基于CAN總線的電動汽車數(shù)字控制系統(tǒng)研究

O 引言
    電動汽車是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)、新材料技術(shù)等一體化的高科技產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有多種相互作用卻又相對獨(dú)立的部件，且車載環(huán)境較惡劣，有很強(qiáng)的干擾，用模擬量的控制可靠性不高。先進(jìn)高效的控制體系結(jié)構(gòu)，可以使電動汽車各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換滿足簡單迅速、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時性好、系統(tǒng)錯誤檢測和隔離能力強(qiáng)等要求。本文采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和CAN總線技術(shù)，集智能控制、信號采集、數(shù)據(jù)處理和通信于一體，控制實(shí)時性好，可實(shí)現(xiàn)整車控制智能化和多傳感器信息的有效融合。

1 CAN總線的簡介
    CAN(ControllerAreaNewtork)即控制器局域網(wǎng)，是一種先進(jìn)的串行通信協(xié)議，屬于現(xiàn)場總線范圍。CAN總線是最初由德國Bosch公司在80年代初期，為了解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試一起之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，目的是通過較少的信號線將汽車上的各種電子設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，并提高數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)目煽啃?，CAN總線具有較強(qiáng)糾錯能力，支持差分收發(fā)，因而適合高噪聲環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離，特別適合于中小型分布式測控系統(tǒng)，目前己在工業(yè)自動化、建筑物環(huán)境控制、機(jī)床、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。CAN總線具有以下幾個重要特點(diǎn)：
    1)結(jié)構(gòu)簡單，只有兩根線與外部相連，且內(nèi)部含有錯誤探測和管理模塊。
    2)通信方式靈活?？梢远喾N方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點(diǎn)均可在任意時刻主動的向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。
    3)可以點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播方式發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。
    4)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實(shí)時要求。
    5)CAN通訊格式采用短幀格式，每幀字節(jié)數(shù)最多為8個，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)和測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)也不會占用總線時間過長，從而保證了通訊的實(shí)時性。
    6)采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)同時向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可以不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，這大大地節(jié)省了總線仲裁沖突時間，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
    7)直接通訊距離最大可達(dá)1k0m(速率在5kb／S以下)，最高通訊速率可達(dá)1Mb／s(此時距離最長為40m)。節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。
    8)CAN總線通訊接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級判別等項(xiàng)工作。
    9)CAN總線采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    電動汽車數(shù)字控制系統(tǒng)主要由電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)，動力裝置的冷卻系統(tǒng)，汽車電器、儀表顯示、供電系統(tǒng)，信息通信系統(tǒng)等組成。電動汽車采用雙CAN總線結(jié)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)和信息通信系統(tǒng)均采用高速CAN總線通信；動力裝置的冷卻系統(tǒng)，汽車電器、儀表顯示、供電系統(tǒng)采用低速CAN總線系統(tǒng)；高、低速CAN總線系統(tǒng)之間采用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行交換，如圖1所示，CAN總線符合CAN．20B標(biāo)準(zhǔn)和15011898國際標(biāo)準(zhǔn)。通信介質(zhì)采用普通屏蔽雙絞線。
    選擇合適的MCU是CAN總線數(shù)字儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。它必須能適應(yīng)各類復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)的要求，如實(shí)時性、低功耗、快速數(shù)據(jù)處理、集成數(shù)模外設(shè)功能、集成CAN總線接口，還應(yīng)該集成充足的Flash或RAM供程序、數(shù)據(jù)存儲，以簡化電路，提高系統(tǒng)的可靠性。此外，它還要具有低成本和惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性。在綜合比較了當(dāng)前業(yè)界流行的幾款MCU，如DSP2000系列、ATM89系列和C8051F系列之后，最終選擇了Cygnal的C805lF這一系列高性能8位單片機(jī)。

    C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片SOC具有與MCS51完全兼容的指令內(nèi)核。由于采用了流水線處理技術(shù)，不再區(qū)分時鐘周期和機(jī)器周期，大大提高了指令執(zhí)行效率，使其處理速度不遜于許多16位單片機(jī)。在低功耗的同時它還擁有著控制系統(tǒng)所需的豐富模擬、數(shù)字外設(shè)，大量的外設(shè)功能接口，通過交叉開關(guān)表分配到64個I／O引腳，這一獨(dú)創(chuàng)性設(shè)計(jì)使得芯片集成度大大增高。此外，C805lF還采用了Flash ROM技術(shù)，集成了JTAG，實(shí)現(xiàn)了真正的在線編程和片上調(diào)試。

