毕业设计（论文）-汽车总线技术标准研究

'天津职业技术师范大学TianjinUniversityofTechnologyandEducation汽车总线技术标准研究专业：自动化与电气工程学院班级学号：测控0601-22号学生姓名：指导教师：二〇一〇年六月66 天津职业技术师范大学本科生毕业论文汽车总线技术标准研究专业班级：测控0601学生姓名：指导教师：系别：自动化与电气工程学院2010年6月66 摘要随着现代汽车的迅猛发展和电子技术的日新月异，汽车电子设备不断增多，汽车综合控制系统也越来越复杂，传统的点对点控制己经远远不能满足汽车性能的提高、可靠性的增强、维修方便等设计要求。汽车网络总线的出现为这一系列问题提供了有效解决的方法。本文第一章简要分析了汽车电子技术的现状、研究背景和研究内容。通过分析可知，汽车电子技术的快速发展给汽车带来进步的同时，也带来了许多的负面影响，解决这一影响的方法是采用网络技术；第二章介绍了现代汽车网络技术的现状、类型等；第三章讨论了六种类型的汽车电子系统网络，对于每种类型的网络，都首先分析了其主要特点及其对通讯的特殊要求，然后针对如何适应该类网络的特点以及满足其通讯的特殊要求，介绍了该类网络最为重要的技术标准，最后将同类型的技术标准进行比较并分析了所建议采用的技术标准的优势。第四章剖析了CAN总线嵌入式组合仪表的硬件实现原理。关键词:汽车电子；汽车网络；汽车网络标准；CAN总线嵌入式组合仪表66 ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofmoderncarsandtheever-changingelectronictechnology,thegrowingautomotiveelectronics,vehicleintegratedcontrolsystemisalsomorecomplex,thetraditionalpointtopointcontrolhasbeenfarfromsatisfyingtheimprovementofvehicleperformance,reliabilityenhanced,easymaintenancedesign.Automotivenetworkbusprovidesaneffectivesolutionforthisseriesofproblem.Thefirstchaptershowabriefanalysisofthestatusofautomotiveelectronictechnology,thestudybackgroundandcontents.Analysisshowedthattherapiddevelopmentofautomotiveelectronictechnologytobringprogresstothecar,italsobroughtmanynegativeeffects,addresstheimpactapproachistousenetworktechnology;Thesecondchapterdescribesthestatusofmodernautomotivenetworktechnologiesandtypes;thethirdchapterdiscussesthesixtypesofautomotiveelectronicssystemnet-work,foreachtypeofnetwork,arefirstlyanalyzedtheirmaincharacteristicsandspecialrequirementsofcommunications,andforhowtoadapttothecharacteristicsofsuchnetworksandtomeettheirspecialrequirementsofcommunications,describesthemostimportanttypeofnetworktechnologystandards,thefinalwillcomparethesametypeoftechnicalstandardsandanalyzethetechnicalstandardsrecommendedbytheadvantages.ThelastchapteranalyzesthehardwareimplementationprincipleofcombinationofinstrumentsembeddedaboutCANbus.KeyWords：Automotiveelectronic;automotivenetwork;automotivenetworkstandard;CANbusembeddedcombinedinstrument目录66 第一章概述11.1研究的背景11.1.1汽车电子技术发展概述11.1.2问题的提出31.2研究的目的和意义31.3研究的主要内容4第二章汽车网络技术概述52.1汽车网络技术的发展历史52.2汽车网络技术的作用52.3汽车网络技术的特点62.4汽车网络的拓扑结构62.5汽车网络的类型82.6汽车网络技术的发展趋势8第三章汽车总线技术标准研究103.1LIN总线103.1.1LIN的技术特点103.1.2LIN的参考模型103.1.3LIN的主要特点123.1.4LIN的通讯机制及帧结构133.1.5LIN的优势153.2CAN总线153.2.1CAN的技术特点163.2.2CAN的参考模型163.2.3CAN的主要特点163.2.4CAN的通讯机制及帧结构193.2.5CAN的优势233.3MOST总线243.3.1MOST的技术特点243.3.2MOST的参考模型243.3.3MOST的主要特点243.3.4MOST通讯机制和帧结构253.3.5MOST的优势263.4TTCAN总线2766 3.4.1TTCAN的技术特点273.4.2基于CAN的时间触发操作273.4.3参考时间与参考消息283.4.4基本循环283.4.5基本循环及其时间窗293.4.6系统矩阵313.4.7TTCAN的优势313.5FlexRay和TTP协议32第四章基于CAN总线的嵌入式汽车组合仪表的实现344.1基于CAN总线的嵌入式组合仪表344.1.1现有组合仪表的构成框架和实现原理344.1.2总线式组合仪表的构成框架和实现原理354.1.3总线式组合仪表的优势374.2硬件实现384.2.1接口定义394.2.2内部实现40第五章结论与展望44参考文献45附录46致谢4766 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文第一章概述1.1研究的背景1.1.1汽车电子技术发展概述汽车的诞生至今已有一百多年历史，世界汽车一百余年的发展，历经了初创、发展、全盛、稳定、改组再发展等阶段。纵观近三十年来汽车技术方面的重大成就，几乎无一例外都是应用了电子技术的结果。当代汽车越来越广泛地采用电子信息技术，以提升汽车的性能和服务功能，满足人们各种办公和娱乐需要，使汽车从单纯的代步工具逐渐演变成“流动办公室”、“流动家庭”和“流动娱乐室”。当前的汽车电子产品中使用最广泛、占汽车电子产品50%以上的是娱乐和舒适性产品，诸如各种车载收放机、CD机、DVD机、车载电话、导航设施，以及车身附件控制模块等，这些设施通常不涉及汽车基本功能，只是增加辅助功能而己，所以说成熟的家电产品都可以移植到汽车上。第二类电子产品是为了满足节能和环保的需要。这类电子产品的发展最快，技术含量高，个性化强，在每个车型上都不同，即使应用在同一车型，在不同的销售区域里由于驾驶习惯、道路条件、法规和能源政策的不同必须重新标定和匹配，各个供应商拥有各自专门的软硬件系统。第三类电子产品是为了满足车辆本身安全性的需求，包括主动安全和被动安全。这类产品是近年来迅速发展的领域，控制难度大，综合智能化更高而通用性好。第四类电子产品是以全电子化或机电一体化结构取代传统的汽车结构系统。如全电子转向系统，电子控制悬挂系统，自动驾驶系统等。如图1-1所示为电子信息技术产品在汽车上的应用情况。汽车电子技术的基础来源于半导体行业、软件行业、传感器、执行器等电子技术的发展。汽车电子技术行业的发展最终依赖于汽车工业的蓬勃发展以及汽车工业在工业领域中所处的地位。中国汽车市场已由潜在变为现实，中国汽车电子信息产品市场也随之迅速扩展，部分核心控制技术正逐步国产化。国际汽车电子技术正处于全面快速发展阶段，其特征体现在以下五个方面：1、功能多样化。从最初的电子点火、电控燃油喷射发展到如今的各种控制功能，如汽油机缸内直喷、电控复合火花点火、智能电子气门、各种线控技术(x-by-wire)、主动和自适应悬挂、防撞防盗系统等。2、技术一体化。从最初的机电一体化到如今的机、液、电、磁一体化，如直喷式发动机电控共轨燃料喷射系统。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文3、系统集成化。从最初的单一控制发展到如今的多目标、多变量综合协调控制，使之更经济有效。从传感器到控制器包括布线都越来越集成化，把几项功能集成在一起。比较典型的是车身控制模块，取代了电动玻璃升降器、中控门锁、防盗、雨刮、内外灯、电动座椅调节、后视镜调节和加热、转向指示等单项控制功能。又如将发动机与变速器控制集成为动力总成控制系统。图1-1电子信息技术产品在汽车上的应用情况4、通信网络化。从最初的多子系统分别工作到如今的分布式模块化控制器局部网络，如以CAN总线为基础的整车信息共享的车载分布式控制系统，以D2B(DomesticDigitalBus)无线通信为基础的远程高频网络通信系统。图1-2为通讯和电子智能化技术在汽车上的应用趋势。5、技术标准化。由博世公司提出的控制器局域网CAN(ControllerAreaNetwork)己经成为国际标准(IS011519和IS011898)，并产品化，而且在欧洲生产的汽车上获得广泛应用。汽车上电子装置的急剧增加和信息相互传送的网络化提出了嵌入式操作系统的需求，由法德两国汽车行业所倡导的OSEK(OpenSystemsandtheCorrespondingInterfacesForAutomotive66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文Electrics)技术是针对符合汽车电子开放式系统及其接口的软件规范所研发的嵌入式实时操作系统。OSEK规范从实时操作系统和软件的开发平台两方面作了全面的定义和规定并日趋完善，在国际汽车电子领域影响力日益增强，将成为未来汽车电子行业嵌入式操作系统的技术标准，广泛被采用。图1-2通讯和电子智能化技术在汽车上的应用趋势总之，电子信息技术的应用使汽车的性能得到极大提高，并使汽车结构发生根本性的改变。1.1.2问题的提出汽车行业正日渐成为电子技术最密集的领域之一。据统计，近年来汽车电子设备的使用量大约每年以6%的速度增加。一方面，汽车电子技术发展使汽车的环保性安全性和舒适性得到了很大提高。另一方面，电子设备的大量应用，必将导致车身布线庞大复杂、安装空间紧缺、运行可靠性降低、故障维修难度增大。如果采用常规电控布线方式，电线一端与开关相连，另一端与用电器相连，那么一根线束包裹着几十根电线的现象是很普遍的。汽车电子技术的发展给汽车带来竞争力的同时也给汽车设计带来了困惑。在现代汽车设计中，汽车作为一个整体系统，如何提高其使用体积、减轻整车质量和节省导线是一个值得研究的问题。如果能把计算机网络总线技术应用于汽车电器与电子控制系统，就能有效解决这些问题。1.2研究的目的和意义66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文汽车网络总线技术能提高汽车中各种信号的利用率，大批的数据信息能在不同的电子单元中共享，汽车综合控制系统中大量的控制信号能得到实时交换，在一条数据线上传递的信号可以被多个系统共享，这就最大限度的提高了系统的整体效率，充分利用了有限的资源与空间。例如常见的电脑键盘有104位键，可以发出百多个不同的指令，但键盘与主机之间的数据连线却只有7根，键盘正是依靠这7根数据连线上不同的电平组合(编码信号)来传递信号的。如果把这种方式应用在汽车电气系统上，就可以大大简化目前的汽车电路。如果通过不同的编码信号来表示不同的开关动作，当这些信号通过网络传输到目的地解码后，系统根据指令接通或断开对应的用电设备。这样，就能将过去一线一用的专线制改为一线多用制，大大减少了汽车上电线的数目，缩短了线束的直径、减轻了汽车质量，从而使得汽车这一系统得到不断完善和优化，在市场中具有更高的竞争力。如果汽车上采用网络技术将会给汽车产业或汽车带来如下有益之处：1、节省大量的有色金属。原先要用多根动力线控制的用电器，改用网络总线传输系统以后，仅用一根动力线即可，导线长度至少节省50%以上。2、扩展方便。传统供电系统线束品种多，给组织生产和仓库管理带来了不便。改用网络总线传输系统以后，线束只有长度的区别和控制软件的差别，对硬件的生产带来了极大的方便。增加用电器不必增加动力线、重新设计线束，只要把线束延长即可，即方便，又经济。3、提高了驾乘人员的安全性、舒适性。网络传输系统的快速、适时，可让驾驶人及时了解汽车的状态，同样也使各控制单元适时得到信息、处理信息、控制执行器工作。4、提高了电子控制系统的稳定性，简化了汽车故障诊断和维修。虽然汽车网络技术己经得到较广泛的应用，但从进一步的需求来看还有很多工作要做。目前尚没有满足成本低、性能可靠、具有容错能力、时间特性好和可扩展性好的汽车网络系统。由于汽车上网络应用的层次和目的变化很大，而不同的层次或目的对网络性能的要求有很大差异。汽车本身对价格又非常敏感，如果用性能高的网络系统覆盖低层次的应用，则成本上无法接受。如果以车上各个控制系统的特点匹配不同层次的网络标准，就能解决汽车网络技术与成本的矛盾。1.3研究的主要内容1、通过简述汽车电子技术的现状得出汽车网络技术是汽车电子技术发展的必然趋势。2、深入研究当今汽车网络技术，分析汽车中各电子控制系统的信息传递、信息处理、信息需求，再对汽车网络各种协议处理信息的能力、成本的高低进行比较，对汽车网络结构，技术特点，参考模型，通讯机制进行研究，总结没种总线各自的优势。3、针对各种总线网络，对CAN总线在嵌入式组合仪表的硬件实现进行研究。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文第二章汽车网络技术概述电子技术的迅速发展并在汽车上的广泛应用使得汽车电子化程度越来越高，特别是微机控制器进入汽车领域后，给汽车带来了划时代的变化。汽车电子设备的应用不断增多的同时也导致了汽车布线越来越复杂，电气设备运行可靠性降低，故障维修难度增大等问题。为了提高信号的利用率，大批数据信息能在不同的电子控制单元中共享，汽车综合控制系统中大量的控制信号能实时交换，人们选择了网络技术。2.1汽车网络技术的发展历史从1980年起，汽车内就开始安装使用网络，图2-1所示为汽车网络发展过程。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，汽车制造商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门的供应商。这样，供应商虽然纵向紧密地与汽车制造商合作，但却缺乏与其他汽车制造商的横向联系，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零部件，提高了同类产品的兼容性和互换性。从而汽车制造商就可以委托任意一家合格的供应商开发符合标准的模块。国际著名汽车制造商和零部件供应商于1980年代就致力于汽车网络技术的研究与应用，迄今为止已经推出多种网络标准，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。2.2汽车网络技术的作用目前汽车电子控制己经从初期的“电子替代机械”阶段过渡到“独立”系统的精确量化反馈控制阶段，并朝着“多目标综合控制和智能化控制”的方向发展，即把整体上相关、功能上相对独立而位置上分布安装的电子系统或装置组成一个协调控制的综合系统。为了实现多目标的优化控制，进一步全面提高汽车的整体性能，根据智能化的要求和综合协调控制的特点，综合控制系统将更多地依赖系统内、外部信息的获取，这要求互相独立的电子系统和装置间进行数据交换和信息传递。