PALMNET通信协议及高级PALMNET通信协议o.docx
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PALMNET通信协议及高级PALMNET通信协议o
PALMNET通信协议
及高级PALMNET通信协议
1.PALMNET协议及其特点
PALMNET协议（ProtocalforAutomotiveLowandMediumspeedNETwork的缩写）是马自达汽车公司与古川电子公司1988年联合开发的汽车中、低速网络协议，是一种分布控制类型的车内局域网系统。
采用PALMNET协议的汽车局域网（LAN）系统，成功地用在1990年型的马自达宇宙车型上。
该通信协议最显著的特点是可靠性高，主要原因是它具有较多（24ACK）的确认比特数的固定字段，该字段允许任一广播节点从各个接收节点接收ACK信号。
确认比特数较多虽然降低了一些数据传送速率，但保证了中、低速网络通信的可靠性和实用性，为广泛地将低成本、高可靠性的车内局域网系统应用到普通等级的汽车上，奠定了良好的基础。
2．高级PALMNET协议及其与PALMNET协议的异同
高级PALMNET是一种具有CSMA/CD+NDA（碰撞检测功能的载波感知多路存取和非破坏性仲裁优先级控制）的分布式控制车内局域网（LAN）。
按照ISO对传输速率的定义，该协议覆盖的中、低传输速率可达到l25kbps，高传输速率可达到lMbps。
高级PALMNET协议继承和扩展了PALMNET协议的技术特性，并在后者的基础上提高了传输速率，在经济性、可靠性和使用方便性等方面都有较多改进。
高级PALMNET与PALMNET协议的异同点见表1。
表1高级PALMNET协议与PALMNET协议的异同点
OSI层
项目
高级PALMNET协议
PALMNET协议
中-低传输速率
高传输速率
数据链路层
存取方法
具有I/O帧的CSMA/CD
具有SDG帧的CSMA/CD
CSMA/CD
优先级控制
非破坏性仲裁
同左
同左
寻址
广播
同左
同左
确认
网络控制确认（ANC）法+ACK确认比特
16个节点×2组
网络控制确认（ANC）法
16个CRC
网络控制确认（ANC）法
24个节点
差错检测
8位CRC（循环冗余较验）
16位CRC
8位CRC
数据长度
4字节
4或8bit（可选择）
4节字
物理层
同步
起止同步
位塞入+起止
具有PWM的自同步
编码
NRZ（不归零）
NRZ（不归零）
PWM（脉宽调制）
位速率
可达125kbps
可达1Mbps
20kbps
总线接口
直流耦合型
对所有故障模式均能容错
直流耦合型
除+B短路模式需屏蔽导线外，对所有故障模式均能容错
交流耦合型除总线中断和总线方式短路外，对各种故障模式容错
媒体
双扭线
带屏蔽的双扭线
双扭线
3．高级PALMNET协议的传输速率
对于汽车局域网LAN，为了包含从车身控制系统到底盘控制系统的所有信号，必须将原90型的PALMNET20kbps的传输速率向上增加，才能满足使用要求。
考虑到传输延迟，对于非破坏性仲裁优先级控制和CSMA/CD，其总线传输速率通过20m长度的上限约为lMbps。
如果采用PWM编码方法，真正的信息传输速率的上限约为330kbps，为lMbps的l/3左右。
从应用的观点出发，处理车身到底盘控制系统的所有信号，需要执行约lMbps的速率，因此，应变更编码方法，即将原来的PWM更改为NRZ编码，调整速率至lMbps。
双扭线在PALMNET中用作通信媒体，必须有抗干扰措施，也就是说，在传输速率增加时应对双扭线作屏蔽。
对于车身控制系统，100kbps左右的中-低速率已足够，而对于底盘控制系统则需要较高的约几百kbps速率。
根据ISO的定义，达到125kbps的传输速率定义为中-低速率，达到1Mbps的定义为高速率。
4．高级PALMNET协议的帧格式
高级PALMNET有高速传输速率的帧格式和中-低速传输速率的帧格式，见表2。
