，三角转子自转一周，发动机点火做功

9、三次。由于以上运动关系，输出轴的转速是转子自转速度的3倍，这与往复运动式发动机的活塞与曲轴：的运动关系完全不同。,6、采用燃气轮机用作汽车的动力源,在古代，人们就已经开始使用轮机。用水力推动涡轮的，叫做水轮机，用蒸汽推动涡轮的，叫做汽轮机。后来又发明了用燃烧气体来推动涡轮的，叫做燃气轮机。燃气轮机的优点是结构简单、体积小、质量轻、转速高、功率大。但它只适宜在一定负荷和转速下工作，输出高功率，所以燃气轮发动机只适应在大客车和大型载货汽车上使用。20世纪60年代末，美国已约有4万辆燃气轮机载货汽车和公共汽车。目前，国外对汽车用燃气轮机的研究很多。,7、太阳能汽车,世界上第一部光电池是20世纪50年

10、代制造出来的。阳光电池有好多种，其中最常用的是硅电池。近年来，装有高效太阳能电池，把太阳能转化为汽车的动能，已成为全世界各国研制的课题。其中最关键的问题是研制具有高效、低成本的太阳能蓄电池。因为只有足够大的太阳能蓄电池，才能发出足够的能量驱动汽车。但是，目前太阳能电池成本还太高，蓄电池体积过大，太阳能汽车离实用阶段还很远。另外，由于蓄电池的容量有限，所以太阳能汽车在无太阳的情况下，连续行驶是有一定限制的。,8、电动汽车,电动汽车和内燃机汽车同样历史悠久。电动机和铅蓄电池早在上个世纪中叶和末期就产生了，在人们为车辆寻求经济、高效动力的漫长过程中，很自然地想到用蓄电池供给电动机产生动力的方案。但是

11、，由于蓄电池质量太大，充电时间长，每一次充电后的行车路程太短，这些问题未能得到很好的解决，所以电动汽车竞争不过汽油汽车。但是，由于电动汽车不消耗石油燃料，不污染空气，所以多年来人们对它的研究活动从未停止过。,美国、欧洲和日本的汽车厂家都在加紧开发燃料电池技术，预计3至4年后，燃料电池将达到批量生产阶段并投放市场。世界各大厂商已结成两大集团，以丰田、通用汽车公司为一方，以戴姆勒克莱斯勒、福特及三菱汽车公司为另一方，展开了激烈的燃料电池车技术开发竞争。燃料电池车最大优点是清洁、无污染，所排出的唯一废弃物为水分。各大汽车厂商都认为近期内有可能取代传统汽车的清洁交通工具只有燃料电池车。为此，它们纷纷敦

12、促本国政府制定相关的产业政策，美国能源部已制订了“氢计划”，提出要在2010年让燃料电池车在汽车市场上占25的份额，日本不久前提出的发展目标是在2010年前要把汽车用燃料电池的价格降低到普通汽油发动机的水平，并且要首先从政府机关开始普及燃料电池车。,9、智能汽车,随着电子计算机的广泛应用，汽车不要人驾驶且能够自动行驶的日子已经到来了，这种汽车就是智能汽车。日本已研究出智能汽车，当智能汽车在试验线路上行驶时，能够自动加速和减速，自动躲避障碍。若遇道路阻塞不能通行，便自动停在障碍物前，旁观者完全想不到是无人驾驶的。唯一用人的地方是汽车启动时须按一下启动开关。,智能汽车的关键是计算机代替了人的一切操

13、作。因为它附带有道路识别系统、信号接收系统、自动导行系统、自动制动系统和自动变速系统等。所有的系统有多个计算机控制并相互连机协调，当人们给予汽车目的地的信号后，汽车将启动向目的地行驶，在行驶过程中，它不仅能平稳地行驶在正确的路线上，而且能在紧急情况下自动制动停车，或转向走到另一条畅通无阻的路线。,10、未来的飞行汽车,制约汽车发展的主要因素有两个：一是公路，一个是能源。如果没有汽车的飞速发展，很难想象会有今天四通八达的公路网，而公路尤其是高速公路的普及又促使汽车行驶速度大幅度提高。目前，随着汽车工业的发展，全世界的汽车拥有量正以每年6的增长率迅速增加，但公路的增长率远远低于汽车，这就不可避免地

