CAN總線(xiàn)下的燃料電池汽車(chē)空調控制節點(diǎn)

在能源日趨緊張、空氣污染日益嚴重的今天，開(kāi)發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的新型燃料電池汽車(chē)是我國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要飛躍和里程碑，也是國家重點(diǎn)扶持的主要領(lǐng)域之一。燃料電池汽車(chē)與傳統燃油汽車(chē)相比具有環(huán)保、節能(氫氣為燃料)、運行平穩無(wú)噪聲等特點(diǎn)。燃料電池汽車(chē)系統的核心是它的動(dòng)力系統，即燃料電池發(fā)動(dòng)機，同時(shí)配備高功率鋰離子電池，能夠回收下坡和制動(dòng)能量。整個(gè)汽車(chē)系統由若干控制單元組成，各單元通過(guò)汽車(chē)總線(xiàn)彼此相連，其中空調控制系統是這種新型能源汽車(chē)的一個(gè)輔助控制單元，但它也是汽車(chē)系統的一個(gè)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)器為核心的智能節點(diǎn)，完成與汽車(chē)系統之間的通信和控制由數字信號處理器DSP2407為控制芯片的直流變轉速空調控制器的運行，并且整個(gè)空調系統已成功地運行在以燃料電池為動(dòng)力的試驗汽車(chē)當中。

1 CAN總線(xiàn)原理

控制器局域網(wǎng)絡(luò )CAN屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。CAN是1986年由Bosch公司領(lǐng)先推出的一種最初應用于現代汽車(chē)微控制器通信的多主機局部網(wǎng)，實(shí)現車(chē)裁各類(lèi)電子控制裝置之間的信息交換。國際標準組織ISO為其制訂了規范CAN總線(xiàn)的國際標準，CAN已被公認為幾種最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，它在當今自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展中將發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。CAN協(xié)議建立在國際標準組織ISO的開(kāi)放系統互連參考模型OSI基礎上，主要工作在物理層、數據鏈路層和應用層，用戶(hù)可在其基礎上開(kāi)發(fā)適合實(shí)際系統需要的應用層通信協(xié)議。信號的傳輸一般采用雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖。CAN總線(xiàn)系統通信距離遠，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(shí)，仍可提供高達5kbit／s的數據傳輸速率。由于CAN總線(xiàn)的這一特點(diǎn)，使其更利于構成大系統。

2 系統硬件設計

2.1 空調控制系統結構

由于整個(gè)汽車(chē)系統是一個(gè)復雜的控制系統，可以將其分成若干個(gè)模塊或子系統，每個(gè)子系統負責完成一定的功能。各個(gè)控制單元都通過(guò)CAN總線(xiàn)連接在一起，構成總線(xiàn)型結構的局域網(wǎng)絡(luò )。雖然CAN中各個(gè)節點(diǎn)處于對等的地位，但為了更好協(xié)調各個(gè)控制單元，以整車(chē)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動(dòng)力的分配。系統CAN總線(xiàn)結構圖如圖1所示?？照{控制系統一方面作為整個(gè)汽車(chē)系統的一個(gè)子系統，同時(shí)也作為CAN總線(xiàn)上的一個(gè)節點(diǎn)，其主要功能是通過(guò)CAN總線(xiàn)接收主控節點(diǎn)的控制命令及將空調相關(guān)數據傳送給主控節點(diǎn)，完成汽車(chē)空調的開(kāi)啟、溫度設定、車(chē)內外溫度采集等控制?？照{系統與CAN總線(xiàn)上的整車(chē)控制器的通信至關(guān)重要，而空調控制部分又涉及到高壓部分，為了整車(chē)系統的安全和可靠，將空調系統的CAN通訊部分和壓縮機驅動(dòng)部分分開(kāi)設計，兩者之間通過(guò)光電耦合器進(jìn)行電氣隔離，保證空調系統與整車(chē)的通訊安全、可靠。

2.2 硬件設計

由于空調控制系統的智能節點(diǎn)處理的信息量不是很大，主要完成和主控節點(diǎn)即整車(chē)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(kāi)發(fā)較靈活的微控制器(MCU)和獨立CAN控制器及CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器方案完成，智能節點(diǎn)硬件設計原理如圖2所示。其中，智能節點(diǎn)中微控制器選用P89C51Rx2，CAN接口由獨立控制器SJA1000和CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器PCA82C250組成。SJA1000作為微控制器MCU的片外擴展芯片，SJA1000和MCU之間的數據傳送通過(guò)MCU數據端口P0來(lái)完成，數據接收信號用中斷方式，以提高數據處理的實(shí)時(shí)性。CAN控制器SJA1000通過(guò)總線(xiàn)驅動(dòng)器PCA82C250連接在物理總線(xiàn)上。PCA82C250器件提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力和對CAN控制器的差動(dòng)接受能力，采用差分驅動(dòng)有助于抑制汽車(chē)等惡劣電氣環(huán)境下的瞬變干擾。為增強CAN總線(xiàn)節點(diǎn)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(guò)高速光耦與82C250相連，這樣就很好地實(shí)現了收發(fā)器與控制器之間的電氣隔離，保護智能節點(diǎn)核心電路安全工作，并實(shí)現了總線(xiàn)上各CAN節點(diǎn)間的電氣隔離。為了進(jìn)一步增強系統抗干擾能力，可在總線(xiàn)入口處并接雙向穩壓管，限制線(xiàn)路上可能出現的短時(shí)尖峰過(guò)電壓和增加共模抑制線(xiàn)圈以消除共模信號的干擾。此外，通信信號在線(xiàn)路上傳輸時(shí)，信號傳輸到導線(xiàn)的端點(diǎn)時(shí)會(huì )發(fā)生反射，反射信號會(huì )干擾正常信號的傳輸。為消除這種影響，可在CAN總線(xiàn)兩端并接2個(gè)120Ω的電阻起到匹配總線(xiàn)阻抗和消除反射的雙重作用。若忽略這些措施，會(huì )使數據通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信。

節點(diǎn)中MCU除了與CAN控制器連接外，還需要完成空調系統的控制和數據采集，采集的數據主要有車(chē)內溫度、空調設定溫度、空調盤(pán)管溫度、車(chē)外溫度、日照強度、壓力保護等模擬量，根據采集的數據通過(guò)閉環(huán)控制方式，給空調壓縮驅動(dòng)器發(fā)出啟動(dòng)指令和運行頻率，同時(shí)壓縮機驅動(dòng)器會(huì )實(shí)時(shí)將壓縮機的運行狀態(tài)傳遞給MCU。根據狀態(tài)信息，MCU會(huì )做出相應的處理。