電動汽車監(jiān)控平臺的設計與開發(fā)

電動汽車監(jiān)控平臺的設計與開發(fā)

摘 要：本文基于DSP 的開發(fā)平臺，設計了電動汽車電機控制器節(jié)點的通信程序。為了有效地監(jiān)控電動汽車及各子系統(tǒng)，設計了電動汽車CAN 總線的應用層協(xié)議和監(jiān)控系統(tǒng)。實驗表明，該監(jiān)控系統(tǒng)能通過CAN 總線與其它節(jié)點通信，進而實現(xiàn)實時在線數(shù)據(jù)監(jiān)控和故障診斷。

關鍵詞：CAN 總線；電動汽車；TMS320LF2407

Design and Development of a Test Platform for the Electric Vehicle
Yao Zhen Xie Guo-lin Li You-xin Liu Fang-ming
Luo Zhu-wen Deng Xian-quan
（1. Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong, china,
510006; 2. Shenzhen Wuzhoulong Automobile Co., Ltd. Shenzhen,
Guangdong, china, 518116）
Abstract: Based on the DSP platform, the author designs a communication
program for motor controller. In order to control and monitor the dynamic
system and other subsystems of an electric vehicle (EV) effectively, the monitor
system and EV CAN bus application layer protocol are developed. It is proved in
the condition of lab that the monitor system can be used to communicate with
other nodes of the car through the CAN bus so as to realize the on-line data
monitoring and fault diagnosis.
Key Words: Controller Area Network, Electric Vehicle, TMS320LF2407

1 前言
電動汽車中的電控單元多、內部空間小、環(huán)境干擾大，對控制系統(tǒng)、通
信系統(tǒng)提出了更高的要求。CAN 以其良好的運行特性，極高的可靠性和獨特
的設計，特別適合電動汽車各電子控制單元之間的通信。為了更好地在實驗
室進行研究，建立了一個功能比較完善的試驗測試平臺，能夠對CAN 總線系
統(tǒng)及其網絡協(xié)議進行研究。首先，基于DSP 的開發(fā)設計了電機控制器節(jié)點的
通信程序。其次，深入了解CAN 總線在電動汽車中的應用需求，設計了CAN
總線的應用層協(xié)議。最后，為檢驗設計協(xié)議的可行性，利用VB6.0 開發(fā)了電
動汽車的監(jiān)控系統(tǒng)，并為監(jiān)控數(shù)據(jù)建立了數(shù)據(jù)庫，方便管理數(shù)據(jù)。

2 電機控制器節(jié)點的設計
針對電動汽車電機控制器的特點，選用TI 公司的TMS320LF2407 芯片作
為電機控制器的處理器。采用模塊化的設計思想，編寫了電機控制器節(jié)點的
通信程序，可方便移植到基于DSP 的電機控制器或其他控制單元中。在電動汽車的CAN 總線系統(tǒng)中，電機控制器的實時性要求高，屬于高速節(jié)點，波特率設為1 兆波特。電機控制器節(jié)點主要是接收總線上傳來的電機工作模式、SOC、車速、加速踏板位置和制動踏板位置等控制信息，同時發(fā)送電機的工作溫度、電機故障、工作狀態(tài)等實時信息。本文中利用DSP2407的郵箱2 作為接收郵箱，郵箱5 作為發(fā)送郵箱，20 毫秒定時發(fā)送一次。

3 電動汽車監(jiān)控系統(tǒng)設計
在實驗室模擬電動汽車CAN 總線系統(tǒng)，以PC 機（帶USB-CAN 模塊）作
為電動汽車的總控制器。利用CAN-bus 通用測試軟件的運行機制和工作原
理，設計了基于PC 機的電動汽車CAN 總線技術的監(jiān)控系統(tǒng)。
3.1 監(jiān)控系統(tǒng)概述
監(jiān)控系統(tǒng)通過控制臺（帶USB-CAN 模塊的PC 機）對電機控制器、電池
控制器以及離合控制器進行監(jiān)控。運行主界面如圖1 所示。能根據(jù)需要在
CAN 總線中收發(fā)參數(shù)，實現(xiàn)對總線各節(jié)點的監(jiān)視和控制。例如，電機參數(shù)，
包括SOC、車速、故障等級、工作模式、故障代碼、工作溫度等。監(jiān)控系統(tǒng)
還可根據(jù)系統(tǒng)擴展需要，提供創(chuàng)建節(jié)點的功能。另外，還提供數(shù)據(jù)管理功能。
在監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行過程中，采集到的數(shù)據(jù)會被記錄到Microsoft Access 數(shù)據(jù)
庫中，可以用表格形式實時顯視，還可以通過輸出按鈕由軟件Excel 打開。

