CAN總線(xiàn)的電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)參數監測網(wǎng)絡(luò )總體結構分析

　　1、引言

　　現代交通的迅猛發(fā)展帶來(lái)的能源與環(huán)境危機已經(jīng)成為世界性的難題。發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)，采用清潔能源，被認為是最好的解決方案之一。為此，各國投入了大量的人力物力進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)的研究，并取得了可喜成果。

　　電動(dòng)汽車(chē)不僅包括傳統汽車(chē)的運行速度、行駛里程等參數，還包括電動(dòng)汽車(chē)獨有的能耗、電源電壓、電流及電機轉速等電氣參數，參數多達100多項。掌握這些參數對于分析電動(dòng)汽車(chē)整體運行性能有著(zhù)重要意義。這些參數類(lèi)型各異、位置分散，要想集中測量存在很大困難。因此，需要分散測量，再通過(guò)監控節點(diǎn)集中顯示和記錄的方式構造測試網(wǎng)絡(luò )?？刂破骶钟蚓W(wǎng)CAN(controller area network)能有效支持分布式和實(shí)時(shí)控制的串行通訊，與其它現場(chǎng)總線(xiàn)相比，它具有簡(jiǎn)單可靠、速率高、無(wú)主從以及連接方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種在汽車(chē)車(chē)載測控網(wǎng)絡(luò )中成熟應用的總線(xiàn)形式。因此，我們選用CAN總線(xiàn)構造電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)參數測試網(wǎng)絡(luò )。

　　2、 CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )總體結構

　　2.1 監測網(wǎng)絡(luò )總體結構

　　圖1 系統總體結構框圖

　　電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)運行參數監測網(wǎng)絡(luò )共由9個(gè)CAN節點(diǎn)構成，包括1個(gè)負責網(wǎng)絡(luò )調度與數據處理的PC104監控節點(diǎn)和8個(gè)單片機數據采集節點(diǎn)。8個(gè)數據采集節點(diǎn)包括1個(gè)車(chē)輛參數采集節點(diǎn)、1個(gè)動(dòng)力電池參數采集節點(diǎn)、1個(gè)輔助電池參數采集節點(diǎn)、1個(gè)電機參數采集節點(diǎn)和4個(gè)電池參數采集節點(diǎn)。由于動(dòng)力電池節點(diǎn)、輔助電池節點(diǎn)和電機節點(diǎn)采集的參數都是電壓、電流以及充放電的能量，因此可以將這三個(gè)節點(diǎn)作為一類(lèi)節點(diǎn)設計，統稱(chēng)為電量參數采集節點(diǎn)。動(dòng)力電池由40節12V鉛酸蓄電池串聯(lián)而成，串聯(lián)電池組的性能取決于每節電池的性能，40組電池參數在4個(gè)電池節點(diǎn)中分別進(jìn)行測量，每個(gè)節點(diǎn)負責測試10節電池的參數，因此4個(gè)電池參數采集節點(diǎn)是另一類(lèi)數據采集節點(diǎn)。此外，還有1個(gè)車(chē)輛參數采集節點(diǎn)，主要采集車(chē)輛的各種狀態(tài)，包括車(chē)輛啟動(dòng)、停止，空調的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機的轉速(針對混合動(dòng)力車(chē))，電機轉速。因此這個(gè)系統包括了3類(lèi)數據采集節點(diǎn)，即電量節點(diǎn)、電池節點(diǎn)和車(chē)輛節點(diǎn)。整個(gè)系統的結構如圖1所示。

　　在整個(gè)的系統中，共有3類(lèi)8個(gè)數據采集節點(diǎn)，完成146項參數的采集。采集的數據通過(guò)CAN總線(xiàn)將數據發(fā)送到監控節點(diǎn)，監控節點(diǎn)也通過(guò)微處理器完成總線(xiàn)上數據的接收。同時(shí)，該節點(diǎn)通過(guò)雙口RAM和一臺PC104計算機的ISA總線(xiàn)通訊，PC104通過(guò)雙口RAM獲取監控節點(diǎn)從總線(xiàn)上收到的數據，并將數據進(jìn)行顯示和記錄。同時(shí)，PC104還通過(guò)一個(gè)串行口直接接收GPS數據接收板的車(chē)輛速度、經(jīng)緯度和時(shí)鐘信息，并作為同步信息進(jìn)行記錄和顯示，以便將汽車(chē)的實(shí)時(shí)性能與速度和運行地況聯(lián)系起來(lái)。信息每0.5秒記錄一次，采用變化記錄的數據壓縮算法，并以*.dat文件格式進(jìn)行存儲。該文章講述了CAN總線(xiàn)的電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)參數監測網(wǎng)絡(luò )總體結構分析(2).

