【導(dǎo)讀】隨著現(xiàn)代汽車的迅猛發(fā)展和電子技術(shù)的日新月異，汽車電子設(shè)備不斷增多，的提高、可靠性的增強、維修方便等設(shè)計要求。汽車網(wǎng)絡(luò)總線的出現(xiàn)為這一系列。問題提供了有效解決的方法。本文第一章簡要分析了汽車電子技術(shù)的現(xiàn)狀、研究背景和研究內(nèi)容。后將同類型的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進行比較并分析了所建議采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢。剖析了CAN總線嵌入式組合儀表的硬件實現(xiàn)原理。

　　

【正文】 校驗、位填充和報文格式檢查，使得未檢測出的出錯概率小于 11e? 。 通過故障界定， CAN 節(jié)點還有自動識別永久性故障和短暫干擾的能力。在處于連續(xù)干擾時， CAN 節(jié)點將處于關(guān)閉狀態(tài)。而且， CAN 中的節(jié)點可在不要求所有節(jié)點及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖蛴布那闆r下被連入 CAN 網(wǎng)絡(luò)中。 CAN 的通訊機制及幀結(jié)構(gòu) CAN 采用了 CSMA/CD 機制實現(xiàn)總線訪問， CSMA/CD 是載波偵聽多路訪問 /沖突檢測 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect)的縮寫。利用 CSMA 訪問總線，可對總線上信號進行檢測，只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，才允許發(fā)送。利用這種方法，可以允許多個節(jié)點掛接到同一網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)檢測到一個沖突位時，所有節(jié)點重新回到“監(jiān)聽”總線狀態(tài)，直到該沖突時間過后，才開始發(fā)送。在總線超載的情況下，這種技術(shù)可能會造成發(fā)送信號經(jīng)過許多延遲。 為了避免發(fā)送時延，可利用 CSMA/CD 方式訪問總線。當(dāng)總線上有兩個節(jié)點同時進行發(fā)送時，必須通過“非破壞性的逐位仲裁”方法來 使有最高優(yōu)先權(quán)的報文優(yōu)先發(fā)送。在 CAN 總線上發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個 11 位或 29 位數(shù)字的ID。 CAN 總線狀態(tài)取決于二進制數(shù)“ 0”而不是“ 1”，所以 ID 號越小，則該報文擁有越高的優(yōu)先權(quán)，因此一個為全“ 0”標(biāo)識符的報文具有總線的最上高級優(yōu)先權(quán)?？捎昧硗獾姆椒▉斫忉專涸谙_突的位置，第一個節(jié)點發(fā)送“ 0”而另外的節(jié)點天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)論文 20 發(fā)送“ l”，那么發(fā)送“ 0”的節(jié)點將取得總線的控制權(quán)，并且能夠成功的發(fā)送出它的信息。 圖 38 所示為 CAN 總線上的三個節(jié)點競爭總線的情況： 圖 38 CAN 總線非破壞性逐位仲裁過程示意圖 當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線空閑后，如果存在兩個以上的總線節(jié)點同時開始發(fā)送數(shù)據(jù)，可利用CSMA/CD 以及“非破壞性的逐位仲裁”方法來避免消息沖突。每個節(jié)點發(fā)送它的消息標(biāo)識符位，同時監(jiān)測總線電平。 從圖中可以看出，在標(biāo)識符的第 5 位處，節(jié)點 1 和節(jié)點 3 為顯性電平，而節(jié)點2 為隱性電平；根據(jù)“線與”機制，此時總線為“顯性”電平，節(jié)點 2 發(fā)送“隱性”電平卻檢測到“顯性”電平，于是節(jié)點 2 丟失總線仲裁，立刻變?yōu)椤爸宦牎蹦Ｊ?，并且開始發(fā)送隱性位；同理，在數(shù)據(jù)第 2 位處，節(jié)點 1 將丟失仲裁，變?yōu)椤爸宦牎蹦Ｊ?。通過這種方式，優(yōu) 先權(quán)高的節(jié)點 3 最終贏得總線仲裁并且開始發(fā)送數(shù)據(jù)。 CAN 總線中還采用多種抗干擾措施以減少消息幀在傳送過程中的出錯，位填充技術(shù)是其中很重要的一種。在 CAN 的消息幀中，幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場和 CRC 序列幀段均以位填充方法進行編碼。數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的其余位場 (CRC 界定符、 ACK 場和幀結(jié)束 )為固定形式，不進行位填充。當(dāng)發(fā)送器在發(fā)送位流中檢測到 5 個極性相同的連續(xù)位時，它在實際發(fā)送時，自動插入一個補碼位。