電動(dòng)汽車(chē)CAN總線(xiàn)通訊研究及設計

虛擬儀器(Vinual Instrument，簡(jiǎn)稱(chēng)VI)是日益發(fā)展的計算機硬、軟件和總線(xiàn)技術(shù)在向其他相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過(guò)程中，與測試技術(shù)、儀器儀表技術(shù)密切結合共同孕育出的一項全新的成果。由于儀器的專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成，因此國際上把這類(lèi)新型的儀器稱(chēng)為“虛擬儀器”。它是利用微機的數據處理和圖形處理功能，將傳統物理儀器的專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件軟件化，與檢測數據間的接口也通過(guò)計算機軟件來(lái)實(shí)現。從虛擬儀器顯示面板(如虛擬顯示屏、數碼顯示器和指示燈及示波器等，其在功能上與各種物理儀器相對應)可了解儀器的狀態(tài)，讀取測試結果進(jìn)行分析。

1 車(chē)輛稱(chēng)重傳感器概述

本文根據虛擬儀器的特點(diǎn)，利用電容稱(chēng)重傳感器的車(chē)輛載荷檢測裝置，以車(chē)輛緩沖減振機構中的板彈簧作為稱(chēng)重傳感器的彈性體，可隨時(shí)隨地進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)檢測。在載荷作用下，汽車(chē)的緩沖減振機構(板彈簧)產(chǎn)生變形，安裝在特定位置電容傳感器兩極板間的距離發(fā)生變化，電容值變化，傳感器的輸出電壓也隨之發(fā)生變化?；谔摂M儀器從測試靜態(tài)性能的參數分析入手，分析在車(chē)輛靜止時(shí)貨物變化時(shí)電容傳感囂兩極板間電壓變化的規律，為測試動(dòng)態(tài)性能作參考。對特定的載荷對應的電壓值進(jìn)行分析，用虛擬儀器程序子VI的來(lái)進(jìn)行誤差分析和曲線(xiàn)擬合，既方便又直觀(guān)。電容稱(chēng)重傳感器的安裝如圖1所示。

電容上極板部件安裝在車(chē)架下部，左右居中；電容下極板部件安裝在輪軸中部的上方，與電容上極板上下對正。車(chē)輛的每根輪軸上方均安裝一套電容傳感器。

車(chē)輛稱(chēng)重系統各元素之間的關(guān)系如下：

在載荷作用下，汽車(chē)的緩沖減震機構(鋼板彈簧)產(chǎn)生變形，電容傳感器兩極板間的距離d發(fā)生變化，傳感器的電容值也隨之變化。預先標定出傳感器電路輸出電壓值與該輪軸載荷值之間的關(guān)系，以后就可以根據各輪軸傳感器電路的電壓值得到該輪軸的載荷質(zhì)量。將各輪軸的載荷質(zhì)量相加，可以得到整車(chē)載荷質(zhì)量。

2 試驗及數據分析

基于虛擬儀器的電容法檢測車(chē)輛載荷的靜態(tài)分析試驗是在黑豹SM1010型汽車(chē)上進(jìn)行。該車(chē)輛為兩軸鋼板彈簧結構，額定載荷為500 kg。靜態(tài)實(shí)驗過(guò)程中保持車(chē)輛處于水平狀態(tài)，兩輪分別垂直壓在SCS-2蛩電子數字平臺秤上。以100 kg砝碼作為標準單位載荷，對車(chē)輛裝載或卸載。試驗分為兩個(gè)行程(每行程又包括正反兩個(gè)方向)，按照如下順序裝載或卸載：

正向1——在車(chē)輛自由狀態(tài)下(無(wú)遲滯)，自空載逐漸裝載，直到傳感器輸出達到滿(mǎn)量程；
反向1——在正向1的基礎上，逐漸卸至空載；
正向2——在反向1的基礎上(有遲滯)，自空載逐漸裝載，直到輸出再次達到滿(mǎn)量程；
反向2——在正向2的基礎上，逐漸卸至空載。
根據試驗數據，分別求出兩個(gè)行程正反向傳感器輸出的算術(shù)平均值再求出總進(jìn)程算術(shù)平均值。經(jīng)虛擬儀器編程軟件LabVIEW平臺下編程顯示，程序框圖前面板如下。

