電動(dòng)汽車CAN總線通訊研究及設(shè)計(jì)

虛擬儀器(Vinual Instrument，簡(jiǎn)稱VI)是日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬、軟件和總線技術(shù)在向其他相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過程中，與測(cè)試技術(shù)、儀器儀表技術(shù)密切結(jié)合共同孕育出的一項(xiàng)全新的成果。由于儀器的專業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成，因此國際上把這類新型的儀器稱為“虛擬儀器”。它是利用微機(jī)的數(shù)據(jù)處理和圖形處理功能，將傳統(tǒng)物理儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，與檢測(cè)數(shù)據(jù)間的接口也通過計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。從虛擬儀器顯示面板(如虛擬顯示屏、數(shù)碼顯示器和指示燈及示波器等，其在功能上與各種物理儀器相對(duì)應(yīng))可了解儀器的狀態(tài)，讀取測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

1 車輛稱重傳感器概述

本文根據(jù)虛擬儀器的特點(diǎn)，利用電容稱重傳感器的車輛載荷檢測(cè)裝置，以車輛緩沖減振機(jī)構(gòu)中的板彈簧作為稱重傳感器的彈性體，可隨時(shí)隨地進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)檢測(cè)。在載荷作用下，汽車的緩沖減振機(jī)構(gòu)(板彈簧)產(chǎn)生變形，安裝在特定位置電容傳感器兩極板間的距離發(fā)生變化，電容值變化，傳感器的輸出電壓也隨之發(fā)生變化?；谔摂M儀器從測(cè)試靜態(tài)性能的參數(shù)分析入手，分析在車輛靜止時(shí)貨物變化時(shí)電容傳感囂兩極板間電壓變化的規(guī)律，為測(cè)試動(dòng)態(tài)性能作參考。對(duì)特定的載荷對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行分析，用虛擬儀器程序子VI的來進(jìn)行誤差分析和曲線擬合，既方便又直觀。電容稱重傳感器的安裝如圖1所示。

電容上極板部件安裝在車架下部，左右居中；電容下極板部件安裝在輪軸中部的上方，與電容上極板上下對(duì)正。車輛的每根輪軸上方均安裝一套電容傳感器。

車輛稱重系統(tǒng)各元素之間的關(guān)系如下：

在載荷作用下，汽車的緩沖減震機(jī)構(gòu)(鋼板彈簧)產(chǎn)生變形，電容傳感器兩極板間的距離d發(fā)生變化，傳感器的電容值也隨之變化。預(yù)先標(biāo)定出傳感器電路輸出電壓值與該輪軸載荷值之間的關(guān)系，以后就可以根據(jù)各輪軸傳感器電路的電壓值得到該輪軸的載荷質(zhì)量。將各輪軸的載荷質(zhì)量相加，可以得到整車載荷質(zhì)量。

2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

基于虛擬儀器的電容法檢測(cè)車輛載荷的靜態(tài)分析試驗(yàn)是在黑豹SM1010型汽車上進(jìn)行。該車輛為兩軸鋼板彈簧結(jié)構(gòu)，額定載荷為500 kg。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)過程中保持車輛處于水平狀態(tài)，兩輪分別垂直壓在SCS-2蛩電子數(shù)字平臺(tái)秤上。以100 kg砝碼作為標(biāo)準(zhǔn)單位載荷，對(duì)車輛裝載或卸載。試驗(yàn)分為兩個(gè)行程(每行程又包括正反兩個(gè)方向)，按照如下順序裝載或卸載：

正向1——在車輛自由狀態(tài)下(無遲滯)，自空載逐漸裝載，直到傳感器輸出達(dá)到滿量程；
反向1——在正向1的基礎(chǔ)上，逐漸卸至空載；
正向2——在反向1的基礎(chǔ)上(有遲滯)，自空載逐漸裝載，直到輸出再次達(dá)到滿量程；
反向2——在正向2的基礎(chǔ)上，逐漸卸至空載。
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別求出兩個(gè)行程正反向傳感器輸出的算術(shù)平均值再求出總進(jìn)程算術(shù)平均值。經(jīng)虛擬儀器編程軟件LabVIEW平臺(tái)下編程顯示，程序框圖前面板如下。

