基于SAEJ1939通信协议的卡车数字仪表设计开发.pdf
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1、武汉理工大学硕士学位论文基于SAEJ1939通信协议的卡车数字仪表设计开发姓名:胡鹏申请学位级别:硕士专业:无线电物理指导教师:戴亚文20080501武汉理工大学硕士学位论文摘要随着汽车电子系统复杂度的提高,越来越多的电子控制单元(E C U)被引入到汽车中,各E C U 之间的连接、信息交换和时序控制问题也日益复杂,车载网络技术为解决上述问题提供了一种良好的解决方案。本文针对卡车数字仪表的应用选用德国M i r c o n a s 公司专用汽车仪表芯片C D C 3 2 0 7 G 作为主控芯片,并在车载网络中引入控制器局域网(C A N)与本地互联网络(L I N)构建双网络结构,其中S
2、A EJ 1 9 3 9 协议是高层C A N 网络通信协议,能够有效地支持具有闭环控制功能的分布实时系统,主要用于为重型道路车辆E C U 之间的通信提供标准的体系结构;L I N 协议用于仅需要简单串行通信的E C U。文章在组织结构方面,首先介绍了此次课题项目的应用背景和技术背景,通过对数字仪表的设计要求分析,确定了豪沃卡车数字仪表项目研究的主要内容及芯片具体选型方案,并在文中给出了完整的硬件系统接口设计方案。其次,对C A N 总线规范和S A EJ 1 9 3 9 协议做了重点分析,并且针对卡车实际工作需求,加入了低成本的辅助网络L 总线。详细阐述了仪表盘软件系统的结构与功能实现。针
3、对仪表盘节点的具体应用,设计了基于C D C 3 2 0 7 G 的S A EJ 1 9 3 9 通讯帧完整报文结构和通讯实现函数。最后从两个方面对整套系统进行仿真测试:l、利用U S B C A N 转换器,设计了与数字仪表平台配套的J 1 9 3 9 通讯测试软件,用于测试仪表的J 1 9 3 9 协议通信;2、利用M i c r o c h i p 公司的L I N 总线分析仪和示波器对仪表的L I N 总线通讯进行对比测试。测试结果表明:系统成功实现S A EJ 1 9 3 9 协议的数据通讯、网络管理响应以及数字仪表的C A N、L I N 总线网关功能,具有一定的实用性。关键词:C
4、 D C 3 2 0 7 G:C A N 总线;S A EJ 1 9 3 9;L I N 总线;卡车数字仪表武汉理工大学硕士学位论文A b s t r a c tA l o n gw i t ht h ei n c e n s e m e n to fc o m p l e x i t yi na u t o m o t i v ee l e c t r o n i cs y s t e m s,m o r ea n dm o r ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t s(E C U)t ob ea d d e di nt h ec a l s y
5、s t e m,t h ec o n n e c t i o n,i n f o r m a t i o ne x c h a n g ea n dt i m es e q u e n c ec o n t r o lb e t w e e ne a c hE C Uw e r em o r ec o m p l e x e dt o o,t h ec a r-m o u n t e dn e t w o r kt e c h n o l o g yi so f f e r e dak i n do fg o o ds o l u t i o ni no r d e rt os o l v e
6、p r o b l e m sd e s c r i b e da b o v e T h i st h e s i sp o i n ta g a i n s tt h ea p p l i c a t i o no ft r u c kd i g i t a li n s t r u m e n t,s e l e c tf o ru s et h es p e c i a l-p u r p o s e dC a ri n s t r u m e n tc h i pM i r e o n a sC D C 3 2 0 7 Ga st h em a i nc o n t r o lu n
7、 i t,a n di n t r o d u c et h eC o n t r o l l e rA r e aN e t w o r k(C A N)a n dt h eL o c a lI n t e r c o n n e c tN e t w o r k(L 咖t oc o m p o s eap a i ro fn e t w o r ks t r u c t u r e,a m o n gt h e mS A EJ 19 3 9p r o t o c o li sC A Nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l
8、0 nt h es e n i o rl e v e l,i tc a ns u p p o r tt h ed i s t r i b u t i o nr e a l t i m es y s t e me f f e c t i v e l y,m a i n l yf o ro f f e r i n gt h es t a n d a r ds y s t e ms t r u c t u r ef o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eE C Uo fh e a v y-d u t yv e h i c l e;L I Np r
