2022年汽车多个ECU之间的典型信息传送方式及网关 .pdf

1 / 44 汽车多个 ECU 之间的典型信息传送方式及网关1常见的动态控制系统的ECU 配置方式为了改善汽车的动态特性，汽车上的电子控制系统愈来愈多，最常见的有电子燃油喷射系统（EFI ）、防抱死制动系统（ABS ），四轮转向系统（4WS ）、四轮驱动系统（4WD ）和有源悬架系统（ ASUS0等，这些系统均配备有各自的ECU 。日益增多的ECU及其通信设备使汽车的生产成本逐年上升。为了降低成本，首先要减少数据传输功能设备，而要做到减少线束、接头、网关等功能设备，必须采用能满足高速多路复用通信的协议，以共享和传送“控制信息”。此处所指的“控制信息”，有发动机转速、车身垂直加速度、车速等等，这些“控制信息”连续馈送至网络总线（图 1）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 44 页2 / 44 各个 ECU接需要从总线上接收最新的信息以操纵使动器。例如，匹配发动机转速传感器的ECU-A （EFI），将发动机转速数据连续馈送至总线，而不需要考虑该ECU应用些什么数据；另一方面，其他几个需要发动机转速数据的ECU ，只需从总线上接收发动机转速数据而勿需考虑目身应分发些什么数据。对于接收 ECU ，它接收到的最新数据为现行数据。在实际实施中，每当ECU接收到数据，就将这些数据存储在RAM区，并将这些数据按各自的类型赋值，因此，RAM 总有一个更新了的数据复制并存储在其中，再通过对这些数据的应用，使ECU获取最新的数据。2ECU之间数据传递的主要特征图 1 汽车动态控制系统EFI- 电子 燃 油 喷 射 系 统 （ ECU-A） ； ABS-防 抱 死制 动 系 统（ECU-B ）；4WS- 四轮转向系统（ ECU-C ）；4WD- 四轮驱动系统（ECU-D ）；ASUS- 有源悬架系统（ ECU-E ）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 44 页3 / 44 汽车内ECU之间与办公用微机之间的数据传输特征不尽相同，主要差别在于传输频率。汽车内ECU之间的数据传输频率是变化的，例如，在发动机加速时，进行的是高频数据传输，如每隔 4ms传输 l 次；而在发动机低温低速状态，则只需作每隔l 秒左右 l 次的低频传输。3汽车内各 ECU数据传输 / 使用的映象为叙述方便，采用图1 所示的5 个 ECU组成的动态控制系统。 5 个 ECU 之间的“控制信息”设定为55 种：（1）发动机转速，（2）车速，（ 3）节气门开度，（4）汽车右前高度，（ 5）汽车左前高度，（6）汽车右后高度，（7）汽车左后高度，（8）制动液压力（54）车身纵向加速度，（55）车身垂直加速度。上述的55 种数据用两字节表示即有足够的精确度，换句话说，用二字节传输数据对ECU是适宜的。 ECU传输每个数据或其他ECU 接收这个数据用于控制的情况见表1 所列。表 1 数据传输 / 使用的映象数据ECU-A ECU-BECU-CECU-DECU-E（1）发动机转速传输使用使用（2）车速使用传输使用使用使用（3）节气门开度传输使用使用（4）汽车右前高度民主使用使用传输使用（54）纵向加速度使用传输使用（55）垂直加速度使用使用传输精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 44 页4 / 44 数据传输总数15 9 11 13 7 数据使用总数12 23 15 18 27 表中的“一”表示不起作用或相互间无关系。例如，发动机转速数据由 ECU-A发送和被 ECU-C和 ECU-D接收使用，而ECU-B与ECU-E并不使用这些数据。换而言之，由一个ECU发送出的一种数据，会被一个以上的ECU所采用，但不一定会被所有的ECU都采用。从数据类别来说，ECU-A发送整个动态系统55 种数据中的15种，只有 12 种被其他 ECU所采用； ECU-E发送的数据只有7 种。但因汽车高度根据悬架往复行程分为很多等级，加上汽车平顺性按软、中、硬等不同模式转换，故数据被其他ECU采用较多达27种。4汽车内各 ECU数据类型的分级数据类型是指为适应不同应用场合的需要，由程序设计语言为数据变量定义的数据结构性质和特征，每种数据类型都规定了变量可能取值的范围及允许进行的一组操作，丰田汽车的每种数据类型均由它的变化速率定义传输周期，而数据类型可按数据传输周期和各个ECU 的平均频率分级（表2）。