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汽修专业毕业范文
天津职业技术师范大学
TianjinUniversityofTechnologyandEducation
毕业设计
专业:
汽车维修工程教育(高本)
班级学号:
学生姓名:
指导教师:
二〇一四年六月
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
电子驻车制动控制器的CAN节点诊断仿真模型设计
SimulationModelDesignofCANnodediagnosisofElectricalParkingBrake
专业班级:
汽修1001
学生姓名:
陈灏
指导教师:
徐征副教授
学院:
汽车与交通学院
2014年6月
摘要
随着汽车电子化程度变高,针对汽车设计的通信网络CAN(ControllerAreaNetwork)总线的应用越来越普及。
由于电子驻车制动控制器(EPB)的应用越来越多,CAN总线被使用到了EPB上来对驻车制动器进行电子化的实现和控制。
ISO15765协议是一种诊断协议,并且符合CAN总线标准。
它因为汽车厂商们要在汽车上实现UDS协议而被设计出来。
在大量阅读国内外研究资料后,对ISO15765协议的网络层和应用层进行研究。
利用CAN仿真软件对故障功能后进行仿真模型设计,实现EPB的故障诊断测试用例。
利用CANoe语言编辑器CAPL配置诊断文件。
在程序里添加网络节点并且对其添加诊断说明,设置变量,调试级别,设置诊断目标,创建诊断响应和请求。
仿真模型提供的诊断服务有:
确定ECU,读取ECU的输入信号,将输入信号写入执行器,读取ECU内部信息。
利用设计的仿真模型测试EPB控制器,给出测试结果报告,并就数据进行分析。
关键词:
EPB;CAN协议;诊断;CANoe仿真软件
ABSTRACT
Withtheincreasinglyhighlevelofautomotiveelectronics,CANbuscommunicationnetworkdesignedforautomotiveapplicationsarewidelyused.Electronicparkingbrakecontroller(EPB)anincreasingnumberofapplications,CAN-buswasusedtotheEPBtorealizationofelectronicparkingbrakeandcontrol.
ISO15765diagnosisProtocolisacommunicationprotocolbasedonCANprotocol.BecausecarmanufacturerstoachieveUDSProtocolvehiclesaredesigned.Readtheresearchinformation,thenetworklayerandapplicationlayeroftheISO15765Protocolforresearch.
IwillusesimulationsoftwareCANsimulatethefaultfeaturemodeldesign,andrealizingEPBtroubleshootingtestcases.UsingCANoeCAPLlanguageEditortoconfigurethediagnosticfiles.Addingnetworknodeandaddittotheprogramtroubleshootinginstructions,thensetavariabletothedebuglevelsetdiagnostictargets,thencreateadiagnosticresponsesandrequests.Diagnosticservicesprovidedbythesimulationmodel:
determinetheECU,readstheinputsignalsoftheECU,thenwritetheinputsignaltoactuator,ECUinternalinformationisread.UsingdesignsimulationmodeltestofEPBcontrollersandtaketestresultsreportanddataanalysis.
KeyWords:
EPB;CANprotocols;Diagnosis;CANoesimulationsoftware
5.4.4使用CAPL仿真ECU或测试仪19
1引言
