摘 要

随着科学技术的快速进步,传感器技术、电子技术、计算机控制技术的发展和人们对汽车性能的要求越来越高,现代汽车上装备的电器与电子设备、传感器、计算机控制单元不断增加。汽车综合控制系统中大量的控制信号需要实时交换与处理,传统的线束已经远远不能满足这种信息传输要求,因而汽车局域网应运而生。

控制器局域网CAN(Controller Area Network)总线是现场总线的一种，被广泛的应用于汽车、航天、医疗设备以及工业控制等分布式控制领域。CAN 只定义了数据链路层和物理层，而标准化应用层的工作仍在进行中。近年来CAN总线已发展成为车载网络系统的主流总线，并有基于CAN总线通信协议的车辆应用层协议通讯标准SAE J1939。J1939协议是美国汽车工程师协会SAE(Society of Automotive Engineer)发布的，以CAN2.0B作为网络核心的车辆网络串行通信和控制协议。J1939已成为目前大型客车和商用车中采用最多的一种通讯协议。SAE J1939是一个高速通迅网络，用来支持分布在车辆中各个不同位置电控单元之间实现实时闭环控制。SAE J1939协议内容主要包括SAE J1939-21数据链路层子协议、J1939-71应用层子协议和SAE J1939-81网络管理层子协议。阐明了J1939中的标识符格式和用法，三种通信方式等。

本文首先从纯电动车的整车控制器入手，概述了整车控制器的结构组成，工作模式和功能需求，接着介绍了CAN总线的发展历史，六大技术特点以及CAN总线网络分层和报文传输，对帧格式和数据错误检测作了较为详尽的描述。第3章详细分析了J1939各个层次：物理层、数据链路层、网络管理层和汽车应用层；参考J1939 协议，设计和实现了汽车网络控制控制系统CAN高层协议并编写了CAN收发程序。最后用LabVIEW进行了仿真测试。

关键词:整车控制器；CAN;J1939；LabVIEW

Abstract

With the advancement of the science, and the development of electronics technology,sensor technology and computer technology,and people to the requirements of the car function are higher, on modern car there are more and more equip with electric appliances and electronics equipments,sensor, computer control unit.The traditional harnesses can not satisfy this information transmission quest,people turn to the vehicle LAN.

Controller Area Network CAN (Controller Area Network) bus is a kind of field bus, is widely used in automotive, aerospace,medical equipment and industrial control and other distributed control areas.CAN only defines the data link layer and the physical layer, and the standardization of application layer work is still in progress.In recent years, CAN bus has developed into a mainstream bus network system bus,and based on CAN bus communication protocol vehicle application layer protocol communication standard SAE J1939. J1939 agreement is the American Society of Automotive Engineers SAE (Society of Automotive Engineer) issued to CAN2.0B as the core of the network of vehicle network serial communication and control protocol. J1939 has become the largest vehicle used in a communication protocol.SAE J1939 Is a high-speed communication network that is used to support real-time closed-loop control between electronic control units located in different locations in the vehicle.SAE J1939 protocol mainly includes SAE J1939-21 data link layer sub-protocol,J1939-71 application layer sub-protocol and SAE J1939-81 network management layer sub-protocol. Expounded the J1939 in the identifier format and usage,three communication methods.

This paper first starts with the vehicle controller of pure electric vehicle, summarizes the structure, working mode and function requirements of the vehicle controller, and then introduces the development history of CAN bus, the six technical characteristics and the CAN bus network stratification and reporting Text transmission, the frame format and data error detection made a more detailed description. Chapter 4 analyzes the various levels of J1939: physical layer, data link layer, network management layer and automobile application layer. With reference to J1939 protocol, CAN high-level protocol of automobile network control and control system is designed and implemented. Finally, simulation tests were carried out with LabVIEW.

