基于CAN总线技术的汽车车门.docx
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基于CAN总线技术的汽车车门
基于CAN总线技术的汽车车门
驱动控制系统的研究
摘
第1章绪论
引言
汽车是现代化高速发展社会中人们普遍使用的交通工具，也是技术密集和
资本密集的工业产品。
世界上近乎所有的经济强国都是以汽车产业作为国民经
济支柱产业的。
几乎所有的现代化科学技术都能在汽车技术中体现出来，当今
世界上汽车技术是衡量一个国家的科技水平的主要标志。
从汽车技术的发展现状看，汽车电子技术是现代汽车发展的主要技术之一。
现代的汽车电子技术不再是简单地对汽车中某些机械零部件进行电子控制，而
是根据汽车实际使用条件多变的需要，对汽车整体性能进行优化综合控制。
另
外，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
数量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
成本，同时也降低了系统的可靠性和可维护性。
传统的控制方案和布线方法已
不能适应汽车技术发展的需要，繁琐的现场连线正在被单一简洁的现场总线网
络所代替[1][2][3]
因此，汽车电子技术已经从单部件电子化转向为集成电子化、模块化，整
车智能化、模块化的总线式控制器网络技术是汽车电子技术发展的新方向。
随着现场总线技术的不断发展和其内容的不断丰富，以及各种控制、应用
功能与功能块、控制网络的网络管理、系统管理等内容的不断扩充，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[#]。
CAN总线作为现场总线的重要成员，其本身就是作为一种汽车车内串行数
据通信总线而提出的，现今CAN总线已经广泛的应用在国外汽车上。
汽车电子共分为发动机电子、底招‘电子、车身电子、信息通信与娱乐系统
四大类。
车门控制系统是车身电子中重要的组成部分，它主要负责对各个车门
的门锁、门窗、后视镜等许多单元进行控制。
本文研制了基于低速CAN总线的
车门控制系统，并利用CAN总线完成了各受控单元的本地/远程控制，优化了
控制方法，改变了传统汽车电气系统点到点的并行连接控制，减少了线束，避
免了汽车因功能的增加而导致的线束复杂、布线的困难等缺点，满足了人们对
车门控制安全性、舒适性和方便性的需求，符合现代化车身控制的要求[f51f}12汽车总线技术的国内外研究的现状
2.1国外研究现状
汽车总线是计算机网络技术和工业现场总线控制技术在汽车中应用的结
果。
汽车总线控制技术是研究如何利用总线数据通信原理实现现代汽车中各个
独立电子系统和控制装置间控制信息传递通道的简洁互连，实时、可靠的数据
交换及综合协调控制的一门最新技术。
它是以科学、合理的数据通信协议及支
持这样协议的大规模集成电路器件为基础的，是汽车行业发展的必然结果。
早期的汽车网络中，通用网络标准并未得到广泛的认同和应用，用户通常
利用自己制定的电路和通用异步收发器（DART）设备来实现简单的串行通信。
由于没有统一标准，各汽车制造商都有一套独立定义的接口规范和专用供应商。
这样，供应商虽然纵向紧密地与汽车制造商合作，却缺乏与其它供应商的横向
联系，导致生产的同类产品不能兼容互换。
采用标准化网络技术以后，各供应商按照统一的标准生产部件，提高了同
类产品的兼容性和互换性。
而汽车制造商可以委托任意一家合格的供应商开发
符合标准的模块。
早在20世纪70年代末，众多国际知名的汽车公司就积极致力于汽车总线
技术的研究及应用，如BOSCH公司的CAN、马自达的PALMNET、德国大众
的ABUS等[m。
其中CAN总线由于其技术背景来源于工业现场总线和计算机局
域网这样非常成熟的技术，现已成为汽车总线的主流技术和标准[}zs}}z}}。
世界上
很多著名的汽车制造厂商，如Volkswagen（大众）,Benz（奔驰）,BMW（宝马）、
Porsche（保时捷）、Rolls-Royce（劳斯莱斯）、等都已经采用CAN总线来实现汽
车内部控制系统的数据通信[s]。
CAN总线在汽车电子系统中得到广泛应用，已成为欧洲汽车制造业的主体
行业标准，代表着汽车电子控制网络的主流发展趋势。
现代汽车越来越多地采
用电子装置控制，例如发动机的定时注油控制，加速、刹车控制及防抱死刹车
系统（ABS）等。
2.2国内研究现状
在国内，完全引进国外技术生产的奥迪A6车型已于2000年起采用总线替
代原有线束，帕萨特B5,BORA,POLO,FIATPALIO和SIENA等车型也都不同程度地使用了总线技术，这些技术主要是以CAN总线技术为主，绝大部分应
用在动力总线系统中，其核心技术仍掌握在国外的厂商手中，而在绝大部分国
产中低档汽车（包括卡车和货车）上，由于技术上的因素和成本上的限制，仍采
用传统的传输系统。
我国总线技术处于试验和起步阶段，绝大部分的汽车还没有采用汽车总线
设计。
但CAN总线技术已经开始引起国内一些汽车研发部门的关注，比如上海