1.1研究背景
越来越多的高档汽车将传统的驻车制动器换成了电控机械驻车制动器。
传统的驻车制动器要求驾驶员在停车后使劲拉起手制动杆或者脚踩辅助驻车制动踏板才能保证车辆不溜车。
电控机械驻车制动又称电子驻车制动(ElectricalParkBrake),用一个按键开关代替手制动杆控制驻车制动系统。
开关连接EPB控制单元和驻车制动执行电机。
当按下开关时,控制单元控制执行电机工作达到驾驶员的意愿。
EPB控制单元通过总线与ESP系统及ABS系统连接,实现车辆的自动停止和行驶中的应急制动。
运用在EPB系统中作为媒介在EPB控制单元和驻车制动执行电机的是总线,汽车应用的最多的是CAN总线,CAN总线被研制出来是为了解决乘用车的串行通信的。
目前欧洲的汽车制造商们基本上都使用CAN总线来连接汽车上各部分系统,其余地区的汽车厂商商也开始制造装载CAN网络的车辆。
随着汽车的电控系统越来越复杂,电子驻车制动系统的电子控制不仅仅局限于停车制动,汽车厂商们希望安装在两个后车轮边的制动钳能够与普通制动系统有相似的作用。
在紧急情况下,通过按动EPB按钮使得汽车获得较大制动力保证车内人员安全。
在交通拥挤的情况下不需要驾驶员频繁踩制动踏板,EPB会智能停车制动。
1.2研究内容
CAN总线因其高速性能好被各种车辆广泛采用。
CAN总线用屏蔽和非屏蔽的双绞线做成,在某些情况下,一根线断路或者是一根甚至两根线短接,都不会影响总线的工作。
高速CAN的速率从5Kbit/s到1Mbit/s不等,物理层允许设备间直接用线缆连接。
低速/容错CAN的速率从5Kbit/s到125Kbits/s。
这样使得CAN总线连接失败的时候通信还能继续不会中断。
高速和低速/容错CAN设备不可能在同一个网络中使用,这是因为在低速/容错CAN网络中每个设备都有特定的终端,终端类型不同,不能使用同一速度的网络。
最近几年汽车网络诊断通信标准ISO15765的应用越来越广泛,它基于CAN总线,符合现代汽车网络总线系统的发展趋势,以后有望成为汽车行业的通用诊断标准。
但其技术新颖且诊断技术开发应用方面尚未成熟。
根据OSI参考模型,ISO15765将通信系统分为物理层、数据链路层、网络层和应用层。
应用层是根据IS014229-1和IS015031-5标准中诊断服务的内容定义的,融合了一些汽车厂商自己制定的诊断服务,具备测试监控、诊断管理等功能。
网络层主要为应用层服务,使不同网络节点间的数据互相通信。
在IS015765的结构中,每层通信层都为上层网络提供服务接口,上层访问预留的服务接口与下层的信息交换。
在EPB的故障诊断实例中,利用德国Vector公司开发的CANoe软件一款总线开发软件,可以实现测试仪器的功能,并且能够根据用户要求提供相应诊断服务,支持对整车的CAN通信网络进行建模、仿真、测试和开发。
起初只支持CAN总线,后来加入LIN、FlexRay、MOST等。
利用CANoe可以对ECU进行开发、测试和分析。
1.3研究目的及意义
CANoe可以建立仿真模型,进行ECU的功能评估。
仿真模型可以对汽车EPB系统进行诊断测试。
CANoe具备测试功能,可以进行自动测试,生成测试报告。
基于CANoe实现EPB诊断仿真模型设计,完成EPB的CAN节点诊断仿真模型设计说明书测试EPB控制器,给出测试结果报告。
通过对EPB知识的学习,CAN总线的了解和学习CANoe的使用,从而近距离接触汽车先进技术,学习和使用一系列平时用不到的高科技工具,对以后的生活学习有很大的帮助。
2EPB系统介绍
2.1EPB的工作原理
当驾驶员按下驻车制动按钮开始制动车辆时,EPB通过其ECU的加速度计测算汽车所在平面的坡度,计算出车辆在斜坡上因重力产生的下滑力。
ECU启动驻车制动执行电机工作,对左右后制动钳实施制动确保车辆能够平稳停在斜坡上。
当汽车启动时,ECU通过离合器踏板上的位移传感器和节气门开度大小感知汽车发动机牵引力的大小并且计算出需要施加的制动力。
EPB能够自动调整因牵引力产生而平衡掉的下滑力的制动力。
当发动机牵引力足够时,ECU驱动执行电机解除制动实现车辆顺畅起步。
2.2EPB结构
由于电子技术发展极为迅速,EPB的普及率越来越高,各汽车厂商推出的EPB结构和功能五花八门。
虽然工作原理相似,但是存在着不小的个体差异。
为了便于叙述,下面以大众迈腾的电子驻车制动系统作为分析实例。
迈腾电子驻车制动系统组成如下下图所示:
图2-1迈腾电子驻车制动系统组成
2.3EPB功能
2.3.1驻车功能
当按下驻车按钮时,ECU驱动执行电机实现驻车功能。
按钮在汽车非启动状态下同样适用。
