李風(fēng)雷

（上海日立電器有限公司，上海201206）

空調(diào)壓縮機(jī)是車(chē)用空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)力源和核心，也是傳統(tǒng)汽車(chē)向新能源汽車(chē)轉(zhuǎn)變時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)中變動(dòng)最大的零件。與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，新能源汽車(chē)的空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)源不再單純由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，而更多地傾向于電驅(qū)動(dòng)。目前，由于受新能源汽車(chē)能量存儲(chǔ)量的限制，整車(chē)能源必須兼顧動(dòng)力源與舒適性的要求。空調(diào)壓縮機(jī)作為大量耗能部件，其自身能耗情況需要快速準(zhǔn)確地反饋給汽車(chē)主控微控制器（Micro Controller Uuit，MCU），故傳統(tǒng)的空調(diào)壓縮機(jī)已經(jīng)不能滿(mǎn)足使用的要求，需采用新型的電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)，同時(shí)，電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的控制和通信也成為新能源汽車(chē)領(lǐng)域競(jìng)相研究的對(duì)象。本文針對(duì)新能源車(chē)用電動(dòng)壓縮機(jī)，采用許多汽車(chē)公司BENZ（奔馳）、BMW（寶馬）、大眾等推薦的控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線(xiàn)通信方式，開(kāi)發(fā)了電動(dòng)壓縮機(jī)CAN通信控制模塊，使電動(dòng)壓縮機(jī)可作為車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，借助CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)整車(chē)與空調(diào)壓縮機(jī)的信息交換，便于壓縮機(jī)的控制與監(jiān)測(cè)。

1 CAN總線(xiàn)

CAN是德國(guó)BOSCH公司于20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的一種高性能串行通信方式，解決了現(xiàn)代汽車(chē)中眾多控制與檢測(cè)儀器之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，它可以在較惡劣的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高位速率、高抗電磁干擾性的數(shù)據(jù)傳輸，且能夠檢測(cè)出任何錯(cuò)誤。基于上述優(yōu)點(diǎn)，CAN迅速成為國(guó)際汽車(chē)業(yè)應(yīng)用最廣泛的通信方式。技術(shù)規(guī)范CAN 2.0于1991年制定并發(fā)布，1993年ISO正式頒布了道路交通運(yùn)輸工具—數(shù)字信息交換－高速通信控制器局域網(wǎng)（CAN）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898。CAN 2.0技術(shù)規(guī)范與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898就成為設(shè)計(jì)汽車(chē)高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本依據(jù)［1］。

1.1 CAN總線(xiàn)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1 CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)示意圖

CAN總線(xiàn)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)由諸多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，如圖1所示。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)包括CAN控制器和CAN收發(fā)器，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)物理總線(xiàn)互相連接。CAN總線(xiàn)上用顯性（Dominant）和隱性（Recessive）表示0和1；總線(xiàn)上使用差分信號(hào)傳送，這種傳送方式具有極強(qiáng)的抗干擾性，能夠避免各種噪聲，兩條信號(hào)線(xiàn)被稱(chēng)為“CAN＿H”和“CAN＿L”，如圖2所示。在隱形狀態(tài)即邏輯1時(shí)，CAN＿H和CAN＿L均被固定在平均電壓2.5V附近，二者差值近似于0。在顯性狀態(tài)即邏輯0時(shí)，CAN＿H比CAN＿L高，此時(shí)，通常CAN＿H電壓值為3.5V，CAN＿L電壓值為1.5V，在總線(xiàn)空閑時(shí)，發(fā)送隱性位［2］。