如圖 39 所示： 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)論文 21 圖 39 CAN 總線位填充過程示意圖 值得一提的是，在圖 39 中，共有 3 個填充位，其中第 3 個填充位之前的 5 個連續(xù)的相同的極性位中包含有第 2 個填充位，可見在實施填充技術(shù)時，填充位也被當(dāng)成總線數(shù)據(jù)位處理。 CAN 有兩類消息幀，其本質(zhì)的不同在于 ID 的長度。圖 310 為 的消息幀格式，也就是 CAN 消息幀的標(biāo)準(zhǔn)格式，它有 11 位標(biāo)識符。基于 的網(wǎng)絡(luò)只能接收這種格式的消息。 圖 311 為 的消息幀格式，又叫擴展消息幀格式。它有 29 位標(biāo)識符，前 11 位與 消息幀的標(biāo)識符完全一樣，后 18 位專用于標(biāo)記 的消息幀。 CAN 的消息幀根據(jù)用途分為四種不同類型：數(shù)據(jù)幀用于傳送數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程幀用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)；錯誤幀用于標(biāo)識探測到的錯誤；超載幀用于延遲下個信息幀的發(fā)送。 數(shù)據(jù)幀 數(shù)據(jù)幀由 7 個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、 CRC 場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。其中數(shù)據(jù)場長度可為 0。下面對這些場的功能做簡要分析。 （ 1）幀起始 (SOF)：標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的開始，它僅由一個“顯性”位構(gòu)成，只有在總線處于空閑狀態(tài)時，才允許開始發(fā)送。所有站必須同步于首先開始發(fā)送的那個站的幀起始前沿。 （ 2）仲裁場：在標(biāo)準(zhǔn)格式中， 仲裁場由 11 位標(biāo)識符和 RTR 位組成；在擴展格式中，仲裁場由 29 位標(biāo)識符和 SRR 位、標(biāo)識位以及 RTR 位組成。 （ 3） RTR 位 (遠(yuǎn)程傳輸請求位 )：在數(shù)據(jù)幀中， RTR 位必須是“顯性”電平，而在遠(yuǎn)程幀中， RTR 位必須是“隱性”電平。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)論文 22 圖 310 CAN 的標(biāo)準(zhǔn)消息幀結(jié)構(gòu) 圖 311 CAN 的擴展消息幀結(jié)構(gòu) （ 4） SRR 位 (替代遠(yuǎn)程請求位 )：在擴展格式中始終為“隱性”位。 （ 5） IDE 位 (標(biāo)識符擴展位 )： IDE 位對于擴展格式屬于仲裁場；對于標(biāo)準(zhǔn)格式屬于控制場。 IDE 在標(biāo)準(zhǔn)格 式中為“顯性”電平，而在擴展格式中為“隱性”電平。 （ 6）控制場：由 6 位組成。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，一個信息幀中包括 DLC、發(fā)送“顯性”電平的 IDE 位和保留位 0R 。在擴展格式中，一個信息幀包括 DLC 和兩個保留位 1r 和 0r ，這兩個位必須發(fā)送“顯性”電平。 （ 7） DLC(數(shù)據(jù)長度碼 )：數(shù)據(jù)場的字節(jié)數(shù)目由數(shù)據(jù)長度碼給出。數(shù)據(jù)長度碼為4 位，在控制場中被發(fā)送。 （ 8）數(shù)據(jù)場：由數(shù)據(jù)幀中被發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，可包括 0 到 8 個字節(jié)。 （ 9） CRC 場：包括 CRC 序列和 CRC 界定符。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)論文 23 （ 10）應(yīng)答場：包括兩位，即應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符。在應(yīng)答場中發(fā)送站送出兩個“隱性”位。一個正確接收到有效報文的接收器，在應(yīng)答間隙期間，將此信息通過傳送一個“顯性”位報告給發(fā)送器。所有接收到匹配 CRC 序列的站，通過在應(yīng)答間隙內(nèi)把“顯性”位寫入發(fā)送器的“隱性”位來報告。應(yīng)答界定符是應(yīng)答場的第 二位，并且必須是“隱性”位。 （ 11）幀結(jié)束：每個數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由 7 個“隱性”位組成的標(biāo)志序列界定。遠(yuǎn)程幀接收數(shù)據(jù)的節(jié)點可以通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀要求源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。