基于CAN總線的EV電控系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì)與開發(fā)

摘　要：以MC68376集成CAN控制器為例,闡述了純電動(dòng)車(Electric Vehicle,簡(jiǎn)稱EV)電控系統(tǒng)采用SAEJ1939通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)CAN總線通信的設(shè)計(jì)要點(diǎn),給出了基于CAN通信的動(dòng)力蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)的電池充放電特性曲線。實(shí)驗(yàn)證明CAN總線通信速率高、準(zhǔn)確、可靠性高。

關(guān)鍵詞：電控系統(tǒng) CAN總線 通信 MC68376

隨著汽車上電子控制裝置越來(lái)越多,車身布線也愈來(lái)愈復(fù)雜,使得運(yùn)行可靠性降低,故障維修難度加大。為了提高信號(hào)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(shí)汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號(hào)也能實(shí)時(shí)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(lái)實(shí)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(lái)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。

利用CAN總線開發(fā)的純電動(dòng)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(diǎn),易于整車控制網(wǎng)絡(luò)的連接和管理,為傳感器信號(hào)、各個(gè)控制單元的計(jì)算信息和運(yùn)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(tái),同時(shí)開發(fā)基于該通信網(wǎng)絡(luò)的控制器在線標(biāo)定和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也成為可能。

本文采用基于CAN2.0B的SAEJ1939通信協(xié)議,以MC68376為例,設(shè)計(jì)開發(fā)了應(yīng)用于EV電控系統(tǒng)的CAN總線通信系統(tǒng)。

1 EV電控系統(tǒng)CAN通信的設(shè)計(jì)

1.1EV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(dòng)控制器(ABS/ASR)、動(dòng)力總成控制器PTCM(Powertrain Control Module)、動(dòng)力蓄電池管理器BPCM(Battery Pack Control Module)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器DMCM(Driver Motor Control Module)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制器及儀表控制器IPCM(Instrument Pack Control Module)等。在各控制器之間通過(guò)CAN通信網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù),實(shí)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。

圖1 純電動(dòng)車控制系統(tǒng)CAN通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.2 EV電控系統(tǒng)CAN通信的設(shè)計(jì)

根據(jù)CAN通信原理,硬件主要由CAN控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器組成。動(dòng)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(jī)控制DMCM模塊、動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制模塊和制動(dòng)控制模塊采用SJA1000控制器。CAN驅(qū)動(dòng)器全部采用PCA82C250。

圖2是EV的車載CAN通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接圖,每個(gè)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(duì)于不帶集成終端電阻(通常使用)的ECU,此電阻為60Ω;對(duì)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?yàn)槿绻渲幸粋€(gè)ECU從總線斷開,總線將丟失終端。

圖2 純電動(dòng)車　CAN　通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接圖

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(jì)。

1.3 基于MC68376的EV電控系統(tǒng)CAN通信的設(shè)計(jì)[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(shí)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(shí)支持CAN協(xié)議中的標(biāo)準(zhǔn)(11位)和擴(kuò)展(29位)ID兩種報(bào)文模式。TouCAN模塊包含16個(gè)具有發(fā)送和接收功能的報(bào)文緩沖器。此外,它還具有報(bào)文過(guò)濾功能,用于對(duì)接收到的報(bào)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(bào)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。

圖3 TOUCAN　結(jié)構(gòu)框圖

1.3.2 MC68376 CAN通信硬件接口的設(shè)計(jì)

圖4是CAN節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)CAN總線電源與CPU電源的隔離,使CAN系統(tǒng)的電壓波動(dòng)不影響CPU的正常工作電壓。6N137為光電耦合芯片,可實(shí)現(xiàn)電信號(hào)之間的電氣隔離。

PCA82C250用來(lái)提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力,完全與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)兼容。在運(yùn)動(dòng)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(shí)具有對(duì)傳送輸出級(jí)進(jìn)行保護(hù)的功能。

圖4 CAN節(jié)點(diǎn)硬件接口電路原理圖

1.3.3 MC68376 CAN通信軟件的設(shè)計(jì)

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(shí)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(bào)文。對(duì)于接收數(shù)據(jù),本系統(tǒng)采用中斷的方式實(shí)現(xiàn),一旦中斷發(fā)生,即將接收的數(shù)據(jù)自動(dòng)裝載到相應(yīng)的報(bào)文寄存器中。此時(shí)還可采用屏蔽濾波方式,利用屏蔽濾波寄存器對(duì)接收?qǐng)?bào)文的標(biāo)識(shí)符和預(yù)先在接收緩沖器初始化時(shí)設(shè)定的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行有選擇地逐位比較,只有標(biāo)識(shí)符匹配的報(bào)文才能進(jìn)入接收緩沖器,那些不符合要求的報(bào)文將被屏蔽于接收緩沖器外,從而減輕CPU處理報(bào)文的負(fù)擔(dān)。并且不同數(shù)據(jù)放入不同的報(bào)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(gè)接收?qǐng)?bào)文引起的。

圖5為基于MC68376的CAN通信程序流程圖。

圖5 程序流程框圖

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(shí)現(xiàn)了各控制器之間以及與儀表盤的信息互通。通過(guò)開發(fā)的在線標(biāo)定系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在PC機(jī)上可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各控制器的參數(shù)。圖6和圖7為利用CAN通信設(shè)計(jì)的鎳氫電池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制單元能夠通過(guò)CAN總線共享所有的信息和資源,達(dá)到簡(jiǎn)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(gè)控制系統(tǒng)的目的。這樣使得汽車的動(dòng)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(jiǎn)單的擴(kuò)展性、優(yōu)良的抗干擾性和處理錯(cuò)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。

參考文獻(xiàn)
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