汽车CAN总线通信网络可视化仿真和监控系统设计

汽车CAN总线通信网络可视化仿真和监控系统设计摘要：CAN总线已经成为当今最成功的车载网络标准，被广泛应用于现代汽车控制中，但由于汽车应用环境的复杂性，CAN协议车载网络的安全(容错)性、实时性、可靠性以及带宽资源利用能力至今仍未能满足实际要求与发展需要。本课题就是在该背景之下深入研究了CAN总线通信协议，同时在VC++6.0环境下开发了CAN总线通信协议的可视化操作试验平台。该平台能够对CAN总线通信仿真，同时能够实时的监控实际车型的CAN总线通信系统。此外，仿真平台开放了CAN总线上层应用层协议的制定，能够按照用户的需求，在基于CAN总线通信原则和通信数据格式的条件下来制定应用层协议。此外，考虑到CAN总线通信数据多，速度快的特点，设计了数据库，能够实时的存储通信数据。关键词：CAN总线，VC++6.0，通信网络第一章绪论1.1研究背景CAN总线是种类众多的现场总线的一种，它不但属于一个开放通信网络，同时也可以看做一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系桥梁，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备相互连接，最终形成一个庞大的网络系统，同时更进一步构建自动化系统，用来达到都基本控制、补偿计算、参数修改、报警、监控、优化及控管一体化的综合的目的[1][2][3][4]。其规模属于局域网、总线型结构，简单但能满足工业控制的需要。CAN总线传输的信息帧短小，可靠性高[3][6]。目前，高速发展的CAN总线已经形成了国际标准，被国际上众多专家认为几种最有前途的现场总线之一[5][6][7][9][11]。汽车电子装置更新速度如此之快，通信方式也由原来的点对点变为网络化，这就要求建立一个完整的测试平台，对其复杂功能和参数进行测试，确保电子设备正常工作。CAN现场总线由于其各方面的优越性能，可以有效保证这些要求。CAN总线整体性能虽然优于其它总线，但在网络负载较高情况下低优先级信息帧的发送时延过长甚至无法发送，不仅影响整个通信网络的实时性，在严重的情况下甚至会发生不可预料的事故。在比较复杂的环境下（如高温、电磁干扰），都会对嵌有CAN装置设备的可靠性产生一定影响。1.2研究意义本问的目的是希望开发出一套基于CAN总线通信的可视化监控及仿真的试验平台。该可视化仿真平台能够模拟CAN总线通信的基本原理和方法，有些部分甚至能够独立运行，同时可以让用户按照CAI总线通信的标准制订客户的应用层协议来观察其通信得质量。此外，通过所设计之后的硬件接口和实车系统进行连接，监控试验平台能够对其进行测试及监控，进而得到真车通信系统上层通信协议格式，随后深入分析该格式的优势。此外，平台能够对通信数据进行显示、统计、处理以及分析。经过了上述的仿真和监控，帮助我们研究一些国外先进车型的CAN总线技术特长和优点。1.3国内外研究现状CAN总线自诞生之初，中间历经了上世纪90年代的飞速发展[1-3]，已经制定了在世界范围内被广泛接受的ISO国际标准(IS011898)以及CAN技术规范(CAN2.0)。根据国际CAN用户和制造商非营利组织CiA(CANinAutomation)于上世纪90年代初的统计:在1998年CAN节点销售量已经达到9700万个，其中80%安装在欧洲，在这些CAN节点中80%应用在汽车工业，剩下20%则应用于工业控制系统和嵌入式网络，如监测系统、工业控制系统以及机器人控制系统等。令人注意的是CAN总线也应用在欧洲高能物理项目CERN之中。在21世纪之初，CAN总线技术发展迅速，在除了继续应用于传统的汽车应用领域，更开始逐渐应用在其他新的领域，如:航空航天、医疗器械、自动化控制、航海和国防军事等多种领域。经历了多年的发展，CAN总线已经被全世界多家权威研究机构和大型公司认为是今后最有前途的现场总线之一。我国科技创新的突飞猛和进经济的高速发展，CAN总线作为我国新兴的科学技术手段，必将会在我国工业、农业以及生活等众多领域发挥出巨大的作用和潜力，为推动我国的现代化建设做出应有的贡献。