基于can总线的电动车电控系统通信的设计与开发.doc

摘 要本文以MC68376集成CAN控制器为例，阐述了电动车电控系统采用SAEJ1939通信协议实现CAN总线通信的设计要点，给出了基于CAN通信的制动控制模块、动力总成控制模块、动力蓄电池管理模块、驱动电机控制模块、动力转向控制模块以及仪表控制模块等等控制模块的数据交换。关键词：CAN总线；MC68376；电控系统Abstract This text with the MC68376 gathers the controller of CAN for adesign for, expatiating motor car electricity controling system adoptionSAEJ1939 correspondence negotiating realizing CAN totally line corresponding by letter important point, give according to the system thatCAN correspondence moves to control mold piece, motive total controlmold a storage battery management mold a data for, driving electricalengineering controlling mold piece, motive changing direction controllingmold piece and gauges controling mold an etc. controling mold piececommutation. Key words: Total line in CAN; MC68376; The electricity controls the system目 录第一章 绪论1.1 论文背景11.1.1 电动车发展11.1.2 汽车电子控制技术21.2 CAN总线 4 1.2.1 CAN总线的来源4 1.2.2 CAN总线接口技术 5 1.2.3 SAEJ1939协议 61.3基于CAN总线的电动车电控系统通信的特点 10第二章 硬件电路设计 112.1 电动车电控系统CAN通信的设计 11 2.1.1 电动车控制系统CAN总线通信原理 112.1.2 电动车电控系统CAN通信的设计 112.2 基于MC68376的电动车电控系统CAN通信的设计 13 2.2.1 系统的硬件选择 13 2.2.2 电源管理ECU模块的设计 19第三章 软件设计 233.1 报文传送及帧结构 233.2 软件设计 253.2.1 CAN总线通信设计 253.2.2 电源管理设计 30第四章 系统制作与调试 324.1系统制作 324.2 系统调试 334.2.1 硬件调试及发现和纠正的问题 334.2.2 软件调试 33 4.2.3 联机调试 33第五章 结论 35参考资料 36致谢 37第一章 绪 论1.1论文背景1.1.1电动车发展1、电动车发展的原因在能源匮乏和环境恶化日益严重的今天，世界上大多数国家对内燃机汽车的关注也越来越大，对其尾气排放量要求也越来越严格。美国是当今能源消耗最大和环境恶化最为严重的国家之一，它对能源匮乏和环境恶化也有了很深的认识，也采取了一切措施来缓解此问题，如规定汽车尾气排放量不能太大，如果超过规定值，其汽车将不允许在本国销售。同时政府也大力鼓励开发其它形式的动力来源的汽车，其电动车就是其中之一。2、电动车在我国发展状况与燃油车市场形成鲜明对比的是，我国电动车市场出现迅猛增长势头。由于我国申请了2008年奥运会，其口号是“绿色奥运” ，到2008年北京奥运会时，实行汽车尾气零排放，城市出租汽车要求部分改为电动轿车型。这就为我国电动车发展提供了机遇。 电动车的需求旺盛。据全国各大城市的市民需求调查，高达76%的市民有将电动车作为代步交通工具的需求，他们说：“汽车太贵买不起，自行车太累不想骑，公交车人太多不想挤，摩托车太危险又被许多城市禁止，而电动车最适合我们。”电动车可以成为平民化、工薪族的主要交通工具。 3、对电动车的展望现在的许多中国人都在梦想下世纪的某个时候能拥有一辆属于自己的家用轿车。相信不久的将来，这一美好的愿望将化为现实。但是，当有一天您真正有能力并打算拥有一辆家用轿车时，您会发现，您将购买的可能不是一辆目前常用的汽油型轿车，而是一辆电动轿车。 2000年10月12日至16日，由中国汽车工程学会、中国电工技术学会以及亚太电动车协会联合主办的第16届国际电动车会议暨展览会（EVS16）在北京国际会议中心举行。世界知名的通用、福特、丰田、本田、日产、大发、铃木、雷诺、雪铁龙等跨国汽车公司及部分国内企业把最新研制的电动车带到了人们面前，让人们感受到了一个精彩纷呈的电动车世界。