基于CAN總線的電動車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈 瑤，李小清，周云飛

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

當(dāng)前全球汽車工業(yè)面臨金融危機(jī)和能源環(huán)境問題的巨大挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)汽車能源動力系統(tǒng)的電氣化，已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)的趨勢。提高電動汽車上的各個(gè)控制單元間通信的可靠性和實(shí)現(xiàn)高傳輸速率，選擇CAN總線協(xié)議。CAN總線為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。它采用非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)，可靠性高。CAN總線通信距離長達(dá)10 km，通信速率最高可達(dá)1 Mb/s。CAN通信系統(tǒng)抗干擾性好，工作穩(wěn)定。某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，不會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)通信的不正常。由于采用短幀的報(bào)文結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，具有很強(qiáng)的抗干擾性，具有高效的非破壞總線仲裁，出錯檢測和故障自動關(guān)閉等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

電動車控制系統(tǒng)由電池管理、充電機(jī)、電動機(jī)和整車控制等模塊組成。本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電動車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of electric vehicle control system

由圖1知，CAN通信網(wǎng)絡(luò)上共有4個(gè)通信節(jié)點(diǎn)。整車控制器接收BMS、CCS、電機(jī)控制器的報(bào)文提供的各種參數(shù)；充電機(jī)接收BMS發(fā)送的控制信息并根據(jù)報(bào)文數(shù)據(jù)的電壓電流設(shè)置來工作；電機(jī)控制器接收BMS發(fā)送的電池狀態(tài)信息設(shè)置來工作，同時(shí)電機(jī)控制器接收由整車控制器發(fā)送的控制信息并根據(jù)報(bào)文數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)矩設(shè)置來工作。

2 CAN總線節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)

整車控制模塊這一節(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的功能主要是接收其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，通過控制算法等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后發(fā)送控制信息給電機(jī)控制器，從而實(shí)現(xiàn)電動車的正常功能運(yùn)行。

整車控制節(jié)點(diǎn)是基于STM32F103VE設(shè)計(jì)的。ARM Cortex TM-M3是一款高性能、低成本、低功耗的32位RISC處理器，可在高達(dá)72 MHz的頻率下運(yùn)行，擁有512 KB的片內(nèi)Flash程序存儲器，具有64 KB的RAM數(shù)據(jù)存儲器，可進(jìn)行高性能的CPU訪問。該微控制器包含1個(gè)USB2.0全速（12 Mb/s）設(shè)備、1路 CAN2.0B通道、1個(gè)通用 DMA控制器、3個(gè)16位的A/D轉(zhuǎn)換器和1個(gè)16位的D/A轉(zhuǎn)換器。同時(shí)該微控制器具有4個(gè)16位捕獲/比較定時(shí)器和1個(gè)看門狗定時(shí)器，因此ARM cortex TM-M3可以滿足電動車控制的需要，減少了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。STM32F103VE支持J-Link實(shí)時(shí)仿真和跟蹤，內(nèi)部搭載有1通道的支持CAN20.B規(guī)格的CAN控制器，使得CAN通信模塊的設(shè)計(jì)更加方便。整車控制節(jié)點(diǎn)硬件電路圖如圖2所示，由微控制器STM32F103VE、CAN總線收發(fā)器82C250、2個(gè)高速光耦6N137等組成。

圖2 CAN節(jié)點(diǎn)硬件電路圖Fig.2 Hardware circuit of CAN node

STM32F103VE采用單電源供電，時(shí)鐘由8 MHz外部晶振產(chǎn)生。對Flash存儲器的編程通過J-Link進(jìn)行編程（IAR）實(shí)現(xiàn)。STM32F103VE內(nèi)部集成一路CAN控制器，簡化了傳統(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。收發(fā)器82C250是CAN控制器和物理總線之間的驅(qū)動器接口，它可以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，其位速度高達(dá)1 Mb/s，與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)兼容。它的斜率控制功能使電磁兼容性能增強(qiáng)，準(zhǔn)備模式可以減少網(wǎng)絡(luò)的功耗，準(zhǔn)備模式中，網(wǎng)絡(luò)一旦檢測到總線上有報(bào)文就會被立即激活。同時(shí)，它可提供更強(qiáng)抗干擾能力，以及有熱保護(hù)、短路保護(hù)、支持多達(dá)110個(gè)節(jié)點(diǎn)等好處[3]。

在微控制器和CAN總線收發(fā)器之間，采用了2個(gè)高速光電耦合器6N137進(jìn)行電氣隔離，防止將總線干擾引入系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，在節(jié)點(diǎn)端部接有1個(gè)120 Ω終端匹配電阻，提高了數(shù)據(jù)通信的抗干擾性。

3 CAN通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

根據(jù)ISO/OSI模型，CAN總線規(guī)范了只制定了數(shù)據(jù)鏈路層中的媒體訪問子層和一小部分的邏輯鏈路控制子層，CAN的ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了總線及驅(qū)動器的電氣特性。因此需要根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)通信協(xié)議[4]。

CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)2.0B的數(shù)據(jù)幀的ID長度為29位，為擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

數(shù)據(jù)幀由幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC段、ACK段、幀結(jié)束組成。協(xié)議的設(shè)計(jì)是對標(biāo)識符和數(shù)據(jù)位的定義。