现在，国际上流行的总线主要有如下几种：基金会现场总线、ProfiBus、ControlNet和CAN总线等。虽然都是总线，不过每一种总线技术所具有的特点都有着不同，而他们主要的应用的领域也都没有重叠与交叉。(1)基金会现场总线(FoundationFieldbus)国际著名的现场总线基金会[22]是被国际多家研究机构和知名公司所认可的唯一一个既不附属与某厂家，同时还是非商业化的国际标准化组织。它的前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首联合了ABB、横河、Foxboro等80家公司一起制定的ISP协议。基金会现场总线选择了ISO的开放互联系统OSI的简化模型（1、2、7层），即数据链路层、物理层、用户层和应用层。信号的发射方式是由无线和光纤来发射，且传输的协议协议符合流行的IEC1158-2标准。FF的传输信号采用曼彻斯特编码，每段最多允许240个节点，段数目最多可达65000个，最大允许报文可达128个比特组。(2)ProfibusProfiBus有着比较强烈的地域特性，是以欧洲用户和厂家为主而研发的特殊领域的现场总线系统。它是建立在德国标准(DIN19245)以及欧洲标准(EN50170)基础上的现场总线标准[27]。ProfiBus是一种多主多从的令牌网络，目前它可提供三种模式，Profibus是由Profisbus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA系列组成。一般可以用在过程自动化方面，由于是属于低速总线，因此它可以提供总线供电以及本质安全。网络中由耦合器连接和耦合两个相异的网段，耦合器还可发挥出防爆和供电的作用。德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准[28][29]，用于物料输送机械、大型装配和过程控制，并由ProfiBus.DP，ProfiBus.FMS，ProfiBus.PA组成了ProfiBus系列。Profisbus-DP型一般会用来分散的外部设备之间高速的数据的传输，非常适于自动化加工领域等方面的应用。Profibus-FMS多数都会用在一般的自动化控制，因其支持多主处理，因此非常适用于纺织领域，同时在低压开关、可编程控制器和楼宇自动化等也有着许多的应用。ProfiBus支持多主多从式混合系统、纯主站式系统、主从式系统等几种传输的方式。ProfiBus的传输速率一般在9.6k~12Mbit/s左右，其最大传输距离在9.6kbit/s的条件下为1200m，在12Mbit/s的条件下为200m。也支持使用中继器延长至10km，以光缆或双绞线做为传输介质，可允许的最多连接数为127个站点。(3)DeviceNetDeviceNet是一种低成本的通信连接，也是一种简单的网络解决方案。有着开放的网络标准。DeviceNet是具有的直接互连性，不仅改善了设备间的通信，也提供了非常重要的设备间的功能。基于CAN技术，DeivceNet的传输速率达到了125~500kbit/s，每一个网络最大的节点数是64。DeivceNet的通信方式为：客户/生产者(Consumer/Porducer)，选择的是信息发送多信道广播的方法。在目前，现场总线在中国等一些发展中国家以及欧美等发达国家发展非常迅速，而且已经成功应用在很多领域，在全球很多地区，有许多的大专院校以及研究机构都在利用拥有的资源以及他们本身所学的知识，想尽办法来帮助那些普通用户加深对现场总线技术的认识和理解[27-33]。国内外的很多仪表制造商，都把对现场总线技术的发展以及产品作为重点来研究，这种策略是基于他们目前对国际时尚的需求和现场技术的发展趋势，是非常有远见的。在国内的汽车行业中，如上海帕萨特B5、国产一汽宝来(BORA)、一汽奥迪A6等很多汽车厂商都开始使用CAN总线系统。不仅在汽车业，CAN总线系统也已成功应用在如火车、船舶、煤矿等其他几种交通工具中。