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基于c a n 总线的燃料电池城市客车通信网络研究 摘要 燃料电池电动汽车f c e v ( f u e l c e l le l e c t r i cv e h i c l e ) 的动力源采用燃料电池 代替了传统的内燃机，可有效的减少能源消耗，且燃料电池汽车排放物为水， 属于无污染车辆，在未来有着广泛的应用前景。燃料电池城市客车f c c b ( f u e i c e l l c i t y b u s ) 最有可能率先实现产业化，因此本文选择燃料电池城市客车作为研究对 象。为了解决燃料电池城市客车各控制器之间的信息交换，需要一个智能化的 通信网络，c a n 总线以其突出的实时性、可靠性和灵活性等优点成为最佳选择。 本文以燃料电池城市客车为应用平台，通信标准依照c a n 2 0 b 和j 1 9 3 9 协议， 根据汽车实际工况和控制要求，设计了一个完整的通信网络。 论文介绍了燃料电池城市客车的主要结构，对燃料电池城市客车的关键技 术进行了分析研究。介绍了当前汽车车载网络中具有普遍意义的c a n 总线的 特点及其分层结构、报文传输等技术规范，同时分析了面向汽车网络的j 1 9 3 9 协议的原理和内容，研究了j 19 3 9 的编码定义规则。 在研究燃料电池城市客车的动力系统的基础上，分析了各控制单元的功能， 构建了五个c a n 节点的网络拓扑结构，包括整车控制器模块、燃料电池控制 器模块、电机控制器模块、超级电容控制器模块和l e d 显示单元，依据j 1 9 3 9 协议对f c c b 通信系统网络节点的源地址和报文进行了详细定义。 构建了课题研究所需要的软硬件平台：( 1 ) 基于a r m 完成高速c a n 节点 的硬件设计，包括电源部分、c a n 接口部分和微控制器部分。( 2 ) 在基于a r m 芯片内建c a n 控制器和f u l l c a n 专家函数库的基础上，进行了c a n 高速节点 的软件设计，并对节点在缓冲区配置和验收过滤设置方面进行了研究。 在a d s l 2 集成开发环境下建立c a n 通信方案，并进行程序的调试、编译 和下载。最后采用周立功公司的c a n s t a r t e r i i 开发套件完成了a r m 芯片的 c a n 节点通信试验。试验结果表明，设计的c a n 节点间的数据通信可靠，且 符合预先的滤波设置，满足设计要求。 论文最后总结归纳了本课题研究的结论和创新点，对进一步研究和探讨提 出了展望。 关键词：燃料电池城市客车c a n 总线通信网络s a ej 1 9 3 9 协议 s t u d y o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko ff u e l - c e l lc i t yb u s b a s e do nc a n a b s t r a c t f u e l c e l le l e c t r i cv e h i c l e ( f c e v ) c a nr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o ne f f e c t i v e l yw h i c h u s e sf u e le e l la sm a i np o w e rs o u r c ei n s t e a do fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e a n de m i s s i o ni s t h ew a t e r , s of u e l c e l lv e h i c l e sb e l o n gt on o n p o l l u t i n gv e h i c l e a sar e s u l t ，f c e vh a sl o n g t e r mp o t e n t i a li nt h ef u t u r e 1 1 1 ef u e l c e l lc i t yb u s ( f c c b ) i sm o s tl i k e l yt ob et h ef i r s tt o a c h i e v ei n d u s t r i a l i z a t i o n , s ot h i sp a p e rs e l e c t st h ef c c ba sr e s e a r c hs u b j e c t i no r d e rt o s o l v et h ep r o b l e ma m o n gv a r i o u sc o n t r o l l e r so ff c c bt oe x c h a n g ei n f o r m a t i o n , i n t e l l i g e n t i z ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i sn e e d e d c a n b u si st h eb e s tc h o i c eb e c a u s e o fs e c u r i t y ，r e a l t i m ea n df l e x i b i l i t y a c c o r d i n gt os t a n d a r dc o n f o r mt oc a n 2 o b a n dj 1 9 3 9p r o t o c o la sw e l la sc o n t r o ls t r u c t u r ea n da c t u a lc o n d i t i o no ff c c b ，t h i s p a p e rw i t hf c e vf o ra p p l i c a t i o np l a t f o r md e s i g n e daw h o l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m c o m p a r a t i v e l y t h i sp a p e rd i s c u s s e da n da n a l y z e dt h es t r u c t u r eo ff u e l c e l lc i t yb u sa n d s o m eo ft h e k e yt e c h n o l o g yi nf u e l - c e l lc i t yb u s n e t w o r kt o p o l o g ys t r u c t u r eo ff i v ec a n n o d e si s e s t a b l i s h e di n c l u d i n gv e h i c l ec o n t r o lu n i t ，f u e l - c e l le n g i n ec o n t r o lu n i t ，d r i v e nm o t o r c o n t r o lu n i t ，u l t r a c a p a c i t o rm a n a g e m e n tu n i ta n dl e dd i s p l a yu n i t c a n - b u s f r a m e w o r ka n dm e s s a g et r a n s m i s s i o na r er e s e a r c h e d c o d i n gr e g u l a t i o na n ds a e j 19 3 9p r o t o c o l s w h i c ha r ec o r r e l a t i v et ot h ei n v e h i c l ee l e c t r o n i cc a nn e t w o r k ， a r es t u d i e di nt h i st h e s i s ，a n dt h es o u r c ea d d r e s so fn e t w o r kn o d e sa r ed e f i n e d ，w i t h t h ef c e vc o m m u n i c a t i o nm e s s a g e sd e f i n e di nd e t a i l s t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r ma r ec o n s t r u c t e dw h i c hi n c l u d e st w op a r t s a sf o l l o w ：( 1 ) d e s i g n i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i to ft w ok i n d so fh i g hs p e e dc a nn o d e s r e s p e c t i v e l yb a s e do n 删，t h ec a ni n t e r f a c em o d u i e a n dt h em i c r o c o n t r o l l e rm o d u l e ( 2 ) d e s i g n i n gt h es o f t w a r eo fa r m c a nn o d e sb a s e do na n a l y z i n gt h ei n t e r n a l l yc a n c o n t r o l l o ra n df u l l c a ne x p e r tf u n c t i o nb a s e s m d yo nn o d e si nb u f f e rc o n f i g u r ea n d