（电力电子与电力传动专业论文）can通讯测试系统.pdf

北方工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a ni sas o r to ff i e l d b u s e sa i l di tc a ne 毹e t i v e l y s u p p o r td i 嘶b u t e da n d r e a l - t i m ec o n t r o ls y s t 锄s 7 n l ec a na p p l i c a t i o n ss p r e a db r o a d l yi nm u l t i l i n kn e t s f 如mh i 曲一s p e e dn e t st 0l o w - c o s to n e s h a v i n gb e e na w a r eo ft h e 黟e a ta d v a n t a g e so f c a n c o m p a r e dt o 仃a d i t i o m ld a t ac o 咖n u i l i e a t i o nm e a i l s ，m o r e 锄dm o r ee n g i i l e e r s b e g i nt o 印p i yc a ni na l l l d n d so fi n d u s t r i a l a p p l i e a t i o n s w h e nm ec a n a p p l i c a t i o n ss p r e a db r o a d l y ，s p e c i a l l yt h eu s ei na u t o m o b i l e ，l 【i n d so fc a ni n t e r f - a c e c i i l c u i t ，t r a l l s i t i o nm o d u l eb e t 、v e e nc a nb u s 锄l do t l l e rb u s e s ( s u c ha s ，c a nb u sa i l d p c ib u s ，h a v e 印p e a r e di nm a r k e t c a nb u sa l l dr s 2 3 2b u s ，c a nb u aa n du s b b u s ，e t c ) w i mt l l e 印p e a r 觚c eo ft h e s ei n t e r f a c ec i r c u i o d u l e ，t h ec a nn e t sa r e c o n s 仃c u t e dm o r ec o n v e m e n t l y 甜l dl o w e rc o s t h o 、e v e r ，w ea l s on e e dt o o l st oa n a l y s et h e 、v o r ks t a t eo fc a n b u s ，m a i n t a i l la n d d e b u gb u s ，w h e nw ec o n s 锨a n dd e s i 盟c a ni l e t s n o w l es u i t e dc a nn e ta 1 1 a l y s i s t o o l sh a v ea p p a e a r a n c ei i lt h em a r k e t ，w h i c hh a ss 仃o n g 凡n c t i o n b u t “i st o o e x p e n s i v e t oc o i l s t n l c ts m a | lo rs i m p l ec a ni l e t s b a l s e do nd e s c i i p t i o na b o v e ，t l l i sp a p e ru s e sc a nb u si n t e r f a c em o d u l ew h i c hh a l s 印p e a r e di nt h em a d ( e t ，t or e s e a c ha i l dd e s i g nt l l ei i l s p e c t i i l ga n d 肌a l y s i ss y s t e mo f c 趟卜丁b u s a tt i st i m et h er e s e a r c hc o s ti sr e d u c e d t h ep 印e ru s ep c ib u s c a nb u s t 啪s i t i o nm o d u l ew i t hc o m p u t e ra d v a n s tl a n g 眦毽et 0c o m 讲l et h ea n a l y s i ss o 行w a r e ，h i c hi n s p e c ta i l da i l a l y s ec a nb u s 、v o r ks t a c e na l s os u p p l i sau s e 向l t o o lf o r l a bt o r e s a e r c t l a i l de x p e r i m e n t e t h i sp a p e rh a si n t 】的d u c e d 也ed o m e s t i ca i l di n t e m a t i o 砌 s