CAN總線(xiàn)在混合動(dòng)力汽車(chē)中的應用研究

引言

上世紀90年代以來(lái)，隨著(zhù)對汽車(chē)功能要求的不斷提高和汽車(chē)控制技術(shù)的發(fā)展，在汽車(chē)設計領(lǐng)域，CAN總線(xiàn)幾乎成為一種必須采用的技術(shù)手段，不僅在一些高級轎車(chē)，而且在經(jīng)濟型轎車(chē)中進(jìn)入了實(shí)用化階段。CAN總線(xiàn)規范是目前唯一有國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)，并得到Intel、Motorola、Philips、TI、Infineon等許多半導體制造廠(chǎng)商的支持，推出各種集成有CAN協(xié)議的產(chǎn)品。

CAN總線(xiàn)不僅用于汽車(chē)電氣系統的現場(chǎng)總線(xiàn)，而且由于網(wǎng)絡(luò )控制的發(fā)展以及它所具有的優(yōu)秀性能和高可靠性而越來(lái)越受到工業(yè)界的重視。

1 CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)及通信協(xié)議

CAN總線(xiàn)是一種串行數據通信協(xié)議。在CAN總線(xiàn)接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理。CAN協(xié)議廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進(jìn)行編碼，數據塊的標識碼可由1 1位或29位二進(jìn)制數組成。按數據塊的編碼方式，可使不同的節點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數據；數據段長(cháng)度最多為8個(gè)字節，可滿(mǎn)足通常工業(yè)領(lǐng)域和汽車(chē)行業(yè)中控制命令、工作狀態(tài)以及測試數據的一般要求，保證通信的實(shí)時(shí)性；CAN協(xié)議采用CRC校驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證數據通信的可靠性；采用非破壞性仲裁技術(shù)：當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)上發(fā)送信息出現沖突時(shí)，優(yōu)先級較低的節點(diǎn)會(huì )主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節點(diǎn)可不受影響繼續傳送數據，從而大大節省了總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間，尤其在網(wǎng)絡(luò )負載很重的情況下，也不會(huì )出現網(wǎng)絡(luò )癱瘓。

CAN通信協(xié)議規定了4種不同的幀格式，即數據幀、遠程幀、錯誤幀和超載幀?；谝韵禄疽巹t進(jìn)行通信協(xié)調：總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)、仲裁、編碼／解碼、出錯標注、超載標注。

J1939是一種支持閉環(huán)控制的在多個(gè)ECU之間高速通信的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。在CAN總線(xiàn)通信協(xié)議2．OB之上具體實(shí)現了應用層，成為載貨車(chē)和大客車(chē)廣泛使用的通信標準。任何遵循同一J1939／0X(X=1，2，...，用來(lái)表示不同的版本或應用范圍)文件規定的電子控制單元(ECU)均可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現通訊。SAEJ1939使用PDU(用于確定分配到數據域的參數組編碼)封裝和實(shí)施CAN的標準格式(表1)，具體定義如下：協(xié)議數據單元PDU由優(yōu)先權P、參數組號(PGN)、源地址SA和數據DATA組成。參數組號PGN又由保留位R、數據頁(yè)DP、PDU格式PF和PDU特性域PS組成。J1939／71應用層文檔定義了車(chē)輛控制的各種參數及命令的PGN。本文參考J1939協(xié)議，采用29位ID的編碼方式。

表1 SAE J1939的PDU封裝格式

2 基于CAN通信的XL2000輕度混合動(dòng)力控制系統實(shí)現

2．1 XL2000輕度混合動(dòng)力系統原理框圖及控制網(wǎng)絡(luò )要求

系統在臺架上的調試原理如圖1所示。原夏利2000的4缸1．3L汽油機換成3缸1．OL TJ376QE汽油機，該汽油機的飛輪被替換為一個(gè)10kW永磁電機，既可以工作在電動(dòng)模式提供輸出扭矩也可以工作在發(fā)電模式提供電能。發(fā)動(dòng)機的節氣門(mén)被改造為電控節氣門(mén)，接受主控制器控制。主控制器通過(guò)控制電控節氣門(mén)開(kāi)度和管理電控噴油器功率回路，實(shí)現對發(fā)動(dòng)機的力矩控制和啟停管理。主控制器、電機控制器和電池管理系統通過(guò)CAN總線(xiàn)交換信息，以實(shí)現傳感器測量數據的共享、控制指令的發(fā)送和接收等，并執行各自的控制功能，從而提高系統的控制性能。它們之間的通信與信息類(lèi)型為信息類(lèi)和控制類(lèi)。

圖1系統調試原理框圖

2．2節點(diǎn)設計

考慮開(kāi)發(fā)的便利性、快速性以及成本的考慮，盡量發(fā)揮各自的開(kāi)發(fā)優(yōu)勢，系統中使用的控制器有Motorola公司的M68376、TI公司的DSP內核芯片TMS320LF2407和Cygnal公司的增強型C8051F020單片機。前兩種單片機集成有CAN控制器模塊，CAN和微控制器之間通過(guò)芯片內部總線(xiàn)交換數據；而后一種控制器無(wú)CAN接口，采用獨立的CAN控制器SJAl000，以適應C805 1F020單片機，通過(guò)并行數據口交換數據信息。CAN的外圍器件采用82C250收發(fā)器增強總線(xiàn)驅動(dòng)能力，采用光耦6N137在電氣與總線(xiàn)隔離，具有較強的抗干擾能力，起到安全保護作用。