m e s s a g ef i l t r a t i o ns e t t i n g c a nc o m m u n i c a t i o np r o j e c t si se s t a b l i s h e db a s e do na d s 1 2i n t e g r a t i o nd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta n dt h ed e b u gi sc o m p l e t e ，c o m p i l e da n dl o a d e d e x p e r i m e n to fa r m c a n b a s e do nc a ns t a r t e r - i id e v e l o p m e n ts u i ti su s e d t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec a nn o d e s c a r lr e a l i z et h er e l i a b l ea n dr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o na n dc a l lp e r f o r mm e s s a g ef i l t r a t i o n ，i t i sa b l et om e e tt h ed e s i g nr e q m r e m e n t s a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h ec o n c l u s i o n so ft h er e s e a r c ha n dt h ei n n o v a t i o np o i n t sa r e p o i n t e do u t ，a n de x p e c t a t i o no nf u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti sa l s op u tf o r w a r d k e yw o r d s ：f u e l - c e l lc i t yb u s ；c a nb u s ；c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ；s a ej 1 9 3 9p r o t o c o l s ； 插图清单 图1 1 “十一五”提出的电动汽车“三纵三横”研发布局3 图2 1 燃料电池城市客车示意图5 图2 2 质子交换膜燃料电池的工作原理6 图2 3 总线位的数值表示8 图2 4c a n 的i s o o s i 参考模型的分层结构9 图2 5c a n 报文的数据帧结构。1 0 图2 6 数据帧标准格式的仲裁域结构1 0 图2 7 数据帧扩展格式的仲裁域结构1 0 图2 8 控制域结构1 1 图2 9 循环冗余码域1 2 图2 1o 应答域13 图2 1 1c a n 报文的远程帧结构1 3 图2 1 2c a n 报文的错误帧结构1 4 图2 1 3c a n 报文的过载帧结构1 4 图3 1 燃料电池城市客车汽车的动力系统结构图1 9 图3 2c a n 总线系统一般结构2 l 图3 3f c c b 网络拓扑结构图2 2 图4 1l p c 2 11 9 引脚定义3 1 图4 2e a s y a r m 2 1 0 0 开发板电源电路一3 1 图4 3e a s y a r m 2 10 0 开发板电源电路二。3 2 图4 4t j a l 0 5 0 高速收发器应用框图3 3 图4 5t j a l 0 5 0 高速收发器c a n 接口原理图。3 3 图4 6l p c 2 1 1 9 中c a n 接口原理图3 4 图4 7c a n 控制器状态图3 4 图4 8f u l l c a n 函数库结构图3 5 图4 9a d s 环境下c a n 模板的选择3 6 图4 10 方案文件结构3 7 图4 1 l 在m a i n c 中添加主程序3 7 图4 12 工具图标按钮3 7 图4 13 选择e a s y j t a g 硬件仿真3 8 图4 1 4 选择l p c 2 1 1 9 微处理器3 8 图4 15a x d 调试工具3 9 图4 16a r m c a n 初始化流程图4 3 图4 1 7a r m c a n 数据接收流程图4 4 图4 1 8a r m c a n 数据发送流程图一4 5 图5 1c a n s t a r t e r - - i i 开发套件连接图4 7 图5 2z l g c a n t e s t 测试软件界面4 9 图5 3 选择u s b c a n 接口卡4 9 图5 4 设置设备参数5 0 图5 5 启动c a n 通道5 0 图5 6c a n 循环发送试验5 1 图5 7c a n 接收发送试验5 2 图5 8 用户特殊选项配置头文件5 4 图5 9i d 滤波范围设置。