14、带来了交通的拥挤。,为了从根本上解决公路拥挤问题，人们就开始研制不占用公路、能在空中行驶的汽车。这种汽车不同于一般意义上的飞机，它可以垂直起降，同时在安全性、行驶灵活性、油耗和价格等方面又与一般豪华轿车相当。因此，给它起了个名字叫“空中汽车”。目前，美国已研制出这种“空中汽车”，它可乘坐4 人，最高航速为 675 kmh，续驶里程达1000多km，采用 8台汪克尔发动机作动力，百公里体积油耗将近 17L，使用普通车用汽油，其价格为几万美元。,穆勒的空中汽车（SKYCAR ）,2001年，美国的穆勒研制出了名为MX400空中汽车。最高飞行时速超过600多公里，比直升机快2倍，可载4人，飞行最大高

15、度9000米，航程1500公里。飞行本领毫不逊色一般的飞机。有了它，人们可从家里直接出发，12小时能从北京飞抵上海。,前加州大学力学和空气动力学教授保尔穆勒(Moller) 于1983年创建穆勒国际公司，研制空中汽车(SKYCAR)。28年来花费了4,000多万美元。有包括研究生在内的900多人投入研制工作，费时60万人时。经过无数次实验，终于进入成功者行列。1989年推出的M200X首次试飞，升空高度为21.33米。1992年在世界上首次申请了专利。穆勒将他的空中汽车描述为“可以从驾车道上升空，能够运送到希望到达之处，并且能够准确着陆的个人化运输工具。” 科学家卡力夫(Kalif)将空中汽车

16、称为21世纪的计算机之梦。,Aerobot是穆勒的专利,其最大功能是实现垂直起降。独特之处是将翼扇置于管道内。对人、物和其他部件的损害可能性降低。也可以显著减少通过热和雷达检测被发现的概率。,Aerobot,另一项核心技术是汪克尔(Wankel)发动机 。重量很轻但能够提供很大的功率。MX400共有8个汪克尔(Wankel)旋转发动机，功率为720马力，设置在两边的4个金属车架里。其中4台发动机供正常飞行用，另外4台备用。任何一台发动机出现故障，其他的发动机都可以使汽车继续在空中行驶。空中汽车的发动机比一般的发动机小，但功率却不比后者小。,一旦汽车重量、乘员增加时，风扇的升力会显得力不从心。此

17、时，MX-400空中汽车前后4个发动机会向上倾斜45度，便可提供约一半的升力。MX-400在发动机转动45度时，位于发动机舱内的风扇可顺着气流再转45度。两个45度的组合便产生了垂直向上的升力，且升力为两个力的合力。于是，空中汽车便能轻盈飞起。,1975年的样机,1989年M200X样机的飞行照片,这时的样机需要飞行员。1995年生产了10架样机，到1997年一共生产了200架。价格开始为89.5万美元，到1997年底为75万美元。1995年美国政府批准空中汽车为实验性飞行器。限于政府机构以及商业及个人拥有者使用，不能出租。美国以外的国家比美国的批准手续要快，只要应用地面控制设备以及经过批准，

18、就可以购买。1997年开始进入轻型飞机市场。,1998-1999年期间每年生产1000架，价格为50万美元。这时的型号为载客4人的M400。,11、集乘栖于一体的“家园”汽车,纵观近年来各汽车厂商不断推出的汽车新品，人们不难发现：将音响、空调、电话和电脑等家电悉数搬进汽车里，追求家一样的轻松舒适感正逐渐成为汽车设计和制造的新趋势。装有全面功能的“家园”汽车设备，且是“信息家电”。例如电话可以直接上网，电视的遥控器被电脑取代，可以上网下载资料和选节目等等 正如汽车业一个著名的企业家说过，20世纪是汽车改变了人类社会，而21世纪将是人类社会改变汽车的时代。,12、网络汽车,所谓网络汽车，是传统汽车

19、技术与现代信息技术高度结合的产品，汽车与网络的高度整合是网络汽车最显著的特征。“网络汽车”一般都装有声音辨认系统和卫星接收器。为保证安全驾驶，人们无法在同一时间内既注意路况又操作键盘和鼠标。因此声控软件是最好的解决之道。网络技术在汽车上的高度应用，不仅可以大大提高汽车的综合性能，提高行车质量，减轻驾驶者的操作负担，而且还可以使驾驶者始终保持与外界的紧密联系。,睡眠报警装置,德国宝马汽车公司目前正在测试一种自动报警装置，该装置可降低司机在驾驶途中“进入梦乡”的风险。这种报警系统的设计原理是通过一台摄象机，对司机的眼睑活动情况进行检测，并将数据汇总后传递到装置内，以确定司机在驾驶中的清醒程度，继而