因此，现代汽车采用网络技术解决分布式控制是一种必然，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。如图2-1所示为汽车网络的作用。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文2.3汽车网络技术的特点汽车是应用环境很差的设备，所有的道路、电磁及气候环境汽车都有可能遇到。根据汽车的这些使用要求和使用环境，汽车上的系统设计应当考虑到温度、振动、电磁兼容、高可靠性等。车上网络系统不但要满足以上条件，还应当考虑下列因素：1、节点与总线的连接接头的电气与力学特性以及连接头数量。2、网络系统和应用系统的评估与性能检测方法。3、容错与故障恢复问题。4、实时控制网络的时间特性。5、安装与维护中的布线。6、网络节点的增加与软硬件更新(可扩展性)。汽车网络系统要求可靠、廉价、与应用系统一体化、线路简单和实时性好等，其特点是范围小、节点少，多数应用要求的传输速度不高。图2-1汽车网络技术的作用2.4汽车网络的拓扑结构汽车网络拓扑结构常见有星型、总线型和环型网络如图2-2所示。1、星型拓扑66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文星型拓扑中，每个站点通过点一一点连接到中央节点，任何两站之间的通信都通过中央节点进行。星型拓扑采用电路交换，一个站点的故障只会影响本站，而不会影响到全网。但是在这种结构中，通信极大地依赖中央节点，对中央节点的可靠性和容量要求很高;另外每个站点都要同中央节点连接，耗费大量电缆。图2-2网络拓扑结构2、总线型拓扑总线型拓扑采用单一信道作为传输介质，所有站点通过相应硬件接口接至这个公共信道(总线)上，任何一个站点发送的信息，所有其他站都能接收。因此，总线型拓扑称为多点式或广播式。信息也是按组发送，达到各站点后，经过地址识别(滤波)，符合的站点将信息复制下来。由于所有节点共享一条公共信道，当多点同时发送信号时，信号会相互碰撞而造成传输失败，这种现象称为冲突。为了避免冲突，每次只能由一个站点发送信号，因此，必须有一种仲裁机制来决定每次由哪个站点使用信道，这是属于数据链路层的任务。总线网中通常采用分布式的控制策略，如CSMA/CD协议就是常用的规范。总线拓扑的优点是，所需电缆长度短，布线容易。缺点是系统范围受到限制(由于数据速率和传输距离的相互制约关系)。一个站点的故障可能影响整个网络，故障的检测需要在各站点上进行。3、环型拓扑在环型拓扑中，站点和连接站点的点对点链路组成一个闭合环路，每个站点从一条链路上接收数据，然后以同样的速率从另一条链路发送出去。链路大多数是单方向的，即数据沿一个方向在网上环行。环型拓扑也同总线拓扑一样，存在冲突问题，必须采用某种控制机制来决定每个站点在什么时候可以将数据送到环上。环型网络通常也采用分布式控制策略，这里主要包含一种特殊信息帧一一“令牌”。环型拓扑的优点是，所需介质长度较短；它的链路都是单方向性的，因而可以用光纤作为传输介质。环型拓扑的缺点是，一个站点的故障会引起全网的故障。2.5汽车网络的类型66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文汽车网络技术从二十世纪八十年代提出以来，至今存在许多侧重功能不同的汽车网络标准，为方便研究和设计应用，二十世纪九十年代中期SAE(SocietyofAutomotiveEngineer)把车用网络分为A，B，C，D，E等类型，其中，A类网为面向执行器、传感器的低速网络，LIN，TTP/A为其主流协议；B类网为面向数据共享的中速网络，其主流协议将是CAN(ISO11898-3)，SAEJ1850，VAN等协议。C类网为面向实时控制的高速网络，其主流协议为高速CAN(IS011898-2)，TTP/C(Time-TriggeredProtocol)，FlexRay等协议；D类网主要面向多媒体、导航系统等。目前该类网络的主流协议为：D2B(DomesticDigitalBus)、MOST(MediaOrientedSystemsTransport)；E类网是面向乘员安全系统的网络，主要应用于车辆被动安全性领域，该类网络的协议有Byteflighttlol等。如表2-1所示。表2-1SAE的汽车网络分类网络分类位传输速率应用场合A低速，小于10kbps应用于只需传输少量数据的场合，如控制行李箱的开启和关闭B中速,10-125kbps应用于一般的信息传输场合，如仪表C高速，125-1Mbps应用于实时控制的场合，如动力系统D高速，大于1Mbps应用于更严格的实时控制场合和多媒体控制E高速，大于5Mbps应用于车辆被动安全性领域，如乘员的安全系统2.6汽车网络技术的发展趋势1、在汽车中应用迅速普及短短几年内，汽车网络技术的发展速度令人瞳目结舌。从目前情况看，世界各大汽车公司的车身网络控制和动力系统网络控制技术平台均己基本建立，在新推出的车型中，全面采用网络控制技术己成为可能。可以断言，近几年内网络技术在汽车中的应用将会迅速普及。2、高速、实时、容错的网络控制技术线控概念(x-by-wire)是一种新的汽车工程概念，目前已有使用线控系统的概念车出现。x-by-wire技术在未来将是十分重要的技术，该技术极大改善了汽车的可操纵性、安全性、设计的灵活度及总体结构。驾驶员和方向盘之间将没有任何机械部分的连接，使用这种技术使汽车的操纵系统、制动系统及其它辅助系统能够通过电子方式进行控制，这就是说，象汽车内的刚性传动件将会被基于网络控制的各种传感器、控制器和电液式电动执行器所组成的线控系统取而代之。x-by-wire技术必将促进高速、实时、容错网络通信技术的发展。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文3、丰富的软件设计未来汽车将成为软件产品，此断言可能是一种幻想，因为现在无法想象除了机械之外，还有什么能使汽车运动、关闭车窗和天窗、打开气门或电动机。然而，这说明在未来的汽车中软件主导硬件的趋势是不可避免的，软件在汽车设计中已无处不见，可以说未来汽车市场竞争的热点之一就是软件的竞争。4、统一网络协议目前在汽车行业中存在许多网络通信协议，由于缺乏全世界统一的标准，实际上提高了汽车的制造成本。虽然建立一个统一的汽车网络协议体系是一件十分复杂和困难的工作，但在汽车制造商和供应商之间已逐渐对这一问题达成一致：A类网络使用LIN；B类网络使用低速CAN；C类网络使用高速CAN已作为事实上的统一标准；在采用x-by-wire技术的下一代汽车中，TTP或者FIexRay协议将是一种必然的选择。可以预见，在不久的将来，各类网络标准将被合并成为一个。若真的形成这种天下一统的局面，那么汽车及其相关工业将受益匪浅，从而大大加快汽车技术的发展。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文第三章汽车总线技术标准研究据我们统计，可获得的文献中涉及的汽车总线技术标准有42种，其中分布式网络部分列出的为汽车总线技术标准，表3-1中对这些技术标准的细节进行了比较。3.1LIN总线3.1.1LIN的技术特点LIN(LocalInterconnectNetwork)是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN的目标是为现有汽车网络提供一种低速总线技术标准，它能满足CAN总线所不要求的带宽和功能，比如传感器和执行器的通讯，使用LIN总线可大大节省成本。在使用LIN总线的网络中，电控单元的集成是将汽车上分布的智能ECU连成一个局部网络，如将门上的电动窗、集控门锁、电动后视镜连成一个局部网络，然后再通过网关将这个网络挂接到车辆的主体网络中去。LIN的标准简化了现有的基于多路解决方案的低端SCI，同时降低了汽车电子装置的开发、生产和服务费用。LIN的开发应用速度很快，这是因为其开发环境简单，可以利用C或者C++进行编程，系统连接也不繁琐，且网络性能优良，稳定性好。LIN技术规范中，除定义了基本协议和物理层外，还定义了开发工具和应用软件接口。因此，从硬件、软件以及电磁兼容性方面来看，LIN保证了网络节点的互换性。这极大地提高了开发速度，同时保证了网络的可靠性。LIN采用低成本的单线连接，传输速度最高可达20Kb/s，对于低端的大多数应用对象来说，这个速度是可以接受的。LIN通讯是基于SCI(UART)数据格式，它的媒体访问采用单主控制器/多从设备的模式，不需要进行仲裁，同时在从节点中不需要晶体振荡器而能进行自同步，这极大地降低了硬件平台的成本。3.1.2LIN的参考模型LIN仅包括OSI参考模型中的最低两层，即数据链路层和物理层。数据链路层又分为两个子层：逻辑链路子层和介质访问子层。LIN在逻辑链路子层中完成接收滤波、通讯恢复管理、时基同步、信息有效性管理的任务；在介质访问子层中完成对数据的封装和拆装、错误的监测和标记、串并行转换的功能。物理层完成通过、位定时以及总线驱动的功能。根据OSI参考模型的LIN分层结构在图3-1中显示。1、物理层定义了信号如何在总线媒体上传输，并且定义了物理层的驱动器接收器特性。表3-1主要汽车总线技术标准的比较66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文协议制定者应用传输介质介质访问方式错误检测方法数据段长度最高传输速率ABUS大众控制单根线　争用比特校验16位500kb/sACP福特音频双绞线CSMA/CA校验和64位9.6kb/sAUTOLIN控制双绞线主/从循环冗余校验0-644Mb/sBEAN丰田控制单根线带冲突检测的载波侦听多路访问循环冗余校验8-8810kb/sCAN博世控制双绞线争用循环冗余校验0-644Mb/sCCD克莱斯勒传感器多路复用双绞线CSMA/CR循环冗余校验不限7.8kb/sCSC克莱斯勒传感器多路复用双绞线查询/寻址循环冗余校验1位1kb/sD2B光芯片协会音频/视频光纤争用不祥不祥12Mb/sDAN阿尔法·罗密欧仪表盘双绞线主/从循环冗余校验8位9.6kb/sDSI摩托罗拉传感器多路复用双根线主/从循环冗余校验16位5kb/sIVMS日产控制双绞线查询奇偶校验16位27.8kb/sJ1850PWMSAE控制双根线CSMA/CR循环冗余校验8-6441.6kb/sJ1850VPWSAE控制单根线CSMA/CD循环冗余校验8-6410.4kb/sJ1939SAE控制双绞线争用循环冗余校验0-641Mb/sMML德福尔多媒体光纤主/从不祥2048110Mb/sMOSTOasis多媒体光纤不祥不祥不祥25Mb/sPALMNET马自达控制双绞线争用循环冗余校验32/641Mb/sTTPTT技术实时控制双通线时分多路访问循环冗余校验1282/4LINLIN协会传感器单根线主从校验和820kb/sVAN雷诺&标致控制双绞线争用循环冗余校验0-64250kb/s66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文2、MAC媒体访问控制子层是LIN协议的核心，它管理从LLC子层接收到的消息也管理发送到LLC子层的消息，MAC子层由故障界定这个管理实体监控。3、LLC逻辑链路控制子层涉及消息滤波和恢复管理的功能。数据链路层逻辑连炉子层接收滤波恢复管理时基同步消息有效性媒体访问控制子层数据封装/拆装错误检测出错标定串行化/解除串行化物理层位定时位同步驱动器/接收器同步系统同步故障界定总线故障管理图3-1LIN的OSI参照模型3.1.3LIN的主要特点1、单主多从，配置灵活的网络结构LIN网络的拓扑结构为总线型，网络中只有一个主节点，其余均为从节点。主节点控制整个网络的通信，网络中不存在冲突，不需要仲裁。整个网络的配置信息只保护在主节点中，从节点可以自由的接入或脱离网络而不会对网络中的其他节点产生任何影响。网络中的节点数不仅受标识符场长度的限制，而且还受总线物理特性的限制。实际应用中LIN网络中挂接的节点数不高于12个。2、单线传输，速率最高达20kbpsLIN单线传输最大距离不超过40m，最大波特率受EMI的限制最高达20kbit/s，受网络传输的超时限制，最小为1kbit/s。这一速度能满足多数智能传感器和执行器的通信要求。3、可保证的信号传输最大延迟通讯时不会产生冲突，无需仲裁，故网络的最大传输延时能通过计算准确得出，从而为可靠通讯提供保障。4、从节点的时钟同步不需要内部石英或陶瓷振荡器66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文由于通讯速率不是很高，网络中从节点可以利用主节点发出的同步场进行同步而不需要从节点内的石英或陶瓷振荡器。5、低成本的硬件接口低成本及使用最为普遍的硬件接口是LIN最初开发的主要目标之一。LIN的物理层采用普遍的SCI/UART标准硬件接口，并通过总线收发器连接至LIN网络。由于大多数单片机中都含有SCI接口，因此网络中的从节点可以由廉价的单片机来开发，这样就降低了整个网络的成本。6、可变长度的信息帧LIN信息帧中的数据场长度可变，可以选择为2、4、8个字节。7、故障检测LIN网络中的节点具有区分短暂干扰和永久故障的能力。睡眠和唤醒网络空闲时，主节点发出睡眠命令使整个网络进入睡眠。睡眠命令只能由主节点发出，网络中任何的一个节点都可以发出唤醒信号来唤醒整个网络。3.1.4LIN的通讯机制及帧结构LIN网络中每个节点都含有一个称为Slavetask的模块，Slavetask又分为发送和接收两个任务模块，此外主节点中还包含一个mastertask模块，如图3-2所示。主节点MastertaskSlavetask从节点Slavetask从节点SlavetaskLINBUS图3-2LIN的通讯机制LIN网络中的所有通讯都是由mastertask来发起的。Mastertask发出帧头来启动网络中的通信，帧头包括3部分：同步间隙、同步场和信息标识符。所有节点的slavetask(包括主节点)都接收响应，而由用户程序最终决定信息是否有用。针对每一个标识符只有一个节点发出响应。信息标识符标识信息的内容不是目的地址，这一特点使得网络中的数据交换能以多种方式进行：主节点既可以与每一个节点进行单独的通信(上载和下载数据)，也可以进行网络广播，从节点与从节点间的通信可直接进行，而不需要通过主节点进行数据交换。消息传输是由消息帧的格式形成和控制，消息帧由mastertask向slavetask传送同步和标识符信息，并将一个slavetask的信息传送到所有其他slavetask。Master66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文task位于主机节点内部，它负责消息的进度表、发送消息头。Slavetask位于所有的(即主机和从机)节点中，其中一个(主机节点或从机节点)发送消息的响应。一个消息帧由一个主机节点发送的消息头和一个主机或从机节点发送的响应组成(如图3-3所示)。帧的消息头包括一个同步间隔场(SynchBreakField)、一个同步场(SynchField)、和一个标识符场。消息帧的响应则由3个到9个字节场组成：2、4或8字节的数据场(DataField)和一个校验和场(ChecksumField)。字节场由字节间空间分隔，消息帧的消息头和响应是由一个帧内响应空间分隔)最小的字节间空间和帧内响应空间是0。图3-3LIN的消息结构帧头由主节点中的mastertask发出，用于从节点的同步和信息标识。同步场由5个下降沿构成；标识符场为一个字节，其中0~3位为信息类别标识，4~5位为信息长度标识，6~7位为奇偶校验。响应由Slavetask发出，由可变长度的数据场和校验场构成。帧头与响应间以及帧内部均有间隙，间隔的大小没有具体规定，但要符合信息帧的最大长度要求。LIN协议1.2版本中有些标识符用于特殊的用途，包括命令帧标识符和扩展帧标识符。命令帧分为请求帧和响应帧，‘ox3D’为响应帧的标识符，用于主节点从节点上载数据。数据场中的第一个字节值在0x00~0x7F之间的命令帧由LIN协会保留，其中0x00为睡眠命令。扩展帧标识符‘0xFE’用于标识用户自定义帧格式，‘0xBF’由LIN协会保留用作帧的扩展。