表2高级PALMNET协议的帧格式
帧格式
高速传输速率
中-低速传输速率
SOF
帧起始
8bit
8bit
PRI
帧优先
8bit
8bit
TYPE
帧类型
8bit
8bit
ID
数据标识符
8bit
8bit
DATA
数据字节
每个8位号，n为4或8
每个8位长
CRC
循环冗余校验
16bit
8bit
EOD
数据结束
2bit
——
AND
网络控制确认
16bit
17bit
EOF
帧结束
10bit
10bit
为方便理解，将上述帧格式中的内容解释如下:
帧起始是一个指示帧开始的专用代码，它由有6个连续位支配的8位构成，每个位从属和位支配均从位同步的角度考虑，因此，在其后面很容易形成帧同步和位同步。
帧优先是一个优先控制区域，已从原先的4位增至8位以改善优先调度的自由度。
有些汽车的车内局域网LAN协议将优先码与数据标识符ID合并，而本协议的ID是独立的。
帧类型是专指帧类型的区域，它能将除标准帧以外的传输请求帧、同时数据收集（SDG）帧及I/O-IC帧等区分开。
数据标识符以8位承袭以前的标识符，用来识别信号种类。
数据字节对于中-低速传输速率承袭早先的4字节作为数据长度;对于高速传输速率，考虑了同时数据收集（SDG），可选择4或8字节。
循环冗余校验是最常用的一种差错检测代码，8位CRC适于中-低速传输速率，16位CRC用于高速传输速率。
该16位CRC较早先的车内局城网LAN协议有更佳的检错能力。
数据结束只存在于高速传输速率和用于位同步转换。
网络控制确认是从接收节点等处回送确认的区域。
对于中低速传输速率，ANC确认位包含在该区域。
帧结束指示帧结束和准许向各节点依次传输。
5．高级PALMNET协议位同步的理解
对于帧内的位同步法，如果1个单节点正在发送，而且采用不归零NRZ编码，则位塞入同步具有最佳的传输效率。
但是，在ANC或SDG方法中，有两个以上的节点必须同时发送，发送节点在位塞入同步中，插入1个与相邻位不可能同值的塞入位。
这样，仅仅在ANC区域和在SDG模式的数据区使用起-止同步。
因此，发送节点在1个固定周期发送同步位，而在高传输速率帧的发送过程中位塞入同步与起-止同步发生转换。
对于中-低速传输速率，为了降低成本，省去了同步转换电路，在各个区域只使用起-止同步。
在该协议中若使用位塞入同步，当相邻的5位有相同值则可插入1个塞入（填充）位。
在起-止同步中，每4位插入2个同步位。
6．网络控制确认（ANC）法的含义
马自达公司1990年型宇宙汽车采用的PALMNET协议，最显著的特点就是采用ANC应答的确认方法。
高级PALMNET协议继承了此方法。
图1是高级PALMNET协议的ANC方法。
根据来自于传输节点的同步位，各个接收节点插入确认信号（ACK）于ANC区域指配的位置，故确认信号可以从连接到网络的各个节点上的某一传输帧内获得。
由于高级PALMNET使用NRZ编码而不用原PWM编码，因此，ANC方法可由ANC区域中两个以上节点同时发送的起-止同步来实现。
图1网络控制确认法
对于中-低速传输速率，网络中的节点可分为两组管理，每组包括16个节点，节点总数达32个。
对于高速传输速率，最多的节点数只有16个，对底盘控制系统，16个节点目前足以够用。
ANC法有以下优点:
在汽车局域网LAN特别需要的N（1:
n）的通信方式中，ANC法具有高的传输可靠性，容易对网络进行实时管理。
当网络用于底盘控制系统时，能对所有节点的故障实时检测，并能迅速转换为故障无碍控制。
例如，在电子控制变速系统（EAT）中，当使动/执行器控制节点通过ANC实时检测出EAT节点发生某一断路或击穿等故障，就立即置使动器于安全端，并转入故障无碍操作，以维持汽车的继续行驶。
7．同时数据收集（SDG）法的概念
在底盘控制系统的信号传输中，要求1个节点具有同时获得几个节点数据并处理这些数据。
例如，防抱死制动系统的车轮速度传感器、电控有源悬架的四轮高度传感器等发送的信息，都要求1个节点能同时收集并处理这些信息。
