基于CAN總線的EV電控系統通信的設計與開發

摘　要：以MC68376集成CAN控制器為例,闡述了純電動車(Electric Vehicle,簡稱EV)電控系統采用SAEJ1939通信協議實現CAN總線通信的設計要點,給出了基于CAN通信的動力蓄電池監控系統的電池充放電特性曲線。實驗證明CAN總線通信速率高、準確、可靠性高。

關鍵詞：電控系統 CAN總線 通信 MC68376

隨著汽車上電子控制裝置越來越多,車身布線也愈來愈復雜,使得運行可靠性降低,故障維修難度加大。為了提高信號的利用率,要求大批數據信息能在不同的電控單元中共享,同時汽車綜合控制系統中大量的控制信號也能實時進行交換。但是,傳統的汽車電子系統采用串行通信的方法,如用SAE1587等標準來實施,通信速度較慢、傳遞的數據量少,遠不能滿足高速通信的需求。近年來CAN總線已發展成為汽車電子系統的主流總線,并有基于CAN總線通信協議的車輛應用層通訊標準SAEJ1939[1～4]產生。

利用CAN總線開發的純電動車(EV)電控系統的通信網絡具有通信速率高、準確、可靠性高的特點,易于整車控制網絡的連接和管理,為傳感器信號、各個控制單元的計算信息和運行狀態的共享以及隨車或離車故障診斷等提供了基礎平臺,同時開發基于該通信網絡的控制器在線標定和實時監測系統也成為可能。

本文采用基于CAN2.0B的SAEJ1939通信協議,以MC68376為例,設計開發了應用于EV電控系統的CAN總線通信系統。

1 EV電控系統CAN通信的設計

1.1EV控制系統CAN總線通信原理

在EV控制系統中,控制器包括:制動控制器(ABS/ASR)、動力總成控制器PTCM(Powertrain Control Module)、動力蓄電池管理器BPCM(Battery Pack Control Module)、驅動電機控制器DMCM(Driver Motor Control Module)、動力轉向控制器及儀表控制器IPCM(Instrument Pack Control Module)等。在各控制器之間通過CAN通信網絡交換數據,實現數據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。

圖1 純電動車控制系統CAN通信網絡拓撲圖

1.2 EV電控系統CAN通信的設計

根據CAN通信原理,硬件主要由CAN控制器和CAN驅動器組成。動力控制總成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;電機控制DMCM模塊、動力轉向控制模塊和制動控制模塊采用SJA1000控制器。CAN驅動器全部采用PCA82C250。

圖2是EV的車載CAN通信網絡節點連接圖,每個總線末端均接有用RL表示的抑制反射的負載電阻。負載電阻連接在CAN-H和CAN-L之間,對于不帶集成終端電阻(通常使用)的ECU,此電阻為60Ω;對于帶有集成終端電阻的ECU,此電阻為120Ω。終端負載電阻最好置于總線末端,取消ECU內部的負載電阻RL,因為如果其中一個ECU從總線斷開,總線將丟失終端。

圖2 純電動車　CAN　通信網絡節點連接圖

下面以32位高智能微處理器MC68376為例介紹EV電控系統CAN通信的設計。

1.3 基于MC68376的EV電控系統CAN通信的設計[6～7]

1.3.1 MC68376內嵌的TouCAN的基本特性

TouCAN模塊是MC68376內嵌的實現CAN通信協議的CAN控制器。其最高傳輸速度高達1Mbit/s,可同時支持CAN協議中的標準(11位)和擴展(29位)ID兩種報文模式。TouCAN模塊包含16個具有發送和接收功能的報文緩沖器。此外,它還具有報文過濾功能,用于對接收到的報文ID碼和預先設定的接收緩沖區ID碼進行比較,從而確定接收到的報文是否有效。

圖3為TouCAN的結構框圖,其中CANTX和CANRX分別為發送和接收引腳。

圖3 TOUCAN　結構框圖

1.3.2 MC68376 CAN通信硬件接口的設計

圖4是CAN節點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,實現CAN總線電源與CPU電源的隔離,使CAN系統的電壓波動不影響CPU的正常工作電壓。6N137為光電耦合芯片,可實現電信號之間的電氣隔離。

PCA82C250用來提供對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力,完全與ISO11898標準兼容。在運動環境中,PCA82C250具有抗瞬變、射頻和電磁干擾的性能,內部的限流電路在電路短路時具有對傳送輸出級進行保護的功能。

圖4 CAN節點硬件接口電路原理圖

1.3.3 MC68376 CAN通信軟件的設計

各控制器按規定格式和周期發送數據(車速、蓄電池電壓、電流和溫度等)到總線上,同時也要接收其它控制器的信息。總線上其它控制器根據需要各取所需的報文。對于接收數據,本系統采用中斷的方式實現,一旦中斷發生,即將接收的數據自動裝載到相應的報文寄存器中。此時還可采用屏蔽濾波方式,利用屏蔽濾波寄存器對接收報文的標識符和預先在接收緩沖器初始化時設定的標識符進行有選擇地逐位比較,只有標識符匹配的報文才能進入接收緩沖器,那些不符合要求的報文將被屏蔽于接收緩沖器外,從而減輕CPU處理報文的負擔。并且不同數據放入不同的報文寄存器中,因此在接收中斷服務程序中即可很容易地判斷出中斷是由哪個接收報文引起的。

圖5為基于MC68376的CAN通信程序流程圖。

圖5 程序流程框圖

2 CAN通信在EV電控系統開發中的應用

EV電控系統CAN通信建立了各控制器之間的通信網絡,實現了各控制器之間以及與儀表盤的信息互通。通過開發的在線標定系統和監測系統,在PC機上可以實時監測各控制器的參數。圖6和圖7為利用CAN通信設計的鎳氫電池實時監測系統獲得的充放電特性曲線。CAN通信數據傳輸速率為500kbit/s,該系統實時地反映了鎳氫電池充放電的特性。

CAN總線作為一種可靠的汽車計算機網絡總線已開始在先進的汽車上得到應用,使得各汽車計算機控制單元能夠通過CAN總線共享所有的信息和資源,達到簡化布線、減少傳感器數量、避免控制功能重復、提高系統可靠性和可維護性、降低成本、更好地匹配和協調各個控制系統的目的。這樣使得汽車的動力性、操作穩定性、安全性都上升到新的高度。隨著汽車電子技術的發展,具有高度靈活性、簡單的擴展性、優良的抗干擾性和處理錯誤能力的CAN總線通信協議必將在汽車電控系統中得到更廣泛的應用。

參考文獻
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