本系統(tǒng)協(xié)議的設(shè)計(jì)參照SAEJ1939協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)識符分配為優(yōu)先級（P）、保留位（R）、數(shù)據(jù)頁（DP）、代碼域（PF）、目標(biāo)域（PS）、源地址（SA）和數(shù)據(jù)域（DF）7個(gè)部分。 根據(jù)需求定義了5個(gè)報(bào)文，報(bào)文標(biāo)識符定義如表1所示。

圖3 擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig.3 Data frame of extended format

整車控制器的節(jié)點(diǎn)地址為0xA7；BMS節(jié)點(diǎn)地址為0xE4；CCS節(jié)點(diǎn)地址為0xE5；電機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)地址為0xE6。

根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了5個(gè)報(bào)文，分別為：BMS發(fā)給CCS和電機(jī)控制器的2個(gè)報(bào)文，CCS和電機(jī)控制器發(fā)給整車控制器的2個(gè)報(bào)文，整車控制器發(fā)給電機(jī)的報(bào)文。根據(jù)信息的重要程度，將電機(jī)控制器和整車控制器間的報(bào)文設(shè)計(jì)為最高優(yōu)先級3，其他報(bào)文優(yōu)先級設(shè)計(jì)為6。

表1 報(bào)文標(biāo)識符定義Tab.1 The identifier definition of message

4 CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用基于C語言的程序設(shè)計(jì)[5]。在IAR開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試和仿真。整車控制節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括4個(gè)部分：CAN控制器的初始化、報(bào)文發(fā)送、報(bào)文接收和錯誤處理。

4.1 CAN控制器的初始化

在啟動CAN通信前必需進(jìn)行CAN模塊的初始化，包括硬件使能、CAN工作模式設(shè)置、總線波特率設(shè)置、設(shè)置中斷、驗(yàn)收過濾器設(shè)置等。初始化操作在CAN模塊復(fù)位的模式下進(jìn)行。初始化程序流程圖如圖4所示。

圖4 CAN控制器初始化流程圖Fig.4 Initialization flow chart of CAN controller

本設(shè)計(jì)中采用的是29位擴(kuò)展標(biāo)示符，符合CAN2.0B的標(biāo)準(zhǔn)，所以在驗(yàn)收屏蔽過濾器設(shè)置中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定。同時(shí)，本設(shè)計(jì)的CAN波特率設(shè)置為250 Kb/s,與總線上其他節(jié)點(diǎn)的波特率相同，才能進(jìn)行正常的通信。

4.2 數(shù)據(jù)的發(fā)送

對CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送采用查詢方式，提高處理器的效率，STM32F103VE的CAN模塊有3個(gè)發(fā)送郵箱，發(fā)送報(bào)文的流程為：應(yīng)用程序選擇一個(gè)空發(fā)送郵箱；設(shè)置標(biāo)識符，數(shù)據(jù)長度和待發(fā)送數(shù)據(jù)；對CAN+TixR寄存器的TXRQ位置1，請求發(fā)送；郵箱進(jìn)入掛號狀態(tài)，等待發(fā)送；一旦CAN總線進(jìn)入空閑狀態(tài)，發(fā)送郵箱中的報(bào)文則立即發(fā)送，成功發(fā)送后，郵箱為空；通過查詢CAN_TSR寄存器的TXOK位來查詢報(bào)文是否發(fā)送成功[6]。數(shù)據(jù)發(fā)送程序的流程圖如圖5所示。

圖5 報(bào)文發(fā)送程序流程圖Fig.5 Flow chart of message sending proceeding

4.3 數(shù)據(jù)的接收

對CAN報(bào)文的接收采用中斷方式，提高通信的實(shí)時(shí)性。接收報(bào)文的流程如圖6所示。當(dāng)CAN總線發(fā)來一個(gè)報(bào)文，根據(jù)屏蔽過濾器設(shè)置的標(biāo)識符進(jìn)行過濾，如果是要接收的報(bào)文，則CAN控制器將總線上的報(bào)文按順序存入接收FIFO，并進(jìn)入接收中斷，在中斷中對接收FIFO中的報(bào)文進(jìn)行存儲，然后釋放FIFO郵箱。如果不釋放郵箱，當(dāng)總線上再發(fā)送過來報(bào)文時(shí)，會直接覆蓋上一個(gè)報(bào)文，從而導(dǎo)致報(bào)文丟失。數(shù)據(jù)接收程序流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)接收程序流程圖Fig.6 Flow chart of message receiving proceeding

4.4 錯誤處理

電動車的整車控制器需要接收BMS、CCS和電機(jī)控制器這3個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的報(bào)文，如果超過1 s未接收到例如BMS的報(bào)文，則通信鏈路超時(shí)，此時(shí)需要進(jìn)行故障處理。所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，定義一個(gè)全局變量，在每個(gè)定時(shí)周期中加1，在接收BMS報(bào)文中斷中，對此變量清零，則可以實(shí)現(xiàn)通信超時(shí)檢測。當(dāng)總線發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，CAN節(jié)點(diǎn)錯誤寄存器累積到一定次數(shù)時(shí)，CAN控制器會關(guān)閉總線，節(jié)點(diǎn)脫離總線。

5 結(jié) 論

在實(shí)車實(shí)驗(yàn)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信，可以實(shí)現(xiàn)電動車的加減速和勻速運(yùn)行。在本電動車控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)的CAN通信節(jié)點(diǎn)體積小、功耗低、處理能力強(qiáng)、抗干擾性好，能在電磁環(huán)境復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地工作。在電動車控制系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)快速通信，可靠性強(qiáng)。

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