D O I :１０．１６７９１/j ．c n k i ．s j g
李亚南，王伊瑾
(河北农业大学信息科学与技术学院，河北保定㊀０７１００１ )摘㊀要：针对C A N 总线技术学习内容抽象㊁晦涩及传统实践教学存在的不足，以汽车内C A N 网络为研究对象，结合三维仿真技术，提出构建三维虚拟汽车网络仿真实验平台的实验方案.讨论了实现仿真平台的关键技术和关键设计，并以汽车内网络节点的通信设计实验为例，详细论述了实验设计过程和所涉及的课程知识点.关键词:C A N 总线；汽车网络；三维仿真；实验平台 中图分类号:G ４３４㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:１００２Ｇ４９５６(２０１９)０２Ｇ０２２３Ｇ０４
D e s i g
n a n d r e a l i z a t i o n o f ３Dv i r t u a l a u t o m o t i v e n e t w o r k s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a l p
l a t f o r m L IY a n a n ,WA N G Y i j
i n (S c h o o l o f I n f o r m a t i o nS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,A g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y o fH e b e i ,B a o d i n g ０７１００１,C h i n a )A b s t r a c t :I nv i e wo f t h e a b s t r a c t a n d o b s c u r e l e a r n i n g c o n t e n t o f C A N (c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k )b u s t e c h n o l o g y
a n d t h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a l p r a c t i c et e a c h i n g ,t h i s p a p
e rt a k e sC A N n e t w o r ki na u t o m o b i l ea st h e r e s e a r c h o b j e c t ,c o m b i n e s w i t ht h e３D s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ,p u t s
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i r t u a l v e h i c l en e t w o r ks i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a l p l a t f o r m．T h ek e y t e c h n o l o g i e sa n dk e y d e s i g no f t h e s i m u l a t i o n p l a t f o r ma r ed i s c u s s e d ．B y t a k i n g t h ec o m m u n i c a t i o nd e s i g ne x p e r i m e n to fn e t w o r k n o d e s i na u t o m o b i l e s a s a ne x a m p l e ,t h e p r o c e s so f e x p e r i m e n t d e s i g na n d t h e r e f l e c t i o no f c o u r s ek n o w l e d g e p
o i n t s a r e d i s c u s s e d i nd e t a i l ．K e y w
o r d s :C A Nb u s ;a u t o m o t i v en e t w o r k ;３Dv i r t u a l i t y ;e x p e r i m e n t a l p l a t f o r m 收稿日期:２０１８Ｇ０６Ｇ２７
基金项目：河北省教育厅教学研究项目(２０１７C X C Y ０３７
)；保定市科技支撑计划项目(１５Z N ０１９
)；河北农业大学第十批教学研究项目(２０１８Z D １５)；首批河北省虚拟仿真实验教学项目 汽车中C A N Ｇ
车窗控制单元设计与仿真运行 作者简介：李亚南(１９８４ )，女，河北保定，硕士，讲师，主要研究领域为无线网络技术㊁通信技术㊁计算机应用技术．
E Ｇm a i l :２６１３１５９７＠q q
．c o m ㊀㊀C A N (c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k )
总线技术是工业自动控制领域应用最广的一种控制网络技术[１]
，是工业控制实现网络化㊁信息化的关键技术.C A N 总线广泛应用于汽车网络，简化了车内布线，便于检查维修,
增强了汽车的安全性㊁可靠性，节约了制造成本.本课程的学习不仅要让学生掌握C A N 总线技术的原理与应用，而且要提高学生对网络通信协议的理解和工程实践开发应用能力.
余杭区实验小学课程涉及大量通信概念㊁协议，学习内容抽象㊁晦
涩，单纯的理论教学难以让学生理解和掌握，实践教学是学生学好C A N 总线技术的有效方法.传统的实践方法存在以下不足:(１)汽车台架投入大㊁场地受限㊁维护困难;(２)实验板对网络控制和设计的体现不够;(３
)对课程涉及的知识点的体现和辅助力度不够.针对以上问题，本文提出一套基于C A N 总线的
汽车网络实验系统，采用现代化的软㊁硬件技术构建３D 虚拟仿真实验平台,
最终效果将在一辆虚拟汽车上进行全视角立体仿真展示.
