基于CAN總線的汽車電子實驗室建設(shè)現(xiàn)狀分析

李媛媛 梁鑒如 羅曉 陳小龍 闞秀

摘 要 CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。根據(jù)自動化（汽車電子工程）（中美合作）專業(yè)的需求，建設(shè)基于CAN總線的汽車電子實驗室，本文對實驗室建設(shè)一年來在學(xué)生培養(yǎng)、教學(xué)科研、國際國內(nèi)交流中取得的成果及實驗室現(xiàn)狀進行總結(jié)和分析，為下一步的專業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 汽車電子 CAN總線 實驗室建設(shè)

中圖分類號：TP273文獻標(biāo)識碼：A

Research on the Status of Automotive Electronics

Laboratory Construction with CAN Bus

LI Yuanyuan， LIANG Jianru， LUO Xiao， CHEN Xiaolong， KAN Xiu

（College of Electronic and Electrical Engineering，Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620）

Abstract CAN bus is an international standard field bus with higher communication rate， cost-effective， and easy to implement. According to the demand of Automation （Automotive Electronics Engineering）， our department had constructed the laboratory of Automotive Electronics with CAN bus. This paper has analyzed and summarized the achievements of students training， teaching， researching and international exchanges in the past， and to lay the foundation for further development.

Key words Automotive Electronics; CAN Bus; Construction of laboratory

CAN總線是一種專門用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，與一般的通信總線相比，具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設(shè)計，在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。①同時，世界上一些著名的汽車制造廠商，如BENZ（奔馳）、BMW（寶馬）、PORSCHE（保時捷）、ROLLS-ROYCE（勞斯萊斯）和JAGUAR（美洲豹）等都采用了CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。②

因此，學(xué)習(xí)和研究CAN總線對自動化尤其是汽車電子工程專業(yè)學(xué)生具有一定的意義。在學(xué)校的支持下，本專業(yè)申報基于CAN總線的汽車電子實驗室建設(shè)項目，經(jīng)過一年時間的建設(shè)，該實驗室已初具規(guī)模，現(xiàn)將實驗室建設(shè)現(xiàn)狀作以分析，并對取得的成果進行總結(jié)。

1 項目建設(shè)的目的、意義及對社會發(fā)展的貢獻

自動化（汽車電子工程）（中美合作）專業(yè)，是我校與勞倫斯理工大學(xué)合作成立的專業(yè)，雙方共同合作辦學(xué)已有近10年時間，該專業(yè)主要以培養(yǎng)汽車電子類研發(fā)、技術(shù)人才為主，借鑒美國工程師培養(yǎng)的模式，強調(diào)學(xué)生的實踐動手及創(chuàng)新能力，為社會提供了大量優(yōu)秀的具有汽車電子知識背景的專業(yè)技術(shù)人員。目前該專業(yè)有汽車故障診斷及檢測實驗室、汽車發(fā)動機電控實驗平臺、汽車儀表實驗臺架、汽車起動系實驗臺架、汽車發(fā)動機拆裝等實驗設(shè)備。當(dāng)今CAN總線已經(jīng)作為主流現(xiàn)場總線之一的工業(yè)環(huán)境下，有必要建立一整套基于CAN總線的汽車電子實驗平臺，通過CAN總線/LIN總線完成汽車內(nèi)部不同測量元件、執(zhí)行部件與主控單元之間的數(shù)據(jù)通信與控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、故障診斷等功能，并可根據(jù)教學(xué)與科研需要進行后續(xù)擴展。

2 項目建設(shè)解決主要問題

2.1 加強本科生教育

汽車電子專業(yè)現(xiàn)設(shè)專業(yè)課程主要包括：汽車電子控制技術(shù)、汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)、汽車底盤控制系統(tǒng)、汽車電器及儀表、汽車微控制器應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用等。實驗室建設(shè)完成，可以為學(xué)生提供基本涵蓋CAN總線課程的相關(guān)實驗平臺，加強學(xué)生對理論知識的掌握，服務(wù)于教學(xué)。在此基礎(chǔ)上，還可以通過廣泛開展大學(xué)生創(chuàng)新活動、開設(shè)創(chuàng)新實驗等手段，增強學(xué)生動手能力、提高創(chuàng)新意識、培養(yǎng)高水平實用性人才。

2.2 研究生培養(yǎng)

該實驗室建設(shè)完成后，可以在硬件上增強我院汽車電子專業(yè)競爭實力，為機械電子專業(yè)研究生的教育打下堅實基礎(chǔ)，并為申報控制工程專業(yè)碩士學(xué)位點提供可靠保障。

