基于CAN總線(xiàn)的電動(dòng)車(chē)控制系統設計方案

　　目前，由于環(huán)境污染和能源危機問(wèn)題日益嚴重，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展開(kāi)始得到各國的高度重視，成為未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的主流方向。電動(dòng)汽車(chē)主要具有三大關(guān)鍵技術(shù)：驅動(dòng)控制系統、電池電源、整車(chē)電子控制系統。整車(chē)電子控制系統必須滿(mǎn)足純電動(dòng)汽車(chē)的設計理念，使之既節能又簡(jiǎn)單可靠。在目前電池技術(shù)水平下，解決兩大關(guān)鍵技術(shù)，有助于電動(dòng)汽車(chē)在中國首先市場(chǎng)化，其經(jīng)濟意義不言而喻。 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統結構復雜多樣，部件類(lèi)型繁多。先進(jìn)高效的控制體系結構，可以使電動(dòng)汽車(chē)各動(dòng)力系統之間的數據交換滿(mǎn)足簡(jiǎn)單迅速、可靠性高、抗干擾能力強、實(shí)時(shí)性好、系統錯誤檢測和隔離能力強等要求。

　　本文設計了一種基于CAN總線(xiàn)的電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)電子控制系統，本系統采用短幀的報文結構，數據傳輸時(shí)間短，具有很強的抗干擾性，具有高效的非破壞總線(xiàn)仲裁，出錯檢測和故障自動(dòng)關(guān)閉等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 控制系統整體結構

　　電動(dòng)車(chē)控制系統由電池管理、充電機、電動(dòng)機和整車(chē)控制等模塊組成。本系統總體結構如圖1所示。

　　由圖1知，CAN通信網(wǎng)絡(luò )上共有4個(gè)通信節點(diǎn)。整車(chē)控制器接收BMS、CCS、電機控制器的報文提供的各種參數；充電機接收BMS發(fā)送的控制信息并根據報文數據的電壓電流設置來(lái)工作；電機控制器接收BMS發(fā)送的電池狀態(tài)信息設置來(lái)工作，同時(shí)電機控制器接收由整車(chē)控制器發(fā)送的控制信息并根據報文數據的轉矩設置來(lái)工作。

　　2 CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的硬件電路設計

　　CAN是ControllerAreaNetwork的縮寫(xiě)，是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議。在當前的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統被開(kāi)發(fā)了出來(lái)。由于這些系統之間通信所用的數據類(lèi)型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線(xiàn)構成的情況很多，線(xiàn)束的數量也隨之增加。為適應"減少線(xiàn)束的數量"、"通過(guò)多個(gè)LAN,進(jìn)行大量數據的高速通信"的需要，1986年德國電氣商博世公司開(kāi)發(fā)出面向汽車(chē)的CAN通信協(xié)議。此后，CAN通過(guò)ISO11898及ISO11519進(jìn)行了標準化，現在在歐洲已是汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的標準協(xié)議?，F在，CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫療設備、工業(yè)設備等方面?，F場(chǎng)總線(xiàn)是當今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現為分布式控制系統實(shí)現各節點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數據通信提供了強有力的技術(shù)支持。

　　整車(chē)控制節點(diǎn)是基于STM32F103VE設計的。ARMCortex TM-M3是一款高性能、低成本、低功耗的32位BISC處理器，可在高達72 MHz的頻率下運行，擁有512 KB的片內Flash程序存儲器，具有64 KB的RAM數據存儲器，可進(jìn)行高性能的CPU訪(fǎng)問(wèn)。該徽控制器包含1個(gè)USB2.0全速（12 Mb/s）設備、1路CAN2.0B通道、1個(gè)通用DMA控制器、3個(gè)16位的A/D轉換器和1個(gè)16位的D/A轉換器。同時(shí)該微控制器具有4個(gè)16位捕獲/比較定時(shí)器和1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，因此ARM cortexTM-M3可以滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)控制的需要，減少了系統硬件設計的復雜度。STM32F103VE支持J-Link實(shí)時(shí)仿真和跟蹤，內部搭載有1通道的支持CAN20.B規格的CAN控制器，使得CAN通信模塊的設計更加方便。整車(chē)控制節點(diǎn)硬件電路圖如圖2所示，由徽控制器STM32F103VE、CAN總線(xiàn)收發(fā)器82C250、2個(gè)高速光耦16N137等組成。

　　STM32F103VE采用單電源供電，時(shí)鐘由8 MHz外部晶振產(chǎn)生。對Flash存儲器的編程通過(guò)J-Link進(jìn)行編程（IAR）實(shí)現。STM32F103VE內部集成一路CAN控制器，簡(jiǎn)化了傳統單片機外接CAN控制器和CAN收發(fā)器的復雜外圍電路。收發(fā)器82C250是CAN控鑭器和物理總線(xiàn)之問(wèn)的驅動(dòng)器接口，它可以提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力和對CAN控制器的差動(dòng)接收能力，其位速度高達1Mb/s,與ISO11898標準兼容。它的斜率控制功能使電磁兼容性能增強，準備模式可以減少網(wǎng)絡(luò )的功耗，準備模式中，網(wǎng)絡(luò )一旦檢測到總線(xiàn)上有報文就會(huì )被立即激活。同時(shí)，它可提供更強抗干擾能力，以及有熱保護、短路保護、支持多達110個(gè)節點(diǎn)等好處。

　　在微控制器和CAN總線(xiàn)收發(fā)器之間，采用了2個(gè)高速光電耦合器6N137進(jìn)行電氣隔離，防止將總線(xiàn)干擾引入系統，提高了系統的可靠性。同時(shí)，在節點(diǎn)端部接有1個(gè)120 Ω終端匹配電阻，提高了數據通信的抗干擾性。

