基于CAN總線(xiàn)的EV電控系統通信的設計與開(kāi)發(fā)

摘　要：以MC68376集成CAN控制器為例,闡述了純電動(dòng)車(chē)(Electric Vehicle,簡(jiǎn)稱(chēng)EV)電控系統采用SAEJ1939通信協(xié)議實(shí)現CAN總線(xiàn)通信的設計要點(diǎn),給出了基于CAN通信的動(dòng)力蓄電池監控系統的電池充放電特性曲線(xiàn)。實(shí)驗證明CAN總線(xiàn)通信速率高、準確、可靠性高。

關(guān)鍵詞：電控系統 CAN總線(xiàn) 通信 MC68376

隨著(zhù)汽車(chē)上電子控制裝置越來(lái)越多,車(chē)身布線(xiàn)也愈來(lái)愈復雜,使得運行可靠性降低,故障維修難度加大。為了提高信號的利用率,要求大批數據信息能在不同的電控單元中共享,同時(shí)汽車(chē)綜合控制系統中大量的控制信號也能實(shí)時(shí)進(jìn)行交換。但是,傳統的汽車(chē)電子系統采用串行通信的方法,如用SAE1587等標準來(lái)實(shí)施,通信速度較慢、傳遞的數據量少,遠不能滿(mǎn)足高速通信的需求。近年來(lái)CAN總線(xiàn)已發(fā)展成為汽車(chē)電子系統的主流總線(xiàn),并有基于CAN總線(xiàn)通信協(xié)議的車(chē)輛應用層通訊標準SAEJ1939[1～4]產(chǎn)生。

利用CAN總線(xiàn)開(kāi)發(fā)的純電動(dòng)車(chē)(EV)電控系統的通信網(wǎng)絡(luò )具有通信速率高、準確、可靠性高的特點(diǎn),易于整車(chē)控制網(wǎng)絡(luò )的連接和管理,為傳感器信號、各個(gè)控制單元的計算信息和運行狀態(tài)的共享以及隨車(chē)或離車(chē)故障診斷等提供了基礎平臺,同時(shí)開(kāi)發(fā)基于該通信網(wǎng)絡(luò )的控制器在線(xiàn)標定和實(shí)時(shí)監測系統也成為可能。

本文采用基于CAN2.0B的SAEJ1939通信協(xié)議,以MC68376為例,設計開(kāi)發(fā)了應用于EV電控系統的CAN總線(xiàn)通信系統。

1 EV電控系統CAN通信的設計

1.1EV控制系統CAN總線(xiàn)通信原理

在EV控制系統中,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)、驅動(dòng)電機控制器DMCM(Driver Motor Control Module)、動(dòng)力轉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 )交換數據,實(shí)現數據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(chē)控制系統CAN通信網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

1.2 EV電控系統CAN通信的設計

根據CAN通信原理,硬件主要由CAN控制器和CAN驅動(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;電機控制DMCM模塊、動(dòng)力轉向控制模塊和制動(dòng)控制模塊采用SJA1000控制器。CAN驅動(dòng)器全部采用PCA82C250。

圖2是EV的車(chē)載CAN通信網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)連接圖,每個(gè)總線(xiàn)末端均接有用RL表示的抑制反射的負載電阻。負載電阻連接在CAN-H和CAN-L之間,對于不帶集成終端電阻(通常使用)的ECU,此電阻為60Ω;對于帶有集成終端電阻的ECU,此電阻為120Ω。終端負載電阻最好置于總線(xiàn)末端,取消ECU內部的負載電阻RL,因為如果其中一個(gè)ECU從總線(xiàn)斷開(kāi),總線(xiàn)將丟失終端。

圖2 純電動(dòng)車(chē)　CAN　通信網(wǎng)絡(luò )節點(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CAN通信的設計。

1.3 基于MC68376的EV電控系統CAN通信的設計[6～7]