目前对于‘0xFE’、‘0xBF’为标识符的帧，帧长度、数据内容以及通讯方式(如多主通信)没有明确定义，即响应可以为任意长度。Slave66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文task在接收到扩展标识符时，若数据内容对其没用，则忽略后续数据场，直接接收到下一个同步间隔。扩展帧格式如图3-4所示。3.1.5LIN的优势LIN是一低速总线技术标准，和同类的技术标准相比，LIN具有下面的优势：图3-4LIN扩展帧格式1、标准化的接口，器件具有良好的可替换性LIN协会成立于2000年，是由汽车制造商奥迪(Audi)公司、宝马(BMW)公司、戴姆勒克莱斯勒(DaimlerChrysler)公司、沃尔沃(Volvo)汽车公司、大众(Volkswagen)汽车公司、通信领域的专业厂商火山通信技术(VCT-VolcanoCommunicationsTechnologies)公司以及半导体生产商摩托罗拉(Motorola)公司共同创建的。协会的成立宗旨就是制定高度标准化的汽车A类网络总线技术标准，LIN通讯基于SCI(UART)数据格式，符合LIN规范的器件具有良好的可替换性。2、节点成本低由于物理层采用普遍的SCI/UART标准硬件接口，并通过总线收发器连接至LIN网络。而大多数单片机中都内建有SCI接口，因此网络中的从节点可以由廉价的单片机来开发，这样就降低了节点成本。另外，由于不需要从节点内的石英或陶瓷振荡器，也可进一步降低成本。3、主从方式通讯，无需仲裁，传输延迟可估计由于所有通讯都由子网上唯一的主节点启动，因此通讯时不会产生冲突，无需仲裁，同时网络的最大传输延时能通过计算准确得出。4、成熟的开发环境和良好的软硬件支持Motorola和VCT的参与使LIN具有非常成熟的开发环境和良好的软硬件支持。5、高可靠性的通讯LIN规范中定义了详细的处理异常的方式，同时LIN本身通讯速率不高，能够很容易保证高可靠性的通讯。3.2CAN总线CAN总线是控制器网络事实上的工业标准，为绝大多数的汽车制造商采用。这一地位的取得主要是由于CAN得天独厚的技术优势。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文3.2.1CAN的技术特点控制器局域网协议CAN是德国博世公司开发的一套串行总线通讯协议，特别适用于智能设备之间的互联来构成智能系统或子系统。CAN是一种基于广播通讯机制的协议，这种机制通过使用一种面向消息的传输协议来实现，在这种协议下，不定义具体的站点和站点地址，只定义消息。而通过消息标识符来区别不同的消息。这种消息标识符在整个网络中是唯一的，它不但定义了消息的内容，也定义了消息的优先级。优先级在多节点争用总线式将决定哪个节点获得总线的控制。由于使用了这种面向内容的编址方式，基于CAN的系统往往在组成合配置上具有较高的适应性。这体现在，很容易向一个CAN网络中添加一个节点，当这一节点仅作为接收者时甚至不需要对已有的节点的软硬件做任何的改动。这使得可以在CAN系统中实现标准模块的概念，也使得可以在CAN系统中容易的实现分布式过程的多接收和同步：数个节点都需要的信息可以一次就实现传输，这种方式下，不需要让每个节点知道数据的产生者是谁。由于数据传输不依靠特定类型的节点，很容易实现CAN网络的升级。3.2.2CAN的参考模型CAN遵循ISO/OSI标准模型，定义了OSI模型的数据链路层(包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问子层MAC)和物理层。图3-5所示为CAN的分层体系结构。LLC子层和MAC子层的运作被一个叫做“错误界定实体(FCE)”的管理实体监控着。错误界定是一种能区分短期干扰和永久性故障的自校验机制物理层可由一种检测并管理物理介质故障(比如总线短路或中断，总线故障管理)的实体来监控。其中MAC(媒体访问控制子层)是其核心层。MAC子层可分为完全独立工作的两个部分，即发送部分和接收部分，其功能如图3-6所示：这两部分的具体功能列于表3-2。物理层是实现ECU与总线相连的电路。ECU的总数取决于总线的电力负载。这里所说的物理层专用于高速场合(高达1兆比特/秒)。CAN能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线，信号使用差分电压传送，两条信号线被称为CAN_H和CAN_L。静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做隐性。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称为显性，此时通常电压值为CAN_H=3.5V和CAN_L=1.5V。3.2.3CAN的主要特点CAN总线的最大特点是，任一节点所发送的数据信息不包括发送节点或接收节点的物理地址。信息的内容通过一个标识符(ID)作上标记，在整个网络中，该标识符是唯一的。网络上的其他节点收到信息后，每一节点都对这个标识符进行检测，66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文图3-5CAN的分层结构和功能图3-6CAN的媒体访问控制子层（MAC）的功能66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文表3-2CAN的媒体访问控制子层的功能发送功能接收功能发送数据封装接收LLC帧并接口信息接收数据封装由接收帧中去除MAC特定信息CRC循环计算通过向LLC附加SOF，RTR，保留位，CRC，ACK和EOF构造MAC帧输出LLC帧和接口控制信息LLC子层发送媒体方位管理确认总线先后，开始发送过程接收媒体访问管理由物理层接收串行位流MAC串行化解除串行结构并重新构筑帧结构插入填充位（位填充）检测填充位（解除位填充）在丢失仲裁情况，推出仲裁并转入接收方式错误检测（CRC，格式校验，填充，规则校验）错误检测（监视，格式校验）发送应答应答校验构造错误帧并开始发送确认超载条件确认超载条件构造超载并开始发送重新激活超载帧结构并开始发送构造出错帧并开始发送输出串行位流至物理层准备发送以判断此信息是否与自己有关。若是相关信息，则它将得到处理；否则被忽略。这一方式称为“多主”方式。采用“多主”方式的优点是可使网络内的节点数在理论上不受限制(实际上受限于电器负载)，也可以使不同的节点同时接收到相同的数据。数据字段最多为8字节，既能满足一般要求，又一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。CAN总线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，这些节点将自动重新发送信息。CAN采用带有冲突检测的载波侦听多路访问方法，它能通过无破坏性仲裁解决冲突。CAN总线上的数据采用非归零编码(NRZ)，数据位可以具有两种互补的逻辑值，即“显性”和“隐性”。“显性”电平用逻辑“0”表示，“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。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文CAN总线通常采用屏蔽或非屏蔽的双绞线，总线接口能在极其恶劣的环境下工作。根据ISO11898的标准建议，即使双绞线中有一根断路，或有一根接地甚至两根线短接，总线都必须能继续工作。CAN总线是一种串行数据通信总线，其通信速率最高可达1Mb/s。CAN系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关。关系如图3-7所示：图3-7CAN总线最大传输距离与其位数率的关系从图中不难看出，CAN的传输速率达1Mb/S时，最大传输距离为40米。对一般实时控制现场来说足够使用。CAN总线具有较强的错误检测能力，通过监视、循环冗余校验、位填充和报文格式检查，使得未检测出的出错概率小于。通过故障界定，CAN节点还有自动识别永久性故障和短暂干扰的能力。在处于连续干扰时，CAN节点将处于关闭状态。而且，CAN中的节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下被连入CAN网络中。3.2.4CAN的通讯机制及帧结构CAN采用了CSMA/CD机制实现总线访问，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。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。为了避免发送时延，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“非破坏性的逐位仲裁”方法来使有最高优先权的报文优先发送。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ID。CAN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”标识符的报文具有总线的最上高级优先权。可用另外的方法来解释：在消息冲突的位置，第一个节点发送“0”而另外的节点发送“l”66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文，那么发送“0”的节点将取得总线的控制权，并且能够成功的发送出它的信息。图3-8所示为CAN总线上的三个节点竞争总线的情况：图3-8CAN总线非破坏性逐位仲裁过程示意图当发现总线空闲后，如果存在两个以上的总线节点同时开始发送数据，可利用CSMA/CD以及“非破坏性的逐位仲裁”方法来避免消息冲突。每个节点发送它的消息标识符位，同时监测总线电平。从图中可以看出，在标识符的第5位处，节点1和节点3为显性电平，而节点2为隐性电平；根据“线与”机制，此时总线为“显性”电平，节点2发送“隐性”电平却检测到“显性”电平，于是节点2丢失总线仲裁，立刻变为“只听”模式，并且开始发送隐性位；同理，在数据第2位处，节点1将丢失仲裁，变为“只听”模式。通过这种方式，优先权高的节点3最终赢得总线仲裁并且开始发送数据。CAN总线中还采用多种抗干扰措施以减少消息帧在传送过程中的出错，位填充技术是其中很重要的一种。在CAN的消息帧中，帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列帧段均以位填充方法进行编码。数据帧或远程帧的其余位场(CRC界定符、ACK场和帧结束)为固定形式，不进行位填充。当发送器在发送位流中检测到5个极性相同的连续位时，它在实际发送时，自动插入一个补码位。如图3-9所示：66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文图3-9CAN总线位填充过程示意图值得一提的是，在图3-9中，共有3个填充位，其中第3个填充位之前的5个连续的相同的极性位中包含有第2个填充位，可见在实施填充技术时，填充位也被当成总线数据位处理。CAN有两类消息帧，其本质的不同在于ID的长度。图3-10为CAN2.0A的消息帧格式，也就是CAN消息帧的标准格式，它有11位标识符。基于CAN2.0A的网络只能接收这种格式的消息。图3-11为CAN2.0B的消息帧格式，又叫扩展消息帧格式。它有29位标识符，前11位与CAN2.0A消息帧的标识符完全一样，后18位专用于标记CAN2.0B的消息帧。CAN的消息帧根据用途分为四种不同类型：数据帧用于传送数据；远程帧用于请求发送数据；错误帧用于标识探测到的错误；超载帧用于延迟下个信息帧的发送。1、数据帧数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。其中数据场长度可为0。下面对这些场的功能做简要分析。（1）帧起始(SOF)：标志数据帧和远程帧的开始，它仅由一个“显性”位构成，只有在总线处于空闲状态时，才允许开始发送。所有站必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿。（2）仲裁场：在标准格式中，仲裁场由11位标识符和RTR位组成；在扩展格式中，仲裁场由29位标识符和SRR位、标识位以及RTR位组成。（3）RTR位(远程传输请求位)：在数据帧中，RTR位必须是“显性”电平，而在远程帧中，RTR位必须是“隐性”电平。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文图3-10CAN的标准消息帧结构图3-11CAN的扩展消息帧结构（4）SRR位(替代远程请求位)：在扩展格式中始终为“隐性”位。（5）IDE位(标识符扩展位)：IDE位对于扩展格式属于仲裁场；对于标准格式属于控制场。IDE在标准格式中为“显性”电平，而在扩展格式中为“隐性”电平。（6）控制场：由6位组成。在标准格式中，一个信息帧中包括DLC、发送“显性”电平的IDE位和保留位。在扩展格式中，一个信息帧包括DLC和两个保留位和，这两个位必须发送“显性”电平。（7）DLC(数据长度码)：数据场的字节数目由数据长度码给出。数据长度码为4位，在控制场中被发送。（8）数据场：由数据帧中被发送的数据组成，可包括0到8个字节。（9）CRC场：包括CRC序列和CRC界定符。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文（10）应答场：包括两位，即应答间隙和应答界定符。在应答场中发送站送出两个“隐性”位。一个正确接收到有效报文的接收器，在应答间隙期间，将此信息通过传送一个“显性”位报告给发送器。所有接收到匹配CRC序列的站，通过在应答间隙内把“显性”位写入发送器的“隐性”位来报告。应答界定符是应答场的第二位，并且必须是“隐性”位。（11）帧结束：每个数据帧和远程帧均由7个“隐性”位组成的标志序列界定。远程帧接收数据的节点可以通过发送远程帧要求源节点发送数据。它由6个域组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。它没有数据场，其RTR位为“隐性”电平。1、出错帧出错帧由错误标志和错误界定符两个域组成。接收节点发现总线上的报文有错误时，将自动发出“活动错误标志”，它是6个连续的“显性”位。其他节点检测到活动错误标志后发送“错误认可标志”，它由6个连续的“隐性”位组成。由于各个接收节点发现错误的时间可能不同，所以总线上实际的错误标志可能由6到12个“显性”位组成。错误界定符由8个“隐性”位组成。当错误标志发生后，每一个CAN节点监视总线，直至检测到一个“显性”电平的跳变。此时表示所有的节点已经完成了错误标志的发送，并开始发送8个“隐性”电平的界定符。2、超载帧超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。存在两种导致发送超载标志的超载条件类型：一个是要求延迟下一个数据帧或远程帧的接收器的内部条件；另一个是在间歇场的第一和第二位上检测到“显性”位。超载标志由6个“显性”位组成，超载界定符由8个连续的“隐性”位组成。3.2.5CAN的优势和同类技术标准进行比较，CAN的优势主要体现在：1、高可靠性由于采用了短帧结构，CAN具有很强的抗干扰能力。加之定义了完善的故障隔离机制和异常操作，CAN具有很高的可靠性，使其十分适合在控制器网络中使用。2、可扩展性由于采用了面向内容的标识符定义，且采用多主模式通讯，CAN中的节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下被连入CAN网络中。由于具有这些优势，CAN在汽车网络中得到了越来越多的应用，但是由于节点成本因素以及CAN的技术特点，并不是汽车网络中所有的节点都适合于用CAN来连接。3.3MOST总线3.3.1MOST的技术特点66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文设计MOST总线的动机源至对于低成本、高速、点到点式的多媒体网络的需求，这样一种网络中将不需要使用类似电子计算机的智能模块来进行集中的控制，这种架构成本低、灵活而且更符合未来的发展趋势。