i t u a t i o na 芏l d d e v e l o p m e n tc u r r e n t l ya b o u te l e c t r i cv e l l i c l e o nt h eb a s i so ff 锄i l i a r 埘t l lc a nb u sa i l dr e a lt i m ec o m m u i l i c a t i o n ，c o i l s i d 嘶n gh y b r i de 1 e e t r i ev e l l i e l e m i - n ib a l t e 巧a d m i n i s n a t i v es y s t e m sd e m a i l d ，t h j sp a p e r b r i n gf o 刑a r dt h em e m o d a c h i e v e dm e a l l so fh e v sc a nb u sc o i n m u l l i c a t i o na n dc a nb u sl o n g d i g t a i l c e i n s p e c t i o np r o g r ，l m k e yw o r d ：c a nb u s ，p c i - c a nm o d u l e ，s j a lo o o 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j 壁友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。 雠肾眺蚌蝴 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 量友王些太堂有关保留、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j 曼友王些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) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师 签字 电话： 邮编： 日 刁冲l 张峭 ： 胤 名 f 签 年 者 路 作 ： 文 期 论 日 位 字 学 签 北方工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电动汽车发展现状 1 1 1 电动汽车的发展背景 面对日趋严重的资源短缺与环境恶化问题，寻求社会、经济与资源、环境相 互促进与协调发展的可持续发展模式正在成为世界性潮流。汽车作为主要交通工 具和国民经济的重要支柱产业得到了快速发展，但是与此同时，汽车也带来了能 源消耗、环境污染等诸多负面影响。因此，世界许多国家都在代用燃料汽车、电 动汽车和混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e l l i c l e s ，简称h e v ) 领域进行了大量 的研究与开发工作，将清洁型交通工具的开发应用作为实现可持续发展战略的一 个重要组成部分。与电动汽车和燃油汽车相比，混合动力电动汽车具有高性能、 低能耗和低污染的特点以及技术、经济和环境等方面的综合优势。 混合动力电动汽车在起动和低速行驶时，可由电池提供动力；当超过一定速 度后转由内燃机驱动；在加速和高速行驶时，可由内燃机和电动机联合驱动；正 常行驶或减速刹车时，可对电池充电，故在正常情况下，混合动力电动汽车不需通 过外部电源充电或只需较短的外部充电时间。混合动力电动汽车的内燃机还可以 改用压缩天然气、甲醇等代用燃料，这不仅降低了车辆对石油的依赖，而且有效地 减少了尾气中的有害物质。据丰田公司的测试数据表明，混合动力电动汽车与常 规汽油车相比，c 0 2 的排放大约降至后者的1 2 ，而c o 、h c 和n o x 的排放则大约 降到1 1 0 。混合动力电动汽车对电池的比能量要求较低，从而可以大幅度降低电 池组的重量和成本，串联式混合动力电动汽车的电池重量仅是纯电动汽车电池重 量的1 3 。此外，由于混合动力电动汽车可以不通过外部电源充电，从而节省了大量 的充电基础设施投资。由于上述特点，混合动力电动汽车的整体性能价格比明显 优于纯电动汽车。因此，国外汽车制造业普遍认为混合动力电动汽车是目前最具 有开发和推广前景的新型交通工具之一。 1 1 2 汽车与c a n 联系 c a n 是c o n t r o l l e r 心e an e 帆o r k 的缩写( 以下称为c a n ) ，是i s o 国际标 准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、 低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统 之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很 多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个l a n ，进行 大量数据的高速通信”的需要，1 9 8 6 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的 c a n 通信协议。此后，c a n 通过i s 0 1 1 8 9 8 及i s 0 1 1 5 1 9 进行了标准化，现在 在欧洲已是汽车网络的标准协议。 