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基于CAN總線的EV電控系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì)與開發(fā)
摘要：以MC68376集成CAN控制器為例，闡述了純電動(dòng)車(Eleotdc Vehicle，簡(jiǎn)稱EV)電控系統(tǒng)采用SAEJl939通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)CAN總線通信的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，給出了基于CAN通信的動(dòng)力蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)的電池充放電特性曲線。實(shí)驗(yàn)證明CAN總線通信速率高、準(zhǔn)確、可靠性高。隨著汽車上電子控制裝置越來越多，車身布線也愈來愈復(fù)雜，使得運(yùn)行可靠性降低，故障維修難度加大。為了提高信號(hào)的利用率，要求大批數(shù)據(jù)信息能在不同的電控單元中共享，同時(shí)汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號(hào)也能實(shí)時(shí)進(jìn)行交換。但是，傳統(tǒng)的汽車電子系統(tǒng)采用串行通信的方法，如用SAE1587等標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)施，通信速度較慢、傳遞的數(shù)據(jù)量少，遠(yuǎn)不能滿足高速通信的需求。近年來CAN總線已發(fā)展成為汽車電子系統(tǒng)的主流總線，并有基于CAN總線通信協(xié)議的車輛應(yīng)用層通訊標(biāo)準(zhǔn)SAEJ1939[1～4]產(chǎn)生。
圖1
利用CAN總線開發(fā)的純電動(dòng)車(EV)電控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)具有通信速率高、準(zhǔn)確、可靠性高的特點(diǎn)，易于整車控制網(wǎng)絡(luò)的連接和管理，為傳感器信號(hào)、各個(gè)控制單元的計(jì)算信息和運(yùn)行狀態(tài)的共享以及隨車或離車故障診斷等提供了基礎(chǔ)平臺(tái)，同時(shí)開發(fā)基于該通信網(wǎng)絡(luò)的控制器在線標(biāo)定和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也成為可能。
本文采用基于CAN2．OB的SAEJ1939通信協(xié)議，以MC68376為例，設(shè)計(jì)開發(fā)了應(yīng)用于EV電控系統(tǒng)的CAN總線通信系統(tǒng)。
圖2
1 EV電控系統(tǒng)CAN通信的設(shè)計(jì)
1.1 EV控制系統(tǒng)CAN總線通信原理
在EV控制系統(tǒng)中，控制器包括：制動(dòng)控制器(ABS／ASR)、動(dòng)力總成控制器PTCM(Powertrain Control Module)、動(dòng)力蓄電池管理器BPCM(Battery PackControl Module)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器DMCM(Driver Motor Control Module)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制器及儀表控制器IPCM(1nstrument Pack ControlModule)等。在各控制器之間通過CAN通信網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享并使各自的控制性能都有所提高。圖1為EV各控制器之間的CAN通信原理圖。
1．2 EV電控系統(tǒng)CAN通信的設(shè)計(jì)
根據(jù)CAN通信原理，硬件主要由CAN控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器組成。動(dòng)力控制總成PTCM和電池管理控制模塊BPCM采用32位高性能微處理器MC68376上集成的CAN控制器；儀表控制器IPCM模塊采用FUJ 32位高性能微處理器上集成的CAN控制器；電機(jī)控制DMCM模塊、動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制模塊和制動(dòng)控制模塊采用SJA1000控制器。CAN驅(qū)動(dòng)器全部采用PCA82C250。
圖2是EV的車載CAN通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接圖，每個(gè)總線末端均接有用RL表示的抑制反射的負(fù)載電阻。負(fù)載電阻連接在CAN-H和CAN-L之間，對(duì)于不帶集成終端電阻(通常使用)的ECU，此電阻為60Ω；對(duì)于帶有集成終端電阻的ECU，此電阻為120Ω。終端負(fù)載電阻最好置于總線末端，取消ECU內(nèi)部的負(fù)載電阻RL，因?yàn)槿绻渲幸粋�(gè)ECU從總線斷開，總線將丟失終端。
下面以32位高智能微處理器MC68376為例介紹EV電控系統(tǒng)CAN通信的設(shè)計(jì)。
1．3 基于MC68376的EV電控系統(tǒng)CAN通信的設(shè)計(jì)[6～7]
1．3．1 MC68376內(nèi)嵌的TouCAN的基本特性
TouCAN模塊是MC68376內(nèi)嵌的實(shí)現(xiàn)CAN通信協(xié)議的CAN控制器。其最高傳輸速度高達(dá)1Mbit／s，可同時(shí)支持CAN協(xié)議中的標(biāo)準(zhǔn)(11位)和擴(kuò)展(29位)ID兩種報(bào)文模式。TouCAN模塊包含16個(gè)具有發(fā)送和接收功能的報(bào)文緩沖器。此外，它還具有報(bào)文過濾功能，用于對(duì)接收到的報(bào)文ID碼和預(yù)先設(shè)定的接收緩沖區(qū)ID碼進(jìn)行比較，從而確定接收到的報(bào)文是否有效。
圖3為TouCAN的結(jié)構(gòu)框圖，其中CANTX和CANRX分別為發(fā)送和接收引腳。
1．3．2 MC68376 CAN通信硬件接口的設(shè)計(jì)
圖4是CAN節(jié)點(diǎn)硬件接口電路原理圖，其中CAN 5V是CAN總線接口電路專用的電源，實(shí)現(xiàn)CAN總線電源與CPU電源的隔離，使CAN系統(tǒng)的電壓波動(dòng)不影響CPU的正常工作電壓。6N137為光電耦合芯片，可實(shí)現(xiàn)電信號(hào)之間的電氣隔離。
PCA82C250用來提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力，完全與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)兼容。在運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，PCA82C250具有抗瞬變、射頻和電磁干擾的性能，內(nèi)部的限流電路在電路短路時(shí)具有對(duì)傳送輸出級(jí)進(jìn)行保護(hù)的功能。
圖6
1．3．3 MC68376 CAN通信軟件的設(shè)計(jì)
各控制器按規(guī)定格式和周期發(fā)送數(shù)據(jù)(車速、蓄電池電壓、電流和溫度等)到總線上，同時(shí)也要接收其它控制器的信息�？偩�上其它控制器根據(jù)需要各取所需的報(bào)文。對(duì)于接收數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用中斷的方式實(shí)現(xiàn)，一旦中斷發(fā)生，即將接收的數(shù)據(jù)自動(dòng)裝載到相應(yīng)的報(bào)文寄存器中。此時(shí)還可采用屏蔽濾波方式，利用屏蔽濾波寄存器對(duì)接收?qǐng)?bào)文的標(biāo)識(shí)符和預(yù)先在接收緩沖器初始化時(shí)設(shè)定的標(biāo)識(shí)符進(jìn)
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