基于CAN_LIN总线的车载通信网络设计.docx

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基于CAN／LIN总线的车载通信网络设计

廖先莉，雷霖，罗正华

（成都大学电子信息工程学院，四川成都610106）

文献标志码：

A

摘要：

汽车上的电控系统数量越来越多，为了提高电控单元之间互相通信性能和降低导线成本，提出了一种基于CAN／LIN总线的车栽通信网络，将CAN总线网络应用在高速的驱动系统，LIN总线网络应用在低速的车身车灯控制系统，两者通过网关进行数据交换．仿真测试表明，本车载通信网络的设计合理，通信可靠，能够实现CAN／LIN总线网络之间的数据传输．

关键词：

CAN总线；LIN总线；网关

中图分类号：

1P393

收稿日期：

2014—08—15．

基金项目：

四川省科技厅科技支撑计划（201lcz呓60、2012GZX0083）资助项目．

作者简介：

廖先莉（1988一），女，硕士，从事汽车电子技术研究．

0引言

目前，发展中的汽车网络技术有高速容错网络HexRay、蓝牙、无线局域网以及用于多媒体和导航的MOST等无线网络技术，而车内的电子控制系统主要由CAN／LIN网络组成［1-3］．CAN／I_IN混合网络在汽车上的应用将会使汽车网络的可靠性以及经济性得到较大的提高H。

5】．本研究依据CAN和LIN协议，设计构建了一个基于CAN／LIN总线的车载通信网络，并对其进行了测试和验证．

1CAN，UN总线概述

1．1a试总线

CAN总线是20世纪80年代德国博世公司专门为汽车行业开发的一种串行通信总线．CAN总线具有很高的实时性能，从传输速率最高可达1Mbps的高速网络到低成本多线路的50Kbps网络都可以任意搭配，由于其高性能、高可靠性被广泛应用于汽车业、航空业、工业控制与安全防护等领域［2】．

1．2LIN总线

LIN总线是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制b】．LIN总线是一种辅助的总线网络，为现有汽车网络（例如CAN总线）提供辅助功能，在不需要CAN总线的带宽和多功能的场合，比如智能传感器和制动装置之间的通讯，使用LIN总线可大大节省成本．



2车载通信网络平台总体设计

汽车内电子控制单元问的数据传输特征主要区别在于数据的传输速率，美国汽车工程师协会（SAE）将汽车网络根据速率划分为：

A（低速，1。

10Kbps）、B（中速，lO～100Kbps）、C（高速，最高可达l

Mbps）3个等级HJ．

本研究设计的汽车车载CAN／LIN总线的通信网络系统模型如图1所示．

图1汽车车载CAN／LIN通信网络系统示意图

如图1，数据传输速率较高的CAN总线用于B、

C类网络，其控制对象主要包括发动机电控系统、

ABS／ASR、自动变速器、安全气囊控制器及组合仪

表信号的采集系统等实时性要求高的系统．LIN总

线用于A类系统，其控制对象主要为车灯、电动座

椅、中央门锁、后视镜、车窗控制开关等实时性要求

低的系统．在该系统中，CAN总线和LIN总线通过一个网关进行数据交换．

3总线网络设计

3．1CAN总线网络设计3．1．1接口设计．

CAN总线收发器提供CAN总线通信控制器与物理传输媒介之间的接口，是影响CAN网络通信的一个重要器件．本设计选用飞利浦公司的数字电路芯片TJAl040作为CAN总线收发器，其速率可达1MBaud，满足CAN总线的高速应用．TJAl040可为CAN总线提供差动的发送功能，为CAN总线通信控制器提供差动的接收功能．

3．1．2协议设计．

本设计中的CAN总线网络采用CAN2．0B所规定的标准数据帧格式，CAN2．0B标准帧共有11位标志位［5］．根据CAN数据帧格式，统一定义：

保留位R为0，数据页DP为0，IDE为0（为标准帧），协议数据单元PDU格式场PF为0xFF，RTR为0．优先级依照节点的需求级别来定义，而数据块长度DLC则需根据实际的数据字节来定义，源地址和目标地址则根据各个节点地址定义．若目标地址定义为CAN／LIN网关地址，则定义第1个数据字节为源地址，第2个数据字节为最终的目标地址，余下字节则为纯数据字节．

3．2LIN总线网络设计3．2．1接口设计．

本设计选用飞利浦公司的数字电路芯片TJAl020作为LIN总线收发器．TJAl020收发器是一个物理媒体连接，它是LIN主／从机协议控制器和LIN传输媒体之间的接口，协议控制器输入引脚盯①的发送数据流被LIN收发器转换成总线信号．TJAl020的接收器检测到LIN总线上的数据流并通过RXD引脚将它传送到协议控制器．收发器有低功耗管理模式，它在睡眠模式中几乎不消耗电流并在错误模式中减少功率消耗．

