基于CAN總線的電動車控制系統(tǒng)設(shè)計

  當前全球汽車工業(yè)面臨金融危機和能源環(huán)境問題的巨大挑戰(zhàn)，實現(xiàn)汽車能源動力系統(tǒng)的電氣化，已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)的趨勢。提高電動汽車上的各個控制單元間通信的可靠性和實現(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)點均可在任意時刻向其他節(jié)點發(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總線通信距離長達10 km，通信速率最高可達1 Mb／s。CAN通信系統(tǒng)抗干擾性好，工作穩(wěn)定。某個節(jié)點出現(xiàn)故障，不會導致整個系統(tǒng)通信的不正常。由于采用短幀的報文結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸時間短，具有很強的抗干擾性，具有高效的非破壞總線仲裁，出錯檢測和故障自動關(guān)閉等優(yōu)點。

1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    電動車控制系統(tǒng)由電池管理、充電機、電動機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個通信節(jié)點。整車控制器接收BMS、CCS、電機控制器的報文提供的各種參數(shù)；充電機接收BMS發(fā)送的控制信息并根據(jù)報文數(shù)據(jù)的電壓電流設(shè)置來工作；電機控制器接收BMS發(fā)送的電池狀態(tài)信息設(shè)置來工作，同時電機控制器接收由整車控制器發(fā)送的控制信息并根據(jù)報文數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)矩設(shè)置來工作。

2 CAN總線節(jié)點的硬件電路設(shè)計
    整車控制模塊這一節(jié)點所實現(xiàn)的功能主要是接收其他節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，通過控制算法等進行數(shù)據(jù)處理，然后發(fā)送控制信息給電機控制器，從而實現(xiàn)電動車的正常功能運行。
    整車控制節(jié)點是基于STM32F103VE設(shè)計的。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72 MHz的頻率下運行，擁有512 KB的片內(nèi)Flash程序存儲器，具有64 KB的RAM數(shù)據(jù)存儲器，可進行高性能的CPU訪問。該徽控制器包含1個USB2．0全速(12 Mb／s)設(shè)備、1路CAN2．0B通道、1個通用DMA控制器、3個16位的A／D轉(zhuǎn)換器和1個16位的D／A轉(zhuǎn)換器。同時該微控制器具有4個16位捕獲／比較定時器和1個看門狗定時器，因此ARM cortexTM-M3可以滿足電動車控制的需要，減少了系統(tǒng)硬件設(shè)計的復雜度。STM32F103VE支持J-Link實時仿真和跟蹤，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)計更加方便。整車控制節(jié)點硬件電路圖如圖2所示，由徽控制器STM32F103VE、CAN總線收發(fā)器82C250、2個高速光耦16N137等組成。

    STM32F103VE采用單電源供電，時鐘由8 MHz外部晶振產(chǎn)生。對Flash存儲器的編程通過J-Link進行編程(IAR)實現(xiàn)。STM32F103VE內(nèi)部集成一路CAN控制器，簡化了傳統(tǒng)單片機外接CAN控制器和CAN收發(fā)器的復雜外圍電路。收發(fā)器82C250是CAN控鑭器和物理總線之問的驅(qū)動器接口，它可以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，其位速度高達1Mb／s，與ISO11898標準兼容。它的斜率控制功能使電磁兼容性能增強，準備模式可以減少網(wǎng)絡(luò)的功耗，準備模式中，網(wǎng)絡(luò)一旦檢測到總線上有報文就會被立即激活。同時，它可提供更強抗干擾能力，以及有熱保護、短路保護、支持多達110個節(jié)點等好處。
    在微控制器和CAN總線收發(fā)器之間，采用了2個高速光電耦合器6N137進行電氣隔離，防止將總線干擾引入系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時，在節(jié)點端部接有1個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
    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子層和一小部分的邏輯鏈路控制子層，CAN的ISO標準規(guī)定了總線及驅(qū)動器的電氣特性。因此需要根據(jù)自己的需求設(shè)計通信協(xié)議。
    CAN協(xié)議標準2．0B的數(shù)據(jù)幀的ID長度為29位，為擴展格式數(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)計是對標識符和數(shù)據(jù)位的定義。
    本系統(tǒng)協(xié)議的設(shè)計參照SAEJ1939協(xié)議標準，標識符分配為優(yōu)先級(P)、保留位(R)、數(shù)據(jù)頁(DP)、代碼域(PF)、目標域(PS)、源地址(SA)和數(shù)據(jù)域(DF)7個部分。根據(jù)需求定義了5個報文，報文標識符定義如表1所示。

