基于嵌入式技術(shù)和CAN總線的車輛配電系統(tǒng)

0 引 言
    由于特種車輛的電子設(shè)備種類和數(shù)量繁多，傳統(tǒng)半自動配電方式的管理能力有限，體積和重量較大、車輛電網(wǎng)故障自檢和隔離能力差、排除故障與檢修時間長、供電可靠性不高等問題，影響整個車輛和關(guān)鍵部件工作的可靠性。基于嵌入式技術(shù)、雙冗余CAN總線與LIN總線構(gòu)成的車輛智能配電系統(tǒng)，能夠很好地解決傳統(tǒng)車輛配電方式的缺點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)整車配電系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化管理。

1 智能配電系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    該配電系統(tǒng)分為三個部分：配電終端，智能配電管理器和車輛管理終端，如圖1所示。配電終端主要是用于28 V設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，具有電流檢測、電壓檢測、過流保護(hù)、短路保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)及狀態(tài)監(jiān)控等功能。同時具有LIN總線的數(shù)字通信接口和外部控制接口；有電流、電壓和溫度的數(shù)字量輸出，并且各類故障的參數(shù)點(diǎn)具有可配置性。
    由于特種車輛的用電設(shè)備的功率比較小，配電終端內(nèi)部采用低導(dǎo)通電阻的快速M(fèi)OSFET來控制用電設(shè)備的通斷。并且采用電流、電壓檢測和短路保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對用電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、故障的自動保護(hù)和故障完全隔離。另外，配電終端具有存儲記憶功能，能夠記憶設(shè)備故障時的記錄信息。同時，提供外部控制接口控制用電設(shè)備的通斷，兼容傳統(tǒng)的配電方式。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和配電系統(tǒng)的數(shù)字化，配電終端采用了控制器LPC935和低成本、易開發(fā)的的LIN總線。由于特種車輛具有大量的感性負(fù)載，啟動時的沖擊電流過大，電流瞬間可能超過額定電流的5～10倍，配電終端采用限流啟動方式。這種方式在保護(hù)自身的同時，也能夠改善特種車輛的電網(wǎng)特性。在大負(fù)載啟動時，考慮到可能影響系統(tǒng)電壓，從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行，配電終端采用控制用電與設(shè)備用電分離的方案?？紤]到全車用電設(shè)備數(shù)量眾多，配電終端采用模塊化設(shè)計(jì)，一個主要用電設(shè)備配備一個配電終端，智能配電管理器負(fù)責(zé)管理每個配電終端。
    智能配電管理器主要負(fù)責(zé)管理配電終端的用電設(shè)備，對用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時智能配電管理器提供雙冗余CAN通道與車輛其他管理終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)整車電氣系統(tǒng)的數(shù)字化管理。對于車上的次要用電設(shè)備通過I／O控制繼電器來實(shí)現(xiàn)。

    智能配電管理器主要部分包括：鍵盤和觸摸屏輸入，LCD顯示，雙冗余CAN接口和LIN接口，I／O輸入、輸出、測試、配置和故障檢測接口和備份信息存儲部分。由于智能配電管理器功能復(fù)雜，考慮到控制的實(shí)時性和用電設(shè)備的數(shù)量眾多，在硬件平臺上，采用32位微處理器LPC2119。LPC2119具有雙CAN控制器，兩個UART、豐富的I／0資源和內(nèi)置的RAM和FLASH存儲器。觸摸屏采用ADS7846控制器，LCD選型上支持觸摸屏操作的TFT真彩屏，信息存儲采用8 KB鐵電FLASH，鍵盤采用專用鍵盤管理芯。在軟件平臺上，選用實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，保證設(shè)備控制的實(shí)時性和工作的可靠性。
    車輛管理終端主要負(fù)責(zé)是車輛電氣綜合的管理，配電屬于其中一個管理項(xiàng)目，各個管理終端之間采用雙CAN冗余通信，保證整個車輛電氣系統(tǒng)工作和通信的穩(wěn)定性和可靠性。

2 車輛智能配電系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
2．1 配電終端應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)制和原理
    配電終端的程序處理流程如圖2所示。