圖2 總線(xiàn)位的數(shù)值表示

1.2 CAN總線(xiàn)報(bào)文

CAN總線(xiàn)報(bào)文傳輸由4種不同類(lèi)型的幀表示，具體如表1所示，其中數(shù)據(jù)幀與遠(yuǎn)程幀都有報(bào)文標(biāo)識(shí)符（ID）用于區(qū)別不同的報(bào)文，這些報(bào)文又根據(jù)ID長(zhǎng)度不同，可分為標(biāo)準(zhǔn)幀（11位ID）和擴(kuò)展幀（29位ID）；錯(cuò)誤幀與過(guò)載幀沒(méi)有ID，僅用于狀態(tài)描述。在實(shí)際的應(yīng)用中，每一種報(bào)文信息都有固定的ID來(lái)描述該報(bào)文的用途，節(jié)點(diǎn)也具有接收過(guò)濾功能（僅接收與自身相關(guān)的報(bào)文而忽略無(wú)關(guān)報(bào)文）。報(bào)文信息通過(guò)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)字節(jié)來(lái)傳遞，數(shù)據(jù)字節(jié)的個(gè)數(shù)可為0～8。在報(bào)文傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)依次串行傳輸至總線(xiàn)，總線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的速度稱(chēng)為波特率（Baud Rate），其單位為bps，含義為每秒鐘傳輸?shù)奈粩?shù)（Bit）。常用的波特率有［3］100kbps、125kbps、500 kbps至1 000kbps。

表1 CAN通信報(bào)文幀

2 電動(dòng)壓縮機(jī)的控制與監(jiān)測(cè)

壓縮機(jī)控制板以型號(hào)Cortex－M3LPC1752為主控芯片，采用變頻控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)，并通過(guò)CAN通信實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)及反饋信號(hào)的傳輸，主要包括以下3部分內(nèi)容。

2.1 壓縮機(jī)控制板初始化

壓縮機(jī)通信控制板初始化包括時(shí)鐘配置、引腳配置與外設(shè)使能。通常為減少功耗，不使用的外設(shè)電源可以關(guān)閉，在使用前打開(kāi)即可。初始化中較為重要的是CAN模塊初始化，CAN模塊時(shí)鐘與系統(tǒng)主時(shí)鐘一致，即外設(shè)分頻器的值為1，程序中設(shè)為48MHz；然后波特率為500kbps，保證在同一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度大致相同，能夠?qū)崿F(xiàn)同步［4］。

2.2 壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)即壓縮機(jī)節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)至總線(xiàn)，報(bào)文的數(shù)據(jù)中包含壓縮機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速信息與工作狀態(tài)字節(jié)，總線(xiàn)上的相關(guān)節(jié)點(diǎn)正確接收到該信息后，壓縮機(jī)的狀態(tài)反饋完成。這一過(guò)程與壓縮機(jī)CAN控制器的報(bào)文發(fā)送操作相對(duì)應(yīng)，具體包括以下步驟。

（1）需指定CAN控制器號(hào)，并選擇一個(gè)空閑的發(fā)送緩沖區(qū)，然后配置報(bào)文發(fā)送緩沖區(qū)［5］，報(bào)文發(fā)送緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 報(bào)文發(fā)送緩沖區(qū)

其中，需設(shè)置的參數(shù)共有5個(gè)：FF、RTR、DLC、數(shù)據(jù)字節(jié)、ID，各變量含義如表2所述。為了便于后期整體操作，建立一個(gè)包含變量FF、DLC、數(shù)據(jù)字節(jié)、ID的結(jié)構(gòu)類(lèi)型 Message Detail，未包括RTR遠(yuǎn)程幀標(biāo)志是因?yàn)閿?shù)據(jù)字節(jié)的長(zhǎng)度已包括RTR的值：若數(shù)據(jù)字節(jié)為0，則 RTR＝1，否則RTR＝0。

（2）定義一個(gè)全局變量Message DetailT用于保存每次發(fā)送的壓縮機(jī)狀態(tài)報(bào)文信息：Message－Detail Message DetailT。

表2 CAN報(bào)文幀結(jié)構(gòu)體成員描述

（3）編寫(xiě)結(jié)構(gòu)體Message DetailT的賦值子函數(shù)Writedetail（），依次對(duì)表2中的變量賦值，數(shù)據(jù)字節(jié)源于長(zhǎng)度為8的數(shù)組data，它包含壓縮機(jī)最新的狀態(tài)信息描述字節(jié)，流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 賦值子函數(shù)Writedetail（）流程圖

