電動(dòng)汽車電池管理CAN總線通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程 博，葉 敏，孔德剛，曹秉剛

(1.長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，導(dǎo)致電動(dòng)汽車越來(lái)越得到重視，電動(dòng)汽車總線及通信協(xié)議研究作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，能有效保證整車動(dòng)力總成系統(tǒng)的可靠實(shí)時(shí)控制?？刂破骶钟蚓W(wǎng)(Controller area network,CAN)總線[1-2]是目前在電動(dòng)汽車上應(yīng)用最廣泛的通信協(xié)議，其研究得到了廣泛的重視。文獻(xiàn)[3-4]提出了基于CAN總線的電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在文獻(xiàn)[5-7]中，提出的設(shè)計(jì)著重從總體流程，CAN總線通訊協(xié)議方面對(duì)電池管理系統(tǒng)做了深入的研究。在文獻(xiàn)[8-9]中，分別對(duì)電動(dòng)汽車燈光控制和液晶顯示做了研究。

圖1 電池管理系統(tǒng)框圖

在本文中，電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)的框圖如圖1所示?；贑AN總線的電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)采集車體內(nèi)的信息，主要包含電動(dòng)車車體運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)以及電池的電壓和溫度數(shù)據(jù)。在通訊網(wǎng)絡(luò)中，將采集的信息通過(guò)CAN總線進(jìn)行傳輸，然后通過(guò)CAN-USB適配卡連接到PC主機(jī)上，在主機(jī)上完成信息的顯示、存儲(chǔ)和處理等工作。然后，通過(guò)測(cè)試軟件，對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的采集速率和可靠性，并在實(shí)際電動(dòng)車上進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，得出了電動(dòng)車空轉(zhuǎn)和實(shí)際路面運(yùn)行的數(shù)據(jù)圖。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 整體硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件由兩部分組成，一是電動(dòng)汽車信息采集電路，二是CAN-USB適配器電路。整體硬件框圖如圖2。信息采集部分主要完成電池和車體信息的檢測(cè)，分別包括電池電壓和溫度信息，電池總電壓、電池總電流(＋、－)；電機(jī)電壓、電機(jī)電流(＋、－)、油門踏板、剎車踏板信息。

圖2 系統(tǒng)整體硬件圖

1.2 USB和CAN總線器件的選擇

通常選PDIUSBD12器件，用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與高速通用并行接口進(jìn)行通信，也支持DMA傳輸。它集成了許多特性，如SoftConnet、GoodLink、可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振和終止寄存器集合。這些特性能顯著節(jié)約系統(tǒng)成本，也使USB功能在外設(shè)上的應(yīng)用變得容易。

CAN的通信協(xié)議主要由CAN控制器完成，主要由兩部分構(gòu)成：CAN總線協(xié)議部分，由CAN總線控制器SJA1000來(lái)實(shí)現(xiàn)；接口部分，由接口芯片PCA82C250來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.3 各部分核心硬件

本系統(tǒng)包括信息采集電路和CAN-USB適配器。系統(tǒng)硬件的中心是微控制器AT89C52單片機(jī)。

1.3.1 信息采集電路設(shè)計(jì)

(1)采集信號(hào)的種類

電壓信號(hào)是通過(guò)電量隔離傳感器將輸入電池電壓轉(zhuǎn)化為低電平電壓輸出(15 V轉(zhuǎn)化為5 V，比例為1/3)，電動(dòng)車信號(hào)輸出都為0～5 V的電壓信號(hào)。電池電壓和電動(dòng)車信號(hào)，通過(guò)RC電路濾波，電阻選擇20 kΩ。電容為0.33 μF，則截止頻率f=1/2 πRC，經(jīng)計(jì)算為 24 Hz。

溫度信號(hào)是通過(guò)溫度傳感器LM35轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)(100℃輸出1 V)。按最高溫度50℃計(jì)算，則溫度傳感器輸出0.5 V，因此需將信號(hào)放大10倍，轉(zhuǎn)換為5 V電壓信號(hào)。濾波放大電路如圖 3。其中：R14、R15、R16、R17和 C18、C19、U2(OP07)組成無(wú)限增益型多重反饋低通濾波器，R18、R19、R20組成一個(gè)負(fù)反饋放大電路。

圖3 濾波放大電路

(2)信號(hào)采集分析部分

采用AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)，各模塊簡(jiǎn)述如下：

單片機(jī)和存儲(chǔ)器：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C52，內(nèi)含8 K字節(jié)的FLASH閃速存儲(chǔ)器和256字節(jié)的內(nèi)部RAM。在CAN-USB適配器中還配有32 K容量的閃存24LC256，可以在沒(méi)有PC機(jī)連接的情況下將信息存入閃存中。

信號(hào)轉(zhuǎn)換電路：將輸入的信號(hào)通過(guò)CD4051八路選通，將輸入的八路模擬信號(hào)逐一輸入到12位的A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1243中，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