据与会的各国专家介绍，人们不遗余力地研制开发电动车，主要是出于两个方面的考虑。一是现在汽车使用的主要燃料-汽油来自石油，而石油并非取之不尽用之不竭的资源，到下个世纪后半页就有可能消耗殆尽；二是目前使用的汽油车（也包括柴油车）带来了严重的空气污染与噪音污染，危害了人们的身心健康。而推广使用电动车，采用以电代油的办法可以节省有限的石油资源，同时在夜间可调节电网峰谷负荷。电动车正以其特殊的优势预示着下个世纪其将成为人们首选的绿色清洁交通工具。鉴于电动车可持续发展之意义重大，美国、欧洲、日本等国政府纷纷颁布法规加以倡导，中国1991年将此列入“ 八五”重点科技攻关项目，现已列为“十五”及跨世纪国家重大科技产业工程。 在世界各国政府的大力支持及汽车生产厂家的努力下，国际范围内的电动车研制开发工作取得了相当大的进展，本次展览会上的展品都具备了相当高的水平。如福特公司的Ranger轻便卡车、丰田公司的“先驱”混合动力汽车及“ecom”迷你型电动公用车、本田公司的Plus电动汽车及Monpal电动座椅车、日产公司的“超迷你”超小型电动车、雪铁龙公司的贝灵格及萨哈双能源车、大发公司的Hijet厢式电动车等。特别值得一提的是，我国电动车项目也取得了相当大的成绩。目前，国家电动车运行试验示范区已在广东汕头建成并投入使用，20辆国内外各类电动汽车正在进行运行试验示范；全国汽车标准委员会电动汽车分技术委员会已成立，并完成了13项国家标准的制定。 尽管目前电动车的研制开发具有了相当高的水平，而且一部分也已投放市场，但其在整个汽车市场所占的比例还极小。造成这一状况的主要原因是电动车购车成本高、充电时间过长、电控系统不完善。一般电动车目前售价比同类型的汽油车要贵80以上；电动车使用的电池充电一小时最多能行进40公里，如要长途旅行那就必须长时间充电，这显然很麻烦。出现这两方面的问题主要是因为电动车开发成本高，有些技术还不是很成熟。但专家认为这并非一成不变，相信不久的将来会找到很好的解决办法。1.1.2汽车电子控制技术1、汽车电子控制技术的发展历在世界上第一辆汽车中，所谓的“电气系统”仅仅是由卡尔.本茨设计的由点火线圈和蓄电池所组成的点火装置。1955 年晶体管收音机问世后，采用晶体管收音机的汽车迅速增加，并作为标准部件安装在德国大众汽车上。60 年代是汽车电子化的活跃时代。标志着汽车电子控制技术真正发展的是在 1967 年首次将集成电路元件应用到汽车中，其结果是电子技术与汽车发动机电气系统相结合，开发出如车用发电机集成电路调压器、集成电路点火器等汽车电子产品。 80 年代是高科技迅速发展的年代，随之而来的是消费者对汽车多种多样的需求，这就要求汽车生产厂家生产出一种能提高汽车总体价值并能满足用户各种要求的高档汽车。目前世界上各大汽车制造厂商竞相研制新一代由微电脑控制的各种车用电子产品，并迅速地将己开发出的电子产品运用于汽车中，使汽车的档次得以提高，以满足各用户对汽车的要求。2、汽车电子控制技术的现状随着像微电脑这类电子产品的不断更新，极大地促进了汽车电子控制技术的发展。这些电子产品的可靠性不断提高，制造成本不断降低，用于汽车的电子产品尺寸不断减小。到了 90 年代初，人们终于感受到现代电子技术广泛地应用于汽车发动机控制及其它部分的控制所带来显著的经济效益和社会效益。当前的汽车电子控制技术可分为四大类：（1）动力系统控制：发动机控制、变速器控制。（2）信息传送：蜂窝式移动电话、多路通信系统、导航等。（3）车辆内部控制：空调器、显示仪表、空气袋、多路通信网络。（4）车辆行驶姿态控制：悬挂控制、行驶控制、转向控制、打滑控制。 这些都是汽车的电子控制技术，但对于电动车的电子控制就只有动力系统控制不同，电动车采用直流电动机或混合动力系统作牵引力，也就是改变了其控制的对象和参数。其它部分可以保持与汽车设计相同。但是，其信息的传输仍然有缺点，如资源不能共享、信息传送速度慢、布线复杂等等。为此，本毕业设计的研究是很有价值的。1.2 CAN总线1.2.1 CAN总线的来源1、CAN总线的应用原因随着车用电气设备越来越多，从电动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力，使汽车电气系统形成一个复杂的大系统，而且这一系统都集中在驾驶室控制。从布线角度分析，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然需要庞大的布线系统。据统计，一辆采用传统布线方法的电动车中，其导线长度可达2 000 m，电气节点达1 500个，而且根据统计，该数字大约每10年增长1倍，从而加剧了粗大的线束与电动车有限的可用空间之间的矛盾。无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都将不能适应电动的发展。 