汽车网络诊断与碰撞数据检索系统

摘要

该项目旨在设计一个被称为事件数据记录器(EDR)的重型车辆碰撞数据检索系统，该系统也可用于车辆网络故障分析和诊断系统。就像飞机的黑匣子一样，事件数据记录仪(Vehicle Black Box)是用来记录事故相关信息的，可以通过重建事故前后的情况来分析事故。该系统有助于建造更安全的车辆，改善车祸受害者的待遇，帮助保险公司进行车祸调查，并改善道路状况以降低死亡率。车辆黑匣子使用MEMS惯性传感器自动检测碰撞，并记录事故前后预定义时间段内车辆的运动和驾驶员的动作。它包括用于收集车辆状态和驾驶员动作信息的数据收集设备、用于记录的非易失性存储设备、用于控制该单元的微处理器和用于从位于车辆内的各种传感器和执行器收集数据的车载网络。车辆黑匣子(EDR)不仅记录了碰撞前最后几秒的情况，还记录了碰撞后的情况。因此，设计原则是这样的，它获取最新的数据值，并将它们存储在带有循环序列(RAM)的缓冲区中。当黑匣子感知到事故时，暂停缓冲区刷新，并自动将事故前后的数据传输到非易失性存储器中。

关键字

能，本地互连网络ECU, MEMS, MSSP

介绍

根据世界卫生组织的统计，世界上每年有超过一百万人死于与交通有关的事故。为了应对这种情况，黑箱系统迈出了解决这一跨越国界、威胁全球人民安全和健康问题的第一步。黑盒系统被引入美国部分市场后，被证明是有效的。而在后一种情况下，系统被嵌入到车辆中[3-5]。因此，除了改善事故受害者的治疗和道路状况以降低死亡率，建造更安全的车辆，帮助保险公司进行交通事故调查外，本文的主要目的是开发一个可以安装在世界各地任何车辆上的黑匣子系统。

就像飞机上的飞行数据记录器一样，“黑匣子”技术现在可以在机动车事故调查中发挥关键作用。目前在路上行驶的大量车辆都装有电子系统，可以在发生碰撞时记录信息。这就是为什么要有记录仪，客观地记录车辆在碰撞前、碰撞中和碰撞后的情况，作为对通常来自受害者、目击者和警方报告的主观信息的补充。该系统主要采用两种方法。第一个问题是如何检测和记录车辆数据。第二个问题是如何将记录的数据以简化的方式呈现给用户。为了实现第一种方法，使用了一些主要组件和不同类型的传感器。记录的车辆参数包括:刹车踏板状态、油门踏板状态、车速、转向角度、碰撞时间、碰撞力、碰撞方向、警示灯状态、车头灯状态、刹车灯状态、环境灯状态。

本项目的另一个目标是利用基于知识的诊断技术，设计一个监测和诊断汽车网络的系统。来自多个来源的故障信息用于构建知识库。诊断模块诊断出的网络故障代码和可能原因存储在数据库中。这些代码对生产和服务流程很有帮助。作为CAN应用层协议，SAE J1939由卡车和客车电气电子委员会下属的SAE卡车和客车控制与通信网络小组委员会开发。SAE J1939的目的是为不同的电子系统提供一个开放的互连系统，并允许ecu通过提供标准架构相互通信。LIN协议作为子总线连接较便宜的系统，如头灯和刹车灯。LIN协议降低了主网络的复杂性，同时也降低了系统的总体成本。所有记录的数据都可以在台式计算机上进行监控和分析。用户可以通过发送特殊命令，从记录的数据中监控选定的参数，并获得网络中发生的各种故障的诊断代码。

硬件资源

硬件部分包括安装在车辆上的传感器和黑匣子。该部分主要采集传感器的状态并保存到单片机的EEPROM中。

2.1传感器

2.1.1刹车传感器

制动传感器是一种安装在车辆制动踏板下方的开关。这个开关控制刹车灯。为了知道驾驶员在事故中是否踩了刹车，这个开关连接到微控制器的输入端。

2.1.2灯光传感器

对于某一特定车辆，事故分析中重要的信号灯是闪光灯、刹车灯和尾灯。在分析中需要使用后灯来了解车辆的方向。刹车灯是用来显示后面的司机在事故发生前看到的刹车状态。最后，闪光灯在事故分析中也很有用，以确定司机是否正确使用了它们。

2.2数字处理

为了控制所有这些传感器及其输入，a可以使用[9]。以单片机为原型对系统进行控制。对于这个原型，主要需要一个大的EEPROM，以便记录尽可能多的事故数据和大量的输入。因此，PIC16F877A被使用，因为它有8kb的Flash程序内存，368字节的数据内存，256字节的EEPROM数据内存，15个中断，8个输入通道，5个1/0端口，以及许多其他特性。