軟件編程采用模塊化設計，主要包括曲線(xiàn)擬合模塊、直線(xiàn)擬合和誤差分析模塊等。誤差分析模塊中的最小二乘線(xiàn)性度、遲滯性誤差以及重復性誤差都采用子VI的形式，這為動(dòng)態(tài)參數的分析編程提供了很大的方便。誤差處理模塊主要是在分析數據的過(guò)程中，對數據的重復性誤差、最大標準偏差和遲滯性誤差等進(jìn)行分析處理。這些數據為后續的數據處理和電容稱(chēng)重傳感器補償系統編程作為依據，如重復性誤差編程如圖4所示。為了掌握加速度對電容法車(chē)輛載荷檢測的影響情況，根據預先標定出的載荷質(zhì)量與電容傳感器輸出電壓之間的對應關(guān)系，得到某一加速度(aH)下前、后輪軸以及整車(chē)的載荷質(zhì)量，結果見(jiàn)表1。

從表中敷據可知：制動(dòng)過(guò)程中，加速度aH=4 m／s2與aH=0 時(shí)相比，電容傳感器檢測到的前軸載荷質(zhì)量增大了122．5％，后軸減小了60．7％，整車(chē)載荷質(zhì)量增大了14.9％；加速過(guò)程中，加速度aH=1．78 m／s2與aH=0時(shí)相比，前軸載荷質(zhì)量減小了55．7％，后軸增大了14．6％，整車(chē)載荷質(zhì)量減小了14．4％。由此可見(jiàn)，加速度對車(chē)輛載荷檢測的影響很大，為了保證檢測結果的準確性，必須利用軟件補償。
根據表1中的數據繪制出的載荷質(zhì)量與加速度之間的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

由以上分析系統顯示結果可知，電容式車(chē)輛稱(chēng)重裝置靜態(tài)時(shí)具有較好的重復性，但也存在著(zhù)一定的非線(xiàn)性誤差及較大的遲滯性，直接影響著(zhù)載荷檢測結果。引起非線(xiàn)性誤差的主要原因是電容相對變化量與極板之間的非線(xiàn)性的關(guān)系。而引起遲滯(包括反向行程不歸零)的主要有兩方面的原因：1)真實(shí)材料都在一定程度上存在遲滯現象；2)車(chē)輛載荷大小不同時(shí)，鋼板彈簧的高度和長(cháng)度隨載荷而變化，彈簧片之間產(chǎn)生摩擦，彈簧片兩端與車(chē)架連接處也產(chǎn)生摩擦。采用高彈性材料的鋼板彈簧、改進(jìn)機械設計、減小摩擦等辦法可減小遲滯影響。而利用軟件方式進(jìn)行非線(xiàn)性補償及遲滯性補償效果十分明顯。

3 結束語(yǔ)德國B(niǎo)osch公司為了解決現代車(chē)輛中眾多的控制和數據交換問(wèn)題,開(kāi)發(fā)出一種CAN(Controller AreaNetwork) 現場(chǎng)總線(xiàn)通訊結構. CAN總線(xiàn)硬件連接簡(jiǎn)單,有良好的可靠性、實(shí)時(shí)性和性能價(jià)格比. CAN總線(xiàn)能夠滿(mǎn)足現代自動(dòng)化通訊的需要,已成為工業(yè)數據總線(xiàn)通訊領(lǐng)域中最為活要躍的一支。

其主要特點(diǎn)是: ①CAN總線(xiàn)為多主站總線(xiàn),各節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò )上的其它節點(diǎn)發(fā)送信息,不分主從,通信靈活; ②CAN總線(xiàn)采用獨特的非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù),優(yōu)先級高的節點(diǎn)優(yōu)先傳送數據,能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求; ③CAN總線(xiàn)具有點(diǎn)對點(diǎn),一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播傳送數據的功能; ④CAN總線(xiàn)上每幀有效字節數最多為8個(gè),并有CRC及其它校驗措施,數據出錯率極低,萬(wàn)一某一節點(diǎn)出現嚴重錯誤,可自動(dòng)脫離總線(xiàn),總線(xiàn)上的其它操作不受影響; ⑤CAN總線(xiàn)只有兩根導線(xiàn),系統擴充時(shí),可直接將新節點(diǎn)掛在總線(xiàn)上即可,因此走線(xiàn)少,系統擴充容易,改型靈活; ⑥CAN總線(xiàn)傳輸速度快,在傳輸距離小于40m時(shí),最大傳輸速率可達1Mb/s。正是由于CAN總線(xiàn)具有這些其它通信方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),使之成為電動(dòng)汽車(chē)控制系統的理想總線(xiàn)。

