毕业设计(论文)开题报告-基于CAN-LIN混合网络的车身控制器的研究.docx
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1、基于CAN-LIN混合网络的车身控制器的研究开题报告1.课题背景、来源及研究的目的和意义在现代社会中汽车承担起了越来越多越来越重要的作用。一部汽车就集合了交通、个人通讯、娱乐设备等众多功能于一身,为乘客提供了前所未有的便利。但随着电子技术的迅速发展及其在汽车上的广泛应用,汽车电子化程度越来越高,汽车电子系统中众多的电子控件、越来越复杂的通信必然导致整车布线庞大而且复杂,如在1955 年平均一辆汽车所用线束总长度为 45 米,而到了 2002 年,一辆汽车所用的平均线束总长度达到了 4000 米1。同时如此众多的布线也使得汽车内安装空间紧缺,运行可靠性降低,故障维修难度增大,汽车制造成本增加。传
2、统的电气系统点对点的通信方式已越来越不能满足现代汽车的通信需求。从 20 世纪 80 年代初开始,世界各国开始研究一种基于数据网络的车内信息交互方式汽车网络,以解决在提高汽车性能与控制线束数量之间的矛盾。将汽车上的各种电子装置与设备连成一个网络,既可以减少线束,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,同时也使得汽车的制造成本得到有效的控制。在2003 年 6 月在南京菲亚特下线的“派力奥 周末风”,由于采用了汽车整体汽车网络技术,从而减少了 23%的线束,降低元件重量 2.8 千克1。汽车网络正使得汽车发展进入一个崭新的时代。目前国内的汽车公司大多没有建立自己的总线网络技术标准
3、,在车辆上主要采用由配套零部件厂商自己定义的标准,造成整车总线网络协议不统一。在新车型系统集成过程中出现很多问题,导致产品开发周期延长。此外,在总线协议方面不具有知识产权。而与此同时,近年来随着我国汽车行业的迅速发展,汽车电子市场迅速扩大,整个市场以超过40%的比例快速增长,其中车身电子产品在整个汽车电子产品中所占份额较高。为了改变当前现状,本文主要针对汽车中低速CAN 总线协议和LIN 总线协议进行研究,对汽车车身电子相关控制器的报文、信号等进行定义,并对整车总线网络系统进行设计、分析和优化,从而最终形成一套具有应用前景的车身通信网络技术方案。2国内外在该方向的研究现状及分析自 1980 年
4、起,众多国际知名汽车公司开始积极致力于汽车网络技术的研究及应用。汽车网络的使用解决了点对点式车身布线带来的问题,使车身布线更规范化、标准化,降低了成本,增强了稳定性。迄今为止,已有 Bosch 的 CAN(Controller Area Network)、SAE 的 J1850、LIN 协会的 LIN(local Interconnect Network),FlaxRay 联盟的 FlaxRay,德国 Oasis Silicon System 公司开发的 MOST(Media Oriented Systems Transport)等多种网络标准。如今,在西方发达国家汽车网络技术已经非常普及,基
5、本上出产的每一辆汽车都不同程度的使用了汽车网络技术。而且各种标准也还在迅速的发展之中。就发展趋势来看,在不远的将来,CAN 总线技术会普及到多数汽车上的动力及车身系统上,LIN 总线作为一种成本更低的网络,主要用于作为对 CAN 的补充,正广泛应用于车身等实时性要求不高的低速率场合,FlaxRay 逐步普及于汽车的安全系统(高级动力总成,底盘,线控系统),MOST 在豪华型车辆的多媒体系统中将大有作为。我国的汽车网络技术起步较晚,发展落后于西方国家。近几年,随着中国经济的高速发展,面对中国巨大的轿车市场,世界上各大汽车制造商纷纷与国内汽车制造厂合作生产轿车,并且所生产轿车的技术含量正逐渐提高,
6、但总体上发展远远落后于西方发达国家,而且发展状况很不平衡。汽车网络技术主要还是应用于中高档的轿车上面,而一些低档车,对于车在网络技术的应用还是相对较少。而且从产业角度来看,汽车网络的应用研究可分为两个层次,第一个层次是在单个 ECU 中嵌入汽车网络功能,使单个 ECU 能通过汽车网络实现与其他 ECU 之间的信息交互;第二层次是确保汽车网络在量产汽车中可靠工作,这是汽车网络产业化的终极目标2。我国的汽车网络的研发主要还停留在第一个层次上,对整车网络宏观上的规划处于初级阶段,对于汽车网络规划的核心技术,不能公开获得,这也限制了我国车在网络技术的发展。总之,国内汽车网络通过几年的发展,取得了不小的