表 2 按传输周期分级的数据类型ECU 传输周期， ms 平均传输频率（数据 /ms）4 8 16 128 1024 ECU-A 4 6 3 1 1 1946 ECU-B1 2 2 2 2 0643 ECU-C0 3 2 2 4 0519 ECU-D2 2 4 4 1 1032 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 44 页5 / 44 ECU-E0 1 2 2 2 0268 合计7 14 13 11 10 4408 由 ECU-A发送的 15 种数据，有 4 种每隔 4ms发送一次，另有6 种每隔 84ms ，3 种隔 16ms 、1 种隔 128ms 、1 种隔 1024ms发送一次。平均传输频率呵按下式求得:1/4 4+1/8 6+1/16 3+1/1281+1/10241=1.946 （数据 ms）。用相同方法可求出ECU-B 、ECU-C 、ECU-D和 ECU-E的数据平均传输频率分别为0.643 、0.519 、1.032 、0.268数据 /ms。显然，各 ECU之间的平均数据传输频率出入较大，如ECU-A为 ECU-E的 7.26 倍。整个网络的传输频率为上述值的总和，即4.408 数据/ms。上述整个网络传输的数据类型共55 种，每个 ECU的接收范围为 1227 种。虽然这些值会随系统的尺寸改变而变化，但总的趋势是 : 若网络传输的数据类型为3060 种，每个 ECU接收数据的类型一般为 1030 种。5令牌传递法的含义在令牌（特殊位串）传递系统中，令牌从一个节点（ECU ）传递到另一个节点（ECU ），令牌传递法是用来确定有限定的、最差情况下的等待时间的一种通信规约。此方法允许唯一的特殊位串“令牌”存在于网络中，仅让获得令牌的一个节点有权发送数据，这样，可防止两个或两个以上的节点同时传输数据，避免了数据碰撞，由于令牌从一个节点到另一个节点连续移动，故所有的节点都有获得令牌的机会，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 44 页6 / 44 采用令牌传递，使各个节点可传递数据的时间比CSMA/CD 更能预测，但当各个节点的信息流不平衡时，使用的效率较低。6数据帧与令牌帧的概念图 2 表示两种类型的帧格式，一种称为数据帧，另一种种为令牌帧，数据帧是一种可以在线路上当作一个单元来传输的信息帧，除子帧格式定义字符和校验字符外，其余部分即为被传送的数据，该帧要得到令牌后才发送数据，也就是说，数据帧让一个节点获得令牌发送数据，然后再将令牌传送到下一个节点。令牌帧是令牌环路中流动传送的一个特殊信息帧，此帧允许一个节点获得令牌，但并无数据发送就传送令牌到下一个节点，从图 2b 中可看出令牌帧中无数据DATA 等字段。数据侦由以下组成 : SOF 起始帧， 1 位，表示帧开始；图 2 帧格式精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 44 页7 / 44 ADRS 节点地址， 4 位，表示发送令牌的那一个节点的地址； ID一数据标识， 7 位，指出数据类型； DATA一传输数据， 16 位； CRC一循环冗余校验，8 位，用作错误检测； EOF 帧结束， 7 位； IFS一帧间间隔， 1 位，为帧同步给予的储备时间； IDLE空闲。可以认为，令牌帧由数据帧的子帧SOF 、ADRS ，EOr 和 IFS 等构成，由于ADRS 有 4 位，故可设置16 个节点地址； ID 有 7 位，可以处理128 种数据，传输数据按带有5 位长度位填充的不归零制 NRZ编码。就数据帧而言，位填充的字段有SOF 、ADRS 、ID、DATA和CRC ；就令牌帧而言，只有SOF和 ADRS ；EOF初 IFS 无位填充；除EOF和 IFS 外，其它字段都有位填充，其目的是为了保证这些字段位同步。另外， EOF和 IFS 的位顺序为“ 01111111”，这样可在接收端发生位填充违例，加密检测EOF ，而不会受到其他字段的干扰，加密检测EOF ，能确保帧同步，帧同步就意味着对SOF精确地识别由于SOF跟随着 EOF和前帧的 IFS，它可能被位填充违例后从“ 1”到“ 0”的转换所识别。因此，在一个接收帧中，即使意外地失去了帧同步，也很容易在下一个帧的开始恢复帧同步。