它由 6 個域組成：幀起始、仲裁場、控制場、 CRC 場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。它沒有數(shù)據(jù)場，其 RTR 位為“隱性”電平。 出錯幀 出錯幀由錯誤標(biāo)志和錯誤界定符兩個域組成。接收節(jié)點發(fā)現(xiàn)總線上的報文有錯誤時，將自動發(fā)出“活動錯誤標(biāo)志”，它是 6 個連續(xù)的“顯性”位。其他節(jié)點檢測到活動錯誤標(biāo)志后發(fā)送“錯誤認(rèn)可標(biāo)志”，它由 6 個連續(xù)的“隱性”位組成。由于各個接收節(jié) 點發(fā)現(xiàn)錯誤的時間可能不同，所以總線上實際的錯誤標(biāo)志可能由 6 到 12 個“顯性”位組成。錯誤界定符由 8 個“隱性”位組成。當(dāng)錯誤標(biāo)志發(fā)生后，每一個 CAN 節(jié)點監(jiān)視總線，直至檢測到一個“顯性”電平的跳變。此時表示所有的節(jié)點已經(jīng)完成了錯誤標(biāo)志的發(fā)送，并開始發(fā)送 8 個“隱性”電平的界定符。 超載幀 超載幀包括兩個位場：超載標(biāo)志和超載界定符。存在兩種導(dǎo)致發(fā)送超載標(biāo)志的超載條件類型：一個是要求延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的接收器的內(nèi)部條件；另一個是在間歇場的第一和第二位上檢測到“顯性”位。超載標(biāo)志由 6 個“顯性”位組成，超載界定 符由 8 個連續(xù)的“隱性”位組成。 CAN 的優(yōu)勢 和同類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進行比較， CAN 的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在： 高可靠性 由于采用了短幀結(jié)構(gòu)， CAN 具有很強的抗干擾能力。加之定義了完善的故障隔離機制和異常操作， CAN 具有很高的可靠性，使其十分適合在控制器網(wǎng)絡(luò)中使用。 可擴展性 由于采用了面向內(nèi)容的標(biāo)識符定義，且采用多主模式通訊， CAN中的節(jié)點可在不要求所有節(jié)點及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖蛴布那闆r下被連入CAN 網(wǎng)絡(luò)中。 由于具有這些優(yōu)勢， CAN 在汽車網(wǎng)絡(luò)中得到了越來越多的應(yīng)用，但 是由于節(jié)點成本因素以及 CAN 的技術(shù)特點，并不是汽車網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點都適合于用 CAN 來連接。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)論文 24 MOST 總線 MOST 的技術(shù)特點 設(shè)計 MOST 總線的動機源至對于低成本、高速、點到點式的多媒體網(wǎng)絡(luò)的需求，這樣一種網(wǎng)絡(luò)中將不需要使用類似電子計算機的智能模塊來進行集中的控制，這種架構(gòu)成本低、靈活而且更符合未來的發(fā)展趨勢。在這種環(huán)境中需要一個最為重要的網(wǎng)絡(luò)特性就是即插即用功能，即節(jié)點可以在不影響網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點的情況下進行連接和斷開。 MOST 的設(shè)計始終是基于光纖通信來進行考慮的。在 MOST 總線上可以傳 輸?shù)男盘柊ㄒ纛l、視頻、電話信號以及數(shù)據(jù)處理和控制信號。 MOST 總線是一種基于同步數(shù)據(jù)通信的通用、高性能以及成本低廉的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，特別適合于 CD 品質(zhì)的聲音信號傳輸、環(huán)繞音頻信號傳輸和高質(zhì)量的視頻信號等實時應(yīng)用，它也支持網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間控制數(shù)據(jù)和突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸。它可以在單主或多主通信環(huán)境下支持直到 64 個節(jié)點的通信，每個節(jié)點都能即插即用。 MOST 的參考模型 MOST 的實現(xiàn)框架，它主要由以下各部分組成： 應(yīng)用層服務(wù) 應(yīng)用層提供了構(gòu)造一個應(yīng)用需要的各種功能，其中有的功能是強制的，必須在所有 的應(yīng)用中實現(xiàn)，有些則取決于具體的應(yīng)用，是可選的。應(yīng)用層服務(wù)和基本層服務(wù)一起構(gòu)成一個“基本設(shè)備”，提供了所有 MOST 設(shè)備需要的基本功能。 