同济同捷科技股份有限公司，已经开始了对汽车车身电子信息网络控制系统研
制并取得一定的成果。
他们应用CAN总线系统来控制管理整车车身电器，现阶
段已经实现汽车照明、灯光信号、雨刷电机、喇叭、电动车窗、中控锁等等的
管理与控制，同时具有实时检测故障及语音报警功能，兼有遥控、防盗和集控
锁功能，形成了车身电器信息通信交互式网络控制系统。
该网络控制系统将在
中国汽车电子自主开发的舞台上扮演重要角色，这是国内汽车电子技术同国外
竞争的最好平台，并且以此为起点，拓展其他汽车电子技术领域，提高中国汽
车电子技术及整车的国际竞争力[f}lflol
在硬件方面，与网络协议相配套的微处理器等相关硬件产品也得到了迅速
的发展，目前世界上一些著名的半导体厂商如PHILIPS}Motorola，Microchip
等均可提供支持CAN总线的系列产品，特别是一些经改进后性能更强、成本更
低的硬件产品也正在陆续推出，这些都为CAN总线的应用提供了强有力的硬件
支持。
在软件方面，国外的一些公司也相继推出基于Windows,Labview,Matlab
等环境下的CAN总线软硬件开发、仿真、测试系统，以进一步提高研制开发效
率。
在应用方面，国外一些著名的汽车厂商如奔驰、奥迪等都提出和制订了完
整的CAN总线解决方案，一些配套厂家也在加大投入，研制、开发和生产CAN
总线车身电子控制系统的车用电子产品，并得到了成功的应用[mo
自2003年开始该技术已经引起了包括汽车生产、配套和研制厂家及部门的
关注和重视，预计在今后几年内将得到迅速的发展。
由于CAN总线具有传输速
度高、可靠性好、抗干扰能力强等优点，在速度要求较高的车身控制中有着广
泛的应用空间。
3本文研究内容
本课题主要是为了开发一种新型的、具有高性价比的车门控制系统，为此，
本文将分析研究汽车车门单元的结构与特点，提出系统设计原则和方案;并以此为基础，设计系统中各控制单元的硬件电路，编写软件，制定CAN总线编码
协议;通过对电动车窗进行分析与测试获得了车窗动作特征，提出车窗防夹控
制策略;并建立调试平台，进行功能、性能测试。
为此，对课题的总体要求进行技术分解，将研究内容分为以下几个方面的
工作:
1.制定低速总线的通信协议
对CAN总线的基本概念进行介绍，对汽车上广泛应用的SAEJ1939协议进
行分析，为车门网络的整体设计做准备
2.制定设计原则并据此提出总体设计方案
提出通用模块化的软、硬件设计思想。
据此模块化设计思想，构建了车门
控制系统试验平台，实现基于CAN总线的汽车车门控制的试验网络。
该设计可
扩展性很强，只需要在软件上作相应的调整，就可以在CAN总线上灵活增减节
点的数量;
3.设计各节点控制器单元（ECU）白勺硬件
根据提出的设计方案及选用的芯片，给出系统中CAN模块、电源模块、车
窗电机和后视镜驱动模块的硬件原理图及实际的电路板图;
4.车窗防夹算法的研究
对车窗电机的结构与电流特征进行阐述，归纳总结出车窗直流电机工作电
流的特点。
对目前利用电机电流幅值实现车窗防夹的方法进行介绍，并提出更
有效的车窗防夹算法;
5.各控制单元的软件设计
采用了模块化和层次化的设计思想，使设计更趋于合理化、实用化。
以左前
门控制器单元为例说明控制器主程序、集控门锁开锁/闭锁子程序、车窗电机控
制子程序以及后视镜子程序，并对其他控制器单元的程序进行说明;
6.建立调试平台，进行功能、性能测试
利用Motorola公司的MULTLINKBDM调试器对单片机进行调试，使用
Codewarrior单片机程序开发软件进行软件调试。
采用周立功公司生产的CAN
总线分析仪CANalyst对CAN总线数据的收发、总线状态和远程控制功能进行
调试。
第2章CAN总线技术的基本原理及协议分析
当前的汽车电子技术可分为四大类，即动力牵引系统控制、车辆行驶姿态
控制、车身（车辆内部）控制和信息传送。
在相应的汽车电子控制系统中，对每
一设备的控制都有一相应的电子控制单元（ECU），这些电子控制单元之间的信
息实时共享可以减少传感器的数量，从而降低整车的成本。
而用于各电子控制
单元之间的信息交换是通过通讯线路来完成的。
多路复用总线这种连接方式，
能有效的将车辆上的全部电气系统组成一个计算机网，目前车用通讯协议中的
底层协议以CAN为主流，上层协议根据应用车型的不同而存在不同的主流协
议，如SAEJ1939,OSEK等[lz}y3}
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支
结构的通信网络。
它是计算机技术、通信技术和控制技术高度综合与集成的产
物，是一种开放式和分布式的新模式。
现场总线技术将专用微处理器置入传统
的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信的能力，采用双绞
线、电缆和光纤作为通信介质，把多个测量控制仪器仪表接成网络系统，并按
公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场
仪表与远程计算机之间实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自