为了防止驻车制动误解除,发动机点火后,踩制动踏板的同时按下按钮才能将EPB解除。
若驾驶员在车门关闭,系好安全带的情况下点火,挂挡给油,该系统会自动解除制动。
2.3.2动态起步辅助功能
在下面条件满足时,该系统起作用:
图2-2启动环境
●驾驶员侧车门关闭
●系好安全带
●发动机点火
满足上述条件时,驾驶员可不用按动驻车按钮,只要按步骤正常启动汽车,就可以起步,后轮的制动会自动解除。
2.3.3紧急制动功能
当制动踏板失灵的时候,驾驶员可长按驻车按钮,使汽车紧急强制动。
在遇紧急情况的时候驾驶员长按驻车制动按钮,EPB控制ESP工作对车轮进行制动,产生最大6m/s2的制动减速度。
ECU还会综合当时的车速,当车速在7km/h以下时由电机实现制动,而当车速在7km/h以上时由ESP控制液压回路制动。
根据当时的情况选择自动激活ESP或者ABS功能,保证车辆不会出现危险工况。
2.3.4自动驻车功能
在以下条件满足时,该系统起作用:
●驾驶员侧车门关闭
●系好安全带
●发动机点火
图2-3EPB实物图
按下副仪表板上的AutoHold按钮实现自动驻车功能。
激活该功能以后,在路面上行驶是如果遇到红灯或者堵车的时候不需要踩制动踏板或者按下驻车制动按钮,只需要停止踩加速踏板汽车会自动制动。
当汽车继续行驶时,驾驶员只需轻踩加速踏板就可以平顺起步。
3CAN总线介绍
3.1CAN概述
CAN总线全称控制器局域网,是德国BOSCH公司旨在解决现代汽车中众多ECU之间的数据交换问题设计出的一种车载网络。
目前已在各大汽车厂商中占据了很重要的地位。
随着现代汽车的电控系统和通讯手段越来越多,传统布线方式,即用导线进行点对点的连接已经不能适应越来越复杂的汽车电路,不仅导线非常长,而且装配复杂故障率高,而CAN线上某一单元出现故障不影响其他单元的工作。
不同数据在CAN总线上的传输速率不一样,像发动机电控系统这类实时控制数据实行高速传输,车身调节系统进行低速传输,其他比如多媒体系统为中速传输。
3.2CAN基本概念
CAN2.0技术规范相对于CAN1.2有了考虑地址范围扩大的需要,原先的地址由11个识别定位,而为了使定义的地址范围更宽,引入了扩展格式,由29个识别符定位。
用户在不需要使用扩展格式的时候仍然可以选择旧的格式。
为了兼容CAN2.0设定的标准,所有的CAN仪器都必须做出兼容的格式说明或者两种不同格式的说明。
1.报文:
总线上的信息用不同的固定报文格式发送,但长度受到限制。
总线空闲任何连接在总线的单元都可开始发送新报文。
2.信息路由:
在CAN系统中,一个CAN节点不使用有关系统结构的任何信息(如站地址)。
包含一些重要概念:
系统灵活性-节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下,被接于CAN网络;成组-由于采用了报文滤波,所有节点均可接收报文,并同时被相同的报文激活;数据相容性-在CAN网络内,可以确保报文同时被所有节点或者没有节点接收,因此,系统的数据相容性是借助于成组和出错处理达到的。
3.位速率:
不同的系统,CAN的速度不同。
在一个给定的系统里,位速率是唯一的,并且是固定的。
4.远程数据请求:
通过发送远程帧,需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。
数据帧和相应的远程帧是由相同的识别符命名的。
5.优先权:
总线访问期间,识别符定义-静态的报文优先权。
6.仲裁:
任何单元都可以发送报文只要总线处于空闲状态、如果同时有2个或者两个以上的单元开始发送报文就会发生访问冲突,解决这一冲突可以通过使用识别符的位形式仲裁的方法,仲裁的机构确保时间和信息不会发生损失,当具有相同识别符的数据帧和远程帧同时初始化时,数据帧优先于远程帧,在仲裁期间,每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较,若电平相同,则这个单元可继续发送,若发送的是一“隐性”电平而监控视是一“显性”电平,那此单元就失去了仲裁,必须退出发送状态。
7.错误检测:
要进行检测错误,必须采取以下措施:
•监视(发送器对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较)
•循环冗余检查
•位填充
•报文格式检查
8.故障界定:
CAN节点能够把永久故障和短暂扰动区别开来。
故障的节点会被关闭。
9.总线值:
总线有二个互补的逻辑值:
“显性”或“隐性”。
“显性”位和“隐性”位同时传送时,总线的结果值为“显性”。
比如,在总线的“写与”执行时,逻辑0代表“显性”等级,逻辑1代表“隐性”等级。
