基于CAN總線通信的設(shè)計與開發(fā)

隨著汽車上電子控制裝置越來越多，車身布線也愈來愈復(fù)雜，使得運行可靠性降低，故障維修難度加大。為了提高信號的利用率，要求大批數(shù)據(jù)信息能在不同的電控單元中共享，同時汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號也能實時進(jìn)行交換。但是，傳統(tǒng)的汽車電子系統(tǒng)采用串行通信的方法，如用SAE1587等標(biāo)準(zhǔn)來實施，通信速度較慢、傳遞的數(shù)據(jù)量少，遠(yuǎn)不能滿足高速通信的需求。

近年來CAN總線已發(fā)展成為汽車電子系統(tǒng)的主流總線，并有基于CAN總線通信協(xié)議的車輛應(yīng)用層通訊標(biāo)準(zhǔn)SAEJ1939[1～4]產(chǎn)生。 圖1 利用CAN總線開發(fā)的純電動車(EV)電控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)具有通信速率高、準(zhǔn)確、可靠性高的特點，易于整車控制網(wǎng)絡(luò)的連接和管理，為傳感器信號、各個控制單元的計算信息和運行狀態(tài)的共享以及隨車或離車故障診斷等提供了基礎(chǔ)平臺，同時開發(fā)基于該通信網(wǎng)絡(luò)的控制器在線標(biāo)定和實時監(jiān)測系統(tǒng)也成為可能。

本文采用基于CAN2.OB的SAEJ1939通信協(xié)議，以MC68376為例，設(shè)計開發(fā)了應(yīng)用于EV電控系統(tǒng)的CAN總線通信系統(tǒng)。 圖2 1 EV電控系統(tǒng)CAN通信的設(shè)計

1.1 EV控制系統(tǒng)CAN總線通信原理 在EV控制系統(tǒng)中，控制器包括：制動控制器(ABS/ASR)、動力總成控制器PTCM(Powertrain Control Module)、動力蓄電池管理器BPCM(Battery PackControl Module)、驅(qū)動電機控制器DMCM(Driver Motor Control Module)、動力轉(zhuǎn)向控制器及儀表控制器IPCM(1nstrument Pack ControlModule)等。在各控制器之間通過CAN通信網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享并使各自的控制性能都有所提高。圖1為EV各控制器之間的 CAN通信原理圖。

1.2 EV電控系統(tǒng)CAN通信的設(shè)計 根據(jù)CAN通信原理，硬件主要由CAN控制器和CAN驅(qū)動器組成。動力控制總成PTCM和電池管理控制模塊BPCM采用32位高性能微處理器 MC68376上集成的CAN控制器;儀表控制器IPCM模塊采用FUJ 32位高性能微處理器上集成的CAN控制器;電機控制DMCM模塊、動力轉(zhuǎn)向控制模塊和制動控制模塊采用SJA1000控制器。CAN驅(qū)動器全部采用 PCA82C250。 圖2是EV的車載CAN通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接圖，每個總線末端均接有用RL表示的抑制反射的負(fù)載電阻。負(fù)載電阻連接在CAN-H和CAN-L之間，對于不帶集成終端電阻(通常使用)的ECU，此電阻為60Ω;對于帶有集成終端電阻的ECU，此電阻為120Ω。終端負(fù)載電阻最好置于總線末端，取消ECU內(nèi)部的負(fù)載電阻RL，因為如果其中一個ECU從總線斷開，總線將丟失終端。

下面以32位高智能微處理器MC68376為例介紹EV電控系統(tǒng)CAN通信的設(shè)計。

1.3 基于MC68376的EV電控系統(tǒng)CAN通信的設(shè)計[6～7] 1.3.1 MC68376內(nèi)嵌的TouCAN的基本特性 TouCAN模塊是MC68376內(nèi)嵌的實現(xiàn)CAN通信協(xié)議的CAN控制器。其最高傳輸速度高達(dá)1Mbit/s，可同時支持CAN協(xié)議中的標(biāo)準(zhǔn)(11位) 和擴展(29位)ID兩種報文模式。TouCAN模塊包含16個具有發(fā)送和接收功能的報文緩沖器。此外，它還具有報文過濾功能，用于對接收到的報文ID碼和預(yù)先設(shè)定的接收緩沖區(qū)ID碼進(jìn)行比較，從而確定接收到的報文是否有效。 圖3為TouCAN的結(jié)構(gòu)框圖，其中CANTX和CANRX分別為發(fā)送和接收引腳。

1.3.2 MC68376 CAN通信硬件接口的設(shè)計 圖4是CAN節(jié)點硬件接口電路原理圖，其中CAN+5V是CAN總線接口電路專用的電源，實現(xiàn)CAN總線電源與CPU電源的隔離，使CAN系統(tǒng)的電壓波動不影響CPU的正常工作電壓。6N137為光電耦合芯片，可實現(xiàn)電信號之間的電氣隔離。 PCA82C250用來提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，完全與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)兼容。在運動環(huán)境中，PCA82C250具有抗瞬變、射頻和電磁干擾的性能，內(nèi)部的限流電路在電路短路時具有對傳送輸出級進(jìn)行保護(hù)的功能。 圖6

1.3.3 MC68376 CAN通信軟件的設(shè)計 各控制器按規(guī)定格式和周期發(fā)送數(shù)據(jù)(車速、蓄電池電壓、電流和溫度等)到總線上，同時也要接收其它控制器的信息?？偩€上其它控制器根據(jù)需要各取所需的報文。對于接收數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用中斷的方式實現(xiàn)，一旦中斷發(fā)生，即將接收的數(shù)據(jù)自動裝載到相應(yīng)的報文寄存器中。此時還可采用屏蔽濾波方式，利用屏蔽濾波寄存器對接收報文的標(biāo)識符和預(yù)先在接收緩沖器初始化時設(shè)定的標(biāo)識符進(jìn)行有選擇地逐位比較，只有標(biāo)識符匹配的報文才能進(jìn)入接收緩沖器，那些不符合要求的報文將被屏蔽于接收緩沖器外，從而減輕CPU處理報文的負(fù)擔(dān)。并且不同數(shù)據(jù)放人不同的報文寄存器中，因此在接收中斷服務(wù)程序中即可很容易地判斷出中斷是由哪個接收報文引起的。

圖5為基于MC68376的CAN通信程序流程圖。 圖7 2 CAN通信在EV電控系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用 EV電控系統(tǒng)CAN通信建立了各控制器之間的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了各控制器之間以及與儀表盤的信息互通。通過開發(fā)的在線標(biāo)定系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，在PC機上可以實時監(jiān)測各控制器的參數(shù)。圖6和圖7為利用CAN通信設(shè)計的鎳氫電池實時監(jiān)測系統(tǒng)獲得的充放電特性曲線。CAN通信數(shù)據(jù)傳輸速率為500kbit/s，該系統(tǒng)實時地反映了鎳氫電池充放電的特性。

CAN總線作為一種可靠的汽車計算機網(wǎng)絡(luò)總線已開始在先進(jìn)的汽車上得到應(yīng)用，使得各汽車計算機控制單元能夠通過CAN總線共享所有的信息和資源，達(dá)到簡化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復(fù)、提高系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個控制系統(tǒng)的目的。這樣使得汽車的動力性、操作穩(wěn)定性、安全性都上升到新的高度。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，具有高度靈活性、簡單的擴展性、優(yōu)良的抗干擾性和處理錯誤能力的CAN總線通信協(xié)議必將在汽車電控系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。