車輛配電系統(tǒng)：由嵌入式技術、雙冗余CAN總線與LIN總線構成

引言

由于特種車輛的電子設備種類和數(shù)量繁多，傳統(tǒng)半自動配電方式的管理能力有限，體積和重量較大、車輛電網故障自檢和隔離能力差、排除故障與檢修時間長、供電可靠性不高等問題，影響整個車輛和關鍵部件工作的可靠性?；?a target="_blank">嵌入式技術、雙冗余CAN總線與LIN總線構成的車輛智能配電系統(tǒng)，能夠很好地解決傳統(tǒng)車輛配電方式的缺點，并且能夠實現(xiàn)整車配電系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化管理。

1智能配電系統(tǒng)的硬件設計

該配電系統(tǒng)分為三個部分：配電終端，智能配電管理器和車輛管理終端，如圖1所示。配電終端主要是用于28 V設備的狀態(tài)監(jiān)控，具有電流檢測、電壓檢測、過流保護、短路保護、過壓保護、欠壓保護、過熱保護及狀態(tài)監(jiān)控等功能。同時具有LIN總線的數(shù)字通信接口和外部控制接口；有電流、電壓和溫度的數(shù)字量輸出，并且各類故障的參數(shù)點具有可配置性。

由于特種車輛的用電設備的功率比較小，配電終端內部采用低導通電阻的快速MOSFET來控制用電設備的通斷。并且采用電流、電壓檢測和短路保護技術實現(xiàn)對用電設備狀態(tài)監(jiān)控、故障的自動保護和故障完全隔離。另外，配電終端具有存儲記憶功能，能夠記憶設備故障時的記錄信息。同時，提供外部控制接口控制用電設備的通斷，兼容傳統(tǒng)的配電方式。為了實現(xiàn)遠程控制和配電系統(tǒng)的數(shù)字化，配電終端采用了控制器LPC935和低成本、易開發(fā)的的LIN總線。由于特種車輛具有大量的感性負載，啟動時的沖擊電流過大，電流瞬間可能超過額定電流的5～10倍，配電終端采用限流啟動方式。這種方式在保護自身的同時，也能夠改善特種車輛的電網特性。在大負載啟動時，考慮到可能影響系統(tǒng)電壓，從而影響用電設備的正常運行，配電終端采用控制用電與設備用電分離的方案?？紤]到全車用電設備數(shù)量眾多，配電終端采用模塊化設計，一個主要用電設備配備一個配電終端，智能配電管理器負責管理每個配電終端。

智能配電管理器主要負責管理配電終端的用電設備，對用電設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，同時智能配電管理器提供雙冗余CAN通道與車輛其他管理終端進行數(shù)據通信，從而實現(xiàn)整車電氣系統(tǒng)的數(shù)字化管理。對于車上的次要用電設備通過I／O控制繼電器來實現(xiàn)。

智能配電管理器主要部分包括：鍵盤和觸摸屏輸入，LCD顯示，雙冗余CAN接口和LIN接口，I／O輸入、輸出、測試、配置和故障檢測接口和備份信息存儲部分。由于智能配電管理器功能復雜，考慮到控制的實時性和用電設備的數(shù)量眾多，在硬件平臺上，采用32位微處理器LPC2119。LPC2119具有雙CAN控制器，兩個UART、豐富的I／O資源和內置的RAM和FLASH存儲器。觸摸屏采用ADS7846控制器，LCD選型上支持觸摸屏操作的TFT真彩屏，信息存儲采用8 KB鐵電FLASH，鍵盤采用專用鍵盤管理芯。在軟件平臺上，選用實時多任務操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，保證設備控制的實時性和工作的可靠性。

車輛管理終端主要負責是車輛電氣綜合的管理，配電屬于其中一個管理項目，各個管理終端之間采用雙CAN冗余通信，保證整個車輛電氣系統(tǒng)工作和通信的穩(wěn)定性和可靠性。

2車輛智能配電系統(tǒng)的軟件設計

2.1配電終端應用軟件實現(xiàn)的機制和原理

配電終端的程序處理流程如圖2所示。

配電終端軟件采用實時編程的思想，利用四路A／D采集輸入端的電壓、輸出端的電壓、電流和溫度，同時對采集的數(shù)字量進行濾波處理，保證采集的準確性，從而實現(xiàn)用電設備的過壓，欠壓、過流和溫度故障保護。短路保護采用硬件處理方式，如果檢測到短路硬件自動關斷MOSFET管，并且把短路信號傳輸?shù)?a target="_blank">單片機的I／O輸入口，以便單片機對短路的識別、判斷。外部控制接口采用I／O輸入口檢測，同時對外部控制信號采用數(shù)字濾波處理，防止干擾時的誤動作。配電終端的信息備份采用LPC935內部的存儲器存儲。備份信息主要是過壓、過壓時間，欠壓、欠壓時間，過流、過流時間，溫度故障和溫度故障時間的參數(shù)設置點。為了防止運行參數(shù)在設置參數(shù)點附近波動，軟件采用參數(shù)設置點回歸處理。由于采用時間和設置參數(shù)綜合判斷故障的處理方法，能夠較好地處理設備正常啟動瞬間低電壓和大電流而導致配電終端誤認為故障現(xiàn)象。通常為了防止電壓過低和過高車輛上采用并聯(lián)蓄電池處理的方法，大電流采用能量瞬間釋放處理。