　　2.2 網(wǎng)絡(luò )中傳輸的信息

　　CAN總線(xiàn)是通過(guò)信息幀傳輸數據的，可分為數據幀、遠程幀、錯誤幀和超載幀。信息以報文為單位傳輸，不同的報文以標識符(ID)進(jìn)行區分，標識符越小，報文的優(yōu)先級越高。

　　監控節點(diǎn)發(fā)送信息的報文標識符為00H，用于向數據采集節點(diǎn)發(fā)送查詢(xún)信息，采集節點(diǎn)收到監控節點(diǎn)的查詢(xún)信息后，向總線(xiàn)上發(fā)送自己的一包數據，監控節點(diǎn)收到以后確認此節點(diǎn)工作正常。通過(guò)這種方式，監控節點(diǎn)可以隨時(shí)查詢(xún)網(wǎng)絡(luò )中連接了那些數據采集節點(diǎn)。由于報文所帶數據長(cháng)度最大為8字節，對于測量參數較多的電量節點(diǎn)和電池節點(diǎn)，需要分配較多的報文標識符。每個(gè)電量節點(diǎn)分配2個(gè)標識符，每節電池分配1個(gè)標識符。因為與參數相聯(lián)系的報文標識符是固定的，根據收到的標識符就可判斷收到的是哪個(gè)參數。電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)參數監測網(wǎng)絡(luò )中傳送的報文標識符(ID)與參數的對應關(guān)系見(jiàn)表1：

　　表1 報文標識符與參數對應表

　　3、數據采集節點(diǎn)的設計

　　作為一個(gè)運行參數監測網(wǎng)絡(luò )，數據采集是系統工作的基礎。本系統共有3類(lèi)8個(gè)數據采集節點(diǎn)，即車(chē)輛參數采集節點(diǎn)，3個(gè)電量參數采集節點(diǎn)和4個(gè)電池參數采集節點(diǎn)。下面將分別就3類(lèi)節點(diǎn)的設計進(jìn)行介紹。

　　系統中所有的數據采集節點(diǎn)都采用如圖2所示的結構，包括一個(gè)微處理器、一個(gè)CAN控制器和一個(gè)CAN收發(fā)器。微處理器采用INTEL公司的80C196KB，主要負責采集外界的各項參數，同時(shí)管理和調度節點(diǎn)的工作，當采集到一組合理的數據以后，通過(guò)操作CAN控制器向總線(xiàn)上發(fā)送數據。CAN控制器選用了SJA1000，它集成了CAN2.0A和CAN2.0B的總線(xiàn)協(xié)議，負責完成數據的發(fā)送和接收。CAN收發(fā)器82C250是CAN控制器和物理總線(xiàn)的接口，其內部驅動(dòng)電路具有限流電路，提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能，同時(shí)采用了光電隔離同總線(xiàn)交換數據，有助于抑制汽車(chē)等惡劣電氣環(huán)境下的瞬變干擾。

　　3.1 車(chē)輛參數采集節點(diǎn)的設計

　　車(chē)輛節點(diǎn)采集的參數包括車(chē)輛啟動(dòng)、停止的狀態(tài)，空調的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，電機與發(fā)動(dòng)機的轉速信息，從采集參數的特征來(lái)看，分為開(kāi)關(guān)量和頻率量。對于開(kāi)關(guān)量的采集，無(wú)需額外的傳感器，只需要將電壓信號通過(guò)光電耦合直接輸入微處理器的輸入口即可檢測;對于頻率量的轉速，我們選用了霍爾傳感器進(jìn)行測量。在輸出軸上貼磁鋼片，當磁鋼片通過(guò)霍爾元件時(shí)，霍爾傳感器輸出脈沖，此脈沖通過(guò)光電隔離輸入到80C196的高速輸入口，由于高速輸入口可以自動(dòng)記錄脈沖跳變的時(shí)刻，可以對脈沖進(jìn)行精確測量，而且高低頻率都適用。車(chē)輛采集節點(diǎn)的結構框圖如圖3所示。

