摘 要：網(wǎng)絡(luò)控制是客車(chē)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。客車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)系統(tǒng)層與節(jié)點(diǎn)層的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究，以助于提高網(wǎng)絡(luò)控制的性能。文中對(duì)控制其局域網(wǎng)CAN的相關(guān)概念，如CAN協(xié)議、幀格式、CAN控制器操作模式等進(jìn)行辨析;對(duì)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的幀格式選取、標(biāo)識(shí)符分配、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與實(shí)時(shí)性等進(jìn)行了研究，并提供了一般分析方法與原則;對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)中的通信器件與傳輸介質(zhì)選取進(jìn)行了分析，并探討了控制策略在軟件設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：客車(chē);CAN;網(wǎng)絡(luò)控制 1 相關(guān)概念辨析 　　1.1 CAN1.2與CAN2.0 　　CAN1.2與CAN2.0[1]是CAN技術(shù)規(guī)范的兩個(gè)不同的版本，CAN2.0兼容CAN1.2。 　　1.2 CAN2.0A與CAN2.0B 　　CAN2.0包括A部分和B部分，即CAN2.0A與CAN2.0B。其中，CAN2.0A是按CAN1.2規(guī)范定義的CAN報(bào)文格式的說(shuō)明，規(guī)定CAN控制器必須有一個(gè)11位的標(biāo)識(shí)符;CAN2.0B是對(duì)CAN報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的說(shuō)明，CAN控制器的標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度可以是11位或29位。遵循CAN2.0B協(xié)議的CAN控制器可以發(fā)送和接收11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀或29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。如果禁止CAN2.0B，則CAN 控制器只能發(fā)送和接收11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀，而忽略擴(kuò)展格式的報(bào)文結(jié)構(gòu)，但不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 　　1.3 標(biāo)準(zhǔn)幀與擴(kuò)展幀 　　CAN2.0B有兩種不同的幀格式，不同之處為仲裁域的長(zhǎng)度不同：具有11 位標(biāo)識(shí)符的幀為標(biāo)準(zhǔn)幀，具有29位標(biāo)識(shí)符的幀為擴(kuò)展幀，兩種幀格式如圖1所示。 　　標(biāo)準(zhǔn)幀理論上最多可以標(biāo)識(shí)211（2048）個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型，由于協(xié)議規(guī)定標(biāo)識(shí)符最高7位不能同時(shí)全是隱性位，所以最多可以標(biāo)識(shí)211-24（2032）個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型。擴(kuò)展幀使用29位標(biāo)識(shí)符，最多可標(biāo)識(shí)5億多個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型。 　　1.4 BasicCAN與PeliCAN 　　BasicCAN和PeliCAN是Philips公司生產(chǎn)的獨(dú)立CAN控制器的2個(gè)不同操作模式。BasicCAN模式是上電后默認(rèn)的操作模式，它能夠傳輸標(biāo)準(zhǔn)幀格式的報(bào)文。PeliCAN模式是新的操作模式，它能夠處理所有CAN2.0B規(guī)范的幀類(lèi)型（標(biāo)準(zhǔn)幀/擴(kuò)展幀），而且還具有一些支持錯(cuò)誤分析的增強(qiáng)功能。在CAN控制器中，不同操作模式的寄存器配置和參數(shù)設(shè)置方法也是不一樣的。 2 影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要因素 　　2.1 標(biāo)準(zhǔn)幀與擴(kuò)展幀的選擇 　　采用CAN2.0B傳輸報(bào)文時(shí)，需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀進(jìn)行選擇。從延遲的角度分析，它用于表示網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度，延遲越少，響應(yīng)越快，性能越好。CAN最高位速率可達(dá)1Mbps，此時(shí)每位的傳輸時(shí)間是1μs。總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)獲勝的標(biāo)準(zhǔn)格式報(bào)文在傳輸不被中斷的情況下，長(zhǎng)度為最大值的報(bào)文總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間只有111μs，加填充位為134μs;擴(kuò)展幀格式最大長(zhǎng)度報(bào)文的總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為131μs，加填充位為159μs。從總線(xiàn)吞吐量分析，它在數(shù)值上等于網(wǎng)絡(luò)或信道在單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)目傂畔⒘浚瑔挝粸閎ps。標(biāo)準(zhǔn)格式信息幀的長(zhǎng)度為47+8＊DLC，數(shù)據(jù)域在一幀報(bào)文中所占比率為（8＊DLC）/（47+8＊DLC），在1Mbps位速率時(shí)的總線(xiàn)吞吐量為（8＊DLC）/（47+8＊DLC）＊1Mbps。擴(kuò)展格式信息幀的長(zhǎng)度為67+8＊DLC，數(shù)據(jù)域在一幀報(bào)文中所占比率為（8＊DLC）/（67+8＊DLC），在1Mbps位速率時(shí)的總線(xiàn)吞吐量為（8＊DLC）/（67+8＊DLC）＊1Mbps。