CAN總線在CFA6470混合動力汽車中的應(yīng)用

　引　言

     混合動力汽車（HEV）表示有多種動力參與汽車驅(qū)動，一般指的是燃油發(fā)動機和電機這兩種動力。目前，國內(nèi)和國際上對混合動力汽車的研究和開發(fā)方興未艾，這種車綜合了傳統(tǒng)汽車引擎驅(qū)動與電機驅(qū)動的兩大優(yōu)點。主要能源仍然是汽油、柴油?；旌蟿恿ζ嚰瘸浞职l(fā)揮了燃料發(fā)動機持續(xù)工作時間長、動力性好的優(yōu)點，又可以發(fā)揮電動機無污染、低噪聲的好處，具有低油耗、低污染的特性。并且，混合動力汽車可以在運行過程中維持電量的均衡，不像純電動汽車需要配備專用的充電器等配套設(shè)備。在不遠(yuǎn)的將來，混合動力車將與傳統(tǒng)燃油車、純電動車形成三足鼎立的局面。

     混合動力汽車在傳統(tǒng)的燃油車的基礎(chǔ)上，新增了電機、電池等部件，從而需要電機控制器、電池管理系統(tǒng)、能源總成控制系統(tǒng)對發(fā)動機、電機進行協(xié)調(diào)控制，使各設(shè)備工作在高效區(qū)，提高能源的利用率，使整車性能最佳。傳統(tǒng)燃油車內(nèi)的制動控制器、變速器控制器、發(fā)動機ECU（Engine ControlUnit）等電控設(shè)備、儀表儀器采用CAN總線進行通訊，CAN總線具有實時性強、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強、成本低、多主站等特點，混合動力汽車沿用燃油車的傳統(tǒng)，新增的電機控制器、電池管理系統(tǒng)、能源總成控制系統(tǒng)也采用CAN總線聯(lián)成一體，進行信息的交換。

2　CAN總線技術(shù)簡介

      CAN（Controller Area Network）是一種先進的串行通信協(xié)議，它最初是為了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)的一種串行數(shù)據(jù)通訊總線，屬于現(xiàn)場總線范疇。1993年CAN總線成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898：道路車輛的高速控制局域網(wǎng)數(shù)字信息交換標(biāo)準(zhǔn)），它有效支持分布式控制及實時控制，并采用了帶優(yōu)先級的CSMA／CD協(xié)議對總線進行仲裁。因此，CAN總線允許多站點同時發(fā)送，這樣，既保證了信息處理的實時性，又使得CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的可靠性。另外，CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，且每幀信息都有校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)的實時性、低傳輸出錯率。其傳輸介質(zhì)可以使用雙絞線、同軸電纜或光纖。

3　混合動力汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)

      下面以長豐CFA6470HEV混合動力汽車為例加以討論。CFA6470HEV 以CFA6470G四輪驅(qū)動越野車為平臺，去掉了分動箱，發(fā)動機僅驅(qū)動后橋，電機以鎳氫動力電池為能源驅(qū)動前橋，前輪、后輪通過地面摩擦力達到速度一致。能源總成控制系統(tǒng)根據(jù)整車的狀態(tài)協(xié)調(diào)控制發(fā)動機的啟停、電機的出力。整個CFA6470HEV功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    針對CFA6470HEV混合動力汽車，我們組建了如圖2所示的CFA6470HEV混合動力汽車CAN控制網(wǎng)絡(luò)。

    其中能源總成控制系統(tǒng)、電機控制器以TMS320LF240x（參見TI公司：TMS320LF24xADSPControllers Reference Guide，1999）系列數(shù)字信號處理器為CPU，電池管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集顯示器以89C52為CPU。其各節(jié)點間的數(shù)據(jù)信息流圖見圖3。

4　混合動力汽車能源總成控制系統(tǒng)CAN接口設(shè)計

    混合動力汽車能源總成控制系統(tǒng)作為混合動力汽車的中央處理器，要求實時性高、運算能力強，且要與CAN總線相連，故其CPU選用TI公司內(nèi)嵌CAN控制器的TMS320LF2407A。

4．1　TMS320LF2407ACAN控制器簡介

    TMS320LF2407A的CAN控制器模塊是一個完全的CAN控制器，該控制器是一個16位的外設(shè)模塊，完全支持CAN2．0B協(xié)議，支持?jǐn)?shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀，可工作在標(biāo)準(zhǔn)模式或擴展模式下，它采用郵箱發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，對接收郵箱可配置接收屏蔽字，可編程位定時器、可編程中斷配置、可編程CAN總線喚醒功能，自動回復(fù)遠(yuǎn)程請求，當(dāng)發(fā)送出現(xiàn)錯誤或仲裁時丟失數(shù)據(jù)時，CAN控制器自動重發(fā)，具有總線錯誤診斷功能，可工作在自測試模式下。

