王欽普，張桂華，趙 浩，趙 佳

（1.中通客車控股股份有限公司，山東 聊城 252000；2.山東聊城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 聊城 252000；3.維坊學(xué)院，山東 維坊 261061）

CAN總線技術(shù)在電動客車上的應(yīng)用與發(fā)展

王欽普1，張桂華2，趙 浩3，趙 佳1

（1.中通客車控股股份有限公司，山東 聊城 252000；2.山東聊城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 聊城 252000；3.維坊學(xué)院，山東 維坊 261061）

主要介紹CAN總線技術(shù)的優(yōu)勢及其在電動客車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討目前CAN總線技術(shù)存在的限制和改進(jìn)方向。

CAN總線；電動客車；應(yīng)用；發(fā)展

電動客車電控模塊多，電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜，保證電控系統(tǒng)各項(xiàng)控制策略精確可靠地運(yùn)行是亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。CAN（Controller Area Network）總線網(wǎng)絡(luò)因具有較高的可靠性和良好的容錯(cuò)能力而受到高度重視，被歐美諸多發(fā)達(dá)國家應(yīng)用于溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動大的汽車工業(yè)環(huán)境。電動客車安裝大量的高壓電器設(shè)備，其內(nèi)部環(huán)境相比傳統(tǒng)客車面臨更大的電磁干擾挑戰(zhàn)[1]。因此，推廣應(yīng)用CAN總線網(wǎng)絡(luò)是電動客車電子電控技術(shù)發(fā)展的重要方向[2]。

1 CAN總線在新能源客車上的應(yīng)用

CAN總線是德國BOSCH公司在20世紀(jì)80年代中期為解決各電子控制裝置之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種通訊及控制技術(shù)[3]，總線收發(fā)器及通訊協(xié)議負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確的傳輸，控制芯片及邏輯程序，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理。

1.1 總線數(shù)據(jù)采集與分析

針對電動客車電控系統(tǒng)的復(fù)雜性和研究控制策略的需求，需要選擇一款功能強(qiáng)大的軟件總線數(shù)據(jù)采集分析工具——CANalyzer。CANalyzer不僅能方便地觀察、分析和支持?jǐn)U展多達(dá)32個(gè)CAN通道的數(shù)據(jù)傳輸，還能用于LIN、MOST或FlexRay總線通道。它具有良好的性能和可編程功能，能滿足從簡單的網(wǎng)絡(luò)分析到復(fù)雜問題的發(fā)現(xiàn)并解決故障的所有要求。CANalyzer由圖形化表示的方塊圖控制，它能表示數(shù)據(jù)流從總線經(jīng)過PC接口進(jìn)入各個(gè)不同類型的評估窗口和日志文件的流程。在該過程中，系統(tǒng)模塊的參數(shù)都可以在方塊圖中進(jìn)行設(shè)置[4]。

1）測量設(shè)置。圖形化顯示功能模塊和評估模塊，并且設(shè)置其參數(shù)。

2）跟蹤。用于列出總線上的所有活動，比如報(bào)文、錯(cuò)誤幀和遠(yuǎn)程幀；還用于顯示每條報(bào)文中不同信號的數(shù)值，即使在測量過程中也可顯示。

3）統(tǒng)計(jì)。以標(biāo)識符為橫軸顯示各報(bào)文速率。

4）圖形。在線圖形顯示CAN總線報(bào)文中的各個(gè)信號（以時(shí)間為橫軸），例如轉(zhuǎn)速、溫度等。

5）數(shù)據(jù)。顯示預(yù)先選擇的信號，可以以數(shù)字形式或柱狀圖形式。

6）總線統(tǒng)計(jì)。顯示報(bào)文速率、錯(cuò)誤率、總線負(fù)載和CAN控制器狀態(tài)。

7）寫窗口。顯示系統(tǒng)信息和CAPL程序的用戶指定輸出。

8）交互發(fā)生器模塊。用于激勵總線，注入修正信號。

9）信號發(fā)生器。用于產(chǎn)生數(shù)學(xué)信號（正弦信號、斜坡信號、脈沖信號、值列表等）。

本文將層次分析的方法應(yīng)用在礦井設(shè)計(jì)方案中，初步嘗試決策方法，應(yīng)用的結(jié)果證明，層次分析的方法非常簡單實(shí)用，具有系統(tǒng)性、邏輯性和靈活性，在采礦領(lǐng)域里，除了選擇礦井設(shè)計(jì)方案之外，還可以進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化、采礦方案優(yōu)化等，各類資源的設(shè)計(jì)、分配都可以實(shí)用層次分析法進(jìn)行判斷和處理。