當(dāng)數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度為8字節(jié)時(shí)，若不考慮填充位，則標(biāo)準(zhǔn)幀的總線(xiàn)吞吐量為577Kbps，而擴(kuò)展幀的總線(xiàn)吞吐量為488Kbps。 　　從以上分析可見(jiàn)，雖然擴(kuò)展幀格式可以表示的數(shù)據(jù)類(lèi)型比標(biāo)準(zhǔn)幀格式多得多，但在總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間和總線(xiàn)吞吐量方面，標(biāo)準(zhǔn)幀格式明顯優(yōu)于擴(kuò)展幀格式，所以在滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)數(shù)量要求的條件下應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式。 　　2.2 標(biāo)識(shí)符分配 　　CAN只提供與物理層和數(shù)據(jù)鏈路層相關(guān)的協(xié)議，并沒(méi)有制定與特定應(yīng)用相關(guān)的應(yīng)用層的內(nèi)容。因此，根據(jù)具體應(yīng)用的特點(diǎn)，在總線(xiàn)協(xié)議的基礎(chǔ)上定義詳細(xì)的標(biāo)識(shí)符分配及網(wǎng)絡(luò)配置管理的具體方式是開(kāi)發(fā)基于CAN的客車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的前提。標(biāo)識(shí)符分配可以通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，一是用戶(hù)自定義，二是采用CAN的高層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如SAEJ1939、CANOpen等。無(wú)論采用哪種方式，都必須保證與安全性相關(guān)的高實(shí)時(shí)性的信息能夠獲得高優(yōu)先級(jí)。如SAEJ1939中，信息優(yōu)先級(jí)順序?yàn)榭刂茀?shù)、驅(qū)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)系控制、驅(qū)動(dòng)系配置參數(shù)、信息參數(shù)、信息狀態(tài)參數(shù)等。 　　2.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 　　隨著客車(chē)電子控制單元的增多和信息通訊性能要求的不同，單總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引發(fā)網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)載大、通信效率低、實(shí)時(shí)性能差和通信距離—網(wǎng)絡(luò)性能矛盾突出等問(wèn)題。因此，一般采用多網(wǎng)段結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建基于CAN的客車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 　　多網(wǎng)段結(jié)構(gòu)適合于連接功能相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)段，信息交換通過(guò)網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其特點(diǎn)是：同一網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線(xiàn)方式連接;不同網(wǎng)段之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接，并實(shí)現(xiàn)相互通信;網(wǎng)絡(luò)管理和集中控制的功能由網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。如采用低速總線(xiàn)連接低實(shí)時(shí)性要求的車(chē)身控制單元，增加通信傳輸距離，提高抗干擾能力;采用高速總線(xiàn)連接動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，以滿(mǎn)足與行駛安全相關(guān)信息的高實(shí)時(shí)性要求;采用帶雙通道CAN控制器的微處理器實(shí)現(xiàn)兩條CAN總線(xiàn)信息的通信和控制功能。 　　2.4 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析 　　客車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，許多任務(wù)具有嚴(yán)格實(shí)時(shí)性和硬實(shí)時(shí)性，信息傳輸與控制必須滿(mǎn)足任務(wù)截止期要求。客車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性可以通過(guò)信息的響應(yīng)時(shí)間來(lái)衡量，典型的理論方法有Worst-case、Actual-case、Average和Maximum等。Actual-case同時(shí)考慮到周期性信息和非周期性信息，Worst-case考慮到信息傳輸過(guò)程中的最壞情況，一般將二者結(jié)合進(jìn)行實(shí)時(shí)性分析。位速率是網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析的一個(gè)重要參數(shù)，它的確定必須考慮到通信距離，尤其在高速通信的情況下，距離的增加帶來(lái)的傳輸延遲是不可忽略的。表1為CAN通信位速率與總線(xiàn)長(zhǎng)度的關(guān)系。 　　表1位速率與總線(xiàn)長(zhǎng)度的關(guān)系 3 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 　　3.1 基于CAN的客車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)典型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 　　基于CAN的客車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的典型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。CAN收發(fā)器、光電耦合器、和CAN控制器共同完成報(bào)文的發(fā)送和接收;微控制器對(duì)CAN控制器進(jìn)行初始化，設(shè)定CAN控制器工作參數(shù)，控制CAN控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通訊任務(wù)，同時(shí)還可以接收外圍設(shè)備和傳感器信號(hào)，并控制執(zhí)行器工作狀態(tài);傳感器/執(zhí)行器完成信號(hào)檢測(cè)上傳/執(zhí)行控制指令的任務(wù);外圍設(shè)備負(fù)責(zé)人機(jī)交互。 　　