7、成绩,但是现在也面临着巨大的挑战。要使得汽车网络研究产业化,将汽车网络转化为先进的生产力,达到世界先进水平,还有很长的路要走。3.几种车身控制网络拓扑结构的简介3.1现场连线控制方案此方案将车身控制模块,作为一个 CAN 网络节点,连接在低速 CAN 总线上,所有的车身控制线与一个微控制器(MCU)的多个 I/O 口连接,由单个微控制器实现所有控制器开关的控制,如图 3.1 所示3。图 3.1 现场连线式车身控制方案图由图 3.1 可知,所有的车身控制器直接由一片微控制器的 I/O 口通过控制线连接控制,这就对微控制器的性能提出了很高的要求,考虑到系统后期的扩展升级,备选的微控制器需具有较多的
8、I/O 口;由于车灯,门锁,车窗在汽车车身的前端和后端均有分布,这就需要大量的控制线束连接各个控制器,很容易产生电磁干扰,影响整车网络的正常运行,同时线束的增多也增加了车身控制模块的重量和成本;由于所有的车灯,车窗,门锁只由一块控制器控制,一旦此控制器出现异常,将导致整车的车身均不能正常运作,从而不利于行车安全。综合以上几点论述,我们认为现场连线式车身控制方案不是最优方案。3.2 单一 CAN 总线控制方案考虑到汽车车灯,门锁,车窗在车身的分布范围,将它们按其分布位置将其分为四个节点,即右前控制节点,右后控制节点,左前控制节点,左后控制节点。各个节点通过 CAN 总线相连如图 3.2 所示4。
9、图 3.2 单一 CAN 总线车灯控制方案图由图 3.2 可知,车身控制模块共有四个控制节点,虽然比方案一多出了三个微控制器,但由于每个控制器的功能要求都不高,故可选用较低性能的产品代替方案一中的高性能微控制器,这样每个控制器的负担都得到了很大的解放,将每个控制节点放置在车身的对应位置可以大大减少控制线束的长度和重量,从而也降低了系统的电磁干扰。CAN 总线具有很高的通讯速率,最高可提供 1M bps 的通讯速率,完全能够保证车身控制模块的实时性要求,但作为对于通讯的速率并没有那么高要求的车身控制模块,10Kbps 的通讯速率已经能够满足其正常工作的需求,这无疑是一种硬件成本和通讯资源的浪费,
10、而成本因素对于汽车电子控制器的开发是至关重要的,因此此方案也不太适合作为最终方案。3.3 CAN/LIN 混合网络控制方案图 3.3 CAN/LIN 混合网络车身控制方案图方案二虽然解决了方案一中线束复杂的问题,但由于 CAN 总线属于高性能的中高速串行通讯总线,将其应用在中低速的车身控制模块中,增加了硬件成本,同时也浪费了通讯资源。因此提出了基于 CAN/LIN 混合网络的控制方案,如图 3.3 所示。一方面车身控制主节点微控制器作为 CAN/LIN 总线的网关,将车身控制模块与 CAN 网络连接,另一方面车身控制主节点微控制器又作为 LIN 网络的主机节点,负责 LIN 网络通讯信息的调度
11、和管理。左前节点等微控制器作为 LIN 网络的从节点接收来自主节点的开关信息,控制不同功能车身的动作。由于 LIN 总线是一种低成本的单主多从串行通讯总线,其通讯速率最高达20Kbps,能够满足车身控制模块的通讯要求,相比单一 CAN 总线大大降低了硬件成本的开支,和通讯资源的浪费。因此对比方案一和方案二的特点,选择方案三作为最终方案。4.本课题主要研究内容本课题研究开发了一套基于总线技术的汽车车身控制系统(主要以车灯和车门为控制对象),在总线类型选择上采用目前国际主流的 CAN 和 LIN 总线协议,符合 CAN2.0B 协议和 LIN2.0 协议。主要做的工作如下:1.分析确定整个控制系统
12、的总体方案,并按照最终方案进行系统的软硬件设计。2.选定系统所需的各种芯片,以及芯片资料的收集研读,原理图的设计,PCB 板制作,搭建了硬件实验平台。3.研究分析 CAN2.0B 协议和 LIN2.0 协议内容,制定出符合协议要求的通信网络。4.软件的编写调试,主要包括 CAN 通信模块的开发,LIN 通信模块的开发,CAN/LIN 通信网关开发,以及各个 LIN 从节点的功能模块开发。5.利用 Visual Basic 软件开发人机交互界面,通过 USB-CAN 协议转换器作为一个 CAN 节点与车灯控制模块通信,模拟各种车灯控制量的发送,并实时显示车灯模块内产生的故障信息。6.车身控制系统
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