基本層服務(wù) 基本層服務(wù)提供了合適的訪問低層系統(tǒng)服務(wù)的方式。 低層系統(tǒng)服務(wù) 提供和物理層密切相關(guān)的服務(wù)功能。 流服務(wù) 為實源數(shù)據(jù)提供傳輸服務(wù)，這允許了在應(yīng)用中特定的部分實現(xiàn)對流數(shù)據(jù)處理。 MOST 的主要特點 使用光纖做通訊媒質(zhì) MOST 是用塑料光纖作為媒質(zhì)，傳輸速率可達，可支持最多 15 路未經(jīng)壓縮的 CD 品質(zhì)的音頻 /視 頻信號（取決于 MPEG2的具體實現(xiàn)方式），除了這些同步源數(shù)據(jù)外， MOST 還為控制，通訊和異步應(yīng)用保留了部分帶寬。 帶旁路模式的環(huán)形拓?fù)? MOST 要求在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)一個物理環(huán)路和一個邏輯環(huán)路。網(wǎng)絡(luò)上的第 N 個設(shè)備通過輸入端口從 N1 個設(shè)備收到信號，并將收到的信號在它的輸出端口發(fā)送到第 N+1 個設(shè)備。如圖 312 所示： 傳統(tǒng)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)存在一個固有的問題：因為傳遞中斷而導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)無法工作。 MOST 環(huán)上一個節(jié)點出問題，就會通過在每個節(jié)點上實現(xiàn)即使掉電時也可工作的“旁路模式” (Bypass Mode)解決 了這一問題。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)論文 25 圖 312 MOST 的環(huán)狀拓?fù)? 使用同步方式，無需緩存 在 MOST 網(wǎng)絡(luò)中，多媒體信號都是同步傳輸?shù)?，這就意味著 MOST 網(wǎng)絡(luò)支持即使是最簡單的多媒體設(shè)備。如它支持麥克風(fēng)之類的模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器和音箱之類的數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換器，這類設(shè)備內(nèi)部一般都沒有緩存機構(gòu)。不需要使用緩存機構(gòu)是 MOST 網(wǎng)絡(luò)一個最為重要的特性。 電路交換 MOST 使用的是一種電路交換技術(shù)，提供了兩個部件之間的直接連接，這和早期的電話網(wǎng)比較類似。其優(yōu)點是整體的數(shù)據(jù)吞吐效率高，實現(xiàn)簡單，而其缺點 則是無法提供對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?，錯誤檢測、流控制都必須由用戶在應(yīng)用層完成。 MOST 通訊機制和幀結(jié)構(gòu) MOST 采用的是一種點到點的通訊方式，通過建立兩個部件之間的直接連接來實現(xiàn)通訊，同時 MOST 也提供了對廣播方式的支持，由于 MOST 網(wǎng)絡(luò)上的信息是通過每個部件以“接力”的方式進行傳輸?shù)?，可以很容易地在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)廣播。為了提供網(wǎng)絡(luò)管理功能以及處理控制信息， MOST 中定義了數(shù)據(jù)塊 (block)的概念，每個數(shù)據(jù)塊是由 16 個幀組成，塊和幀的組成方式如圖 313 所示。 需要特別說明的是，為了同時提供對同步傳輸 和異步傳輸?shù)闹С郑?MOST 幀中分出了專門用于同步通訊的時隙 (slot)和專門用于異步通訊的時隙。其比例可以配置。在 64 字節(jié)的數(shù)據(jù)幀中， 2 個字節(jié)用于管理信息， 2 個用于幀控制，剩下的 60個字節(jié)以 4 個為一個單位進行劃分，最多達 36 個字節(jié)可用于異步數(shù)據(jù) (24 字節(jié)為同步 )。對應(yīng)地， 60 個字節(jié)也可以全部為同步數(shù)據(jù)，所以， MOST 采用的是一種可調(diào)節(jié)的帶寬分配方式，同步數(shù)據(jù)最多可占用 94%的帶寬，異步數(shù)據(jù)最多 可占用 56%的帶寬。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)論文 26 圖 313 MOST 的塊和幀結(jié)構(gòu) MOST 的優(yōu)勢 和選擇 CAN 和 LIN 不一樣的， MOST 并不是同類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中性能最為突出的一個，但 MOST 有自身的優(yōu)勢： 成本適中，帶寬能夠滿足要求 對于一般的車載媒體己經(jīng)足夠使用，當(dāng)然對于高速多媒體信息源如 DVD 而言，仍稍嫌不夠，然而根