基于CAN總線的電動汽車數(shù)字控制系統(tǒng)研究

1 CAN總線的簡介
CAN(ControllerAreaNewtork)即控制器局域網(wǎng)，是一種先進的串行通信協(xié)議，屬于現(xiàn)場總線范圍。CAN總線是最初由德國Bosch公司在80年代初期，為了解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試一起之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，目的是通過較少的信號線將汽車上的各種電子設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，并提高數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)目煽啃?，CAN總線具有較強糾錯能力，支持差分收發(fā)，因而適合高噪聲環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離，特別適合于中小型分布式測控系統(tǒng)，目前己在工業(yè)自動化、建筑物環(huán)境控制、機床、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。CAN總線具有以下幾個重要特點：
1)結(jié)構(gòu)簡單，只有兩根線與外部相連，且內(nèi)部含有錯誤探測和管理模塊。
2)通信方式靈活。可以多種方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可在任意時刻主動的向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。
3)可以點對點、點對多點及全局廣播方式發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。
4)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。
5)CAN通訊格式采用短幀格式，每幀字節(jié)數(shù)最多為8個，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)和測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)也不會占用總線時間過長，從而保證了通訊的實時性。
6)采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。當(dāng)兩個節(jié)點同時向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可以不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，這大大地節(jié)省了總線仲裁沖突時間，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
7)直接通訊距離最大可達(dá)1k0m(速率在5kb／S以下)，最高通訊速率可達(dá)1Mb／s(此時距離最長為40m)。節(jié)點數(shù)可達(dá)110個，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。
8)CAN總線通訊接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。
9)CAN總線采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

2 系統(tǒng)設(shè)計
電動汽車數(shù)字控制系統(tǒng)主要由電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)，動力裝置的冷卻系統(tǒng)，汽車電器、儀表顯示、供電系統(tǒng)，信息通信系統(tǒng)等組成。電動汽車采用雙CAN總線結(jié)構(gòu)，電機驅(qū)動控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)和信息通信系統(tǒng)均采用高速CAN總線通信；動力裝置的冷卻系統(tǒng)，汽車電器、儀表顯示、供電系統(tǒng)采用低速CAN總線系統(tǒng)；高、低速CAN總線系統(tǒng)之間采用網(wǎng)關(guān)進行交換，如圖1所示，CAN總線符合CAN．20B標(biāo)準(zhǔn)和15011898國際標(biāo)準(zhǔn)。通信介質(zhì)采用普通屏蔽雙絞線。
選擇合適的MCU是CAN總線數(shù)字儀表控制系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵。它必須能適應(yīng)各類復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)的要求，如實時性、低功耗、快速數(shù)據(jù)處理、集成數(shù)模外設(shè)功能、集成CAN總線接口，還應(yīng)該集成充足的Flash或RAM供程序、數(shù)據(jù)存儲，以簡化電路，提高系統(tǒng)的可靠性。此外，它還要具有低成本和惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性。在綜合比較了當(dāng)前業(yè)界流行的幾款MCU，如DSP2000系列、ATM89系列和C8051F系列之后，最終選擇了Cygnal的C805lF這一系列高性能8位單片機。

C8051F系列單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片SOC具有與MCS51完全兼容的指令內(nèi)核。由于采用了流水線處理技術(shù)，不再區(qū)分時鐘周期和機器周期，大大提高了指令執(zhí)行效率，使其處理速度不遜于許多16位單片機。在低功耗的同時它還擁有著控制系統(tǒng)所需的豐富模擬、數(shù)字外設(shè)，大量的外設(shè)功能接口，通過交叉開關(guān)表分配到64個I／O引腳，這一獨創(chuàng)性設(shè)計使得芯片集成度大大增高。此外，C805lF還采用了Flash ROM技術(shù)，集成了JTAG，實現(xiàn)了真正的在線編程和片上調(diào)試。

3 接口電路設(shè)計
系統(tǒng)中選用Phliips公司的CAN總線收發(fā)器PCA82C250，PCA82C250是CAN控制器和物理層總線之間的接口，符合CAN國際標(biāo)準(zhǔn)15011898，它可以提供總線的差動發(fā)送能力和接收能力。用PCA82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾，實現(xiàn)熱防護等。PCA82C250允許的最高通信速度可達(dá)lMbps，最多節(jié)點數(shù)可達(dá)110個節(jié)點。它可以使系統(tǒng)具有較好的開放性和靈活性，即使該CAN總線在不要求所有節(jié)點及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖陀布那闆r下，可自由地增加或減少控制器節(jié)點。
C805lF040內(nèi)集成了完全支持CAN2．0A和CAN2．0B的CAN控制器，獨立的消息RAM可以處理32條消息對象，每個消息對象都可以進行發(fā)送和接收濾波，最高工作速率達(dá)到1Mb/s，能夠完成CAN總線協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的所有功能；其中CAN總線的競爭處理、CPU接口、同步、數(shù)據(jù)的一貫性以及連續(xù)性保證，都是由硬件來解決，CPU因此得以騰出大量的精力來處理其他的用戶功能。以上這些特性，使得C805lF040成為CAN總線節(jié)點微控制器的良好選擇。因而系統(tǒng)不需要專門的CAN控制器。通訊接口電路設(shè)計如圖2所示，82C250是CAN控制器和物理總線間的接口，它是專用的CAN驅(qū)動芯片，提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。為了增強CAN通信的抗干擾能力，在緩沖器和CAN驅(qū)動之間設(shè)計了光電隔離電路。采用的是高速光電隔離芯片6N137，輸入與輸出的供電電壓也都采用5V。同時為了避免電源引起的干擾，CAN通信部分采用單獨的DC―DC電源模塊供電。