从信息共享角度分析，现代典型的控制单元有制动控制系统(ABS/ASR)、动力总成控制系统PTCM(Powertrain Control Module)、动力蓄电池管理系统BPCM(Battery Pack Control Module)、驱动电机控制系统DMCM(Driver Motor Control Module)、动力转向控制系统及仪表控制系统IPCM(Instrument Pack Control Module)等等。为了满足各子系统的实时性要求，有必要对电动车公共数据实行共享，如电动机转速、车轮转速、刹车踏板位置等,但每个控制单元对实时性的要求是因数据的更新速率和控制周期不同而不同的。这就要求其数据交换网是基于优先权竞争的模式，且本身具有较高的通信速率。CAN总线正是为满足这些要求而设计的。2、CAN总线的产生控制器局部网（CANCONTROLLERAREANETWORK）是德国BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网。德国BOSCH公司是一家集研发、生产、销售的大型汽车部件的高科技公司，为汽车的电气控制技术的发展作了应有的贡献。1.2.2 CAN总线接口技术CAN（Control Area Network）即控制器局域网络。CAN属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。1、CAN总线的性能特点其特点可概括如下：(1) CAN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的其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便的构成多机备份系统。(2) CAN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134s内得到传输。(3) CAN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时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级地节点会不受影响地继续传送数据，从而大大节省了总线冲突地仲裁时间。尤其是在网络负担很重地情况下也不会出现网络瘫痪情况。(4) CAN只需要通过报文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，无需专门地“调度”。(5) CAN的直接通信距离最远可达10km（速率5kbps一下）；通信速率最高1Mbps（此时的通信距离最长为40m）。(6) CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。(7) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。(8) CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。(9) CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光线。由于其高性能、高可靠性、及独特的设计，越来越受到人们的重视。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。2、CAN节点的分层结构和媒体访问控制子层（MAC）和物理层，而在CAN技术规范2.0A的版本中，数据链路子层的LLC使设计透明和执行灵活，遵循ISO/OSI标准模型，CAN分为数据链路层（包括逻辑链路子层LLC和MAC子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。CAN的分层结构和功能如图1.1。数据链路层逻辑链路子层 接收滤波 超载通知 恢复管理媒体访问控制子层 数据封装/拆装 帧编码（填充/解除填充） 媒体访问管理 错误监测 出错标定 应答 串行化/解除串行化物理层 位编码/解码 位定时 同步 （驱动器/接收器特性）监控器故障界定总线故障管理图 1.1 CAN的分层结构和功能1.2.3 SAEJ1939协议1、SAEJ1939协议技术背景在当今的中高档汽车中都采用了汽车总线技术。汽车总线为汽车内部各种复杂的电子设备、控制器、测量仪器等提供了统一数据交换渠道。20世纪90年代以来，汽车上由电子控制单元（ECU）控制的部件数量越来越多，随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，车上的ECU数量越来越多。因此，一种新的概念车上控制器局域网络CAN的概念也就应运而生了。CAN总线本身携带了物理层及数据链路层规范，这为不同的汽车厂商制定符合自身需要的应用层协议提供了很大的便利。但是，此系统仍然不完善，如果需要建立更加完善的系统，就得还需要在CAN的基础上选择合适的应用层协议。