１㊀仿真实验平台相关技术
１．１㊀系统
本实验项目所在的 三维实验平台 ，以计算机仿真技术和网络技术为依托，采用面向对象的软件架构，集实物仿真㊁智能指导㊁虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，具有良好的自主性㊁交互性和可扩展性.如图１所示，本项目将教学平台及资源分为５层，直到
I S S N１００２Ｇ４９５６C N １１Ｇ２０３４/T ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀实㊀验㊀技㊀术㊀与㊀管㊀理E x p e r i m e n t a lT e c h n o l o g y a n d M a n a g e m e n t ㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷㊀第２期㊀２０１９年２月
V o l ．３６㊀N o ．２㊀F e b ．２０１９
完成虚拟实验教学环境的构建.下面将按照从上至下的顺序分别阐述各层的任务与内容
.
图１㊀系统总体架构图
㊀㊀(１)用户层.本设计中用户分为高级管理员㊁管理员以及普通用户，不同级别对应用系统层的可操作内容不同，主要区别在于系统管理应用.超级管理员可以对虚拟实验部分㊁数据展示㊁数据查询和系统管理进行全部操作，管理员则只可操作部分系统管理内容，普通用户只能对虚拟实验进行操作. (２)应用系统层.应用系统层不仅包括数据展示㊁数据查询及系统管理，还根据课程实验需要，利用业务支撑层和数据资源层提供的各种工具，创建虚拟实验教学实例，主要包括汽车C A N通信系统状态模拟㊁汽车C A N 通信故障检修㊁汽车网络节点通信设计等.
(３)业务支撑层.业务支撑层包含业务服务支撑㊁网络传输服务支撑㊁数据传输服务支撑和安全服务支撑，负责支撑应用系统层各功能之间的协调工作.
(４)数据资源层.数据资源层包括空间数据库㊁业务数据库和设备状态库，负责应用系统层及业务支撑层的数据运用.
(５)基础平台层.基础平台层硬件部分包括高性能服务器㊁数据采集设备㊁海量存储和网络，软件部分包括操作系统㊁三维仿真系统和数据库管理系统.基础平台层主要负责前面四层的运行.
矿用猴车
１．２㊀开发技术
本设计通过虚拟现实㊁跨平台应用程序开发引擎U n i t y３D，采用编程语言C＃，对整个系统场景进行搭建，在场景搭建完成基础上对三维建筑㊁模型等元素进
行可视化操作，实现了三维仿真技术㊁三维动画仿真技
术㊁人机交互技术㊁光照模拟技术㊁三维漫游技术等. (１)三维仿真技术.三维仿真技术是利用计算机技术创建逼真的㊁具有多种感知的虚拟环境，用户可通过使
用各种传感设备同虚拟环境中的实体相互作用的一种技
术[２].在该项目中，参与者可以通过数据手套㊁数据衣㊁鼠标㊁键盘与汽车和场景进行交互.通过使用３DS t u d i o M a x构建汽车和修车厂等真实比例为１ʒ１的模型，再通过U n i t y３D调整材质㊁效果等，从而实现三维仿真功能. (２)三维动画仿真技术.三维动画仿真技术能够将真实物体的动作模拟成一个虚拟的动画，三维动画具有真实㊁精确㊁可操作性强等优点[３].本仿真平台中，汽车在接收到指令时的运动模拟㊁汽车与人交互时的动作模拟㊁泊车和驾驶中的运动状态模拟等，所用到的就是三维动画仿真技术.