3．2．2协议设计．

完整的LIN数据帧包括同步间隔、同步场、标识符Ⅲ、数据字节以及校验码∞J．同步场的格式为0x55，校验码是所有数据场字节相加之后再取反，接收处的节点也将所有数据场字节相加，然后将其和与校验码相加，判断结果是否为0xFF，若不是则表明数据传输出了错误．LIN数据定义第i个字节为源地址（SA），定义第2个字节为目标地址（DA），其余字节为纯数据字节．



图2CAN／LIN网关硬件设计框图

CAN／LIN网关既是CAN节点又是LIN节点，网关节点实现CAN与LIN总线数据帧的拆分、数据的暂存和数据帧的生成．网关硬件主芯片选取MC9S08DZ60，MC9S08DZ60芯片中的M_SCAN（CAN通信控制器模块），通过PTE6和阿7引脚分别和CAN总线收发器TJAl040的TXD和RXD引脚相连接，叫1040的引脚CANH和CANL与CAN总线接口相连接，实现CAN数据帧的接收和发送．此外，MC9S08DZ60芯片其他引脚还可以与按键电路和控制电路相连接，实现一定的通信和控制功能．4．2协议转换

1）CAN／LIN网关和其他Q小节点之间进行通信．如果向其他CAN节点发送数据帧，首先根据所要生成的CAN数据帧接收节点地址，设置CAN数据帧的ID值，发送ID场；根据所发送的数据字节的长度设置DLC值，发送DLC和CAN控制位；发送数据字节；计算CRC场的值，并发送CRC场；发送ACK场，发送CAN数据帧帧结尾，完成CAN数据帧的发送．如果接收来自CAN节点的数据帧，并且进行拆分，首先由MSCAN滤波器判断ID值是否是要接收的Ⅲ，如果是则进行接收，否则不进行接收；接收DLC场，确定所要接收的数据场长度；接收数据场，接收CRC场，并判断CRC值是否正确，如果正确就保存数据，否则丢弃数据帧，并发出远程帧，请求重新发送CAN数据帧，完成CAN数据帧的接收．

4网关设计

4．1网关接口设计

CAN／LIN网关硬件设计如图2所示．

2）CAN／LIN总线通信网关与LIN从节点进行通信．如果向从节点发送LIN数据帧，首先发送LIN数据帧同步间隔和同步间隔校验，然后发送LIN数据帧同步场0x55和同步场校验，然后根据接收LIN数据帧的LIN从节点的地址计算出ID场的值，并且发送ID场和I心数据场，在计算LIN数据帧校验和场的值，并发送这个值，完成LIN数据帧的发送．如果

帧同步场，进行接收同步，然后接收LIN数据帧Ⅲ，由SCI滤波器判断D值是否是要接收的ID，如果是则接收后面的数据字节，否则丢弃数据帧，在接收校验和场，检验校验和场是否正确，如果正确就保存数据，否则丢弃数据帧，完成LIN数据帧的接收．

3） 非CAN／LIN通信网关的CAN节点将数据以CAN数据帧发送到CAN总线上．在CAN／IJN网关在接收到CAN数据帧之后，在MC9S08DZ60芯片中将CAN数据帧中的数据字节拆分出来，再根据它第1个数据字节的源地址和第2个数据字节的目标地址，配置LIN数据字节的源地址和目标地址，即LIN数据帧的第1字节和第2字节数据字节的内容．同时，根据加上余下的纯数据字节后的长度配置DLC，然后把CAN的数据字节配置成为LIN的数据字节，最后，再加上同步场0x55和相应的校验码，完成CAN数据帧向LIN数据帧的转换．

4） 由LIN从节点发送LIN数据帧到LIN总线上．在CAN／LIN网关在接收到LIN数据帧之后，在MC9S08DZ60芯片中将LIN数据帧中的数据字节拆分出来，根据第2个数据字节即数据帧的目的地址配置CAN数据的优先级，根据第1个和第2个数据字节配置CAN数据帧的源地址和目标地址，根据纯数据字节个数定义CAN数据块长度，然后将纯数据字节配置为CAN数据帧中的数据，最后加上CAN数据帧的统一定义位，实现LIN数据帧向CAN数据帧的转换．

5仿真实验

根据CAN／LIN总线协议转换特点，本研究在

Simulink仿真环境下利用所提供的函数库模块并编

写程序分别建立CAN节点仿真模型、CAN／LIN网关

仿真模型和LIN节点仿真模型，然后利用所建的仿

真模型搭建CAN／LIN总体的车载通信网络系统，如图3所示．

图3CAN，uN车载通信网络系统模型

图3模型中，有3个CAN节点，2个Ⅲ节点和1个cAN／Ⅲ网关．模型中每个CANtr和对应的CANre模块组成一个Q州节点，L矾tr和对应的LlNre模块组成一个LⅣ节点，以AN模块、t正AN模块、reⅢ模块和乩Ⅳ模块组成了C&N／］JN网关节点．为了使模型简洁，没有加入每个阶段的数据显示模块，其中Q州、Ⅲ节点的数据帧采用不同周期发送．CAN节点模型每秒发送5帧数据，Ⅲ节点模型每秒发送2帧数据．CAN数据帧之间通过比较Ⅲ的大小来竞争使用QⅢ总线，模型中的Subsystem模块对总线上的CAN数据帧ID进行比较，选择ID较小的数据帧进行发送．