20、适时发出光警报信号。 据一家保险业机构GDV的调查显示，约四分之一的交通事故是在司机打瞌睡时发生的，另有14%的车祸是由于司机注意力不集中引起的。,第二节车上网络技术概述,2.1 现场总线（Fieldbus）简介,现场总线当今自动化领域技术发展的热点自动化领域的计算机局域网。总线：传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。现场总线：应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。应用：制造业、流程工业、交通、楼宇等,汽车电子技术发展的特点：,汽车电子控制技术从单一的控制逐步发展到综合控制，如点火时刻、燃油

21、喷射、怠速控制、排气再循环。电子技术从发动机控制扩展到汽车的各个组成部分，如制动防抱死系统、自动变速系统、信息显示系统等。从汽车本身到融入外部社会环境。,现代汽车电子技术的分类：单独控制系统：由一个电子控制单元（ECU）控制一个工作装置或系统的电子控制系统，如发动机控制系统、自动变速器等。集中控制系统：由一个电子控制单元（ECU）同时控制多个工作装置或系统的电子控制系统。如汽车底盘控制系统。控制器局域网络系统（CAN总线系统）：由多个电子控制单元（ECU）同时控制多个工作装置或系统，各控制单元（ECU）的共用信息通过总线互相传递。,二、车用网络发展原因,电子技术发展-线束增加线控系统（X-BY

22、-WIRE）计算机网络的广泛应用智能交通系统的应用,汽车发展带来的问题,（1）汽车电子技术的发展汽车上电子装置越来越多汽车的整体布置空间缩小 （2）传统电器设备多为点到点通信导致了庞大的线束 （3）大量的连接器导致可靠性降低。粗大的线束与汽车中有限的可用空间之间的矛盾越来越尖锐，电缆的体积、可靠性和重量成为越来越突出的问题，而且也成为汽车轻量化和进一步电子化的最大障碍，汽车的制造和安装也变得非常困难。（4）存在冗余的传感器。,Vo l v o 汽车近三十年来线束增长的情况,Vo l v o 汽车近三十年来线束增长的情况,1970年：线束长度200米1980年：线束长度600米1990年：线束长

23、度1000米1995年：线束长度1200米2000年：线束长度已达1500米,车用网络：通过总线将汽车上的各种电子装置与设备连成一个网络，实现相互之间的信息共享，既减少了线束，又可更好地控制和协调汽车的各个系统，使汽车性能达到最佳。,汽车网络化的优点,布线简单，设计简化，节约铜材，降低成本。可靠性提高，可维护性大为提高 实现信息共享，提高汽车性能满足现代汽车电子设备种类功能越来越多的要求 总之，使用汽车网络不仅可以减少线束，而且能够提高各控制系统的运行可靠性，减少冗余的传感器及相应的软硬件配置，实现各子系统之间的资源共享，便于集中实现各子系统的在线故障诊断。,车用网络特点,成本低性能非常可靠具

24、有容错能力实时性好可扩展性好,汽车网络的特点,移动平台,资源共享 实时性,条件恶劣,可靠性稳定性,潮湿、震动、尘土、油污、温度变化范围大,系统复杂,功能繁多信号容量差异大速率级别不等实时性要求不同,网络结构、协议多元化,总线型的结构是最适合车用网络体系的,许多国外汽车制造和汽车电器制造厂家充分认识到汽车网络的重要性，并依据自身的情况开发了多种汽车网络，如CAN、VAN、ABUS和SAEJ1850。CAN 可通过简单的协议，实现在电磁干扰环境下远距离实时数据的可靠传输，且硬件成本较低。由于CAN总线的高可靠性及其独特的设计，使其越来越受到人们（尤其在汽车领域）的重视。就像汽车电子技术在20世纪7

