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

  當(dāng)前全球汽車工業(yè)面臨金融危機(jī)和能源環(huán)境問(wèn)題的巨大挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)汽車能源動(dòng)力系統(tǒng)的電氣化，已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)。提高電動(dòng)汽車上的各個(gè)控制單元間通信的可靠性和實(shí)現(xiàn)高傳輸速率，選擇CAN總線協(xié)議。CAN總線為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。它采用非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)，可靠性高。CAN總線通信距離長(zhǎng)達(dá)10 km，通信速率最高可達(dá)1 Mb／s。CAN通信系統(tǒng)抗干擾性好，工作穩(wěn)定。某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)通信的不正常。由于采用短幀的報(bào)文結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，具有很強(qiáng)的抗干擾性，具有高效的非破壞總線仲裁，出錯(cuò)檢測(cè)和故障自動(dòng)關(guān)閉等優(yōu)點(diǎn)。

1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    電動(dòng)車控制系統(tǒng)由電池管理、充電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和整車控制等模塊組成。本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)。整車控制器接收BMS、CCS、電機(jī)控制器的報(bào)文提供的各種參數(shù)；充電機(jī)接收BMS發(fā)送的控制信息并根據(jù)報(bào)文數(shù)據(jù)的電壓電流設(shè)置來(lái)工作；電機(jī)控制器接收BMS發(fā)送的電池狀態(tài)信息設(shè)置來(lái)工作，同時(shí)電機(jī)控制器接收由整車控制器發(fā)送的控制信息并根據(jù)報(bào)文數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)矩設(shè)置來(lái)工作。

2 CAN總線節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)
    整車控制模塊這一節(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的功能主要是接收其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)控制算法等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后發(fā)送控制信息給電機(jī)控制器，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的正常功能運(yùn)行。
    整車控制節(jié)點(diǎn)是基于STM32F103VE設(shè)計(jì)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(dá)72 MHz的頻率下運(yùn)行，擁有512 KB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，具有64 KB的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可進(jìn)行高性能的CPU訪問(wèn)。該徽控制器包含1個(gè)USB2．0全速(12 Mb／s)設(shè)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(zhuǎn)換器和1個(gè)16位的D／A轉(zhuǎn)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)看門狗定時(shí)器，因此ARM cortexTM-M3可以滿足電動(dòng)車控制的需要，減少了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。STM32F103VE支持J-Link實(shí)時(shí)仿真和跟蹤，內(nèi)部搭載有1通道的支持CAN20.B規(guī)格的CAN控制器，使得CAN通信模塊的設(shè)計(jì)更加方便。整車控制節(jié)點(diǎn)硬件電路圖如圖2所示，由徽控制器STM32F103VE、CAN總線收發(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(duì)Flash存儲(chǔ)器的編程通過(guò)J-Link進(jìn)行編程(IAR)實(shí)現(xiàn)。STM32F103VE內(nèi)部集成一路CAN控制器，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)單片機(jī)外接CAN控制器和CAN收發(fā)器的復(fù)雜外圍電路。收發(fā)器82C250是CAN控鑭器和物理總線之問(wèn)的驅(qū)動(dòng)器接口，它可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力，其位速度高達(dá)1Mb／s，與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)兼容。它的斜率控制功能使電磁兼容性能增強(qiáng)，準(zhǔn)備模式可以減少網(wǎng)絡(luò)的功耗，準(zhǔn)備模式中，網(wǎng)絡(luò)一旦檢測(cè)到總線上有報(bào)文就會(huì)被立即激活。同時(shí)，它可提供更強(qiáng)抗干擾能力，以及有熱保護(hù)、短路保護(hù)、支持多達(dá)110個(gè)節(jié)點(diǎn)等好處。
    在微控制器和CAN總線收發(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，防止將總線干擾引入系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，在節(jié)點(diǎn)端部接有1個(gè)120 Ω終端匹配電阻，提高了數(shù)據(jù)通信的抗干擾性。

3 CAN通信協(xié)議的設(shè)計(jì)
    根據(jù)ISO／OSI模型，CAN總線規(guī)范了只制定了數(shù)據(jù)鏈路層中的媒體訪問(wèn)子層和一小部分的邏輯鏈路控制子層，CAN的ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了總線及驅(qū)動(dòng)器的電氣特性。因此需要根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)通信協(xié)議。
    CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)2．0B的數(shù)據(jù)幀的ID長(zhǎng)度為29位，為擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