煤炭科学研究总院抚顺分院曾经将CAN总线运用到了KJF-1型煤矿火灾监控系统中[34][35]。由于KJF-1型煤矿火灾监控系统使用了CAN总线，不仅节点间实现了直接数据通讯，具备了无主通讯功能，而且通讯速率也远大于原有的监控系统。CAN总线所独有的诸多优势，使CAN成为串行总线的领头羊，早在上世纪1999年，6千万个CAN控制器就已经在各个领域中表现颇为出色，显示出了很好的前景，2000年，超过1亿个CAN器件已经开始大规模销售。现如今，CAN总线已经开始应用在一些过去被认为根本不会被使用的领域，比如家庭消费需要CAN总线的实时监控以及娱乐方便等，而在一些涉密单位，更加需要一些结合更高层协议应用的特殊保全系统，它们不同于早先简单的安保系统，这样就要釆用有着更高性能的CAN总线。目前已经有一些基于CAN的保安系统经通过了权威认证，权威机构包括了TUV（德国安全标准权威）以及BIA（即德国专业委员），这足以说明CAN总线的优越性。在全球范围内Open-SafetyCAN解决方案有幸获得了他们的第一个许可认证。在此之后，很多其他方案开始逐步扩大CAN的应用范围。比如DeviceNet-Safety[36][42][43]，不仅要CAN应用在陆地上，更要向海空方面进行发展。全球分级协会的领导正在设计方案要在海事运输中实现CANopen固件的使用。总的说来，CAN总线有着很强大的发展潜力、市场前景和生命力。作为在国内外正处于发展鼎盛时期的技术手段，其技术应用水平在近十几年中以极高的速度在发展，带动了我国工业控制的自动化水平。在现代工业技术的发展和我国经济改革不断深入的背景下，在巨大的全球市场中，CAN总线必然以其独特之处而得到更加广泛的应用。第二章CAN总线技术原理及特点2.1现场总线的原理CAN是一个多主的总线网络，网络上的各节点都有权向其它的节点发送信息，通信介质可以是光纤、同轴电缆或双绞线，其主要的特点为:通信速率/距离为5kbps/10km～1Mbps/40m，网络的节点数可以达到110个，每以个节点都可以主动的进行传输，通信介质可以是光纤、同轴电缆或双绞线;采取点对点、全局广播发送接受数据;可以实现全分布式的多机系统，并且没有主从机之分，每点都可以主动发送报文，能够方便地构成多机备份系统;使用了非破坏性总线优先级仲裁技术时，在两个节点同时向网上发送信息的时候，优先级低的那些节点将会主动的停止发送数据;支持4种报文帧即远程帧、数据帧、超载帧、出错帧，选择了短帧结构，受干扰概率低、传送时间短;选择了CRC校验及其他校验措施，可以达到极低的信息出错率;具备了自动关闭的功能，当节点错误严重时，自动切断与总线的联系，以不影响系统的工作。2.2现场总线的特点现场总线是连接智能现场设备和其他自动化系统的双向全数字的多站通信系统，也就是说，即现场总线的网络节点是具有数字化与智能化特征的控制设备与监测系统，这些以分散的设备通过总线与系统相连接实现双向的信息交互，共同协作完成自动控制，网络管理和分级管理。现场总线技术为现场控制设备和高级控制或应用系统之间的信息交互提供了必备的通讯网络，解决了工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行部件等现场设备间的数字通信问题[2]。现场总线技术的主要应用领域包括：机械制造业、交通运输业、冶金制造业与能源行业等。现场总线系统的技术基础是测量控制仪表具备数字计算和数字通讯能力[3]。伴随着微电子技术与集成电路技术的发展，现在数字测量控制仪表都具有专用的微处理器与通讯接口，多个测量控制仪表之间采用双绞线作为总线，进行简单连接后即可形成基本的网络系统。系统内部的各组成单元按照规范公开的通信协议进行数字通信，初步形成了适合现场环境与监控领域的自动化网络控制系统，通过现场总线控制中心系统对位于现场的数字测量控制仪表设备之间进行远程控制。现场总线系统在技术上具有以下特点：(1)功能的自治性自治性是指现场设备可在脱离控制设备或控制系统的情况下，独自完成基本的自动控制功能，由于设备自身具有一定的计算能力，所以能够将传感信息进行自动采集并进行补偿计算，通过总线通信接口将工程信息以数字信