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        CAN/LIN網(wǎng)絡通信技術在獵豹CS10應用

        2017-08-24 00:58:27林元新謝有浩
        汽車電器 2017年7期
        關鍵詞:標識符獵豹網(wǎng)絡管理

        林元新,謝有浩

        (安徽獵豹汽車有限公司,安徽 滁州 239064)

        CAN/LIN網(wǎng)絡通信技術在獵豹CS10應用

        林元新,謝有浩

        (安徽獵豹汽車有限公司,安徽 滁州 239064)

        簡述汽車網(wǎng)絡CAN/LIN總線技術要點,介紹應用層協(xié)議、規(guī)范、開發(fā)工具;分析具體車型CAN/LIN網(wǎng)絡通信技術的應用,CAN/LIN具體報文解析。

        CAN總線;LIN總線;應用層協(xié)議;總線開發(fā)工具;CAN、LIN報文;報文解析

        目前,網(wǎng)絡通信在車輛上應用逐漸普及,早期只有中高端轎車上才使用的CAN總線、LIN總線技術,已經(jīng)成為乘用車的標準配置。自主車型的電氣系統(tǒng)設計和系統(tǒng)測試與合資公司的差距也越來越小,其設計開發(fā)過程也逐漸與國際接軌。CAN、LIN、OSEK、UDS等網(wǎng)絡通信技術的應用提升了汽車產(chǎn)品的配置靈活性和品牌競爭力。同時,相對早期“硬線”電氣系統(tǒng),其開發(fā)和維護的復雜程度有較大提升,對電氣系統(tǒng)的設計、測試、驗證提出了更高要求。

        本文以獵豹CS10為參考車型,簡要介紹網(wǎng)絡通信技術的CAN/LIN總線技術要點、應用層協(xié)議、規(guī)范和汽車網(wǎng)絡應用中涉及的設計、開發(fā)、測試,并進行報文實例分析。

        1 定義

        1)CAN總線 CAN全稱為控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network),是一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡。其協(xié)議也發(fā)展為重要的國際標準(ISO11898、ISO11519 )。

        2)LIN總線 LIN全稱為本地互聯(lián)網(wǎng)絡(Local Interconnect Network),是一種低成本的串行通信網(wǎng)絡,用于汽車電子系統(tǒng)的分布式控制。目標是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(如CAN總線)提供輔助功能。LIN聯(lián)盟逐步將LIN總線推廣到ISO國際標準(ISO 17987)。

        3)OSEK規(guī)范 OSEK全稱為汽車電子開放式系統(tǒng)及其接口(Open Systems and their Interfaces for the Electronics in Motor Vehicles)。OSEK規(guī)范主要由4部分組成:通信規(guī)范(OSEK Communication,OSEK COM) ;網(wǎng)絡管理規(guī)范( OSEK Net Management,OSEK NM);操作系統(tǒng)規(guī)范(OSEK Operating System,OSEK OS)和OSEK實現(xiàn)語言(OSEK Implementation Language,OIL)。隨著該規(guī)范應用的不斷深入,其結(jié)構(gòu)和功能不斷完善和優(yōu)化,版本也不斷升級和擴展,并提交ISO審議。

        4)UDS UDS全稱為統(tǒng)一診斷服務(Unified diagnostic services),UDS與OBD最大的區(qū)別就在于“Unified”上,UDS是面向整車所有車載ECU,而OBD是面向排放相關ECU。UDS是一個應用層協(xié)議(ISO 14229系列),它可以在CAN線上實現(xiàn),也可以在Ethernet上實現(xiàn)。基于UDS協(xié)議的診斷又被稱為增強型診斷 (Enhanced diagnostic),UDS沒有統(tǒng)一實現(xiàn)標準,不是法規(guī)要求的,其優(yōu)勢在于方便生產(chǎn)線檢測設備的開發(fā),同時更大地方便了車聯(lián)網(wǎng)功能實現(xiàn)和售后維修保養(yǎng)。