25、0年代引入集成电路、80年代引入微处理器一样，数据总线技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。,国外统计数据表明，如果一辆中型以上的汽车中大量地采用CAN总线技术，那么大约可以平均减少300个接插件、1 mile长的线束，共能够减少约35kg的质量。CAN总线的另一个突出优点是全数字化通信，便于实现灵活的网络互连系统。与传统接线技术相比，这一点是CAN总线技术最深刻的变革。,基于CAN总线的汽车电器网络结构,目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN：一条用于驱动系统的高速CAN，速率达到500kb/s。主要面向实时性要求较高的控制单元，如发动机、电动机等另一条用于车身系统的低速CAN，

26、速率是100kb/s。主要是针对车身控制的，如车灯、车门、车窗等信号的采集以及反馈。其特征是信号多但实时性要求低，因此实现成本要求低。,国外发展现状,国际著名汽车制造商和零部件供应商于二十世纪八十年代就致力于汽车网络技术的研究与应用，迄今已推出多种网络标准，如J1850 、VAN 、CAN 、ABUS等。在各种汽车网络中，CAN 以其独特的设计，优异的性能和极高的可靠性得到了最为广泛的应用。尤其在欧洲，Daimler Chrysler 、BWM 、Vo l k s wa g e n 及Vo l v o公司等都将CAN 作为他们电子系统控制器网络化的手段。美国的制造商也正逐步将他们的汽车网络系统

27、由J1850 过渡到CAN 。,最初车用网络只有高档汽车中才采用，而且多为各厂商自行研制的通信协议。 当汽车的发展要求性能价格比尽可能高的时候，工业生产的标准化和新技术普及化的进程已是不可阻挡。在这样的形势下，车用网络协议的标准化研究在国外迅速的发展起来。到90年代初，协议的研发到了相对成熟的阶段，从车身舒适性控制部件到动力系统控制部件都成为车用网络包罗的对象。,几年前汽车网络控制的应用还局限于高档车，对于大多数人来讲，汽车网络技术还是一个比较陌生的概念。短短几年内，汽车网络技术的发展速度令人瞠目结舌。在现代轿车的设计中，CAN已经成为必须采用的装置，奔驰、宝马、大众、沃尔沃及雷诺汽车都将CA

28、N作为控制器联网的手段。,我国的发展情况,我国车用网络的研究起步较晚，并且汽车电子方面的基础也较薄弱，这对于我国汽车产业跟上国际先进技术是一大障碍。 国内近年来零星有些CAN的应用报道，大多是在工业自动化系统方面的应用。最早在车辆上应用得较好的是中国科学院合肥智能机械研究所在863 “基于CAN网络控制的高架堆垛机产业化”项目中完成的，完成了一个用CAN网络控制的高架堆垛机（电动叉车）的研究试制，包括其应用层协议的制定。,由于我国中高级轿车主要以欧洲车型为主，因此欧洲车应用最广泛的CAN技术，也将是国产轿车引进的技术项目。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 Pass

29、atB5采用了CAN总线控制技术，如今作为经济型轿车推出的Polo也已全面采用网络控制技术。,在国内，目前生产的车型装备CAN的有：奥迪A6、奥迪A4、宝来、帕萨特B5、Polo、Fiat Palio、Fiat Siena、BMW等，主要应用在动力系统(发动机、变速箱及仪表)、安全系统(ABS、EBD、ASR、ESP等)和车身系统(门、窗、空调、灯光、锁、座椅等)。,常见拓扑结构,2.3 开放系统互连（OSI）参考模型,第一层：物理层(physical layer)。在由物理通信信道连接的任一对节点之间，提供一个传送比特流的虚拟比特管道。在发端将从高层接收的比特流变成适合于物理信道传输的信号，

30、在收端再将该信号恢复成所传输的比特流。物理信道包括：双绞线、同轴电缆、光缆、无线电信道等。,第二层：数据链路层(data 1ink layer)。物理层提供的仅仅是原始的数字比特流传送服务，并不进行差错保护。而数据链路层负责数据块(帧)的传送，并进行必要的同步控制、差错控制和流量控制。因此其上层可以认为链路上的传输是无差错的。第三层：网络层(network 1ayer)：功能是把网络中的节点和数据链路有效地组织起来，为终端系统提供透明的传输通路。网络层通常分为两个子层：网内子层和网际子层。网内子层解决子网内分组的路由、寻址和传输问题；网际子层解决分组跨越不同子网的路由选择、寻址和传输问题。它还