汽车中的电子系统集成由来自不同供应商的许多电子设备和电子控制单元(ecu)组成。直到20世纪90年代末，简单设备之间的通信大多是通过使用点对点布线来实现的，这导致了笨重、昂贵和复杂的布线。试图消除布线困难和改进汽车分布式控制系统已成为汽车制造商的一个有趣的问题。在20世纪80年代中期，罗伯特·博世有限公司发明了一个健壮的汽车控制网络，称为控制器区域网络(CAN)。最近，CAN网络不仅在汽车应用中很流行，而且在自动化和控制应用中也很流行。这一事实得到了车辆中越来越多的电控单元的支持。

然而，众所周知，汽车制造商很少自己开发电子设备。他们经常把这项任务外包给不同的供应商。然后，制造商将来自不同供应商的电子设备集成到车辆系统中。因此，网络集成的测试和故障诊断是非常必要的，以确保所有设备能够按照规定正确可靠地相互作用。此外，还需要车载网络诊断，以识别车辆运行过程中发生的任何问题或故障。分布式多电控单元环境下的故障诊断是一项具有挑战性的任务。故障可能由多种原因引起，如ECU本身、can控制器或电线。同时，一个ECU故障可能会导致另一个ECU故障。

数据传输

3.1控制器局域网

CAN是应用[4]中最先进的串行通信协议之一。据估计，2005年大约售出了4亿个CAN节点。在汽车应用中，CAN由于其增强的特性被广泛应用于ecu的通信协议。作为一种通信协议，CAN遵循由国际标准组织(ISO)标准化的开放系统互连模型(OSI)的两个底层。OSI第1层和第2层在用于低速应用的ISO 11519-2标准(125 Kbit/sec)和用于高速应用的ISO 11898标准(IMbit/sec)[5]中进行了描述。每个设备都使用CAN通信控制器来控制总线上连接的设备之间的通信。可以使用仲裁功能来控制连接在同一总线上的设备的访问，以避免传输冲突，从而导致通信错误。尽管如此，当错误发生时，将使用错误管理特性来检测、处理和限制此类错误。例如，发送一个错误帧来通知设备总线上已经检测到错误，以便设备忽略最近发送的消息。CAN的更多细节可以在[5]中找到。 Although CAN has features that tolerate communication faults, permanent and intermittent faults that could not be detected and confined by the error management unit may occur on the bus. Faults could come from any of the parts that form the communication links. For example, if a physical bus connector is intermittently loose, signal levels will fluctuate. This may result in an engine working improperly. The fault, however, could not be easily detected in a service centre. As a result, an automotive network diagnostic system is needed to overcome the problems. In this paper, automotive network diagnosis focusing on the physical layer of CAN and the CAN communication controller is discussed.

CAN通信协议是CSMA/CA协议。CSMA是载波侦听多路访问的缩写。这意味着网络上的每个节点在试图在总线上发送消息(载波感知)之前必须监视总线一段没有活动的时间。而且，一旦这段时间没有活动，总线上的每个节点都有平等的机会传输消息(多路访问)。在CAN协议中，采用了一种无损的位仲裁方法。这意味着即使检测到冲突，仲裁完成后消息仍然保持完整。所有这些仲裁的发生都不会导致更高优先级消息的损坏或延迟。支持非破坏性的位仲裁需要一些东西。逻辑状态需要定义为显性或隐性。传输节点必须监视总线的状态，以查看逻辑状态。可以将逻辑位0定义为显性位，将逻辑位1定义为隐性位。 A dominant bit state will always win arbitration over a recessive bit state, therefore the lower the value in the Message Identifier (the field used in the message arbitration process), the higher the priority of the message.

3.2基于消息的通信

CAN协议是基于消息的协议，而不是基于地址的协议。这意味着消息不会基于地址从一个节点传输到另一个节点。嵌入在CAN消息本身中的是正在传输的数据的优先级和内容。系统中的所有节点都接收总线上传输的每条消息(并确认是否正确接收到消息)。由系统中的每个节点决定接收到的消息是应该立即丢弃还是保留等待处理。根据网络和系统的设计方式，单个消息可以发送给一个特定的节点，也可以发送给多个节点。