        5)CANoe相關 汽車總線開發(fā)工具和嵌入式源代碼提供商Vector,為汽車總線網(wǎng)絡的設計、建模、仿真、分析、測試和ECU開發(fā)、測試、標定和診斷等領域提供一系列強有力的軟硬件工具和源代碼。具體包括用于CAN/LIN網(wǎng)絡系統(tǒng)和控制單元仿真和測試的工具CANoe;記錄、評價CAN總線信號電平的工具CANscope;CAN總線干擾生成工具CANstress;CAN總線數(shù)據(jù)記錄器CANlog;測試和標定軟件工具CANape;總線分析工具CANalyzer。這些工具被OEM和供應商的網(wǎng)絡設計工程師、開發(fā)工程師和測試工程師所廣泛使用。

        2 獵豹CS10網(wǎng)絡通信的具體實現(xiàn)和主要特點

        采用德國Vector公司的CANoe(CAN Open Environment)、CANscope等專業(yè)工具進行設計和開發(fā),開發(fā)劃為3個階段:①功能建模和仿真;②系統(tǒng)部分的實現(xiàn);③整個系統(tǒng)的集成。用CANoe建立仿真模型,在仿真模型基礎上進行ECU的功能評估。綜合使用這些專業(yè)工具對CAN網(wǎng)絡通信的正確性、可靠性、合理性進行多角度全方位的評估;定位故障、解決CAN和LIN總線應用的各種問題,確保各項性能指標符合設計要求。

        CAN、LIN總線主要性能指標包括:網(wǎng)絡負載率、吞吐量、平均信息時延、通信沖突率、網(wǎng)絡利用率、網(wǎng)絡效率、負載完成率、總線電阻、總線波形。CS10網(wǎng)絡拓撲如圖1所示。

        圖1 CAN、LIN網(wǎng)絡拓撲

        2.1 網(wǎng)絡技術應用

        2.1.1 CAN總線

        CAN總線采用11位標準ID,通信速率為500 kb/s,動力系統(tǒng)和車身控制系統(tǒng)共用總線,沒有采用網(wǎng)關。支持應用層協(xié)議和規(guī)范有:①OSEK網(wǎng)絡管理規(guī)范的直接網(wǎng)絡管理;②UDS用于車輛投放市場后的診斷,可通過UDS讀取診斷信息、進行系統(tǒng)升級;③CCP用于開發(fā)階段的控制參數(shù)標定。

        圖2為CAN總線標準幀報文,實際上還有以下5種報文,用于滿足特定的信息傳輸需求,如:①數(shù)據(jù)幀:發(fā)送節(jié)點向接收節(jié)點傳送數(shù)據(jù)的幀;②遠程幀:請求發(fā)送具有同一識別符的數(shù)據(jù)幀;③錯誤幀:節(jié)點檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀;④過載幀:在先行和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀(或遠程幀)之間提供一附加的延時;⑤幀間隔:將數(shù)據(jù)幀及遠程幀與前面的幀分離開來的幀。

        圖2 CAN標準幀報文圖解

        2.1.2 LIN總線

        LIN總線通信采用LIN 2.1協(xié)議,通信速率為:19 200 b/s,一共3條總線:BCM、RLS、SunRoof一路;PEPS、ESCL一路;PEPS與IMMO基站一路。

        CAN、LIN網(wǎng)絡拓撲如圖1所示。其中BCM、RLS、SunRoof三節(jié)點組成LIN網(wǎng)絡:所有報文的頭部由BCM發(fā)出,BCM任務是主任務,也就是總線行為由BCM調(diào)度,不同ID的響應部分由對應節(jié)點的從任務發(fā)出。LIN總線通信過程如圖3所示。