    數(shù)據(jù)幀由幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC段、ACK段、幀結(jié)束組成。協(xié)議的設(shè)計(jì)是對(duì)標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)位的定義。
    本系統(tǒng)協(xié)議的設(shè)計(jì)參照SAEJ1939協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)識(shí)符分配為優(yōu)先級(jí)(P)、保留位(R)、數(shù)據(jù)頁(yè)(DP)、代碼域(PF)、目標(biāo)域(PS)、源地址(SA)和數(shù)據(jù)域(DF)7個(gè)部分。根據(jù)需求定義了5個(gè)報(bào)文，報(bào)文標(biāo)識(shí)符定義如表1所示。

    整車控制器的節(jié)點(diǎn)地址為OxA7；BMS節(jié)點(diǎn)地址為OxE4；CCS節(jié)點(diǎn)地址為OxE5；電機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)地址為OxE6。
    根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了5個(gè)報(bào)文，分別為：BMS發(fā)給CCS和電機(jī)控制器的2個(gè)報(bào)文，CCS和電機(jī)控制器發(fā)給整車控制器的2個(gè)報(bào)文，整車控制器發(fā)給電機(jī)的報(bào)文。根據(jù)信息的重要程度，將電機(jī)控制器和整車控制器間的報(bào)文設(shè)計(jì)為最高優(yōu)先級(jí)3，其他報(bào)文優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)為6。

4 CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用基于C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)。在IAB開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試和仿真。整車控制節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括4個(gè)部分：CAN控制器的初始化、報(bào)文發(fā)送、報(bào)文接收和錯(cuò)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(shè)置、總線波特率設(shè)置、設(shè)置中斷、驗(yàn)收過(guò)濾器設(shè)置等。初始化操作在CAN模塊復(fù)位的模式下進(jìn)行。初始化程序流程圖如圖4所示。

    本設(shè)計(jì)中采用的是29位擴(kuò)展標(biāo)示符，符合CAN2．0B的標(biāo)準(zhǔn)，所以在驗(yàn)收屏蔽過(guò)濾器設(shè)置中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定。同時(shí)，本設(shè)計(jì)的CAN波特率設(shè)置為250 Kb／s，與總線上其他節(jié)點(diǎn)的波特率相同，才能進(jìn)行正常的通信。
4．2 數(shù)據(jù)的發(fā)送
    對(duì)CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送采用查詢方式，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(bào)文的流程為：應(yīng)用程序選擇一個(gè)空發(fā)送郵箱；設(shè)置標(biāo)識(shí)符，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和待發(fā)送數(shù)據(jù)；對(duì)CAN+TixR寄存器的TXRQ位置1，請(qǐng)求發(fā)送；郵箱進(jìn)入掛號(hào)狀態(tài)，等待發(fā)送；一旦CAN總線進(jìn)入空閑狀態(tài)，發(fā)送郵箱中的報(bào)文則立即發(fā)送，成功發(fā)送后，郵箱為空；通過(guò)查詢CAN_TSR寄存器的TXOK位來(lái)查詢報(bào)文是否發(fā)送成功。數(shù)據(jù)發(fā)送程序的流程圖如圖5所示。

4．3 數(shù)據(jù)的接收
    對(duì)CAN報(bào)文的接收采用中斷方式，提高通信的實(shí)時(shí)性。接收?qǐng)?bào)文的流程如圖6所示。當(dāng)CAN總線發(fā)來(lái)一個(gè)報(bào)文，根據(jù)屏蔽過(guò)濾器設(shè)置的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行過(guò)濾，如果是要接收的報(bào)文，則CAN控制器將總線上的報(bào)文按順序存入接收FIFO，并進(jìn)入接收中斷，在中斷中對(duì)接收FIFO中的報(bào)文進(jìn)行存儲(chǔ)，然后釋放FIFO郵箱。如果不釋放郵箱，當(dāng)總線上再發(fā)送過(guò)來(lái)報(bào)文時(shí)，會(huì)直接覆蓋上一個(gè)報(bào)文，從而導(dǎo)致報(bào)文丟失。數(shù)據(jù)接收程序流程如圖6所示。

4．4 錯(cuò)誤處理
    電動(dòng)車的整車控制器需要接收BMS、CCS和電機(jī)控制器這3個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的報(bào)文，如果超過(guò)1 s未接收到例如BMS的報(bào)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(shè)計(jì)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(bào)文中斷中，對(duì)此變量清零，則可以實(shí)現(xiàn)通信超時(shí)檢測(cè)。當(dāng)總線發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，CAN節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤寄存器累積到一定次數(shù)時(shí)，CAN控制器會(huì)關(guān)閉總線，節(jié)點(diǎn)脫離總線。

5 結(jié)論
    在實(shí)車實(shí)驗(yàn)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的加減速和勻速運(yùn)行。在本電動(dòng)車控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)的CAN通信節(jié)點(diǎn)體積小、功耗低、處理能力強(qiáng)、抗干擾性好，能在電磁環(huán)境復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地工作。在電動(dòng)車控制系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)快速通信，可靠性強(qiáng)。