10.应答:
所有的接收器检查报文的连贯性。
对于连贯的报文,接收器应答,对于不连贯的报文,接收器做出标志
3.3CAN物理层
3.3.1拓扑结构
高速CAN拓扑结构如下图所示:
图3-2高速CAN拓扑结构
表3-1
参数
符号
单位
数值
最小
名义
最大
总线长度
L
M
0
40
支线长度
I
M
0
0.3
节点长度
D
M
0.1
40
3.3.2总线电平
高速CAN电平如下图所示:
图3-3高速CAN电平
CAN_H的隐性电平为2.5V,显性电平为3.5V。
CAN_L的隐性电平为2.5V,显性电平为1.5V。
低速CAN电平如下图所示:
图3-4低速CAN电平
CAN_H的隐性电平为0V,显性电平为3.5V。
CAN_L的隐性电平为5V,显性电平为1.5V。
3.3.3位定时要求
标称位速率:
一理想的发送器在没有重新同步的情况下每秒发送的位数量。
标称位时间:
标称位时间=1/标称位速率
标称位时间被划分成了几个不重叠时间的片段:
同步段(SYNC_SEG)
传播时间段(PROP_SEG)
相位缓冲段1(PHASE_SEG1)
相位缓冲段2(PHASE_SEG2)
位时间如图3-5所示。
图3-5位时间
3.4CAN数据链路层
3.4.1CAN报文的帧类型
报文传输由四种不同的帧类型所表示和控制,分别是数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。
数据帧:
由帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结尾组成。
图3-6数据帧
远程帧:
通过发送远程帧,作为某数据接收器的站通过其资源节点对不同的数据传送进行初始化设置。
远程帧由帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧末尾组成。
图3-7远程帧
错误帧:
由两个不同的场组成。
第一个场是不同站的错误叠加的地方,第二个场是错误界定符。
图3-8错误帧
过载帧:
包括两个场分别是过载标志和过载界定。
图3-9过载帧
4CAN诊断
4.1诊断基本概念
现代汽车的诊断和以前已经大不相同,允许在不解体的情况下通过接入外部诊断设备确定汽车的技术状况,对汽车的发动机系统,地盘电控系统以及各电气设备进行诊断,确定汽车的情况。
4.2诊断的发展
自从六十多年前电子控制技术被用到汽车上以来,汽车越来越依赖电控设备,汽车的电子化程度也越来越高。
然而一对一的单线导通导致存在大量复杂的线束,不仅使汽车的排布越来越难,整车重量大量增加,而且维修难度非常大,造成生产成本和维修成本大幅度提高。
汽车设备的ECU引入使电子设备的智能化大大提高。
它不仅使自己控制的设备具有更快捷的速度,更可靠的运转性能和更低廉的价格。
但是新的问题随之而来。
ECU如果出现了故障,维修非常麻烦,因为仅从外在故障无法判断是该系统的问题还是电控单元出现问题。
针对这种情况,汽车制造企业考虑在汽车上加载自诊断(ONBoardDiagnosticsModule,OBD)模块,用以监测电子控制模块的运行情况。
当ECU出现问题时,维修人员可以通过诊断设备连接OBD预留的接口进行诊断。
OBD在生产的时候会预先设置各种故障码用以对各种故障进行编号,维修人员根据诊断仪上的故障码跟实际故障一一对应找出问题所在。
然而汽车的电子化程度变高,很多设备拥有自己的ECU,不仅ECU之间需要互相通信,而且有的动作需要从非自己管辖下的传感器读取信息,这样ECU还要将导线连至其他各个传感器使得线束再次大量增加。
在这种情况下,BOSCH公司研发了针对汽车的通用串行协议-CAN总线。
总线使得通信线束排布变得简洁。
CAN总线允许线上各单元自由通信,而且提供了高中低不同的传输速率供不同的设备选择。
信号传输变得简单,诊断系统也变得不再复杂。
4.3诊断系统结构
ISO15765协议就是在CAN总线上实现ISO14229协议,ISO14229协议即UDS协议,它定义了车辆通用诊断服务(UniversalDiagnosticService,UDS)。
这套服务标准使得车辆允许接入外部诊断仪并且控制ECU进行诊断。
但是ISO14229只定义了应用层的服务,而应用非常广泛的ISO15765相对于OSI参考模型来说定义了四层,分别是物理层、数据链路层、网络层和应用层。
图4-1CAN线诊断示意图
如图4-1所示,外部诊断设备在应用层的诊断软件在应用层请求对CAN节点进行诊断服务。