5 4 图5 1 0 独立标准帧滤波试验5 5 图5 1 1 范围标准帧滤波试验j 5 5 图5 1 2 独立扩展帧滤波试验5 5 图5 1 3 范围扩展帧滤波试验5 6 插表清单 表2 1 四种电机性能比较。j 6 表2 2 数据帧长度代码d l c 1 1 表2 3c a n 2 0 的标准和扩展格式及j 1 9 3 9 协议所定义的格式1 5 表2 4j 1 9 3 9 协议报文单元的具体格式1 6 表3 1c a n 网络报文i d 结构2 2 表3 2c a n 总线网络报文结构2 3 表3 3c a n 网络地址分配表2 3 表3 4c a n 总线报文优先级的定义2 3 表3 5 整车控制器报文lp f 【o 】2 4 表3 6 整车控制器报文2p f 【l 】2 5 表3 7 燃料电池控制器模块报文1p f 【8 】。2 5 表3 8 燃料电池控制器模块报文2p f 【9 】：2 6 表3 9 电机控制器模块报文1p f 【1 6 】2 6 表3 1 0 电机控制器模块报文2p f 【1 7 】2 7 表3 1 1 超级电容控制器模块报文1p f 【2 4 】2 7 表3 1 2l e d 显示单元接收报文1p f 【4 8 】2 8 表3 1 3l e d 显示单元接收报文2p f 【4 9 】2 8 表4 1c a n 总线时序寄存器3 9 表4 2r a m 中标识符表格构成4 1 表4 3 独立标准标识符表格o 。4 l 表4 4 标准标识符范围表格4 2 表4 5 独立扩展标识符表格4 2 表4 6 扩展标识符范围表格4 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储签名：徐俘胜 签字日期护7 年歹月一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金肥至业太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 徐像1 8 生 签字日期：沙鼍年岁月p 日 导师签名： - l 仉砌 签字眺叶j 月闻 致谢 本论文是在导师张炳力老师的悉心指导下完成的，在此谨向张老师致以最衷 心的感谢和最真挚的敬意! 张老师严谨求实的科学态度、渊博的专业知识、忘我的工 作热情以及丰富的实践经验使我受益匪浅，成为我今后工作学习中的宝贵财富。在我 的整个研究生学习期间，张老师在学习上对我严格要求，不断督促我的进步， 对我的个性的缺点及时指正，帮助我成长。我从导师这里不仅学到了丰富的科 学知识，更重要的是学到了一份锲而不舍的钻研精神、一份对事业对生活的态 度，所有这些都将是我人生路上的宝贵财富。 衷心感谢王启瑞老师对我的关心和帮助，王老师学识渊博，平易近人，他 严谨、求实、勤奋的工作态度更为我树立了良好的人生榜样! 衷心感谢机械与汽车工程学院车辆工程教研室的赵韩老师、钱立军老师、 尹安东老师、孙骏老师、江吴老师、祝安定老师等在学习和科研上对我的指导 和帮助。 衷心感谢朱可、张冰战等师兄，代康伟、许铁娟等师姐，张平平、胡先锋、 师东升、叶先军、李丽等同窗好友，高逾、杜红亮等室友，祝毅、吴迪、廖衔、 张友皇、李鑫、宋振翔、季明微等师弟师妹在学习和生活上对我热情帮助。 感谢含辛茹苦培养我的父母家人，感谢他们对我无微不至的关怀，感谢他们全身 心对我的关怀和支持。 徐德胜 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着全球汽车工业的发展，汽车的产销量和保有量逐年增加，带来了能 源消耗、环境污染等许多负面影响。能源问题和环境污染的双重压力促使全球 各国都竞相开发新型能源汽车。燃料电池城市客车f c c b 【l 2 j ( f u e l c e l lc i t yb u s ) 具有效率高、清洁无污染、振动噪声小、结构简单易维护、燃料不依赖石油资 源等优点，被公认为是未来电动公交车的主流之一。f c c b 的驱动系统不同于 传统汽车，采用了大量的电力电子元器件，整车的电控系统相当复杂，采用传 统的布线方式增加了电路的复杂度和维修难度，使整车控制网络的可靠性降 低，很难再适应汽车技术发展和使用要求。因此，创建智能化的控制节点，组 建新型的燃料电池城市客车通信网络是十分必要的。与一般通信总线相比， c a n 总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性等优点，并且c a n 总线是目前 为止应用最广泛的现场总线，因此采用c a n 总线来进行燃料电池城市客车通 信网络的研究十分具有意义p j 。 我国“8 6 3 计划”关于电动汽车的说明中已经明确提出，新申报的电动汽车 开发项目必须采用c a n 总线通信模式。而目前国内对c a n 总线在燃料电池城 市客车上的研究刚刚起步，对其各个模块报文的定义、通讯系统的实现还没有 完全成熟。