9、 o t o c o li su s e di nE C U st h a tn e e d i n gs i m p l ec o m m u n i c a t i o no n l y T h et h e s i sh a si n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d sa n dt e c h n o l o g i c a lb a c k g r o u n d so ft h i sp r o j e c ta tf i r s t,t h e na n a l y z ed i g i t
10、a li n s t r u m e n td e s i g n i n gr e q u i r e m e n ta n dc o n f i r m e dm a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dc h i ps e l e c t i n gm e t h o di nH O W Ot r u c kp r o j e c t I tp r o v i d e dat o t a ls o l m i o no fh a r d w a r ei n t e r f a c ed e s i g ni nt h er e l a t e ds
11、e c t i o n s S e c o n d l y,t h et h e s i sm a d ek e ya n a l y s i st oC A Nb u ss p e c i f i c a t i o na n dS A EJ19 3 9c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l,a n dd u et ot h et r u c kr e a lw o r kd e m a n d,w eh a v ej o i n e dt h el o w-c o s tn e t w o r ko fa S s i S t i n 广L 烈b u
12、 s I te x p l a i n e dt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o n so ft h es o f t w a r es y s t e mi nt h ed a s h b o a r d S p e c i f i ct ot h eo fd a s h b o a r dn o d ea p p l i c a t i o n,w ed e s i g n e di n t a c ts t r u c t u r eo fS A EJ19 3 9c o m m u n i c a t i o nm e s s a g ef
13、r a m ea n dt h er e a l i z ef u n c t i o nc o d eb a s e do nC D C 3 2 0 7 G W ec a r r i e do ns y s t e ms i m u l a t i o nt e s tt ot h ed a s h b o a r df r o mt w or e s p e c t s:1 U t i l i z eU S B-C A Nc o n v e n e r,d e s i g n e dJ19 3 9c o m m u n i c a t i o nt e s tp r o g r a mI
14、I一亟堡堡三丕堂亟堂焦迨壅_-I _ _ _-_-_ _ _ _ I-_ _-_ _-_-一一一r e l a t e dt od i g i t a li n s t r u m e n tp l a t f o r mf o rt e s t i n gJ19 3 9p r o t o c o lc o m m u n i c a t i o no ft h ei n s t r u m e n t;2 U t i l i z eL I Nb u sa n a l y z e ro fM i c r o c h i pC o m p a n ya n do s c i l l o g r
15、a p ht oc o m p a r eL I Nb u sc o m m u n i c a t i o no ft h ei n s t r u m e n tw i t ht e s t i n g T h et e s tr e s u l ts h o w st h a tw es u c c e e d i n gi nr e a l i z i n gt h ed a t ac o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r km a n a g e m e n to fS A EJ 1 9 3 9p r o t o c o l,a sw e l
16、 la st h eC A N L I Nb u sg a t e w a yf u n c t i o n T h ed a s h b o a r ds y s t e mh a sc e r t a i np r a c t i c a b i l i t y K e y w o r d s:C D C 3 2 0 7 G;C A N;L I N;S A EJ 19 3 9;T r u c kD i g i t a lI n s t r u m e n tI I I独创性声明本人声明,所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方
17、外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名E t 期:塑孑望州关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即学校有权保留、送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名:导师签武汉理工人学硕士学位论文第一章绪论1 1课题研究的目的和意义现代汽车广泛采用安全气囊、A B S(车辆防抱制动系统)、倒车雷