    配電終端軟件采用實(shí)時編程的思想，利用四路A／D采集輸入端的電壓、輸出端的電壓、電流和溫度，同時對采集的數(shù)字量進(jìn)行濾波處理，保證采集的準(zhǔn)確性，從而實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的過壓，欠壓、過流和溫度故障保護(hù)。短路保護(hù)采用硬件處理方式，如果檢測到短路硬件自動關(guān)斷MOSFET管，并且把短路信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的I／O輸入口，以便單片機(jī)對短路的識別、判斷。外部控制接口采用I／O輸人口檢測，同時對外部控制信號采用數(shù)字濾波處理，防止干擾時的誤動作。配電終端的信息備份采用LPC935內(nèi)部的存儲器存儲。備份信息主要是過壓、過壓時間，欠壓、欠壓時間，過流、過流時間，溫度故障和溫度故障時間的參數(shù)設(shè)置點(diǎn)。為了防止運(yùn)行參數(shù)在設(shè)置參數(shù)點(diǎn)附近波動，軟件采用參數(shù)設(shè)置點(diǎn)回歸處理。由于采用時間和設(shè)置參數(shù)綜合判斷故障的處理方法，能夠較好地處理設(shè)備正常啟動瞬間低電壓和大電流而導(dǎo)致配電終端誤認(rèn)為故障現(xiàn)象。通常為了防止電壓過低和過高車輛上采用并聯(lián)蓄電池處理的方法，大電流采用能量瞬間釋放處理。
    為了實(shí)現(xiàn)配電終端的數(shù)字量輸出和配電系統(tǒng)的數(shù)字化控制，配電終端采用LIN總線通信，并且在LIN應(yīng)用層協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)LIN 1.2協(xié)議。由于LIN總線屬于完全主從模式，為了智能配電管理能夠正確地訪問每一個配電終端，在系統(tǒng)上電時采用自動分配地址的處理方法，由配電管理器為每個終端分配惟一地址。為了保證LIN通信的可靠性和異常處理，在軟件上，LIN通信數(shù)據(jù)采用CRCl6校驗(yàn)，從而保證設(shè)備的工作正常,解決通信數(shù)據(jù)的異常出錯處理。
[!--empirenews.page--]2．2 配電管理器應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)制和原理
    該系統(tǒng)采用實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ作為配電管理器端的軟件平臺，μC／OS-Ⅱ源代碼開放、內(nèi)核小、移植方便，易于開發(fā)。并且該操作系統(tǒng)支持多任務(wù)并發(fā)運(yùn)行，可以采用多任務(wù)編程方法。這樣，配電管理器端的每個功能可以作為一個獨(dú)立的任務(wù)來實(shí)現(xiàn)，這大大地增強(qiáng)了系統(tǒng)軟件的可靠性、穩(wěn)定性，也便于以后的維護(hù)和升級。同時配電管理器也提供了圖形用戶接口，結(jié)合鍵盤、LCD液晶顯示和觸摸屏模塊為用戶提供友好的人機(jī)交互界面。
2．2．1 配電管理器應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的工作流程主要是說明各個任務(wù)是如何協(xié)調(diào)工作。整個系統(tǒng)的運(yùn)行過程如圖3所示。

    嵌入式配電管理端的軟件主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)的讀取和設(shè)定、人機(jī)交互功能、用電設(shè)備的監(jiān)控功能、CAN、LIN通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。設(shè)備參數(shù)的讀取和設(shè)定功能提供了現(xiàn)場對設(shè)備參數(shù)的修改，也可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)測終端來修改。但是遠(yuǎn)程監(jiān)控終端必須通過許可認(rèn)證。認(rèn)證的信息和設(shè)備參數(shù)保存在鐵電FLASH存儲器中，以便系統(tǒng)掉電后用戶許可的信息不丟失。人機(jī)交互功能提供給用戶監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)采用了4×4鍵盤、觸摸屏和LCD顯示作為系統(tǒng)信息的輸入和輸出接口，為用戶提供非常友好的圖形用戶界面。用戶可以通過人機(jī)交互接口對用電設(shè)備進(jìn)行操作。
2．2．2 雙CAN冗余實(shí)現(xiàn)的機(jī)制和原理
    為了保證整車電氣系統(tǒng)的數(shù)字化管理的穩(wěn)定性和可靠性，在配電系統(tǒng)的對外通信接口采用性能穩(wěn)定、工作可靠的CAN總線，同時，為了保證整車電氣系統(tǒng)通信的可靠性和異常的處理，配電系統(tǒng)采用雙冗余CAN總線。雙CAN冗余通信流程圖如圖4所示。

    CAN總線通信程序包括數(shù)據(jù)傳輸和總線管理兩個功能塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)的功能包括CAN初始化、CAN濾波的設(shè)計(jì)、CAN報(bào)文發(fā)送和CAN報(bào)文接收。
    總線管理功能塊實(shí)現(xiàn)的功能主要是總線檢測，判斷CAN是否存在故障，若有故障，則進(jìn)入另一路總線檢測；若冗余總線良好，則采用冗余總線通信。
    CAN的通信數(shù)據(jù)分為命令數(shù)據(jù)的接收、命令的響應(yīng)以及故障狀態(tài)的自動上報(bào)。
    命令數(shù)據(jù)的接收和處理主要接收車輛其他管理終端的命令，執(zhí)行用電設(shè)備的綜合管理。同時，配電管理器響應(yīng)其他管理終端的執(zhí)行結(jié)果和用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在配電管理器檢測到用電設(shè)備故障時，自動上報(bào)給其他管理終端，以便實(shí)現(xiàn)車輛配電的綜合管理和數(shù)字化。同時可以設(shè)定用電設(shè)備的優(yōu)先級，配電管理器按照設(shè)定的優(yōu)先級合理控制用電設(shè)備。
    在向其他管理終端發(fā)送報(bào)文時，按CAN協(xié)議格式將報(bào)文內(nèi)容填入CAN發(fā)送緩沖區(qū)，啟動發(fā)送命令，將報(bào)文發(fā)送出去。如果不能成功發(fā)送，則進(jìn)行總線故障處理，等待超時后自動調(diào)用冗余通道，用冗余通道來發(fā)送。如果冗余通道也出現(xiàn)故障，則進(jìn)人故障處理，故障報(bào)警并退出。

3 結(jié) 語
    該智能配電系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)車輛配電系統(tǒng)的不足，利用嵌入式技術(shù)和雙CAN冗余和LIN總線，同時結(jié)合LCD控制器和觸摸屏為用戶提供了友好的圖形用戶接口，利用μC／OS-Ⅱ?qū)崟r多任務(wù)操作系統(tǒng)對任務(wù)進(jìn)行合理的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)整車配電系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化，產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用在特種車輛上，運(yùn)行結(jié)果證明其性能穩(wěn)定、可靠。