北方工业大学硕士学位论文 现在，c a n 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、 船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点 之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节 点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。 尽管c a n 协议已经有1 5 年的历史，但它仍处在改进之中。从2 0 0 0 年开始， 一个由数家公司组成的i s o 任务组织定义了一种时间触发c a n 报文传输的协 议。计划在将来标准化为i s 0 1 18 9 8 4 。这个c a n 的扩展已在硅片上实现，不仅 可实现闭环控制下支持报文的时间触发传输，而且可以实现c a n 的x - b y - 、 ，i r e 应用。因为c a n 协议并未改变，所以，在同一个的物理层上，既可以实现传输 时间触发的报文，也可以实现传输事件触发的报文。 1 2 课题的提出及意义 鉴于c a n 总线的应用日益广泛，尤其是在汽车领域内的应用不断增多，c a n 总线的硬件设计及网络设计工作也被越来越多的人所掌握和应用，市场上也出现 了各种c a n 的应用电路接口，c a n 总线与其他总线( 如c a n 总线与p c i 总线， c a n 总线与r s 2 3 2 总线，c a n 总线与u s b 总线等) 的转化接口卡。这些接口 电路卡的出现方便了c a n 网络的组建，降低了开发的成本。但是，在组建，设 计c a n 总线网络的同时也需要分析c a n 总线运行状况的工具，以便对总线及 节点进行调试，维护等工作。 c a n 网络的开发包括两个部分，一是具体的实现，另外是系统设计。具体 实现是指具体的硬件软件的实现，相比具体实现而言，更重要的是系统的设计， 主要涉及通信协议、网络规划的内容。 现在市面上用来对c a n 总线成套的分析测试工具也已经出现。如德国v e c t o r 公司的系列工具。这些工具是汽车行业开发和测试c a n 网络的标准工具。比如 总线强大分析工具c a n a l y z e r ；各种不同的硬件工具如网络示波器c a n s c o p e 、 网络干扰生成器c a n 妣s s 等，还有多种不同功能的硬件工具。 国内的一些厂商和企业也有c a n 总线网络开发和测试相关的产品，如，广 州周立功单片机发展有限公司的c a n _ b u s 分析仪以c a n a l y s t 软件。c a n a l s y t 分析软件是一个用来安装、开发、测试、维护、管理c a n - b u s 网络的软件工具， 功能通用而且非常强大，比如多任务、不依赖于程序的统一操作、剪切、粘贴等 等。 尽管这些c a n 总线网络的分析工具功能强大，可以很好地开发组建大规模 的c a n 总线网络。但是，对于一些小型的或者说简单的c a n 网络的组建，购 买这些工具来进行开发经济性却不定能够保证。如果能够利用市面上现有的 北方工业大学硕士学位论文 c a n 总线接口卡来进行自行开发，设计出c a n 总线的监测分析系统为c a n 总 线的运行状况分析提供工具，将会进一步降低c a n 总线网络的开发成本。 本设计试图采用p c i 总线一c a n 总线的转换卡作为硬件基础并结合计算机 高级语言进行分析监测软件的编制来组建c a n 总线分析系统，以期实现对c a n 总线运行状况的监测及分析，并为实验室车载用镍氢电池管理系统中c a n 总线 的开发、分析、实验等工作提供一个实用的工具。 1 3 课题的任务 课题以选定的c a n 总线一p c i 总线接口卡为基础，本c a n 总线监测系统的 设计主要是通过接口卡提供的接口程序控件进行上位机软件的开发工作，实现预 定的功能，其中主要是对c a n 总线数据的处理和分析。 首先，设计的系统可以进行c a n 总线一p c i 总线接口卡的启用停止， s j a l o o o 的初始化复位( 即验收屏蔽寄存器a m ，验收代码寄存器a c ，帧类型， 总线时序o b t r 0 总线时序l b t r l 等参数的设定) 。 其次，为了保证p c i 总线一c a n 总线的转换卡正常使用，要有本卡功能的 自身测试( 包括初始化设定，数据收发等) 。 最重要的是实现c a n 总线数据( 包括总线数据( 1 8 个) ，i d ，接收的时间 等) 的接收、存储，总线数据的实时显示( 包括按数字量和模拟量显示) ，总线 数据的实时图示( 其中显示参数，报警值等均可以自行设定) ，总线数据的历史 记录查看，不同节点的历史曲线绘制等功能。 此外，为了扩充监测系统的功能，方便使用，还进行了监测系统的远程控制 设计。基于t c p 协议的远程控制使得连接在互联网的计算机能够实现本地c a n 总线的远程控制及监测功能。 程序的调试，借助于实验室已有的c a n 总线节点( c a n r s 2 3 2 接口) 并 自行编制串口通讯软件，把上位机串口模拟软件的数据通过c a n r s 2 3 2 接口 发送到c a n 总线上，然后通过p c i 总线一c a n 总线的转换卡把总线上的数据读 入监测系统进行比较，对照以便发现设计中存在的问题和漏洞并逐步完善。最后， 为了进一步完善监测系统，还要将其接入实验室的c a n 总线应用现场进行测试， 同时也根据现场的需要增加完善监测系统的各项功能，以期实现更多实用价值。 