純電動(dòng)汽車CAN總線通信系統(tǒng)研究

韓友國(guó) 王若飛 陶穎 姚朝華 楊玉梅 吳洪濤

【摘 要】本文參考J1939的協(xié)議，制定純電動(dòng)轎車的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，包括定義網(wǎng)絡(luò)通信速率、協(xié)議格式、各個(gè)參數(shù)變量的分辨率、偏移量以及參數(shù)在協(xié)議中的位置；硬件電路設(shè)計(jì)以CAN通信和雙口RAM通信兩大任務(wù)為中心，同時(shí)輔以電源管理電路、網(wǎng)絡(luò)通信模塊地址宣稱電路和狀態(tài)顯示電路；同時(shí)搭建一個(gè)專門用于CAN通信測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，使用的所有部件ECU都通過(guò)模擬控制器實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】純電動(dòng)汽車；CAN；控制策略

中圖分類號(hào)： TN873 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）01-0001-003

【Abstract】This paper refers to the protocol of J1939 and establishes the network communication protocol for pure electric car， including defining the network communication rate， protocol format， the resolution of each parameter variable， offset and the position of the parameters in the protocol. The hardware circuit design is CAN Communications and dual-port RAM communication two tasks as the center， supplemented by power management circuits， network communication module address declaring circuit and status display circuit； also build a network dedicated to CAN communication test platform， all the components used by the ECU Analog controller to achieve.

【Key words】Pure electric vehicle； CAN； Control strategy

純電動(dòng)汽車CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中為了實(shí)現(xiàn)上層控制器對(duì)部件的真實(shí)控制，需要建立起整車控制器和部件控制單元之間的通信系統(tǒng)。針對(duì)純電動(dòng)轎車的實(shí)際情況，本文采用常用的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。主要包括整車控制器、電池控制器、輔助電池管理系統(tǒng)、超級(jí)電容及其DC/DC控制器、主DC/DC控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、汽車狀態(tài)收集器、信息報(bào)警顯示器等8個(gè)節(jié)點(diǎn)，并預(yù)留了接口以備可能的擴(kuò)展使用。為實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間通信，需要完成三個(gè)主要任務(wù)：（1）制定協(xié)議：通信協(xié)議作為通信信息格式定義， 制定網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，使部件對(duì)網(wǎng)上信息更正確地理解。（2）硬件實(shí)現(xiàn)：制定完協(xié)議后，需研制CAN通信的硬件工作。通信硬件是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的載體，完成整車網(wǎng)絡(luò)通信的任務(wù)需要硬件和協(xié)議相結(jié)合。（3）CAN網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試平臺(tái)的建立及調(diào)試。由于CAN通信是部件與部件之間信息交換行為，單一部件無(wú)法完成通信過(guò)程，因而部件通信功能在搭載整車之前，應(yīng)在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。

1 通訊協(xié)議及通信模塊的軟硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)各電控單元之間高效的信息交換，須制訂純電動(dòng)汽車用通信協(xié)議。為使協(xié)議更趨開(kāi)放和標(biāo)準(zhǔn)化，以和SAE J1939兼容作為制訂原則。本文參考J1939的協(xié)議格式，制定純電動(dòng)轎車的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，包括定義網(wǎng)絡(luò)通信速率、協(xié)議格式、各個(gè)參數(shù)變量的分辨率、和偏移量以及參數(shù)在協(xié)議中的位置等。

協(xié)議SAE J1939在報(bào)文標(biāo)識(shí)符中給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了自己確定的地址和名稱，將整個(gè)系統(tǒng)明朗化。初步通信網(wǎng)絡(luò)的8個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址位于SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)保留的地址段（128～167）。這樣就可以保證該系統(tǒng)對(duì)其它已經(jīng)存在系統(tǒng)的兼容性。協(xié)議統(tǒng)一設(shè)定節(jié)點(diǎn)地址如表1所示：

表1 節(jié)點(diǎn)地址與報(bào)文編號(hào)

根據(jù)整車控制的需要以及各個(gè)參數(shù)采集等實(shí)際使用情況，規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)的比例因子和偏移量等，如表2所示。

另外一部分協(xié)議主要內(nèi)容就是根據(jù)整車控制的需要，確定不同的物理參數(shù)在CAN通信信息中8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)量分配，形成一定的規(guī)約，所有的用戶按照這一協(xié)議，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包就可以得到相應(yīng)的控制命令和部件工作信息。

硬件實(shí)現(xiàn)的方案是將CAN通信功能從各個(gè)部件ECU中獨(dú)立出來(lái)，開(kāi)發(fā)專用的CAN通信模塊，通信模塊與部件ECU的數(shù)據(jù)交換通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)，由各個(gè)通信模塊組成一個(gè)CAN通信網(wǎng)絡(luò)集中處理通信任務(wù)。方案二的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