軟件編程采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括曲線擬合模塊、直線擬合和誤差分析模塊等。誤差分析模塊中的最小二乘線性度、遲滯性誤差以及重復(fù)性誤差都采用子VI的形式，這為動(dòng)態(tài)參數(shù)的分析編程提供了很大的方便。誤差處理模塊主要是在分析數(shù)據(jù)的過程中，對(duì)數(shù)據(jù)的重復(fù)性誤差、最大標(biāo)準(zhǔn)偏差和遲滯性誤差等進(jìn)行分析處理。這些數(shù)據(jù)為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和電容稱重傳感器補(bǔ)償系統(tǒng)編程作為依據(jù)，如重復(fù)性誤差編程如圖4所示。為了掌握加速度對(duì)電容法車輛載荷檢測(cè)的影響情況，根據(jù)預(yù)先標(biāo)定出的載荷質(zhì)量與電容傳感器輸出電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到某一加速度(aH)下前、后輪軸以及整車的載荷質(zhì)量，結(jié)果見表1。

從表中敷據(jù)可知：制動(dòng)過程中，加速度aH=4 m／s2與aH=0 時(shí)相比，電容傳感器檢測(cè)到的前軸載荷質(zhì)量增大了122．5％，后軸減小了60．7％，整車載荷質(zhì)量增大了14.9％；加速過程中，加速度aH=1．78 m／s2與aH=0時(shí)相比，前軸載荷質(zhì)量減小了55．7％，后軸增大了14．6％，整車載荷質(zhì)量減小了14．4％。由此可見，加速度對(duì)車輛載荷檢測(cè)的影響很大，為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須利用軟件補(bǔ)償。
根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)繪制出的載荷質(zhì)量與加速度之間的關(guān)系曲線見圖5。

由以上分析系統(tǒng)顯示結(jié)果可知，電容式車輛稱重裝置靜態(tài)時(shí)具有較好的重復(fù)性，但也存在著一定的非線性誤差及較大的遲滯性，直接影響著載荷檢測(cè)結(jié)果。引起非線性誤差的主要原因是電容相對(duì)變化量與極板之間的非線性的關(guān)系。而引起遲滯(包括反向行程不歸零)的主要有兩方面的原因：1)真實(shí)材料都在一定程度上存在遲滯現(xiàn)象；2)車輛載荷大小不同時(shí)，鋼板彈簧的高度和長(zhǎng)度隨載荷而變化，彈簧片之間產(chǎn)生摩擦，彈簧片兩端與車架連接處也產(chǎn)生摩擦。采用高彈性材料的鋼板彈簧、改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)、減小摩擦等辦法可減小遲滯影響。而利用軟件方式進(jìn)行非線性補(bǔ)償及遲滯性補(bǔ)償效果十分明顯。

3 結(jié)束語德國Bosch公司為了解決現(xiàn)代車輛中眾多的控制和數(shù)據(jù)交換問題,開發(fā)出一種CAN(Controller AreaNetwork) 現(xiàn)場(chǎng)總線通訊結(jié)構(gòu). CAN總線硬件連接簡(jiǎn)單,有良好的可靠性、實(shí)時(shí)性和性能價(jià)格比. CAN總線能夠滿足現(xiàn)代自動(dòng)化通訊的需要,已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線通訊領(lǐng)域中最為活要躍的一支。

其主要特點(diǎn)是: ①CAN總線為多主站總線,各節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,不分主從,通信靈活; ②CAN總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù),優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù),能滿足實(shí)時(shí)性要求; ③CAN總線具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn),一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能; ④CAN總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個(gè),并有CRC及其它校驗(yàn)措施,數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低,萬一某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤,可自動(dòng)脫離總線,總線上的其它操作不受影響; ⑤CAN總線只有兩根導(dǎo)線,系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí),可直接將新節(jié)點(diǎn)掛在總線上即可,因此走線少,系統(tǒng)擴(kuò)充容易,改型靈活; ⑥CAN總線傳輸速度快,在傳輸距離小于40m時(shí),最大傳輸速率可達(dá)1Mb/s。正是由于CAN總線具有這些其它通信方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn),使之成為電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的理想總線。

1 　電動(dòng)汽車對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)的需求

電動(dòng)汽車由于儲(chǔ)能設(shè)備容量有限,在運(yùn)行過程中對(duì)能源的管理十分嚴(yán)格. 效率是衡量電動(dòng)汽車系統(tǒng)性能的重要指標(biāo),國家863“十五”電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)要求電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)額定效率為85% ,控制器的額定效率達(dá)到95%. 電動(dòng)汽車電子控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息必須具有實(shí)時(shí)性,各子系統(tǒng)需要將車輛的公共數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享,如電機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)換、油門踏板位置和剎車踏板位置等. 但不同控制單元的控制周期不同,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度、各控制命令優(yōu)先級(jí)也不同,因此需要一種具有優(yōu)先權(quán)競(jìng)爭(zhēng)模式的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò),并且本身具有極高的通信速率. 此外,作為一種載人交通工具,電動(dòng)汽車必須具有較好的舒適性,整車通訊系統(tǒng)必須具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力和快速處理能力。