在这种环境中需要一个最为重要的网络特性就是即插即用功能，即节点可以在不影响网络上其他节点的情况下进行连接和断开。MOST的设计始终是基于光纤通信来进行考虑的。在MOST总线上可以传输的信号包括音频、视频、电话信号以及数据处理和控制信号。MOST总线是一种基于同步数据通信的通用、高性能以及成本低廉的网络技术标准，特别适合于CD品质的声音信号传输、环绕音频信号传输和高质量的视频信号等实时应用，它也支持网络设备间控制数据和突发数据的传输。它可以在单主或多主通信环境下支持直到64个节点的通信，每个节点都能即插即用。3.3.2MOST的参考模型MOST的实现框架，它主要由以下各部分组成：1、应用层服务应用层提供了构造一个应用需要的各种功能，其中有的功能是强制的，必须在所有的应用中实现，有些则取决于具体的应用，是可选的。应用层服务和基本层服务一起构成一个“基本设备”，提供了所有MOST设备需要的基本功能。2、基本层服务基本层服务提供了合适的访问低层系统服务的方式。3、低层系统服务提供和物理层密切相关的服务功能。4、流服务为实源数据提供传输服务，这允许了在应用中特定的部分实现对流数据处理。3.3.3MOST的主要特点1、使用光纤做通讯媒质MOST是用塑料光纤作为媒质，传输速率可达24.8Mbps，可支持最多15路未经压缩的CD品质的音频/视频信号（取决于MPEG2的具体实现方式），除了这些同步源数据外，MOST还为控制，通讯和异步应用保留了部分带宽。2、带旁路模式的环形拓扑MOST要求在网络中实现一个物理环路和一个逻辑环路。网络上的第N个设备通过输入端口从N-1个设备收到信号，并将收到的信号在它的输出端口发送到第N+1个设备。如图3-12所示：传统的环状结构网络存在一个固有的问题：因为传递中断而导致整个网络无法工作。MOST环上一个节点出问题，就会通过在每个节点上实现即使掉电时也可工作的“旁路模式”(BypassMode)解决了这一问题。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文图3-12MOST的环状拓扑1、使用同步方式，无需缓存在MOST网络中，多媒体信号都是同步传输的，这就意味着MOST网络支持即使是最简单的多媒体设备。如它支持麦克风之类的模拟/数字转换器和音箱之类的数字/模拟转换器，这类设备内部一般都没有缓存机构。不需要使用缓存机构是MOST网络一个最为重要的特性。2、电路交换MOST使用的是一种电路交换技术，提供了两个部件之间的直接连接，这和早期的电话网比较类似。其优点是整体的数据吞吐效率高，实现简单，而其缺点则是无法提供对数据传输的控制，错误检测、流控制都必须由用户在应用层完成。3.3.4MOST通讯机制和帧结构MOST采用的是一种点到点的通讯方式，通过建立两个部件之间的直接连接来实现通讯，同时MOST也提供了对广播方式的支持，由于MOST网络上的信息是通过每个部件以“接力”的方式进行传输的，可以很容易地在网络上实现广播。为了提供网络管理功能以及处理控制信息，MOST中定义了数据块(block)的概念，每个数据块是由16个帧组成，块和帧的组成方式如图3-13所示。需要特别说明的是，为了同时提供对同步传输和异步传输的支持，MOST帧中分出了专门用于同步通讯的时隙(slot)和专门用于异步通讯的时隙。其比例可以配置。在64字节的数据帧中，2个字节用于管理信息，2个用于帧控制，剩下的60个字节以4个为一个单位进行划分，最多达36个字节可用于异步数据(24字节为同步)。对应地，60个字节也可以全部为同步数据，所以，MOST采用的是一种可调节的带宽分配方式，同步数据最多可占用94%的带宽，异步数据最多可占用56%的带宽。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文图3-13MOST的块和帧结构3.3.5MOST的优势和选择CAN和LIN不一样的，MOST并不是同类技术标准中性能最为突出的一个，但MOST有自身的优势：1、成本适中，带宽能够满足要求24.8Mbps对于一般的车载媒体己经足够使用，当然对于高速多媒体信息源如DVD而言，仍稍嫌不够，然而根据我们对目前国内汽车市场的分析，至少在今后的3~5年内，MOST是国内的汽车制造商实现车载多媒体信息网络比较合适的选择。2、网络组织简单，物理介质使用少MOST的环形拓扑网络相对于IEEE1394的树状拓扑而言结构较为简单，同时使用的物理介质也较少。通过实现旁路模式解决了环路中断的问题之后，其可靠性也有所提高。3、在汽车中已应用得较为成熟除宝马外，戴姆勒·克莱斯勒公司等欧洲汽车制造商均在其豪华车型中采用了MOST，同时微软也于2001年宣布将在MOST的基础上构建其车载多媒体应用。与IEEE1394的车载版本仍在讨论之中的状态相比，MOST在汽车中的应用显然要成熟得多。3.4TTCAN总线3.4.1TTCAN的技术特点TTCAN(Time-TriggeredControllerArea66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文Network)是基于ISO11898-1所描述的CAN的数据链路层来制定的，它可以使用在ISO11898-2(高速收发器)或ISO11898-3(容错低速收发器)中所描述的标准的CAN的物理层来进行通讯。如同事件触发一样，TTCAN提供了一套时间触发消息机制，它允许使用基于CAN的网络形成控制环路，同时，它能够提高基于CAN的汽车网络的实时通讯性能。3.4.2基于CAN的时间触发操作通讯系统单纯的时间触发操作意味着系统内的任何活动都是由(全局同步)时间过程决定，所有的发送、接受和其它一切活动都依赖于预先定义的时间序列和当前的时钟状态，其过程如图3-14所示。当时钟到达3和6时，消息A开始发送，而当时钟指向5时，开始接收消息B。如果整个的系统通讯信息都汇集成这样一个时间表，那么则可以得到一个确定性的、可预测的通讯阵列。网络中的每个节点都可以以这种形式将所需的信息存放在其中。图3-14通讯系统的时间触发操作CAN总线最突出的特点是在网络控制中的媒体访问控制的位仲裁机制。位仲裁机制确保了具有高优先级的消息首先访问总线，即使其它的控制器所发送的消息试图访问媒体，也不会对先前的消息产生破坏，即非破坏性的仲裁机制。如果有消息正处于发送过程中，或者另外一个更高优先级的消息也同时在竟争访问总线，那么其它的节点对于总线的访问将会延迟。这意味着较低优先级的消息将会对媒体访问产生延迟，即使具有最高优先级的消息，其暂态行为也有可能会有一个很小的延迟。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文基于CAN的时间触发通讯的目的就是避免这些延迟，同时确保消息以确定性的通讯模式在总线上传输。此外，在这种确定性的约束下，将可以更加有效地利用CAN总线的物理带宽。我们所熟悉的ISO11898可以在两个层面上扩展成为基于CAN的时间触发协议，即ISO11898-4。首先，第一个扩展层面是保证CAN的时间触发操作基于一个由时间主导的参考消息，同时，通过冗余时间控制(也称潜在时间控制)来建立起功能性的容错机制。第二个扩展层面是在CAN控制器通讯期间建立起全局同步时间基准以及连续漂移修正。3.4.3参考时间与参考消息为了同步网络内的所有CAN节点的活动，需要一个通用的参考时间。网络内的每个节点都有其局部时间，这是一个随网络时间单元(NTU-NetworkTimeUnit）而增加的时间计数器。系统宽度的NTU是由节点的局部时钟以及局部时间单元比率(TUR-TimeUnitRatio)所导出的。在TTCAN网络中，循环传输时序安排是通过反复发送一个特定的CAN消息，即参考消息(ReferenceMessage)来实现同步的。参考消息是由一个时间主导者(TimeMaster)发送的，它可以重新启动每个节点的循环时间。该循环时间源自节点的局部时间。TTCAN是基于时间触发和周期性通讯的传输方式，它采用一个由时间主导的参考消息来定时。参考消息可以通过其标识符被很容易的识别出来。在TTCAN的第一个层面，参考消息只带有一个字节的一些控制信息，其它的CAN的消息可以用来发送数据。在扩展的第二个层面，参考消息可带有附加的控制信息，如由当前TTCAN时间主导的全局时间信息。第二个层面的参考消息含有4个字节以保证向下兼容，另外的4个字节可用作数据通讯。图3-15所示为所有的TTCAN节点(包括时间主导者)都以同样的方式对循环时间进行同步。任何消息的接收或发送都调用一个在对消息进行帧同步时得到的局部时间。帧同步事件发生在每个帧起始位的采样点上，同时它将局部时间载入同步标志(Sync_Mark)寄存器。一旦发送或接收到一个有效的参考消息，同步标志(Sync_Mark)寄存器的值就会载入参考标志(Ref_Mark)寄存器中。参考标志(Ref_Mark)中的实际值与局部时间的差值即为循环时间(CycleTime=LocalTime-Ref_Mark)。3.4.4基本循环每个参考消息开始一个新的基本循环，循环时间是从每个基本循环开始时进行计时。基本循环是由几个不同宽度的非重叠的时间窗所组成的，时间窗的序列是由时间窗开始时所定义的时间标志来描述。整个TTCAN网络的基本循环结构只定义一次，几个基本循环可以组合起来构建一个矩阵循环或系统矩阵，而这些矩阵循环中的基本循环序列是由参考消息来控制的。TTCAN系统中的所有可能的消息都分配在了系统矩阵的特定单元(时间窗)中。系统设计者决定了一个时间窗的性质，通常有三类时间窗：专用时间窗(只有特定的消息可通过此窗发送)；仲裁时间窗(希望通过仲裁访问总线的消息)；空闲时间窗(为未来总线扩展所保留的时间窗)。未能成功发送的消息不能够自动重发送，这样可以保证专用时间窗里的消息在总线传输中不被延迟。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文图3-15TTCAN循环时间同步一个TTCAN节点不需要了解整个系统矩阵，它仅需要知道时间标志就足够了，时间标志是用来定义节点自身发送消息以及查看是否接收到已经准时到达节点的消息所需要的时间段。时间标志同循环时间相比较(见图3-16)，当循环时间到达一个时间标志时，会触发一个特定的动作。除了监视触发(WatchTriggers)以外，所有的时间触发都是与CAN节点的消息有关的。它们要么是用来启动消息发送，要么是用来接收已检测到的消息。参考触发(Ref_Trigger)是与参考消息相关的，当时间主导者发送一个参考消息，就会启动一个新的基本循环，而循环时间被复位。当一个参考消息没有能够准时完成的时候，监视触发将发挥作用，用来启动一个错误处理程序。3.4.5基本循环及其时间窗两个连续的参考消息之间的时间段成为基本循环(见图3-17)，一个基本循环由几个不同大小的时间窗组成，它提供了消息传输的必须的空间。基本循环的时间窗可被用于发送周期性的状态消息、自发状态和事件消息，所有被发送的消息都具有CAN的数据格式，并且都是标准的CAN消息帧。一个周期性消息的时间窗可称为专用时间窗(ExclusiveTimeWindow)。在时间窗内，起始的时间窗决定了一个节点的预定消息的发送点。如果系统得到了适当地规划，同时也对系统的通讯模式进行了离线的设计分析，那么消息传输中将不会有任何冲突发生。当然，即使发生访问冲突这样的错误情况，CAN标准协议中的特性(如位仲裁、66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文图16基于循环时间的时序安排图3-17由参考消息所发起的TTCAN基本循环仅当总线空闲时才发送消息)仍然是有效的。这时若还想使用专用时间窗，系统工程师则不得不离线进行重新设计。为了给系统设计者提供更高的灵活性，在一个基本循环内，一个专用时间窗可以被再三重复使用。在专用时间窗内，CAN总线中消息的自动重发送功能是被禁止使用的。自发消息所使用的时间窗称为仲裁时间窗(ArbitratingTime66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文Window)，在仲裁时间窗内，位仲裁决定了TTCAN网络的哪个节点的哪些消息能够访问总线。在设计时，可以预先安排不止一个消息用于仲裁时间窗，那么在实际运行中，就可以决定是否使用仲裁窗发送消息，以及哪一个消息将采用一定的仲裁窗来进行发送。同样，在仲裁时间窗内CAN总线中消息的自动重发送功能也是被禁止使用的。3.4.6系统矩阵在实际应用中，不同的时间段会有许多控制环路和任务，它们全都需要对信息进行逐个发送。TTCAN的基本循环不能提供足够的灵活性以满足这种需求在这种情况下，TTCAN规范允许使用更多的基本循环去构建通讯矩阵或者系统。几个基本循环连接起来构成了矩阵循环，大部分模式都是可能的，例如：发送每一个基本循环，发送第二个基本循环，或者在整个地系统矩阵中仅发送一次。图3-18所示为TTCAN系统矩阵的一个例子，另外，当有两个以上的仲裁时间窗串连在一起时，允许将其合并在一起，合并的有关内容如图3-19所示。这种结构最大的约束是如果对剩余的时间窗不合适的话，在合并后的仲裁窗里不允许存在自发消息的起始点，以便下一个周期的时间窗能够得到保证。这此工作是需要设计者利用离线工具构建TTCAN系统工具时来完成的只有满足上述约束，合并后的仲裁时间窗里才可以进行消息的自动重发送。3.4.7TTCAN的优势和TTCAN同属电传控制网络技术标准主要包括TTP、ByteFlight和FlexRay。和这些技术标准比较，TTCAN的优势主要体现在它是在CAN的数据链路层的基础上建立的，而CAN在汽车网络中的应用已经十分广泛。这就意味着，在一个控制器网络采用了CAN作为技术标准的汽车网络中，如果使用TTCAN作为电传控制网络，这两个网段之间的通讯会简单得多(相对那些使用其它电传控制网络技术标准的汽车网络)。和传统的CAN进行比较，TTCAN的优势主要体现在它提供了可确定的信息传输最大时延，这是它可以用在对传输时延更为敏感的电传控制网络中。当然，其实现的复杂程度和成本也比CAN高，同时TTCAN标准还只是草案，其成熟程度也不如CAN。3.5FlexRay和TTP协议FlexRay是BWM，Daimler66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文Chrysler以及Motorola和Philips等公司制定的功能更强大的通信网络协议。该协议满足高级汽车控制的高速率通信，满足未来汽车应用的要求，具有容错功能，而且通信消息传输时间是确定的。FlexRay支持同步和异步通信，传输时不需要仲裁，数据传输率达到l0Mbit/s，净传输率也达到5Mbit/s。可以通过数据传输速率确定信息传输延迟和抖动。FlexRay协议制定了快速错误监测和错误通知机制，通过独立的总线监管来抑制错误，除此之外，FlexRay协议还支持冗余传输通道。提供以全局时间为基准的容错时钟同步。FlexRay最多可有64个网络节点。物理层支持总线、星型及多星型拓扑结构。FlexRay网络主要用于下一代汽车的底盘控制、动力系统控制及x-by-wire控制等。目前该协议还处图3-18TTCAN系统矩阵图例图3-19TTCAN合并仲裁窗于发展阶段。TTP协议是维也纳工业大学在20年前就开始开发的。该协议目前不仅仅集中在汽车行业中，在其他行业中如航天业和铁道工业均采用了该技术。并且该协议己经在航天业中使用了一段时间。TTP/C是TTP协议中基本组成部分，它的介质访问是以TMDA为基础的。该协议满足SAEC类网络的要求。TTP/C允许使用双绞线或光纤作为传输介质。可以支持时间和事件触发的数据传输，因此不得不为每个节点的事件触发数据分配专用带宽。这样就可以保证事件或诊断数据不会影响对安全性和实时性要求较高的数据。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文从1998年开始就有支持TTP的芯片问世，该芯片支持铜作为传输介质并且传输速率为2Mbps。但是AustriaMicroSysterms和NEC公司最近己经开发了第二代TTP芯片，该芯片在异步传输模式下的传输速率能达到5Mbps，在同步传输模式下传输速率能达到25Mbps。