1 　電動(dòng)汽車(chē)對通訊網(wǎng)絡(luò )的需求

電動(dòng)汽車(chē)由于儲能設備容量有限,在運行過(guò)程中對能源的管理十分嚴格. 效率是衡量電動(dòng)汽車(chē)系統性能的重要指標,國家863“十五”電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項要求電動(dòng)機系統額定效率為85% ,控制器的額定效率達到95%. 電動(dòng)汽車(chē)電子控制系統的動(dòng)態(tài)信息必須具有實(shí)時(shí)性,各子系統需要將車(chē)輛的公共數據實(shí)時(shí)共享,如電機轉速、車(chē)輪轉換、油門(mén)踏板位置和剎車(chē)踏板位置等. 但不同控制單元的控制周期不同,數據轉換速度、各控制命令優(yōu)先級也不同,因此需要一種具有優(yōu)先權競爭模式的數據交換網(wǎng)絡(luò ),并且本身具有極高的通信速率. 此外,作為一種載人交通工具,電動(dòng)汽車(chē)必須具有較好的舒適性,整車(chē)通訊系統必須具有很強的容錯能力和快速處理能力。

目前,電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展得到了各國的高度重視.電動(dòng)汽車(chē)成為未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的主流方向。電動(dòng)汽車(chē)內電氣元件極多,需要實(shí)時(shí)傳輸和共享的數據很多.如何提高電動(dòng)汽車(chē)通訊的實(shí)時(shí)性、可靠性和應急處理能力成為電動(dòng)汽車(chē)通訊的難點(diǎn)所在. 我們采用TMS320LF2407型DS作為電動(dòng)汽車(chē)通訊系統的主處理器,利用DSP良好的快速處理能力提高數據處理速度,從而提高通訊的實(shí)時(shí)性;利用 DSP內嵌的CAN總線(xiàn)模塊作為CAN的控制器,減少硬件電路的復雜性,從而提高通訊的可靠性;通過(guò)軟件設計緊急時(shí)刻屏蔽次要因素來(lái)提高電動(dòng)汽車(chē)的應急處理能力。

2 　控制方案

電動(dòng)汽車(chē)總成控制我們采用先進(jìn)的模糊控制,采用的控制器也是TMS320LF2407型的DSP。對采集到的剎車(chē)信號,加速信號和反饋回的轉速信號進(jìn)行模糊處理,得到期望的轉速信號,并將得到的轉速值通過(guò)CAN 總線(xiàn)傳送到電動(dòng)機的控制機構,對電動(dòng)機進(jìn)行控制,滿(mǎn)足駕駛員的駕駛意圖。 同時(shí)管理燈光系統和屏幕顯示系統. 屏幕顯示系統實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)汽車(chē)的運行狀態(tài)。 具體控制方案如圖1 所示。

圖1 　電動(dòng)汽車(chē)控制系統結構框圖

3 　電動(dòng)汽車(chē)CAN總線(xiàn)通訊方案

電動(dòng)汽車(chē)控制需要良好的通訊協(xié)調性和運行可靠性。良好的通訊系統是實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)可靠運行的關(guān)鍵. CAN總線(xiàn)結構是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò )。 圖2 是一個(gè)典型的電動(dòng)汽車(chē)CAN總線(xiàn)結構示意圖,包括整車(chē)動(dòng)力部分的主電動(dòng)機控制器、電池組管理系統、電動(dòng)汽車(chē)屏幕顯示系統等多個(gè)設備,這些子系統之間通過(guò) CAN進(jìn)行數據通訊和命令傳輸。 每個(gè)節點(diǎn)設備都能夠在脫離CAN 總線(xiàn)的情況下獨立完成自身系統的運行,從而滿(mǎn)足車(chē)輛運行安全性的需要。同時(shí),CAN總線(xiàn)也不會(huì )因為某個(gè)設備的脫離而出現系統結構崩潰的現象。

圖2 　電動(dòng)汽車(chē)CAN 總線(xiàn)結構圖

4 　CAN總線(xiàn)模塊

CAN 總線(xiàn)模塊是DSP的一個(gè)16位的外設,是一個(gè)完整的CAN 控制器. 除具有CAN 總線(xiàn)的基本功能外,還有一些特有功能,如:對象有六個(gè)郵箱,其數據長(cháng)度為0～8 個(gè)字節,其中兩個(gè)接收郵箱(0、1) ,兩個(gè)發(fā)送郵箱(4、5) ,兩個(gè)可配置為接收或發(fā)送郵箱(3、4) ;自動(dòng)回復遠程請求功能;可編程的CAN 總線(xiàn)喚醒功能;自測試模式功能等. 對CAN 總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)分為控制/ 狀態(tài)寄存器的訪(fǎng)問(wèn)和郵箱的RAM 訪(fǎng)問(wèn).CAN 總線(xiàn)控制模塊的內存空間分配圖如圖3 所示.