　　3 CAN通信協(xié)議的設計

　　根據ISO/OSI模型，CAN總線(xiàn)規范了只制定了數據鏈路層中的媒體訪(fǎng)問(wèn)子層和一小部分的邏輯鏈路控制子層，CAN的ISO標準規定了總線(xiàn)及驅動(dòng)器的電氣特性。因此需要根據自己的需求設計通信協(xié)議。

　　CAN協(xié)議標準2.0B的數據幀的ID長(cháng)度為29位，為擴展格式數據幀結構，如圖3所示。

　　數據幀由幀起始、仲裁段、控制段、數據段、CRC段、ACK段、幀結束組成。協(xié)議的設計是對標識符和數據位的定義。

　　本系統協(xié)議的設計參照SAEJ1939協(xié)議標準，標識符分配為優(yōu)先級（P）、保留位（R）、數據頁(yè)（DP）、代碼域（PF）、目標域（PS）、源地址（SA）和數據域（DF）7個(gè)部分。根據需求定義了5個(gè)報文，報文標識符定義如表1所示。

　　整車(chē)控制器的節點(diǎn)地址為OxA7;BMS節點(diǎn)地址為OxE4;CCS節點(diǎn)地址為OxE5;電機控制器節點(diǎn)地址為OxE6.

　　根據實(shí)際需求，設計了5個(gè)報文，分別為：BMS發(fā)給CCS和電機控制器的2個(gè)報文，CCS和電機控制器發(fā)給整車(chē)控制器的2個(gè)報文，整車(chē)控制器發(fā)給電機的報文。根據信息的重要程度，將電機控制器和整車(chē)控制器間的報文設計為最高優(yōu)先級3,其他報文優(yōu)先級設計為6.

　　4 CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的軟件設計

　　系統采用基于C語(yǔ)言的程序設計。在IAB開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行調試和仿真。整車(chē)控制節點(diǎn)的軟件設計主要包括4個(gè)部分：CAN控制器的初始化、報文發(fā)送、報文接收和錯誤處理。

　　4.1 CAN控制器的初始化

　　在啟動(dòng)CAN通信前必需進(jìn)行CAN模塊的初始化，包括硬件使能、CAN工作模式設置、總線(xiàn)波特率設置、設置中斷、驗收過(guò)濾器設置等。初始化操作在CAN模塊復位的模式下進(jìn)行。初始化程序流程圖如圖4所示。

　　本設計中采用的是29位擴展標示符，符合CAN2.0B的標準，所以在驗收屏蔽過(guò)濾器設置中進(jìn)行相應的設定。同時(shí)，本設計的CAN波特率設置為250 Kb/s,與總線(xiàn)上其他節點(diǎn)的波特率相同，才能進(jìn)行正常的通信。

　　4.2 數據的發(fā)送

　　對CAN數據的發(fā)送采用查詢(xún)方式，提高處理器的效率，STM32F103VE的CAN模塊有3個(gè)發(fā)送郵箱，發(fā)送報文的流程為：應用程序選擇一個(gè)空發(fā)送郵箱；設置標識符，數據長(cháng)度和待發(fā)送數據；對CAN+TixR寄存器的TXRQ位置1,請求發(fā)送；一旦CAN總線(xiàn)進(jìn)入空閑狀態(tài)，發(fā)送郵箱中的報文則立即發(fā)送，成功發(fā)送后，郵箱為空；通過(guò)查詢(xún)CAN_TSR寄存器的TXOK位來(lái)查詢(xún)報文是否發(fā)送成功。數據發(fā)送程序的流程圖如圖5所示。

　　4.3 數據的接收

　　對CAN報文的接收采用中斷方式，提高通信的實(shí)時(shí)性。接收報文的流程如圖6所示。當CAN總線(xiàn)發(fā)來(lái)一個(gè)報文，根據屏蔽過(guò)濾器設置的標識符進(jìn)行過(guò)濾，如果是要接收的報文，則CAN控制器將總線(xiàn)上的報文按順序存入接收FIFO,并進(jìn)入接收中斷，在中斷中對接收FIFO中的報文進(jìn)行存儲，然后釋放FIFO郵箱。如果不釋放郵箱，當總線(xiàn)上再發(fā)送過(guò)來(lái)報文時(shí)，會(huì )直接覆蓋上一個(gè)報文，從而導致報文丟失。數據接收程序流程如圖6所示。

　　4.4 錯誤處理

　　電動(dòng)車(chē)的整車(chē)控制器需要接收BMS、CCS和電機控制器這3個(gè)節點(diǎn)發(fā)來(lái)的報文，如果超過(guò)1 s未接收到例如BMS的報文，則通信鏈路超時(shí)，此時(shí)需要進(jìn)行故障處理。所以在軟件設計時(shí)，定義一個(gè)全局變量，在每個(gè)定時(shí)周期中加1,在接收BMS報文中斷中，對此變量清零，則可以實(shí)現通信超時(shí)檢測。當總線(xiàn)發(fā)生嚴重故障時(shí)，CAN節點(diǎn)錯誤寄存器累積到一定次數時(shí)，CAN控制器會(huì )關(guān)閉總線(xiàn)，節點(diǎn)脫離總線(xiàn)。

　　5 結論

　　在實(shí)車(chē)實(shí)驗中，各個(gè)節點(diǎn)可以實(shí)現可靠的數據通信，可以實(shí)現電動(dòng)車(chē)的加減速和勻速運行。在本電動(dòng)車(chē)控制系統中，設計的CAN通信節點(diǎn)體積小、功耗低、處理能力強、抗干擾性好，能在電磁環(huán)境復雜的環(huán)境中穩定、可靠地工作。在電動(dòng)車(chē)控制系統中可實(shí)現數據的實(shí)時(shí)快速通信，可靠性