将请求服务相关报文通过在网络层提供的服务接口发送到网络层,在网络层中将报文根据CAN2.0协议相关标准将报文按标准格式打包,通过数据链路层提供的服务接口发送到下层。
在数据链路层报文被发送到物理层的CAN_L线上,在总线里传输。
由于有识别符的存在,待诊断的CAN节点通过识别符对报文进行识别后做出反应。
该报文到达待诊断节点时被此节点的数据链路层接收,并且提交到网络层进行解包工作。
报文在分析结束后被进一步提交到应用层进行解读工作,请求该节点的设备接受外部诊断设备的诊断测试服务。
该CAN节点设备做出应答,并且发一条应答报文。
和请求报文相似,应答报文在应用层生成被发送到网络层进行打包并且依次发送到数据链路层和物理层的CAN_H线上。
诊断设备端经过识别后提取该条报文依次往上经过数据链路层和网络层。
解包解读后在应用层通知诊断设备做好应答准备。
此后诊断设备开始发送下一条报文进行进一步的诊断工作。
4.4CAN诊断-网络层(ISO15765-2)
4.4.1消息类型
表4-1显示了各类CAN消息的协议控制信息(PCI)字节的结构。
表4-1
数据域结构
帧类型
字节1
字节2
字节3
字节4-8
位7-4
位3-0
单帧(SF)
0000
SF_DL
数据1
数据2
数据3-7
首帧(FF)
0001
FF_DL
数据1
数据2-6
后续帧(CF)
0010
SN
数据1
数据2
数据3-7
流控制(FC)
0011
FS
BS
Stmin
N/A
注:
SF_DL表示4个位的单帧数据长度;FF_DL表示12个位的首帧数据长度;SN表示序列编号FS表示数据流状态;BS表示块大小;Stmin表示最小间隔时间。
4.4.2单帧传送
正常寻址模式下,单帧消息类型的最大数据长度为7个字节,其中PCI的高半字节设置为0000b。
PCI的低半字节表示单帧的数据长度。
4.4.3多帧传送
在传送过程中诊断数据被网络层拆分成一个首帧和多个连续帧。
正常寻址模式下,首帧消息类型的数据长度大于7字节,它和一个或多个后续帧并用。
其中PCI第一个字节的高半字节设置为0001b,第一个字节的低半字节和第二个字节表示首帧的数据长度。
第一段数据构成的CAN帧就是首帧,包含了该分段数据的长度信息;连续帧是剩下分段构成的CAN帧,每个数据帧都包含拆分的顺序编号。
连续帧在首帧之后,其中PCI的高半字节设置为0010b。
接收器根据编号重组服务数据。
图4-2多帧传送结构
4.4.4寻址模式
物理寻址模式:
当用物理寻址模式来做出请求时,ECU就可以执行激活的诊断会话所支持的服务。
而来自ECU的回应则在诊断仪的地址上接收。
功能寻址模式:
在诊断仪请求的信息不是在特定的某个模块的情况时,请求消息应以功能寻址模式来作出请求。
4.5CAN诊断-应用层和会话层(ISO15765-3)
4.5.1应用层和诊断会话层的时序要求概述
应用层和诊断会话层的时序要求基于下列两点做出区别:
a)物理寻址通讯的默认会话期间和非默认会话期间。
b)功能寻址通讯的默认会话期间和非默认期间。
基于以上两点的判断,还要考虑ECU可能发送78h代码的否定回应消息来请求扩展回应时间的情况。
4.5.2应用层和诊断会话层的时序定义
默认诊断会话期间的应用层时序数值定义如表4-3所示。
表4-3
时序参数
描述
类型
Min
Max
P2CAN_Client
成功传送请求消息和开始回应消息之间客户端的等待时间
定时器重新载入值
P2CAN_Server_max
+△P2CAN
N/A
P2*CAN_Client
接收到代码78h的否定回应消息和开始回应消息之间客户端的扩展等待时间
定时器重新载入值
P2*CAN_Server_max
+△P2CAN_rsp
N/A
P2CAN_Server
接收到请求消息和开始回应消息之间的服务器执行时间要求
执行要求
0
50ms
P2*CAN_Server
传送了代码78h的否定回应消息和开始回应消息之间服务器的执行时间要求
执行要求
0
5000ms
P3CAN_Client_Ph-ys
没有要求回应消息时,成功传送了的物理寻址请求消息后,客户端等待传送下一个物理寻址请求消息的最小时间
定时器重新载入值
P2CAN_Server_Max
N/A
P3CAN_Client_F-unc
没有回应消息或者请求的数据只是被功能请求的部分服务器所支持的情况下,成功传送了功能寻址请求消息后,客户端等待传送下一个功能寻址请求消息的最小时间
定时器重新载入值
P2CAN_Server_MaxN/A
N/A
注:
参数△P2CAN考虑任何系统网络设计相关的延时,
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