現(xiàn)場總線網(wǎng)絡在純電動汽車控制系統(tǒng)的應用研究

引言

當今汽車的保有量和使用量的飛速增加使得大氣環(huán)境污染問題日益嚴重，加上石油資源危機，使得以電能作為驅動的汽車技術成為世界各汽車廠商技術競爭的熱點。但是電動汽車的產(chǎn)業(yè)化還處于初期的準備階段，與之相關的技術和產(chǎn)品尚未形成工業(yè)體系。在這一新的領域我國與國外處于相近的水平，為此科技部在十?五“863”計劃專門設立了電動汽車重大專項，以進一步推動電動汽車的產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)我國汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展。

現(xiàn)代汽車工業(yè)和電子技術飛速發(fā)展，汽車上的電子裝置越來越多。一輛高檔汽車的電氣節(jié)點數(shù)已達上千個，如果采用傳統(tǒng)的方法進行布線，連線的數(shù)量非常驚人而且有極大的故障隱患。為了解決這一問題，各大汽車廠商從上世紀70年代開始了車用網(wǎng)絡的研究，并取得了很大的發(fā)展，形成了多種適合不同傳輸速率及特殊用途的網(wǎng)絡協(xié)議，如：CAN總線、LIN總線、用于診斷的KWP2000、用于X-by-wire 的TTP、多媒體應用的MOST協(xié)議等。其中CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）是BOSCH公司于上世紀80年代提出的。為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，可以很好的解決上述的問題?，F(xiàn)在世界上許多汽車公司，如奔馳、寶馬、大眾等公司已采用CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信。

我國對車用網(wǎng)絡、總線、通訊協(xié)議的研究起步比較晚，但近年來發(fā)展比較快，尤其在電動汽車項目中總線網(wǎng)絡得到廣泛的應用。

2 汽車總線的技術特征

汽車總線傳輸必須確保以下幾點：保證信息能夠準確的傳送；總線節(jié)點能夠隨時訪問總線；節(jié)點根據(jù)預先確定的優(yōu)先權進行總線訪問；具有根據(jù)信息內(nèi)容解決總線訪問競爭的能力和競爭解決后獲勝站點能夠訪問總線且繼續(xù)傳輸信息；節(jié)點在盡量短的時間內(nèi)成功訪問總線；最優(yōu)化的傳輸速率（波特率）；節(jié)點的故障診斷能力；總線具有一定的可擴充性等等。

2.1 數(shù)字信號的編碼
為了保證信息傳輸?shù)目煽啃?，對?shù)字信號正確編碼非常重要。汽車局域網(wǎng)數(shù)據(jù)信號多采用脈寬調(diào)制（PWM）和不歸零制（NRZ）。PWM作為編碼方案時，波特率上界為3×105Kbps，用于傳輸速率較低的場合。采用NRZ進行信息傳輸，可以達到1Mbps，用于傳輸速率較高的場合。

2.2 網(wǎng)絡拓撲結構
實用的汽車局域網(wǎng)是總線拓撲結構，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等，其優(yōu)點是：電纜短，布線容易；總線結構簡單，又是無源元件，可靠性高；易于擴充，增加新節(jié)點只需在總線的某點將其接入，如需增加長度可通過中繼器加入一個附加段。

2.3 總線訪問協(xié)議
汽車總線的訪問協(xié)議一般為爭用協(xié)議，每個節(jié)點都能獨立決定信息幀的發(fā)送。如果同時有兩個或兩個以上的節(jié)點發(fā)送信息，就會出錯，這就要求每個節(jié)點有能力判斷沖突是否發(fā)生，發(fā)生沖突時按某個規(guī)律等待隨機時間間隔后重發(fā)，以避免再發(fā)生沖突。網(wǎng)絡協(xié)議所使用的防沖突監(jiān)聽措施多為載波監(jiān)聽多路訪問，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等都采用的是載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測+無損仲裁（C***A/CD+NDA）。

3 CAN總線的特點

CAN總線通信協(xié)議是在考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的背景下制訂的，它采用了國際標準化組織 ISO制訂的開放系統(tǒng)互連ISO-OSI模型中的三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。CAN總線規(guī)范已被國際標準化組織制訂為國際準ISO11898，并被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一，已經(jīng)廣泛的應用于工業(yè)領域。得到 MOTOROLA、PHILIPS、Intel、SIEMENS等著名半導體器件生產(chǎn)廠家的支持，進而迅速推出了各種集成CAN協(xié)議的產(chǎn)品。與一般的總線相比，CAN 總線具有可靠、靈活、實時性強的優(yōu)點。
(1) CAN 總線采用多主結構，網(wǎng)絡上的任一節(jié)點可在任意時刻向其他節(jié)點發(fā)送信息，通訊方式靈活。
(2) 網(wǎng)絡上的節(jié)點根據(jù)對總線訪問優(yōu)先級的不同（取決于報文標識符），最快可在134μs內(nèi)得到響應。
(3) 采用非破壞性總線仲裁技術，可以大大節(jié)省總線沖突仲裁時間，網(wǎng)絡在擁擠的情況下也不會癱瘓。
(4) CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而是對通信數(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，可以方便的實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等方式的傳送接收數(shù)據(jù)，容易構成冗余結構提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。
(5) CAN采用NRZ編碼，直接通信距離最遠可達10km（速率5Kbps），通信速率最高可達1Mbps（此時通信距離最長為40m）。
(6) 采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低。CAN的每幀信息都有CRC效驗及其他檢錯措施，保證數(shù)據(jù)出錯率極低。
(7) 通訊介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。
(8) CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。

4 CAN總線在純電動汽車中的應用

純電動汽車與傳統(tǒng)汽車最大的區(qū)別就是用電能來驅動，即用電池和電機的組合來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)動機。這樣對電機的驅動控制和對電池的管理就成為電動汽車的關鍵技術。另外純電動汽車的控制系統(tǒng)還包括助力轉向控制、車身系統(tǒng)控制、組合儀表等部分，每個部分都有獨立的控制單元(ECU)，一些先進的汽車上還裝備了防抱死制動控制系統(tǒng)(ABS)、安全氣囊控制系統(tǒng)(SRS)、巡行控制系統(tǒng)、驅動防滑控制系統(tǒng)(ASR)、懸架控制、空調(diào)控制、防盜及其他控制等控制單元。另外，各種舒適性控制裝置和通訊系統(tǒng)也不斷增多，而且各ECU 之間有著密切的聯(lián)系，構成了基于CAN 總線的汽車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡。

純電動汽車的整車控制系統(tǒng)是由兩條總線構成，即高速CAN總線和低速總線。高速CAN總線和低速總線是兩個獨立的總線系統(tǒng)。為了便于汽車所有功能的管理，通過網(wǎng)關將這兩個總線網(wǎng)絡連接起來，不同總線間的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。這樣兩個總線分別獨立運行，只有需要在兩種總線間交換的數(shù)據(jù)才通過網(wǎng)關進行傳輸。這種方式可將不同類型的信息分開，減輕了各網(wǎng)絡總線上的負擔。高速CAN總線主要連接電動汽車的驅動系統(tǒng)，由驅動系統(tǒng)各個子系統(tǒng)和故障分析記錄系統(tǒng)節(jié)點組成，可以實現(xiàn)對電機、電池、轉向、制動等關鍵系統(tǒng)的快速控制。