75 种位编码方法的最高基频5 种位编码方法有：NRZ不归零制方式， PWM 脉冲宽度调制精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 44 页8 / 44 方式， VPW可变脉冲宽度调制方式，Manchester曼彻斯特编码方式， RZ 归零制方式。从表3 中可看出， NRZ方式的最高基频较低。一般说来，基频值低一些，辐射噪音也少一些，辐射噪音除了与所采用的编码方式相关外，还与总线媒体、驱动器/ 接收器等的技术水平有密切关系。表 3 最高基频编码方式最高基频编码方式最高基频NRZ 0.5 ( 位速率 ) Manchester 1 PWM 1 RZ 1 VPW 0.75 8. 多个 ECU的通讯顺序每个节点都有唯一的节点地址 ( 单地址 ) 连续监视着总线上发送出的各个帧，将听收到的地址(ADRS)值与自身的单地址作比较，以校验吻合性，如果二者是一致的，那么该节点就获得令牌，而且刚一处理完接收帧就开始传输，如果单地址节点发送的是从微处理器中转移的数据，那么被发送的帧就是数据帧，否则就是 l个令牌帧，所给定的带有1 的递增的接收节点地址值就足帧的节点地址，这样令牌就被传送至下一个节点。通信顺序的例子如图3 所示，从图中可看出，节点1、4、5和 8 有数据 DATA待发，而其他节点则无DATA发送，假设节点0以令牌起始，由于节点0 无数据发送，只发送有节点地址值1 的 1个令牌帧。节点l接收到这个帧，获得令牌并开始发送数据，节点 l发送具有节点地址值2 的数据帧，接收节点地址值具有增只精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 44 页9 / 44 1，接下去节点2“监听”到节点l 发送的数据帧，获得令牌接着发送有节点地址3 的令牌帧令牌沿者所有的节点移动，如果某个节点有传输数据存在，获得令牌后就发送l个数据帧；若该节点无传输数据，获得令牌后就只发送令牌帧。从图中还可看出，在网络总线上排列着所有节点发送的各个侦，每个节点都可以收到这些帧和应用这些数据以供控制。9ECU之间采用令牌传递法传送信息出错的处理 ECU之间信息传送出错主要有以下几种情况，初始化出错、节点（ ECU ）有故障、令牌失踪和接收出错等。（1）初始化出错。汽车点火开关接通后，如果ECU网络中的令牌未立即出现，则节点ECU不可能发送出任何帧，网络总线处于空闲状态。令牌传递的开始是这样的，每个节点被赋予一个特定的时间消逝值，并将其与总线保持的空闲时间经过值比较，校图 3 通讯顺序精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 44 页10 / 44 验二者的同步性，如果二者同步，则节点开始传递令牌，由于各个节点赋予的时间消逝值各异，仅有一个具有最小值的节点可以启动令牌传递。（2）节点 (ECU) 有故障。如果某些具有令牌发送的节点（如节点 0）发送一个数据帧或令牌帧，然后转移令牌至下一个节点（如节点 1），节点 1 必须立即发送1 个数据帧或 1 个令牌帧。若节点1 有故障，它就不能发送出任何帧，总线处于空闲状态，对于这种故障，节点0 通过监视保持较长空闲时间的总线，检测到节点 l 有故障，就再发送1 个带有附加增量1 的节点地址值2的令牌帧，即由节点0 传送令牌至节点2。这样，如架某个节点发生了故障，令牌就跳过有故障的节点传送。（3）令牌失踪。由于某些原因，有时令牌会失踪，节点不能发送信息，总线处于空闲状态，此情况与初始化出错不能启动令牌传递相似。 (4)接收出错。如果在某一接收节点检测到CRC诸误，这个节点就将接收帧全部废弃，如果在某一将要传递令牌的节点上检测到 CRC错误，则该令牌消失。此时，令牌会使前述的“节点有故障”那样跳过有故障的节点继续传送。若是在1 个数据帧上检测到接收错误，帧上的数据将被废除，但并不通知发送节点停止发送，因此，所有的数据都按周期发送，在下一个机会可能会接收到被废除的数据。10令牌传递法的特征精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 44 页11 / 44 令牌传递法与其他访问网络方法(如 CSMA/CD) 等不同，具有碰撞检测功能的载波监视多路访问CSMA/CD 是用来控制多路访问网络的一种常用技术，网络上的每个节点在发送信息前先“监听”传输通路是否空闲，空闲则可发送，否则将等待。