摘 要：網絡控制是客車技術發展的趨勢?？蛙嚲W絡控制系統設計過程中需要對系統層與節點層的一些關鍵問題進行研究，以助于提高網絡控制的性能。文中對控制其局域網CAN的相關概念，如CAN協議、幀格式、CAN控制器操作模式等進行辨析;對與系統結構設計有關的幀格式選取、標識符分配、網絡結構與實時性等進行了研究，并提供了一般分析方法與原則;對節點硬件設計中的通信器件與傳輸介質選取進行了分析，并探討了控制策略在軟件設計中的實現。 關鍵詞：客車;CAN;網絡控制 1 相關概念辨析 　　1.1 CAN1.2與CAN2.0 　　CAN1.2與CAN2.0[1]是CAN技術規范的兩個不同的版本，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規范定義的CAN報文格式的說明，規定CAN控制器必須有一個11位的標識符;CAN2.0B是對CAN報文的標準格式和擴展格式的說明，CAN控制器的標識符長度可以是11位或29位。遵循CAN2.0B協議的CAN控制器可以發送和接收11位標識符的標準幀或29位標識符的擴展幀。如果禁止CAN2.0B，則CAN 控制器只能發送和接收11位標識符的標準幀，而忽略擴展格式的報文結構，但不會出現錯誤。 　　1.3 標準幀與擴展幀 　　CAN2.0B有兩種不同的幀格式，不同之處為仲裁域的長度不同：具有11 位標識符的幀為標準幀，具有29位標識符的幀為擴展幀，兩種幀格式如圖1所示。 　　標準幀理論上最多可以標識211（2048）個數據類型，由于協議規定標識符最高7位不能同時全是隱性位，所以最多可以標識211-24（2032）個數據類型。擴展幀使用29位標識符，最多可標識5億多個數據類型。 　　1.4 BasicCAN與PeliCAN 　　BasicCAN和PeliCAN是Philips公司生產的獨立CAN控制器的2個不同操作模式。BasicCAN模式是上電后默認的操作模式，它能夠傳輸標準幀格式的報文。PeliCAN模式是新的操作模式，它能夠處理所有CAN2.0B規范的幀類型（標準幀/擴展幀），而且還具有一些支持錯誤分析的增強功能。在CAN控制器中，不同操作模式的寄存器配置和參數設置方法也是不一樣的。 2 影響網絡系統設計的主要因素 　　2.1 標準幀與擴展幀的選擇 　　采用CAN2.0B傳輸報文時，需對標準幀和擴展幀進行選擇。從延遲的角度分析，它用于表示網絡響應速度，延遲越少，響應越快，性能越好。CAN最高位速率可達1Mbps，此時每位的傳輸時間是1μs?？偩€競爭獲勝的標準格式報文在傳輸不被中斷的情況下，長度為最大值的報文總線訪問時間只有111μs，加填充位為134μs;擴展幀格式最大長度報文的總線訪問時間為131μs，加填充位為159μs。從總線吞吐量分析，它在數值上等于網絡或信道在單位時間內成功傳輸的總信息量，單位為bps。標準格式信息幀的長度為47+8＊DLC，數據域在一幀報文中所占比率為（8＊DLC）/（47+8＊DLC），在1Mbps位速率時的總線吞吐量為（8＊DLC）/（47+8＊DLC）＊1Mbps。擴展格式信息幀的長度為67+8＊DLC，數據域在一幀報文中所占比率為（8＊DLC）/（67+8＊DLC），在1Mbps位速率時的總線吞吐量為（8＊DLC）/（67+8＊DLC）＊1Mbps。當數據域長度為8字節時，若不考慮填充位，則標準幀的總線吞吐量為577Kbps，而擴展幀的總線吞吐量為488Kbps。 　　從以上分析可見，雖然擴展幀格式可以表示的數據類型比標準幀格式多得多，但在總線訪問時間和總線吞吐量方面，標準幀格式明顯優于擴展幀格式，所以在滿足節點數量要求的條件下應采用標準幀格式。 　　2.2 標識符分配 　　CAN只提供與物理層和數據鏈路層相關的協議，并沒有制定與特定應用相關的應用層的內容。因此，根據具體應用的特點，在總線協議的基礎上定義詳細的標識符分配及網絡配置管理的具體方式是開發基于CAN的客車網絡控制系統的前提。標識符分配可以通過兩種方式來實現，一是用戶自定義，二是采用CAN的高層協議標準，如SAEJ1939、CANOpen等。無論采用哪種方式，都必須保證與安全性相關的高實時性的信息能夠獲得高優先級。如SAEJ1939中，信息優先級順序為控制參數、驅動狀態參數、驅動系控制、驅動系配置參數、信息參數、信息狀態參數等。 　　2.3 網絡結構設計 　　隨著客車電子控制單元的增多和信息通訊性能要求的不同，單總線網絡結構引發網絡通訊負載大、通信效率低、實時性能差和通信距離—網絡性能矛盾突出等問題。因此，一般采用多網段結構來構建基于CAN的客車網絡控制系統。 　　多網段結構適合于連接功能相對獨立的網段，信息交換通過網關來實現。其特點是：同一網段的節點通過總線方式連接;不同網段之間通過網關連接，并實現相互通信;網絡管理和集中控制的功能由網關實現。如采用低速總線連接低實時性要求的車身控制單元，增加通信傳輸距離，提高抗干擾能力;采用高速總線連接動力傳動系統，以滿足與行駛安全相關信息的高實時性要求;采用帶雙通道CAN控制器的微處理器實現兩條CAN總線信息的通信和控制功能。 　　2.4 網絡實時性分析 　　客車網絡控制系統是分布式實時系統，許多任務具有嚴格實時性和硬實時性，信息傳輸與控制必須滿足任務截止期要求?？蛙嚲W絡控制系統的實時性可以通過信息的響應時間來衡量，典型的理論方法有Worst-case、Actual-case、Average和Maximum等。