圖3 　CAN 總線(xiàn)內存空間分配

CAN 控制器發(fā)送的信息幀有兩種,一種是發(fā)送數據幀,一種是發(fā)送遠程幀. 發(fā)送郵箱有郵箱4 和郵箱5以及被配置為發(fā)送方式的郵箱2 和郵箱3. 發(fā)送數據幀時(shí),在數據寫(xiě)到發(fā)送郵箱的數據區后,如果相應的發(fā)送請求位使能,則數據幀被發(fā)送到CAN 總線(xiàn)上. 數據幀的數據區可以通過(guò)軟件設置成1～8 個(gè)字節。 數據幀的格式如圖4 所示。

圖4 　CAN 總線(xiàn)數據幀

CAN 總線(xiàn)控制器的接收郵箱有郵箱0和郵箱1及被配置為接收方式的郵箱2 和郵箱3. CAN 控制器在接收信息時(shí),首先要將接收信息的標志符與相應接收郵箱的標志符進(jìn)行比較,只有標志符相同的信息才能被接收. CAN 總線(xiàn)控制器的接收寄存器使得接收郵箱可以忽略更多的位來(lái)接收信息. 但是,如果當接收屏蔽使能位(AME) 為0 時(shí),則局部接收屏蔽寄存器將失效. 只有配置為發(fā)送方式的郵箱2 和郵箱3 才可以接收自動(dòng)應答遠程幀. 當郵箱接收到遠程幀后,接收節點(diǎn)將自動(dòng)發(fā)送一個(gè)數據幀作為應答。

5 　接口電路設計

由于DSP 本身內帶CAN 總線(xiàn)模塊,所以不需要專(zhuān)門(mén)的CAN 控制器,DSP 本身不具有CAN 收發(fā)器,需要外接CAN 收發(fā)器82C250 ,中間使用光電隔離器6N137. 如果距離很短,可以不使用光電隔離器. DSP與光電隔離器和CAN 收發(fā)器硬件連接圖如圖5 所示。

圖5 　DSP 與CAN 總線(xiàn)硬件連接圖

6 　電動(dòng)汽車(chē)總成控制器CAN通訊的軟件實(shí)現

電動(dòng)汽車(chē)總成控制器是電動(dòng)汽車(chē)的心臟,它需要頻繁的接收和發(fā)送數據對電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和檢測. 發(fā)送信息采用查詢(xún)方式,接收信息采用中斷方式. 通過(guò)設定不同事件的不同優(yōu)先級來(lái)確定信息的接收和發(fā)送順序,同時(shí)增加緊急事件處理程序來(lái)提高控制器處理緊急事件的能力,保證車(chē)輛和人身安全. 緊急事件處理程序是當緊急事件發(fā)生時(shí),如執行器件損壞,急剎車(chē)和急轉彎等,通過(guò)暫時(shí)屏蔽低優(yōu)先級事件,如電池電量檢測,LCD 顯示系統等,使控制器有足夠的時(shí)間處理緊急事件,以提高控制器的實(shí)時(shí)控制能力和應急處理能力。 控制器軟件流程圖如圖6 所示。

圖6 　控制器軟件流程圖

7 　結　論

目前,現場(chǎng)總線(xiàn)在自動(dòng)化領(lǐng)域中快速發(fā)展,CAN總線(xiàn)作為一種很有影響的現場(chǎng)總線(xiàn),采用了許多新的技術(shù)和設計,使 CAN 總線(xiàn)成為最有發(fā)展前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。CAN 總線(xiàn)以其高實(shí)時(shí)性、高可靠性和高靈活性,在工業(yè)自動(dòng)化控制中得到了越來(lái)越多的應用。本文應用DSP 控制器作為CAN 總線(xiàn)的微處理器,利用DSP 很強的數據處理能力和CAN 總線(xiàn)傳輸速率高、可靠性高的特點(diǎn),對電動(dòng)汽車(chē)內復雜的通訊系統提出解決方案. 實(shí)驗證明,本系統不但解決了電動(dòng)汽車(chē)通訊對實(shí)時(shí)性的要求,而且可靠性和穩定性都得到了提高。

基于虛擬儀器的車(chē)輛稱(chēng)重分析系統，具有操作方便，用戶(hù)界面友好，易編程等特點(diǎn)，盡管虛擬儀器沒(méi)有真正的儀表面板，但在功能上卻遠勝于傳統物理儀器。實(shí)踐證明基于虛擬儀器的車(chē)輛稱(chēng)重系統不僅適合于電容法檢測車(chē)輛載荷靜態(tài)測量分析，同時(shí)更適合于數據量更大的動(dòng)態(tài)測量分析。本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于利用虛擬儀器的軟件面板對電容法檢測車(chē)輛載荷靜態(tài)測量進(jìn)行誤差分析，不僅擺脫了那種列表統計易出錯的缺點(diǎn)，而且結果方便快捷直觀(guān)。