为此，人们开发了SAEJ1939协议，其由美国SAE（Society of Automotive Engineer）组织维护和推广。2、SAEJ1939协议构成文件SAEJ1939协议包括如下几部分内容：SAE J1939-11 物理层，250 Kbits/s，屏蔽双绞线SAE J1939-13 物理层，离线诊断连接SAE J1939-15 简化的物理层，250 Kbits/s，非屏蔽双绞线SAE J1939-21 数据链路层SAE J1939-31 网络层SAE J1939-71 车辆应用层SAE J1939-73 应用层-诊断SAE J1939-81 J1939网络管理协议3、各层协议的功能（1）物理层SAEJ1939的物理层规范包含SAE J1939-11（物理层，250 Kbits/s，屏蔽双绞线）、SAE J1939-15（简化的物理层，250 Kbits/s，非屏蔽双绞线）和SAE J1939-13（物理层，离线诊断连接器）三部分。其中SAE J1939-11和SAE J1939-15给出了物理层为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线时的网络物理描述、功能描述、电气规范、兼容性测试、总线错误讨论。而SAE J1939-13（物理层，离线诊断连接器）则定义了离线诊断连接器的通用需求、性能需求和物理需求。（2）数据链路层SAEJ1939的数据链路层在物理层之上提供了可靠的数据传输功能。通过数据链路层的组织，发送的CAN数据帧具有必需的同步、顺序控制、错误控制和流控制等功能。其中，流控制是通过一致的信息帧格式完成。数据链路层的功能通过命令、请求、广播/响应、应答、组功能和传输协议来实现。其中传输协议用于长度大于8个字节的参数组（PGN）的收发。传输协议涉及报文的拆装和重组，通讯方式又分为广播和点对点会话，对传输过程还定义了超时监测和错误处理，是数据链路层最复杂的部分。（3）网络层SAE J1939的网络层定义了网络互联ECU的需求和服务，它们负责不同SAEJ1939网络段之间的互联。同时网络层也定义了各种类型的网络互联ECU和它们所提供的功能。（4）应用层应用层详细定义SAEJ1939协议应用层所用到的SPN(可疑参数编号)和PGN（参数组）。该层包含管理功能和所采用的支持应用的机制。在应用层技术要求中，对报文格式、ISO拉丁字符集、参数范围、传输重复率、发动机参数的命名规则等方面都有具体的规定和描述。应用层定义的SPN和PGN是最多的。4、SAEJ1939协议具有如下特点：（1）以CAN2.0B协议为基础，物理层标准与ISO11898规范兼容并采用符合该规范的CAN控制器及收发器。通讯速率最高可达到250Kbps。（2）采用PDU (ProtocolDataUnit协议数据单元) 传送信息，每个PDU相当于CAN协议中的一帧。由于每个CAN帧最多可传输8个字节数据，因此PDU的传输具有很高的实时性。（3）利用CAN2.0B扩展帧格式的29位标志符定义每一个PDU的含义以及该PDU的优先级。 （4）J1939协议主要作为汽车中应用的通讯协议，对汽车中应用到的各类参数都进行了规定。参数的规定符合ISO11992标准。5、SAEJ1939协议的应用SAEJ1939协议应用于两个方面，一是网络构建，二是故障诊断。首先介绍SAEJ1939在网络构建方面的应用，SAEJ1939网络层中定义了如何构建网络及连接的功能。网络层的功能包括数据的过滤、重新打包和转发。分别由以下各部分实现。（1）中继器。可以增强数据信号，使数据传输更远的距离。（2）网桥。数据的转发和过滤。它可以把网络拆解成网络分支、分割网络数据流，隔离分支中发生的故障，这样就可以减少每个网络分支的数据信息流量而使每个网络更有效，提高整个网络效率。（3）路由。可以使网络段具有独立的地址空间不同的数据传输率和媒介。（4）网关。可以在不同的协议和数据设置的网段之间传送数据。其次介绍SAEJ1939协议在故障诊断方面的应用。SAEJ1939包括在线故障诊断功能，由诊断应用层定义。诊断应用层面向以下几方面。(1) 安全。在数据链路层上定义一个安全的框架，使得符合工业标准的开发工具执行必要的诊断任务。包括获取诊断信息，获取节点配置信息，标定控制模式。但对非开放型的数据加密。(2) 连接。建立J1939网络节点与开发工具之间的连接。连接器的设计也必须符合J1939协议。(3) 诊断状态数据支持。提供一系列的数据格式。包括读取出错数据、清除错误数据、监测通信参数、获取节点的配置以及其他的一些信息。(4) 诊断测试支持。可以使开发工具把各种控制节点放到具体的测试模式中以正确设计子网体系。诊断工具通过连接器与其他节点进行通信以获取诊断数据。因此所有的控制节点都应该具备以下功能:读取诊断故障代码、清除诊断故障代码、获取实时信息。