硬件電路設(shè)計(jì)中，主要以CAN通信和雙口RAM通信兩大任務(wù)為中心，同時(shí)輔以電源管理電路、網(wǎng)絡(luò)通信模塊地址宣稱電路和狀態(tài)顯示電路等。CAN通信模塊電路圖如圖2所示，主要通過(guò)CAN控制器SJA1000和收發(fā)器82C250實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為了減小從總線引入的干擾，使用6N137搭建了光耦隔離電路。光耦隔離電路，主要是為防止網(wǎng)上信號(hào)對(duì)板上主電路包括CPU的干擾，并且可進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)上信號(hào)抗外部電路干擾的能力，用于防止外部高頻電壓信號(hào)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的干擾。

由于采用了雙口RAM的方案，在底層用戶和網(wǎng)絡(luò)之間聯(lián)系的就是雙口RAM，因而在此還要制定一個(gè)通信協(xié)議，即雙口RAM中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，根據(jù)此格式，底層部件ECU就可以獲得所需的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)采用芯片的型號(hào)、容量，制定了如下圖3所示的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式。供網(wǎng)絡(luò)通信板的ECU和底層部件CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，整個(gè)程序的流程圖如圖4。

2 CAN網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試平臺(tái)

在完成了通信板的硬件設(shè)計(jì)、軟件編程和電磁兼容測(cè)試之后，為實(shí)現(xiàn)通信板的搭載整車使用，還需搭建一個(gè)專門用于CAN通信測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，即在試驗(yàn)室內(nèi)組成和汽車上完全相同的通信網(wǎng)絡(luò)，使用的所有部件ECU都通過(guò)模擬控制器實(shí)現(xiàn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

為建立網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試平臺(tái)，使用DSPACE編制了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信程序，并實(shí)現(xiàn)完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在這個(gè)通信平臺(tái)上，利用模擬電機(jī)控制器，外接步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)整車控制器采集外部的電子油門信號(hào)，根據(jù)油門大小發(fā)送控制命令。再經(jīng)過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)的傳輸，由電機(jī)上層的網(wǎng)絡(luò)通信板接收，并將相應(yīng)的控制命令按照制定的規(guī)范寫(xiě)到雙口RAM中，下面的模擬電機(jī)控制器則從雙口RAM中，讀取命令，控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速的變化。通過(guò)這個(gè)演示，部分證明CAN網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)汽車上所需的通信功能，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試，如果一直正常工作，證明整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是穩(wěn)定可靠的。現(xiàn)在只要取下相應(yīng)調(diào)試系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，換上廠家提供的ECU接到調(diào)試系統(tǒng)中的預(yù)留接口處，便可以利用整車控制器控制ECU實(shí)現(xiàn)CAN通信功能。讀雙口RAM如圖6所示。

制定SAEJ1939部分兼容的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，研制用于實(shí)現(xiàn)CAN通信的通信板軟硬件，搭建通信系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，并完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和部件ECU通信功能地測(cè)試。試驗(yàn)表明本通信板程序能夠很好地實(shí)現(xiàn)通信板所要求的各種功能。

3 總結(jié)

本文參考J1939的協(xié)議，制定純電動(dòng)轎車的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，硬件電路設(shè)計(jì)以CAN通信和雙口RAM通信兩大任務(wù)為中心，輔以電源管理電路、網(wǎng)絡(luò)通信模塊地址宣稱電路和狀態(tài)顯示電路，同時(shí)搭建一個(gè)專門用于CAN通信測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，測(cè)試部件控制器功能可實(shí)現(xiàn)。本文描述的控制系統(tǒng)已經(jīng)在我公司量產(chǎn)的某款純電動(dòng)車上搭載，性能可靠。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王侃偉，方宗德，趙治國(guó).混合動(dòng)力汽車CAN總線應(yīng)用協(xié)議研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007（08）.

[2]陳繼飛，趙龍慶.基于MC912D60AMPV8的汽車CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].公路與汽運(yùn)，2007（03）.

[3]鐘勇，鐘志華，余群明，曾志偉.電動(dòng)汽車CAN總線通用協(xié)議的應(yīng)用研究[J].汽車工程，2006（05）.

[4]楊輝前，王耀南，袁小芳，唐繼剛，徐磊.電動(dòng)汽車CAN總線數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2006（20）.

[5]呂偉杰，劉魯源，王毅新.電動(dòng)汽車CAN總線混合調(diào)度方法的研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2005（07）.

[6]范輝，王大志，朱建光.基于DSP的電動(dòng)汽車CAN總線通訊技術(shù)設(shè)計(jì)[J].成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2004（01）.