因此对燃料电池城市客车的c a n 总线通信网络的研究具有重要的 现实意义和广阔的应用前景。本课题研究了汽车总线技术及通信协议等具体内 容，并将其在燃料电池城市客车上进行了应用，为自主开发完整的燃料电池城 市客车通信网络奠定了基础。 1 2燃料电池城市客车及c a n 通信网络国内外发展概况 1 2 1 国外发展概况【5 j 目前北美、欧洲及日本的各大汽车公司纷纷投入大量资金进行燃料电池城 市客车的研发。美国政府及汽车企业对燃料电池汽车的研制开发和推广应用非 常重视。通用汽车公司早在19 6 6 年就推出了世界上第一个可驾驶的燃料电池 示范车“e l e e t r o v a n ”。早在1 9 8 7 年，美国能源部( d o e ) 、交通部( d o t ) 和城市 公共交通管理局( u w t a ) 等单位就已发起开发燃料电池汽车的计划。2 0 0 2 年美 国政府开始实施“f r e e d o m c a r ( f r e e d o mc o o p e r a t i v ea u t o m o t i v er e s e a r c h ) ”计 划，预计在2 0 1 0 年燃料电池电动汽车达到一定的市场份额，2 0 1 5 2 0 2 0 年燃 料电池电动汽车和氢燃料的加注基础设施将一切准备就绪。 欧盟正在推行欧洲清洁城市运输系统和欧洲生态城市运输系统，这是两大 规模的燃料电池巴士示范性合作试验计划。从2 0 0 2 年6 月到2 0 0 6 年7 月长期 进行证实性产品生命周期分析和对氢燃料供应设施建设的运用验证，预计应用 多种不同的氢加注装置，为今后实用化做准备。目前欧洲清洁城市运输系统 ( c u t e ) 中，多辆燃料电池巴士正行驶在欧洲七国九个城市里。 日本政府对燃料电池汽车的研究开发和推广应用也表示了极大的关注。 2 0 0 3 年丰田公司的燃料电池城市客车就已在日本东京投入营业性运行，日本目 标是在2 0 2 0 年燃料电池电动汽车的社会保有量达5 0 0 万辆以上，建设3 8 0 0 个 氢加注站，目前各大汽车制造商都加紧燃料电池电动汽车的研发工作。 c a n 总线自从1 9 8 6 年2 月在s a e ( 美国汽车工程人员协会) 大会上被r o b e r t b o s c h 公司提出以后，已经成为最主要的现场总线协议之一，c a n 网络广泛应 用在交通运输工具和工业控制等方面。目前，几乎每一辆在欧洲生产的新轿车 都装配有c a n 网络系统。各领域的推广应用对c a n 通信格式的标准化提出了 要求。1 9 9 1 年9 月形成c a n 技术规范2 0 版本，该技术规范包括a 和b 两部 分：2 0 a 给出c a n 报文标准格式，2 0 b 给出报文的标准和扩展两种格式。19 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具一数据信息交换一高速通信c a n 国 际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，同时c a n 总线在车辆中的应用也日趋成熟。s a e 的货车、 客车控制和通信网络委员会指定将c a n 作为c 类数据交换网应用于客车、货 车、农业及建筑车辆，并制定s a ej 1 9 3 9 高层通信协议。 全球各大汽车制造商在上世纪9 0 年代后期研发的汽车( 乘用车和商用车) 都采用了c a n 总线或者车中的部分零部件具有c a n 总线通信功能。以c a n 总线为代表的车用总线技术已成为全球各大汽车制造商实施平台战略和模块 化战略的重要措施之一，c a n 总线已成为现代汽车传输整车控制信息的神经网 络。 1 2 2 国内发展概况 我国政府也非常重视燃料电池汽车关键技术的研究，“九五”期间，国家科 技部将燃料电池关键技术研究列入国家攻关计划。“十五”期间，燃料电池汽车 及其关键技术的研究和样车的研制开发被列入国家“8 6 3 ”电动汽车重大专项中， 给与重点资助。其中燃料电池城市客车整车项目由北京清华新能源汽车工程中 心承担，首辆1l m 样车已经于2 0 0 2 年底研制成功。上海汽车工业集团公司、 同济大学、上海神力科技公司等单位承担了燃料电池轿车的研发任务，并且已 经成功开发三代燃料电池轿车。合肥工业大学联合安凯客车有限公司开发的燃 料电池城市客车也已经于2 0 0 6 年1 2 月开发成功。目前在北京上海等地，已有 多辆燃料电池城市客车投入示范运行【9 1 0 j 。 国家“十一五”8 6 3 计划节能与新能源汽车重大项目于2 0 0 6 年底正式开始 实施。其中提出建立以燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车动力系统技 术平台为“三纵”；以燃料电池和动力蓄电池技术，电驱动系统技术，以及共性 基础技术为“三横”的电动汽车“三纵三横”的研发布局【l ，如图1 1 所示。 2 。