基于CAN總線的電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、前言
?????? CAN總線是德國BOSCH公司在20世紀(jì)80年代初為解決汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種通信協(xié)議。由于CAN總線具有突出的可＊性、實(shí)時(shí)性和靈活性，因而得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)同和運(yùn)用，并在1993年正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，被譽(yù)為“最有前途的現(xiàn)場總線”之一。以CAN為代表的總線技術(shù)在汽車上的應(yīng)用不但減少了車身線束，也提高了汽車的可＊性。在國外現(xiàn)代轎車的設(shè)計(jì)中，CAN已經(jīng)成為必須采用的技術(shù)，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃及雷諾等汽車都將CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的手段。我國目前CAN總線技術(shù)在汽車上的應(yīng)用存在著很大的空白，在電動(dòng)汽車上應(yīng)用CAN總線技術(shù)研究尚處于起步階段。
????? 電動(dòng)汽車融合了許多的電子控制系統(tǒng)，如電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、再生制動(dòng)系統(tǒng)及ABS系統(tǒng)等。電子設(shè)備的大量應(yīng)用，必然導(dǎo)致車身布線增長且復(fù)雜、運(yùn)行可＊性降低、線路上的功率損耗加大、故障維修難度增大。特別是電子控制單元的大量引入，為了提高信號(hào)的利用率，要求大批的數(shù)據(jù)信息能在不同的電子單元中共享，汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號(hào)也需要實(shí)時(shí)交換，傳統(tǒng)線束已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這種需求。將CAN總線技術(shù)引入電動(dòng)汽車可以克服以上缺點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。文中將CAN總線技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)，并采用通用擴(kuò)展單元解決電動(dòng)汽車電控系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)復(fù)雜性的問題，優(yōu)化組合各電控單元信息以實(shí)現(xiàn)充分信息共享，達(dá)到提高電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)性能的目的。
?二、CAN總線的特點(diǎn)
????? CAN屬于現(xiàn)場總線范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用得益于其自身的技術(shù)特點(diǎn)。
????? （1）只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無須專門的“調(diào)度”。
????? （2）通信方式靈活。CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從且無須站點(diǎn)地址等節(jié)點(diǎn)信息。
????? （3）CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間，尤其在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。
????? （4）采用短幀格式通信，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果。每幀字節(jié)數(shù)最多8個(gè)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8B也不會(huì)占用過長的總線時(shí)間，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。
????? （5）CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)通信的可＊性。
三、CAN總線在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用
????? CAN總線應(yīng)用于電動(dòng)汽車上具有以下優(yōu)點(diǎn)。
????? （1）減少各功能模塊所需的線束數(shù)量和體積。
????? （2）減少整車質(zhì)量并降低汽車成本，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸可＊性和安裝便捷性，擴(kuò)展了汽車功能。
????? （3）一些數(shù)據(jù)如車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速和SOC等能夠在總線上共享，因此去除了冗余的傳感器，使傳感器信號(hào)線減至最少，控制單元可做到高速數(shù)據(jù)傳輸。
????? （4）可以通過增加節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)展功能，如果數(shù)據(jù)擴(kuò)展增加新的信息，只需升級(jí)軟件即可。
????? （5）實(shí)時(shí)監(jiān)測并糾正由電磁干擾引起的傳輸錯(cuò)誤，并在檢測到故障后存儲(chǔ)故障碼。