　　3.2 電量節點(diǎn)的設計

　　對于電壓電流等電參數來(lái)說(shuō)，應用通常的A/D變換很容易測量;但是對于電能參數，由于是電壓電流的時(shí)間積分值，應用普通方法測量起來(lái)難度很大。因此對于電量測量選用集成電量測量芯片CS5460A，該芯片可以同時(shí)測量電壓、電流以及兩者的功率和能量。CS5460A是帶有串行SPI接口的單相雙向功率/電能計量集成電路芯片，主要應用在單相電子式電能表和三相電子式電能表中。芯片完成一次校準后，將校準系數存到系統的EEPROM中，每次上電CPU從EEPROM中讀出校準系數，并寫(xiě)入測量芯片中，然后通過(guò)SPI接口寫(xiě)入命令，即可進(jìn)行相應電流電壓和電能的測量。通過(guò)SPI接口，微處理器讀出該芯片中的測量結果，更新EEPROM中的電能信息，并通過(guò)報文的方式發(fā)送到CAN總線(xiàn)上。

　　為了保證測量電路的工作可靠，測量電路在設計時(shí)通過(guò)光電隔離器件將CS5460A的SPI接口和微處理器的I/O口進(jìn)行隔離，防止了相互的干擾。由于芯片SPI接口的數據線(xiàn)(SDI、SDO)和時(shí)鐘線(xiàn)(SCLK)信號變化很快，選用高速光耦6N137隔離，其耦合速率可達10Mbps;而芯片的片選(CS)、復位(RESET)和中斷(INT)輸出信號屬于電平信號，變換速率很低，用普通光耦TLP521-1即可實(shí)現。

　　3.3 電池參數采集節點(diǎn)設計

　　電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池是由40節12V鉛酸蓄電池串聯(lián)而成，每節電池的性能將影響整個(gè)電池組的性能。因此有必要對每一個(gè)電池的參數進(jìn)行測量。包括每節電池的電壓，電流以及測量傳感器的狀態(tài)。由于共有40節電池，用一個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行測量任務(wù)量太大，因此設計了4個(gè)節點(diǎn)對40節電池進(jìn)行測量，每個(gè)節點(diǎn)負責10節電池參數的測量，電池參數只有電壓和電流，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的A/D變換得到，因此，電池節點(diǎn)的設計不再詳細介紹。

　　4、基于PC104的監控節點(diǎn)的設計

　　由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò )測試的146項參數都要進(jìn)行顯示和記錄，以微處理器為核心的單片機系統顯然無(wú)法勝任如此繁重的任務(wù)需求。另外采用單片機開(kāi)發(fā)必然會(huì )帶來(lái)巨大的工作量。為了給用戶(hù)提供友好的人機交互界面，減小開(kāi)發(fā)工作量，監測節點(diǎn)選擇了結構緊湊，軟硬件功能和PC相近的嵌入式PC104模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　　PC104模塊采用嵌入式CPU，選用256MB 袖珍Flash 盤(pán)作為系統硬盤(pán)，存儲操作系統、應用程序和采集數據，選用夏普10.4英寸液晶顯示屏作為人機交換的界面。

　　PC機與外設的接口方式靈活多樣決定了CAN控制器和PC機的接口方式也是多種多樣的，常用的方式有：RS-232串口、并行打印口、USB接口、ISA總線(xiàn)接口等。本系統中PC104通過(guò)雙口RAM通訊獲取智能接收節點(diǎn)的數據。所謂的智能接收節點(diǎn)，是指該節點(diǎn)配有微處理器，它通過(guò)雙口RAM和PC104完成數據交換，將從總線(xiàn)上接收到的數據發(fā)送到PC104進(jìn)行顯示和記錄，并將PC104要發(fā)送的數據發(fā)送到CAN總線(xiàn)上。由于加入了微處理器，極大地減輕了主機PC104的負擔，提高了系統的實(shí)時(shí)性能。