虿共支撑l 检测试验技术标准政策法规示范运营产业融资知识产权技术信息 l i 王台建设 一 图1 1 “十一五”提出的电动汽车“三纵三横”研发布局 目前，我国的燃料电池城市客车研发可以根据市场应用需求，研发各具特 色的示范样车，并可形成一定规模的燃料电池示范样车制造能力，并可通过降 低成本、提高整车的可靠性、耐久性、舒适性和安全性，打造具有竞争力的产 品。利用北京2 0 0 8 奥运会和上海2 0 1 0 年世博会等重大活动的时机，实现燃料 电池汽车商业化示范产品的初期市场导入。 随着国内汽车消费市场的飞速发展，与汽车相关的高新技术伴随着世界汽 车巨头推崇的全球新车同步上市的浪潮不断地涌向中国市场，在国家的大力支 持下，中国汽车电子技术的自主创新能力不断增强，作为汽车电子关键技术之 一的车载网络在关键技术上与全球处于同步发展。 全国汽车标准化技术委员会在2 0 0 5 年开始持续在网上公布商用车控制 系统局域网络( c a n ) 通信协议系列国家标准征求意见稿，基于c a n 的车载网 络开始纳入标准化规范化管理，自主研发的车载网络在技术上走向成熟，并开 始了它的产业化进程。 目前，我国研发的新能源汽车都采用了c a n 总线作为汽车的通信网络， 很多采用c a n 总线的新能源汽车已经处于运营阶段。如北京市场上达到国i i i 标准的扫雪车、燃料电池公共汽车等，它们带有c a n l i n 功能的仪表、车灯 控制、车门控制等技术；2 0 0 5 年9 月1 8 日国家“十五”重大科技成就展在北京 海淀展览馆向社会公众展示的所有新能源汽车全采用了自主研发的基于c a n 的车载网络，其中，由北京理工大学主持研发的纯电动公交车、二汽主持研发 的混合动力公交车已进入试运营阶段。 国内c a n 总线应用的一个典型现象是汽车零部件公司与科研单位的联合。 一方面传统的零部件企业受市场竞争的驱动，急需利用电子信息技术改造传统 凰凰 凰匿 的零部件，以借助车载网络提升其产品的性能，使其在竞争中取得有利地位； 另一方面从事车载网络的研发单位需要在传统的汽车零部件行业中寻找合作 者为车载网络提供载体，以进入相对封闭的汽车行业。如中国科学院沈阳自动 化研究所与浙江正方交通建设集团股份有限公司合作成立浙江中科正方电子 技术有限公司，该公司自2 0 0 4 年3 月成立以来，借助中国科学院沈阳自动化 研究所在国内现场总线处于领导地位的优势，已形成系列基于c a n 总线的汽 车电子产品。 近年来，国内开发、应用c a n 系统的人员正在逐渐增多，对c a n 协议的 研究也在不断加深。在很多领域，如研制电动汽车和混合动力汽车的8 6 3 重大 课题，已经将c a n 作为标准的车内通信协议确定下来，电力、航天等部门也 在c a n 方面取得了不小的应用成绩。但目前国内大多数的应用系统仍然基于 c a n 2 0 b 规范开发，还不能在应用层的水平上进一步深入。另外，国内研究、 开发c a n 协议，尤其是c a n 高层协议的组织和人员还太少，有待进一步加强。 1 3 课题来源及本文研究的主要内容 本文结合我校与某汽车公司合作的“h f f 6 11o 燃料电池城市客车研发”科 研项目，对基于c a n 总线的燃料电池城市客车通信网络进行了研究。 本文研究的主要内容包括以下几个方面： 一、在分析燃料电池城市客车主要结构的基础上，介绍了燃料电池城市客 车的关键技术。研究了c a n 总线的底层协议与分层结构以及s a ej 1 9 3 9 协议 的编码定义规则。 二、构建该型燃料电池城市客车通信系统网络拓扑结构，包括整车控制器 模块、燃料电池控制器模块、电机控制器模块、超级电容控制器模块和l e d 显示单元。基于s a ej 1 9 3 9 协议对各个模块的网络报文格式及内容进行定义。 三、创建基于a r m 芯片的智能节点，对c a n 节点的相关硬件和软件进 行设计，并实现报文的全局i d 验收过滤设置。 四、采用c a n s t a r t e r - - i i 开发套件组建c a n 总线通信网络，模拟燃料电 池城市客车上的节点进行通信试验。使用z l g c a n t e s t 软件对网络通信结果进 行监测，包括帧格式，帧类型，传输数据等，并验证报文滤波情况。 4 第二章燃料电池城市客车与c a n 总线协议 2 1 引言 燃料电池城市客车是近年兴起的新能源汽车，本章将介绍燃料电池城市客 车的末要结构和关键技术，并对c a n 总线技术规范和j 1 9 3 9 协议进行分析研究。 2 2 燃料电池城市客车主要结构 燃料电池城市客车以燃料电池或者燃料电池混合其他辅助能量装黄作为 能量源，驱动型式为“燃料电池电机控制器电机变速器主减速 器差速器车轮”，以电动机作为动力源来代替传统汽车的发动机驱动汽 车行驶。 本文研究的燃料电池城市客车采用燃料电池混合超级电容的形式，其主要 结构如图2 - 1 所示，客车顶部安装丁压缩储氢瓶，而两侧的行李箱部分安装的 是超级电容模块，驱动电机采用后置并和变速箱连接。燃料电池系统安装在车 身后部，其冷却系统安装在汽车后端的顶部 l “。 