基于DSP的電動汽車監(jiān)控平臺系統(tǒng)技術(shù)原理

1 前言

電動汽車中的電控單元多、內(nèi)部空間小、環(huán)境干擾大，對控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)提出了更高的要求。CAN 以其良好的運(yùn)行特性，極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計，特別適合電動汽車各電子控制單元之間的通信。為了更好地在實驗室進(jìn)行研究，建立了一個功能比較完善的試驗測試平臺，能夠?qū)AN 總線系統(tǒng)及其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行研究。首先，基于DSP 的開發(fā)設(shè)計了電機(jī)控制器節(jié)點的通信程序。其次，深入了解CAN 總線在電動汽車中的應(yīng)用需求，設(shè)計了CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議。最后，為檢驗設(shè)計協(xié)議的可行性，利用VB6.0 開發(fā)了電動汽車的監(jiān)控系統(tǒng)，并為監(jiān)控數(shù)據(jù)建立了數(shù)據(jù)庫，方便管理數(shù)據(jù)。

2 電機(jī)控制器節(jié)點的設(shè)計

針對電動汽車電機(jī)控制器的特點，選用TI 公司的TMS320LF2407 芯片作為電機(jī)控制器的處理器。采用模塊化的設(shè)計思想，編寫了電機(jī)控制器節(jié)點的通信程序，可方便移植到基于DSP 的電機(jī)控制器或其他控制單元中。在電動汽車的CAN 總線系統(tǒng)中，電機(jī)控制器的實時性要求高，屬于高速節(jié)點，波特率設(shè)為1 兆波特。電機(jī)控制器節(jié)點主要是接收總線上傳來的電機(jī)工作模式、SOC、車速、加速踏板位置和制動踏板位置等控制信息，同時發(fā)送電機(jī)的工作溫度、電機(jī)故障、工作狀態(tài)等實時信息。本文中利用DSP2407的郵箱2 作為接收郵箱，郵箱5 作為發(fā)送郵箱，20 毫秒定時發(fā)送一次。

3 電動汽車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

在實驗室模擬電動汽車CAN 總線系統(tǒng)，以PC 機(jī)（帶USB-CAN 模塊）作為電動汽車的總控制器。利用CAN-bus 通用測試軟件的運(yùn)行機(jī)制和工作原理，設(shè)計了基于PC 機(jī)的電動汽車CAN 總線技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)概述

監(jiān)控系統(tǒng)通過控制臺（帶USB-CAN 模塊的PC 機(jī)）對電機(jī)控制器、電池控制器以及離合控制器進(jìn)行監(jiān)控。運(yùn)行主界面如圖1 所示。能根據(jù)需要在CAN 總線中收發(fā)參數(shù)，實現(xiàn)對總線各節(jié)點的監(jiān)視和控制。例如，電機(jī)參數(shù)，包括SOC、車速、故障等級、工作模式、故障代碼、工作溫度等。監(jiān)控系統(tǒng)還可根據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)展需要，提供創(chuàng)建節(jié)點的功能。另外，還提供數(shù)據(jù)管理功能。在監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行過程中，采集到的數(shù)據(jù)會被記錄到Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫中，可以用表格形式實時顯視，還可以通過輸出按鈕由軟件Excel 打開。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議

在CAN 協(xié)議中只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層兩層協(xié)議，缺乏對信息處理的規(guī)范，而一個完整的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中離不開人機(jī)交互的應(yīng)用進(jìn)程，所以必須由用戶定義應(yīng)用層協(xié)議。根據(jù)電動汽車運(yùn)行的特點，設(shè)計了監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議。大體上將電動汽車上各電子控制單元（ECU）分為高速和低速節(jié)點兩大類。其中高速節(jié)點包括電機(jī)控制器、發(fā)動機(jī)控制器、電池控制器、ABS/ASR控制單元和能量管理單元等，在它們的ID 碼設(shè)置較高的優(yōu)先級。低速節(jié)點包括空調(diào)系統(tǒng)、儀表顯示系統(tǒng)、車燈系統(tǒng)等。表1 給出了電動汽車各節(jié)點之間接收及發(fā)送的信號類型。根據(jù)電動汽車各節(jié)點之間接收及發(fā)送的數(shù)據(jù)，對各節(jié)點之間需要交換的信息的類型，所包含的參數(shù)以及表示方法有具體的說明。例如在電機(jī)控制器節(jié)點發(fā)送的8 個字節(jié)分別定義為：電機(jī)轉(zhuǎn)速（雙字節(jié)）、電機(jī)轉(zhuǎn)矩（雙字節(jié)）、工作溫度（單字節(jié)）、錯誤等級及代碼（單字節(jié)）、工作模式（單字節(jié)）還有一個字節(jié)作為備用。表1 電動汽車各節(jié)點之間接收及發(fā)送的數(shù)據(jù)明。例如在電機(jī)控制器節(jié)點發(fā)送的8 個字節(jié)分別定義為：電機(jī)轉(zhuǎn)速（雙字節(jié)）、電機(jī)轉(zhuǎn)矩（雙字節(jié)）、工作溫度（單字節(jié)）、錯誤等級及代碼（單字節(jié)）、工作模式（單字節(jié)）還有一個字節(jié)作為備用。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)是要完成對各節(jié)點的監(jiān)控，按照設(shè)計需求，可將整個設(shè)計分為五個設(shè)計窗體，包括主窗體、電機(jī)控制器監(jiān)控窗體、電池控制器監(jiān)控窗體、離合控制器監(jiān)控窗體和創(chuàng)建節(jié)點窗體，并進(jìn)行模塊化設(shè)計。其中創(chuàng)建節(jié)點窗體可根據(jù)需要方便創(chuàng)建監(jiān)控窗口，設(shè)置節(jié)點ID 號和監(jiān)控變量。監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖如圖2 所示。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的測試

完成了PC 機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計后，為了驗證程序是否正常工作，同時為了驗證設(shè)計的下位機(jī)DSP 數(shù)據(jù)采集與通信程序的正確性。在這里將DSP數(shù)據(jù)采集與通信程序和PC 機(jī)程序聯(lián)合起來進(jìn)行調(diào)試。將雙方的波特率設(shè)為1M 波特。DSP 節(jié)點的測試程序包含A/D 采樣（模擬加速踏板位置）和通信程序，DSP 運(yùn)行后由定時中斷（20ms）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，將信號通過CAN總線上傳到上位機(jī)（PC 機(jī)）。另一方面，DSP 自動判斷是否有PC 機(jī)發(fā)送來的指令，如電池電壓、電池電流、加速踏板位置和工作模式等。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行處理并交給監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行顯示。電機(jī)控制器節(jié)點的測試界面如圖3 所示。

5 結(jié)論

為適合電動汽車監(jiān)控的需求，組建了基于CAN總線的電動汽車仿真測試平臺，配備專業(yè)測試儀器后可組建CAN-BUS 實驗室。該系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，可方便增加需要監(jiān)控的汽車電子控制單元（ECU）。此外，通過VB 與ACCESS 技術(shù)的良好銜接，具有數(shù)據(jù)實時保存，為后期的數(shù)據(jù)處理提供條件。為了保證各個消息能及時被相關(guān)節(jié)點采集并處理，需要對消息的調(diào)度策略進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理，特別是網(wǎng)絡(luò)故障診斷以及處理機(jī)制。