如果两个节点在同一时刻要发送信息，将会检测到碰撞，这两个节点必须“后退”，过一段时间再重新发送，与CSMA/CD 相比，令牌传递法有以下两个特征：（1）可用来确定有限的、最差情况下的等待时间。当所有的16 个节点发送数据帧时，它选择最长的时间等待令牌沿所有节点移动 l 次，当通信速率为250kbps, 数据帧长度为51 位( 含最多可能有 7 位的填充位 ) 时，令牌移动l次的时间为：数据帧长度16/250=51 16/250=3.26 ms 。为了让传输请求那一瞬时到传输开始的等待时间不超过3.26 ms ，获取令牌之间的间隔也应少于3.26 ms ，在实时控制中，确定最长的等待时间是一个很重要的技术关键。由于一个ECU可能会分配到2 个以上的地址，因此全部16 个地址都被分配完毕。前述表2 中的平均传输频率，对于5 个 ECU就是按传输频率的高低来分配16 个地址的：频率最高的ECU-A分配了 7 个地址，频率较高的ECU-D分配了 4 个，传输频率最低的ECU-E只分配了 1 个，详细分配信况见表4，从表 4 中可看出令牌传递规则： ECU-A ECU-B ECU-A ECU-D ECU-A ECU-C ECU-AECU-D ECU-A ECU-B ECU-A ECU-D ECU-C ECU-A ECU-E精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 44 页12 / 44 ECU-D 表 4 节点地址分配地址0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ECU-A 0 0 0 0 0 0 0 ECU-B0 0 ECU-C0 0 ECU-D0 0 0 0 ECU-E0 这种地址分配允许ECU-A获得 7 倍于 ECU-E的令牌，刚好与表 2 中二者的传拘披率倍比相同，有较高传输频率的ECU获得令碑的机会也较多。（2）由于没有传输数据碰撞，可以简化传输控制逻辑。11各 ECU的令牌捕获频率与数据传输频率的关系前述的数据帧长度为44 位，令牌侦长度为13 位，若加上填充/ 塞入位，则数据帧长度为46 位（含2 位填充位），令牌帧长度为 14 位（含 1 位填充位），通信速率为250kbps，那么令牌移动一次的时间T=416+(46-14) 4.408T T/250=2.055ms 。也就是说， T 的倒数为 0.487 次/ms，此即为令蹿捕获频率。由于 ECU-A分配有 7 个地址，令牌捕获频率共3.406 次/ms，而 ECU-A的数据传输频率仅为1.946 次/ms，因此，令牌捕获频率为数据传输频率的1.75 倍。各 ECU的令牌频率与数据传输频率的关系见表5。显然，令牌捕获频率是以满足各ECU发送数据的需精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 44 页13 / 44 要。表 5 令牌频率与数据传输频率（次/ms）ECU 地址数令牌频率A 数据传输频率B A与 B之比ECU-A 7 3.406 1.946 1.75 ECU-B2 0.973 0.643 1.51 ECU-C2 0.973 0.519 1.87 ECU-D4 1.946 1.302 1.89 ECU-E1 0.478 0.268 1.82 12. 标识 (ID) 过滤和标识分类标识 (ID) 是指由编码名组成的一种标号，表示一个数据元，如 ID0 表示数据元DATA0 ，ID1 表示数据元DATA1 ID4 表示数据元 DATA4 。标识过滤是指从数字信号中筛选出所需数字项。多路复用控制集成电路将所筛选接收的数据按标识分类，然后将它们暂存在集成电路内的RAM中。分类次序被提前寄存在多路传输控制的集成电路中。 RAM中的数据经串行接口周期地传送给主主微处理器。主微处理器只传送经分类需要的数据。当然，不需要发送数据标识给主微处理器。按照接收次序，主微处理器将所接收的全部数据直接存储在它的RAM中，当微处理器使用数据于控制时，只需读相应所需数据地址的RAM ，RAM 中存储的是最新接收的数据。由于微处理器只存储RAM中的串行接收数据，这种存储可能通过直接存储器存取（DMA ），这样就进一步减轻了微处理器的负载。