图2 1 燃料电池城市客午示意圈 2 3 燃料电池城市客车关键技术”】 23 1 燃料电池系统 燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极化学反应直接转化为电能的装 置。反应物r 氢气和氧气1 在电化学反应过程中不断地被消耗来产生电能，从而 通过电机驱动汽车行驶。质子交换膜燃料电池的基本结构和工作原理如图2 - 2 所示。燃料电池结构主要由阳极、阴极、电解质和外围电路组成。其阳极为氢 电极，阴极为氧电极，两电极间是电解质。 燃辩 外电路 气 图2 - 2 质子交换膜燃料电池的工作原理 2 3 2 超级电容 超级电容是一种电化学装置，它能提供比电解电容器更高的比能量，比电 池更高的比功率和更长的寿命。其充放电过程高度可逆，可进行高效率( 8 5 - - 一 9 8 ) 的快速( 秒级) 充放电。超级电容可以循环充放电10 万次以上，且具有 较大的放电深度。以超级电容作为辅助动力源，能够利用其快速充放电能力提 供快速的功率响应，提高加速能力和爬坡性能，并有效回收制动能量。混合超 级电容以后的燃料电池城市客车可以选择功率较小的燃料电池，从而降低成 本。 2 3 3 电机及电机控制器技术 驱动电机是燃料电池城市客车的心脏，它正向着大功率、高转速、高效率 和小型化方向发展。目前车用驱动电机主要有直流电机、感应电机、永磁无刷 电机和开关磁阻电机。四种电机性能比较见表2 1 。 表2 1 四种电机性能比较 直流电动机感应电动机永磁无刷电动机开关磁阻电动机 功率密度 低较高高高 效率低较高 高 较高 控制性能 最好好好好 可靠性一般优良 好好 成熟性好好 较高一般 电机成本低低 高 较低 最高转速 4 0 0 0 6 0 0 01 2 0 0 0 1 5 0 0 0 4 0 0 0 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 控制器斩波控制器逆变器 逆变器 逆变器 技术现状 成熟成熟较成熟一般 在实际选用电机时，应根据多方面因素进行综合考虑。 6 2 3 4 整车通信网络技术 燃料电池城市客车的驱动系统不同于传统汽车，采用了大量的电力电子元 器件，整车的电控系统相当复杂，若采用传统的布线方式会增加电路的复杂度 和维修难度，使整车控制网路的可靠性降低，难以适应汽车技术发展和使用要 求。采用功能强大的c a n 总线进行设计，可以有效解决燃料电池城市客车各 控制器之间的信息交换等问题。 2 3 5 整车控制系统设计技术 整车控制系统是整个汽车的核心控制部件，它的优劣直接影响到汽车的可 靠性、燃料经济性和其它性能。整车控制系统是燃料电池城市客车开发过程中 的关键环节之一。其主要功能包括：数据采集；对加速踏板信号、制动踏板信 号、车辆速度信号以及各部件的工作状态参数( 如超级电容电压、电流等) 进 行分析，并进行运算，将之转化为控制命令，进行能量源的功率分配；故障诊 断及处理等。目前控制系统向智能化和数字化方向发展，变结构控制、模糊控 制、神经网络、自适应控制、专家系统及遗传算法等非线性智能控制技术，都 可以应用于燃料电池城市客车的控制系统中。 2 4c a n 总线协议【1 4 。1 7 】 2 4 1c a n 总线的特点 1 9 8 6 年2 月，在s a e ( 美国汽车工程人员协会) 大会上，r o b e r tb o s c h 公司提 出了c a n 。这个由b o s c h 公司设计的新的总线系统称为“a u t o m o t i v es e r i a l c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ”( 汽车串行控制局域网) 。由于采用了许多新技术及独特 的设计，c a n 总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、 实时性和灵活性。其特点概括如下： ( 1 ) c a n 是到目前为止唯一有国际标准的现场总线； ( 2 ) c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上 其它节点发送信息，而不分主从： ( 3 ) c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高 优先级的数据最多可在1 3 4 u s 内得到传输； ( 4 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息而出 现冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影 响，继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。