利用CANalyzer可以很方便地采集總線數(shù)據(jù)并通過圖形窗口實(shí)時(shí)形象地觀察數(shù)據(jù)變化，例如車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、逆變器溫度、變速器檔位、燃料消耗、動力電池SOC等。有了這些信息，就可以判斷新能源動力系統(tǒng)是否正常工作，控制策略是否合適。

1.2 系統(tǒng)關(guān)聯(lián)控制

電動客車的電器零部件較多，需要傳遞交換的信號較多，特別是動力系統(tǒng)（包括動力電池、驅(qū)動電機(jī)和逆變器等）的控制更加復(fù)雜。如果仍使用傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)的控制方式，則會給整車的線束帶來沉重的負(fù)擔(dān)，線束的長度、重量和節(jié)點(diǎn)的成倍增加將大大降低整車電器的可靠性。CAN總線技術(shù)的應(yīng)用則很好地解決了電動客車的先進(jìn)性和可靠性之間的矛盾，多主分布式的控制方式實(shí)現(xiàn)了整車信息的共享。兩根導(dǎo)線將全車的控制模塊組成一個(gè)車載局域網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)模塊都可以往外發(fā)送信息并接受來自其他模塊的信息[5-7]。在節(jié)省導(dǎo)線的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了不同系統(tǒng)之間的電器相互協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)控制。例如，制動開關(guān)信號可以同時(shí)用于制動燈、ABS、ECAS和能量回收系統(tǒng)的控制。典型的混合動力客車和純電動客車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，其中車身CAN為兩類新能源客車共有的CAN網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)聯(lián)控制功能對于電動客車的整個(gè)電控系統(tǒng)來說至關(guān)重要。無論是混合動力客車，還是純電動客車，其整車控制器都是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，它采集加速踏板信號、制動踏板信號及其他部件信號并作出相應(yīng)判斷，選擇適合的工作模式，控制下層各部件控制器動作，驅(qū)動汽車正常行駛。目前占據(jù)主流市場的并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)工作模式主要有發(fā)動機(jī)起動模式、純電動驅(qū)動模式、聯(lián)合驅(qū)動模式（電機(jī)助力）、發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式和再生制動模式[7]。發(fā)動機(jī)、動力電池、ISG驅(qū)動電機(jī)等部件的控制器之間通過CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換和控制功能，協(xié)調(diào)整車不同工作模式之間的切換和功率分配，保證充分發(fā)揮系統(tǒng)的最佳性能，達(dá)到整車動力性與經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)狀態(tài)。純電動客車動力系統(tǒng)的工作模式則相對單一，只有純電驅(qū)動模式?？刂圃砜珊唵螝w納為數(shù)據(jù)采集電路采集電池狀態(tài)的信息數(shù)據(jù)，電子控制單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和分析，通過CAN總線把SOC、SOH、油門等信息傳遞給整車控制器，整車控制器根據(jù)分析結(jié)果對系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)控制模塊發(fā)出控制指令，通過CAN總線控制驅(qū)動電機(jī)、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)、熱管理系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

1.3 故障檢測與診斷

電動客車的故障檢測與診斷功能基于SAE J1939-73協(xié)議而實(shí)現(xiàn)，是對傳統(tǒng)客車OBD（On-Board Diagnostics）系統(tǒng)功能的繼承和擴(kuò)展。電動客車的故障代碼遵循SAE J1939-73中定義的診斷故障碼（DTC）格式，由可疑參數(shù)的編號（SPN）、故障模式標(biāo)志（FMI）、發(fā)生次數(shù)（OC）和可疑參數(shù)編號的轉(zhuǎn)化方式（CM）4個(gè)獨(dú)立部分組合形成，共4個(gè)字節(jié)[9]。