CAN协议内建的另一个有用特性是一个节点能够向其他节点请求信息。这称为远程传输请求(RTR)。这与前一段中的示例不同，因为该节点不是等待特定节点发送信息，而是专门请求将数据发送给它。例如，汽车中的安全系统经常从安全气囊等关键传感器获得更新，但它可能不会从油压传感器或低电量传感器等其他传感器获得频繁更新，以确保它们正常工作。安全系统可以定期从这些其他传感器请求数据，并执行彻底的安全系统检查。系统设计者可以利用这一特性来最小化网络流量，同时仍然保持网络的完整性。这种基于消息的协议的另一个好处是，可以向系统添加额外的节点，而不需要重新编程所有其他节点来识别这一添加。这个新节点将开始从网络接收消息，并根据消息ID决定是处理还是丢弃接收到的信息。

33 CAN消息帧描述

3.3.1标准数据帧

与所有其他帧一样，帧以帧开始(SOF)位开始，这是主导状态，允许所有节点硬同步。

3.3.2仲裁字段:SOF后面跟着仲裁字段。仲裁字段由12位组成;11位标识符和远程传输请求(RTR)位。RTR位用于区分数据帧(RTR位显性)和远端帧(RTR位隐性)。

3.3.3控制场:

控制字段由六位比特组成;该字段的第一个位是标识扩展(IDE)位，必须占主导地位以指定标准帧。下面的位，保留位零(RB0)，是保留的，由can协议定义为主导位。控制字段的其余四位是数据长度码(DLC)，它指定消息中包含的数据字节数。

3.3.4数据字段:

这包含正在发送的任何数据字节，并且是由上述DLC定义的长度(0-8字节)。

3.3.5 CRC字段说明

它跟随数据字段，用于检测传输错误。CRC字段由一个15位的CRC序列组成，后面跟着隐性的CRC分隔符位。

3.4本地对接网络

LIN协议是由欧洲汽车制造商联盟设计的一种低成本、短距离、低速网络。它的设计目的是传达开关设置的变化，并对开关的变化做出响应，目的是传达在“人类”时间(数百毫秒)内发生的事件。本应用说明并不打算取代或重新创建LIN协议规范。相反，本文旨在提供总线的广泛概述，并从高层次上介绍它的工作原理、如何实现从节点PICmicro®设备以及它的设计用途。完整的LIN协议规范有望发布。在过去几年中，很少有协议在设计时关注成本效率，并旨在作为简单的多路复用电气系统使用。其中一个协议是LIN(本地互连网络)，它很可能成为汽车行业的事实上的标准。

LIN被许多汽车公司认为是更简单的多路电气网络的最突出的竞争者。这些包括车身电子应用，如电动车窗、镜子、雨刷、锁、座椅和车顶、暖通空调、灯、灯具和指示灯以及仪表盘仪器的控制。市场上有许多旧的和可靠的协议，也有许多新的协议，与LIN相比，它们既有优点也有缺点。大多数协议都是汽车制造商定制的或专有的，其中许多正在逐渐被淘汰。专有协议的例子有克莱斯勒的CCD，丰田的BEAN，福特的UBP和通用的UART (ALDL)。由于这些协议是专有的，它们不会像LIN一样广泛使用。LIN是一种串行通信协议，旨在支持与控制器局域网(CAN)相结合的汽车网络。LIN作为分层网络的最底层，可以在不需要CAN的所有特性的情况下实现与传感器和执行器的低成本通信。

结论

汽车应用中电子设备和网络化嵌入式系统的日益增多，导致故障诊断和测试过程的复杂性越来越高。提出了一种基于知识技术的汽车网络诊断系统。该系统监控和诊断汽车网络。将网络故障代码和可能原因存储在故障数据库中，供生产和服务使用。在实验阶段，利用CAN总线仿真工具方便地完成了通信网络的搭建。为了获得可靠的知识库，在系统知识库的构建中考虑了多种诊断信息源。所建立的黑匣子系统可以在任何车辆上实施。一旦驾驶者开动马达，这个系统就会开始保存相应车辆的事件。最后的21秒总是保存在黑匣子的EEPROM中，如果发生事故，还会保存事故后10秒的事件。

表格一览

数字一览

图1 图2 图3

参考文献

N. Navet等，“汽车通信系统的发展趋势”，IEEE学报，第93卷，第6期，2005年6月，第1204-1223页。 G. Leen和D. Heffernan，“汽车中的数字网络”，计算机与控制工程杂志，1999年，第257-266页。 J. Leohold，“汽车系统的通信需求”，工厂通信系统5吨研讨会，2004年。 T. Gerke和C. Schanze，“虚拟环境中车载网络的开发和验证”，2005年SAE世界大会，底特律，密歇根州，2005年。 W. lawrence, CAN系统工程:从理论到实际应用，Springer-Verlag，纽约，1997。