多路传输控制集成电路的RAM容量，对存储经筛选的接收数精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 44 页14 / 44 据（如 64 字节的节点接收32 字节的数据）是绰绰有余的。通过采用标识过滤，标识分类及直接存储器存取，主微处理器用于多路传输集成电路中的通信功率可减少约3% 15% 。13多路传输控制集成电路（IC）的结构特点该集成电路由2m-CMOS 工艺和 2500 逻辑门、 l92 字节 ROM和 64 字节 RAM 构成，芯片尺寸为6.9mm 4.87 mm。其中有两个发送缓冲器（图4），当所要求的传输连续出现，发送数据将溢出缓冲器，微处理器通过直接管理传输之间的间隔避免这种溢出。从图 4 中还可看出节点的一些资料，如节点地址、为筛选接收数据的数据标识和分类次序等都被写在ROM 中。这样的IC 结构勿需初始化，允许一通电就开始工作。14网关的概念图4 多路传输控制 IC 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 44 页15 / 44 网关是连接异型网络的接口装置，它综合了桥接器和路由器的功能，汽车网关主要能在OSI 参考模型的物理层、数据链路层和应用层上对双方不同的协议进行翻译和解释。对于 Bosch 公司为奔驰600SEL 等汽车开发的控制器区域网CAN1.2与 CAN2.0协议之间的网关，是指为处理多个ECU的核中核CPU之间的通信而提供的一种综合接口装置，实际上就是一个Intel-16位 80C196 单片微机，至于美国三大汽车公司采用的SAEJ1850 网络与Bosch-CAN 网络之间的网关，实际上就是一个Intel-16位 87C196KR 单片微机。一个网关必须具备有从一个网络协议到另一个协议转换信息的能力，对于CAN协议的网关，应能涉及CAN协议 4 种帧类型中的两种，即数据帧和远程帧。另外两种错误帧和超限帧，由该网关的 CAN芯片硬件控制，因此，可以说网关无附加的响应性。当然，网关必须具备有“状态位”，即在任何一个网络中发生的错误太多时，网关应有报警状态位或总线中断状态位，这样，网关就像网络中的节点那样，可以调查总线状态。对于两个网络之间的网关，起码应具备以下特性: 尽量少的传输等待时间，信息丢失或超限差错最少，能处理总线出现的差错。15Bosch-CAN 1.2 与 CAN2.0版本的主要区别1991 年 9 月，标准的1.2 版本的 CAN协议修订为新的2.0 版本，新版本的技术关键是增加了信息标识符，也就是说，新的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 44 页16 / 44 CAN2.0既支持标准的11 位，也支持扩展后的29 位信息标识。图5 为两个 CAN 版本的互连框图 CAN2.0实施新的信息位，标识扩展位(IDE 位) 使 CAN操作装置能区分标准和扩展格式，但大多数现存的标准CAN-1.2 版本不能识别扩展后的信息格式，在实施过程中会响应错误信息。为了能实施29 位的信息标识， Intel公司开发了品种繁多的芯片，作为CAN的汽车用户，可以采用网关使网络互连，在仅用CAN-1.2-11 位信息标识的条件下，能正确响应29 位标识。16.CAN1.2与CAN2.0的信息格式信 息 格 式 是 数据 通 信 系 统 中 关 于标 题 、 信 息 首 部 、地 址 、 正 文 和 结 尾等 的 书 写 规 定 。CAN-1.2 采用 11 位标 识 符 ， 称 为 标 准(1.2版 本 ) 格 式 ；CAN-2.0 采用 29 位标 识 符 ， 称 为 扩 展图5 CAN-1.2 与CAN2.0 的互连精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 44 页17 / 44 (2.0版本 ) 格式。标准和扩展的格式均支持4 种帧类型 : 数据帧，载运数据；远程帧，当一个节点向另一个节点要求数据时发送；错误帧，当某个节点检测到一个消息错时发送；过载 ( 超限 ) 帧，当某个节点要求附加延迟时发送。图 6 表示数据帧和远程帧的标准和扩展的信息格式，内容如下: SOF ：起始帧 ( 支配位 ) ，标志数据帧和远程帧开始。 Arbitration Field：判优字段，包括信息标识位的1 个或 2个字段。标准格式有1 个 11 位字段，而扩展格式有11 位和 18 位宽的 2 个字段，共 29 位标识符。 