黃娟娟，夏超英，柳同生

(1．天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津　300072；2．天津市核奧達(dá)新技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，天津　300350)

0　引言

隨著能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，電動(dòng)汽車作為新能源汽車的代表，具有高效、節(jié)能、低噪聲、零排放等優(yōu)點(diǎn)，已成為了汽車產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)[1]。電動(dòng)汽車是由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的統(tǒng)一整體。隨著整車安全性、穩(wěn)定性、舒適性的提高，電動(dòng)汽車上所需的控制部件越來(lái)越多，各子系統(tǒng)之間需要交換的信息也越來(lái)越多，整個(gè)控制系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜。

控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)是在汽車領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的總線，它具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、通信速率快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、互操作性好、總線協(xié)議具有完善的錯(cuò)誤處理機(jī)制、靈活性高和價(jià)格低廉等特點(diǎn)[2-3]。在汽車設(shè)計(jì)中，分布式CAN網(wǎng)絡(luò)常被用于數(shù)據(jù)通信，可以減少車身線束，降低布線的復(fù)雜度，方便故障診斷，滿足主要系統(tǒng)間大量數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)交換的需要。整車控制系統(tǒng)CAN總線通信是純電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，其性能是保證其可靠性和實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)。

1　英飛凌XC2286N控制器特點(diǎn)

結(jié)合電動(dòng)車整車控制器的功能需求以及車輛運(yùn)行時(shí)的環(huán)境，純電動(dòng)汽車整車控制器主控芯片需要有高速處理性能、穩(wěn)定性、硬件接口豐富、軟件功能豐富、經(jīng)濟(jì)成本低等特點(diǎn)。

英飛凌XC2268N是一款高性能16位汽車級(jí)微控制器，集成了16位CPU，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、中斷控制器、外設(shè)控制處理器、一般定時(shí)器單元、看門狗定時(shí)器、MultiCAN模塊和幾個(gè)片上外設(shè)等，滿足純電動(dòng)汽車控制的需要。該控制器具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、高頻噪音低等特性，特別適合整車控制應(yīng)用。其片內(nèi)帶有集成MultiCAN模塊，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)單片機(jī)外接CAN控制器和CAN收發(fā)器的復(fù)雜外圍電路。該模塊具有的主要特性有：

(1)CAN 功能根據(jù)CAN V2．0 B active 技術(shù)規(guī)范確定(與ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)兼容)；

(2)多達(dá)6個(gè)獨(dú)立的CAN節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可單獨(dú)設(shè)定數(shù)據(jù)傳送速率，最高通信速率可達(dá)1 Mbit/s；

(3)64個(gè)報(bào)文對(duì)象可獨(dú)立地分配給任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并可獨(dú)立配置為發(fā)送或者接收對(duì)象處理11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀或29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀，且每個(gè)對(duì)象均具有驗(yàn)收濾波功能；

(4)先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理：報(bào)文對(duì)象可組織為雙鏈列表；

(5)具有靈活、功能強(qiáng)大的報(bào)文傳送控制和錯(cuò)誤處理功能、先進(jìn)的CAN總線位時(shí)序分析和由幀計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)波特率檢測(cè)功能；

(6)多達(dá)16個(gè)獨(dú)立的、可編程中斷輸出[4]。

2　純電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)

2．1整車控制系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車總成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)以及整車控制系統(tǒng)組成。其中整車控制系統(tǒng)相當(dāng)于純電動(dòng)汽車的大腦，其性能直接決定了電動(dòng)汽車的行駛性能和穩(wěn)定性。整車控制系統(tǒng)一般由整車控制器、CAN總線通信系統(tǒng)、踏板以及車載顯示系統(tǒng)組成。根據(jù)電動(dòng)汽車的特點(diǎn)及純電動(dòng)汽車控制的需要，純電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)需要具有車輛信息采集與系統(tǒng)信息顯示、駕駛員駕駛意圖信息采集、對(duì)車輛其他工作部件的管理、CAN網(wǎng)絡(luò)通信、能量?jī)?yōu)化管理、故障診斷和處理等功能。

