廖長英，黃妙華，2，喻厚宇，2

(1．武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070;2．現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

隨著汽車系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化，各類傳感器及控制ECU在汽車上使用的數(shù)量越來越多。隨著汽車電子零部件數(shù)量的增加，相應(yīng)的線束與配套接插件數(shù)量也大幅上升。線束的增加使車內(nèi)的有效空間減小，裝配與維修的難度增加，成本上升，并且阻礙了車輛可靠性的提高。利用CAN總線實(shí)現(xiàn)各ECU之間可靠、實(shí)時數(shù)據(jù)通信和各種控制信息共享，可大大減少線束和傳感器的使用量，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本［1－2］。

20世紀(jì)90年代，德國BOSCH公司提出了CAN總線。隨后BOSCH提出CAN2．0技術(shù)規(guī)范，包括A、B兩部分。CAN總線具有較好的可靠性、實(shí)時性和靈活性，在汽車業(yè)界得到廣泛使用，成為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一［3］。在國外所生產(chǎn)的汽車基本上都配備了CAN總線網(wǎng)絡(luò)。國內(nèi)CAN總線技術(shù)的發(fā)展比國外滯后很多。但隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，CAN總線也逐漸在國產(chǎn)車輛上應(yīng)用。我國863項(xiàng)目計劃關(guān)于電動汽車發(fā)展規(guī)劃中也明確規(guī)定:新申報的電動汽車開發(fā)項(xiàng)目必須采用基于CAN總線的整車通信控制系統(tǒng)。目前已發(fā)展有CANopen、ISO14229、SAE J1939等CAN高層協(xié)議，但仍無一種既定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可供電動輪車借鑒。筆者設(shè)計了電動輪車CAN網(wǎng)絡(luò)，利用ZLG公司的總線開發(fā)工具CAN-scope測試了網(wǎng)絡(luò)性能，并在實(shí)車環(huán)境下利用CAN網(wǎng)絡(luò)采集4輪輪速信號，在此基礎(chǔ)上通過整車控制器實(shí)現(xiàn)電動輪車低速轉(zhuǎn)向的功能，驗(yàn)證了該電動輪車CAN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性、可靠性和有效性。

1 電動輪車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

筆者研究微型4輪獨(dú)立驅(qū)動電動輪車在電子差速控制時采用的CAN網(wǎng)絡(luò)。該電動輪車CAN網(wǎng)絡(luò)含10個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn):4個輪速傳感器模塊VSM1～VSM4，1個方向盤轉(zhuǎn)角傳感器模塊SWM，4個輪轂電機(jī)控制器MECU1～MECU4及1個整車控制器VCU，整車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

4個輪速傳感器分別測量4個電動輪轉(zhuǎn)速，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器測量方向盤的轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動角度信號。整車控制器是整個CAN網(wǎng)絡(luò)的核心，通過CAN網(wǎng)絡(luò)獲取傳感器數(shù)據(jù)，然后根據(jù)電子差速控制算法進(jìn)行電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速計算，并將調(diào)速指令通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸給4個輪轂電機(jī)控制器，繼而控制輪轂電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，最終達(dá)到控制電動輪轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)電子差速的目的。

2 電動輪車CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2．1 電動輪車CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置

電動輪車的4個車輪由輪轂電機(jī)驅(qū)動。為保證車輛4輪的運(yùn)動協(xié)調(diào)，各傳感器的信號應(yīng)具有較快的更新速度，且整車控制器應(yīng)及時采集各傳感器信號，故CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘枒?yīng)具有優(yōu)良的實(shí)時性和可靠性。

針對各個節(jié)點(diǎn)在車輛系統(tǒng)中所起的作用，配置各節(jié)點(diǎn)主要收發(fā)的信號為:①整車控制器處理信號，即方向盤角度值、踏板開度值、4個車輪轉(zhuǎn)速值和4個輪轂電機(jī)控制器的調(diào)速指令。②電機(jī)控制器處理信號，即輪轂電機(jī)控制器的調(diào)速指令。③方向盤轉(zhuǎn)角傳感器處理信號，即方向盤角度值。④輪速傳感器處理信號，即車輪轉(zhuǎn)速值。

2．2 電動輪車CAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計

2．2．1 網(wǎng)絡(luò)報文標(biāo)識符分配

CAN協(xié)議只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求自行定義CAN高層協(xié)議。為保證電動輪車CAN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性滿足系統(tǒng)控制要求，協(xié)議采用CAN2．0 A11位標(biāo)識符格式?？偩€波特率設(shè)置為1 Mb/s(輪轂電機(jī)控制器要求1 Mb/s)。