目前,電動(dòng)汽車的發(fā)展得到了各國的高度重視.電動(dòng)汽車成為未來汽車發(fā)展的主流方向。電動(dòng)汽車內(nèi)電氣元件極多,需要實(shí)時(shí)傳輸和共享的數(shù)據(jù)很多.如何提高電動(dòng)汽車通訊的實(shí)時(shí)性、可靠性和應(yīng)急處理能力成為電動(dòng)汽車通訊的難點(diǎn)所在. 我們采用TMS320LF2407型DS作為電動(dòng)汽車通訊系統(tǒng)的主處理器,利用DSP良好的快速處理能力提高數(shù)據(jù)處理速度,從而提高通訊的實(shí)時(shí)性;利用 DSP內(nèi)嵌的CAN總線模塊作為CAN的控制器,減少硬件電路的復(fù)雜性,從而提高通訊的可靠性;通過軟件設(shè)計(jì)緊急時(shí)刻屏蔽次要因素來提高電動(dòng)汽車的應(yīng)急處理能力。

2 　控制方案

電動(dòng)汽車總成控制我們采用先進(jìn)的模糊控制,采用的控制器也是TMS320LF2407型的DSP。對(duì)采集到的剎車信號(hào),加速信號(hào)和反饋回的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行模糊處理,得到期望的轉(zhuǎn)速信號(hào),并將得到的轉(zhuǎn)速值通過CAN 總線傳送到電動(dòng)機(jī)的控制機(jī)構(gòu),對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制,滿足駕駛員的駕駛意圖。 同時(shí)管理燈光系統(tǒng)和屏幕顯示系統(tǒng). 屏幕顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)汽車的運(yùn)行狀態(tài)。 具體控制方案如圖1 所示。

圖1 　電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 　電動(dòng)汽車CAN總線通訊方案

電動(dòng)汽車控制需要良好的通訊協(xié)調(diào)性和運(yùn)行可靠性。良好的通訊系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車可靠運(yùn)行的關(guān)鍵. CAN總線結(jié)構(gòu)是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。 圖2 是一個(gè)典型的電動(dòng)汽車CAN總線結(jié)構(gòu)示意圖,包括整車動(dòng)力部分的主電動(dòng)機(jī)控制器、電池組管理系統(tǒng)、電動(dòng)汽車屏幕顯示系統(tǒng)等多個(gè)設(shè)備,這些子系統(tǒng)之間通過 CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和命令傳輸。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備都能夠在脫離CAN 總線的情況下獨(dú)立完成自身系統(tǒng)的運(yùn)行,從而滿足車輛運(yùn)行安全性的需要。同時(shí),CAN總線也不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)設(shè)備的脫離而出現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)崩潰的現(xiàn)象。

圖2 　電動(dòng)汽車CAN 總線結(jié)構(gòu)圖

4 　CAN總線模塊

CAN 總線模塊是DSP的一個(gè)16位的外設(shè),是一個(gè)完整的CAN 控制器. 除具有CAN 總線的基本功能外,還有一些特有功能,如:對(duì)象有六個(gè)郵箱,其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為0～8 個(gè)字節(jié),其中兩個(gè)接收郵箱(0、1) ,兩個(gè)發(fā)送郵箱(4、5) ,兩個(gè)可配置為接收或發(fā)送郵箱(3、4) ;自動(dòng)回復(fù)遠(yuǎn)程請(qǐng)求功能;可編程的CAN 總線喚醒功能;自測(cè)試模式功能等. 對(duì)CAN 總線的訪問分為控制/ 狀態(tài)寄存器的訪問和郵箱的RAM 訪問.CAN 總線控制模塊的內(nèi)存空間分配圖如圖3 所示.