2．2CAN通信模塊的結(jié)構(gòu)及功能

CAN通信模塊主要完成數(shù)據(jù)通信功能，實(shí)現(xiàn)整車控制器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電池管理系統(tǒng)等其他獨(dú)立控制模塊之間的信息交換。整車控制系統(tǒng)CAN通信模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]，文中主要實(shí)現(xiàn)整車控制器與電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)之間的通信，并預(yù)留了智能充電機(jī)、監(jiān)控和診斷接口以及智能顯示儀表3個(gè)節(jié)點(diǎn)，以供后期擴(kuò)展。

圖1　整車控制系統(tǒng)CAN通信模塊結(jié)構(gòu)圖

整車控制器通過(guò)傳感器獲取駕駛員的駕駛操作，解釋駕駛員的駕駛需求，同時(shí)通過(guò)CAN總線獲得電機(jī)和電池的狀態(tài)信息，并根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行力矩計(jì)算、能量管理、故障診斷與處理等，再通過(guò)CAN總線驅(qū)動(dòng)繼電器組中的相應(yīng)繼電器，向電機(jī)控制器發(fā)送力矩、轉(zhuǎn)速等操作指令[6]，驅(qū)動(dòng)電機(jī)按駕駛員意圖運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也管理智能充電機(jī)、智能顯示終端等其他控制模塊的運(yùn)行。

3　CAN通信模塊硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制器設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)采用兩路CAN通信，分別對(duì)應(yīng)XC2268N的CAN0和CAN1通道。CAN收發(fā)器采用TLE6251DS高速CAN總線收發(fā)器，該芯片可由整車控制器電源隔離側(cè)+5V電壓供電，具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力和高溫保護(hù)功能。為了提高CAN通信抵抗電磁干擾的能力，在XC2268N和CAN收發(fā)器之間加入了光耦隔離電路[7]。隔離電路采用HCPL0611高速光耦，最高傳輸速度可達(dá)10 Mbit/s，非常適合整車控制器的技術(shù)要求和應(yīng)用環(huán)境，光耦輸入側(cè)和隔離側(cè)電壓分別由整車控制器電源VCC和隔離的+5 V電源提供。同時(shí)在總線輸出信號(hào)線CANH、CANL之間采用扼流線圈B82793-S0513，抑制共模干擾信號(hào)。CANH、CANL信號(hào)線對(duì)地之間采用雙向穩(wěn)壓二極管，防止信號(hào)的尖峰電壓干擾，保護(hù)總線網(wǎng)絡(luò)。整車控制器的兩路CAN通信模塊電路原理相同，如圖2所示。

圖2　CAN總線模塊電路原理圖

4　CAN總線應(yīng)用層協(xié)議的制定

4．1CAN總線協(xié)議

CAN總線協(xié)議的制定一般包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層(包括邏輯鏈路控制子層(LLC)和媒體訪問(wèn)子層(MAC))和應(yīng)用層三個(gè)方面。CAN物理層是實(shí)現(xiàn)ECU與總線相連的電路。目前CAN物理層設(shè)計(jì)已經(jīng)比較完善。CAN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層也已經(jīng)在ISO11898-1中做了完整的定義，并且不可更改。因此該協(xié)議的制定主要是針對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4．2CAN總線應(yīng)用層協(xié)議的制定

CAN總線應(yīng)用層協(xié)議制定應(yīng)使通信更加規(guī)范、穩(wěn)定、及時(shí)，能最大限度的發(fā)揮CAN總線的優(yōu)異性能，降低總線負(fù)載率[8-9]。

該系統(tǒng)協(xié)議滿足SAE J1939以及CAN 2．0B標(biāo)準(zhǔn)，采用29位識(shí)別碼擴(kuò)展信息幀格式，通信波特率為250 kb/s．29位標(biāo)識(shí)符分配表如表1所示。

表1　29位標(biāo)識(shí)符分配表

表中各部分意義如下：

(1)P：優(yōu)先級(jí)，由3位組成，分8級(jí)，0為最高級(jí)，7為最低級(jí)；

(2)R：保留位，由1位組成，現(xiàn)固定為0；

(3)DP：數(shù)據(jù)頁(yè)，由1位組成，現(xiàn)固定為0；

(4)PDU格式(PF)：PDU代表協(xié)議數(shù)據(jù)單元，分為PDU1和PDU2兩種。PDU1用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送，PDU2用于全局廣播；