而诊断故障代码记载了出错的参数及所在的节点等主要信息。1.3 基于CAN总线的电动车电控系统通信的特点基于CAN总线的电动车电控系统通信的特点是与其它电控系统通信相比较而言的，大致可归纳如下：（1）可以简化电控线路，提高控制的可靠性采用CAN总线后，各种检测仪表、控制仪表（包括电动仪表、模拟仪表和智能仪表）和单片机等等自动化技术工具，可以通过CAN总线相互连结起来，从而使得电控总线的线路简单，控制的可靠性增强了。（2）资源共享，信息传输速度快由于CAN总线为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息，所以网络上的信息可以共享。CAN总线传输速度快，在传输距离小于40 m时，最大传输速率可达1 Mb/s，这对于控制要求很高的电动车电控系统来说，是非常好的。（3）降低成本由于CAN总线采用双绞线电缆，具有价格便宜，质量高，与传统使用的车内昂贵的导线相比，有着明显的经济效益。第二章 硬件电路设计2.1 电动车电控系统CAN通信的设计2.1.1电动车控制系统CAN总线通信原理 电动车控制系统CAN总线通信在我国才刚刚起步，首先简单介绍一下我国目前在电动汽车控制系统通信原理。目前我国设计的电动汽车，汽车电子系统采用串行通信的方法，如用SAE1587等标准来实施，通信速度较慢、传递的数据量少，远不能满足高速通信的需求；以及布线复杂，得运行可靠性降低,故障维修难度加大。为了解决传统通信的缺点，本设计控制系统通信采用传输速度快、传递数据量大的CAN总线作为通信线路，其通信原理如下：在电动车控制系统中,控制器包括:制动控制器(ABS/ASR)、动力总成控制器PTCM(Powertrain Control Module)、动力蓄电池管理器BPCM(Battery Pack Control Module)、驱动电机控制器DMCM(Driver Motor Control Module)、动力转向控制器及仪表控制器IPCM(Instrument Pack Control Module)等。在各控制器之间通过CAN通信网络交换数据,实现数据共享并使各自的控制性能都有所提高。图2.1为电动车各控制器之间的CAN通信原理图。 图2.1纯电动车控制系统CAN通信网络拓扑图2.1.2 电动车电控系统CAN通信的设计 1、电动车电控系统CAN通信的方框图根据CAN通信原理，硬件主要由CAN控制器和CAN驱动器组成。动力控制总成PTCM和电池管理控制模块BPCM采用32位高性能微处理器MC68376上集成的CAN控制器；仪表控制器IPCM模块采用FUJ 32位高性能微处理器上集成的CAN控制器；电机控制DMCM模块、动力转向控制模块和制动控制模块采用SJA1939控制器。CAN驱动器全部采用PCA82C250。 2、 总的工作原理说明 电动车是一个庞大的系统，在这里我仅仅阐述电动车在起动和转弯时的运行情况，其相应的程序运行和如何的停止。 当电动车起动时，其起动信号由起动开关产生，信号通过CAN总线传到各个控制模块的收发器PCA82C250中，再传到各个控制模块中，各个控制模块中相应的程序就开始运行（其相应的程序有：电源管理ECU中的起动电动机供电程序和仪表ECU中的电动机电流LED串行动态显示程序等等），从而相应的信号采集和执行机构动作，使提供电动车动力的两台直流电动机稳定转动。两台直流电动机的牵引力通过离合器传到电动车的前轮和后轮，从而使电动车开始行驶。 当电动车转弯时，根据传统汽车设计，其转动信号由方向盘产生，其方向盘直接控制电动车的前轮方向，从而改变电动车行驶的方向。但是，现在采用了微机控制技术，电动车的转动实行微机控制，即把转向由一个动力转向模块控制，使电动车的转向更加精确，更加平稳。如果电动车在道路上行驶时遇到紧急情况，要求180度大转弯，这就要求起动紧急转弯按钮。按下紧急转弯按钮，其电信号通过CAN总线传到各个控制模块，各个控制模块中相应的程序就开始运行（在这里最重要的三个控制模块是动力总成模块、动力转向模块和制动控制模块，三个模块相应的程序起动，其效果是：动力总成模块控制前轮仍然有一定的转速，这是电动车转向的牵引力，而后轮就不提供转速；制动控制模块使后轮在刹车状态，即后轮原地不动；动力转向模块提供前轮按要求方向转向，而后轮也由动力转向提供与前轮一样的转向。传感器探测到电动车转到180度后，其信号传到各个控制模块，原来运行于紧急转向的程序就返回主程序）之后，电动车运行于平稳行驶状态。2.2基于MC68376的电动车电控系统CAN通信的设计2.2.1系统的硬件选择1、系统硬件电路框图系统硬件电路如图2.2，它由CAN控制器、CAN收发器、光电隔离电路、执行机构和采集机构如图2.3组成。 图2.2 系统硬件电路框图 图2.3 执行、采集机构电路图2、控制器对于系统的核心部件控制器，为了满足系统的快速反应和处理数据大等等要求，我在开发这个系统时，选择Motorola公司一款带CAN模块的微处理器MC68376。