    整車控制器的節(jié)點地址為OxA7；BMS節(jié)點地址為OxE4；CCS節(jié)點地址為OxE5；電機控制器節(jié)點地址為OxE6。
    根據(jù)實際需求，設(shè)計了5個報文，分別為：BMS發(fā)給CCS和電機控制器的2個報文，CCS和電機控制器發(fā)給整車控制器的2個報文，整車控制器發(fā)給電機的報文。根據(jù)信息的重要程度，將電機控制器和整車控制器間的報文設(shè)計為最高優(yōu)先級3，其他報文優(yōu)先級設(shè)計為6。

4 CAN總線節(jié)點的軟件設(shè)計
    系統(tǒng)采用基于C語言的程序設(shè)計。在IAB開發(fā)環(huán)境下進行調(diào)試和仿真。整車控制節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括4個部分：CAN控制器的初始化、報文發(fā)送、報文接收和錯誤處理。
4．1 CAN控制器的初始化
    在啟動CAN通信前必需進行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、驗收過濾器設(shè)置等。初始化操作在CAN模塊復位的模式下進行。初始化程序流程圖如圖4所示。

    本設(shè)計中采用的是29位擴展標示符，符合CAN2．0B的標準，所以在驗收屏蔽過濾器設(shè)置中進行相應(yīng)的設(shè)定。同時，本設(shè)計的CAN波特率設(shè)置為250 Kb／s，與總線上其他節(jié)點的波特率相同，才能進行正常的通信。
4．2 數(shù)據(jù)的發(fā)送
    對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個發(fā)送郵箱，發(fā)送報文的流程為：應(yīng)用程序選擇一個空發(fā)送郵箱；設(shè)置標識符，數(shù)據(jù)長度和待發(fā)送數(shù)據(jù)；對CAN+TixR寄存器的TXRQ位置1，請求發(fā)送；郵箱進入掛號狀態(tài)，等待發(fā)送；一旦CAN總線進入空閑狀態(tài)，發(fā)送郵箱中的報文則立即發(fā)送，成功發(fā)送后，郵箱為空；通過查詢CAN_TSR寄存器的TXOK位來查詢報文是否發(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CAN報文的接收采用中斷方式，提高通信的實時性。接收報文的流程如圖6所示。當CAN總線發(fā)來一個報文，根據(jù)屏蔽過濾器設(shè)置的標識符進行過濾，如果是要接收的報文，則CAN控制器將總線上的報文按順序存入接收FIFO，并進入接收中斷，在中斷中對接收FIFO中的報文進行存儲，然后釋放FIFO郵箱。如果不釋放郵箱，當總線上再發(fā)送過來報文時，會直接覆蓋上一個報文，從而導致報文丟失。數(shù)據(jù)接收程序流程如圖6所示。

4．4 錯誤處理
    電動車的整車控制器需要接收BMS、CCS和電機控制器這3個節(jié)點發(fā)來的報文，如果超過1 s未接收到例如BMS的報文，則通信鏈路超時，此時需要進行故障處理。所以在軟件設(shè)計時，定義一個全局變量，在每個定時周期中加1，在接收BMS報文中斷中，對此變量清零，則可以實現(xiàn)通信超時檢測。當總線發(fā)生嚴重故障時，CAN節(jié)點錯誤寄存器累積到一定次數(shù)時，CAN控制器會關(guān)閉總線，節(jié)點脫離總線。

5 結(jié)論
    在實車實驗中，各個節(jié)點可以實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信，可以實現(xiàn)電動車的加減速和勻速運行。在本電動車控制系統(tǒng)中，設(shè)計的CAN通信節(jié)點體積小、功耗低、處理能力強、抗干擾性好，能在電磁環(huán)境復雜的環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地工作。在電動車控制系統(tǒng)中可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時快速通信，可靠性強。