3 接口電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)中選用Phliips公司的CAN總線收發(fā)器PCA82C250，PCA82C250是CAN控制器和物理層總線之間的接口，符合CAN國際標(biāo)準(zhǔn)15011898，它可以提供總線的差動發(fā)送能力和接收能力。用PCA82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等。PCA82C250允許的最高通信速度可達(dá)lMbps，最多節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個節(jié)點(diǎn)。它可以使系統(tǒng)具有較好的開放性和靈活性，即使該CAN總線在不要求所有節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖陀布那闆r下，可自由地增加或減少控制器節(jié)點(diǎn)。
    C805lF040內(nèi)集成了完全支持CAN2．0A和CAN2．0B的CAN控制器，獨(dú)立的消息RAM可以處理32條消息對象，每個消息對象都可以進(jìn)行發(fā)送和接收濾波，最高工作速率達(dá)到1Mb/s，能夠完成CAN總線協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的所有功能；其中CAN總線的競爭處理、CPU接口、同步、數(shù)據(jù)的一貫性以及連續(xù)性保證，都是由硬件來解決，CPU因此得以騰出大量的精力來處理其他的用戶功能。以上這些特性，使得C805lF040成為CAN總線節(jié)點(diǎn)微控制器的良好選擇。因而系統(tǒng)不需要專門的CAN控制器。通訊接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示，82C250是CAN控制器和物理總線間的接口，它是專用的CAN驅(qū)動芯片，提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。為了增強(qiáng)CAN通信的抗干擾能力，在緩沖器和CAN驅(qū)動之間設(shè)計(jì)了光電隔離電路。采用的是高速光電隔離芯片6N137，輸入與輸出的供電電壓也都采用5V。同時為了避免電源引起的干擾，CAN通信部分采用單獨(dú)的DC—DC電源模塊供電。

[!--empirenews.page--]4 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件模塊包括：控制策略模塊、系統(tǒng)參數(shù)配置模塊、運(yùn)行監(jiān)控及故障指示模塊、CAN通信總線模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、配置數(shù)據(jù)交換模塊、報表打印模塊、與其他軟件的接口模塊等。其中控制策略模塊和CAN總線通信模塊是主要的功能模塊。
    由于控制器是多變量輸入，為了適應(yīng)控制對象結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化范圍大、對象數(shù)學(xué)模型難于建立的特點(diǎn)，控制策略模塊采用了模糊控制方法。模糊控制的基礎(chǔ)是知識庫，當(dāng)各個節(jié)點(diǎn)的信息通過CAN總線輸入到控制器后，經(jīng)過模糊推理和模糊決策獲得輸出量，可使整車獲得最佳運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電動汽車儀表顯示及優(yōu)化控制。CAN總線通信軟件主要包括節(jié)點(diǎn)初始化程序、報文發(fā)送程序、報文接收程序以及CAN總線出錯處理程序等。在初始化C8051F040內(nèi)部寄存器時注意使得各節(jié)點(diǎn)的速率必須一致，而且收、發(fā)雙方必須同步。報文的接收主要有中斷和查詢兩種接收方式，為提高通信的實(shí)時性，保證接收緩存器不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用中斷接收方式實(shí)現(xiàn)CAN的通信過程。中斷服務(wù)程序流程圖如圖3所示。

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過傳感器、信號調(diào)理電路和采集卡，將表征電動汽車運(yùn)行狀況的物理量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量采集至各個CAN節(jié)點(diǎn)，在對數(shù)據(jù)位值轉(zhuǎn)換、軟件濾波和必要運(yùn)算后，通過CAN總線將信息送往多能源控制器。CAN節(jié)點(diǎn)控制模
塊需要采集的主要信號有： 
    1)動力裝置的冷卻系統(tǒng)：檢測水溫、油溫、油壓力、啟動故障、水溫過高／低等；
    2)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)：檢測電壓、電流扭矩、功率、轉(zhuǎn)速、電機(jī)狀態(tài)、車速、電機(jī)故障、加速踏板位置、制動踏板位置、離合器狀態(tài)、鑰匙信號、檔位等；
    3)電池管理系統(tǒng)：檢測SOC、電池電壓、電池電流、電池溫度、電池充/放電、電池故障等。
    現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)以其高性能、高可靠性和高性價比，被越來越多地應(yīng)用于車用電控單元和儀表系統(tǒng)之中。在電動汽車控制系統(tǒng)中采用CAN總線技術(shù)，不僅組網(wǎng)自由，擴(kuò)展性強(qiáng)，實(shí)時性好，可靠性高，而且具有自診斷和監(jiān)控能力，它是一種十分有效的通信方式。

5 結(jié)論
    本文介紹了基于單片機(jī)C8051F040的CAN電動汽車數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，給出了硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和軟件設(shè)計(jì)思路，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，CAN電動汽車數(shù)字控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，具有良好的應(yīng)用前景。