SPN的19位二進(jìn)制數(shù)用于識別DTC的診斷項(xiàng)目，可根據(jù)PGN中的參數(shù)進(jìn)行定義，通過控制模塊的地址編碼，可以確定故障診斷信息是由網(wǎng)絡(luò)上的哪個(gè)控制器來執(zhí)行診斷的。FMI的5位二進(jìn)制數(shù)定義了在SPN標(biāo)識的子系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的故障類型，數(shù)據(jù)范圍0～31。其中 FMI=20～30由 SAE保留，如果需要定義額外的故障模式，將在保留的FMI中安排指定。需要注意的是，該故障可能不是電子故障，有可能是需要報(bào)告給維修技師或操作者的子系統(tǒng)故障或情況，這些情況包括需要報(bào)告的系統(tǒng)事件或狀態(tài)。OC的7位二進(jìn)制數(shù)是指一個(gè)故障從先前激活狀態(tài)到當(dāng)前激活狀態(tài)的變化次數(shù)。當(dāng)前激活狀態(tài)指故障正在發(fā)生，先前激活狀態(tài)指故障發(fā)生過，但當(dāng)前沒有發(fā)生。DTC首次變?yōu)榧せ顮顟B(tài)時(shí)，OC由0變?yōu)?，進(jìn)入先前激活狀態(tài)后維持不變，再次變?yōu)榧せ顮顟B(tài)時(shí)計(jì)數(shù)加1。計(jì)數(shù)向上累加，最大值為126。溢出時(shí)，該計(jì)數(shù)器值保持為126。假如次數(shù)未知或不確定，則該域所有位的數(shù)值均設(shè)為1（值為127）。CM的1位二進(jìn)制數(shù)定義了DTC的發(fā)送方式，CM=0表示按版本4進(jìn)行發(fā)送，CM=1表示按版本1、2或3進(jìn)行發(fā)送[10]。

故障診斷代碼DTC既可以通過專用的診斷插頭連接上診斷電腦進(jìn)行讀取，也可通過CAN總線儀表的顯示屏進(jìn)行顯示，方便在沒有診斷電腦的情況下判斷故障狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)OBD的功能。

2 CAN總線技術(shù)的發(fā)展方向

2.1 目前存在的限制

車載通信網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)最基本的要求：一是數(shù)據(jù)內(nèi)容正確；二是通信及時(shí)，序列一致。CAN總線雖然滿足這兩點(diǎn)要求，但仍存在不一致性、不可預(yù)測性和信道出錯(cuò)堵塞等漏洞。

1）不一致性。由于空間電磁干擾或電源波動等原因，不同的節(jié)點(diǎn)對于同一幀的理解會有所不同。認(rèn)為有錯(cuò)的節(jié)點(diǎn)就會啟動錯(cuò)誤幀，通知發(fā)送器重發(fā)，同時(shí)丟棄收到的幀；而認(rèn)為沒錯(cuò)的節(jié)點(diǎn)會接收此幀。這樣就產(chǎn)生了節(jié)點(diǎn)接收信息的不一致性。在轉(zhuǎn)向和制動系統(tǒng)中，由于4個(gè)輪子對命令的不同理解，可能造成性能的下降或其他更嚴(yán)重的后果。

2）不可預(yù)測性。CAN總線將節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分為Error Active、Error Passive和BusOff三種，這三種狀態(tài)在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)換。不同狀態(tài)中節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送時(shí)間有不同的延遲，而節(jié)點(diǎn)狀態(tài)取決于該節(jié)點(diǎn)接收的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值。由于CAN報(bào)文的廣播特點(diǎn)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值受其它節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤幀的影響，進(jìn)而影響節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。對于優(yōu)先權(quán)較低的信息來說，發(fā)送時(shí)間的離散程度更大。在反饋控制系統(tǒng)中，采樣調(diào)節(jié)周期的大范圍抖動相當(dāng)于信號延遲后的變化，它有可能使系統(tǒng)性能下降或不穩(wěn)定。在與安全相關(guān)的開環(huán)系統(tǒng)中，抖動可能造成動作順序的混亂。

3）信道出錯(cuò)堵塞。節(jié)點(diǎn)有可能因受到電磁干擾或其它原因暫時(shí)或永久失效，出錯(cuò)的主機(jī)會命令CAN收發(fā)器不斷發(fā)送消息。由于該信息的格式合法，因此，CAN沒有相應(yīng)的機(jī)制來處理這種情況。根據(jù)CAN的優(yōu)先權(quán)機(jī)制，比它優(yōu)先權(quán)低的信息就被暫時(shí)或永久堵塞。