RTR ：远程传输请求位，该位在判优字段，对于数据帧是主位，对于远程帧是从属位。图6 标准和扩展的格式精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 44 页18 / 44 SRR ：用于扩展信息中替代远程请求位，是从属的。该位代替标准格式中的RTR位，位于扩展格式的判优字段中。IDE：标识扩展位，对于标准格式是支配的，对于扩展格式是从属的。该位位于扩展格式的判优字段和标准格式的控制字段中。Control Field:控制字段。保留位r0 和 r1 被当作支配位发送。 4 位数据长度码DLC表示数据字段中的字节数。 Data Field:数据字段。数据字节位于数据帧(0 8 字节) 中。远程帧包含零数据字节。 CRC Field:循环冗余校验字段。该字段由1 组 l5 位循环冗余校验误码和 1 个从属的 CRC 分隔符位组成。ACK Field ：确认字段。确认是1 个支配位，由接收数据帧和远程帧的节点发送，紧跟着1 个从属的 ACK分隔符位。 End of Frame:帧结束。由 7 个从属位结束帧。 Int:中断。是 3 个用来分隔数据帧与远程帧的从属位。表 6 中的位计数是用来评定网关信息传输等待时间和过速( 指网关不能按数据发送速率接收数据而造成的数据丢失) 敏感度。这些信息的实际长度可能有差异，原因是“填充”位被添加到信息中。由于信息中增加了转换，故填充位有助于同步。5 个连续等值位被发送后，填充位被插入到位流中，填充位与5 个连续位反极性。除了CRC 分隔符、 ACK字段和帧结束外，所有的信息字精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 44 页19 / 44 段都被填充。表 6 标准格式和扩展格式的位计数标准格式的位计数扩展格式的位计数信息字段位计数信息字段位计数SOF帧起始1 SOF帧起始1 判优字段12 判优字段32 标识符11 标识符29 RTR 1 SRR 1 控制字段6 IDE 1 IDE 1 RTR 1 r0 1 控制字段6 DLC 4 r0 ， r1 2 数据字段064 DLC 4 CRC 字段16 数据字段064 ACK字段2 CRC 字段16 帧结束7 ACK字段2 帧结束7 总数44108 总数64128 17.CAN网关的布局及进行的主要操作如 果 两 个CAN网 络 执 行 器 是 两 片独立的芯片 ( 图 7) ，微控制器 ( 单片微机 )作 为 网 关 ， 那 么 ，CAN芯片就像灵巧的随 机 存 储 器 被 网 关图7 网关硬件布局举例精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 44 页20 / 44 读写。一旦接收到信息，网关就执行接收CAN芯片的外部读操作，接着执行转换信息的逻辑指令，然后执行外部写操作，对第二个网络的 CAN 芯片作传输编程。所以说，网关主要是执行外部读、写操作和转换信息标识符，而执行读、写操作的重要技术条件是时间，读、写所要求的时间又取决于网关和CAN 芯片接口的定时特性。图 7 的结构采用1 组 16 位地址 / 数据总线，该总线在网关与CAN芯片间有双通信能力。CAN芯片驱动连至网关的独立中断线，以利于识别中断的CAN装置。18.CAN芯片信息结构的特点精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 44 页21 / 44 CAN芯片配置有接收和发送信息的结构。典型的CAN芯片的信精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 44 页22 / 44 息结构支持215 个信息客体 ( 含有信息的实体或接收信息的实精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 44 页23 / 44 体，对客体的存取即为对其包含的信息的存取) 。息客体由存储信息标识符、数据字节和控制字节的RAM字节组成。为提高接收信息的可靠性， CAN芯片必须在接收新信息的同时仍能处理早先接收的旧信息。具体的做法是: 采用 1 套带缓冲的接收信息客体或采用两个交替作确认和否认的缓冲接收信息客体( 图 8) 。假设所有接收信息客体使用经认可的掩膜过滤，那么，全部相应的CAN总线信息就只被单个缓冲的接收信息客体接收。