毕业论文(设计)基于CANLIN总线的车灯控制系统设计.pdf
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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要随着汽车电子技术的发展,越来越多的电控设备被应用到汽车上,仅车身电子方面就有电 动座椅控制模块、电动后视镜控制模块、车灯控制模块等.这些电控设备在提高汽车舒适性的 同时,也带来了成本增加、布线复杂、故障率上升等问题.因此,人们提出了用串行通讯网络 代替繁珈的现场连线以解决上述问题.本文深入研究和分析了汽车网络中应用最为广泛的串行通信总线LINE 2总线协议规范和 CAN2.0总线协议规范,探讨了 LIN总线协议和CAN总线协议软件实现的技术.在此基础上,本 文设计了一种基于CAN/LIN混合网络的车灯控制方案。该方案开发了智能化的主机节点和从机 节点,完成了主从
2、节点的硬件选型和电路设计,包括CAN模块、LIN模块、功率驱动模块、电 源模块的电路设计及其选用芯片的性能分析介绍;然后开发了符合LINL 2和CAN2.0总线协议 的软件程序,实现了单主多从的总线型网络拓扑结构;最后在PC机上利用VisualBasic开发软 件设计了人机交互界面,通过USBYAN网桥与车灯控制模块进行通讯,对整个车灯控制模块进 行调试和管理.,本系统已经在实验室完成了硬件平台的搭建,以及控制软件的设计、调试.试验证明,系 统的控制效果良好.同时本方案也可以应用于其他车身控制模块,具有良好的可扩展性和一定 的应用前景.关键词:汽车电子,车身控制,CAN总线,LIN总线,车灯控
3、制基于CAN/LIN总线的车灯控制系统设计AbstractAs the de ve lopme nt of automotive e le ctronics,more and more e le ctronic controlle rs are applie d on automotive s.Only on automotive body control the re are so many e le ctronic controlle rs such as e le ctromation se at controlle r,re arvie w mirror controlle r and
4、 automotive lans controlle rs e tc.As the se controlle rs improve the comfort of automotive s,fte y also cause many proble ms such as highe r cost,highe r hilure rate and incre asing of wiring complexity.In orde r to solve such proble ms pe ople sugge st using se rial communication ne t to re place
5、tihe comple x fie ld conne ction.This pape r re se arche s and analyze s LIN bus protocol ve rsion L2 and CAN bus protocol ve rsion 2.0,and discusse s se ve ral te chnologie s base d on CAN and LIN protocol.The n this pape r me ntions a automotive lamps control program base d on CAN/UN mixe d ne two
6、ik,de ve loping a inte llige nt maste r node and four slave node s according with the protocols,finishing choice of chips,analyzing of chip pe rformance and de sign of circuit including CAN module,LIN module,Powe r Drive r module and Powe r module;the n this pape r de ve lops a software according wi