      TMS320LF2407A的CAN控制器采用郵箱機制發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，有別于一般的CAN控制器。一般的CAN控制器（如SJA1000）只有一個發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)、一個接收緩沖區(qū)，再加64字節(jié)接收緩沖區(qū)，當(dāng)發(fā)送不同標(biāo)識符數(shù)據(jù)幀時，須改變標(biāo)識符寄存器。當(dāng)接收不同標(biāo)識符數(shù)據(jù)幀時，屏蔽寄存器須對不同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀都開放。而TMS320LF2407A的CAN控制器有6個郵箱，其中2 個接收郵箱（MBOX0、1），2個發(fā)送郵箱（MBOX4、5），2個可配置為接收或發(fā)送郵箱（MBOX2、3），每個發(fā)送郵箱相當(dāng)于一個發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)，每個接收郵箱等同于一個接收數(shù)據(jù)區(qū)，使得TMS320LF2407A在不改變標(biāo)識符寄存器或接收屏蔽寄存器的情況下最少可接收2幀（最多4幀）不同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀，最少可發(fā)送2幀（最多4幀）不同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀，但不可同時為最多，這對發(fā)送、接收數(shù)據(jù)幀類型不多的CAN節(jié)點很適用。

       TMS320LF2407A的CAN控制器有15個16位的控制寄存器，這些寄存器控制著CAN的位定時器、郵箱的發(fā)送或接收使能、錯誤狀態(tài)及CAN的中斷等。詳細(xì)資料見參考文獻1。

4．2　CAN接口硬件設(shè)計

      CAN接口硬件電路如圖4所示，TMS320LF2407A的CAN控制模塊通過高速光電隔離模塊（兩片高速光電隔離器6N137）與CAN收發(fā)器PCA82C250相連。

4．3　CAN接口軟件設(shè)計

     CAN接口軟件分初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、中斷接收程序三大塊。數(shù)據(jù)解釋功能由主程序完成。

4．3．1　初始化CAN控制器

       根據(jù)整車要求，混合動力汽車能源總成控制系統(tǒng)需接收4種不同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀、發(fā)送兩種不同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀，因此，我們將TMS320LF2407A的MBOX2、3配置成接收方式，在初始化程序中一次配置好標(biāo)識符、接收屏蔽字。于是，初始化程序完成波特率、郵箱標(biāo)識符、接收屏蔽字、不使能發(fā)送中斷、使能接收中斷等配置功能，其初始化流程見圖5。

4．3．2　發(fā)送數(shù)據(jù)

     由于郵箱標(biāo)識符已在初始化程序中一次性配好，發(fā)送程序只將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)郵箱的數(shù)據(jù)區(qū)，設(shè)置發(fā)送請求位啟動發(fā)送，待發(fā)送完畢，復(fù)位發(fā)送應(yīng)答位即可。其數(shù)據(jù)發(fā)送流程見圖6。

4．3．3　中斷接收數(shù)據(jù)

    中斷接收服務(wù)程序置相應(yīng)數(shù)據(jù)接收標(biāo)志，并復(fù)位接收懸掛位和接收中斷標(biāo)志位。主程序中根據(jù)數(shù)據(jù)接收標(biāo)志讀取數(shù)據(jù)并解釋數(shù)據(jù)。這樣可減少中斷服務(wù)程序占用CPU的時間。

5　TMS320LF2407ACAN接口電路設(shè)計的關(guān)鍵問題

      為了進一步抑制干擾，CAN總線接口中往往采用光電隔離電路。光電隔離器一般位于 CAN控制器與收發(fā)器之間?；旌蟿恿ζ嚹茉纯偝煽刂葡到y(tǒng)的CAN總線接口中采用了高速光隔6N137光電隔離器。但是光電隔離電路增加了CAN總線有效回路信號傳輸延時時間，導(dǎo)致速率距離積減少，CAN收發(fā)器（如82C250／251等）本身具有瞬間抗干擾能力，保護總線、降低射頻干擾（RFI）以及實現(xiàn)熱防護的能力。因此，在干擾不嚴(yán)重的應(yīng)用場合，可考慮不加光電隔離，以使系統(tǒng)達到最大的通信速率或距離。若要使用光隔電路，也要盡量選用高速光電隔離器件，以減少CAN總線有效回路信號傳輸延時時間，同時82C250的發(fā)送信息輸入腳TXD（第1腳）必須接上拉電阻。

6　結(jié)束語

    本文所組建的CFA6470HEV混合動力汽車CAN網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通信可靠，所設(shè)計的混合動力汽車能源總成控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定實時性強，已成功應(yīng)用于湖南省“十五”計劃重點攻關(guān)項目：長豐集團CFA6470HEV混合動力汽車。