在利用该模型进行仿真时，模型中的节点按各自的周期发送由Workspace输入的数据，加入数据帧显示模块对数据的传输过程进行观察，并确认CAN数据帧和LIN数据帧的正确生成、发送和接收．

1）在Matlab的Workspace中输入xl=［1010110．011010111］，设定该数据由CANl节点发送数据，经CAN／LIN总线通信网关转发后由LIN2节点接收．

图4所示为数据帧的第38位到54位是所发送的纯数据字节，由图中可见是［1010110011010111］，即x1，该数据帧经CAN／LIN总线通信网关拆分提取，转化为LIN数据帧发送到LIN总线上（见图5）．数据帧的第4l位到5l位是所发送的纯数据字节（LIN数据帧采用8N1编码，每一个字节有一个起始位和一个终止位），由图中可见是［101011001101011—1］，即x1，该数据经HN2节点拆分后可得．同时，当LINl接收到该数据帧时，由于Ⅲ不匹配，将舍弃对该数据帧的接收．

图4CAN总线上的数据帧图5LN总线上的数据帧

以上结果验证了CANl节点所发送出的数据被所需要的节点LIN2正确接收．

2）在Madab的wo文space中输入yl=［1101011．

010101101］，设定作为LIN节点的待发送数据，经CAN／LIN总线通信网关转发后由CAN2节点接收．

图6所示为LIN总线上的数据帧从第41位到

51位是所发送的纯数据字节（LIN数据帧采用8N1

编码，每一个字节有一个起始位和一个终止位），由

图中可见是［1101011010101101］，即v1．

图7所示为CAN／LIN总线通信网关将拆分LIN

数据帧所得到的数据作为CAN数据帧的数据生成

和发送的CAN数据帧，数据帧的第38位到54位是

所发送的纯数据字节，由图中可见是［110101101010—

1101］，即yl，CAN2节点接收到CAN数据帧以后，拆分数据帧可得到该数据．

图6LN总线上的数据帧图7CAN总线上的数据帧

在对CAN2节点所接收到的数据进行观察的同

时，利用显示模块对CANl节点和CAN3节点收到的

数据进行观察，显示它们没有收到数据．这一结果验

证了I_心ll节点发出的数据被所需要的节点正确接收．



6结论

本研究设计的基于QⅢ／Ⅲ总线的车载通信网络系统．仿真模型中，各CAN总线节点和Ⅲ总线节点模型都能够正确发送和接收数据；Q蝌／圳总线通信网关模型能够正确实现CAN数据帧和uN数据帧的接收、发送和协议转换，实现了网关的数据帧转发和通信控制功能．

参考文献：

［1］ 卓伟．基于C&N／LⅢ总线的车灯控制系统的研究［D］．武汉：

武汉理工大学，2009．

［2］ 李如石，张津津，任富争．基于C8051F040的CAN总线通信［J］．计算机与现代化，2013，29（3）：

124—127．

［3］ 沈会，徐青菁，叶子晟，等．基于CAN总线的电动车窗控制系统设计［J］．电力电子技术，2011，45（12）：

84—86．

［4］ 聂单根．基于CAN／LIN总线的汽车车身网络技术的应用研究［D］．杭州：

浙江大学，2007．

［5］ 许万，陈幼平，陈冰，等．基于CAN／LIN总线的车载通信网络设计［J］．测控技术，2007，28（10）：

44—47．

［6］ 薛定宇，陈阳泉．基于Matlab／Simulink的系统仿真技术应用［M］．北京：

清华大学出版社，2011．

DesignofCommunicationNetworkin

VehicleBasedonCAN／LIN

IdA0Xianli，LElLin，LUOZhenghua

（sch00l0fElectronicandInformationEngineering，clle-,19auUniversity，血en幽610106。

China）

Abstract：

Asthenumberofelectroniccontrolsystemsonautomobilescontinuestoincrease，inordertoim·provethemutualcommunicationperformanceamongelectroniccontrolunitsandreducethecostofwires，thispaperdiscussesonecommunicationnetworkinvehiclebasedonCANandLIN．TheCANbusnetworkisusedinthehigh—speeddrivingsystem．TheLINbusnetworkisusedinthelow—speedbodyandlampcontroHingsystem．Bothbussystemsexchangethedatabyagateway．Thesimulationtestprovesthatthisdesignisreasonableandrehable，whichcallrealizethedatatransmissionbetweenCANbusnetworkandLINbusnetwork．

Keywords：

CANbus；LINbus；gateway