即使是在网络负载很 重的情况下也不会出现网络瘫痪情况； ( 5 ) c a n 节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及 全局广播等几种方式传送接收数据； ( 6 ) c a n 的直接通信距离最远可达l o k m ( 通信速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高 可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ； ( 7 ) c a n 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰机率低； 7 ( 8 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，具有极好的检错效果； ( 9 ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 # - ；报文标志符 可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的报文标识符几乎不受限制； ( 1 0 ) c a n 的通信介质可为双绞线，同轴电缆或光纤，选择灵活； ( 1 1 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其 它节点操作不受影响； 此外，c a n 节点性价比高，结构简单，器件容易购置，节点价格低廉，而 且能充分利用现有的单片机开发工具来进行开发。 2 4 2c a n 总线技术规范 2 4 2 1c a n 总线的位数值表示 c a n 中的总线数值为两种互补逻辑值之一，即“显性”或“隐性”。“显 性”( d o m i n a n t ) 数值表示逻辑o ，而“隐性”( r e c e s s i v e ) 表示逻辑1 。显性状态以大 于最小阀值的差分电压表示。v c a n h 和v c a n l 为c a n 总线收发器与总线 之间的两接口引脚，信号是以两线之间的“差分”电压形式出现。在隐性状态下， v c a n h 和v c a n l 被固定于平均电压电平附近，v d i f f 近似为o 。在总线空闲 或隐性位期间，发送隐性位。显性位以大于最小阀值的差分电压表示。“显性” 和“隐性”位同时发送时，最后总线数值将为“显性”。如图2 - 3 所示。 图2 3 总线位的数值表示 2 4 2 2c a n 总线的分层结构 根据i s o o s i 标准模型，定义了c a n 总线的分层结构，如图2 - 4 所示。 ( 1 ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 物理层定义信号是如何实际传输的，因此涉及到位定时、位编码解码、同 步的解释。c a n 技术规范没有定义物理层的驱动器接收器特性，以便允许根 据它们的应用，对传输媒体和信号形式进行优化。 ( 2 ) 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 数据链路层包含以下两个子层：介质访问控制子层和逻辑链路控制子层。 介质访问控制子层m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 是c a n 协议的核心。它把 8 验收滤波 u c 超载通知 数 恢复管理 据 数据封装拆装 链 n c帧编码( 填充解除填充) 路媒体访问管理 层 错误检测 出错标定 应答 串行化解除串行化 物 p l s 位编码解码 位定时 理 同步 层 p 驱动器接收罄特征 i d i 连接昌 图2 4c a n 的i s o o s i 参考模型的分层结构 接收到的报文提供给l l c 子层，并接收来自l l c 子层的报文。m a c 子层负责 报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。 逻辑链路控制子层l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 涉及报文滤波、超载通知、以 及恢复管理等。 从c a n 分层结构中可以看出：c a n 的底层协议只定义了物理层和数据链 路层，没有规定应用层，本身并不完整，而在建立一个实际运行的c a n 总线 通信网络时，虽然可由c a n 底层硬件来实现对物理层、数据链路层的控制， 但对于应用层，仍然需要制定或选择合适的通信协议( 如s a ej 1 9 3 9 等) ，来 对网络上的通信数据流进行解析与管理，这就涉及到c a n 总线高层通信协议 的问题。本文在2 5 节中将具体讨论s a e 儿9 3 9 通信协议的相关内容。 2 4 3c a n 总线的报文传输 c a n 的报文有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同：含有1 1 位 的标识符称之为标准帧，而含有2 9 位标识符的称之为扩展帧。报文传输有以下4 种 不同类型的帧。 ( 1 ) 数据帧( d a t af r a m e ) ：数据帧将数据从发送器传输