TTP开发伙伴ARM，NEC和OKI公司正在开发以TTP-ARM为基础的16，32位微控制器。目前这两种协议代表在下一代汽车中线控系统(x-by-wire协议)之间通信网络协议。在汽车行业中正在争论哪种技术最好。哪种协议将成为该类网络中协议标的争论还将持续一段时间。支持TTP协议者认为TTP已经被证明了在对安全性要求较高的应用场合中比FlexRay更安全。专家也认为TTP更加成熟，而FlexRay协议仍然处于发展阶段。它们的观点是TTP己经进行了20年左右的试验和测试并且已经在航天工业中线控飞行系统(fly-by-wire系统)中投入使用，相反FlexRay处于开发阶段才一、二年时间。支持TTP的汽车公司有Volkswagen，Audi以及最近加入的PSA，半导体公司有OKI和NEC。但是PSA暗示目前TTP协议仅仅用于x-by-wire原型阶段，在汽车产品阶段不一定必须使用TTP协议。FlexRay的支持者相信该技术具有它的竟争者同样的安全性，但是它的优点是更加灵活。因为FlexRay除了支持时间触发通信机制之外还支持事件触发机制。DaimlerChrysler和BWM以及GM汽车公司支持FlexRay。Philips也支持该协议。Motorola对这两种协议都感兴趣；然而由于它是FlexRay奠基人之一，所以它对FlexRay更加感兴趣。Ford公司目前宣布对FlexRay也感兴趣。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文第四章基于CAN总线的嵌入式汽车组合仪表的实现传统的汽车组合仪表的输入信号采用的是点到点的接入方式，传感器测量的物理量以电压形式直接馈送到仪表输入端，或者将传感器电阻接入仪表电阻网络中，通过测量电阻上的分压来获得相应物理量。在汽车电子系统越来越复杂的今天，这种方式的缺点已经逐渐凸显出来。首先，采用这种方式，每个物理量至少要用2根信号线，而传感器的和仪表板之间的连线长度从0.4米到1.8米不等，这么多的连线对于整车系统而言是一个沉重的负担；其次，模拟电量的传送精度低，在复杂的汽车内部环境下—高温、振动、冲击、潮湿以及蒸汽、盐雾、腐蚀和油泥污染更是如此，这就使得必须要在仪表端使用特定的抗干扰机制来保证产生有意义的输出，这些抗干扰机制或多或少对于测量的响应速度会有负面影响，同时使仪表端软件变得难以维护和重用。由于传统组合仪表的这些缺陷，有些汽车集团已经计划在其新车型中采用基于CAN总线的组合仪表。本章将首先对嵌入式组合仪表进行一个简单的介绍，然后描述该组合仪表的硬件构成。4.1基于CAN总线的嵌入式组合仪表CAN总线的嵌入式组合仪表是在现有仪表基础上，实现水温表、油压表和转速表的总线化。4.1.1现有组合仪表的构成框架和实现原理现有仪表的构成框架如图4-1所示。图中组合仪表数据处理部分以51单片机为核心构成，输入主要为传感器信号，其中水温传感器和油压传感器都通过电阻网络分压后进入单片机的模/数转换模块；发动机每旋转两周点火线圈会输出一个脉冲信号，该脉冲信号被送到由单片机程序控制的计数器累加，单片机通过定期获取计数器的值来计算发动机转速。输出部分由两种类型的表头构成：1、电磁式表头由十字线圈构成，单片机通过控制外围部件输出两路PWM信号，积分后分别加在十字线圈的两组线圈上，在线圈上产生的电流正比于线圈内的磁场，这样，两个不同强度的正交磁场合成后决定了指针转角，也就是表头的指示值。2、液晶表头单片机输出的点阵信号驱动液晶显示屏进行显示。水温表、油压表和转速表都是电磁式表头。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文图4-1原组合仪表构成框架4.1.2总线式组合仪表的构成框架和实现原理总线式组合仪表的构成是在上述组合仪表的基础土，实现水温表、油压表和转速表的总线化。在新的仪表中，水温、油压和转速信号将按照SAEJ1939通讯协议从CAN总线获得，输出方式不变，其余控制开关、传感器的输入和输出方式都不做改动。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文原组合仪表选用的单片机没有CAN总线接口，而且输出较少，需要外扩7个外围I/O芯片来完成所需的功能，因此选用德州仪器公司的DSP芯片TMS320LF2407为核心来构成组合仪表，2407内建了一个CAN总线接口，无需扩展CAN管理器，另外，2407还内建了模/数转换模块以及16路PWM输出(可输出10路独立的PWM信号)。这样整个系统只需在2407外部挂上一个CAN收发器和几个与非门(用以增强驱动能力)即可。构成框架如图4-2所示。图4-2基于CAN总线的组合仪表框架66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文严格地说，这里要实现的并非完全基于CAN的汽车组合仪表，然而由于更换了处理器，确实需要实现一个完整的汽车组合仪表，要求在DSP芯片中再现原仪表的所有功能。同时，由于DSP芯片采用了3.3V电源，而原51芯片用的是SV电源，因此包括电源电路在内的一些外围电路也需要重新设计，还要满足原仪表的外部工艺要求（包括电路板外形，输入接口位置，镖头安装位置等等）。传感器的开发需要分开进行的，从现有的PC-CAN转换器的基础上进行改进，这样就可以通过PC机的RS-232串口向CAN总线发送信号来模拟传感器和组合仪表通讯。接着在PC上开发专门的配置和测试软件，通过它可以模拟传感器向CAN总线发送信号来测试组合仪表，还可以完成组合仪表的配置和校准功能，实现原理如图4-3所示：图4-3组合仪表测试及配置系统组成在配置和校准时，使用者使用PC机上的软件在Windows界面下进行操作，操作通过PC-CAN转换器被翻译成符合SAEJ1939协议（专用消息格式）的消息发送到CAN总线上，组合仪表接收并解释这些命令，按照命令内容对内部参数进行调整，调整完成后将内部参数反馈到总线上，PC通过转换器接受反馈并给使用者提供提示信息。另外，PC端也可发出“获取参数”命令，要求组合仪表将某个或全部可访问内部参数发送到总线上，供PC端进行显示。在测试组合仪表功能时，PC模仿传感器以一定频率向总线上发送水温，油压和转速信号，组合仪表接收并在表头上进行显示。使用者可以在界面上对测量量进行调整，观察表头的变化以判断仪表功能是否正常。4.1.3总线式组合仪表的优势和传统的汽车组合仪表相比，新型的总线式汽车组合仪表有着明显的优势，而这正是总线式组合仪表的意义所在。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文由于组合仪表本身不能独立地实现任何功能，而是和传感器一起构成一个子系统，才能完成显示汽车内部特定物理量的任务，因此不能单纯就仪表本身性能来进行比较，而应比较基于总线的子系统解决方案与基于点对点连接的解决方案。前者的优势体现在：1、结构精简，连线少尽管只是一个部分实现，对比图4-2和图4-3仍然可以很容易的发现，采用基于总线的方案后，图4-3所示的系统结构更为精简，同时连线的数量也少。2、接口简单，可扩展性强原组合仪表为实现水温表、油压表和转速表，需要提供两个模/数接口，一个脉冲/数字转换接口，而采用基于总线的方案后，只需要提供一个CAN总线接口，在该接口上还可以容易地扩展配置/校准的功能。3、传输可靠，实现简单由于CAN总线上传输的是数字信号，本身的抗干扰性能就优于模拟信号，加上CAN标准中定义了完善的容错机制(CRC校验机制、故障界定机制等)，使得子系统中的传输更为可靠。另外，由于无需在组合仪表中实现复杂的抗干扰算法，也使组合仪表的软件更为简化、易于维护和重用。4、模块间藕合松散，便于分别开发在汽车的实际开发过程中，传感器与组合仪表往往是分开实现的。采用传统的解决方案，负责实现组合仪表的单位必须对传感器有所了解，同时组合仪表输入接口的设计完全取决于传感器，这是一种比较紧密的藕合方式，不利于进行分别开发。采用总线式的系统结构解决了这一问题，组合仪表的实现者可以完全不用关心采用的是什么传感器，因为所有输入信号都严格执行SAEJ1939规程，这更适应于目前的分块开发方式。5、易于标准化，设备可替换性强统一的总线接口方便了标准的制定，SAEJ1939就是一个典型的例子。事实上，汽车制造商也可以定义自己的专门标准。一旦实现了标准化，不同车型、不同提供商的设备就成为可替换的，大大增强了系统的可组合性。4.2硬件实现这一节将描述总线式汽车组合仪表的硬件组成，同时还会简单介绍构成组合仪表测试和配置系统的PC-CAN转换器的硬件组成。硬件组成框图如附录图1所示。由于只需要实现三个总线式仪表，图中只详细描述了与这三个仪表相关的部分电路，与其它仪表相关的部分电路采用了原仪表的设计，图中只作了简单的标注，另外，作为表头的三组十字线圈尽管在参数上有所差别，但其外部接口电路是完全一样的，图中只详细画出了其中的一个。组合仪表以TI公司的TMS320LF2407为核心组成，外部芯片及其功能描述如下：1、PCA82C250Philips公司生产的CAN收发器，用于实现CAN的物理层；2、24LC02Ceramate提供的256字节的，用于存储仪表的配置参数；3、74LS01集电极开路的与非门，用于增强PWM输出的驱动能力。4.2.1接口定义66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文组合仪表的接口为两根CAN信号线，CAN_H和CAN_L，其电平标准按照15011898(高速CAN总线的国际标准)的规定执行。如表4-1、表4-2、表4-3、表4-4所示：表4-1组合仪表输入信号电平额定电池电压V符号电压最小值V最大值V24-32.032.0-32.032.0表4-2组合仪表CAN接口的直流参数（总线状态为“1”时）参数符号单位数值最小值额定值最大值总线电压V3.13.253.4V1.61.751.9总线差动电压V0.31.5内部差动电阻k360内部电阻器k180表4-3组合仪表CAN接口直流参数（总线状态为“0”时）参数符号单位数值最小值额定值最大值总线电压V011.15V3.8545总线差动电压V-0.3-3表4-4组合仪表CAN接口交流参数参数符号单位数值最小值额定值最大值位时间8内部负载电容pF201066 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文CAN接口在组合仪表正常工作时作为输入，传感器发送到CAN总线上的SAEJ1939消息从CAN接口进入组合仪表；在对组合仪表进行配置和校准时，从PC端发送的配置和校准命令以SAEJ1939消息的形式从CAN接口进入组合仪表，组合仪表反馈的内部参数以SAEJ1939消息的形式从CAN接口发送到CAN总线上(参见图4-3)。水温、油压和转速都在电磁式表头上显示，表头由一个十字线圈驱动。其外部接口为十字线圈的四个接线柱，以水温表接线柱对应的“”、“”、“”、“”为例：“”、“”为频率为640Hz的PWM输出(该频率由线圈参数确定)，“”、“”为直流电平输出，其值为5V或0V。图4-5显示了“”、“”之间的关系，可以看出，“”起着翻转十字线圈中电流流向的作用，同样，“”也可以起类似作用，这样配合“”、“”、“”、“”就可以实现水温表表头任意转动。其他的表头也是如此，不再赘述。4.2.2内部实现TMS320LF2407是组合仪表电路的核心，因此可以围绕它来描述组合仪表的内部实现，图4-6中给出了2407的内部框图。2407与PCA82C250之间通过CANTX和CANRX连接，2407在CANTX上输出逻辑“1”和“0”，由PCA82C250在CAN总线上实现位表示，同时2407通过CANRX接收来自CAN总线的数据。图4-4显示了PCA82C250的内部框图。图4-4PCA82C250的内部框图66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文图4-5起到翻转十字线圈中电流流向的作用PCA82C250的TXD和RXD管脚都可以分别直接连接到2407的TXD和RXD脚，Rs是一个模式选择的管脚，它通过一个24k的电阻接地。PCA82C250一共支持3种工作方式：1、RS接地这时82C250工作在高速模式，输出晶体管只在“开”和“关”两种状态下切换，没有任何措施来对上升沿和下降沿进行限制，这时必须使用屏蔽双绞线作媒质以减小电磁干扰。2、RS通过电阻接地这时82C250工作在沿控制模式，输出信号的上升和下降沿的斜率正比于该阻值，由于此时跳变沿会变得比较平缓，这种模式下通讯速率一般较低，而相应的电磁干扰也较小(高频分量小)。3、RS接高这时82C250工作在低电流等待模式，用于总线长时间处于空闲状态时节能。在这种状态下，发送管被关闭，但接收管仍开启。当检测到总线上出现第一个显性位时(由于CAN数据帧都以显性位开始，这等价于检测到总线上有数据传输)，RXD会被置0，控制器需在此时作出动作，使82C250重新进入工作状态。由于子系统执行SAEJ1939协议，通讯速率为250Kbps，我们将收发器配置在电磁干扰较小的沿控制模式，查表知Rs为24k时，跳变沿之和不超过320+320=640ns，码宽1/250Kbps=4000ns。因此24k的阻值选择是合适的。2407与24LC02之间通过IOPC2和IOPC4连接，其中IOPC4被用来提供操作的时钟信号，IOPC4做数据线。事件管理器的PWM输出通过74LS01输出到十字线圈的接线柱。另外由六个通用I/O被用来提供十字线圈同名端的直流电平。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文附录图2为PCA82C250和SJA1000的连接图，它们是现在比较主流的CAN总线控制器和收发器。PCA82C250和SJA1000通过CANTX和CANRX连接，SJA1000的另一边可与单片机相连，图中已连AT89S52。1、和PCA82C200独立CAN控制器引脚兼容；2、和PCA82C200独立CAN控制器电气兼容；3、PCA82C200模式（即默认的BasicCAN模式）4、扩展的接收缓冲器（64字节先进先出FIFO）5、和CAN2.0B协议兼容（PCA82C200兼容模式中的无源扩展帧）6、同时支持11位和29位识别码7、位速率可达1Mbits/s8、PeliCAN模式扩展功能--可读/写访问的错误计数器--可编程的错误报警限制--最近一次错误代码寄存器--对每一个CAN总线错误的中断--具体控制位控制的仲裁丢失中断--单次发送无重发--只听模式无确认无活动的出错标志--支持热插拔软件位速率检测--验收滤波器扩展4字节代码4字节屏蔽--自身信息接收自接收请求9、4MHz时钟频率10、对不同微处理器的接口11、可编程的CAN输出驱动器配置12、增强的温度适应（-40-+125摄氏度）66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文图4-6TMS320LF2407的内部框图66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文第五章结论与展望随着人们对汽车的安全性、经济性、环保性等性能要求以及电子技术和网络技术的发展，上世纪80年代网络技术出现在了汽车上，并不断发展起来，到目前为止，汽车网络技术在许多世界有名的高档车上已得到了较广泛应用，但在我国，汽车网络技术的开发、应用以及维修技术都还处于起步阶段。本文通过对现有汽车网络总线技术标准进行了分析和研究，比较了每种总线的特点，网络结构，优势，并且以CAN总线为例，对基于CAN总线的嵌入式汽车组合仪表的实现进行了剖析。汽车网络总线技术在汽车电子技术中的应用将是汽车发展史上的一个重要里程碑。在未来几年内，我国的汽车上将广泛使用此技术。随着汽车网络设备成本的降低，笔者相信，经济型轿车也会逐步使用网络技术。由于在汽车网络系统硬件实验设备和软件平台上的不足，笔者在这一领域还属初学者，因此论文中涉及的对汽车网络的分析尚存在一些不完善之处。在本课题研究的基础上，笔者认为在网络监测、网络环境适应特性、使用仿真软件模拟网络等方面都可以进一步研究。总之，降低成本、提高可靠性及灵活、发展具有我国自主产权的汽车网络将是今后我国汽车网络研究的主要方向。