北方工业大学硕士学位论文 第二章车载c a n 总线简介 2 1c a n 的发展 2 1 1c a n 的发展现状 c a n 是早在1 9 8 6 年2 月由r 0 b e nb o s c h 公司在s a e 汽车工程协会大会上 提出的，在1 9 9 0 年早些时候b os c hc a n 规范c a n2 0 版被提交给国际标准化组 织，并于1 9 9 3 年1 1 月版了c a n 的国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，1 9 9 5 年国际标准i s 0 1 1 8 9 8 进行了扩展，以附录的形式说明了2 9 位c a n 标识符，但c a n 也有其不足之处，就 是所有出版的c a n 规范均包含错误或者不完整。因此，为避免出现不兼容的c a n 应用，b os c h 公司一直在进行验证c a n 芯片是否是基于b o s c h 的c a n 参考模型 的工件。 尽管当初研究c a n 的起点是应用予客车系统，但c a n 的第一个市场应用却 来自于其它领域，特别是在北欧，c a n 早已得到非常普遍的应用。在荷兰，电梯厂 商k o n e 使用c a n 总线；p h n i ps 医疗系统决定使用c a n 构成x 光机的内部网 络，由此成为c a n 的工业用户；从1 9 9 2 年起，m e r c e d e s 2 b e n z 奔驰开始在他们的 高级客车中使用c a n 技术；现在继v o l v o ，s a a b ，v o l l ( 2 s 、a g e n ，b mw 之后，r e i l a u l t 和f i a t 也开始在他们的汽车上使用c a n 总线，在欧洲几乎每一辆新客车均装配有 c a n 网络。c a n 也应用于其它类型的交通工具，从火车到轮船或用于工业领域。 2 1 2c a n 总线技术规范 c a n 总线是一种串行数据通信协议，在c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可以完成对通信数据成帧处理。c a n 协议最 大一个特点就是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采 用这种方法的优点是使网络内节点个数理论上不受限制，数据块的标志码可由 l l 位或2 9 位二进制数组成，因此可以定义2 或22 9 个不同的数据块，这种按数 据块编码的方式，还可以使不同节点同时接收到相同的数据。数据段长度最多为 8 个字节，可以满足通常汽车及工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一 般要求。同时8 个字节不会占有总线时间过长，保证了通信的实时性。以n 协 议采用c r c 检验并提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。 随着c a n 总线技术在各种领域里应用和推广，对其通信格式的标准化提出 了要求。为此，1 9 9 1 年9 月户l l i l i p s s e m i c o n d u c t o r s 制定并发布了c a n 技术规 范( v e r s i o n 2 o ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 o a 给出了c a n 报文的标准 格式，2 o b 给出了标准和扩展两种格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月1 5 0 正式颁布了高 速通信控制局域网( c a n ) 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，为控制器局域网的标准化、规范化 北方工业大学硕士学位论文 铺平了道路。 c a n 总线是一种小规模的面向工业现场和恶劣环境的现场总线通信系统， 并且强调低成本和高可靠性，因此按照0 5 l 模型，它只采用了数据链路层和物理 层。其中数据链路层又划分为逻辑链路控制子层( l l c ) 和媒体访问控制子层 ( m a c ) 。c a n 的分层结构如图2 1 所示。 逻辑链路控制子层( l l c ) 的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服 务，确认该层接收的报文实际已被接收，并且为恢复管理和通知超载提供信息。 简单地说，也就是接收滤波、超载通知、恢复管理。媒体访问控制子层( m a c ) 的功能主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和 故障界定。另外，媒体访问控制子层( m a c ) 也要确定，为开始一次新的发送，总 线是否开放或者是否马上开始接收。位定时特性也是m a c 子层的一部分。m a c 子 层的特性不存在修改的灵活性。 c a n 总线的物理层按照i e e e 8 0 2 3 l a n 标准规范构造模型。物理层定义了 信号怎样进行发送。因此，物理层涉及定时、位编码和同步的描述；总线发送和 接收功能电路并提供总线故障检测方法；物理媒体和媒体访问单元之间的机械 和电气的接口。 