若不用认可的过滤，起阻止作用的一些接收信息客体将会接收所需的全部信息。为了捕获新信息，新信息的末位被接收前的那一个接收信息客体必须图8 接收缓冲器图9 发送信息客体精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 44 页24 / 44 “有效”。每个 CAN芯片使用 1 或 2 个信息客体接收，剩余的信息客体用来处理远程帧和发送信息。网关必须配备存储多个发送信息的结构 (图 9) 。以等待CAN总线存取。所需要的发送信息客体的数量，取决于网关传送和接收的信息量以及将这些信息送至另一个网络的能力。总线的总负荷和越过网关的信息优先级，对所需要的发送信息客体的数量，起着决定性的作用。管理发送信息客体的方法之一，是提供一个堆栈，以存储末用的信息客体 ( 号)数。如果需要一条信息传输，一个信息客体号就从该堆栈中“弹出”。同样，当结束了一条信息传输，它的信息客体号就被“压人”堆栈中。网关管理发送信息客体的次序，低优先级的信息不会被先排定发送。例如，Intel 82527使用被存在最低号数的信息客体中的信息以供判优，可以不考虑芯片上其他信息客体的判优等级，信息客体#1 中的低优先级信息不会先于其他信息传输。19网关“处理”的内容网关主要“处理”有关下面三部分的内容( 图 l0): 从第一个网络读取所接收的信息，翻译信息，向第二个网络发送信息。图中翻译信息标识符的含义如下:CAN1.2 和 CAN2.0 的网关可用于以下两种情况，第一种是最简单的实施方式，即在两个网络之间不需精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 44 页25 / 44 要对信息标识符翻译，只是传送标准信息，也就是说，这时的网关只起到互连CAN1.2与 CAN2.0 ，并让这两个网络共享标准信息的任务。第二种实施方式需要对信息标识符作翻译，也就是说，两个网络有各自的信息标识符。例如，“发动机温度信息”在CAN1.2 网络上具有专用的11位 标 准 信 息 标 识 符 ， 而 在CAN2.0 网络上却具有扩展的29 位信息标识符，此时的网关需对这两种信息标识符通过计算或“查表”翻译。20为什么实施SAE J1939 和 J1850 网络协议的美国汽车也要采用与 CAN桥接的网关 SAE汽车选用CAN2.0 协议作为“ C 级”串行控制和通信网络的推荐实施标准，又称为SAE J1939 规范。 CAN2.0 每秒钟的数据速率可达1Mbps ，也就是说， CAN2.0 执行相当于SAE-C 级的高速数据速率。而对于载货车的挂车或被牵引的机具来说，并不需要图10 网关处理精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 44 页26 / 44 如此高的数据速率。由于高速率的串行链路的电子元件和硬件的成本较昂贵，因此，就采用中速数据速率(B 级)4l.6kbps的 J1850网络来管理挂车的牵引和制动，而CAN2.0 只用于支持主车发动机的各个ECU ，这样，在载货车和大客车上献出现了连接异型网络的网关 ( 图 11)。同样原理，原实施SAE-J1850B 级 通 信 速 率 的 小 客车，感到发动机、自动变速器、ABS 等系统的数据速率偏低，想提高通信速率以改善汽车的控制性能，又不能让汽车成本增加太多，就将原实施J1850的汽车增加一网关( 图 12) ，并将网关前方的总线修改为CAN总线。21CAN与 J1850 桥接网关硬件的配置CAN 与 J185O桥接的网关硬件主要由四部分组成(图 13) 。图11 CAN与J1850桥接图12 CAN与J1850桥接的小客车精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 44 页27 / 44 （1）87C196KR微控制器。该微控制器为16 位，16MHz ，经编程后使CAN和 J1850 控制器互通。 87C196KR实际上就是网关。87C196KR利用端口引脚产生通至网络各个控制器的复位和片选信号。作为一输入配置的端口引脚，从网络控制器的开式- 漏极输出端接收中断信号。 87C196KR至 82527 的接口使用8 位多路复用地址/ 数据总线。高位地址被译码，生成片选输出至83527。其他总线信号 (ALE ，RD#，WR#) 控制总线操作， 87C196KR跨接一个串行外围接口 SPI 与 MC68HC57 互通。 