31、包括不同子网之间速率匹配、流量控制、不同长度分组的适配、连接的建立、保持和终止等问题。,第四层：运输层(transport layer)。运输层可以看成是用户和网络之间的“联络员”。它利用低三层所提供的网络服务向高层提供可靠的端到端的透明数据传送。它根据发端和终端的地址定义一个跨过多个网络的逻辑连接(而不是第三层所处理的物理连接)，并完成端到端(而不是第二层所处理的一段数据链路)的差错纠正和流量控制功能。它使得两个终端系统之间传送的数据单元无差错，无丢失或重复，无次序颠倒。 当高层需要高的吞吐量时，运输层可以产生多个网络连接。当产生和维护一个网络连接很贵时，运输层可以将多个运输层的连接复接到一

32、个网络连接中。当用户终端系统运行多个session时，运输层需要建立多个连接，并正确区分不同连接中不同session的消息。,第五层：会话层(session layer)。负责控制两个系统的表示层(第六层)实体之间的对话。除向高层提供连接外，还考虑了对话的规则和连续性。基本功能：（1）向两个表示层实体提供建立和使用连接的方法，这种表示层之间的连接叫做“会” (session)。（2）考虑对话的规则和连续性，提供一些服务：提供不同的对话类型(两个方向同时进行，两个方向交替进行，或单方向进行等)，遇到故障时的对话恢复(同步)。(利用在对话中插入一系列检查点，一旦故障发生，会话层可以从故障发生前的一

33、个检查点开始，重新传送所有数据)。,第六层：表示层(presentation layer)。负责定义信息的表示方法，并向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务，以使两个系统用共同的语言来进行通信。表示层的典型服务有：数据翻译(信息编码、加密和字符集的翻译)，格式化(数据格式的修改及文本压缩)和语法选择(语法的定义及不同语言之间的翻译)等。第七层：应用层(application layer)。是最高的一层，直接向用户(即应用进程AP)提供服务，它为用户进入OSI环境提供了一个窗口。应用层包含了管理功能，同时也提供一些公共的应用程序，如文件传送，作业传送和控制，事务处理，网络管理等等。它包

34、括了其他6层未包括的功能。应用层与其他层的差别是：应用层仅完成自己的功能(特定应用规定的特定任务)，而其他各层完成的是满足许多不同应用要求的总任务中一部分。,以上七层功能又可按其特点分为两类，即低层功能和高层功能。低层功能包括了第一至第三层的全部功能，其目的是保证系统之间跨越网络的可靠信息传送；高层功能指第四至第七层的功能，是一些面向应用的信息处理和通信,CAN总线用到了其中的物理层、数据链路层和应用层。,车用网络协议,早期发展特点：开放性差：不同厂家不同规范要求形成行业标准始于世纪年代,协议的发展,分布式网络及其相应的标准是汽车电子的发展方向和研究对象,为了方便研究和应用，二十世纪九十年代中

35、期，美国的汽车工程师协会（SAE）基于位传输速率和应用把汽车网络分为三大类：A、B、C类网，另外它还保留了D类网的定义。其中，A类网为面向执行器、传感器的低速网络，B类为面向数据共享的中速网络，C类为面向实时控制的高速网络，D类网络主要面向多媒体、导航系统等,SAE的汽车网络分类,协议现状,SAE的三类诊断气囊移动通讯X-by-wire,低速网络,低速网络主要是针对车身控制的，如车灯、车门、车窗等信号的采集以及反馈。其特征是信号多但实时性要求低，因此实现成本要求低。,低速网络协议,中高速网络,中速网络传输速率为10kbps 125kbps，主要针对数据通信以及数据共享；高速网络的传输速率在12

36、5kbps1Mbps之间，主要面向实时性要求较高的控制单元，如发动机、电动机等。,中高速网络协议,诊断的必要性,汽车电子越来越多而且复杂一旦出现故障，对车辆的运行和安全影响很大 所以需要有诊断系统对汽车上各部分的工作状态进行自动检查和监测 为了迅速诊断故障部位，提高维修效率，各大汽车厂家纷纷开发汽车故障自诊断系统,诊断协议,X-by-wire,“X-By-Wire”的“X”代表任何与安全相关的应用，例如转向、制动、动力传动或悬架控制。 其目标是在车辆上引入一种与安全相关、具有故障承受能力的电子系统，而无需备用机械系统。 因此需要系统具有更好的安全性、可靠性、有效性、可维护性、紧凑性以及使用寿命