(5)特定PDU域(PS)：當(dāng)PF<240時(shí)，PS定義為目標(biāo)地址；PS在240到255之間，則定義為擴(kuò)展組；

(6)源地址(SA)：在網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)裝置都僅有一個(gè)唯一的8位源地址。

在分配節(jié)點(diǎn)地址時(shí)，要考慮各個(gè)節(jié)點(diǎn)的重要性，重要性越強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)地址越小。該協(xié)議是參考SAE J1939 Issued APR2000推薦的地址對(duì)整車控制器、電機(jī)控制器以及電池管理系統(tǒng)等進(jìn)行分配的。整車控制器地址為39(27H)、電機(jī)控制器地址為239(EFH)、電池管理系統(tǒng)地址為243(F3H)。

系統(tǒng)中，總共設(shè)計(jì)7個(gè)報(bào)文，每個(gè)報(bào)文有8個(gè)字節(jié)的信息。其中，整車控制器發(fā)送給電機(jī)控制器1個(gè)報(bào)文，該報(bào)文包括電機(jī)工作模式、電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)轉(zhuǎn)矩等，報(bào)文優(yōu)先級(jí)設(shè)為3，通信周期設(shè)為10 ms.同時(shí)，整車控制器也接收電機(jī)控制器的4個(gè)報(bào)文和電池管理系統(tǒng)的1個(gè)報(bào)文，此5個(gè)報(bào)文優(yōu)先級(jí)也為3。電機(jī)控制器發(fā)送的報(bào)文信息包括電機(jī)控制器工作狀態(tài)、電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、累計(jì)里程數(shù)、電機(jī)故障狀態(tài)等，報(bào)文通信周期設(shè)為50 ms．電池管理系統(tǒng)發(fā)送的報(bào)文信息包括電池總電壓、電池母線電流、電池SOC等，由于電池內(nèi)部傳感器信息更新較慢，所以通信周期設(shè)為500 ms．為了方便數(shù)據(jù)記錄，整車控制器還發(fā)給上位機(jī)1個(gè)報(bào)文，報(bào)文內(nèi)容包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、踏板開(kāi)度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電池電流等需要顯示的量。

5　CAN通信模塊軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)是基于英飛凌XC2268N單片機(jī)，在Tasking編譯環(huán)境下，采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。整車控制器CAN通信模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN模塊的初始化、報(bào)文發(fā)送、報(bào)文接收3個(gè)部分。考慮到電機(jī)的干擾和CAN總線的高速性，不用中斷模式即可滿足要求，所以在消息發(fā)送和讀取均采用定時(shí)調(diào)度的方式。由于CAN通信的可靠性很強(qiáng)，所以在程序中沒(méi)有專門對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤處理。

5．1CAN通信的初始化

要使用MultiCAN模塊，必須對(duì)CAN模塊進(jìn)行初始化，配置相關(guān)寄存器。CAN模塊初始化包括CAN模塊的使能、波特率設(shè)置、驗(yàn)收濾波器設(shè)置、報(bào)文對(duì)象設(shè)置、CAN工作模式設(shè)定等[10]。CAN總線初始化程序流程圖如圖3所示。

圖3　CAN初始化程序流程圖

5．2報(bào)文的發(fā)送

報(bào)文發(fā)送請(qǐng)求是通過(guò)在報(bào)文所屬的報(bào)文對(duì)象中設(shè)置發(fā)送請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)的，且一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)同時(shí)僅可以發(fā)送一個(gè)報(bào)文對(duì)象以避免總線沖突。程序以62．5μs的定時(shí)器中斷為時(shí)基，在中斷服務(wù)程序入口處設(shè)置計(jì)數(shù)器，每當(dāng)定時(shí)器中斷中計(jì)數(shù)器計(jì)到160時(shí)，即10ms時(shí)，置CAN總線發(fā)送標(biāo)志位，調(diào)用CAN發(fā)送程序，電機(jī)發(fā)送第一個(gè)報(bào)文，計(jì)數(shù)器清零；每當(dāng)給電機(jī)發(fā)送20次后，置上位機(jī)顯示標(biāo)志位，整車控制器給上位機(jī)發(fā)送第二個(gè)報(bào)文。報(bào)文發(fā)送流程圖如圖4(a)所示。