????? 目前存在的多種汽車網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其側(cè)重的功能有所不同，為方便研究和設(shè)計(jì)應(yīng)用，SAE車輛網(wǎng)絡(luò)委員會(huì)將汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)劃分為A、B、C3類。 A類面向傳感器/執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸位速率通常只有1～10kb/s。主要應(yīng)用于電動(dòng)門窗、座椅調(diào)節(jié)和燈光照明等控制。 B類面向獨(dú)立模塊間數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡(luò)，位速率一般為10～100kb/s。主要應(yīng)用于電子車輛信息中心、故障診斷、儀表顯示和安全氣囊等系統(tǒng)，以減少冗余的傳感器和其它電子部件。? C類面向高速、實(shí)時(shí)閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)，最高位速率可達(dá)1Mb/s，主要用于懸架控制、牽引控制、先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制和ABS等系統(tǒng)，以簡化分布式控制和進(jìn)一步減少車身線束。到目前為止，滿足C類網(wǎng)要求的汽車控制局域網(wǎng)只有CAN協(xié)議。
?四、方案設(shè)計(jì)
???? 1. 系統(tǒng)原理圖

圖1 系統(tǒng)原理圖該系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)控制模塊、再生制動(dòng)控制模塊、電機(jī)控制模塊、能量管理模塊、電池控制模塊、儀表顯示模塊及故障診斷模塊等組成。通過CAN實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制模塊間的信息通信。除了指令的發(fā)送和接收外，汽車的一些基本狀態(tài)信息（如電機(jī)轉(zhuǎn)速、電池荷電狀態(tài)、車速等）是大部分控制單元必須獲取的數(shù)據(jù)，控制單元采用廣播方式向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。 如果在同一時(shí)刻所有控制單元都向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將發(fā)生總線上的數(shù)據(jù)沖突，因此，CAN總線協(xié)議提出了用標(biāo)識(shí)符識(shí)別數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)的總線仲裁。表1給出了電動(dòng)汽車電控單元接收及發(fā)送的數(shù)據(jù)類型及其它單元對(duì)這些信息共享的程序。

　　???????????? 表1 電動(dòng)汽車電控單元接收及發(fā)送的數(shù)據(jù)類型

注：T-發(fā)送，R-接收2. 模塊單元電路框圖 在對(duì)高速CAN上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用通用擴(kuò)展（UDU）。這樣只需通過改變軟件來實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的不同功能，從而簡化了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 通用擴(kuò)展單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 通用擴(kuò)展單元在通用擴(kuò)展單元中選用AT89C52作微控制器它是一個(gè)低電壓、高性能的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM）和256B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存（RAM），兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS251指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，可適用于許多較復(fù)雜系統(tǒng)的控制應(yīng)用場合。
????? CAN控制器采用Philips公司生產(chǎn)的SJA1000，它是應(yīng)用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨(dú)立CAN控制器，具有完成CAN高性能通信協(xié)議所要求的全部必要特性，具有簡單總線連接的SJA1000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。它可以存儲(chǔ)一條將在CAN總線上發(fā)送或接收的完整報(bào)文，另外具有64字節(jié)擴(kuò)展接收緩沖區(qū)REFIFO，接收緩存更大，在微控制器處理一個(gè)報(bào)文的同時(shí)可以繼續(xù)接收其它發(fā)來的報(bào)文。 總線收發(fā)器采用PCA82C250，它提供協(xié)議控制器和物理傳輸線路直接的接口，可以用高達(dá)1Mb/s的速率在2條有差動(dòng)電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù)。 最多掛接節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。采用PCA82C250可以增大通信距離，提高系統(tǒng)瞬間抗干擾能力，降低射頻干擾。PCA82C250和SJA1000共同組成CAN總線的控制和接口電路。
五. 電池管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