(３)人机交互技术.人机交互技术是指通过计算机输入㊁输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话
的技术[４].除了常规的鼠标㊁键盘的传统交互方式，本仿真平台还利用数据手套㊁数据衣捕获参与者的 姿势信息 对手和身体的运动进行跟踪，完成自然的人机交互. (４)光照模拟技术.本平台中所有场景的灯光烘焙都使用了光照模拟技术，例如修理厂场景屋顶上的灯光以及物体影子的模拟㊁户外行驶中汽车的光照和
湖南警察学院学报４２２实㊀验㊀技㊀术㊀与㊀管㊀理
阴影效果等.系统将不同的光照信息，如户外的阳光㊁修理厂室内的灯光保存在光照贴图的不同通道里，通过S h a d e r 将这些信息进行处理，动态地为场景调整不同的光照风格.
(５
)三维漫游技术.本仿真平台中，在对汽车的观测和与汽车的互动操作中都广泛使用了三维漫游技术.参与者可从任意角度和距离并选择任意精细程度，对仿真场景和汽车模型进行身临其境的全方位审视.例如在对汽车的驾驶操作过程中，参与者可以在
操作者 和 旁观者 模式中选择并自由切换.２㊀实验内容设计
以汽车网络节点和通信设计中的 车窗控制单元
设计与仿真运行 实验为例.实验的主要任务是设计一个基于C A N 总线的汽车车窗通信网络，该实验包括智能节点硬件的设计及通信协议的设计和仿真.实验采用闯关式任务法，把一个整体的设计项目细化成６个层层递进的任务,
实验任务主要界面如图２所示.每个任务目标明确，内容完整，让学生能有的放矢地去把握.实验任务涉及尽可能多的知识点，考虑单个任务与整个教学内容之间的联系，涵盖了课程的多项知识与技能
.
图２㊀车窗控制单元设计与仿真运行实验任务主要界面
２．１㊀搭建汽车的C A N 数据总线网络
此为第１项任务，即搭建汽车C A N 网络中的各个控制单元，宏观地认识汽车C A N 通信系统的主要控制单元及整体体系结构.
汽车网络中，根据各控制单元对通信速度的不同需求，通常设置成两种不同通信速度的C A N 总线，即汽车的C A N 总线分成低速网和高速网两个通信网络，由网关控制器(g a t e w a y c
o n t r o l l e r )协调高㊁低速网络之间的数据通信[
５
].(１)低速网.通信速度不大于１２５k b p s ，目前常用的为１００k b p
s ，主要用于中央门锁㊁自动门窗㊁自动空调㊁汽车定位等舒适系统[
５]
.(２)高速网.通信速度可达１M b p
s ，目前常用的为５００k b p s ，主要用于汽车动力控制系统，如发动机管理系统㊁自动变速箱㊁制动防抱死装置等[
５
].２．２㊀车窗控制节点的硬件结构设计
此为第２项任务，即完成车窗控制单元的C A N
通信智能节点的硬件结构设计.该实验以四窗车型为例进行硬件结构布置，以驾驶侧为主节点，副驾驶侧㊁左后侧㊁右后侧为从节点.主节点负责主驾驶侧的车窗控制和向C A N 总线发送对其他车窗的控制报文，各个从节点通过按键控制各自车窗，发送相应报文，并接收总线上相应报文，做出相应动作.
老年人同居有啥好处
C A N 总线智能节点由６部分组成:
微处理器S T C ８９C ５１㊁C A N 控制器S J A １０００㊁光电耦合器
６N １３７㊁C A N 收发器８９C ２５０㊁车窗控制电路和按键模块电路.微处理器S T C ８９C ５１
负责S J A １０００的初始化，通过对S J A １０００的寄存器进行配置，使各节点按照C A N 总线的协议进行数据传送.C A N 收发器
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中国化学会８９C ２５０主要用作信号电平转换，产生C A N 总线要求
的差分信号电平，是C A N 控制器和物理总线之间的
接口[６
].高速光耦６N １３７实现了总线上各节点间的
电气隔离.
５
２２李亚南，等：三维虚拟汽车网络仿真实验平台的设计与实现
２．３㊀车窗控制节点的应用层协议设计
C A N应用协议主要规定以下三方面内容：信息标识符的分配㊁报文滤波机制的设定和报文数据帧含义的设定.实验通过以下三个步骤指导参与者实现一个C A N网络应用协议的设计.