2.3 服務(wù)教師科研

實驗室建設(shè)完成后，由于其本身的先進性和完整性，可以為教師的科研活動提供一整套完善可靠的實驗解決方案，可以幫助教師增強科研能力，提升科研水平，提高教學(xué)質(zhì)量。

3 建設(shè)目標(biāo)

3.1 人才培養(yǎng)

以培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的高素質(zhì)汽車電子專門人才為首要目標(biāo)。通過車身電子總線系統(tǒng)實驗平臺的建立，為提高研究生及本科生的實踐動手能力提供有力保障，讓學(xué)生不僅有所學(xué)，而且有所為、有所思、有所獲。學(xué)生通過該平臺的親身操作，能夠理論聯(lián)系實際，更好地掌握理論知識，不僅提高了學(xué)生的就業(yè)競爭力，也使他們在畢業(yè)后能夠更快地融入到與汽車電子產(chǎn)業(yè)相關(guān)的工作崗位中去。

3.2 師資培養(yǎng)

該平臺的建立后，教師可以在其基礎(chǔ)之上仿照汽車內(nèi)部實際環(huán)境，開發(fā)相應(yīng)的仿真實驗，不僅可以提高教師自身的動手能力，還能夠增強教師的實踐基礎(chǔ)及應(yīng)用水平。

3.3 科研支撐

教師素質(zhì)的提高，除了動手能力之外，還要求具有較好的科學(xué)研究能力。通過該實驗平臺的建立，可以為教師科研提供有力的支持。在此基礎(chǔ)上，教師不僅可以研究軟硬件設(shè)備，而且可以對總線通信協(xié)議進行深入研究，為教師提高科研水平提供可靠保障。

3.4 國際交流

以該項目的建設(shè)為契機，邀請國內(nèi)外專家學(xué)者來校開展學(xué)術(shù)講座、開設(shè)前沿課程，擴展教師與學(xué)生的視野;教師也可以帶著自己的研究成果進行學(xué)術(shù)交流與訪問。這樣不僅能夠提高教師的整體實力，同時也增加了學(xué)校的國際知名度。

4 建設(shè)內(nèi)容與方案

4.1 能夠開設(shè)的實驗項目

4.1.1 CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實驗演示系統(tǒng)的研究

該實驗平臺能夠進行CAN總線的正常通信實驗：包括儀表節(jié)點、車窗節(jié)點功能演示;能夠進行CAN總線通信故障模擬及干擾狀態(tài)下通信實驗;能夠進行LIN總線正常通信實驗：包括雨刷節(jié)點、大燈節(jié)點、轉(zhuǎn)向燈節(jié)點功能演示;能夠進行LIN總線通信故障模擬及干擾狀態(tài)下通信實驗，基本完成本科教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。

4.1.2 AutoCAN總線開發(fā)系統(tǒng)的研究

通過該實驗平臺能夠進行CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃，CAN虛擬仿真、半實物仿真，以及進行總線測試等工作，從教學(xué)向科研進行水平提升。

4.1.3 CANspider干擾發(fā)生器系統(tǒng)的研究

通過干擾發(fā)生器對CAN總線節(jié)點或CAN總線系統(tǒng)施加數(shù)據(jù)鏈路層錯誤、對CAN總線節(jié)點或CAN總線系統(tǒng)施加模擬物理層故障，能夠檢測CAN總線系統(tǒng)在錯誤或故障情況下的行為特性，并檢測CAN總線節(jié)點從錯誤或故障狀態(tài)下恢復(fù)的能力。

4.1.4 Emulin和Visulin仿真開發(fā)及測試

通過實驗平臺中引入該工具能夠進行硬件仿真架構(gòu)，進行精確時間參數(shù)測試、完成脫離PC的調(diào)試、測試工作。同時完成LIN的開發(fā)測試及上位機的軟件測試，為后續(xù)進一步擴展該實驗平臺打下基礎(chǔ)。

4.2 科學(xué)研究及開發(fā)

4.2.1 車用傳感器總線檢測及控制系統(tǒng)開發(fā)

在該實驗平臺下自行開發(fā)傳感器信號的采集系統(tǒng)、車輛轉(zhuǎn)速信號的實時測量系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)ν诫姍C進行變頻控制，通過A/D高速采集卡進行數(shù)據(jù)采集，同時能夠?qū)/O口采集的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。

4.2.2 車用儀表盤的CAN總線數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)