动控制系统[‘“}。
2.1CAN协议分析
2.1.1CAl}I总线概述
控制器局域网CAN（ControllerArearNetwork）属于现场总线的范畴，是一
种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。
由于其高性能、高可靠性以及独
特的设计而越来越受到人们的重视，被广泛应用于许多领域。
该总线规范己被
ISO制定为国际标准IS011898，是国际上应用最广泛的现场总线之一。
最初，
CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载电子控制装置、ECU之间
交换信息，形成汽车电子控制网络。
比如:
发动机管理系统、变速箱控制器、
仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置[f151
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。
实际应
用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。
例如，当使用PhilipsP82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。
CAN可提供高达1Mbit/s
的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。
另外，硬件的错误检定特性也
增强了CAN的抗电磁干扰能力。
1993年，CAN已成为国际标准IS011898（高
速应用）和IS011519（低速应用）。
CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基
本设计规范要求有高的位速率和高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何
错误。
当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输
速率。
由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN己经在汽车工业、航
空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用[[13]
CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。
CAN总线层的定义与开
放系统互连模型（OSD一致。
每一层与另一设备上相同的那一层通讯。
实际的
通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。
CAN总线规范定义了模型的最下面两层:
数据链路层和物理层。
表2-1展示了
OSI开放式互连模型的各层。
应用层协议可以由CAN用户定义成适合工业领域
的任何方案。
已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的标准是DeviceNet，这
是为PLC和智能传感器设计的。
在汽车工业，许多制造商都应用他们自己的标
准。
CAN能够使用多种物理介质，例如廉价的双绞线、性价比较高的同轴电缆
或高品质的光纤等。
表2-1ISO/OSI开放系统互连模型
Table2-1ISO/OSIdisparksysteminterlinkagemodel
┌─────┬───────────────────────────┐
│应用层│最高层。
用户、软件、网络终端等之问用来进行信息交换│
├─────┼───────────────────────────┤
│表示层│将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式│
├─────┼───────────────────────────┤
│会话层│依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递│
├─────┼───────────────────────────┤
│传输层│两通讯节点之问数据传输控制。
如:
数据重发，数据错误修复│
├─────┼───────────────────────────┤
│网络层│规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。
如路由和寻址│
├─────┼───────────────────────────┤
│数据链路层│规定介质上传输的数据位排列和组织。
如数据校验和帧结构│
├─────┼───────────────────────────┤
│物理层│一规定通讯介质的物理特性。
如电气特性和信号交换的解释│
└─────┴───────────────────────────┘
CAN具有十分优越的特点:
低成本、极高的总线利用率、很远的数据传输
距离（长达1okm}、高速的数据传输速率（高达1Mbit/s）、可根据报文的ID
决定接收或屏蔽该报文、可靠的错误处理和检错机制、发送的信息遭到破坏后
可自动重发、节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能、报文不包含
源地址或目标地址、仅用标志符来指示功能信息以及优先级信息等。
CSMA/CD
是“载波侦听多路访问/冲突检测”（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetect）的缩写。
利用CSMA访问总线，可对总线上信号进行检测，只有当总
线处于空闲状态时，才允许发送[42]。
利用这种方法，可以允许多个节点挂接到
同一网络上。
当检测到一个冲突位时，所有节点重新回到监听总线状态，直到
该冲突时间过后，才开始发送。
在总线超载的情况下，这种技术可能会造成发
送信号经过许多延迟。
为了避免发送延时，可利用CSMA/CD方式访问总线。
当总线上有两个节点同时进行发送时，必须通过无损的逐位仲裁方法来使有最
高优先权的的报文优先发送。
在CAN总线上发送的每一条报文都具有唯一的一
个11位或29位数字的IDoCAN总线状态取决于二进制数0而不是1，所以ID
号越小，则该报文拥有越高的优先权。
因此一个为全0标志符的报文具有总线
上的最高级优先权。
高层协议是在CAN规范的基础上发展起来的应用层。
许多
系统（例如汽车工业）中，可以特别制定一个合适的应用层，但对于许多的行业
来说，这种方法是不经济的。
一些组织已经研究并开放了应用层标准，以使系
统的综合应用变得十分容易。
一些可使用的CAN高层协议有:
CiACAL协议、
CiACANOpen-}办议、ODVADeviceNet-}办议、HoneywellSIDS办议、Kvaser
CANKingdom-}办议。
标准格式CAN的标志符长度是11位，而扩展格式CAN的标志符长度可达
29位。
CAN协议的2.0A版本规定CAN控制器必须有一个11位的标志符。
同
时，在2.0B版本中规定，CAN控制器的标志符长度可以是11位或29位。
遵循
CAN2.0B协议的CAN控制器可以发送和接收11位标识符的标准格式报文或29
位标识符的扩展格式报文。
如果禁止CAN2.0B，则CAN控制器只能发送和接
收11位标识符的标准格式报文，而忽略扩展格式的报文结构，但不会出现错误。
目前大部分公司推广的CAN独立控制器均支持CAN2.0B协议，即支持29位标
识符的扩展格式报文结构。
2.1.2CAl}I的主要特性
CAN具有下列主要特性:
多主站依据优先权进行总线访问;无破坏性的基于优先权的仲裁;借助接受滤波的多地址帧传输;远程数据请求;配置灵活性;全系统数据相容性;错误检测和错误信令;发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重新发送;暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离。
CAN的总线数值为两种互补逻辑数值之一:
“显性（Dominent）”，和“隐性（Recessive）”。
其中“显性”数值逻辑表示逻辑“0"“隐性，，数值表示逻辑“1"。
在隐性状态下，UCAN-和UCAN-L被固定于平均电平电压，Udiff近似为零。
显性状态以大于最小值的差分电压表示。
在显性位期间，显性状态改变隐性状态并发送。
总线上的电平如图2-1所示。
日/v
5（）
35一隐、位
25-一一一一一
CAN一丁
图2-1根据IS011898的额定总线电平
Fig.2-1NominalbuslevelsaccordingtoIS011898
下面对CAN协议的媒体访问控制子层（传输层）的概念和特征作说明:
1.报文（Message）:
总线上的报文以不同报文格式发送，但长度受到限制，当总线空闲时，任何一个网络上的节点都可以发送报文。
2.信息路由（InformationRouting）:
在CAN网络中，节点不使用任何关于系统配置的报文，比如站地址，由接收节点根据报文本身特征判断是否接收这帧信息，因此系统扩展时，不用对应用层以及任何节点软件和硬件作任何改变，可以直接在CAN网络中增加节点。
3.标识符（Identifier）:
要传送的报文有特征标识符（是数据帧和远程帧的一个域），它给出的不是目标节点地址，而是这个报文本身的特征。
信息以广播方式发送，所有节点都可以接收到，节点通过标识符判定是否接收这帧信息。
4.数据一致性:
应确保报文在CAN网络里同时被所有节点接收或同时不接收，这是配合错误处理和再同步功能实现的。
5.位速率:
不同的CAN系统速度不同，但在一个给定的系统里，位速率是唯一的，并且固定的。
6.优先权:
由发送数据的报文中的标识符决定报文占用总线的优先权。
标识符越小，优先权越高。
7.远程数据请求（RemoteDataRequest）:
通过发送远程帧，需要数据的节点请求另一节点发送相应的数据。