(１)信息标识符的分配.C A N为多主机工作方式，所有节点都可发送报文，发送报文的I D是节点的标识符，体现了该节点的优先级.系统采用的S J A１０００是一款独立的C A N控制器，支持C A N２．０A 和C A N２．０B协议[６].本设计信息标识符采用静态分配策略及B a s i c C A N模式，需要对１１位标识符进行分配[６].
此为第３项任务，即由参与者根据优先级的要求进行信息标识符分配，并观测到不同优先级报文的I D 仲裁过程.标识符(１１位)分配策略：信息功能码(２位)＋节点号(４位)＋单元号(５位).信息功能码考虑了通信中的三种通信形式：报警㊁控制㊁信息帧；节点号分配给四个车窗控制节点；车窗控制单元的单元号由系统给定.
在这个过程中，参与者可通过设置四个车窗动作节点发送报文I D的方式，来控制不同功能帧㊁不同节点的优先级，并观测到不同优先级报文的仲裁过程.
C A N总线采用 载波监测㊁多主掌控/冲突避免 (C SＧMA/C A)的仲裁机制[７].在这种机制下，汽车总线上的四个车窗节点平等地申请总线的控制权，当某一时刻，总线上有多个节点要求发送数据时，总线根据标识符按位仲裁，使具有高优先级的数据不受任何损坏地传输.
(２)报文滤波机制的设定.报文滤波是C A N总线技术最有用的特之一，通过报文滤波，可以很容易地实现点对点㊁一点对多点的通信.各个节点的滤波参数如何设置，是系统组网的关键之一.C A N网络的
报文滤波由验收屏蔽寄存器AM R和验收码寄存器A C R控制.在B a s i c C A N模式下，只有当验收代码寄存器的位(A C R．７ A C R．０)与信息标识符的高８位(I D．１０ I D．３)相等，或与验收屏蔽寄存器的相应位(AM R．７ AMR．０)相 或 为１，信息才被接收[６].
在任务４中，参与者通过设置控制节点验收滤波器A C R和AM R寄存器对报文I D进行过滤，并观测到验收滤波器对I D的滤波过程.
(３)报文数据帧含义的设定.此为第５项任务，即参与者定义特定数据帧对应的动作，完成自定义C A N应用层协议.在B a s i c C A N模式下，有８个字节的数据帧，参与者设定某一个I D可能的动作和状态对应的数据帧.仿真过程中汽车会根据该协议做出相应的动作，并发送相应数据到C A N总线网络.２．４㊀三维仿真运行显示
㊀㊀此为第６项任务，即综合应用三维虚拟仿真技术㊁三维动画仿真技术㊁人机交互技术㊁光照模拟技术㊁三维漫游技术和X M L数据解析技术等，实现与汽车的三维立体交互.参与者可通过两种方式观测自定义应用协议对汽车的作用，一是通过控制窗口向汽车输入自定义的C A N应用层协议数据帧后，汽车有相应的反应；二是操作汽车，会看到相应的数据帧出现在汽车总线中.参与者既可利用V R头盔㊁数据衣㊁数据手套，感受到V R 的全视角立体感和全新的㊁智能的感知体验，也可通过鼠标交互，以三维立体模型的形式展示.
３㊀结语
教育部«关于开展虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知»中提出, 虚拟仿真实验教学建设工作是高等教育信息化的组成部分，是学科专业与信息技术深度融合的产物 .本文构建的基于C A N总线技术的汽车网络仿真实验平台，利用最新虚拟现实产品和最新三维仿真技术，致力于降低实践教学成本，打造多样化的教学环境，突破时间和空间的限制，增强实践教学的互动性.实验平台全面展示了C A N总线技术的关键知识，能够系统地考查参与者应用设计能力，增强教学的直观性和认知性，是一种有着强大活力的现代教学平台.
参考文献(R e f e r e n c e s)
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６２２实㊀验㊀技㊀术㊀与㊀管㊀理
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