18、达、红外防撞等安全控制和防护系统,这些技术大大提高了行车安全,然而并不能消除因汽车突发故障、驾驶员疲劳和非正常行驶带来的安全隐患,同时也无法检测汽车的运行状态。传统的组合仪表只能显示车辆基本的运行参数,无法对这些参数进一步的监视以判断汽车的运行状态,也不能纪录和储存车辆的运行数据,一旦出现交通事故也无法科学的反映出责任方。因此有必要开发一种集车辆状态监视、故障诊断和黑匣子于一体的智能数字仪表,构成一个以微处理器为核心的组合式电子控制数字仪表组成的驾驶员信息系统,有利于更好的消除行车中的安全隐患,提高行驶的舒适性。随着我国汽车电子化的高速发展,汽车电子仪表及显示装置【2 3】作为汽车仪表系统的升
19、级换代产品的开发和应用,日益显得迫切。根据我国汽车工业“九五发展规划 以及世界汽车电子产品应用和发展趋势,我国规定的将重点发展的2 0 种汽车电子产品中就包括了汽车电子仪表及其显示装置。1 2 本课题有关的国内外研究现状分析1 2 1 汽车电子技术汽车电子技术是汽车技术与电子技术相结合的产物。它的发展归结为两方面:首先,是为了不断适应各个时期的社会背景,如能源危机、环境污染和高速公路网的发展等,满足人们对汽车使用性能的更高要求,如舒适性、安全性、操纵方便等。其次,是由于电子技术的发展给汽车电子技术的发展提供了必要的物质条件:电子技术产品质量轻,占用空间小,处理速度快,传感精确,信息容量大,发展
20、与应用前景十分广阔。图1 1 所示为汽车电子技术的形成与发展过程【8 1。武汉理工人学硕士学位论文汽车电子技术的形成与发展第一阶段第二阶段第三阶段车载收音机发电机硅整流器晶体管无触点点火燃油喷射控制电子时钟发动机电子管理自动变速系统制动防抱死系统巡航控制电子仪表群小气候控制动力传动总成控制车身电子控制系统综合信息显示系统在线故障诊断系统-0 i m-通讯和导航系统多路传输和智能电源图1 1汽车电子技术的形成与发展1 2 2 车载仪表的发展车载仪表的发展从工作原理取得的重大技术创新来分,可以划分为如下五个阶段:第l 代汽车仪表是基于机械作用力而制作的机械式仪表,人们习惯于称这类仪表为机械机心表;
21、第2 代汽车仪表的工作原理基于电测原理,即通过各类传感器将被测的非电量变换成电信号加以测量,通常称这类仪表为电气式仪表;、第3 代为模拟电路电子式仪表;第4 代为步进电动机式全数字汽车仪表;第5 代为充分应用光技术和机电一体化技术,并突出信息技术和网络技术的应用,通过计算机终端显示的数字化、智能化汽车仪表。我国的车载仪表目前主要属于模拟电路电子式仪表或者全数字汽车仪表。车载信息设备的开发起步较国外慢很多,且在功能设置、性价比、与交通大系统的兼容性以及与整车的匹配设计方面和国外产品存在明显差距。2武汉理工大学硕士学位论文在国外,将计算机系统与组合仪表和汽车监视系统共同构成一套功能齐全的驾驶员信息
22、系统是很普遍的事情,国内则刚刚出现此类型的产品。随着汽车电子系统复杂度的提高,8 位和1 6 位处理器已经不能满足现代汽车电子系统的要求。1 2 3 车载网络的发展自1 9 8 0 年起,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f 1 2】。汽车网络的使用解决了点对点式车身布线带来的问题,使车身布线趋于更规范化、标准化,降低了成本,增强了稳定性。迄今为止,已有B o s c h I 拘C A N、S A E 的J 18 5 0、I S O 的V A N、P h i l i p s 的D 2 B 和L 烈协会的L I N 等多种网络标准。为方便研究和设计使用,美国汽车工程师协会
23、(S A E)根据速率的不同,将车载网络划分为A、B、C 三类。类别对象位速率k b p s应用范围A面向传感器执行器1 1 0电动门窗、座椅调节、灯光照明控制器的低速网络等控制B面向独立模块间数据1 0 1 2 5电子车辆信息中心、故障诊断、共享的中速网络仪表显示、安全气囊等系统C面向高速、实时闭环1 2 5 1 0 0 0悬架控制、牵引控制、发动机控控制的多路传输网制、A B S 等系统1 2 3 1A 类网络标准表1 1 车载网络的划分从目前的发展和使用情况来看,如表1 2 所列,A 类网的主要总线是T T P A(T i m eT r i g g e r e dP r o t o-c
24、o l A)和L I N(L o c a lI n t e r c o n n e c tN e t w o r k)。总线名称用户主要使用场合备注U A R T(A L D L)G M多种场合J 下在淘汰S i n e b u sG MA u d i o应用于无限操纵车轮控制E&CG M娱乐媒体正在淘汰1 2 CR e n a u l tH V A C极少使用J 1 7 0 8 J 1 5 8 7 J 1 9T&B多种场合正逐步被淘汰2 2C C DC h r y s l e r传感器总线正逐步被淘汰A C PF o r d娱乐媒体正在淘汰B E A NT o y a t a控制车身控制武汉
25、理=人学硕士学位论文L I N许多公司智能执行器传由L I N 协会开发感器飞飞P 入T T T e c h智能传感器由维也纳理工大学丌发表1 2A 类网络的使用情况专T T P A 协议最初由维也纳工业大学制定,为时间触发类型的网络协议,主要应用于集成了智能变换器的实时现场总线。它具有标准的U A R T,能自动识别加入总线的主节点与从节点,节点在某段已知的时间内触发通信但不具备内部容错功能。L I N 是在1 9 9 9 年由欧洲汽车制造商A u d i、B M W、D a i m l e r C h r y s l e r、V o l v o、V o l k s w a g e n 和V
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