Key Words: VCU;CAN;J1939; LabVIEW

目 录

第1章 绪论 1

1.1 设计目的意义及国内外研究现状 1

1.1.1目的意义 1

1.1.2 国外研究状况 2

1.1.3 国内研究状况 3

第2章 纯电动汽车整车控制器概述 4

2.1 整车控制器概念 4

2.2 整车控制器结构组成 4

2.3 整车控制器功能需求 5

2.4 整车控制器的工作模式： 5

2.5 整车控制器主要功能 6

2.6 本章小结 7

3.1 CAN总线协议 8

3.1.1 CAN总线概述 8

3.1.3 CAN总线的优势 9

3.2 CAN总线发展历史及特点 10

3.2.1 CAN总线发展历史 10

3.2.2 CAN总线六大特点 11

3.2.3 CAN应用举例 12

3.3 CAN总线的网络分层 12

3.3.1 物理层 12

3.3.2数据链路层 12

3.3.3 CAN 应用层介绍 13

3.4 CAN技术介绍 15

3.4.1 位仲裁 15

3.4.2 CAN与其它通信方案的比较 15

3.5 CAN的报文传输 16

3.5.1 帧类型 16

3.5.2 数据错误检测 20

3.5.3硬同步和重同步 21

3.6 汽车网络系统应用层协议 21

3.6.1J1939协议概述 21

3.6.2 J1939协议具有如下特点 22

3.7 J1939 通信协议网络分层 22

3.8 J1939协议的编码规则 24

3.9 参数规定 25

3.10 整车控制器报文 28

3.10.1 MCS1控制报文(0x6400) 28

3.10.2 BMS控制报文 29

3.11 电机控制器 30

3.11.1 电机控制器 30

3.12 电池管理系统 33

3.13 扩展格式（CAN2.0B）说明 35

3.13.1 物理层遵循的原则 35

3.13.2数据链路层遵循的原则 35

3.13.3 应用层遵循的原则 36

3.14 本章小结 37

第4章 整车控制器硬件电路设计 39

4.1 电控系统的组成及工作原理 39

4.1.1 电控系统的组成 39

4.1.2 电控系统的工作原理 39

4.2 整车控制器的功能模块组成及工作原理 39

4.3 CAN收发程序 42

4.3.1 CAN发送程序 42

4.3.2 CAN接收程序 45

4.4 本章小结 48

第5章 搭建试验平台测试设计的CAN通讯协议 49

5.1 搭建测试平台并测试 49

5.2 本章小结 50

第6章 结论与展望 51

6.1 研究结论 51

6.2 研究展望 51

参考文献 52

致谢 53

第1章 绪论

1.1 设计目的意义及国内外研究现状

1.1.1目的意义

自从进入二十世界以来，第二次工业革命给人类带来了巨大福利，汽车的快速发展彻底改变了人们的出行方式，堪称整个汽车史的一次革命。这场变革在便利人们的同时也不可避免的造成了严峻的环境问题和能源问题。汽车的燃油主要从石油中提炼出来，汽车的普及意味着石油资源的大量消耗。据调查研究，美国等发达国家的石油燃料主要从中东地区的海湾国家进口，众所周知，这一地区，战争频发，局势动荡，随时都有可能影响世界经济的走向。广大发展中国家的汽车保有量逐步增加，这必然导致了石油消费量的同步增加，发展中国家的石油消费量一半以上需要依靠进口。除开美国的发达国家例如西欧，日本等国的石油消费几乎全部依赖进口。这种无节制了石油消耗造成了严重的环境问题和能源危机，值得引起每个人的高度重视。我国改革开放以后，经济迅猛发展，各种大型工厂在全国各地如雨后春笋般出现，这种工厂在创造效益的同时必然会消耗大量的能源。我国的石油消耗量在过去的二三十多年中呈现井喷式增长。近年来，我们国家的石油消耗量依旧逐年提高，然而，我国的石油产量却增长缓慢，短期内，这个问题也得不到有效的解决，这种大消耗与低产量之间的落差只能依靠进口来解决，现在，我国已经成为仅此于美国的世界第二大石油进口国家。除了大量消耗带来的能源问题，汽车行业发展带来的环境问题也不容小觑。如今，大城市里家家都有小汽车，有的甚至不止一辆，为了刺激经济发展，许多相对落后地区交通也逐渐便利，大量的汽车尾气排放造成了巨大的环境污染，研究表明，汽车排放尾气中的二氧化碳是导致全球温室效应的主要原因之一。尾气中包含的二氧化硫，氮氧化合物，一氧化碳，碳氢化合物等也会对人体产生不同程度的伤害，老人和小孩长期暴露在这种环境下更加危险。北京，上海等人口密集的大型城市，雾霾问题严重，时刻影响着人们的生活。

为了减轻汽车造成的环境污染，世界各国纷纷制定了各项法规，限制汽车污染物的排放，使用小排量汽车，也陆续推出了一系列汽车排放标准。总而言之，汽车行业百年的发展是一把双刃剑，一方面，给人类文明带来了快速的进步，加快了人们的通勤效率，提高了生活质量，另一方面，其引起的环境问题和能源问题也造成了巨大危害。在这种情况下，势必不能一再推广传统的内燃机汽车，将汽车能源清洁化是世界各国的需求，都在寻找替代传统汽车的新型低污染低耗能汽车。各个知名汽车厂商都投入了巨大的人力，物力，财力以进行研发与推广，电动汽车成为了各大公司的首要选择。

1.1.2 国外研究状况

全世界交易量最大的电动汽车市场当属美国，在2014年时，美国电动乘用车的销售量就高达119710辆，这个数值是其他国家难以比较的。现在，混合动力汽车是美国电动车交易市场最为火爆的产品。美国作为一个汽车产销大国，其发展以福特，通用和克莱斯勒为主导，后起之秀特斯拉在纯电动车方面也做出了突出贡献，这几家公司利用雄厚的资本，超一流的技术研发能力以及领先的制造条件，通过汽车，机械，电子电控，材料等领域的分工协作，研制出电动汽车的各个零部件和技术模块。这几家大型公司之间通力合作，其联合实验室成果颇丰。但是经过十多年的艰辛探索，蓄电池技术依旧成为了拦路虎，以通用为首的汽车厂家不再积极响应推动纯电动车的号召，而是将研发主力转向了燃料电池，这也解释了美国燃料电池汽车产销世界第一的原因。在奥巴马上台后，推出了一系列国家战略，将混合动力汽车率先产业化。在这种战略的引领下，美国各类电动汽车技术成果丰富，逐渐提出了针对混合动力汽车和纯电动汽车的四大类标准，在世界范围内产生了广泛的影响，并成为了汽车工业界的通用标准。截至2012年，美国在纯电动汽车和燃料电池汽车方面的技术专利已经达到了世界总数的23%。