7、th CAN protocol and LIN protocol,诃lich implime nts a ne t topological structure with single maste r node and multy shve node s.At last,the pape r de ve lops a Human-Con)ute r-Inte raction Inte rface with Visual Basic software on PC which will communicate with the automotive lan)s control module with
8、 a USB-CAN bridge.It will he lp to de bug and manage the whole automotive lamps control module.This proje ct has finishe d the built of hardware te stbe nch,and the de sign,de bugging of software.The re sult of te st shows the proje ct worics we ll.This proje ct can also be applie d on othe r automo
9、tive controlle rs,it is e xte nsive and has good application prospe ctKe y words:automotive e le ctronics,automotive body control,CAN bus,LIN bus,automotive lamps control南京航空航天大学硕士学位论文目录第一章绪论-11.1 选题意义及背景.-1 1.2汽车总线技术概述-21.3 车用网络拓扑结构-41.3.1 并列结构-5132分层结构.61.4 本课题研究内容-6第二章CAN/LIN总线汽车灯光控制系统总体方案介绍.72.1
10、 方案设计原则-72.2 车灯控制网络拓扑结构选择_72.2.1 现场连线控制方案-82.2.2 单一 CAN总线控制方窠-92.2.3 CAN/LIN混合网络控制方案_ 92.3 方窠的结构和内容-102.3.1 主控制器功能介绍.10232从控制器功能介绍_11233 CAN总线系统介绍.122.3.4 UN总线系统介绍.132.3.5 CAN/LIN混合网络和协议转换_ _14第三章系统的硬件设计-163.1 控制器(MCU)的选择.163.1.1 主控制器MCU选择-163.1.2 从控制器MCU选择_ 1732电源设计_193.2.1 车载电源工作环境分析-193.2.2 电源电路设
11、计-203.3 CAN收发模块设计_ 213.4 LIN收发模块设计_233.5 功率驱动模块设计_ _ _ 243.5.1 数字量诊断输出组_ 25352模拟电流传感器诊断输出组.26第四章系统的软件开发.284.1 功能说明_284.2 CAN总线协议介绍_ _ 284.2.1 CAN基本概念_ 28422 CAN报文传输-029iii基于CAN/LIN总线的车灯控制系统设计4.2.3 CAN总线协议特点分析.344.3 LIN总线协议介绍.34431 LIN总线基本概念.34432 LIN报文结构和传输.364.3.3 LIN总线特点分析.“384.4 CAN节点软件开发.394.4.1
12、 后台监控模块.40442 CAN接收模块.40443 CAN发送模块.42444 UN发送模块.43445 UN查询模块.444.4.6 定时查询模块.464.5 LIN从机节点软件开发.464.6 LIN从机节点功能模块开发.47第五章上位机软件开发.505.1 PC机与控制系统节点通讯接口开发.505.2 上位机软件的功能介绍.515.2.1 函数库中的数据结构定义.515.2.2 接口库函数说明-52523人机交互界面设计.53第六章总结与展望-596.1 总结.596.2 展望.59参考文献-.61致谢-63硕士期间发表的学术论文.64IV南京航空航天大学硕士学位论文图清单图L1车用
13、并列网络结构图_5图L2车用分层网络结构图.6图2.1现场连线式车灯控制方案图-8图2.2单一 CAN总线车灯控制方案图-9图2.3 CAN/LIN混合网络车灯控制方案图-9图2,4系统结构示意图_10图2.5主控制器功能示意图.11图2.6从控制器功能示意图_11图2.7 LIN网络功能示意图-14图3.1抛负载状态下的脉冲描述_20图3.2电源电路图.-21图3.3 TJA1050应用电路图_23图3.4 LIN主节点收发器电路图-24图3.5 UN从节点收发器电路图-24图3.6小功率灯驱动电路-25图3.7大功率灯驱动电路-27图4.1 CAN总线分层结构-29图4.2 CAN报文的数