3.2 CAN控制器 　　CAN控制器可以分為獨(dú)立CAN控制器和與微處理器集成的CAN控制器，以完成CAN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）的功能，實(shí)現(xiàn)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制子層（MAC）的報(bào)文分幀、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測(cè)和標(biāo)定，以及邏輯鏈路控制子層（LLC）的報(bào)文濾波、過(guò)載通知、恢復(fù)管理等具體服務(wù)。 　　獨(dú)立CAN控制器有PCA82C200、SJA1000和82526/82527等。與微處理器集成的CAN控制器有P8xC591、LPC2290/2292/2294、MC68HC05X4/X16/X32、MC68HC705X4和TMS320C2000系列DSP芯片等獨(dú)立CAN控制器能夠與各種型號(hào)的微處理器相連接，與集成CAN控制器相比，其使用更靈活。目前使用最廣泛的獨(dú)立CAN控制器是SJA1000。 　　3.3 CAN收發(fā)器 　　CAN收發(fā)器完成CAN協(xié)議物理層的功能，是CAN控制器和物理傳輸線(xiàn)路之間的接口。CAN收發(fā)器有PCA82C250/251[2]、TJA1050/1040[3-4]、TJA1054[5]和TJA1041[6]等，部分特性比較如表2所示。由于客車(chē)為24v直流供電，因此，一般采用PCA82C251作為客車(chē)用CAN收發(fā)器。 　　表2 不同型號(hào)CAN收發(fā)器的部分特性比較 　　3.4 CAN總線(xiàn)的傳輸介質(zhì) 　　用于CAN總線(xiàn)的傳輸介質(zhì)有雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光纖，雙絞線(xiàn)具有較高的性?xún)r(jià)比。在高速工作模式下，CAN發(fā)送器輸出級(jí)晶體管將以盡可能快的速度開(kāi)閉。在這種模式下，不采取任何措施限制上升斜率和下降斜率，應(yīng)使用屏蔽電纜以避免射頻干擾RFI問(wèn)題。在斜率控制模式下，允許使用非屏蔽雙絞線(xiàn)。但為了降低射頻干擾RFI，并考慮電磁兼容性EMC問(wèn)題，應(yīng)限制上升斜率和下降斜率。同時(shí)，總線(xiàn)的兩個(gè)末端應(yīng)接有120Ω的負(fù)載電阻以抑制反射。位于ECU內(nèi)部的負(fù)載電阻應(yīng)該取消，因?yàn)槿绻渲幸粋€(gè)ECU從總線(xiàn)上斷開(kāi)時(shí)，總線(xiàn)將丟失終端，影響信息傳輸。 4 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 　　4.1 CAN控制器初始化與信息收發(fā) 　　基于CAN的客車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的CAN控制器軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分：CAN控制器初始化、信息發(fā)送和信息接收。不同的CAN控制器，雖然軟件實(shí)現(xiàn)方法不一樣，但基本原理是相同的。 　　以SJA1000[7]為例，其初始化在復(fù)位模式下進(jìn)行，主要工作是設(shè)置控制器工作方式、接收濾波方式、接收碼和屏蔽碼、波特率和中斷允許等寄存器的參數(shù)與狀態(tài);信息發(fā)送程序負(fù)責(zé)進(jìn)行相關(guān)條件判斷，將報(bào)文發(fā)送至發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動(dòng)發(fā)送命令;信息接收程序中，對(duì)總線(xiàn)狀態(tài)、錯(cuò)誤報(bào)警、報(bào)文格式等情況進(jìn)行判斷處理后，啟動(dòng)接收命令即可。 　　4.2 控制策略的研究與實(shí)現(xiàn) 　　控制策略是客車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能的基礎(chǔ)，直接影響系統(tǒng)應(yīng)用的正確性、可靠性和有效性。同時(shí)， CAN是事件觸發(fā)型協(xié)議，研究客車(chē)行駛過(guò)程中基于事件的系統(tǒng)控制策略也是客車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。 　　客車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制策略的研究必須針對(duì)我國(guó)城市道路交通現(xiàn)狀，并綜合考慮人—車(chē)—路—環(huán)境系統(tǒng)因素，主要作用為：當(dāng)客車(chē)在行駛過(guò)程中遇到特定事件時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)用智能控制理論和技術(shù)方法，產(chǎn)生控制策略和控制任務(wù)，各功能控制裝置按照已設(shè)定好的控制策略實(shí)現(xiàn)各電子控制單元的信息傳遞，實(shí)施關(guān)聯(lián)、實(shí)時(shí)控制，確保車(chē)輛行駛的安全性。控制策略的智能控制方法[8]有遞階控制、專(zhuān)家控制、模糊控制、神經(jīng)控制和學(xué)習(xí)控制等。 5 總結(jié) 　　本文從概念、系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)等不同角度對(duì)客車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究，分析了設(shè)計(jì)過(guò)程中影響系統(tǒng)工作性能的主要因素，提出了相關(guān)設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原則。本文工作有助于提高網(wǎng)絡(luò)控制性能，為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) 　　[1]CAN Specification 2.0, Robert Bosch GmbH, 1991. 　　[2]PCA82C250/251 CAN Transceiver, Philips Semiconductors, 1996. 　　[3] TJA1050 CAN High-speed transceiver, Philips Semiconductors, 2000. 　　[4] TJA1040 High speed 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