        圖3 LIN總線報頭和響應圖解

        BCM、RLS、SunRoof的LIN總線標準幀報文格式如圖4所示??偩€包含以下6種報文滿足特定的信息傳輸需要:①無條件幀(Unconditional frame):主任務發(fā)出報頭,一個任務響應,一個或多個任務接收;②事件觸發(fā)幀(Event triggered frame):增強LIN總線的響應能力,避免為了很少發(fā)生的事件而對節(jié)點進行輪詢,從而浪費了大量的帶寬;③零星幀(Sporadic frame):共用一個時間隙,在需要時由主任務發(fā)送報頭和響應;④診斷幀(Diagnostic frame):用來傳輸診斷或配置信息;⑤用戶自定義幀(User-defined frame):可以傳輸任何信息,由用戶自己定義;⑥保留幀(Reserved frame):標識符為63(0x3f)的特定幀。

        圖4 LIN總線報文圖解

        BCM、RLS、SunRoof節(jié)點構(gòu)成的LIN總線報文見表1。

        表1 LIN總線報文

        其中保護的標識符(Protect ID)由標識符(ID)和奇偶校驗符(Parity)組成,保護的標識符與標識符對應關系見表2。

        表2 保護的標識符與標識符對應關系

        2.1.3 自定義串行通信

        自定義串行通信是基于標準12 V電平的單線異步通信,通信波特率為2 400 b/s。用于玻璃升降器主副窗開關之間交互信息使用。自定義串行通信拓撲見圖5。左前門開關為主機,右前門開關、左后門開關、右后門開關均為從機。數(shù)據(jù)由主機發(fā)出,所有從機監(jiān)聽總線狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)。實現(xiàn)休眠和喚醒。

        圖5 自定義串行通信拓撲圖

        2.2 整車喚醒、休眠機制

        當點火開關IG OFF時,一項功能要求總線上的節(jié)點與另一個節(jié)點通信,此時該網(wǎng)段上的所有節(jié)點將被喚醒。如果跨網(wǎng)段,還需要喚醒所有網(wǎng)段上的相關節(jié)點,但是不相關節(jié)點因此也進入非低功耗狀態(tài),這會造成不必要的功耗。例如:為了保證車輛安全,點火鑰匙斷開時,還需要一段時間的總線通信,通常為幾分鐘到幾十分鐘。在這段時間內(nèi),因為某些節(jié)點的通信需求,網(wǎng)絡上不相關節(jié)點也進入喚醒狀態(tài),增加電池電量消耗,從而影響汽車的下一次起動對電量的需求。

        獵豹CS10采用OSEK 網(wǎng)絡管理系統(tǒng)(OSEKNM)、硬線休眠喚醒和延時休眠喚醒結(jié)合方式,很好地解決了這個問題。

        2.2.1 硬線休眠

        通過喚醒信號線,BCM實現(xiàn)對ABS、IPC、SCLM、LFDM休眠喚醒控制,當此信號線為高平時喚醒相應的節(jié)點控制器。硬線休眠拓撲圖如圖6所示。

        圖6 硬線休眠喚醒拓撲圖

        2.2.2 延時休眠

        EPB在點火鑰匙斷開10 min后進入休眠。休眠后不發(fā)報文,總線報文也不喚醒此節(jié)點。

        2.2.3 OSEK網(wǎng)絡管理

        CAN、LIN總線拓撲圖見圖1。參與OSEK網(wǎng)絡管理的節(jié)點有:BCM、 PEPS,通過CAN總線發(fā)送特定報文,交互信息,協(xié)調(diào)各節(jié)點實現(xiàn)狀態(tài)切換。

        1)特定報文 ①Ring報文:邏輯環(huán)報文。在穩(wěn)定的邏輯環(huán)中,節(jié)點用于傳遞狀態(tài)信息的網(wǎng)絡管理報文。②Alive報文:網(wǎng)段中的節(jié)點完成初始化或被跳過后,發(fā)送此報文,用于表明新的節(jié)點加入到邏輯環(huán)中。③LimpHome報文:接收錯誤計數(shù)器或發(fā)送錯誤計數(shù)器超過閾值的節(jié)點周期性發(fā)送此報文。