1.3.1 MC68376內嵌的TouCAN的基本特性

TouCAN模塊是MC68376內嵌的實(shí)現CAN通信協(xié)議的CAN控制器。其最高傳輸速度高達1Mbit/s,可同時(shí)支持CAN協(xié)議中的標準(11位)和擴展(29位)ID兩種報文模式。TouCAN模塊包含16個(gè)具有發(fā)送和接收功能的報文緩沖器。此外,它還具有報文過(guò)濾功能,用于對接收到的報文ID碼和預先設定的接收緩沖區ID碼進(jìn)行比較,從而確定接收到的報文是否有效。

圖3為T(mén)ouCAN的結構框圖,其中CANTX和CANRX分別為發(fā)送和接收引腳。

圖3 TOUCAN　結構框圖

1.3.2 MC68376 CAN通信硬件接口的設計

圖4是CAN節點(diǎn)硬件接口電路原理圖,其中CAN+5V是CAN總線(xiàn)接口電路專(zhuān)用的電源,實(shí)現CAN總線(xiàn)電源與CPU電源的隔離,使CAN系統的電壓波動(dòng)不影響CPU的正常工作電壓。6N137為光電耦合芯片,可實(shí)現電信號之間的電氣隔離。

PCA82C250用來(lái)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)接收能力,完全與ISO11898標準兼容。在運動(dòng)環(huán)境中,PCA82C250具有抗瞬變、射頻和電磁干擾的性能,內部的限流電路在電路短路時(shí)具有對傳送輸出級進(jìn)行保護的功能。

圖4 CAN節點(diǎn)硬件接口電路原理圖

1.3.3 MC68376 CAN通信軟件的設計

各控制器按規定格式和周期發(fā)送數據(車(chē)速、蓄電池電壓、電流和溫度等)到總線(xiàn)上,同時(shí)也要接收其它控制器的信息?？偩€(xiàn)上其它控制器根據需要各取所需的報文。對于接收數據,本系統采用中斷的方式實(shí)現,一旦中斷發(fā)生,即將接收的數據自動(dòng)裝載到相應的報文寄存器中。此時(shí)還可采用屏蔽濾波方式,利用屏蔽濾波寄存器對接收報文的標識符和預先在接收緩沖器初始化時(shí)設定的標識符進(jìn)行有選擇地逐位比較,只有標識符匹配的報文才能進(jìn)入接收緩沖器,那些不符合要求的報文將被屏蔽于接收緩沖器外,從而減輕CPU處理報文的負擔。并且不同數據放入不同的報文寄存器中,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)接收報文引起的。

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電控系統開(kāi)發(fā)中的應用

EV電控系統CAN通信建立了各控制器之間的通信網(wǎng)絡(luò ),實(shí)現了各控制器之間以及與儀表盤(pán)的信息互通。通過(guò)開(kāi)發(fā)的在線(xiàn)標定系統和監測系統,在PC機上可以實(shí)時(shí)監測各控制器的參數。圖6和圖7為利用CAN通信設計的鎳氫電池實(shí)時(shí)監測系統獲得的充放電特性曲線(xiàn)。CAN通信數據傳輸速率為500kbit/s,該系統實(shí)時(shí)地反映了鎳氫電池充放電的特性。

CAN總線(xiàn)作為一種可靠的汽車(chē)計算機網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)已開(kāi)始在先進(jìn)的汽車(chē)上得到應用,使得各汽車(chē)計算機控制單元能夠通過(guò)CAN總線(xiàn)共享所有的信息和資源,達到簡(jiǎn)化布線(xiàn)、減少傳感器數量、避免控制功能重復、提高系統可靠性和可維護性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調各個(gè)控制系統的目的。這樣使得汽車(chē)的動(dòng)力性、操作穩定性、安全性都上升到新的高度。隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展,具有高度靈活性、簡(jiǎn)單的擴展性、優(yōu)良的抗干擾性和處理錯誤能力的CAN總線(xiàn)通信協(xié)議必將在汽車(chē)電控系統中得到更廣泛的應用。

參考文獻
1 SAE Standard. Recommended Practice for a Serial Control and Communication Vehi-cle Network
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2 SAE Specification. Implementation of CAN for Heavy Duty truck and Bus Market-Specification
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