圖3 　CAN 總線內(nèi)存空間分配

CAN 控制器發(fā)送的信息幀有兩種,一種是發(fā)送數(shù)據(jù)幀,一種是發(fā)送遠(yuǎn)程幀. 發(fā)送郵箱有郵箱4 和郵箱5以及被配置為發(fā)送方式的郵箱2 和郵箱3. 發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí),在數(shù)據(jù)寫到發(fā)送郵箱的數(shù)據(jù)區(qū)后,如果相應(yīng)的發(fā)送請(qǐng)求位使能,則數(shù)據(jù)幀被發(fā)送到CAN 總線上. 數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)區(qū)可以通過軟件設(shè)置成1～8 個(gè)字節(jié)。 數(shù)據(jù)幀的格式如圖4 所示。

圖4 　CAN 總線數(shù)據(jù)幀

CAN 總線控制器的接收郵箱有郵箱0和郵箱1及被配置為接收方式的郵箱2 和郵箱3. CAN 控制器在接收信息時(shí),首先要將接收信息的標(biāo)志符與相應(yīng)接收郵箱的標(biāo)志符進(jìn)行比較,只有標(biāo)志符相同的信息才能被接收. CAN 總線控制器的接收寄存器使得接收郵箱可以忽略更多的位來接收信息. 但是,如果當(dāng)接收屏蔽使能位(AME) 為0 時(shí),則局部接收屏蔽寄存器將失效. 只有配置為發(fā)送方式的郵箱2 和郵箱3 才可以接收自動(dòng)應(yīng)答遠(yuǎn)程幀. 當(dāng)郵箱接收到遠(yuǎn)程幀后,接收節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀作為應(yīng)答。

5 　接口電路設(shè)計(jì)

由于DSP 本身內(nèi)帶CAN 總線模塊,所以不需要專門的CAN 控制器,DSP 本身不具有CAN 收發(fā)器,需要外接CAN 收發(fā)器82C250 ,中間使用光電隔離器6N137. 如果距離很短,可以不使用光電隔離器. DSP與光電隔離器和CAN 收發(fā)器硬件連接圖如圖5 所示。

圖5 　DSP 與CAN 總線硬件連接圖

6 　電動(dòng)汽車總成控制器CAN通訊的軟件實(shí)現(xiàn)

電動(dòng)汽車總成控制器是電動(dòng)汽車的心臟,它需要頻繁的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和檢測(cè). 發(fā)送信息采用查詢方式,接收信息采用中斷方式. 通過設(shè)定不同事件的不同優(yōu)先級(jí)來確定信息的接收和發(fā)送順序,同時(shí)增加緊急事件處理程序來提高控制器處理緊急事件的能力,保證車輛和人身安全. 緊急事件處理程序是當(dāng)緊急事件發(fā)生時(shí),如執(zhí)行器件損壞,急剎車和急轉(zhuǎn)彎等,通過暫時(shí)屏蔽低優(yōu)先級(jí)事件,如電池電量檢測(cè),LCD 顯示系統(tǒng)等,使控制器有足夠的時(shí)間處理緊急事件,以提高控制器的實(shí)時(shí)控制能力和應(yīng)急處理能力。 控制器軟件流程圖如圖6 所示。

圖6 　控制器軟件流程圖

7 　結(jié)　論

目前,現(xiàn)場(chǎng)總線在自動(dòng)化領(lǐng)域中快速發(fā)展,CAN總線作為一種很有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線,采用了許多新的技術(shù)和設(shè)計(jì),使 CAN 總線成為最有發(fā)展前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN 總線以其高實(shí)時(shí)性、高可靠性和高靈活性,在工業(yè)自動(dòng)化控制中得到了越來越多的應(yīng)用。本文應(yīng)用DSP 控制器作為CAN 總線的微處理器,利用DSP 很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和CAN 總線傳輸速率高、可靠性高的特點(diǎn),對(duì)電動(dòng)汽車內(nèi)復(fù)雜的通訊系統(tǒng)提出解決方案. 實(shí)驗(yàn)證明,本系統(tǒng)不但解決了電動(dòng)汽車通訊對(duì)實(shí)時(shí)性的要求,而且可靠性和穩(wěn)定性都得到了提高。

基于虛擬儀器的車輛稱重分析系統(tǒng)，具有操作方便，用戶界面友好，易編程等特點(diǎn)，盡管虛擬儀器沒有真正的儀表面板，但在功能上卻遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)物理儀器。實(shí)踐證明基于虛擬儀器的車輛稱重系統(tǒng)不僅適合于電容法檢測(cè)車輛載荷靜態(tài)測(cè)量分析，同時(shí)更適合于數(shù)據(jù)量更大的動(dòng)態(tài)測(cè)量分析。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用虛擬儀器的軟件面板對(duì)電容法檢測(cè)車輛載荷靜態(tài)測(cè)量進(jìn)行誤差分析，不僅擺脫了那種列表統(tǒng)計(jì)易出錯(cuò)的缺點(diǎn)，而且結(jié)果方便快捷直觀。