接受张：羧 l l c ：超载通知 恢复管理 数 数据封装拆装 据 链 帧编码( 填充解 除填充) 路 媒体访阁管理 层 强a c 堵误检测 出错标定 应答 串行化解除串杼化 位编码解码 p l s 位定时 物 弼步 理 层 p m a驱动器接收器特征 麓d i连接器 图2 一lc a n 的分层结构 北方工业大学硕士学位论文 控制器局域网c a n 为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分 布实时控制。c a n 的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路配线都可以 使用c a n 。在汽车的电子行业里，使用c a n 连接发动机控制单元、传感器、防 滑系统等，其传输速度可达1 m b p s 。同时，可以将c a n 安装在卡车本体的电子 控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等，用以代替接线配线装置。 由于c a n 总线采用了许多新技术以及独特的设计，与一般的通信总线相 比，其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下： 报文的优先权； 保证延迟时间； 时间同步的多点接收； 系统内数据的一致性； 多主机( 对等) ； 错误检测和错误标定； 只要总线处于空闲，就自动将破坏的报文重新传输； 将节点的暂时性错误和永久性错误区分开来，并且可以自动关闭c a n 的错 误的节点( 4 1 。 2 1 3c a n 通讯在汽车中的应用 在现代轿车的设计中，c a n 已经成为必须采用的装置，奔驰、宝马、大众、 沃尔沃、雷诺等汽车都采用了c a n 作为控制器联网的手段。据报道，中国首辆 c a n 网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功，并进行了初步试运行。在上 海大众的帕萨特和p o l o 汽车上也开始引入了c a n 总线技术。当前，国内利用一些 通用的芯片已经可以实现汽车某一系统的集中控制。图2 2 是基于c a n 总线的 汽车电子控制系统示意图【3 1 。 c 量茸魁线 图2 2 基于c a n 总线的汽车电子控制系统 北方工业大学硕士学位论文 在此基础上，利用c a n 控制器设计一个c a n 接口电路就可以组一套基于 c a n 总线的汽车控制系统网络。图2 3 是c a n 总线连接示意图【3 1 。 强总统 图2 3c a n 总线连接示意图 在我国，对c a n 总线的应用研究己经起步，清华大学、北京航天航空大学 等单位在c a n 为控制网络方面开展了富有成效的研究。目前国内在整车网络体 系构建、信息接口规范等方面的研究也才刚刚起步，没有形成自己独立的c a n 应用层的协议规范，离发达国家现有的技术水平有一定的差距。 混合动力车对通信系统的要求是：数据传输可靠，实时性高，传输速率高， 误码率低；系统的可靠性高，即当节点或故障时对整车性能的影响尽可能的小； 系统的鲁棒性好，允许多主网络存在。c a n 总线作为一种有效支持分布式控制 或实时控制的串行通信网络，完全能够满足这些要求，其模型结构只有3 层：物 理层、数据链路层和应用层f 4 】。传输介质为双绞线，通信速率最高可达 1 m b p s ( 4 0 m ) ，直接传输距离最远可达1 0 k “( 5 k p s ) ，可挂接设备最多可达l l o 个。 c a n 总线为多主工作方式，通讯方式灵活，无需站地址等节点信息，采用非破 坏性总线仲裁技术，满足实时要求。另外，c a n 采用短帧结构传输信号，传输 时间短，具有较强的抗干扰能力。 在混合动力汽车中采用c a n 总线网络结构，信息得到共享，汽车上的线束 明显减少，数据的可靠性也得到了提高。c a n 总线网络同时为汽车全局优化控 制提供条件，使汽车的动力性、安全性、燃油经济性等都得到了改善。可以预见 在不久的将来基于c a n 总线网络的汽车将占主导地位。由于c a n 总线网络的 显而易见的优越性，c a n 总线被认为是混合动力车最佳通讯机构，“8 6 3 ”电动汽 车专项中明确指出，新申报的电动车开发项目必须采用c a n 总线通讯模式。在 国内外所开发的混合动力汽车大部分采用c a n 通讯网络【5 l 。 北方工业大学硕士学位论文 2 2 c a n 总线技术 2 2 1c a n 总线的特点 控制器局域网( c o n t r o l l e r ar e a ne 附o r k ) 属于现场总线的范畴，是一种有效支 持分布式控制或实时控制的串行通信网络。c a n 协议是建立在国际标准组织的 开放系统互连模型基础上的，但其模型结构只有三层，即只取o s i 底层的物理 层、数据链路层和项层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达 l mb p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达l o k 州5 k b p s 。可挂接设备数最多可达1 l o 个。c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而传输时 间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节 点于总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能 力。 