回应节点传送的数据帧与请求数据的远程帧由相同的标识符命名。
8.仲裁（Arbitration）:
只要总线空闲，任何节点都可以向总线发送报文。
如果有两个或两个以上的节点同时发送报文，就会引起总线访问冲突。
通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个冲突。
仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。
当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，数据帧优先于远程帧。
在仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。
如果电平相同，则这个单元可以继续发送，如果发送的是一“隐性”电平而监视到的是一“显性”，那么这个单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。
9.总线状态:
总线有“显性”和“隐性”两个状态，“显性”对应逻辑，+1;“隐性”对应逻辑“1"“显性”状态和“隐性”状态线与为“显性”状态，所以两个节点同时分别发送“0”和“1”时，总线上呈现“0"oCAN总线采用二进制不归零（NRZ）编码方式，所以总线上不是“0"，就是“1"。
但是CAN协议并没有具体定义这两种状态的具体实现方式。
10.故障界定（Confinement）:
CAN节点能区分瞬时扰动引起的故障和永久性故障。
故障节点会被关闭。
11.应答:
接收节点对正确接收的报文给出应答，对不一致报文进行标记y【l2}
2.1.3CAl}I的分层结构及报文传输
CAN遵从OSI模型，采用两层结构即数据链路层DLL（DataLinkLayer）和物理层PL}P坷sioalLayer）。
数据链路层DLL又划分为逻辑链路控制子层LLC（LogioalLinkControl）和媒体访问控制子层MAC（MediumAooessControl）。
其中PL层定义信号如何进行实际传输，涉及到位定时、位编码/解码、同步等;MAC层是CAN协议的核心，它把接收到的报文提供给LLC层并接收来自LLC层的报文，负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定:
LLC层涉及报文滤波、过滤通知以及恢复管理等[13][16][24]
帧格式:
CAN有两种不同的帧格式，不同之处为标识符的长度不同:
含有11位标识符的帧称为标准帧，含有29位标识符的帧称为扩展帧。
帧类型:
CAN的报文传输有4种不同类型的帧即数据帧（DataFrame）;远程帧（RemoteFrame）;错误帧（ErrorFrame）;过载帧（OverFrame）。
报文滤波:
报文滤波（MessageFiltering）取决于整个标识符。
为了报文滤波可以把屏蔽寄存器中任何的标识符设置为不考虑或无关，可以用这种寄存器选择多组标识符与相关的接收缓冲器对应。
在使用屏蔽寄存器时，它的每一位均可编程，即对报文滤波可将其设置为允或禁止。
屏蔽寄存器的长度可以包含一个标识符，也可以是部分标识符。
报文校验:
校验报文有效的时间点对发送器和接收器各不相同。
对发送器，如果直到帧的尾位仍无错误，则此报文对发送器有效。
如报文出错则报文根据优先级自动重发。
为了能与其它报文竞争总线，必须当总线一空闲时就开始重新传输。
对接收器如果直到尾位仍无错，则报文对接收器有效。
帧的尾位被置于不考虑的状态，即使是一个显性电平也不会引起格式错误[f}l
编码:
编码即位流编码（BitStreamCoding），规定帧起始、仲裁域、控制域、数据域以及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个补充位。
数据域或远程帧的其余位域（CRC界定符、应答域和帧结尾）格式固定，没有填充。
错误帧和过载帧的格式也固定，它们不用位填充的方法编码。
报文的位流根据“不归零”（NRZ）的方法编码，即在整个位时间里，位的电平要么为显性，要么为隐性。
错误处理:
错误类型有位错误（BitError），填充错误（StuffError），CRC错误（CRCError）、格式错误（FormError）、应答错误（AcknowledgmentError）。
检测到错误条件的站通过发送“错误标志”（ErrorFlag）来表示错误。
对于“错误激活”的节点，它是“激活错误”的标志。
无论是位错误、填充错误、格式错误，还是应答错误，只要被任何站测到，该站即会在下一位时开始发出“错误标志”。
只要检测到错误的条件是CRC错误，则“错误标志”的发送就开始于ACK界定符之后的位（除非其它错误引起的错误标志已经开始）。
故障界定:
有关故障界定（（FaultConfinement），一个单元的状态可能为“错误激活”FervorAot}ve）;“错误认可”（ErrorPast}ve）;“总线关闭”（BusOff）
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