Actual-case同時考慮到周期性信息和非周期性信息，Worst-case考慮到信息傳輸過程中的最壞情況，一般將二者結合進行實時性分析。位速率是網絡實時性分析的一個重要參數，它的確定必須考慮到通信距離，尤其在高速通信的情況下，距離的增加帶來的傳輸延遲是不可忽略的。表1為CAN通信位速率與總線長度的關系。 　　表1位速率與總線長度的關系 3 節點硬件設計主要內容 　　3.1 基于CAN的客車網絡控制系統典型節點結構 　　基于CAN的客車網絡控制系統的典型節點結構如圖2所示。CAN收發器、光電耦合器、和CAN控制器共同完成報文的發送和接收;微控制器對CAN控制器進行初始化，設定CAN控制器工作參數，控制CAN控制器實現數據的接收和發送等通訊任務，同時還可以接收外圍設備和傳感器信號，并控制執行器工作狀態;傳感器/執行器完成信號檢測上傳/執行控制指令的任務;外圍設備負責人機交互。 　　3.2 CAN控制器 　　CAN控制器可以分為獨立CAN控制器和與微處理器集成的CAN控制器，以完成CAN協議數據鏈路層（DLL）的功能，實現媒體訪問控制子層（MAC）的報文分幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定，以及邏輯鏈路控制子層（LLC）的報文濾波、過載通知、恢復管理等具體服務。 　　獨立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芯片等獨立CAN控制器能夠與各種型號的微處理器相連接，與集成CAN控制器相比，其使用更靈活。目前使用最廣泛的獨立CAN控制器是SJA1000。 　　3.3 CAN收發器 　　CAN收發器完成CAN協議物理層的功能，是CAN控制器和物理傳輸線路之間的接口。CAN收發器有PCA82C250/251[2]、TJA1050/1040[3-4]、TJA1054[5]和TJA1041[6]等，部分特性比較如表2所示。由于客車為24v直流供電，因此，一般采用PCA82C251作為客車用CAN收發器。 　　表2 不同型號CAN收發器的部分特性比較 　　3.4 CAN總線的傳輸介質 　　用于CAN總線的傳輸介質有雙絞線、同軸電纜和光纖，雙絞線具有較高的性價比。在高速工作模式下，CAN發送器輸出級晶體管將以盡可能快的速度開閉。在這種模式下，不采取任何措施限制上升斜率和下降斜率，應使用屏蔽電纜以避免射頻干擾RFI問題。在斜率控制模式下，允許使用非屏蔽雙絞線。但為了降低射頻干擾RFI，并考慮電磁兼容性EMC問題，應限制上升斜率和下降斜率。同時，總線的兩個末端應接有120Ω的負載電阻以抑制反射。位于ECU內部的負載電阻應該取消，因為如果其中一個ECU從總線上斷開時，總線將丟失終端，影響信息傳輸。 4 節點軟件設計 　　4.1 CAN控制器初始化與信息收發 　　基于CAN的客車網絡控制系統的CAN控制器軟件設計主要包括三大部分：CAN控制器初始化、信息發送和信息接收。不同的CAN控制器，雖然軟件實現方法不一樣，但基本原理是相同的。 　　以SJA1000[7]為例，其初始化在復位模式下進行，主要工作是設置控制器工作方式、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與狀態;信息發送程序負責進行相關條件判斷，將報文發送至發送緩沖區，并啟動發送命令;信息接收程序中，對總線狀態、錯誤報警、報文格式等情況進行判斷處理后，啟動接收命令即可。 　　4.2 控制策略的研究與實現 　　控制策略是客車網絡控制系統實現控制功能的基礎，直接影響系統應用的正確性、可靠性和有效性。同時， CAN是事件觸發型協議，研究客車行駛過程中基于事件的系統控制策略也是客車網絡控制系統設計的一項基礎性工作。 　　客車網絡控制系統控制策略的研究必須針對我國城市道路交通現狀，并綜合考慮人—車—路—環境系統因素，主要作用為：當客車在行駛過程中遇到特定事件時，系統應用智能控制理論和技術方法，產生控制策略和控制任務，各功能控制裝置按照已設定好的控制策略實現各電子控制單元的信息傳遞，實施關聯、實時控制，確保車輛行駛的安全性。控制策略的智能控制方法[8]有遞階控制、專家控制、模糊控制、神經控制和學習控制等。 5 總結 　　本文從概念、系統和節點等不同角度對客車網絡控制系統設計過程中的一些關鍵問題進行了研究，分析了設計過程中影響系統工作性能的主要因素，提出了相關設計方法與設計原則。本文工作有助于提高網絡控制性能，為系統開發提供了理論與技術基礎。 參考文獻 　　[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 CAN transceiver, Philips Semiconductors, 2001. 　　[5] Fault-tolerant CAN Transceiver PCA82C252 / TJA1053 / TJA1054 / TJA1054A Version 3.1, Philips Semiconductors, 2001. 　　[6]TJA1041 CAN High-speed transceiver, Philips Semiconductors, 2001. 　　[7]SJA1000 Stand-alone CAN controller, Philips Semiconductors, 1997. 　　[8]蔡自興.智能控制[M].電子工業出版社,2004.8.