基于实例研究混合动力城市客车CAN总线的设计.doc

基于实例研究混合动力城市客车CAN总线的设计*仇秋飞 吴跃成 雷良育 朱伟(1浙江理工大学，杭州 310018 2万向电动汽车有限公司，杭州 311215 )摘要：CAN总线作为采集数据和控制系统的重要技术，在混合动力汽车设计中显得尤为关键。通过某公司混合动力城市客车CAN总线的设计，研究了CAN总线的设计方法和实现方式，此外还介绍了基于CAN总线对多功能液晶屏的设计以及在混合动力城市客车上的应用。实际使用结果表明：CAN总线的应用使得电动汽车庞大的控制体系变得简单便捷、更容易控制且可靠性好，借此而开发出来的多功能液晶屏让实时控制技术更为直观。关键词：CAN总线；混合动力；多功能液晶屏；实时控制中图分类号：U469.72 文献标识码：B 文章编号：Base on the Example to Design the CAN Bus for City HEV Qiufei-Qiu，Yuecheng-Wu，Liangyu-Lei，Wei-Zhu1. ZheJiang University of Science & Technology, Hangzhou, 3100182.WANXIANG EV CO.,LTD, Hangzhou,311245基金项目:国家高技术研究发展计划“863”电动汽车重大专项“纯电动乘用车技术平台研究开发”项（2006AA11A124）Abstract: As an important technology to collect data and control system ,CAN bus is particularly critical during the design of hybrid vehicles. Base on the example to reserch the design method and implementation approach for CAN bus. Further more, under the CAN bus multi-function LCD screen is designed and used in HEV. At last, the practice indicated: because the CAN bus is adopted, the hugeous contorl system of EV becomes simple and reliable, and the multi-function LCD screen makes the real-time control more intuitionistic.Keywords: CAN Bus；HEV；Multi-function LCD Screen；Real-time Control 0 引言21世纪在能源与环境双重危机的局势下，发展电动汽车迫在眉睫。电动汽车是集计算机技术、通讯技术、电子技术、新材料技术等一体化的高科技产品。电动汽车动力系统结构复杂多样，部件类型繁多，必须采用先进高效的控制体系结构，才可以使电动汽车各动力系统之间的数据交换满足简单迅速、可靠性高、抗干扰能力强、实时性好、系统错误检测和隔离能力强等要求。而CAN总线具有分布式、实时控制的优点，与PC机可以实时地进行数据通讯，最终实现人机对话。本文基于实例给出了一种混合动力城市客车CAN总线的设计方案，重点对CAN总线的网络结构、硬件电路和软件开发进行了设计分析。1 CAN总线的简介CAN (Controller Area Network)，即控制器局域网，是国际上应用最为广泛的现场总线之一。最早是在80年代末由德国Bosch公司提出并应用于汽车工业中，目的是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通信，减少不断增加的信号线，于是设计了一种单一的网络总线，所有外围器件都被挂接在总线上，形成最初的CAN总线控制网络。由于CAN技术的迅速发展和广泛运用，目前己被广泛运用于汽车工业、航空工业、工业控制等自动化领域，特别是在汽车领域，CAN总线通讯网络已是各大跨国汽车巨头争相推崇的先进技术，其通讯协议更是各公司秘而不宣的技术核心。CAN总线技术特点有：(1)CAN采用多主工作方式，网络上任一节点都可以在任何时刻主动向网络请求发送报文。(2)报文分成不同的优先级满足不同报文的实时性需求。(3)采用非破坏性仲裁技术，总线仲裁不破坏报文。(4)报文帧采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低,出错率低。(5)通信介质为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。(6)发生严重错误时CAN 节点可自动关闭脱离总线，不影响其它节点的正常通信。在电动汽车中采用网络技术解决分布式控制是一种必然，使用汽车网络不仅可以减少线束，而且能够提高各控制系统的运行可靠性，减少冗余的传感器及相应的软硬件配置，实现各子系统之间的资源共享，便于集中实现各子系统的在线故障诊断。另一方面CAN 总线控制器容易结合到各种CPU芯片上，随着测控计算机体系结构的集成开发应用，其应用将日益广泛。2 混合动力城市客车CAN总线的系统结构和实现方式2.1系统网络结构根据图1制定的CAN总线网络架构，实现HEV动力总成系统的数据传输及控制功能。该动力总成系统包括6个子节点，分别是：发动机控制ECU、变速箱控制TCU、电机控制MCU、电池管理BMS、整车控制VCU及状态监测与故障诊断系统。其中：整车控制VCU通过协调、控制其它子节点来实现网络管理，使汽车的各个系统更加安全和可靠运行。状态监测与故障诊断系统可以单独一个模块，也可以集中到组合仪表或多功能显示屏中，用于显示动力总成系统的各种运行状态，检测动力总成系统故障等。 