一種基于CAN總線的電動車控制系統設計方案

　　隨著現代汽車的快速發展，汽車電子設備不斷增加，傳統的接線方式已遠遠不能滿足汽車愈加復雜的控制系統要求，汽車控制局域網CAN總線應運而生，它廣泛應甩于汽車電子控制系統中，也是唯一一個成為國際標準的汽車局域網。

　　目前，由于環境污染和能源危機問題日益嚴重，電動汽車的發展開始得到各國的高度重視，成為未來汽車發展的主流方向。電動汽車主要具有三大關鍵技術：驅動控制系統、電池電源、整車電子控制系統。整車電子控制系統必須滿足純電動汽車的設計理念，使之既節能又簡單可靠。在目前電池技術水平下，解決兩大關鍵技術，有助于電動汽車在中國首先市場化，其經濟意義不言而喻。 電動汽車動力系統結構復雜多樣，部件類型繁多。先進高效的控制體系結構，可以使電動汽車各動力系統之間的數據交換滿足簡單迅速、可靠性高、抗干擾能力強、實時性好、系統錯誤檢測和隔離能力強等要求。

　　本文設計了一種基于CAN總線的電動汽車整車電子控制系統，本系統采用短幀的報文結構，數據傳輸時間短，具有很強的抗干擾性，具有高效的非破壞總線仲裁，出錯檢測和故障自動關閉等優點。

　　1 控制系統整體結構

　　電動車控制系統由電池管理、充電機、電動機和整車控制等模塊組成。本系統總體結構如圖1所示。

　　由圖1知，CAN通信網絡上共有4個通信節點。整車控制器接收BMS、CCS、電機控制器的報文提供的各種參數;充電機接收BMS發送的控制信息并根據報文數據的電壓電流設置來工作;電機控制器接收BMS發送的電池狀態信息設置來工作，同時電機控制器接收由整車控制器發送的控制信息并根據報文數據的轉矩設置來工作。

　　2 CAN總線節點的硬件電路設計

　　CAN是ControllerAreaNetwork的縮寫，是ISO國際標準化的串行通信協議。在當前的汽車產業中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統被開發了出來。由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。為適應"減少線束的數量"、"通過多個LAN,進行大量數據的高速通信"的需要，1986年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN通信協議。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進行了標準化，現在在歐洲已是汽車網絡的標準協議。現在，CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。

　　整車控制節點是基于STM32F103VE設計的。ARMCortex TM-M3是一款高性能、低成本、低功耗的32位BISC處理器，可在高達72 MHz的頻率下運行，擁有512 KB的片內Flash程序存儲器，具有64 KB的RAM數據存儲器，可進行高性能的CPU訪問。該徽控制器包含1個USB2.0全速(12 Mb/s)設備、1路CAN2.0B通道、1個通用DMA控制器、3個16位的A/D轉換器和1個16位的D/A轉換器。同時該微控制器具有4個16位捕獲/比較定時器和1個看門狗定時器，因此ARM cortexTM-M3可以滿足電動車控制的需要，減少了系統硬件設計的復雜度。STM32F103VE支持J-Link實時仿真和跟蹤，內部搭載有1通道的支持CAN20.B規格的CAN控制器，使得CAN通信模塊的設計更加方便。整車控制節點硬件電路圖如圖2所示，由徽控制器STM32F103VE、 CAN總線收發器82C250、2個高速光耦16N137等組成。

　　STM32F103VE采用單電源供電，時鐘由8 MHz外部晶振產生。對Flash存儲器的編程通過J-Link進行編程(IAR)實現。STM32F103VE內部集成一路CAN控制器，簡化了傳統單片機外接CAN控制器和CAN收發器的復雜外圍電路。收發器82C250是CAN控鑭器和物理總線之問的驅動器接口，它可以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，其位速度高達1Mb/s,與ISO11898標準兼容。它的斜率控制功能使電磁兼容性能增強，準備模式可以減少網絡的功耗，準備模式中，網絡一旦檢測到總線上有報文就會被立即激活。同時，它可提供更強抗干擾能力，以及有熱保護、短路保護、支持多達110個節點等好處。

　　在微控制器和CAN總線收發器之間，采用了2個高速光電耦合器6N137進行電氣隔離，防止將總線干擾引入系統，提高了系統的可靠性。同時，在節點端部接有1個120 Ω終端匹配電阻，提高了數據通信的抗干擾性。

　　3 CAN通信協議的設計

　　根據ISO/OSI模型，CAN總線規范了只制定了數據鏈路層中的媒體訪問子層和一小部分的邏輯鏈路控制子層，CAN的ISO標準規定了總線及驅動器的電氣特性。因此需要根據自己的需求設計通信協議。

　　CAN協議標準2.0B的數據幀的ID長度為29位，為擴展格式數據幀結構，如圖3所示。

　　數據幀由幀起始、仲裁段、控制段、數據段、CRC段、ACK段、幀結束組成。協議的設計是對標識符和數據位的定義。

　　本系統協議的設計參照SAEJ1939協議標準，標識符分配為優先級(P)、保留位(R)、數據頁(DP)、代碼域(PF)、目標域(PS)、源地址(SA)和數據域(DF)7個部分。根據需求定義了5個報文，報文標識符定義如表1所示。

　　整車控制器的節點地址為OxA7;BMS節點地址為OxE4;CCS節點地址為OxE5;電機控制器節點地址為OxE6.

　　根據實際需求，設計了5個報文，分別為：BMS發給CCS和電機控制器的2個報文，CCS和電機控制器發給整車控制器的2個報文，整車控制器發給電機的報文。根據信息的重要程度，將電機控制器和整車控制器間的報文設計為最高優先級3,其他報文優先級設計為6.