報文標(biāo)識符是報文CAN仲裁和接收濾波的主要依據(jù)。在標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀中，11位標(biāo)識符ID用于表示確定的待傳輸信息，其數(shù)值也作為待傳輸消息的優(yōu)先級。表1為11位標(biāo)識符ID定義。

表1 11位標(biāo)識符ID定義

標(biāo)識符ID10～I(xiàn)D8用來表示網(wǎng)絡(luò)消息的類型，最多可區(qū)分8種類型的消息。目前，網(wǎng)絡(luò)消息一般可分為5種類型:報警、命令、廣播/響應(yīng)、測量及狀態(tài)［4］。報警類型的消息一般出現(xiàn)在緊急情況下，需要馬上處理，因此優(yōu)先級最高;命令類型的消息一般為控制節(jié)點(diǎn)的控制信號，優(yōu)先權(quán)次之;廣播/響應(yīng)類型消息可能是設(shè)備主動提供的消息廣播，優(yōu)先級再次之;測量類型的消息主要是某單元測量出的設(shè)備參數(shù)，優(yōu)先級再降一級;狀態(tài)類型消息主要反映系統(tǒng)或單元的狀態(tài)，優(yōu)先權(quán)最低。表2為標(biāo)識符ID10～I(xiàn)D8段消息類型的標(biāo)識符ID分配及定義。

表2 消息類型標(biāo)識符ID分配及定義

標(biāo)識符ID7～I(xiàn)D4用來表示網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點(diǎn)的源地址，共4位，最多可定義16個節(jié)點(diǎn)。在CAN網(wǎng)絡(luò)中，每一個節(jié)點(diǎn)只能匹配一個源地址，使其與其他節(jié)點(diǎn)區(qū)分開來。電動輪車中節(jié)點(diǎn)沒有超過16，因此4位足夠定義網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。表3為各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)源地址的標(biāo)識符ID分配。

表3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)源地址標(biāo)識符ID分配

標(biāo)識符ID3～I(xiàn)D0用來表示網(wǎng)絡(luò)消息傳輸?shù)哪康牡刂?，最多可定義16個目的地址，與節(jié)點(diǎn)的源地址相對應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)中可能有廣播類型的消息，其目的地址為網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)，此時可定義ID3～I(xiàn)D0的值為1111。其他一些未使用的節(jié)點(diǎn)地址可留作備用，供網(wǎng)絡(luò)添加節(jié)點(diǎn)后使用。

2．2．2 網(wǎng)絡(luò)報文數(shù)據(jù)段分配

數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段有8個字節(jié)，主要用來存儲數(shù)據(jù)幀需要傳送的數(shù)據(jù)信息。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報文存在單幀報文和多幀報文兩種情況。當(dāng)報文的數(shù)據(jù)段大于8個字節(jié)時，采用多幀報文進(jìn)行傳輸。鑒于數(shù)據(jù)幀仲裁段位已定義完，仲裁段無多余位對多幀報文進(jìn)行定義，可利用數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)段的第一個字節(jié)對多幀報文進(jìn)行定義。表4為數(shù)據(jù)段第一個字節(jié)8位(bit)定義的多幀數(shù)據(jù)傳輸。

表4 多幀數(shù)據(jù)傳輸定義

數(shù)據(jù)段第1字節(jié)高2位為多幀傳輸?shù)姆侄螛?biāo)志，低6位為多幀傳輸?shù)姆侄尉幪?。?dāng)報文為單幀傳輸時，bit7～bit6值為00;多幀傳輸時，bit7～bit6值為01、10及11。01表示多幀數(shù)據(jù)的第一段，分段編號bit5～bit0值為0;10表示多幀數(shù)據(jù)的中間段，分段編號bit5～bit0值從1開始遞增;11表示多幀數(shù)據(jù)的最后段，分段編號bit5～bit0值為0x3F。

數(shù)據(jù)幀的第1個字節(jié)為多幀數(shù)據(jù)傳輸定義，第2個字節(jié)至第8個字節(jié)為報文的數(shù)據(jù)段。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)膱笪膮?shù)如表5所示，包括標(biāo)識符、數(shù)據(jù)段長度及觸發(fā)方式。其中信號的數(shù)據(jù)長度包含了第1個字節(jié)多幀傳輸定義段。

表5 報文參數(shù)表

3 網(wǎng)絡(luò)性能分析

3．1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)度分析

CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在周期性消息和非周期性消息。為驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)度性，采用時限單調(diào)方法DM分析網(wǎng)絡(luò)。時限單調(diào)方法是一種離線判定方法，用消息時限來確定消息的優(yōu)先級，可對周期性消息和非周期性消息進(jìn)行調(diào)度分析［5－6］。DM調(diào)度算法的基本思想為，實(shí)時系統(tǒng)的可調(diào)度性主要基于任務(wù)的最壞響應(yīng)時間Rm與截止期Dm之間的關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)的最壞響應(yīng)時間小于截止期限時，系統(tǒng)的實(shí)時性和容錯能力將得到提高。