圖1 電動汽車監(jiān)控系統(tǒng)運行界面

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議
在CAN 協(xié)議中只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層兩層協(xié)議，缺乏對信息處理
的規(guī)范，而一個完整的網絡系統(tǒng)中離不開人機交互的應用進程，所以必須由
用戶定義應用層協(xié)議。根據(jù)電動汽車運行的特點，設計了監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)
議。大體上將電動汽車上各電子控制單元（ECU）分為高速和低速節(jié)點兩大
類。其中高速節(jié)點包括電機控制器、發(fā)動機控制器、電池控制器、ABS/ASR
控制單元和能量管理單元等，在它們的ID 碼設置較高的優(yōu)先級。低速節(jié)點
包括空調系統(tǒng)、儀表顯示系統(tǒng)、車燈系統(tǒng)等。表1 給出了電動汽車各節(jié)點之
間接收及發(fā)送的信號類型。根據(jù)電動汽車各節(jié)點之間接收及發(fā)送的數(shù)據(jù)，對各節(jié)點之間需要交換的信息的類型，所包含的參數(shù)以及表示方法有具體的說明。例如在電機控制器節(jié)點發(fā)送的8 個字節(jié)分別定義為：電機轉速（雙字節(jié)）、電機轉矩（雙字節(jié)）、工作溫度（單字節(jié)）、錯誤等級及代碼（單字節(jié)）、工作模式（單字節(jié)）還有一個字節(jié)作為備用。表1 電動汽車各節(jié)點之間接收及發(fā)送的數(shù)據(jù)明。例如在電機控制器節(jié)點發(fā)送的8 個字節(jié)分別定義為：電機轉速（雙字節(jié)）、電機轉矩（雙字節(jié)）、工作溫度（單字節(jié)）、錯誤等級及代碼（單字節(jié)）、工作模式（單字節(jié)）還有一個字節(jié)作為備用。
表1 電動汽車各節(jié)點之間接收及發(fā)送的數(shù)據(jù)

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)程序設計
監(jiān)控系統(tǒng)是要完成對各節(jié)點的監(jiān)控，按照設計需求，可將整個設計分為五個設計窗體，包括主窗體、電機控制器監(jiān)控窗體、電池控制器監(jiān)控窗體、離合控制器監(jiān)控窗體和創(chuàng)建節(jié)點窗體，并進行模塊化設計。其中創(chuàng)建節(jié)點窗體可根據(jù)需要方便創(chuàng)建監(jiān)控窗口，設置節(jié)點ID 號和監(jiān)控變量。監(jiān)控系統(tǒng)程序設計流程圖如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)程序流程圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)的測試
完成了PC 機的監(jiān)控系統(tǒng)程序設計后，為了驗證程序是否正常工作，同時為了驗證設計的下位機DSP 數(shù)據(jù)采集與通信程序的正確性。在這里將DSP數(shù)據(jù)采集與通信程序和PC 機程序聯(lián)合起來進行調試。將雙方的波特率設為1M 波特。DSP 節(jié)點的測試程序包含A/D 采樣（模擬加速踏板位置）和通信程序，DSP 運行后由定時中斷（20ms）進行數(shù)據(jù)采集及處理，將信號通過CAN總線上傳到上位機（PC 機）。另一方面，DSP 自動判斷是否有PC 機發(fā)送來的指令，如電池電壓、電池電流、加速踏板位置和工作模式等。上位機接收到數(shù)據(jù)后，進行處理并交給監(jiān)控系統(tǒng)進行顯示。電機控制器節(jié)點的測試界面如圖3 所示。

圖3 電動控制器的測試界面

5 結論
為適合電動汽車監(jiān)控的需求，組建了基于CAN 總線的電動汽車仿真測試平臺，配備專業(yè)測試儀器后可組建CAN-BUS 實驗室。該系統(tǒng)具有良好的擴展性，可方便增加需要監(jiān)控的汽車電子控制單元（ECU）。此外，通過VB 與ACCESS 技術的良好銜接，具有數(shù)據(jù)實時保存，為后期的數(shù)據(jù)處理提供條件。為了保證各個消息能及時被相關節(jié)點采集并處理，需要對消息的調度策略進行深入研究，進一步優(yōu)化網絡管理，特別是網絡故障診斷以及處理機制。