基于CAN總線的電動車控制系統(tǒng)設計方案

隨著現(xiàn)代汽車的快速發(fā)展，汽車電子設備不斷增加，傳統(tǒng)的接線方式已遠遠不能滿足汽車愈加復雜的控制系統(tǒng)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(tǒng)中，也是唯一一個成為國際標準的汽車局域網。

目前，由于環(huán)境污染和能源危機問題日益嚴重，電動汽車的發(fā)展開始得到各國的高度重視，成為未來汽車發(fā)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(tǒng)、電池電源、整車電子控制系統(tǒng)。整車電子控制系統(tǒng)必須滿足純電動汽車的設計理念，使之既節(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，本系統(tǒng)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(yōu)點。

1 控制系統(tǒng)整體結構

電動車控制系統(tǒng)由電池管理、充電機、電動機和整車控制等模塊組成。本系統(tǒng)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(jié)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(fā)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(fā)送的電池狀態(tài)信息設置來工作，同時電機控制器接收由整車控制器發(fā)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(jié)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(xié)議。在當前的汽車產業(yè)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(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)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(fā)出面向汽車的CAN通信協(xié)議。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進行了標準化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網絡的標準協(xié)議?，F(xiàn)在，CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面?，F(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)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(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)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(jié)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(tǒng)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(guī)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(jié)點硬件電路圖如圖2所示，由徽控制器STM32F103VE、CAN總線收發(fā)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(xiàn)。STM32F103VE內部集成一路CAN控制器，簡化了傳統(tǒng)單片機外接CAN控制器和CAN收發(fā)器的復雜外圍電路。收發(fā)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(fā)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(jié)點等好處。

在微控制器和CAN總線收發(fā)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(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時，在節(jié)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(xié)議的設計

根據ISO/OSI模型，CAN總線規(guī)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(guī)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(xié)議。

CAN協(xié)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(xié)議的設計是對標識符和數據位的定義。

本系統(tǒng)協(xié)議的設計參照SAEJ1939協(xié)議標準，標識符分配為優(yōu)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(jié)點地址為OxA7;BMS節(jié)點地址為OxE4;CCS節(jié)點地址為OxE5;電機控制器節(jié)點地址為OxE6.

根據實際需求，設計了5個報文，分別為：BMS發(fā)給CCS和電機控制器的2個報文，CCS和電機控制器發(fā)給整車控制器的2個報文，整車控制器發(fā)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(yōu)先級3,其他報文優(yōu)先級設計為6.

　　4 CAN總線節(jié)點的軟件設計

系統(tǒng)采用基于C語言的程序設計。在IAB開發(fā)環(huán)境下進行調試和仿真。整車控制節(jié)點的軟件設計主要包括4個部分：CAN控制器的初始化、報文發(fā)送、報文接收和錯誤處理。

4.1 CAN控制器的初始化

在啟動CAN通信前必需進行CAN模塊的初始化，包括硬件使能、CAN工作模式設置、總線波特率設置、設置中斷、驗收過濾器設置等。初始化操作在CAN模塊復位的模式下進行。初始化程序流程圖如圖4所示。

本設計中采用的是29位擴展標示符，符合CAN2.0B的標準，所以在驗收屏蔽過濾器設置中進行相應的設定。同時，本設計的CAN波特率設置為250 Kb/s,與總線上其他節(jié)點的波特率相同，才能進行正常的通信。

4.2 數據的發(fā)送

對CAN數據的發(fā)送采用查詢方式，提高處理器的效率，STM32F103VE的CAN模塊有3個發(fā)送郵箱，發(fā)送報文的流程為：應用程序選擇一個空發(fā)送郵箱；設置標識符，數據長度和待發(fā)送數據；對CAN+TixR寄存器的TXRQ位置1,請求發(fā)送；一旦CAN總線進入空閑狀態(tài)，發(fā)送郵箱中的報文則立即發(fā)送，成功發(fā)送后，郵箱為空；通過查詢CAN_TSR寄存器的TXOK位來查詢報文是否發(fā)送成功。數據發(fā)送程序的流程圖如圖5所示。

4.3 數據的接收

對CAN報文的接收采用中斷方式，提高通信的實時性。接收報文的流程如圖6所示。當CAN總線發(fā)來一個報文，根據屏蔽過濾器設置的標識符進行過濾，如果是要接收的報文，則CAN控制器將總線上的報文按順序存入接收FIFO,并進入接收中斷，在中斷中對接收FIFO中的報文進行存儲，然后釋放FIFO郵箱。如果不釋放郵箱，當總線上再發(fā)送過來報文時，會直接覆蓋上一個報文，從而導致報文丟失。數據接收程序流程如圖6所示。

4.4 錯誤處理

電動車的整車控制器需要接收BMS、CCS和電機控制器這3個節(jié)點發(fā)來的報文，如果超過1 s未接收到例如BMS的報文，則通信鏈路超時，此時需要進行故障處理。所以在軟件設計時，定義一個全局變量，在每個定時周期中加1,在接收BMS報文中斷中，對此變量清零，則可以實現(xiàn)通信超時檢測。當總線發(fā)生嚴重故障時，CAN節(jié)點錯誤寄存器累積到一定次數時，CAN控制器會關閉總線，節(jié)點脫離總線。

　　5 結論

在實車實驗中，各個節(jié)點可以實現(xiàn)可靠的數據通信，可以實現(xiàn)電動車的加減速和勻速運行。在本電動車控制系統(tǒng)中，設計的CAN通信節(jié)點體積小、功耗低、處理能力強、抗干擾性好，能在電磁環(huán)境復雜的環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地工作。在電動車控制系統(tǒng)中可實現(xiàn)數據的實時快速通信，可靠性強。