消息從開始裝載發(fā)送到傳輸完成包括消息裝載時間Jm、消息傳輸時間Cm和消息最壞等待時間Wm。其中定義最壞傳輸延時Rm為Cm、Wm與Jm之和。Dm為消息截止期，即為滿足消息的時效性從消息觸發(fā)到成功發(fā)送所允許的最長時間。在消息開始傳輸前，存在消息信號值的讀取與打包，即消息裝載?？紤]現(xiàn)場因素，Jm取1 ms。消息傳輸時間Cm、消息阻塞時間Bm、消息最壞等待時間Wm及最壞傳輸延時Rm的計算公式為:

式中:Lm為幀字節(jié)數(shù);fbaud為波特率;tbit為位時間;Wm可通過離散化方法計算得出［7］。表6為1Mb/s網(wǎng)絡(luò)速率下總線實(shí)時性分析結(jié)果。

表6 1Mb/s網(wǎng)絡(luò)速率下總線實(shí)時性分析結(jié)果

由表6可知，各信息幀中最大的最壞傳輸延時Rm為0．956 ms，遠(yuǎn)小于Dm與Jm的差值9 ms。因此，該CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可調(diào)度，具有較好的實(shí)時性。

3．2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)載率分析

節(jié)點(diǎn)報文發(fā)送周期是影響網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的重要因素。一般而言，報文的發(fā)送周期越長，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率越低，但會降低網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性能。在保證電動輪車CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性能的前提下，節(jié)點(diǎn)報文的發(fā)送周期應(yīng)能保證網(wǎng)絡(luò)較低的負(fù)載率。一般系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率應(yīng)不超過30%［8－9］。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率過高會導(dǎo)致報文丟失。

將各個節(jié)點(diǎn)物理模塊連接成CAN網(wǎng)絡(luò)，利用CAN－bus總線開發(fā)工具CANscope對實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率進(jìn)行測試。通過上位機(jī)測試軟件CAN-scope觀察網(wǎng)絡(luò)總線利用率，即網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率。圖2為測試實(shí)際CAN網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率曲線界面圖。

圖2 實(shí)際CAN網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率曲線界面圖

從圖2可知，在1 Mb/s速率下，網(wǎng)絡(luò)最高負(fù)載率為7．8%，遠(yuǎn)小于30%，因此該CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠滿足電動輪車控制的實(shí)時性要求。

3．3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能測試

電動輪車正常工作時，整車控制器應(yīng)能控制內(nèi)、外側(cè)電動輪轉(zhuǎn)速滿足轉(zhuǎn)向行駛時的差速要求。根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角、4輪輪速信號及電子踏板信號，整車控制器應(yīng)能實(shí)時計算出各個電動輪的調(diào)速電壓，并傳送給電動輪的電機(jī)控制器。在低速行駛時，電動輪車的各輪轉(zhuǎn)速同步增減;在固定方向盤轉(zhuǎn)角及車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，各輪轉(zhuǎn)速與前輪轉(zhuǎn)速比的均值基本不隨輪速改變［10］。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件單元主要有方向盤轉(zhuǎn)角傳感器模塊、4個輪速傳感器模塊、4個輪轂電機(jī)控制器模塊和整車控制器模塊。低速情況下，隨著踏板信號的變化，當(dāng)方向盤鎖止在某角度時，對系統(tǒng)轉(zhuǎn)向時的差速功能進(jìn)行驗(yàn)證。將各個模塊硬件集成在一個CAN網(wǎng)絡(luò)中，安裝在電動輪車上的相應(yīng)位置，采用CAN卡對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并保存。利用Matlab軟件處理CAN卡獲取的數(shù)據(jù)。圖3為車速增加、方向盤角度鎖止在60°時各輪輪速值曲線，圖4為車速增加、方向盤角度鎖止在90°時各輪輪速值曲線。

圖3 方向盤角度為60°時對應(yīng)的各輪輪速

圖4 方向盤角度為90°時對應(yīng)的各輪輪速

由圖3和圖4可知，CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時、可靠、有效的傳輸，整車控制器借助該CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了電動輪車的差速功能。

4 結(jié)論

4輪電子差速是電動輪車的關(guān)鍵技術(shù)之一，電動汽車網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議隨著電動汽車的不斷發(fā)展而成為研究熱點(diǎn)。筆者制定了電動輪車CAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議及多幀數(shù)據(jù)傳輸方式，進(jìn)行了該CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)度分析，使用總線開發(fā)工具CANscope測試了該CAN網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率，并通過實(shí)車低速轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證了該CAN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性、可靠性和有效性。

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