37、长、成本低等特点。,TTP（Time Triggered Protocol）,CAN等协议采用的是事件触发的机制，缺乏确定性、同步性和容错性 TTP采用的是时间触发，是专门为X-by-wire设计的通信协议 由于可靠性、实时性的要求高，成本也较高,其他协议,主流协议,中高速网络协议比较,JSAE所做的比较实验（91）进行比较的协议：CAN、ABUS、HBCC、PALMNET、DLCS、C2D 考核的技术指标：传输容量、最大节点数、有效数据率、CPU负担、可靠性CAN和Advanced PALMNET的模型仿真比较（98）进行比较的协议： CAN、Advanced PALMNET考核的技术指标：

38、传输失败率、系统平均延时、处理能力,传输容量,最大节点数,有效数据率,CPU负担,协议可靠性,总线可靠性,传输失败率,CAN,PALMNET,系统平均延时,CAN,PALMNET,处理能力,CAN,PALMNET,比较结果,比较的结果说明，CAN主导车用中高速网络协议确实是因为它具有相当的技术优势。因此各大汽车厂商、大学研究机构、协会等以CAN标准为基础研发了一系列协议，有ISO11519、ISO11898、SAE J1939、CANOpen等，它们的传输速率跨越了低速到中高速的很宽的一段工作范围。在90年代中后期，CAN基本主导了车用网络总线标准。,2.6 CAN总线简介,CAN作为一种多主

39、总线，支持分布式实时控制的串行通信网络，其通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。在汽车各系统的应用中，总线的位速率最大可达1Mbit/s（传输距离40m）。CAN总线具有以下主要特性：无破坏性的基于优先权竞争的总线仲裁。可借助接收滤波的多地址帧传送。具有错误检测与出错帧自动重发送功能。数据传送方式可分数据广播式和远程数据请求式。,其最大特点是：废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，信息的内容通过一个标识符(ID)作标记，在整个网络中，该标识符是唯一的。数据段长度最多为8字节，既能满足一般要求，又可保证通信的实时性。标识符还决定了信息的优先权。ID值越小，其优先权越高。当存在2个

40、或2个以上节点争用总线时，CAN采用ID进行仲裁。CAN确保发送具有最高优先权信息的节点获得总线使用权，而其他的节点自动停止发送。总线空闲后，这些节点将自动重发信息。,CAN采用载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)法，能通过无损仲裁解决冲突。CAN总线上的数据采用不归零编码(NRZ)，可具有两种互补的逻辑值之一，即显性和隐性。显性电平用逻辑“0”表示，而隐性电平用逻辑“1”表示。总线按照“线与”机制对总线上任一潜在的冲突进行仲裁，显性电平覆盖隐性电平。而发送隐性电平的竞争节点和显性电平的监听节点将失去总线访问权并变为接收节点。,CAN的特点,多主站结构，网内节点个数可达2000个 可编

41、程数据传输速率最大可达1Mbps，通讯距离为40m 通讯数据以帧的方式传送，有较强的网络抗干扰能力 强有力的错误控制和错误重发功能，保证了数据通讯的可靠性 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响 在总线访问中，采用非破坏性总线竞争裁决技术，保证优先权较高的信息实时传递,基于CAN规范及协议,基于CAN规范及协议,CAN的结构模型,CAN物理层,CAN是控制器局域网络，采用总线结构。一般采用双绞线，差分驱动。总线上有两种互补的逻辑：主控电平（dominant）和隐性电平（recessive），采用时钟同步的方法，如果总线上的2个控制器同时

42、向总线上发送主控电平和隐性电平，则总线上始终是主控电平。例如采用“线与”方式时，主控电平可用逻辑“0”表示，隐性电平则为逻辑“1”。在ISO的有关标准中对电平值均有明确的定义。终端电阻：120欧姆,CAN数据链路层,CAN通信接口集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验及优先级判别等项工作。在系统中，数据按照携带的信息类型可分为四种帧格式： 数据帧 用于节点间传递数据远程帧 用于请求发送有相同标识符的数据帧 出错帧 是检测总线出错的一个信号标志超载帧 表明链路层要求的内部超载状态,CAN的帧结构与形式,数据帧用于节点间传递数据，