1 9 9 1 年p t l i l i p s s e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n 2 0 ) ，该 技术规范包括了a 和b 两部分。2 0 a 给出了曾在c a n 技术规范版本1 2 中定义 的c a n 报文格式，而2 0 1 3 给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了c a n 国际标准( i s 01 1 8 9 8 ) ，为控制器局部网标准化、 规范化推广铺平了道路。c a n 总线是一种串行数据通信协议。在c a n 总线通信 接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧 处理2 1 。 c a n 总线的优点使得其在汽车网络中的应用越来越广泛，主要特点如下： ( 1 ) 低成本； ( 2 ) 多主机、多从机，采用载波监听，广播方式传输报文； ( 3 ) 极高的总线利用率； ( 4 ) 很远的数据传输距离，长达1 0k m ； ( 5 ) 高速的数据传输速率，高达1m b i t s ； ( 6 ) 可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文； ( 7 ) 可靠的错误处理和检错机制： ( 8 ) 发送的信息遭到破坏后可自动重发； ( 9 ) 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能； ( 1 0 ) 报文不包含源地址或目标地址仅用标志符来指示功能信息和优先级信 息。 2 2 2c a n 协议 c a n 协议的结构由以下几部分组成，见表2 一l 北方工业大学硕士学位论文 表2 一lc a n 协议的组成结构 应用层 对象层 报文滤波 报文和状态的处理 传输层 故障界定 错误检测和标定 报文校验 应答 仲裁 报文分帧 传输速率和定时 物理层 信号电平和位表示 传输媒体 在c a n 协议的结构中，由下向上为物理层、传输层和对象层。 ( 1 ) 物理层定义实际信号的传输方法。本技术规范严格遵守i s 0 1 1 8 9 8 标准， 以便允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 ( 2 ) 传输层是c a n 协议的核心。它把接收到的报文提供给对象层，以及接收来 自对象层的报文。传输层负责位定时及同步、报文分帧、仲裁、应答、错误检测 和标定以及故障界定。 ( 3 ) 对象层的功能是报文滤波以及状态和报文的处理。 2 2 3c a n 链路层寻址 c a n 是一种基于广播方式的协议。各种在网上传输的数据帧都被分配一个 标识符，每个节点根据这些标识符，确定是否接收这些帧。这个标识符是在c a n 帧的标识区中指定的。同以往的主从结构相区别的是：c a n 支持多主形式。这意 味着网络上的任意一个节点在合适的时机，都可以主动向网上发送信息，这样一 来大大提高了网络对意外事件的反应能力。该多主形式的实现，主要依赖于c a n 先进的无损逐位仲裁机制。 2 2 4c a n 帧类型和帧结构 c a n 定义了四种帧格式，分别为数据帧、远程帧、超载帧和出错帧。在总 线上传输数据采用的是数据帧格式，远程帧则用于远程数据帧请求，超载帧和出 北方工业大学硕士学位论文 错帧主要用于意外情况的处理。c a n 总线的数据段长度最多为8 个字节，这可 以保证通信的实时性。一个数据帧由七个不同位场组成，如图2 3 所示。 图2 4 帧结构 其中：仲裁场主要用于标识信息内容以及决定信息优先级的高低。控制场包 含数据场的长度信息，数据场的长度为8 b ”e 。由于c a n 的数据包传送采用c r c 循环冗余码检验，所以数据通信误码率极低。c r c 场中包含的就是用于c r c 检 验的序列，由发送器初始化产生。当接收器计算的c r c 值不符合发送器发送的 c r c 值，则检测到c r c 错误，要求发送器重新发送。所有接收到匹配c r c 序 列的节点，通过a r c 场给发送节点返回一个应答。 另外，根据帧类型的不同( 标准帧和扩展帧) ，报文的标识符分为1 1 位和 2 9 位两种( 均为二进制) 。两种帧中标识符即i d 的结构如图2 4 。 标准格式： l 兰j 一竺一上塑里一 sri 0 1 1 位标识 tdr d l c fr e0 扩展格式： l 竺望里 - l 竺型垦2 孳 si r 怿 1 1 位标识 rd 1 8 位标识 trrd l c r er 10 丰为了区别标准格式租扩展格式。保留位r 1 在以前的c 珏1 0 _ 1 2 规范中标注为现在的i d e 位。 图2 5 标准帧和扩展帧的标识符 2 3s j a lo o o 结构介绍 对应用系统开发人员来说，开发c a n 通信模块只需选择控制器的型号以 及搞清控制器与微控制器的接口关系，而c a n 总线协议可由控制器自动实现。 我们采用主要应用于汽车和一般工业环境的独立c a n 控制器s j a l 0 0 0 芯片，它 与p h i l i p s 公司的p c a 8 2 c 2 0 0 以及其它的c a n 控制器相比，s j a l 0 0 0 经过简 北方工业大学硕士学位论文 单的总线连接就可完成c a n 总线的物理层和数据链路层的所有功能。采用这一 新型、功能强大的独立总线控制器s j a l 0 0 0 芯片来实现c a n 通信模块，一方面 可使得系统结构简单、可靠性加强；另一方面，增强了以后系统升级或扩展的灵 活性。 