SDG方法能让1个节点仅用1帧从几个节点同时收集数据（图2）。
如果节点A发送1个SDG帧，企图从几个信息源同时处理数据，在SDG帧中根据ID编码设计数据的节点B、C、D和E，依次将数据插入SDG帧内的设定区域。
图2SDG（同时数据收集）法
SDG功能对用于底盘控制系统的车内局域网LAN极为有用。
如果无SDG功能，为了收集几个信息源的数据，LAN将对各个节点发送单独的传输请求，这样会花费太多的时间去同步处理数据，对底盘控制系统的安全性极为不利。
另外，多次请求增加的业务量还会影响整个系统的等待时间。
在SDG帧内，多个节点必须在相互同步时传送，在数据字段周期位塞入同步法转换为起-止法。
8．高级PALMNET采用的几种通信集成电路
对于中-低速传输速率，采用Basic-IC（基本集成电路）和I/O-IC（输入/输出集成电路）;对于高速传输速率，开发了Hi-IC（高速集成电路）。
3种IC都采用CMOS0.8µm标准的精细处理技术，并通过缩减芯片尺寸降低成本。
3种IC都装有总线接口。
安装在发动机舱内的节点工作温度调定在一40℃~125℃。
（1）Basic-IC。
它用作电子控制装置/模块，布局如图3所示。
通
图3Basic-IC框图
信控制电路与8位单片机集成在一起。
由与CPU一体化的软件处理电子控制模块和通信控制区的应用程序，因此，通信硬件的尺寸和成本均有明显减少。
对于通信控制，可以从应用软件中调用子程序获得传输数据。
对于接收部分，可由通信控制电路及软件处理通信控制中断CPU。
用不同的中断类型简化判定过程，而中断类型又是根据是否正常地接收到信号或是否出现差错以确定。
表3是Basic-IC的主CPU功能。
表3Basic-IC主CPU功能及规范
CPU功能
规范
CPU功能
规范
ROM
16k字节
计时器
16位×1通道
8位×2通道
监视器×1通道
RAM
512字节
PWM输出
16位×1通道
I/O口
36
外部中断
2
串行接口
通用收发信机USRT×1
外部总线
英特尔（Intel）多路复用总线
A/D转换器
8位×6通道
（2）I/O-IC。
它用作节点，专门用于非智能控制传感器和使动器的输入/输出操作。
不需要附加的微处理器，将输入/输出功能并入通信芯片，可以降低制造成本。
I/O集成电路规约的特性如图4所示。
图4I/O-IC中的网络控制确认（ANC）管理
在上述的ANC方法中，由于传输出错或其他问题导致接收节点未能收到正确的帧，为了校准帧，接收节点检测到ACK不足之后，发送节点将重发帧。
为了判定上述是否重发，发送节点先识别是哪些节点连接在网络上，识别方法是用ANC表，该表是从各个节点（ANC信号）最后的4个ACK信号作为依据制成的。
发送节点通过比较传输中的ANC信号与ANC表，判定是否需要重发。
按上述情况，依据每次发送和接收操作获得的ANC信号形成和修订的ANC表的操作程序，被称为ANC管理功能。
证实了ANC信号与ANC表一致后，还可以通过网络中的Basic-IC管理某个ANC表，以取代I/O-IC发送ANC字段后部分的ANC确认位。
I/O-IC可以通过校验ANC确认位决定是否重发。
当任何输入口的状态发生变化，I/O-IC就自动起动发送1帧;而当I/O-IC收到正确的数据帧，它就立即在输出口输出数据。
（3）Hi-IC。
底盘控制系统的电子控制装置由高性能的微处理器组成，而高速传输速率下的通信集成电路Hi-IC则用微处理器构成外围电路。
另外，Hi-TC以对各个微处理器提供直接接口的高效CPU接口为特征。
多路复用或分离的地址/数据总线可由与摩托罗拉或英特尔总线规格兼容的结构提供给Hi-IC。
Hi-IC中的接收缓冲器由重写缓冲器和非重写缓冲器组成。
重写缓冲器被标识符ID分为几个区域，当Hi-IC收到寄存器ID的信息帧，不管CPU是否读出老数据，老数据都将被新数据重写。
不过，非重写缓冲器特制了两个区域，可储存寄存器ID的所有信息帧，至于这两个区域的信息若存满了，也就不能再继续储存了。