        2)CAN休眠報文解析 OSEK網(wǎng)絡管理報文ID的高字節(jié)為固定值0x04,低字節(jié)為發(fā)送方地址編碼(0x0a為BCM,0x12為PEPS),報文數(shù)據(jù)的高字節(jié)為目標地址,低字節(jié)為表明報文類型、節(jié)點狀態(tài)等信息。CAN總線休眠報文見表3。

        表3 CAN總線休眠報文

        2.2.4 LIN睡眠和喚醒

        主節(jié)點發(fā)送ID為0x3C,第1字節(jié)為0x00的零星幀,使處于工作狀態(tài)的從節(jié)點進入睡眠。

        當總線空閑4~10 s,所有從節(jié)點必須進入睡眠。

        LIN喚醒(Wake Up):處于睡眠狀態(tài)的LIN網(wǎng)絡中,任何一個節(jié)點都可以發(fā)送喚醒信號,LIN2.1規(guī)定的喚醒信號為0xF0。LIN網(wǎng)絡管理狀態(tài)切換如圖7所示。

        圖7 LIN網(wǎng)絡管理狀態(tài)切換圖解

        圖8 UDS診斷服務請求和響應圖解

        2.3 UDS統(tǒng)一診斷服務

        通過OBD口連接專用通信設備可以實現(xiàn):故障診斷、讀寫VIN、防盜匹配、齒訊學習、標定學習、程序更新、真空加注等功能。如圖8所示,一個診斷儀和一個ECU通信的方式是直接通信。由診斷儀發(fā)出診斷請求,該請求包含一個服務的I D,診斷服務標識符縮寫為SID。一旦ECU接收到之后,對該請求進行處理,處理之后回SID+40作為一個肯定響應;如果沒有處理,則回一個7F。7F為否定響應的標識符,7F、請求服務標識符SID和錯誤代碼NRC構(gòu)成一個完整的否定響應回復。

        3 報文解析

        1)EMS故障碼報文解析(表4)

        表4 EMS故障碼報文解析

        2) 坡道起步輔助(HAS)傳感器標定報文解析(表5)

        表5 坡道起步輔助(HAS)傳感器標定報文解析

        4 結(jié)束語

        通過CAN、LIN總線技術的應用,獵豹CS10經(jīng)過驗證,不斷完善并逐步成熟。軟硬件平臺化、完整的架構(gòu)、合理的開發(fā)流程、科學的測試驗證手段,通過技術沉淀,可以快速移植到相關車型的開發(fā)。目前,以此平臺化設計的車型還包括獵豹Q6AT車型、獵豹CS9系列車型,這種平臺化模式不但縮短開發(fā)周期,各項性能也得到了有效保障。

        [1] CANoe7.2用戶手冊CANone_Manual_En[Z].

        [2] LIN Specification Package Revision 2.1[Z].

        [3] OSEK/VDX Opearating System Specification 2.2.3[Z].

        [4] OSEK/VDX NM Concept & API 2.5.2[Z].

        [5] ISO 11898-1:2003(E)[S].

        [6] ISO 11898-2:2003(E)[S].

        (編輯 楊 景)

        Application of CAN/LIN Network Communication Technology in LIEBAO CS10

        LIN Yuan-xin, XIE You-hao
        (Anhui Leopaard Motor Co., Ltd., Chuzhou 239064, China)

        This article briefly introduces technical points of CAN/LIN bus of the automotive network, application layer protocol, its specification and development tools. Specific models of CAN/LIN network communication technology application are analyzed, as well as CAN/LIN message parsing.

        CAN bus;LIN bus;application layer protocol;bus development tools;CAN, LIN message;message parsing

        U463.6

        B

        1003-8639(2017)07-0022-04

        2017-02-01

        林元新(1974-),男,汽車設計工程師,主要從事汽車電器設計和測試工作。

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