MC68376是Motorola公司专门为CAN现场总线设计的一款嵌入式单片机，其独特的结构，完善的功能，其特点如下：（1） 中央处理单元（CPU）：采用在MC68020基础上形成的32位CPU，称作CPU32。它与MC68020的指令系统基本相同，并且还增加了多条适合于微控制器应用的指令，这样，在开发过程中就可以充分利用已有的成果。最高工作频率已达25MHz。 （2）由于采用了全静态设计、高速互补金属氧化物半导体（HCMOS）工艺制造，所以MC68376微控制器都具有较低的功耗。工作频率可以从131kHz到25.17MHz变化。当使用低功耗停机指令完全停止系统时钟时，仍可保存所有寄存器的内容不变。 （3）时钟频率较其它微控制器低很多。它采用32.768kHz的石英晶体，由片内的锁相环（PLL）电路产生所需的时钟频率，这就使得高频噪声低，抗干扰能力强，容易满足电磁兼容性（EMC）的要求。 （4）MC68376微控制器具有系统集成模块（SIM）。该模块由外部总线接口（EBI）、片选控制、系统保护子模块、测试子模块和系统时钟组成。 （5）有队列串行模块（QSM）。该模块为MC68300系列微控制器提供两个独立的串行通信接口，它们分别是队列串行外围接口QSPI和串行通信接口SCI。（6）具有通用定时（GPT）单元。GPT可以实现输入捕捉（IC）、输出比较（OC）、脉冲宽度累加（PAI）、脉冲宽度调制（PWM）、辅助定时器时钟输入（PCLK）等功能。（7）具有半智能化的定时处理单元（TPU）。TPU是MC68376最具特色的模块之一。它有自己的执行单元、3级优先级控制器、数据RAM、双定时基准和微程序ROM等。它可独立于CPU之外，执行各种定时、脉冲生成、电机（特别是步进电机）控制、频率测量等与时间有关的操作，可大大减轻CPU的负担。（8）有7.5kBRAM、可重构定时器模块4（CTM4）、16通道的10位队列化模/数转换器（QADC）。8kBROM模块、CAN2.0B控制器模块（TouCAN）两个部分。与我们熟悉的80C51单片机相比，微处理器MC68376自带CAN2.0B控制器模块（Tou CAN）,可以简化硬件电路，提高处理能力。同时微处理器MC68376内部的数据存储器和程序存储器的容量都很大，这样可以增大数据处理能力和运算速度。3、CAN总线电源CAN总线接口电路的专用的电源采用CAN+5V，实现CAN总线电源与CPU电源的隔离,使CAN系统的电压波动不影响CPU的正常工作电压。4、电气隔离器为了实现电信号之间的电气隔离，我选择光电耦合芯片6N137。图2.4是光电耦合芯片6N137的内部结构图。 图2.4 光电耦合芯片6N137的内部结构图光电耦合器的运行原理：光耦的基本结构是将光发射器(红外发光二极管、红外LED)和光敏器(硅光电探测敏感器件)的芯片封装在同一外壳内，并用透明树脂灌封充填作光传递介质，通常将光发射器的管脚作输入端，光敏器的引脚作为输出端，当输入端加电信号时，光发射器发出的光信号通过透明树脂光导介质投射到光敏器后，转换成电信号输出，实现了以光为媒介的电光电信号转换传输，并在电气上是完全隔离的。光耦的主要性能特点如下：（1） 隔离性能好，输入端与输出端完全实现了电隔离，其绝缘电阻RISO一般均能达到1010以上，绝缘耐压VISO在低压时都可满足使用要求，高耐压一般能超过lkV，有的可达10kV以上。（2） 光信号单向传输，输出信号对输入端无反馈，可有效阻断电路或系统之间的电联系，但并不切断他们之间的信号传递。 （3） 光信号不受电磁干扰，工作稳定可靠。 （4） 抗共模干扰能力强，能很好地抑制干扰并消除噪音。（5） 光发射和光敏器件的光谱匹配十分理想，响应速度快，传输效率高。（6） 易与逻辑电路连接。（7） 无触点、寿命大、体积小、耐冲击。（8） 工作温度范围宽，符合工业和军用温度标准。在电路设计中，使用了光耦将网络和系统内部隔离开来，以提高系统的抗干扰性。然而，在协议控制器和收发器之间使用光耦通常会增加总线节点的循环延迟。信号在每个节点要从发送和接收路径通过这些器件两次，这将减少给定位速率下的最大的总线长度。这在计算由于CAN网络中的传播延迟，而造成限制可以使用的最大总线长度时要考虑。还有就是要根据总线的波特率选用合适的光耦，本系统选用的是6N137高速光耦，它的最大传输延迟时间是75ns，典型值是46ns。当位速率很高时，例如500kbit/s时，则应考虑使用延迟小于40ns的高速光耦，譬如：HCPL-7101。使用光耦时，要注意选择正确的默认状态，特别是在隔开的协议控制器电路一边没有上电时。这种情况下连接到TXD的光耦应该是暗的，LED关断。当光耦是断开/暗时，收发器的TXD 输入是逻辑高电平，可以达到自动防故障的目的。使用光耦还要考虑到将 模式控制输入连接到高电平有效的复位信号，例如当本地收发器电源电压（在斜率上升和下降过程中）没有准备好的情况下禁能收发器。