重写缓冲器用于频繁发送的信息帧。
对每个信息帧的接收，CPU不必中断就能顺利地读出所接收的数据，因此，CPU参与通信的问题勿需过多考虑。
非重写缓冲器参与应急方式下的驱动型事件的信息帧，其应用结果，可获得快速响应和可减少接收部分的CPU载荷。
9．高级PALMNET的总线接口的故障容错能力
高级PALMNET的总线接口的最主要特点就是有很强的容错能力，也就是说，这是一种高可靠性的增强型总线接口。
表4是由ISO推荐的9种故障容错。
故障容错是指在传输媒体中，发生了表中的某种故障类型，通信仍能继续进行。
表4ISO推荐的9种故阵容错
故障形式
提出方式
故障形式
规范
（1）总线+中断
推荐
（6）总线-至蓄电池（B+）
推荐
（2）总线-中断
推荐
（7）总线+至总线-
可选择
（3）总线+至蓄电池（B+）
推荐
（8）总线+与总线-在同一位置同时中断
推荐于子系统
（4）总线-至地（GND）
推荐
（9）两个终端电阻之一损耗
推荐
（5）总线+至地（GND）
推荐
10．高级PALMNET的中-低速传输速率总线接口的特点
中-低速传输速率总线接口如图5所示。
由于NRZ中的占空率用在PALMNET中波动较大，因此，早先的AC藕合输入电路因充放电时间得不到平衡，故选择了DC耦合输入电路。
图5中-低速传输速率下总线接口
双扭线作为总线，其上的电压信号被转换为合适值供至带有衰减电路的比较器。
经过3个比较器的转换信号与总线信号相互比较，各个转换信号与具有参考电压的某个总线信号比较后转换为3个接收信号。
接收信号中的非正常信号被单独检出并由数字滤波电路过滤掉，仅让正常信号进入数据链路。
采用这样的电路布局，即使有1根总线发生中断，3个接收信号中至少还有1个正常信号进入数据链路，以此确保故障条件下仍能继续通信;如果总线之间发生短路，传输模式转换至非平衡模式，此时分离出1个偏置电路代替总线。
由此可看出，高级PALMNET的中-低速传输速率总线接口最大的特点是容错能力完全能与前述ISO推荐的9种故障模式相对应。
考虑到无线电干扰，总线驱动电路采用恒流电路，这样总线驱动电流性能最佳。
作为传输媒体的双扭线，在传输长度达40m，工作温度-40℃~125℃，以及传输速率125kbps的条件下，可获得优良的电磁兼容性。
所有的总线接口电路，除了衰减电路和驱动器电路与Basic-IC和I/O-IC合为一体外，几乎不再有附加电路。
11．高级PALMNET的高速传输速率总线接口的特点
高速传输速率总线接口的故障容错能力按以下3个基本概念实现:
（1）将屏蔽双扭线的屏蔽护套当作1条传输路径。
（2）双扭线通常用于平衡传输，而屏蔽护套在故障发生时，作为非平衡传输媒体。
（3）由故障监视节点调整和改变的屏蔽电压当作整个系统传输模式转换的统一执行标准。
图6指出了这些传输模式。
在正常传输（模式0）情况下，屏蔽电压为2.5V，此为双扭线的中间电压，作为传输的导体是总线A和总线B。
如果总线A发生故障，监视节点检测出此故障，就立即调整屏蔽电压至5V，传输模式转换为模式1进行非平衡传输;如果总线B发生故障，监视节点检测出故障就立即调整屏蔽电压至0V，传输模式转换为模式2进行非平衡传输。
从图中可看出，非平衡传输的总线波形较正常模式下的总线波形已发生了改变。
这种故障容错的控制均由软件处理。
图6对故障客错的传输模式转换
接收器电路对各种传输模式并不改换信号线，而是模拟转换线电压为一合适值以匹配比较器性能，由此实现故障容错。
此方法既有利于接地偏移和延时，也有利于降低成本。
ISO推荐的9种故障型式，其中对蓄电池（线）的短路概率可以忽略不计，原因是双扭线有屏蔽护套。
因此，实际使用中只需解决7种故障型式。
另外，总线接口中的驱动器电路和终端连结器电路，经配置能保持较佳的电磁兼容性，同时在20m的传输长度和一40℃~125℃的工作温度可获得1Mbps的高速传输速率。
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