基于虛擬儀器的車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
汽車在開發(fā)過程中需要對整車運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集和監(jiān)控，以便分析各部件的運(yùn)行狀況，優(yōu)化和改進(jìn)整車控制策略。在整車耐久性考核中也需要全程采集和記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，以便對整車及部件性能變化進(jìn)行分析。因此車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)是電動汽車研究和開發(fā)的重要工具，本文重點(diǎn)論述車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)以及在燃料電池汽車道路考核試驗(yàn)中的應(yīng)用。
1 汽車CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通訊協(xié)議
在電動汽車中，整車控制器通過CAN總線與電機(jī)、蓄電池等部件通訊，讀取各部件的狀態(tài)信息并向部件發(fā)送控制信息。圖1為一種燃料電池汽車的CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整車控制器通過CAN網(wǎng)絡(luò)采集燃料電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、蓄電池和電機(jī)等部件狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)一定的控制策略向DC/DC轉(zhuǎn)換器和電機(jī)發(fā)送控制命令，使動力系統(tǒng)各部件協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。監(jiān)控系統(tǒng)連接到CAN總線上，讀取總線的數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲。
在CAN網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)以報(bào)文為單位進(jìn)行傳輸，節(jié)點(diǎn)對總線的訪問采取位仲裁方式。報(bào)文起始部分為標(biāo)識符，在CAN2.0B中標(biāo)識符采用29位格式，如圖2所示。其中，優(yōu)先級為3位，共8個優(yōu)先級；8位PS為發(fā)送此報(bào)文的源地址，8位SA為目標(biāo)地址，8位PF為報(bào)文代碼。
監(jiān)控系統(tǒng)與整車CAN網(wǎng)絡(luò)連接，可接收總線上的全部數(shù)據(jù)幀。一個CAN數(shù)據(jù)幀包括標(biāo)識符和8字節(jié)數(shù)據(jù)。根據(jù)標(biāo)識符可判斷出該數(shù)據(jù)幀是哪個部件發(fā)送的，再根據(jù)部件的通訊協(xié)議對8個字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析可得到實(shí)際的參數(shù)值。
圖3為燃料電池汽車中燃料電池控制器向整車控制器發(fā)送的一個數(shù)據(jù)幀的格式。標(biāo)識符ID為29位數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)識符格式定義可以得出燃料電池地址為11，整車控制器地址為10，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級為3。數(shù)據(jù)部分包含燃料電池輸出電壓、燃料電池輸出電流、電堆溫度、故障碼、狀態(tài)位和控制器LIFE信號等信息。
2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用基于PC總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)的硬件設(shè)計(jì)。便攜式工控機(jī)Apollo150具有抗干擾和減震設(shè)計(jì)，適合于車載使用；具有一體化的液晶顯示屏和鍵盤鼠標(biāo)設(shè)計(jì)，便于人機(jī)界面設(shè)計(jì)；通過USB2.0接口連接U盤進(jìn)行存儲，保證車載環(huán)境下大量數(shù)據(jù)的可靠存儲；可以通過PCI和ISA擴(kuò)展槽擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集和通訊接口；燃料電池汽車提供24V直流電源，經(jīng)逆變電源轉(zhuǎn)換成220V交流電，經(jīng)UPS給工控機(jī)供電?；贗PC的硬件結(jié)構(gòu)具有可靠性好、便于擴(kuò)展的特點(diǎn) ，同時可以利用PC機(jī)強(qiáng)大的軟硬件資源，提高開發(fā)效率。
CAN通訊接口卡選用PCI7841雙口隔離型CAN接口卡，該接口卡插在Apollo150的PCI擴(kuò)展槽上，采用SJA1000 CAN控制器以及82C250 CAN接收器芯片，提供總線仲裁和錯誤檢測功能，以確保數(shù)據(jù)通訊的可靠性。PCI7841具有兩個獨(dú)立的CAN接口，最高通訊速率為1Mbps。
3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1軟件功能需求分析
CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能主要包括數(shù)據(jù)采集、故障診斷、界面顯示和數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)采集功能對整車CAN網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行采集，根據(jù)通訊協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)；故障診斷功能對部件發(fā)送數(shù)據(jù)幀中的故障碼進(jìn)行分析，判斷當(dāng)前系統(tǒng)存在的故障信息；界面顯示功能對采集的數(shù)據(jù)以各種形式顯示在液晶屏上；數(shù)據(jù)存儲功能將采集數(shù)據(jù)以文件形式連續(xù)存儲在U盤上。
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