14、据帧格式-30图4.3数据帧中仲裁域格式-31图4.4应答域格式-32图4.5 CAN报文错误帧格式-32图4.6远程帧格式.33图4.7过载帧格式.-33图4.8汽车中的主要网络协议_35图4.9 LIN协议的0SI参考模型_36图4.10 LIN报文帧格式-36图4.11 LIN报文帧同步间隔场-37图4.12 LIN报文帧同步场-37图4.13 LIN报文帧标识符场_38图4.14 LIN报文数据场-38图4.15 LIN报文校验和场-38图4.16后台监控模块流程图_40图4.17 MSCAN报文接收结构-41图4.18 CAN接收中断服务流程图_42图4.19 CAN发送模块流程图_
15、 43图4.20 LIN发送模块流程图_ 44图4.21 LIN查询模块流程图-45v基于CAN/LIN总线的车灯控制系统设计图4.22定时查询模块流程图.46图4.23 LIN从机节点流程图.47图4.24 PWM信号示意图.48图4.25近光灯开启流程图.48图4.26转向灯开启流程图.49图5.1 PC机与CAN节点连接示意图_50图5.2 USBCAN-I接口函数使用流程图.52图5.3车灯控制面板截图.54图5.4 CAN总线参数初始化界面.55图5.5开近光灯CAN报文.56图5.6右前节点近光灯开载故障CAN报文.58表清单表3.1 TJA1050引脚功能表.22表3.2 BTS
16、724G故障反馈的真值表.26表3.3 BTS6143D故障反馈真值表_ 26表4.1信号量定义_ 40表4.2 UN报文帧定义.43表4.3 LIN报文帧数据场DATA,0位定义-44表5.1 CAN总线波特率设置表.55vi南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1 选题意义及背景随着汽车电子技术的发展以及汽车功能的不断完善,各种电控设备在汽车中的应用越来越 多.汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命,汽车电子化的程度被看作是衡量现 代汽车水平的重要标志,是用来开发新车型,改进汽车性能最重要的技术措施.汽车不再是消 费者心目中简单的代步工具。安全性、舒适性、智能化成为消费者对现代
17、汽车提出的进一步诉 求,而这些都是和汽车电子控制技术密不可分的加强汽车电子控制是汽车工业的重要目标之 一,也成为汽车业者实现产品差异化的主要手段,汽车制造商认为增加汽车电子设备的数量、促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的重要的有效手段.同时,实现汽车电子控制网络化更是 当今和未来汽车的主要发展方向。由于汽车上的电子装置数量的急剧增多,汽车电气系统变得 日益复杂.各种汽车电子装置的出现对汽车的综合布线与信息交互也提出了更高的要求.汽车中各种功能的不断完善,使汽车电子控制单元越来越多,控制装置的数置和复杂性也 不断增加,庞大的线束不但会占去大量的车内空间,增加系统的成本,同时也降低了系统的可 靠性和
18、可维护性.传统电气节点大多采用点到点的通信方式,缺乏信息共享的同时也造成庞大 的布线系统,这无论是从成本、维护和工作效率的角度来看都是不合算的为了减少连接导线 的数量和重量,繁琐的现场连线正在被单一简洁的现场总线网络所代替:通讯线将各种汽车电 子装置连接成一个网络,通过数据总线发送和接收信息.而现场总线技术的不断发展和其内容 的不断丰富,使各种控制、应用功能模块、控制网络的网络管理、系统管理等内容不断扩充,现场总线已经超出了原有的定位范围,不再只是通信标准和通信技术,而成为网络系统和控制 系统.通讯线将各种汽车电子装置连接成为一个网络,通过数据总线发送和接收信息,这样电 子装置不仅可以完成各自
19、的控制功能,还可以为其他控制装置提供数据服务.由于使用了网络 化的设计,简化了布线,减少了电器节点的数量和导线的用量,使装配工作更为简化,同时也 增加了信息传送的可靠性.通过数据总线可以访问任何一个电子控制装置,读取故障码对其进 行故障诊断,使整车维修工作变得更为简单。网络化的设计使各个功能模块之间相互独立,互 不影响,便于后期系统的扩展和升级.汽车电子化是现代汽车发展的重要标志.目前,欧美发达国家生产的汽车,每辆汽车上电 子装置的平均成本已占整车成本的30%50%.在豪华轿车上,电子产品的成本已占整车成本 的50%以上.有些公司生产的高档汽车上安装了专用的电子系统,例如丰田汽车公司的WT-I