5．3報(bào)文的接收

整車控制器一共需要接收5個(gè)報(bào)文對(duì)象。英飛凌XC2268N帶有自動(dòng)濾波功能，當(dāng)CAN總線發(fā)來(lái)一個(gè)報(bào)文，根據(jù)CAN總線應(yīng)用層協(xié)議規(guī)定好的ID含義，就可將需要的數(shù)據(jù)保存到消息緩沖區(qū)，將不需要的過(guò)濾掉。接收到的報(bào)文被組織為雙鏈表，報(bào)文的優(yōu)先級(jí)排序是由ID標(biāo)識(shí)中優(yōu)先級(jí)符決定，當(dāng)優(yōu)先級(jí)一樣時(shí)，按接收列表順序決定。報(bào)文接收程序流程圖如圖4(b)所示。

(a)發(fā)送程序(b)接收程序

6　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，使用了Vector CANcardXL 進(jìn)行試驗(yàn)，CANalyzer網(wǎng)絡(luò)分析工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)顯示。CANalyzer具有良好的性能和編程功能，可以很方便的記錄、觀察、分析CAN通信結(jié)果。

臺(tái)架試驗(yàn)裝置主要有整車控制器、電機(jī)、電機(jī)控制器、測(cè)功機(jī)、電池、電池管理系統(tǒng)等。測(cè)功機(jī)與電機(jī)相連充當(dāng)負(fù)載和倒拖電機(jī)以實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。圖5為測(cè)功機(jī)在20 N·m的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速、踏板信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電池電流的關(guān)系?？紤]到安全性，該次實(shí)驗(yàn)把電機(jī)轉(zhuǎn)速限定為2 000轉(zhuǎn)。

從圖中可以看出在0～63 s，電機(jī)處于加速狀態(tài)，當(dāng)踏板開(kāi)度超過(guò)踏板死區(qū)0.025時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩跟隨整車控制器給定轉(zhuǎn)矩，超過(guò)了20N·m，電機(jī)開(kāi)始加速；踏板開(kāi)度越

圖5　臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩越大，加速越快，電池放電電流也會(huì)增大。在63～96 s，電機(jī)處于穩(wěn)速階段，隨后整車控制器讀取到剎車信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩降低，轉(zhuǎn)速降低，電池回收能量。圖中虛線選出兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，可見(jiàn)當(dāng)踏板開(kāi)度減小和增大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩能夠迅速響應(yīng)，使電機(jī)速度隨之變化，同時(shí)電池放電電流也緊隨電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化而變化。在整個(gè)過(guò)程中，整車控制器、電機(jī)控制器以及電池管理系統(tǒng)之間的通信非常及時(shí)、穩(wěn)定、可靠。

圖6為CAN總線負(fù)載率和吞吐量，從圖中可以看出，總線負(fù)載率在10%左右，峰值僅為10.76%，與以往相比，有了明顯的降低，提高了CAN通信的可靠性，并為后期拓展留出余量；總線每秒總吞吐量為187。

圖6　CAN總線負(fù)載率和吞吐量

圖7為各ID每s吞吐量，圖中可以看出，整車控制器的2個(gè)ID每s分別發(fā)送100幀和5幀，電機(jī)控制器的4個(gè)ID每s發(fā)送20幀，電池管理系統(tǒng)每s發(fā)送2幀，可以驗(yàn)證各個(gè)節(jié)點(diǎn)通信的正確性。

7　結(jié)束語(yǔ)

整車控制系統(tǒng)作為純電動(dòng)汽車的核心部件，需要實(shí)現(xiàn)整車控制器與其他模塊的信息傳遞，保證純電動(dòng)汽車中其他獨(dú)立控制子系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜化低、并具有良好的拓展性。

圖7　各ID每秒吞吐量

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)可靠、及時(shí)的數(shù)據(jù)通信。整車控制器可以控制電動(dòng)汽車加減速、勻速運(yùn)行以及制動(dòng)能量回饋。CAN通信模塊體積小、功耗低、抗干擾性好、處理能力強(qiáng)，可在汽車這種電磁干擾強(qiáng)的復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地工作；整個(gè)通信過(guò)程穩(wěn)定、可靠、高效，使汽車能夠及時(shí)響應(yīng)駕駛員駕駛信息安全穩(wěn)定的運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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