（4）啟動(dòng)命令寄存器開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，并監(jiān)測(cè)發(fā)送狀態(tài)是否成功，若成功則表明壓縮機(jī)的狀態(tài)信息反饋成功，將會(huì)等待固定時(shí)間后再傳輸，流程圖見(jiàn)圖5。

圖5 發(fā)送報(bào)文函數(shù)流程圖

2.3 壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制

壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制通過(guò)壓縮機(jī)節(jié)點(diǎn)從總線(xiàn)接收運(yùn)轉(zhuǎn)報(bào)文來(lái)完成，即壓縮機(jī)CAN控制器此刻應(yīng)配置為報(bào)文接收，主要通過(guò)查詢(xún)主控芯片LPC 1752的CAN模塊接收狀態(tài)標(biāo)志位RBS來(lái)判定是否接收到報(bào)文。若成功接收?qǐng)?bào)文，則從接收緩沖區(qū)（結(jié)構(gòu)與發(fā)送緩沖區(qū)類(lèi)似）讀出報(bào)文信息即可。初期為了驗(yàn)證接收數(shù)據(jù)的正確性，采用了接收?qǐng)?bào)文后將其直接轉(zhuǎn)發(fā)的方法，以保證數(shù)據(jù)的正確性，流程圖見(jiàn)圖6。

圖6 報(bào)文接收轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù)流程圖

3 應(yīng)用實(shí)例

本CAN通信應(yīng)用系統(tǒng)中，新能源汽車(chē)空調(diào)控制器與壓縮機(jī)控制器通過(guò)物理總線(xiàn)連接，2個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信波特率為500kbps，并指定壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制報(bào)文的ID為0x229，壓縮機(jī)狀態(tài)反饋的報(bào)文ID為0x240，通信采用周期性報(bào)文傳送操作，周期長(zhǎng)度為100ms。壓縮機(jī)狀態(tài)反饋的報(bào)文采用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，而運(yùn)轉(zhuǎn)控制的報(bào)文接收則通過(guò)CAN中斷接收實(shí)現(xiàn)，總體的通信圖如圖7所示。通信過(guò)程中節(jié)點(diǎn)通過(guò)報(bào)文ID來(lái)識(shí)別報(bào)文信息，并且通過(guò)CAN總線(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)與仲裁規(guī)則自動(dòng)實(shí)現(xiàn)報(bào)文按優(yōu)先級(jí)傳輸［6］，這里壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制報(bào)文ID比壓縮機(jī)狀態(tài)反饋報(bào)文ID小（0x229＜0x240），所以若空調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)與壓縮機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起報(bào)文，那么將由空調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)取得總線(xiàn)操作的權(quán)利，等到總線(xiàn)空閑時(shí)，壓縮機(jī)反饋報(bào)文再啟動(dòng)傳輸。經(jīng)過(guò)多次的通信測(cè)試，壓縮機(jī)節(jié)點(diǎn)在CAN網(wǎng)絡(luò)中能夠受控于空調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)，并且壓縮機(jī)的狀態(tài)也能被空調(diào)控制器監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)已經(jīng)在新能源汽車(chē)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

圖7 空調(diào)控制器與壓縮機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)通信圖

4 結(jié) 語(yǔ)

新能源汽車(chē)電動(dòng)壓縮機(jī)通信控制系統(tǒng)采用CANBUS通信方式，不僅避免了多余的通信布線(xiàn)，又提高了數(shù)據(jù)的可靠性與傳輸速度，使空調(diào)控制器對(duì)壓縮機(jī)的控制簡(jiǎn)單化，同時(shí)壓縮機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)提供自身能量消耗情況，為整車(chē)的能源分配與快速?zèng)Q策奠定了基礎(chǔ)。

［1］羅 峰，孫澤昌.汽車(chē)CAN總線(xiàn)系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010：27.

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