1.3.2 CAN-USB適配器電路設(shè)計(jì)

CAN-USB適配器需要兩個(gè)接口電路分別與PC主機(jī)和CAN總線通訊。前者采用PDIUSBDI2，通過(guò)USB協(xié)議實(shí)現(xiàn)；后者采用SJA1000，通過(guò)CAN2.0B協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

地址和數(shù)據(jù)總線由P0口分時(shí)復(fù)用，P0口連接SJA1000的AD0-AD7引腳和PDIUSBD12的DATA0-DATA7引腳。通過(guò)分時(shí)選通兩個(gè)芯片。以片選控制信號(hào)選通芯片，正確地分配有效地址，避免總線數(shù)據(jù)沖突。一般使用線性片選，單片機(jī)AT89C52的管腳P2.7控制D12的片選，P2.4控制SJA1000的片選，均為低有效。確定地址分配如下：

PDIUSBD12的命令地址為0xff03(奇數(shù)地址為命令地址)，數(shù)據(jù)地址為0xff02(偶數(shù)地址為數(shù)據(jù)地址)。SJA1000內(nèi)部寄存器的地址范圍為[0x00-0x6 C]，共108個(gè)寄存器。

(1)CAN與單片機(jī)連接電路設(shè)計(jì)

P0.0-P0.7連接 SJA1000的 AD0-AD7引腳，P2.7為SJA1000的片選信號(hào)，低電平選通。地址鎖存引腳ALE和WR、RD引腳分別和單片機(jī)的ALE、WR、RD引腳相連。

MODE引腳接電源，為高電平，采用的是INTEL模式。中斷引腳INT接單片機(jī)的INT1引腳，當(dāng)SJA1000向單片機(jī)發(fā)信號(hào)時(shí)，就引發(fā)中斷。電源與地之間采用去耦電容和極性電容相連。右邊電路為SJA1000的上電復(fù)位電路，低電平上電復(fù)位。單片機(jī)和SJA1000采用的是兩個(gè)單獨(dú)的時(shí)鐘，單片機(jī)為24 MHz的，SJA1000為16 MHz的，所以CLKOUT引腳懸空。電路如圖4所示。

圖4 CAN與單片機(jī)連接電路

(2)CAN的接口電路

SJA1000的TX0和RX0管腳通過(guò)光偶與驅(qū)動(dòng)器PCA82C250的TX和RX引腳相連，用于向CAN總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。此時(shí)，需將RX1引腳接到一個(gè)穩(wěn)定的電平上，本系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)電阻分壓將RX1固定為1.73 V的低電平上。采用可調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)斜率控制，不同的電阻值對(duì)應(yīng)不同的輸出電壓即對(duì)應(yīng)不同的輸出電流，則可通過(guò)調(diào)節(jié)電阻值來(lái)調(diào)節(jié)PCA82C250的斜率值。

采用光偶隔離電路可以防止CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)對(duì)主電路的干擾，提高了整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。利用兩個(gè)電容來(lái)消除高頻信號(hào)的干擾，利用兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)二極管能夠卸除瞬間的高壓脈沖，防止外界突發(fā)的高壓對(duì)CAN總線收發(fā)器帶來(lái)的破壞效應(yīng)。為了增強(qiáng)CAN通訊的可靠性，CAN總線網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)端點(diǎn)通常要加入終端匹配電阻。本系統(tǒng)采用的終端電阻為120 Ω。CAN接口線采用屏蔽電纜，可降低電磁干擾和輻射帶來(lái)的影響。

(3)USB接口電路

P0.0-P0.7連接PDIUSBDI2的DATA0-DATA7引腳，P1.6為PDIUSBDI2的片選信號(hào)，低電平選通。DI2與CAN控制器SJA1000共用地址/數(shù)據(jù)總線，通過(guò)片選信號(hào)加以區(qū)別，以避免總線數(shù)據(jù)沖突。

SUSPEND引腳接單片機(jī)的P3.1引腳，并上拉10 kΩ電阻。中斷引腳INT_N連接單片機(jī)AT89C52的INT0引腳，并上拉10 kΩ電阻；采用多路地址/數(shù)據(jù)總線方式，將A0引腳忽略。地址鎖存引腳ALE與單片機(jī)ALE相連接，WR和RD引腳分別與單片機(jī)的WR和RD直接相連；Goodlink引腳GLN外接LED并拉高，有利于調(diào)試時(shí)觀察USB設(shè)備的連接和傳輸狀態(tài)。在枚舉時(shí)，LED根據(jù)通信的狀況間歇閃爍。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