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文参考文献[1]李刚炎，CAN及其在轿车中央控制系统中的应用，武汉汽车业大学学报，2002.2[2]葛林等，CAN通讯网络在汽车中的应用研究，汽车技术，2002.11[3]苟厂鹏，控制器局域网技术在汽车中的应用研究，汽车工程，2000，6[4]程军等，车辆控制系统通信总线和控制协议SAEJ1939，世界汽车，2001.2[5]程军等，车辆控制系统CAN总线通信的实施方法，汽车工程，2001.3[6]王莉等，汽车网络标准总线CAN，世界汽车，2001.1[7]吉林大学工程硕士学位论文56参考文献[1]曹珊，于秀敏，高莹，等，CAN总线在混合动力电动公共汽车中的应用，汽车技术，2005.6[8]陈智勇，张玘，基于CAN总线技术的车辆虚拟仪表数据采集系统的设计，微计算机信息，2003，12[9]陈清泉，孙逢春，祝嘉光，现代电动汽车技术，北京：北京理工大学出版社,2002[10]邬宽明，CAN总线原理和应用系统设计，北京航空航天大学出版社，1996[11]相铁武，基于CAN/LIN总线的汽车电子网络化研究和应用，南京：南京理工大学硕士学位论文，2007.[12]饶运涛，邹继军，现场总线CAN原理与应用技术，北京：北京航空航天大学出版社，2003.1[13]吕伟杰，刘鲁源，王毅新，电动汽车CAN总线混合调度方法的研究，制造业自动化，2005，27[14]赵琳、魏庆曜.汽车概论.人民交通出版社.2003.7[15]Ronald.Landsman，DesignandanalysisofCANnetworksforvehicles，SAE2000-01-2585[16MarkR.StePer，J1939srialvehiclenetworkPlantationandtutorial，SAE972757[17]Marvinl.Stone，DynamiteaddressonfigurationinSAEJ1939，SAE972759[18]HiroshiHonda，Bodyelectronicsareanetwork，SAE97029766 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文附录图1组合仪表硬件组成框图图2SJA1000与82C50连接图66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文致谢经过十一周时间的努力，学士学位论文《汽车总线技术标准研究》一文终于完成了。本论文是在学校导师天津职业技术师范大学陈东升老师和路海荣老师共同精心指导下完成的，陈老师严谨的治学态度、广博的学识、丰富的课题研究经验令我印象深刻，路老师孜孜不倦的工作精神以及高效率的工作方式给我留下了深刻的印象，这一段学习的经历必将在我以后的工作中令我受益匪浅。在四年的学习期间和本次论文的写作过程中，我得到了很多的关心和鼓励，感谢每一个帮助过我的同学，老师，谢谢你们。特别感谢我的父母和家人，多年来在我求学路上默默给我温暖和支持，在此学业即将完成之际，向他们说声辛苦了!66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文英文资料和中文翻译IntroductionFaultdiagnosisandtestingareimportantfordevelopmentandmaintenanceofsafeandreliableelectroniccircuitsandsystems.Accordingtocollectedstatistics,mostpartofanelectronicsystemisdigital(about80％),butabout80％ofthefaultsoccurintheanalogsegment.Althoughthetechniquesfordigitalcircuitsdiagnosisandtestinghavebeenmature,whilethediagnosisandtestingonanalogcircuitsareevolvedveryslowly．Comparingwiththedigitalcircuits,faultdiagnosisandtestingforanalogcircuitsareparticularlychallengingwiththefollowingreasons.(1)Theparametersofanalogcomponentsareusuallycontinuous,whichcanchangefromzerotoinfinitude,itisimpossibletodefineanyunifiedfaultmodelforthem．(2)Meanwhile,inpracticalanalogcircuitstesting,theinformationusedinthediagnosisisnotenoughbecauseoflackoftestnode．(3)Furthermore,therearenonlinearityproblemandfeedbackloopinanalogcircuits,itsharplyincreasesthedifficultyofthediagnosis．(4)Inaddition,toleranceeffectsoftheanalogcomponentsarehardtoeliminate,sothefaultlocationisnotprecisebutwithsomefuzzyresult．Neuralnetworkisappliedinallkindsoffieldsbecauseofitsmanymeritssuchaslargescalesparallelprocessing，distributedstorage，nonlinearmappingandsoon．AndrecentlyNN-basedapproachisalsousedabroadintheanalogfaultdiagnosisfield,especiallyforlargescaleanalogcircuit.Backpropagationneuralnetwork(BPNN)isverypopular,becauseitssimplicityandeffectivenessinanalogcircuithardfaultdetectionisappreciatedbytheresearchers．Figure1showsthediagramofBPNN-basedanalogfaultsdiagnosis．ForBPNN-basedanalogfaultdiagnosis,themostimportantworkisselectionoftrainingsamplesofthecircuitundertest(CUT)．Theusualapproachesusenodevoltagesorfrequencyresponseofthecircuitasfaultfeatures;however,itistotallynottheintrinsicfeatureofthefaultcomponent．Asaresult,theseBPNN-basedapproachescanjustdiagnosishardfaultsandsomecertainparameterfaultswhichincludinginthetrainingsamples.Buttheparametricfaultdiagnosistechniquesholdanimportantpartinthefieldofanalogfaultdiagnosis，itiscrucialtofindaunifiedapproachtoachievediagnosisforbothhardfaultandsoftfault.Thispaperwillfirstintroducetheunifiedfaultmodelfor66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文linearanalogcircuits,thenBPNNwillbetrainedbytheextractedcomponentfaultfeaturesassamples，finallytheBPNNisappliedtotestthefaultsintheanalogcircuits．Fig．1DiagramofBPNN-basedanalogfaultsdiagnosisTheoutlineofthispaperisasfollow.Section1reviewsrelatedworksonanalogfaultdiagnosis.Section2presentsourapproach"sarchitectureandimplementation.Section3showstheexperimentalresults.Section4givesconclusions．1RelatedWorksSincethe1970s,analogcircuitfaultdetectionhasbecomeanactiveresearcharea,andsignificantresearchresultshavebeenachieved．AnewfaultdictionaryapproachforlinearanalogcircuitispresentedinRef.[3].Accordingtothelawofinvarianceofthenode-voltagesensitivitysequence;node-voltagesensitivitysequenceisusedasunifiedfaultfeaturetodiagnosissoftfaults.Butthenodevoltagesensitivitysequenceisjustaqualitativefeatureandcannotexplainthedifferencebetweenanytwofeaturesquantitatively,soitisunabletodeterminetherealstateofthecircuitswithintolerancerangeorunderfaultstate．BasedontheingeniousideaofRef.[3],Ref.[4]firstlydevelopedthemethodfordiagnosissoftfaultsoftoleranceanalogcircuitsandnonlinearcircuits；whileRef．[5]constructedanewdictionarymethodbasedonatheorynamedconservationofnodevoltagesensitivityweightsequence.WangandYangdevelopedthemethodgreatlyinRef.[6],thenthefaultdictionarymethodcanachievebothsingleandmultiplefaultsdiagnosistheoretically,andthetoleranceishandled,too.However,ithasitsvitalweakness,becausethefaultfeaturesneedtocalculatedbysolvingthenode-voltageequationoftheCUT.Sinceitsfaultfeaturecannotbeobtainedeasily,itsapplicationislargelyrestricted．InRef.[7],adictionarymethodbasedontheprincipleofbranchscreeningisintroduced,branchsetscreeningcurrentsareobtainedasfaultfeatures,Althoughthefaultfeaturesarehardtogetbysimulation，theproposedfault66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文diagnosismethodcanbeusedtodiagnosesoftfaultofnonlinearanalogcircuits．Reference[8]triedtodiagnosethefaultsoflinearanalogcircuitsbasedontransferringPi-locifromaplanetothree-dimensional(3-D)orfour-dimensional(4-D)spaces，thefaultfeatureistherelationofinput-output(transferfunction)，whichisoftennonlinearandhardtoobtainbutcanbeusedfordouble-faultdiagnosis．TheanalogcircuitfaultdiagnosissystemisbasedonBPNN，andthefaultfeatureisimpulseresponse，whichisprocessedbywaveletdecomposition，PCAanddadanormalizationstepbysteptoreducethedimensionoftheinputfeatures.Reference[10]presentedafaultdiagnosismethodbasedonwavelet-neuralnetwork,whosefaultfeaturesareextractedbycircuitsimulation,afterdataprocessedbywavelet-neuralnetwork．AfastapproachofmodulelevelfaultdiagnosisforlargeanalogcircuitbasedonBPNNisintroduced,thelargeanalogcircuitmustbetornktimes,andthenksub-BPNNwillbedesignedtorecordtorninformation．Thefaultfeaturesarethevoltagesoftornnodes．WhileRef.[12]describedthetransientfunctionaltestofanalogcircuitsbasedonNNandMonteCarlomethodwiththefaultfeatureofthetransferfunctionoftheCUT．NoneoffaultfeaturesusedinRefs.[9-12]isunifiedfeatureforbothhardfaultandsoftfault．2IntegratedImplementationTheunderlyingproblemoffaultdictionarymethodisthe1argestorageofthedictionarydata,becauseitisdifficulttolocatethefaultaftersimulation.Neuralnetworkiswellknownforitsdataprocessingandpatternclassificationcapability.SothecombinationofthedictionarymethodandBPNNisanappropriatewaytoachievereal-timefaultdiagnosis.Ourapproachisatwo-stagestructure.Thefirstoneisextractinganintrinsicfeatureastheunifiedfeatureofallsoftfaults．