图1 HEV动力总成系统CAN网络架构2.2 实现方式2.2.1 通讯协议CAN总线规范已被ISO制订为国际标准，包括用于高速场合的ISO11898和用于低速场合的ISO11519。目前，国内采用SAEJ1939制定国家总线标准，综合了当代许多先进的科技成果，包含着大量的先进经验和技术数据，反映了国际上经济发达国家已经达到的先进技术水平，所以HEV动力总成系统可以完全依据国家总线标准。2.2.2 技术路线（1）根据各功能节点，建立各节点的复杂控制与显示模型，优化设计，实现各个节点功能。利用国际通用的CAN网络设计仿真软件CANoe，进行虚拟仿真，来检验功能的设计。在CANoe中将所设计的完整的软件模拟节点系统进行离线的仿真，来检验各个节点功能的完善性以及网络的合理性。（2）在开发阶段，我们依据通讯协议，开发功能模块的软、硬件，逐步实现所有硬件节点的数据通讯。使用CANalyser软件完成功能测试与分析。应用网络测试硬件平台，对所有硬件节点性能进行检测，满足国家CAN总线等规范标准。（3）在本混合动力汽车系统中，为了实现整车控制、能源管理，系统采用高、低速双CAN 总线结构。电机、电池、多能源控制模块、内燃机、信息交换等模块，要求系统具有快速响应能力，对以上模块均采用高速CAN通讯。车灯、车门等对速度要求不高，但控制点较多，数据传输量大，采用低速CAN通讯控制。3 混合动力城市客车CAN总线的设计3.1 硬件电路设计电动汽车模拟网络系统的硬件电路包括：CPU模块、CAN模块、SPI模块、PWM模块、A/D转换模块、LED显示电路，如图2所示。图2 硬件电路框图其中CPU模块包括单片机MC9S08GZ16及其晶振回路，附带CPU的烧写回路。单片机的+5V电源由一片7805及其外围滤波电路提供；CAN模块由电源隔离电路和CAN收发电路两部分组成，前者为后者提供独立的+5V电源，使CAN收发电路的+5V和地与其它电路隔离，从而避免了不必要的干扰，保证CAN回路的正常运行；LED显示电路依照协议的要求，根据主节点发出的CCStatus帧，六个LED会顺序点亮或隔次点亮，表明CAN通讯及协议的实现是否正常。某公司生产的混合动力城市客车的CAN网络系统的收发电路包括：（1）电机控制器的CAN收发电路如图3所示：图3 电机控制器的CAN收发电路图（2）电气安全控制器的CAN收发电路如图4所示：图4 电气安全控制器的CAN收发电路图（3）电池管理系统的CAN收发电路如图5所示：图5 电池管理系统的CAN收发电路图3.2软件开发设计软件采用结构化程序设计方案, 使其具有较好的模块性和可移植性。软件主要包括CAN接收中断和定时中断两部分（中断程序流程图如图3，图4所示），接收中断处理用来分析CAN接收的数据，并依此控制相应的数码管显示；定时中断处理用来完成A/D转换、PWM输出、周期性CAN发送等功能。主程序包含单片机初始化程序和死循环，在初始化程序中，应对MSCAN、SPI、定时器、PWM模块、A/D、I/O端口进行初始化，令它们工作在适当的模式，初始化后，进入死循环等待中断，在死循环中调用看门狗复位子程序，该子程序由CODEWARRIOR自带。图6 CAN接收中断子程序 图7 2ms定时中断子程序3.3 数据采集系统数据采集系统通过传感器、信号调理电路和采集卡，将表征混和动力电动汽车运行状况的物理量转化为数字量采集至各个节点，在对数据位值转换、软件滤波和必要运算后，最终通过CAN总线将信息显示在多功能液晶屏上，为实时控制做准备。某公司基于混合动力城市客车CAN总线的设计，开发的多功能液晶显示屏如图8所示，设计定义的功能包括：（1）传统仪表显示功能：仪表显示包括各种故障、报警、状态灯显示，车速里程表显示，发动机、电机转速显示、动力电池、蓄电池电量显示，以及燃油、水温、室内外温度显示等。（2）动力总成系统状态显示功能：动力电池的冲放电状态、各组电池中单体电池电量、动力总成能量流分配等。 图8 多功能液晶屏信息表示4 结论通过实车调试检验证明基于CAN总线技术的HEV电子控制系统具有很强的通信实时性、可靠性和抗干扰能力, 并且具有占用空间小的优点。在电动汽车的设计和研发过程中，CAN总线的开发是各大电动汽车公司争相推崇的先进技术之一，具有很大的研究价值。以后的工作是进一步地优化CAN总线通讯网络和制定符合自己需要的通讯协议来简化控制方式达到更简便、更可靠的目的。参考文献1 陈清泉，孙逢春混合电动车辆基础M北京：北京理工大学出版社，20012 王学军，张玉璘基于CAN 总线的混合动力汽车控制系统设计J电脑知识与技术，2008147814813 杨波，徐成，李仁发 嵌入式Linux上的CAN设备驱动程序的设计J科学技术与工程，200412：101910234 邬宽明CAN 总线原理和应用系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社，19965 陈全世，朱家琏，田光宇先进电动汽车技术M北京；化工工业出版社，2007326329作者简介：仇秋飞(1982 )，男，安徽黄山人，硕士研究生，主要研究方向为电动汽车动力系统、汽车电子。吴跃成(1966 ), 男，浙江杭州人，博士，硕士生导师。主要研究方向为汽车疲劳可靠性研究。雷良育(1966 )，男，湖北蕲春人，博士后，硕士生导师。主要研究方向为混合动力汽车动力匹配研究朱伟 (1982 ), 女，安徽淮北人，硕士，主要研究方向为计算机应用技术地址：浙江理工大学（下沙校区）研究生楼11#1216室 邮编：310018邮箱： 手机文背景:该论文为本人在万向电动汽车有限公司实习期间（2007.9-2008.9）在收集项目资料、产品研发和产品验证的过程中，整理和编写完成的。收集的资料包括国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2005AA501710）电动汽车示范运营综合信息管理系统研究、国家高技术研究发展