在該實驗平臺下自行開發(fā)車用儀表盤的CAN總線數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過CAN總線進行數(shù)據(jù)包的傳輸，調(diào)取并更改數(shù)據(jù)包的字節(jié)內(nèi)容，還能夠模擬實際儀表盤變化、通過波形發(fā)生卡產(chǎn)生基準(zhǔn)信號，并對I/O采集的信號進行檢測。

4.3 對學(xué)生的培養(yǎng)

根據(jù)上述分析，該實驗平臺硬件及軟件環(huán)境搭建完成后，不僅能夠滿足汽車電子工程專業(yè)學(xué)生相關(guān)課程教學(xué)及實驗，同時相關(guān)教師及研究生能夠利用該平臺進行車用傳感器檢測及控制系統(tǒng)的開發(fā)，也能夠利用該平臺自行開發(fā)車用儀表盤的CAN總線數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，還能夠開展多項大學(xué)生創(chuàng)新及實驗項目以及畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)研究工作。

4.4 教師隊伍建設(shè)

鼓勵與引導(dǎo)教師積極投入到該領(lǐng)域的研究中來，結(jié)合自身科研需要，充分利用項目資源，充分利用該實驗平臺的軟硬件設(shè)備，開發(fā)并研制適合教學(xué)及科研的相關(guān)工具，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的研究生，達(dá)到教學(xué)與科研雙豐收。

5 實驗室建設(shè)目前取得的成果

5.1 學(xué)生培養(yǎng)成果

通過該實驗室建設(shè)，本專業(yè)新建CAN總線實驗室1個，實驗室內(nèi)新增實驗設(shè)備18臺套，在培養(yǎng)計劃中新開設(shè)實踐教環(huán)節(jié)課程“汽車總線通信綜合實驗”1門，同時申請實驗室建設(shè)項目1項。依托該平臺，成功申請校級研究生創(chuàng)新項目1項、市級大學(xué)生創(chuàng)新項目1項、校級大學(xué)生創(chuàng)新項目2項、校級大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃項目5項，指導(dǎo)本科生畢業(yè)設(shè)計人數(shù)14人;建立校外實習(xí)基地1個，能夠接納60～70人左右的學(xué)生進行認(rèn)識實習(xí)，優(yōu)秀的學(xué)生可以爭取到企業(yè)實習(xí)的機會。

5.2 科學(xué)研究成果

自主開發(fā)傳感器總線檢測及控制系統(tǒng)一套，能夠進行車用傳感器的檢測及調(diào)試;自主開發(fā)車用儀表盤的總線數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)一套，能夠進行車用儀表的CAN總線數(shù)據(jù)檢測及測試。在開發(fā)自制設(shè)備的基礎(chǔ)上申請實用新型專利2項，申請軟件著作權(quán)登記3項，教師及學(xué)生發(fā)表相關(guān)教學(xué)研究論文11篇。

5.3 學(xué)術(shù)交流成果

平臺的建設(shè)促進我院在汽車電子人才培養(yǎng)和科學(xué)研究方面與同濟大學(xué)、上海航盛實業(yè)有限公司等相關(guān)高校和行業(yè)的相互交流，為控制工程專業(yè)碩士學(xué)位點的申報奠定了良好的基礎(chǔ);專業(yè)教師、研究生及本科生也進行相關(guān)培訓(xùn)，并在2012年、2013年參加相關(guān)國際會議，發(fā)表國際會議論文2篇。

6 總結(jié)

通過基于CAN總線汽車電子實驗平臺建設(shè)，不僅滿足汽車電子工程專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)及實驗，也同時滿足教師及機械電子工程專業(yè)碩士研究生進行科研課題的申請及研究，在平臺建設(shè)的一年時間里，取得了多項教學(xué)科研成果，培養(yǎng)一批優(yōu)秀的研究生和本科生，通過后續(xù)研究能力的進一步提高，相信在該實驗平臺上能夠取得更加豐碩的成果，同時能夠帶動汽車電子專業(yè)與產(chǎn)業(yè)結(jié)合，培養(yǎng)企業(yè)需要的人才。

項目支持：本文受“基于CAN/LIN混合協(xié)議的汽車電氣控制總線技術(shù)研究”（編號：nhky-2013-10）項目資助

注釋

① 肖志昂，孫慶忠.CAN總線與RS-232、SPI總線轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計[D].石河子大學(xué)，2011.

② 李爽.車身總線在車輛監(jiān)控系統(tǒng)車載終端中的應(yīng)用與研究[D].中國海洋大學(xué)，2006.