CAN總線在混合動(dòng)力汽車中的應(yīng)用研究

引言

上世紀(jì)90年代以來，隨著對(duì)汽車功能要求的不斷提高和汽車控制技術(shù)的發(fā)展，在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，CAN總線幾乎成為一種必須采用的技術(shù)手段，不僅在一些高級(jí)轎車，而且在經(jīng)濟(jì)型轎車中進(jìn)入了實(shí)用化階段。CAN總線規(guī)范是目前唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，并得到Intel、Motorola、Philips、TI、Infineon等許多半導(dǎo)體制造廠商的支持，推出各種集成有CAN協(xié)議的產(chǎn)品。

CAN總線不僅用于汽車電氣系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線，而且由于網(wǎng)絡(luò)控制的發(fā)展以及它所具有的優(yōu)秀性能和高可靠性而越來越受到工業(yè)界的重視。

1 CAN總線的特點(diǎn)及通信協(xié)議

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。在CAN總線接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理。CAN協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由1 1位或29位二進(jìn)制數(shù)組成。按數(shù)據(jù)塊的編碼方式，可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域和汽車行業(yè)中控制命令、工作狀態(tài)以及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求，保證通信的實(shí)時(shí)性；CAN協(xié)議采用CRC校驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證數(shù)據(jù)通信的可靠性；采用非破壞性仲裁技術(shù)：當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線上發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間，尤其在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

CAN通信協(xié)議規(guī)定了4種不同的幀格式，即數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和超載幀?；谝韵禄疽?guī)則進(jìn)行通信協(xié)調(diào)：總線訪問、仲裁、編碼／解碼、出錯(cuò)標(biāo)注、超載標(biāo)注。

J1939是一種支持閉環(huán)控制的在多個(gè)ECU之間高速通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在CAN總線通信協(xié)議2．OB之上具體實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用層，成為載貨車和大客車廣泛使用的通信標(biāo)準(zhǔn)。任何遵循同一J1939／0X(X=1，2，...，用來表示不同的版本或應(yīng)用范圍)文件規(guī)定的電子控制單元(ECU)均可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊。SAEJ1939使用PDU(用于確定分配到數(shù)據(jù)域的參數(shù)組編碼)封裝和實(shí)施CAN的標(biāo)準(zhǔn)格式(表1)，具體定義如下：協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU由優(yōu)先權(quán)P、參數(shù)組號(hào)(PGN)、源地址SA和數(shù)據(jù)DATA組成。參數(shù)組號(hào)PGN又由保留位R、數(shù)據(jù)頁DP、PDU格式PF和PDU特性域PS組成。J1939／71應(yīng)用層文檔定義了車輛控制的各種參數(shù)及命令的PGN。本文參考J1939協(xié)議，采用29位ID的編碼方式。

表1 SAE J1939的PDU封裝格式

2 基于CAN通信的XL2000輕度混合動(dòng)力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2．1 XL2000輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)原理框圖及控制網(wǎng)絡(luò)要求

系統(tǒng)在臺(tái)架上的調(diào)試原理如圖1所示。原夏利2000的4缸1．3L汽油機(jī)換成3缸1．OL TJ376QE汽油機(jī)，該汽油機(jī)的飛輪被替換為一個(gè)10kW永磁電機(jī)，既可以工作在電動(dòng)模式提供輸出扭矩也可以工作在發(fā)電模式提供電能。發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門被改造為電控節(jié)氣門，接受主控制器控制。主控制器通過控制電控節(jié)氣門開度和管理電控噴油器功率回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的力矩控制和啟停管理。主控制器、電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)通過CAN總線交換信息，以實(shí)現(xiàn)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的共享、控制指令的發(fā)送和接收等，并執(zhí)行各自的控制功能，從而提高系統(tǒng)的控制性能。它們之間的通信與信息類型為信息類和控制類。

圖1系統(tǒng)調(diào)試原理框圖

2．2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

考慮開發(fā)的便利性、快速性以及成本的考慮，盡量發(fā)揮各自的開發(fā)優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)中使用的控制器有Motorola公司的M68376、TI公司的DSP內(nèi)核芯片TMS320LF2407和Cygnal公司的增強(qiáng)型C8051F020單片機(jī)。前兩種單片機(jī)集成有CAN控制器模塊，CAN和微控制器之間通過芯片內(nèi)部總線交換數(shù)據(jù)；而后一種控制器無CAN接口，采用獨(dú)立的CAN控制器SJAl000，以適應(yīng)C805 1F020單片機(jī)，通過并行數(shù)據(jù)口交換數(shù)據(jù)信息。CAN的外圍器件采用82C250收發(fā)器增強(qiáng)總線驅(qū)動(dòng)能力，采用光耦6N137在電氣與總線隔離，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，起到安全保護(hù)作用。