43、是网络信息的主体。CAN协议有CAN2.0A和CAN2.0B ， CAN2.0A采用11位标识符，而CAN2.0B采用的标识符为29位。,CAN数据帧由七个位域构成：帧起始域：以1位的主控电平0作为帧的起始标识仲裁域（信息标识符）：数据帧的标识，11位，根据冲突原则，值越小。越优先控制域：包括远端请求、保留位和数据长度。远端请求：用来区别是数据帧还是远端请求帧数据长度：数据区的长度，以字节为单位数据域：用户数据，08个字节校验域（CRC）：16位的循环冗余校验码确认域（应答位）：其作用是通过将发送方的应答空隙位上的隐性电平置为主控电平来进行确认。如果这个主控电平不出现，则发送者判定为发送错误。

44、帧结束标识：由7位隐性电平组成。最后，帧之间至少要有3位隐性电平的帧间隙。,SAE J1939,物理层,最大ECU数：30终端电阻：120欧姆位时间：推荐值是4S，对应的传输速率为250kbps 拓扑结构：尽量紧凑的线性结构以避免电线反射屏蔽终端：是一个接地电线，最好和车辆电池的地接在一起。,数据链路层,优先权（P） 由3位组成，即07，共8级。其中0最高，7最低。,保留位（R）目前为0,数据页（DP）用于选择PGN的数据页,PDU格式（PF）用于决定分配到数据域的参数组数（PGN）,PGN:0239,PGN:240255,目标地址（DA）,扩展参数组（GE）,源地址（SA） 每个设备有唯一的

45、SA,应用层,J1939的应用层主要定义了常用的物理参数格式。包括了控制参数；驱动状态参数；驱动系控制；驱动系配置参数；信息参数；信息状态参数。数据格式规定了数据的长度、分辨率、取值范围和类型。,CAN总线（控制器局域网）在汽车上的应用,基于CAN总线的汽车电器网络结构,目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN：一条用于驱动系统的高速CAN，速率达到500kb/s。主要面向实时性要求较高的控制单元，如发动机、自动变速器、ABS、电动机等另一条用于车身系统的低速CAN，速率是100kb/s。主要是针对车身控制的，如车灯、车门、车窗等信号的采集以及反馈。其特征是信号多但实时性要求低，因此实现成本

46、要求低。,CAN接口形式,CPU+独立CAN控制器,集成CAN控制器的CPU,集成CAN控制器与独立CAN控制器之对比,高速CAN总线上各节点的CPU，应选用带CAN控制器的16位或32位单片机，选择的标准主要看是否能满足各子系统的控制功能的要求。常用的带CAN控制器的16位CPU有：Intel的87C196CA/CB，Motorola的68HC系列等。车身系统的低速CAN总线上各节点控制功能简单，主要应考虑降低成本，所以选用带CAN控制器的8位单片机即可。如Philips的8xC591，Motorola的68HC系列等。对于网关，应选用带有两个CAN控制器的16位或32位单片机。,带有2个C

47、AN控制器的16位或32位CPU有：,MOTOROLA68HC912DG128（16位）MC9S12DJ256B（16位）MC9S12H256B（16位）MPC555（32位）MPC556（32位）UJITSUMB90591（16位）MB90594（16位）MB90F543G（16位）MB90F591（16位）MB90F594A（16位）NECD703121（32位）D703077Y（32位）D703079Y（32位）D70F3077Y（32位）D70F3079Y（32位）,总线传输速率的影响因素,总线长度传输介质节点数所需网络速度,传输速率与总线长度,传输介质与总线长度,节点数,CAN总线的物理层实现了网络上各节点之间的电气连接，实际节点数主要受总线的电气负载限制。对于一条CAN总线来说，根据ISO11898中定义的电气参数，其最大节点数为30。,所需网络速度,需传送的数据数量需传送数据的更新速率控制结构选择触发机制的类型,通信量及更新速度对网络速度的要求,通信量小,通信量大,所需网络速度慢,所需网络速度快,更新速率慢,更新速率快,控制结构对网络速度要求,触发机制对网络速度的要求,CPU的选择,CPU晶振频率的选择CPU与CAN控制器接口形式的选择,CPU晶振频率的选择,CPU晶振的最佳设置,LIN接口示意,