????? 蓄電池對(duì)電動(dòng)汽車而言是影響整車性能的一個(gè)關(guān)鍵因素，它對(duì)續(xù)駛里程、加速性能和最大爬坡度等性能都會(huì)產(chǎn)生直接影響。電池控制系統(tǒng)主要是監(jiān)控電池的工作狀態(tài)（電池電壓、電流和溫度），管理電池的工作情況（避免出現(xiàn)過放電、過充、過熱和單體電池之間電壓嚴(yán)重不平衡現(xiàn)象）以便最大限度地利用電池的存儲(chǔ)能力和循環(huán)壽命。其結(jié)構(gòu)如圖3。

?1）對(duì)主輔電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控通過UDU采集主輔電池充放電過程中的電池電壓、電流和電池溫度，來監(jiān)控電池的工作狀況并進(jìn)行故障診斷。
????? 2）UDU接收來自總線的汽車行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)根據(jù)汽車動(dòng)力需求實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及功率輸出;當(dāng)收到制動(dòng)信息時(shí)，控制單元調(diào)控逆變器和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作，啟動(dòng)再生制動(dòng)系統(tǒng)回收制動(dòng)能量。
?????? 3）預(yù)測電池剩余電量和相應(yīng)的剩余行駛里程控制單元把采集到的充放電電流參數(shù)采用相應(yīng)的算法預(yù)測剩余電量。同時(shí)利用從總線上接收的車速信息估算剩余行駛里程，并把估算結(jié)果通過總線發(fā)送到儀表顯示單元。
六. 系統(tǒng)可性設(shè)計(jì)
????? 由于汽車內(nèi)溫度變化范圍大（-45～100℃），電磁干擾和其它電子噪聲強(qiáng)，環(huán)境惡劣，要保證系統(tǒng)在車內(nèi)運(yùn)行的可＊性，就必須提高網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自身的容錯(cuò)能力和抗干擾能力。 在設(shè)計(jì)時(shí)采用軟硬件結(jié)合的方法進(jìn)行抗干擾。
????? 硬件方面采用電磁兼容設(shè)計(jì)，重點(diǎn)處理靜電場、磁場和傳輸線路及電路引入的干擾，采用濾波、去耦、隔離、屏蔽和接地等方式，加入電源電壓檢測、看門狗等電路。具體措施如下。
??? （1）傳輸線采用屏蔽雙絞線。
??? （2）用看門狗定時(shí)器進(jìn)行超時(shí)復(fù)位。
??? （3）在CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器PCA82C250之間增加了由高速隔離器件6N137構(gòu)成的光電隔離電路，電源也采用微型DC/DC模塊來進(jìn)行隔離。
???? （4）將PCA82C250的CANH和CANL分別通過一個(gè)5Ω的電阻與CAN總線相連，可起到限流作用，保護(hù)PCA82C250免受過流沖擊，CANH和CANL分別并聯(lián)一個(gè)30pF的電容接地，也可過濾總線上的高頻干擾。
???? （5）傳輸介質(zhì)的損壞或總線驅(qū)動(dòng)器的損壞等都會(huì)破壞CAN的可＊通信，這些故障如不能自動(dòng)檢測并采取相應(yīng)措施排除，將使系統(tǒng)部分甚至完全失去通信能力。解決這一問題的有效途徑是采用冗余通信控制，從而保證通信系統(tǒng)主要功能正常運(yùn)行，以此提高系統(tǒng)的可＊性。
????? 軟件方面采用比錯(cuò)和容錯(cuò)等技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，設(shè)計(jì)上電復(fù)位抗干擾程序，運(yùn)用實(shí)效保險(xiǎn)等技術(shù)設(shè)計(jì)抗瞬間干擾程序等。
七、結(jié)束語
????? 介紹CAN總線的特點(diǎn)及在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)置，并引入通用擴(kuò)展單元簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，對(duì)影響電動(dòng)汽車性能的電池管理控制單元進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可＊性高、功能完善和成本低的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地滿足電動(dòng)汽車的工作要求。
????? 1）對(duì)主輔電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控通過UDU采集主輔電池充放電過程中的電池電壓、電流和電池溫度，來監(jiān)控電池的工作狀況并進(jìn)行故障診斷。
?????? 2）UDU接收來自總線的汽車行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)根據(jù)汽車動(dòng)力需求實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及功率輸出;當(dāng)收到制動(dòng)信息時(shí)，控制單元調(diào)控逆變器和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作，啟動(dòng)再生制動(dòng)系統(tǒng)回收制動(dòng)能量。
?????? 3）預(yù)測電池剩余電量和相應(yīng)的剩余行駛里程控制單元把采集到的充放電電流參數(shù)采用相應(yīng)的算法預(yù)測剩余電量。同時(shí)利用從總線上接收的車速信息估算剩余行駛里程，并把估算結(jié)果通過總線發(fā)送到儀表顯示單元。