故发送端的光电隔离电路设计如图2.5。当TX0输入高电平时，光耦断开，TXD为高电平，达到了以上的要求。VccINENOUTVcc1TX0Vcc2TXD6N137图2.5 发送端的光电隔离电路5、收发器为了提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力,完全与ISO11898标准兼容，收发器采用PCA82C250。图2.6是收发器PCA82C250模块，图2.7是收发器PCA82C250模块内部结构图。 图2.6 收发器PCA82C250模块图2.7 收发器PCA82C250模块内部结构图节点的CAN收发器采用PCA82C250，它是CAN协议控制器和物理总线的接口。此器件对总线提供差动发送能力，对CAN 控制器提供差动接收能力。可以支持多达110个节点，并能在1Mbps的传输速率下工作于恶劣的工作条件下。其PCA82C25电路原理如图2.5.CAN收发器的额定工作电压是5V，参考电压的值是额定电压值VCC的0.5倍，一般可以通过电阻分压实现。引脚用于控制收发器的模式选择。(1) 高速模式： 支持最大的总线长度和/或速度。()(2) 斜率模式： 当使用非屏蔽的总线电缆时可以考虑使用这种模式，这种模式的输出转换速度可被故意降低，以减少电磁辐射。（）(3) 准备模式： 这种模式在系统功耗有非常要求的情况下使用，比如使用电池供电的系统。准备模式中，发送器的功能和接收器的输入偏置网络都关断以减少功率消耗。参考电压输出和基本的接收器功能仍然活动，但以非常低的功耗工作。如果在总线上传输一个报文系统可被重新激活。（连接高电平）本次设计电路选择斜率模式，47。CAN收发器的工作原理如下所述：协议控制器输出一个串行的发送数据流到收发器的TXD引脚，内部的上拉功能将TXD输入设置成逻辑高电平，也就是说总线输出驱动器默认是被动的。在隐性状态中， CANH 和CANL输入通过典型内部阻抗是17k的接收器输入网络，偏置到2.5V的额定电压。另外如果TXD是逻辑低电平，总线的输出级将被激活，在总线电缆上产生一个显性的信号电平。输出驱动器由一个源输出级和一个下拉输出级组成。CANH连接到源输出级，CANL连接到下拉输出级，在显性状态中CAN_H的额定电压是3.5V，CAN_L 是1.5V。为了提高系统的可靠性和安全性，在82C250与CAN总线的接口部分采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5的电阻与CAN 总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH 和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外在两根CAN 总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管，当CAN总线有较高的负电压时，通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用。6、系统的采集机构系统的采集机构，各个控制模块的不同，所使用的传感器也不相同。所以在这里也不一一说出各种传感器。本设计具体介绍电源管理ECU模块，其具体传感器的说明放在下一节再讲。7、系统的执行机构电动车是一个庞大的系统，它所需要控制的执行机构很多，所以在这里也不一一介绍具体的执行机构。本设计具体介绍电源管理ECU模块，其具体执行机构放在下一节再讲。2.2.2 电源管理ECU模块的设计 电动车是一个庞大的系统，在此我具体阐述一下电源管理ECU模块的工作原理和硬件设计。1、电源管理ECU模块的工作原理作为一个庞大的系统，电动车的电源要向许多的动力设备供电，最为主要的动力设备是直流电动机。在电动车运行之前时，电源管理ECU模块通过传感器对蓄电池的电压、容量进行检测（检测方法：对蓄电池进行电流可调放电,并实时显示放电容量、放电时间和蓄电池电压/电流。当蓄电池电压下降至保护电压时停止放电，计时器显示记录放电时间及电池容量。标准蓄电池容量的计算方法：蓄电池容量S（安时AH）= 电流I（A安） 时间T（H小时）例：10AH=5A 2H。标准电池容量10安时按5A电流放电可放2小时，若放电低于2小时则电池容量不够），看蓄电池的容量，在正常情况下，蓄电池所剩的容量能行驶多少时间，然后此信号通过CAN总线传到仪表控制模块，进行仪表显示：能行驶多长小时。以提示驾驶人员注意行驶，以免在半路上蓄电池没有能量，而电动车无法行驶。2、电源管理ECU模块的硬件结构图 电源管理ECU模块的硬件结构图如图2.63、电源管理ECU模块的硬件选择首先，电源管理模块最为重要的部分是电源，在此系统中，选择镍氢电池作为供电电源。