ThesecondoneisapplyingBPNNalgorithmtotrainandtestthefaultsoftheCUT．2.1Slope-basedfaultfeatureUnlikeotherdiagnosismethods,thereportedapproachusesthevoltagerelationfunctionbetweentwonodesasfaultcharactersforpredefinedfaultsinthefaultset.Forlinearanalogcircuits,thevoltagerelationfunctionisalinearfunctionandtheslopecanbethefaultcharactertodiagnosebothhardfaultandsoftfault．Supposeisalinearanalogcircuit,isalineartwo-portcomponentincluding，，，，ordependentsource，theparameterofis．AccordingtotheprooffromRef.[6]，foranytwonodesandinthecircuits(exceptgroundingnodes)，therelationbetweenvoltages,,andparametermaymatchsuchformas66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文=(+)/(+),=(+)/(+),=(1)Parameters,,,,,andarenotrelatedwithandonlydeterminedbyothercomponentsandtopologystructureofthecircuit.FromEsq.(1)，wecanget=(-)/(-),=(-)/(-)(2)CombineEsq.(1)and(2)，wecangettherelationfunctionbetweenand:(3)Formula(3)iscalledvoltagerelationfunction．Obviously,formula(3)isalinearfunction,theslopeis(4)AssumewhenthecurrentstateoftheCUTisnormal,thevoltagesofnodesandareand,respectively.AsillustratedinFig.2,thenodevoltagerelationfunctionsare1ineswiththesameintersection(,)．FromEsq.(4),theslopeforthesetwonodesisnotrelatedwith,itisaninvariantfeatureofthecomponent,regardlessofthechangeoftheparameter.Therefore,theslopeistheunifiedfeatureofcomponentforbothhardandsoftfaultstates．Supposethefaultsetofcircuitis,anddenotesnormalstate,denotesthefaultstatesof(includinghardfaultandsoftfault).Whenthecurrentstateis，thevoltagesofnodesandare66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文Fig．2Node-voltagerelationfunctionsand，respectively．Foranyotherfaultstates,thevoltagesofnodesand(，)satisfiesthenodevoltagerelationfunction，sothenodevoltagerelationfunctioncanbepresentedas(5)FromEsq.(5)，slopecanbeusedasthecomponentfaultfeatureforitseveryfaultstate．So，formula(6)iscalledtheslopeK-faultmodelforlinearanalogcircuit．Forfaultset,wecangetthefaultfeaturesetoftheanalogcircuit:,iscorrespondingwithfault.Thefeaturesetcanbecalculatedorsimulatedbeforetest．(6)TherearetwostepstosimulatetheCUTtoattainslopefeatures．(1)SimulatethenormalstateoftheCUTtogetnodevoltages，e.g.,(,)；(2)Forcomponent,simulatetheCUTatthestateofanyparameterfault(canbetwiceof)togetanothergroupofnodevoltages，e.g.,(,).66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文Accordingtotheformula(6)andthesimulatedresults,forthetwonodesand,theslopeoftherelationfunctionforis(7)Itisjustneedtosimulateanyfaultstateofeachcomponentonce,theextractedslopefeaturescanusedtodiagnosisallthehardandsoftfaultofthecomponent．2.2BPNN-basedfaultdiagnosisapplicationBPNN,generally,isindicatedmultiplayerforwardneuralnetworkinwhicherrorbackpropagationalgorithmisadopted．Itisdevelopedmostperfectly．DifferentiablefunctionisadoptedtoensuretransferfunctioninBPNN,soanynonlinearmappingcanberealizedeasilyanditcanbeappliedabroadinsomefieldssuchaspatternrecognition，datacompressingandsoon.ThefirststepoftheBPNN-basedfaultdiagnosisisfaultfeaturesextraction，whichiscompletedinSection2.1．Thesecondstepispreparingtrainingsamples，whichneedtoselectsometypicalfaultfeaturestotraintheBPNN.Thelaststepisfaultdiagnosis,i.e.，applyBPNNtoclassifythefaultstates．(1)StructureThestructureparametersoftheBPNNmustbedesignedfirst．Accordingtothedimensionofthefaultfeaturevectorandthefaultsmodes，theinputnodesandoutputnodesoftheBPNNcanbedetermined．Supposethedimensionofthefaultfeatureis,thenthenumberofinputnodeis；andiftheCUTcontainsfaultmodes，thenumberofoutputnodeis;thenumberofneuronofhiddenlayercanberoughlydeterminedby+(=1...10)，whichcanbeadjustedduringthetrainingprocess.Accordingtothecomparison,thetransferfunctionsofbothinputlayerandhiddenlayerchoosestan-sigmoidfunction,butchooseslinearfunctionfortheoutputlayer．(2)TrainingThetrainingsamplesareselectedfromthefaultsfeaturespreparedalready.Ifwechoosefeaturevectorwithdimensionasthetrainingsample,thetrainingoutputisdeterminedby：iftheCUTcontainsfaultmodes，thetargetofBPNNoutputis{,,…，,…，，…，}，iftheCUTisunderfaultmode，thenlet=1,othersarezero，theBPNNoutputvectoris,iftheCUTisunderbothfaultmodeandfaultmode,theBPNNoutputis.SoBPNNcandiagnosebothsingleandmultiplefaults．Infact,whenmultiplefaultsoccurintheCUT,theslopeK-faultmodelischangedtoothermodelswhichneedmoretestnodestocalculate.Sothispapermainlypresentsthesinglefaultdiagnosis．66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文Inthesamplesselectionphase，becausetheslopefaultfeatureistheunifiedfeatureofbothhardandsoftfault,wejustneedtochooseonesinglesampleforacomponent.Inaddition,BPNNhastheabilitytoavoidtheeffectofcomponenttolerance,sothetrainedBPNNcanrecognizeallthefaultsofthecomponent．3ExperimentalResultsHere，anexampleisdemonstratedtoshowtheapplicationofthepresenteddiagnosismethodabove．TheexperimentalcircuitisshowninFig.3.InthecircuitofFig.3,a11the20componentshavethesameparameterl0,thevoltagesourceis=4.5.Itcontains11nodes，inwhichthenode,,,,andareselectedfortest．Fig．3ApracticalexampleWejustchoose6softfaultmodesforpresentation，andtheyare{,,,,,}.ThesimulationtoolPSPICEcanusedtoobtainthenodevoltages;itfirstsimulatesthenormalstateofthecircuit.Wegetthenormalnodevoltages{,,,，),andthensetoneofthecomponentas100tosimulatethefaultycircuit,andafter6times,6vectors{,,,,},cangetforeverycomponent.Amongthe5-nodevoltages,thereare=10kindsofslopescanbe66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文calculated,allthel0slopescanbeselectedasfaultfeaturesofthecorrespondingcomponents.Infact,afterasimplecalculation，wejustselect3ofthe10slopestoconstructafeaturevectorforeverycomponent.ThetrainingsamplesarelistedinTable1，justonefeaturevectorforeachcomponent，andgiventhelabeledfaultclasses．Table1TrainingsamplesandlabeledfaultclassesFaultycomponetNodevoltageFeaturesFaultclassNormal3.073.272.252.251.231.783.141.492.100.871.680.872.152.962.322.121.731.130.821.821.372.872.902.011.911.070.841.101.533.323.432.592.491.600.720.650.913.353.372.772.382.180.550.730.553.193.622.403.011.360.780.471.15InTable1，thethreefeaturesinthefeaturevectorarecalculatedbyEsq.(7)，respectively．(8)SothestructureoftheBPNNisdetermined：3inputnodes；7outputnodes；10hiddenlayernodes．ThetrainingandtestingwillbeimplementedonaPCwithPentiumIV3.0GHzwithMATLAB6.1simulationenvironment．Thetrainingerrorcurveislessthan0.01，asshowninFig.4．Thenwechooseother12testingsamplestotestthetrainedBPNN．FromTable2,allthetestsamplesareindifferentfaultstatesandmostofthemarenotthetrainingfaulty66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文states，includingbothhardfaultandsoftfault.Butthecalculatedfeaturevectorsarealmostthesamewiththetrainingsamples，sothetestresultisperfect.Thediagnosisrateis100％．Fig．4Relationbetweenerrorandtrainingtimes4ConclusionsOurimplementationisaimtoreal-timeapplicationandachievementofhighdiagnosisrateforbothhardfaultandsoftfaultoftheCUT．Inthispaper,aunifiedfaultmodel,slopefaultmodelsuitabletobothhardfaultandsoftfault,ispresented,whichistheintrinsicfeatureofthefaultofthecomponent,itisinvariantundereveryfaultstate.Therefore,forBPNN-basedanalogfaultdiagnosis，thetrainingsamplesarethesefaultfeaturevectors,whichdenotesbothhardandsoftfaultoftheCUT．