2.2 CAN總線技術(shù)的改進(jìn)

標(biāo)準(zhǔn)CAN基于位競爭的無損仲裁機(jī)制使各報(bào)文按照優(yōu)先權(quán)順序發(fā)送，這樣優(yōu)先權(quán)較低的報(bào)文會出現(xiàn)較大的發(fā)送延時(shí)。即使對于優(yōu)先權(quán)最高的報(bào)文，在總線當(dāng)前有傳輸活動時(shí)，也會有發(fā)送延時(shí)，而且很難在設(shè)計(jì)時(shí)保證這種延時(shí)特性。因此，BOSCH公司在標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議基礎(chǔ)上擴(kuò)展了支持時(shí)間觸發(fā)的高層協(xié)議TTCAN（Time Triggered CAN）。這樣總線的通信過程就在本質(zhì)上具有了確定性的特征，使網(wǎng)絡(luò)規(guī)范更具魯棒性及實(shí)時(shí)性[11]。

TTCAN不僅可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制下支持報(bào)文的時(shí)間觸發(fā)傳輸，而且可以實(shí)現(xiàn)CAN的線控系統(tǒng)（X-By-Wire）應(yīng)用。因?yàn)镃AN協(xié)議并未改變，所以在同一個(gè)物理層上既可以實(shí)現(xiàn)傳輸時(shí)間觸發(fā)的報(bào)文，也可以實(shí)現(xiàn)傳輸事件觸發(fā)的報(bào)文，TTCAN還可以用于具有冗余總線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊。TTCAN改進(jìn)了CAN在安全性和實(shí)時(shí)性方面的性能，已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898-4，它將使CAN繼續(xù)得到廣泛應(yīng)用，并和其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成汽車上的多層互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)束語

CAN總線作為一種現(xiàn)場控制總線，其優(yōu)勢在于對車輛環(huán)境的高度適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。同時(shí)也應(yīng)當(dāng)看到，CAN總線網(wǎng)絡(luò)還存在一些缺陷和局限性，業(yè)內(nèi)正在針對CAN的缺陷，通過補(bǔ)充性的協(xié)議，逐步完善CAN總線技術(shù)。電動客車是未來客車發(fā)展的主要方向，深入研究CAN總線技術(shù)及其應(yīng)用是電動客車突破電控核心難題的有效途徑，并為研究整車控制策略提供不可或缺的技術(shù)支持。

[1]金松濤，劉青松.混合動力汽車電磁兼容技術(shù)研究[J].客車技術(shù)與研究，2010，32（2）：45-47.

[2]趙佳.基于SAE J1939協(xié)議的混合動力客車通訊技術(shù)[J].客車技術(shù)與研究，2011，33（2）：55-57.

[3]鄔寬明.CAN總線原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[4]恒潤科技.CANalyzer介紹[DE/OL].[2012-09-09].http://wenku.baidu.com/view/62ba75d53186bceb19e8bb86.html

[5]朱光歡，李向陽.基于SAE J1939與TTCAN的汽車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與分析 [J].儀表技術(shù)與傳感器，2011，（1）：55-57，73.

[6]雷洪鈞.CAN總線在城市客車上的應(yīng)用[J].客車技術(shù)與研究，2009，31（1）：48-50.

[7]張勇，陸勇.CAN總線在車身低速電器中的應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)：自然科學(xué)版，2010，（6）：6-12.

[8]王欽普.混合動力客車開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化研究[J].客車技術(shù)與研究，2007，29（4）：1-4.

[9]SAE J1939-73，車輛網(wǎng)絡(luò)串行通信診斷應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)[S].

[10]褚端峰，李剛炎，于翔鵬.基于SAEJ1939的客車信息集成控制網(wǎng)絡(luò)故障診斷技術(shù)[J].客車技術(shù)與研究，2009，31（1）：8-11.

[11]宋國民，歐陽明高，楊福源，等.TTCAN系統(tǒng)及其在分布式車輛網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].汽車工程，2005，（6）：665-669.

修改稿日期：2012-11-29

Application and Developmentof CAN Bus Technology on Electric Bus

WangQinpu1，ZhangGuihua2，Zhao Hao3，Zhao Jia1
(1.Zhongtong BusHolding Co.,Ltd，Liaocheng252000，China；2.Liaocheng Vocationaland TechnicalCollege，Liaocheng252000，China；3.Weifang University，Weifang 261061，China)

Theauthorsmainly introduce theadvantagesand the application statusofCAN bus technology on electric bus,discuss theexisting limitationsand improvingdirection of the presentCAN bus technology.

CAN bus；electric bus；application；development

U 469.72

B

1006-3331（2013）02-0037-03

王欽普（1964-），男，研究員；泰山學(xué)者；技術(shù)總監(jiān)；主持三項(xiàng)國家863計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大專項(xiàng)工作。