镍氢电池由于其具有能量密度高、充放电速度快、重量轻、寿命长、无环境污染等优点，已成为世界各国竞相研制和开发的新能源。自90年代以来，Ni-H电池在日本、美国、德国等工业技术发达国家已进入产业化阶段。如果选用锂电池作电源，其缺点是价格贵，应用于电动车很不经济。镍氢电池应用于电动车，也有一定的要求的。首先要求电池电压不能太大，如果很大，就会对人的生命造成危险；二是要求蓄电池的体积不能太大，如过大，蓄电池就太占空间，对电动车的车体设计不利。在这里我选用与日本松下电动车车用镍氢电池相同的镍氢电池。镍氢电池的主要技术指标是：标称电压 12V标称容量 95 Ah比能量 63Wh/kg比功率 200Wh/kg质量 18.7kg尺寸/ mm 116175388选择此种镍氢蓄电池完全合符电动车供电电源使用。其次，直流电动机的选择。作为电动轿车的动力系统，要求所配驱动电机具有调速范围宽、功率大、过载能力大、起动力矩大、振动小、噪音低等待。所以选用永磁无刷直流电机。该类电机的气隙磁通是由永磁励磁和处于永磁磁极下的定子电流的电励磁共同产生，具有永磁无刷电机和串励直流电机的复合特性，特别适用于电动车辆。永磁无刷直流电机其主要技术指标为：额定电压：120VDC 输出功率：3KW额定转矩：11.46Nm额定转速：5000r/min 效 率：90%第三，电源管理ECU模块的控制器采用MC68376内嵌的TouCAN ,TouCAN相当于一个控制器，TouCAN的基本特性有： TouCAN模块是MC68376内嵌的实现CAN通信协议的CAN控制器。CAN控制器是CAN通信的核心芯片，它主要实现CAN总线协议部分和与微处理器的接口。其最高传输速度高达1Mbit/s,可同时支持CAN协议中的标准(11位)和扩展(29位)ID两种报文模式。对于不同型号的CAN总线通信控制器，实现协议部分的电路的结构和功能基本相同，而与微处理器接口部分的结构和方式存在一定的差异。本次设计选用的是SAEJ 1939协议，SAEJ 1939协议是由美国汽车工程师协会卡车和公共汽车电气电子委员会下的卡车和公共汽车控制和通讯网络分委员会制定的高层CAN网络通讯协议。 TouCAN模块包含16个具有发送和接收功能的报文缓冲器。此外,它还具有报文过滤功能,用于对接收到的报文ID码和预先设定的接收缓冲区ID码进行比较,从而确定接收到的报文是否有效。图2.8为TouCAN的结构框图,其中CANTX和CANRX分别为发送和接收引脚。 图2.8 TOUCAN结构框图第四，电源管理的信号采集机构（传感器）采用霍尔型传感器。在对蓄电池电流检测时采用霍尔电流传感器HLA-IV，采集时间由微机MC68376控制，在对无刷直流电动机运行电流的采集也用HLA-IV型霍尔电流传感器。对于蓄电池的电压采集，采用一个电压比较电路，当电压满足要求，比较器输出为1；当电压达不到要求值时,比较器输出为0。HLA-IV霍尔电流传感器是用霍尔元件在聚磁铁中检测磁场正比于母线变化的电流传感器。采用高导磁率的软磁铁材料和优质的进口霍尔元件，配备高可靠的电子电路组成。该产品具有体积小、重量轻、自身耗电低、测量可靠性高等等特点。 第三章 软件设计3.1 报文传送及帧结构报文传送由四种不同类型的帧表示和控制:数据帧携带数据由发送器到接收器；远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧由检测出总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前和后续的数据帧的附加延迟。数据帧和远程帧借助帧空间与当前帧分开。1、数据帧数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。数据场的长度可为0。在CAN2.0B中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有11位标识符的帧称为标准帧，而包含29位标识符的帧称为扩展帧，如图2.1。SOFRTRIDEr011位标识符DLC仲裁场控制场数据场图 3.1a 标准格式数据帧SOF11位标识符RTRr1r0DLC仲裁场控制场数据场SSRIDE18位标识符图3.1b 扩展格式数据帧CAN2.0B对报文滤波特别加以描述，报文滤波以整个标识符为基准。屏蔽寄存器可用于选择一组标识符，以便映像于接收缓冲器中，屏蔽寄存器的每一位都是可编程的。它的长度可以是整个标识符也可是标识符的一部分。2、远程帧作为数据接收器的站可以通过发送一个远程帧初始化各自的源节点数据的发送。远程帧的RTR位是隐位，且不存在数据场。DLC的数据是独立的，它可以是08中的任何数值，这一数值为对应的数据帧的DLC。3、出错帧出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，后随的第二个场是出错界定符。错误标志具有两种形式，一种是活动错误标志；一种