20、 新型智能可变节气门控制系统、MSP马莎拉蒂稳定程序、PSM保时捷行车稳定管理系统、m保 时捷牵引力管理系统、PASM保时捷主动悬架管理系统等等.近几年,我国汽车产业发展迅猛,基于CAN/LIN总线的车灯控制系统设计特别是轿车产业。我国的巨大市场潜力吸引了全球知名汽车厂商的目光,纷纷来华投资,凭借 这些跨国企业提供的技术、硬件、以及产能上的保障,我国在短短几年时间内成为全球知名的 汽车生产国。快速发展的汽车产业为汽车电子产品提供了广阔的应用市场,从2004年开始我国 汽车电子市场随着汽车产业一起进入快速发展时期。当前,汽车由单纯的机械产品逐步演变为 一种高级的机电一体化产品.并向着电动汽车(含
21、混合动力车)和智能汽车的方向发展.使汽车 电子市场进入了一个稳定且快速增长阶段;同时第三代移动通信、高清数字电视、卫星导航、移动网络等越来越多的IT技术被逐步移植到汽车上,电子装置占整车的价值比显著提高,汽车 电子产业也随之蓬勃发展.现代汽车电子技术的应用不仅提高了汽车的动力性、经济性和安全性,改善了汽车行驶的 稳定性和舒适性,推动了汽车产业的发展,而且还为电子产品开拓了更加广阔的市场,从而推 动了电子产业的发展。作为汽车产业和电子产业结合的产物,汽车电子产业的发展已经驶上了 快车道.1.2 汽车总线技术概述汽车总线技术是现场总线的应用之一,最初现场总线只是用于工业控制。所谓现场总线是 应用在
22、生产最底层的一种总线型拓扑的网络,进一步讲,这种总线是用作现场控制系统的,直 接与所有设备节点串行相连的通讯网络。汽车电子控制的现场范围可以从车窗升降器驱动机构 到仪表显示装置,也可以从汽车悬架系统到发动机电子点火系统、安全气囊系统。汽车上受控 设备和网络所处的环境很特殊,对信号的干扰往往是多方面的,而不同的部分要求控制的实时 性也有所区别,这决定了汽车上的现场总线既有区别于一般网络的特点又具有区别于一般工业 自动化控制现场总线的特点.汽车数据传输网按照其网络功能分为:车身控制网络、车载数据网络、信息/多媒体网络、动力系统网络、安全系统网络等.不同汽车厂商在实现相同功能时候可能使用不同的技术不
23、 同类型/速率的网络通过网关实现全部节点之间的信息共享.车用总线技术种类繁多,汽车网络化的趋势使得CAN、LIN、Fle xRay,MOST等网络总线在 汽车中应用日趋升级.由于汽车不同的控制对象对信号传输有不同的要求,需要相应的网络总 线控制,如车身控制应用LIN总线,动力系统和安全系统应用CAN、Fle xRay总线,汽车多媒体 应用MOST等.下面介绍最为流行的CAN、LIN、Fle xRay和MOST等汽车网络总线技术1.CAN总线.CAN是“Controlle r Are a Ne twork”的缩写,意即“控制器局域网。它是国 际上应用最广泛的现场总线之一.CAN最初出现在1983
24、年的汽车工业中,由德国Bosch公司提 出.提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯,减少 不断增加的线束。1993年,CAN已成为国际标准011898(高速应用)和011519(低速应用)。2南京航空航天大学硕士学位论文CAN是一种多主(Multinaste r)串行通讯总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤.CAN通信方法是“基于报文”而非“基于地址”的,即网络中的节点通过报文标识符来决定是 否接收该数据。因此,一个由CAN总线构成的单一网络中,理论上可以挂接无数个节点 CAN 总线具有很高的实时性,基本设计规范要求有高的位速率,高抗电磁干扰性,而且能
25、够检测出 产生的任何错误。当信号传输距离达到lOKm时,CAN仍可提供高达5Kbps的数据传输速率.目 前在汽车应用中的可根据流量性质的不同,使用两条独立的CAN总线.第一条CAN总线应用于 车身控制网络,它的功能是控制乘客的舒适系统,因此该网络主要处理多种无序或以非规律频 率出现的消息标识符.另一条CAN总线应用于汽车动力网络(Powe rtrain Ne twork),它的功能 是传输与引擎和传动控制有关的消息,这些待处理信息的类型相对单一,但出现的频率却非常 快,也非常有规律由于需要处理的信息类型的不同,导致两种网络在硬件和软件系统设计上 也大相径庭.总的来说,车身控制网络的CAN在速率
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