　　圖4 試驗過(guò)程中電機電流變化圖

　　4.1 基于信箱格式的雙口RAM通訊

　　信箱結構是實(shí)現對于雙口RAM內部存儲區共享的一種邏輯結構。信箱式共享存儲區具有兩層含義：首先把各微處理器專(zhuān)用存儲區與共享存儲區劃分開(kāi)來(lái)，僅建立一塊較小的共享區供通訊使用;其次對共享區作了細分，仿效郵政信箱格式建立了分格式邏輯結構。

　　智能節點(diǎn)的微處理器和PC104的ISA總線(xiàn)之間通過(guò)雙口RAM IDT7132進(jìn)行數據交換，在雙口RAM中開(kāi)辟了2塊公共存儲區作為通訊的2個(gè)公共信箱，一個(gè)用于微處理器向PC104傳輸數據，另一個(gè)用于PC104向微處理器傳送數據。下面以微處理器向PC104通訊的公共信箱為例介紹基于信箱格式的通訊方式。

　　智能節點(diǎn)向PC104傳送數據的公共信箱長(cháng)度為16個(gè)字節，其中第一個(gè)字節為可讀寫(xiě)標記，當任何一方需要操作讀寫(xiě)數據時(shí)，先檢查該字節，若為0AAH，則不能進(jìn)行操作;若為55H，可以操作;第二個(gè)字節是讀寫(xiě)次數，表示在PC104讀出數據之前，智能節點(diǎn)寫(xiě)入新的數據的次數;第三個(gè)字節為該組數據的ID號，以區分不同的數據;第四個(gè)字節開(kāi)始為真正的數據區，數據區的長(cháng)度依據前面ID的不同會(huì )有差別;數據區之后是一個(gè)字節的垂直異或校驗值(從讀寫(xiě)次數開(kāi)始的異或結果)，可以據此對傳輸數據的正確性進(jìn)行驗證。

　　4.2 基于VC的顯示記錄軟件設計

　　車(chē)載PC104節點(diǎn)基于Windows98操作系統完成了實(shí)時(shí)多任務(wù)的可視化程序設計，實(shí)現了對146項參數的數據接收、處理和顯示。采用“非定長(cháng)”數據壓縮算法，對大量數據進(jìn)行記錄。由于采用高級語(yǔ)言Visual C6.0進(jìn)行編程，給設計工作帶來(lái)了很大方便，界面采用了傳統儀表顯示和動(dòng)畫(huà)顯示的結合，搭建了友好的人機交換界面。

　　5、地面數據分析處理

　　地面數據分析處理軟件采用VisualBasic6.0作為開(kāi)發(fā)工具，界面圖文并茂，操作簡(jiǎn)單直觀(guān)。數據庫采用SQL數據庫對實(shí)驗數據進(jìn)行存儲和操作。主要功能是將從PC104轉儲的實(shí)驗數據解壓后存儲為數據庫，同時(shí)描繪出各種參數隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。圖4為某次運行過(guò)程中記錄的電機電流曲線(xiàn)圖。

　　分析軟件的功能主要包括：(1)轉儲實(shí)驗數據，并對數據解壓形成實(shí)驗數據庫;(2)對實(shí)驗進(jìn)行回放，再現實(shí)驗過(guò)程中各參數的變化過(guò)程;(3)可任意進(jìn)行局部縮放，能夠仔細觀(guān)察某時(shí)刻的參數值;(4)可對數據庫進(jìn)行查詢(xún)和簡(jiǎn)單的統計，并可以打印查詢(xún)和統計結果的報表;(5)通過(guò)分析處理軟件，可以看出各個(gè)參數的變化趨勢，為分析電動(dòng)汽車(chē)的性能提供參考。

　　6、結語(yǔ)

　　電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)運行參數記錄裝置在完成研制后，在汕頭國家電動(dòng)汽車(chē)運行試驗基地裝車(chē)，經(jīng)過(guò)多次軟硬件調整后，系統運行穩定，各項參數測量準確，實(shí)時(shí)性好，記錄無(wú)誤，通訊工作正常，數據處理、分析正確，達到了預期效果，已經(jīng)通過(guò)項目組的驗收。