s j a l 0 0 0 是一种独立的c a n 控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中 的区域网络控制。它是p h i l i p s 半导体公司p c a 8 c 2 0 0 c a n 控制器( b a s i c c a n ) 的 替代产品，而且它增加了一种新的操作模式p e l i c a n ，这种模式支持具有很多新 特性的c a n 2 0 b 协议。 s j l 0 0 0 的基本特性如下： ( 1 ) 引脚及电气特性均与p c a 8 2 c 2 0 0 独立c a n 控制器兼容。 ( 2 ) 具有p c a 8 c 2 0 0 c a n 模式( 即默认的b a s i c 模式) 。 ( 3 ) 有扩展的接收缓冲器6 4 字节，先进先出( f i f o ) 。 ( 4 ) 支持c a n 2 o a 和c a n 2 o b 协议。 ( 5 ) 支持1 l 位和2 9 位标识码。 ( 6 ) 可与不同的微处理器接口。 ( 7 ) 可编程的c a n 输出驱动器配置。 ( 8 ) 温度适应范围大( 4 0 一+ 1 2 5 ) 。 ( 9 ) s j a l 0 0 0 的内部结构如图2 6 所示。 图2 6s j a l o o o 的内部结构 北方工业大学硕士学位论文 s j a 1 0 0 0 既可工作在b a s i c c a n 模式，执行c a n 2 0a 协议，又可工作在 p e l i c a n 模式支持c a n 2 0b 协议。在这两种模式中，s j 砧0 0 0 寄存器从数量、 地址分配到功能等方面都有所区别。c a n 控制器在上述每种模式中又都有2 种 状态模式分别称为操作模式和复位模式，处在这2 种不同状态的模式中，对寄存 器的访问操作功能是不同的。 2 4c a n 通信实时性的研究 信息传递的实时性是通信网络重要性能之一。在c a n 通信系统仲裁过程中， 具有较高优先级的协议帧可以不受影响的连续的发送，保证了较好的实时性和可 靠性。随着网络负载的增加，总线上信息碰撞的概率也随着增加，这时候低优先 级的信息帧传输的实时性就会受到影响。当碰撞概率达到一定的程度，根据c a n 的仲裁协议运行机制，系统中一部分优先级较低的信息帧就根本不能发送成功， 而发送这些低优先级的节点由于多次发送失败产生错误，最终会因错误累计而退 出c a n 总线通信。 在c a n 通信系统中，一帧数据通信需要经过消息的生成，写入发送节点缓 存，通过仲裁获得总线通信使用权，在总线上传播到目标节点，然后被接收节点 收入缓存，这样就完成了一次点对点的通信。因此，c a n 通信时，信息帧的传 送响应时间也由以上几部分组成。按照c a n 数据链路层协议，在通信时c a n 使用多主节点、非抢占式总线传输。总线上任意一个节点要发送信息必须先等待 总线空闲，然后才能进入仲裁阶段。而等待总线空闲的最长时间就是总线发送一 个c a n 信息帧的最长时间。这个时间是不确定的，与总线波特率设置、信息帧 格式以及数据场长度等因素有关。 节点生成的信息在等到总线空闲以后，还必须进行优先级的仲裁，高优先级 的信息帧先发送，低优先级的信息帧等待下一次再进行仲裁。所以，对于一帧特 定的c a n 信息帧，必须等到这一时刻与它共同进行总线仲裁且优先级高于它的 其他信息帧发送完成，此节点信息才能获得总线通信权，这也是构成信息发送延 迟的重要因素。 在c a n 总线通信系统中，一帧信息的响应时间由消息的排队时间延迟、总 线仲裁时间延迟及传送和接收时间延迟构成。其中，接收时间延迟是微控制器内 部对信息处理过程导致的，在考虑总线网络的消息响应时间时可以不计算在内。 因此，c a n 通信实时性的研究主要考虑总线仲裁时间的延迟和消息传输时问延 北方工业大学硕士学位论文 第三章c a n 总线监测系统的结构与b m s 现状 3 1 混合动力汽车电池管理系统( b m s ) 及国内外研究的发展 由于混合动力电动汽车的行驶工况相当复杂，对蓄电池的寿命影响很大，而 镍氢蓄电池的使用寿命有限。因此，对混合动力电动汽车的动力电池组实现能量 管理是十分必要的。据资料表明，安装先进的电池能量管理系统的混合动力电动 汽车能5 至l o 倍地延长蓄电池使用寿命。但是电池能量管理系统成本昂贵，电 路复杂，而且电池在充放电过程中的化学变化极其复杂，要精确计算和预测电池 的荷电状态和剩余电量及其寿命是相当困难的，到目前为止，这一技术仍在研究 发展中。 3 1 。1 混合动力汽车电池管理系统的研究状况 电池管理系统( b m s ) 是混合动力电动汽车中越来越重要的一个关键部分， 但是我国在这方面的研究刚刚起步，即使在美国等汽车工业发达国家，其研制工 作也不完善。目前，在国外虽有许多公司和科研机构正在着手研制和开发，但大 都没有取得明显的效果，实际应用中还存在许多问题，从有关资料来看，有以下 公司取得了进展： 美国一直站在世界汽车技术领域的最前列，在混合动力电动汽车的电池管 理系统的研究方面也走在世界各国的前列。通用汽车公司的b m s 采用了一个微 电脑，对电池组进行管理。监测和控制蓄电池组的充放电工作状态，提高电池的 充放电性能，预测蓄电池组的荷电状态和剩余能量。 克莱斯勒汽车公司与n o v i kt r a c r i c i n 公司在1 9 9 3 年1 月联合开发了 “智能充电”技术，设计了其车用电池能量管理系统( b e m s ) 【7 1 。