87C196KR同步串行输入 / 输出外围设备控制 SPI 接口。 (2)82527-CAN控制器。 82527 是执行CAN2.0 规范的全特性CAN器件。该芯片具有能提供大量发送/ 接收配置的15 个信息客体。网关虽只有1 个 16 位多路复用接口，但可利用82527 的 8 位图13 网关硬件配置精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 44 页28 / 44 多路复用地址 / 数据总线。为支持各种类型的微控制器，82527 配有 8 位同步和异步非多路复用接口及1 个 SPI 接口。另外， 82527还配置有1 个缓冲接收信息客体，用来从CAN总线接收扩展信息。 l3 和 14 号接收的标准信息交替构成有效/ 无效，以执行缓冲接收。这样能给微控制器有更多的时间处理信息。其他的12 个信息客体发送信息。堆栈通过存储在其上的相应信息号数跟踪可用的信息客体 ( 图 14)，如果需要1 个信息客体，一个可用的信息客体号数就被堆栈“弹出”(亦称出栈 ) 。如果1 个信息客体已被发送，它的信息客体号数就被压回堆栈( 亦称入栈 ) 。这种类型的堆栈，对管理配置在这一时间传输的多条信息是很有用的。（3）MC68HC57 数据链路控制器。 MC68HC57 处理 Jl850的总线占空度。芯片上收发器让芯片直接连接到J1850 总线上。MC68HC57 缓冲发送和接收通过串行口编程的FIFOs。串行接口可图14 82527堆栈举例精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页，共 44 页29 / 44 操作至 4.2MHz,而编程的 87C196KR 只能操作于 1MHz 。87C196KR发送第 1 字节装有数据、第2 字节装有命令的2 字节系列串行信息给MC68HC57，命令又包括装入1 条发送信息、取出 1 条接收信息、读出一状态字节，然后配置MC68HC57 中断发送和支持接收。队列用于管理J1850 传输( 图 15)，由于 MC68HC57 具有发送FIFO 的内存缓冲区，队列被用于保持FIFO 的全发送。随着传输的进行，从队列中检索出的信息馈入MC68HC57 中。 (4)CAN总线驱动器。 CAN总线驱动器是一组用于驱动连接到CAN总线上的逻辑元件的功率放大器。它具有三态特性，即除了高、低电平输出外，还具有高阻抗状态，便于受控部件在逻辑上暂时与总线断开。当总线上连接的器件较多时，呈现容性负载，会减慢数据传送速率，影响网关硬件的正常操作时序，加入驱动器后可以减小容性负载的影响。图15 MC68HC57 队列举例精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页，共 44 页30 / 44 22CAN与 J1850 桥接软件的流程 CAN与 J1850 的桥接软件流程如图16 所示。流程涉及到两个网络之间的控制器配置、通信量管理和信息翻译等。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 30 页，共 44 页31 / 44 流程一开始，两个网络控制器的硬件复位。网关用输出引脚精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 31 页，共 44 页32 / 44 保持复位低 ( 低态有效信号 )15ms，接着配置网络控制器。网关对精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 32 页，共 44 页33 / 44 82527 的控制寄存器、 CPU接口寄存器及总线配置、位定时和认可屏蔽等各个寄存器写，让82527 的前 12 个信息客体失效，配置15图16 软件流程精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 33 页，共 44 页34 / 44 号信息客体接收扩展信息，配置13 和 14 号信息客体接收标准信息。由于两种信息客体得到管理，因此接收功能被缓冲。堆栈上创设了1 个存储可用信息客体发送的表，堆栈上的任何信息号数都可用来发送1 个未来信息。 MC68HC57 通过发送1 个配置字节而初设。82527 初始位被清除，两个网络控制