為了實現(xiàn)配電終端的數(shù)字量輸出和配電系統(tǒng)的數(shù)字化控制，配電終端采用LIN總線通信，并且在LIN應用層協(xié)議采用標準LIN 1.2協(xié)議。由于LIN總線屬于完全主從模式，為了智能配電管理能夠正確地訪問每一個配電終端，在系統(tǒng)上電時采用自動分配地址的處理方法，由配電管理器為每個終端分配惟一地址。為了保證LIN通信的可靠性和異常處理，在軟件上，LIN通信數(shù)據采用CRC16校驗，從而保證設備的工作正常，解決通信數(shù)據的異常出錯處理。

2.2配電管理器應用軟件實現(xiàn)的機制和原理

該系統(tǒng)采用實時多任務操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ作為配電管理器端的軟件平臺，μC／OS-Ⅱ源代碼開放、內核小、移植方便，易于開發(fā)。并且該操作系統(tǒng)支持多任務并發(fā)運行，可以采用多任務編程方法。這樣，配電管理器端的每個功能可以作為一個獨立的任務來實現(xiàn)，這大大地增強了系統(tǒng)軟件的可靠性、穩(wěn)定性，也便于以后的維護和升級。同時配電管理器也提供了圖形用戶接口，結合鍵盤、LCD液晶顯示和觸摸屏模塊為用戶提供友好的人機交互界面。

2.2.1配電管理器應用軟件設計

系統(tǒng)的工作流程主要是說明各個任務是如何協(xié)調工作。整個系統(tǒng)的運行過程如圖3所示。

嵌入式配電管理端的軟件主要實現(xiàn)設備參數(shù)的讀取和設定、人機交互功能、用電設備的監(jiān)控功能、CAN、LIN通信數(shù)據傳輸?shù)裙δ堋ＴO備參數(shù)的讀取和設定功能提供了現(xiàn)場對設備參數(shù)的修改，也可以通過遠程監(jiān)測終端來修改。但是遠程監(jiān)控終端必須通過許可認證。認證的信息和設備參數(shù)保存在鐵電FLASH存儲器中，以便系統(tǒng)掉電后用戶許可的信息不丟失。人機交互功能提供給用戶監(jiān)控現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)。該系統(tǒng)采用了4×4鍵盤、觸摸屏和LCD顯示作為系統(tǒng)信息的輸入和輸出接口，為用戶提供非常友好的圖形用戶界面。用戶可以通過人機交互接口對用電設備進行操作。

2.2.2雙CAN冗余實現(xiàn)的機制和原理

為了保證整車電氣系統(tǒng)的數(shù)字化管理的穩(wěn)定性和可靠性，在配電系統(tǒng)的對外通信接口采用性能穩(wěn)定、工作可靠的CAN總線，同時，為了保證整車電氣系統(tǒng)通信的可靠性和異常的處理，配電系統(tǒng)采用雙冗余CAN總線。雙CAN冗余通信流程圖如圖4所示。

CAN總線通信程序包括數(shù)據傳輸和總線管理兩個功能塊。數(shù)據傳輸模塊實現(xiàn)的功能包括CAN初始化、CAN濾波的設計、CAN報文發(fā)送和CAN報文接收?？偩€管理功能塊實現(xiàn)的功能主要是總線檢測，判斷CAN是否存在故障，若有故障，則進入另一路總線檢測；若冗余總線良好，則采用冗余總線通信。

CAN的通信數(shù)據分為命令數(shù)據的接收、命令的響應以及故障狀態(tài)的自動上報。

命令數(shù)據的接收和處理主要接收車輛其他管理終端的命令，執(zhí)行用電設備的綜合管理。同時，配電管理器響應其他管理終端的執(zhí)行結果和用電設備的運行狀態(tài)。在配電管理器檢測到用電設備故障時，自動上報給其他管理終端，以便實現(xiàn)車輛配電的綜合管理和數(shù)字化。同時可以設定用電設備的優(yōu)先級，配電管理器按照設定的優(yōu)先級合理控制用電設備。

在向其他管理終端發(fā)送報文時，按CAN協(xié)議格式將報文內容填入CAN發(fā)送緩沖區(qū)，啟動發(fā)送命令，將報文發(fā)送出去。如果不能成功發(fā)送，則進行總線故障處理，等待超時后自動調用冗余通道，用冗余通道來發(fā)送。如果冗余通道也出現(xiàn)故障，則進入故障處理，故障報警并退出。

3結語

該智能配電系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)車輛配電系統(tǒng)的不足，利用嵌入式技術和雙CAN冗余和LIN總線，同時結合LCD控制器和觸摸屏為用戶提供了友好的圖形用戶接口，利用μC／OS-Ⅱ實時多任務操作系統(tǒng)對任務進行合理的調度，實現(xiàn)整車配電系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化，產品已經應用在特種車輛上，運行結果證明其性能穩(wěn)定、可靠。