该b e m s 利用 n o r v i k 公司开发的m i n i c h a r g e r 超快速充电技术，其核心是将 m i n i c h a r g e r 方法应用到电池能量管理中。m i n i c h a r g e r 技术是持续调整 充电电流以匹配电池组中各块电池的充电接受能力。这就使对任何电池进行快速 优化充电成为可能，该技术可以延长电池的使用寿命。b e m s 扩展了电池充电循 环控制的概念，包括快速充电和过夜充电。该b e m s 对电池组中单块电池进行 精确控制，防止电池使用中的过放电和过充电，随车储存、记录电池的充放电的 历史资料，早期故障检测、警告和诊断。这些都是b e m s 的显著特征。另外还 有一个精确的“电量表”，它是这种智能管理方法的副产品，即向驾驶员提供电池 组的剩余能量显示。 在欧洲，法国是电动汽车发展较快的国家。法国随车电池能量管理系统主 要功能为：电池寿命的记录、充电监测、行驶过程中电池的管理、辅助电池的维 北方工业大学硕士学位论文 护、剩余电量显示。它防止对电池的有害使用，收集电池信息从而确定如何恰当 使用和更换电池，最大限度地提高电池的能量使用效率。在德国，西门子公司开 发的电池管理系统，其充电控制可以使系统跟踪电池充电特性曲线进行充电，提 高充电效率，节约了电能。电池管理系统对电池组的工作状况进行监控，检测电 池组的电量消耗和剩余能量等，并将有关信息反馈到仪表板的仪表和信号装置 上。通过d c d c 变换器保证电器系统的能源供应和器件正常运行【3 1 。 在日本，本田公司开发的车用电池能量管理系统包括：管理控制模块、车载 充电器、惯性控制开关、高压系统安全检测装置、d c d c 变换器等。如果电动 汽车发生碰撞时，会立即切断电源。从而保证用电安全【9 1 。 在我国，清华大学与全国十多个生产和研究单位密切合作，“八五”期间成功 开发出e v - 6 5 8 0 轻型电动客车。此电动客车装有较为先进的电池管理系统。在行 驶过程中可对电池的充放电电流、电压等参数进行实时测量和监控，防止过充电、 过放电，提高了电池寿命和效率，同时还开发了与该系统相匹配的充电系统。另 外，华南理工大学、北京理工大学等多所科研院校也进行了电动汽车能量管理系 统的研究和开发工作。但是，国内针对混合动力电动汽车的电池能量管理系统， 仍然处于起步阶段( 1 0 l 【n 1 。 3 1 2 混合动力电动汽车电池能量管理系统的功能 综合国外的研究工作，混合动力电动汽车的电池能量管理系统应具备如下主 要功能【1 2 l ： ( 1 ) 混合动力汽车储能电池电量或能量计量功能。即随时预报混合动力汽 车储能电池还剩余多少能量或储能电池的荷电状态，使驾驶员在行车过程中做到 心中有数。 ( 2 ) 对混合动力汽车储能电池的监测功能。主要包括以下功能即对混合动 力汽车电池组中的每块电池的端电压和温度进行采集，对每组电池充放电电流进 行实时采集。由于电池组中的每块电池在使用中的性能和状态不一致，因而对每 块电池的电压、电流和温度数据都要进行监测。当蓄电池电量或能量过低需要充 电时，及时报警，以防止电池过放电而损害电池的使用寿命；混合动力汽车运行 时，如果电池组中某块电池损坏或因使用时间过长需要更换电池，可及时报警并 显示有关信息，以方便操作者及时取下坏的电池，从而提高系统的可靠性；当电 池组的温度过高，非正常工作时，及时报警，以保证蓄电池正常工作；建立每块 电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电池、充电器、电动机等提供资 料，为离线分析系统故障提供依据。 北方工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 控制功能。即合理分配电池能量在混合动力汽车上的使用，以便达到节 能的目的。例如，当电池作为混合动力汽车的一储能动力源时，在混合动力汽车 启动、爬坡过程中关闭空调等大耗电电器，使电池放电电流不会过大，有利提高 电池的实际使用能量。电池组充电过程中，能量管理系统能根据检测的电池组中 每块电池的有关数据，确定每块电池的能量状态，根据电池的充电和维护要求， 控制充电过程，实现电池组的均衡充电：并能够采用有效的充电方法，提高充电 效率，实现快速充电。 目前，在混合动力汽车上实现能量管理的难点和关键在于： ( 1 ) 如何根据采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立 确定每块电池剩余能量的较精确的数学模型，即混合动力汽车储能电池的荷电状 态计量技术。 ( 2 ) 混合动力汽车储能电池的快速充电技术及均衡充电技术。 这项技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技 术【1 2 j 。 3 1 3b m s 控制单元示意图 b m s 控制单元示意图，如下图3 一l 。 ( f b 冉舔 ( ( 1 2 v p o w e rm k e yo n ( 1 2 v ) f 撒p o w e ri n ( 1 2 c o n t a c t o rp o w e r ( 12 v ) c 锄h i 曲 c 狮l o w 图3 一lb m s 控制单元示意图 如图，b m s 主要负责： l 、监测电压，电流，温度。 2 、计算s o c 和最大功率。 3 、控制电流接触器来保证电池是否正确，并识别故障情况。 北方工业大学硕士学位论文 4 、监测绝缘状况，并通过c a n 与h c u 进行通信。 c a n 信息与