CAN總線總共有三個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用主從式通信。接收過(guò)程采用中斷處理，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。中斷主要處理數(shù)據(jù)的傳輸，而主程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理。軟件設(shè)計(jì)分為三部分：CAN總線各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信，CAN-USB適配器的固件驅(qū)動(dòng)程序，上位PC機(jī)的底層驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序。CAN-USB為主節(jié)點(diǎn)，其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)。定義地址分別為：CAN-USB適配器主節(jié)點(diǎn)，地址為00H；采集電池信息的節(jié)點(diǎn)1，地址為01H；采集電動(dòng)車信息的節(jié)點(diǎn)2，地址為02H。

2.1 CAN總線節(jié)點(diǎn)間的通信

主節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令字符 (例如發(fā)送01H代表要電路板1發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī))到從節(jié)點(diǎn)上，從節(jié)點(diǎn)接收到主節(jié)點(diǎn)的命令，判斷是否要發(fā)送數(shù)據(jù)，如是則將采集的信息通過(guò)CAN總線發(fā)送到主機(jī)上。采集電池信息節(jié)點(diǎn)1的軟件分為兩部分：A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理程序；SJA1000的初始化和CAN的接收發(fā)送程序。其中CAN的接收發(fā)送程序通過(guò)中斷來(lái)完成，在中斷設(shè)置中需開啟接收中斷。以節(jié)點(diǎn)1為例，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程流程如圖5所示。中斷處理程序如圖6，主要負(fù)責(zé)處理CAN總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，采用中斷機(jī)制可以保證數(shù)據(jù)及時(shí)的傳輸。

2.2 CAN-USB適配器的固件驅(qū)動(dòng)程序

系統(tǒng)具體的固件結(jié)構(gòu)如圖7所示，圖中箭頭表示數(shù)據(jù)流向。整個(gè)固件一共包含7個(gè)函數(shù)模塊。完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義后，固件編程的實(shí)現(xiàn)工作主要包括硬件提取層和CAN接口硬件，PDIUSBDI2命令接口的實(shí)現(xiàn)以及中斷服務(wù)程序的實(shí)現(xiàn)。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒虉D

圖6 中斷流程圖

圖7 固件程序結(jié)構(gòu)圖

2.3 USB驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

WDM(Windows Driver Model)是微軟公司全新的驅(qū)動(dòng)程序模式，支持即插即用、電源管理和WMI技術(shù)[10]。WDM驅(qū)動(dòng)程序采用分層的驅(qū)動(dòng)模型，如圖8所示。

所有軟件設(shè)計(jì)主要完成：CAN總線各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信，CAN-USB適配器的固件驅(qū)動(dòng)程序，上位PC機(jī)的底層驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。

圖8 WDM驅(qū)動(dòng)程序采用分層的驅(qū)動(dòng)模型

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析

本系統(tǒng)應(yīng)用于電動(dòng)汽車EV-2號(hào)上，為了驗(yàn)證系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的可靠性，在兩種工況下進(jìn)行測(cè)試，一個(gè)是電動(dòng)汽車空轉(zhuǎn)，采集了電流在30、50、70、80 A四種情況下電動(dòng)車內(nèi)的數(shù)據(jù)情況。另一種是電動(dòng)車在實(shí)際路況上的運(yùn)行情況。

(1)電動(dòng)汽車空轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)

圖9～12為30 A放電時(shí)，電動(dòng)車空轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的各個(gè)電池的電壓曲線圖，采集時(shí)刻的溫度為18℃。從圖中可以看出電池1、電池3和總電池電壓在不同電流下的變化曲線大致是一致的，從而證明了系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的可靠性。電池電壓迅速升高的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于電機(jī)達(dá)到最大速度的時(shí)刻，在不同電流下，電機(jī)達(dá)到最大速度的時(shí)間依次縮短。圖中的電流為30 A，電機(jī)達(dá)到最大速度的時(shí)間是73 s；若電流增大為80 A，則電機(jī)達(dá)到最大速度的時(shí)間是9 s。電流越大，電機(jī)達(dá)到最大速度的時(shí)間就越短，當(dāng)給電動(dòng)車提供電流時(shí)，電池在60 s內(nèi)可以恢復(fù)到穩(wěn)定值。

圖9 30 A電池1數(shù)據(jù)曲線圖

圖10 30 A電池3數(shù)據(jù)曲線圖

圖11 30 A電池總電壓數(shù)據(jù)曲線圖

圖12 電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行曲線圖

(2)電動(dòng)車實(shí)際路面數(shù)據(jù)

電動(dòng)汽車實(shí)際路況電池電壓變化曲線如圖12所示，記錄了電池電壓從124～108 V變化的曲線圖，124、108 V均為停車穩(wěn)定后測(cè)的電壓值。

4 結(jié)論

本文中基于AT89C52單片機(jī)和SJA1000接口芯片、PDISUBD12接口芯片CAN總線通訊系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，以光耦隔離、硬件濾波和斜率模式保證了系統(tǒng)硬件運(yùn)行的可靠性。在此基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)電動(dòng)汽車空轉(zhuǎn)運(yùn)行和路面運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試，驗(yàn)證了實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng)的可靠性。

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