CAN總線下的燃料電池汽車空調控制節(jié)點

在能源日趨緊張、空氣污染日益嚴重的今天，開發(fā)具有自主知識產權的新型燃料電池汽車是我國汽車產業(yè)的一個重要飛躍和里程碑，也是國家重點扶持的主要領域之一。燃料電池汽車與傳統(tǒng)燃油汽車相比具有環(huán)保、節(jié)能(氫氣為燃料)、運行平穩(wěn)無噪聲等特點。燃料電池汽車系統(tǒng)的核心是它的動力系統(tǒng)，即燃料電池發(fā)動機，同時配備高功率鋰離子電池，能夠回收下坡和制動能量。整個汽車系統(tǒng)由若干控制單元組成，各單元通過汽車總線彼此相連，其中空調控制系統(tǒng)是這種新型能源汽車的一個輔助控制單元，但它也是汽車系統(tǒng)的一個重要組成部分。本文將給出一種采用通用微控制器(MCU)和獨立CAN控制器和收發(fā)器為核心的智能節(jié)點，完成與汽車系統(tǒng)之間的通信和控制由數(shù)字信號處理器DSP2407為控制芯片的直流變轉速空調控制器的運行，并且整個空調系統(tǒng)已成功地運行在以燃料電池為動力的試驗汽車當中。

1 CAN總線原理

控制器局域網絡CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN是1986年由Bosch公司領先推出的一種最初應用于現(xiàn)代汽車微控制器通信的多主機局部網，實現(xiàn)車裁各類電子控制裝置之間的信息交換。國際標準組織ISO為其制訂了規(guī)范CAN總線的國際標準，CAN已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一，它在當今自動控制領域的發(fā)展中將發(fā)揮出越來越重要的作用。CAN協(xié)議建立在國際標準組織ISO的開放系統(tǒng)互連參考模型OSI基礎上，主要工作在物理層、數(shù)據鏈路層和應用層，用戶可在其基礎上開發(fā)適合實際系統(tǒng)需要的應用層通信協(xié)議。信號的傳輸一般采用雙絞線、同軸電纜或光纖。CAN總線系統(tǒng)通信距離遠，通信速率高，最高通信速率可達1Mbit／s，當信號傳輸距離達到10km時，仍可提供高達5kbit／s的數(shù)據傳輸速率。由于CAN總線的這一特點，使其更利于構成大系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 空調控制系統(tǒng)結構

由于整個汽車系統(tǒng)是一個復雜的控制系統(tǒng)，可以將其分成若干個模塊或子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)負責完成一定的功能。各個控制單元都通過CAN總線連接在一起，構成總線型結構的局域網絡。雖然CAN中各個節(jié)點處于對等的地位，但為了更好協(xié)調各個控制單元，以整車控制器作為核心控制單元部分，控制其他電控單元的運行和系統(tǒng)動力的分配。系統(tǒng)CAN總線結構圖如圖1所示。空調控制系統(tǒng)一方面作為整個汽車系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，同時也作為CAN總線上的一個節(jié)點，其主要功能是通過CAN總線接收主控節(jié)點的控制命令及將空調相關數(shù)據傳送給主控節(jié)點，完成汽車空調的開啟、溫度設定、車內外溫度采集等控制。空調系統(tǒng)與CAN總線上的整車控制器的通信至關重要，而空調控制部分又涉及到高壓部分，為了整車系統(tǒng)的安全和可靠，將空調系統(tǒng)的CAN通訊部分和壓縮機驅動部分分開設計，兩者之間通過光電耦合器進行電氣隔離，保證空調系統(tǒng)與整車的通訊安全、可靠。

2.2 硬件設計

由于空調控制系統(tǒng)的智能節(jié)點處理的信息量不是很大，主要完成和主控節(jié)點即整車控制器的通信，其次負責對空調控制器的控制和幾路溫度模擬量的采集以及顯示控制，因此，選用通用性較好、開發(fā)較靈活的微控制器(MCU)和獨立CAN控制器及CAN總線驅動器方案完成，智能節(jié)點硬件設計原理如圖2所示。其中，智能節(jié)點中微控制器選用P89C51Rx2，CAN接口由獨立控制器SJA1000和CAN總線驅動器PCA82C250組成。SJA1000作為微控制器MCU的片外擴展芯片，SJA1000和MCU之間的數(shù)據傳送通過MCU數(shù)據端口P0來完成，數(shù)據接收信號用中斷方式，以提高數(shù)據處理的實時性。CAN控制器SJA1000通過總線驅動器PCA82C250連接在物理總線上。PCA82C250器件提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接受能力，采用差分驅動有助于抑制汽車等惡劣電氣環(huán)境下的瞬變干擾。為增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦與82C250相連，這樣就很好地實現(xiàn)了收發(fā)器與控制器之間的電氣隔離，保護智能節(jié)點核心電路安全工作，并實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。為了進一步增強系統(tǒng)抗干擾能力，可在總線入口處并接雙向穩(wěn)壓管，限制線路上可能出現(xiàn)的短時尖峰過電壓和增加共模抑制線圈以消除共模信號的干擾。此外，通信信號在線路上傳輸時，信號傳輸?shù)綄Ь€的端點時會發(fā)生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸。為消除這種影響，可在CAN總線兩端并接2個120Ω的電阻起到匹配總線阻抗和消除反射的雙重作用。若忽略這些措施，會使數(shù)據通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信。

節(jié)點中MCU除了與CAN控制器連接外，還需要完成空調系統(tǒng)的控制和數(shù)據采集，采集的數(shù)據主要有車內溫度、空調設定溫度、空調盤管溫度、車外溫度、日照強度、壓力保護等模擬量，根據采集的數(shù)據通過閉環(huán)控制方式，給空調壓縮驅動器發(fā)出啟動指令和運行頻率，同時壓縮機驅動器會實時將壓縮機的運行狀態(tài)傳遞給MCU。根據狀態(tài)信息，MCU會做出相應的處理。