UnlikeotherBPNN-basedapproaches,wejustneedtocontainacertainparametricfaultofeachcomponentinthetrainingsample,thenthetrainedBPNNcanbeusedtodiagnosisa11thesoftfaultsofthecorrespondingcomponentintheCUT．BPNN-basedapproachispracticalthanfaultdictionarymethod,thereasonisthattrainedBPNNcanachievefaultlocationveryfastevenforlargescalecircuit;butthesizeofthedictionarywillbecomevery1argewhenthecircuitislargescale,itishardtocheck66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文andlocatethecurrentfaultstatequickly．Table2TestresultswithtrainedBPNN(openrepresents100，shortrepresents0.0001)FaultystateMeasuredFeaturesFaultclass（open）4.463.423.082.421.611.680.872.15（100k）1.783.141.492.100.871.680.872.15（short）3.214.502.422.931.350.821.821.38（100k）2.962.322.121.731.130.821.821.38（open）3.443.962.962.871.510.841.101.53（4.7k）2.902.972.051.971.100.841.101.53（5.1k）2.943.192.082.131.040.720.650.91（100k）2.633.001.641.820.560.730.650.91（short）2.703.151.582.080.000.550.730.55（30k）3.243.332.572.331.810.550.730.55（open）2.942.882.081.401.080.780.471.15（1k）2.962.952.111.551.100.780.461.15ThisBPNN-basedapproachinthispapercandiagnosismultiplefaults，too．Thenextstepistoexpandthisfaultmodelfornonlinearanalogcircuits,anddevelopnewBPNNtoachievemultiplefaultsdiagnosisforboth1inearandnonlinearanalogcircuits．介绍66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文故障诊断和测试对发展和安全可靠的电子电路系统维修很重要。按照收集到的统计，一般的电子系统的一部分是数字（约80％），但大约80％的故障发生在模拟部分。尽管数字电路的诊断和测试技术已经成熟，而模拟电路的诊断和测试发展非常缓慢。与数字电路相比，模拟电路的故障诊断和测试具有比较特别挑战性，原因如下。（1）模拟元件的参数通常是连续的，它可以从零到无穷变化，它是不可能为他们定义任何模型统一的过错。（2）同时，在实际电路测试模拟中，诊断中使用的信息是不够的，因为缺乏节点试验。（3）此外，还有非线性问题和反馈回路电路模拟，这大大增加了诊断的难度。（4）此外，类比元件的宽容影响难以消除，所以故障定位不准确，但有些模糊的结果。神经网络因为它的许多优点被应用在各种领域，如大尺度并行处理，分布式存储，非线性映射等。最近以神经网络为基础的方法也被国外用来在模拟故障诊断领域，尤其是大量程模拟电路。返回传播神经网络（BPNN）也很受欢迎，因为它在模拟电路硬故障检测的简单性和有效性是被研究者所推崇的。图1显示了BPNN网络的故障诊断模拟图。图1ofBPNN为基础的模拟故障诊断对于BPNN网络为基础的模拟故障诊断，最重要的工作是根据测试对电路进行一系列抽样选择（CUT）。通常的方法是使用电路响应的节点电压或频率对电路故障特征训练样本选择，但它完全没有故障部分的内在特征。因此，这些BPNN网络为基础的方法只需诊断一系列样本的硬故障和一些特定的参数故障。B但是参数故障诊断技术在故障诊断领域是重要的组成部分，关键的是要找到一个统一的方法来实现硬故障和软故障的诊断。本篇文章将首先介绍了线性模拟电路故障模型的统一，然后将BPNN网络训练的组成部分作为样本提取故障特征，最后的BPNN网络适用于模拟电路的故障测试中。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文本文的大纲是第一部分回顾模拟故障诊断的相关工作，第二部分是提出架构和实施。第三部分显示了检验结果，第四部分给出了结论。1相关工程自20世纪70年代，模拟电路故障检测已成为一个活跃的研究领域，重大研究成果已经实现。一种新的线性模拟电路故障经典算法在参考[3]中。根据节点电压灵敏度序列的不变性，节点电压灵敏度序列作为对软故障统一的故障诊断特征。但是灵敏度序列只是一个定性的特点，不能解释任何两个特点之间的差异，所以无法确定公差范围内或在故障状态下的真实说明。基于参考[3]的独特构想，参考[4]首先开发了宽容模拟电路和非线性电路软故障的诊断方法；而参考[5]基于节点电压灵敏度量序列建造了一个新的典型算法，而王和杨在参考[6]中将这个方法升华，然后故障经典算法便可以实现单个和多个故障诊断理论和宽容处理。然而，它有其致命的弱点，因为需要通过解决故障特征的节点电压方程的计算，由于故障特征不容易获得，它的应用受到很大限制。在参考[7]中，介绍了一种基于分行筛选原则的典型技巧，分行设置筛选电流作为故障特征获得，虽然很难通过模拟获得，故障诊断方法的提出可用于诊断非线性模拟电路软故障。参考[8]试图基于在三维（3-D）或4维（4-D）空间中将飞机转换成Pi-loci的方法诊断线性模拟电路的故障，故障特征联系输入输出，那些非线性和很难获得但能用作倍化故障的诊断。模拟电路故障诊断系统是基于BPNN网络，故障特征是脉冲响应，这是由小波分解，PCA和达达正常化一步一步处理，以减少输入特征，参考[10]提出了一个错误网状神经网络诊断方法，其特点是由电路故障仿真中提取的基础上，经过网状神经网络数据处理。下面是一种基于BPNN网络的大型模拟电路的模块故障诊断的快速方法的介绍，大型模拟电路必须分成k个，然后k个子BPNN网络将各自收集信息，故障特征是分配的节点电压。参考[12]中描述的基于神经网络和蒙特卡罗方法的CUT传递函数的故障特征的瞬态模拟电路功能测试。参考[9-12]中都没有统一的硬故障和软故障特征。2综合实施故障经典算法的基本问题是数据的大容量存储，因为在模拟后很难找到故障。神经网络以其良好的数据处理和模式分类结合能力。所以经典算法和BPNN网络的结合是一种恰当的方式实现实时故障诊断。我们的做法是分两个阶段，第一是提取一种本质特征作为所有软故障的统一特征，第二个特点是应用BPNN网络算法测试CUT故障。2.1边坡的故障特征66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文不像其他的诊断方法，报告的方法使用两个节点之间的电压关系函数作为故障特征。对于线性模拟电路故障，电压关系函数是一个线性函数，斜率的故障特征可作为诊断故障特征硬故障和软故障。假设是一个线性模拟电路，是一个线性二端口组成，包括，，，，或依赖来源，的参数是。根据参考[6]证明，任何两个电路节点和（除接地节点），和两电压之间的关系，和参数的关系形如=(+)/(+),=(+)/(+),=(1)参数,,,,,和不相关，只和其他部分相关和电路的拓扑结构决定。从公式（1），我们可以得到=(-)/(-),=(-)/(-)(2)结合公式（1）和（2），我们可以得到和的关系函数：(3)公式（3）被称为电压函数关系。显然，公式（3）是一个线性函数，斜率为(4)假设当CUT的电流状态是正常，特别节点电压，是和，如图2所示，节点电压函数关系交于同一交点（，）。从式（4）得，这两个节点的斜率与无关，它是部件的不变的特征，不管参数如何变化。因此，斜率是部件硬，软故障状态下的同一特征。假设电路故障集是，并且表示正常状态，表示的故障状态（包括硬故障和软故障）。当电流状态是，节点和的电压是和。在任何其他故障状态，节点电压和（，）满足节点电压的关系函数，因此函数的节点电压的关系可以被看作66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文图2节点电压的函数关系(5)从式（5）看，斜率可作为其每个元件故障状态的故障特征。所以公式（6）被称为线性模拟电路的斜率k型故障模型。对故障集，我们可以得到模拟电路的故障特征集：，对应故障。特征集可以在测试之前模拟和计算。(6)有两个步骤来实现模拟削减CUT来获得斜率特征。（1）模拟CUT正常状态得到节点电压，如(,)；（2）组成，模拟CUT在参数故障的状态（可能是两倍），以获得另一组的节点电压，如(,)。根据公式（6）和模拟的结果，这两个节点和，关系函数的斜率是(7)66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文它只是需要模拟每个元件的任何故障状态，提取的斜率特征可以用于诊断的所有硬件和软件组件故障。2.2BPNN网络的故障诊断中的应用BPNN网络，通常是表示多重前馈神经网络，由误差反向传播算法通过。它发展的最好。不同的函数采用BPNN网络，以确保传递函数，因此任何的非线性映射，容易实现，它可以适用于国外在某些领域，如模式识别，数据压缩等。该BPNN网络的故障诊断的第一步是提取故障特征，这在2.1完成。第二个步骤是准备测试样本，需要选择一些典型故障特征来测试BPNN网络。最后一步是故障诊断，也就是说，用BPNN网络的故障状态进行分类。（1）结构BPNN网络的结构参数必须事先设计。根据故障特征向量和故障模式的尺寸参数，BPNN网络的输入节点和输出节点可以确定，假定故障特征的尺寸是；若CUT包含种故障模式，输出节点的数目是，对隐层神经元数可以由+(=1...10)粗略的确定，它可以在测试过程进行调整。根据比较，输入层和隐藏层的传递函数选择丹乙状结肠函数，但选择输出层为线性函数。（2）测试测试样本是选自已经准备好的故障特征。如果我们选择个维特征向量作为测试样本，测试输出取决于：如果CUT包含种故障模式，输出的BPNN网络的目标是{,,…，,…，，…，}，如果CUT在故障模式下，然后让=1，其他都是零，则BPNN网络的输出向量是，如果CUT在故障模式和故障模式下，BPNN网络的输出是，所以BPNN网络能诊断单个和多个故障。事实上，当多故障发生时，斜率k故障模式更改为需要更多的测试节点来计算的其他模式，所以本文主要介绍了单一故障诊断。在样本选择阶段，因为斜率故障特征是软，硬故障统一的特点，我们只需要选择一个元件的一个样本，另外，BPNN网络有能力避免元件容差的影响，因此测试过的BPNN网络能够识别所有的元件的故障。3实验结果在这里，一个例子就是证明显示以上所提出的诊断方法。实验电路显示在图3。在图3电路中，20个元件具有相同的参数10，电压源=4.5。它包含11个节点，其中的节点,,,和选作测试用。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文图3一个实际的例子我们只是选择6种软故障模式介绍，他们是{,,,,,}。PSPICE仿真工具可以用于获取节点电压时，它首先模拟了正常状态的电路，得到正常节点电压{,,,，),然后设置一个元件为100模拟电路故障，经过6次模拟，6个向量{,,,,}，每个元件都能得到，在5个节点电压下，有=10种斜率可以计算出，所有的10种斜率可作为相应元件的斜率，事实上，经过简单的计算，我们只选择10个斜率中的3种构造每个元件的特征向量。测试样本列于表1，每个组件只有一个特征向量，并考虑到标志故障类型。在表1中，在三个特征向量的特征如式（7），分别是：(8)因此，BPNN网络结构的确定：3个输入节点，7输出节点，10个隐层节点。测试将在装有MATLAB6.1仿真环境的奔腾IV3.0GHz的电脑上，测试误差曲线小于0.01，如图4所示。66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文表1故障测试样本和标签类型存在缺陷的部件节点电压特征故障类正常3.073.272.252.251.231.783.141.492.100.871.680.872.152.962.322.121.731.130.821.821.372.872.902.011.911.070.841.101.533.323.432.592.491.600.720.650.913.353.372.772.382.180.550.730.553.193.622.403.011.360.780.471.15然后我们选择其他12测试样本，以测试测试过的BPNN网络。从表2得，所有测试样本在不同的故障状态，其中大多数是不是测试故障状态，包括硬故障和软故障。计算的特征向量几乎与测试样本相同，所以测试结果很完美，诊断率为100％。4结论我们的目标是实现实时应用和实现CUT的硬故障和软故障的高诊断率，本文提出了一个统一的故障模式，适合硬故障和软故障的斜率故障模型，这是元件的故障的固有特征，它依据每一个故障状态。因此，对于BPNN网络为基础的模拟故障诊断，测试样本是这些故障特征向量，这是指CUT的硬故障和软故障。不像其他BPNN网络为基础的方法，我们只需要在测试样本中包含每个元件的一些参数故障，然后测试的BPNN网络可以用来诊断CUT中的相应元件的软故障。BPNN网络为基础的方法比故障经典方法更实用，其原因是，经过测试的BPNN网络可以非常快实现大规模电路故障的定位，但当电路规模大时该字典将变得非常大，就很难很快的检查并定位当前的故障状态。本文以BPNN网络为基础的方法也可以诊断多故障。下一步是扩大这个非线性模拟电路故障模型，并开发新BPNN网络，以实现线性和非线性模拟电路的多故障诊断。图4错误和测试次数的关系66 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文表2测试结果与BPNN网络测试（开代表100，关代表0.0001）故障状态实测数据特征故障集（open）4.463.423.082.421.611.680.872.15（100k）1.783.141.492.100.871.680.872.15（short）3.214.502.422.931.350.821.821.38（100k）2.962.322.121.731.130.821.821.38（open）3.443.962.962.871.510.841.101.53（4.7k）2.902.972.051.971.100.841.101.53（5.1k）2.943.192.082.131.040.720.650.91（100k）2.633.001.641.820.560.730.650.91（short）2.703.151.582.080.000.550.730.5566 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业论文（30k）3.243.332.572.331.810.550.730.55（open）2.942.882.081.401.080.780.471.15（1k）2.962.952.111.551.100.780.461.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'