德国Bosch公司为了解决现代车辆中众多的控制和数据交换问题,开发出一种CAN(Controller AreaNetwork) 现场总线通讯结构. CAN总线硬件连接简单,有良好的可靠性、实时性和性能价格比. CAN总线能够满足现代自动化通讯的需要,已成为工业数据总线通讯领域中最为活要跃的一支.

其主要特点是: ①CAN总线为多主站总线,各节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息,不分主从,通信灵活; ②CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术,优先级高的节点优先传送数据,能满足实时性要求; ③CAN总线具有点对点,一点对多点及全局广播传送数据的功能; ④CAN总线上每帧有效字节数最多为8个,并有CRC及其它校验措施,数据出错率极低,万一某一节点出现严重错误,可自动脱离总线,总线上的其它操作不受影响; ⑤CAN总线只有两根导线,系统扩充时,可直接将新节点挂在总线上即可,因此走线少,系统扩充容易,改型灵活; ⑥CAN总线传输速度快,在传输距离小于40m时,最大传输速率可达1Mb/s. 正是由于CAN总线具有这些其它通信方式无法比拟的优点,使之成为电动汽车控制系统的理想总线.

1 电动汽车对通讯网络的需求

电动汽车由于储能设备容量有限,在运行过程中对能源的管理十分严格. 效率是衡量电动汽车系统性能的重要指标,国家863“十五”电动汽车重大专项要求电动机系统额定效率为85% ,控制器的额定效率达到95%. 电动汽车电子控制系统的动态信息必须具有实时性,各子系统需要将车辆的公共数据实时共享,如电机转速、车轮转换、油门踏板位置和刹车踏板位置等. 但不同控制单元的控制周期不同,数据转换速度、各控制命令优先级也不同,因此需要一种具有优先权竞争模式的数据交换网络,并且本身具有极高的通信速率. 此外,作为一种载人交通工具,电动汽车必须具有较好的舒适性,整车通讯系统必须具有很强的容错能力和快速处理能力.

目前,电动汽车的发展得到了各国的高度重视.电动汽车成为未来汽车发展的主流方向. 电动汽车内电气元件极多,需要实时传输和共享的数据很多.如何提高电动汽车通讯的实时性、可靠性和应急处理能力成为电动汽车通讯的难点所在. 我们采用TMS320LF2407型DS作为电动汽车通讯系统的主处理器,利用DSP良好的快速处理能力提高数据处理速度,从而提高通讯的实时性;利用DSP内嵌的CAN总线模块作为CAN的控制器,减少硬件电路的复杂性,从而提高通讯的可靠性;通过软件设计紧急时刻屏蔽次要因素来提高电动汽车的应急处理能力.

2 控制方案

电动汽车总成控制我们采用先进的模糊控制,采用的控制器也是TMS320LF2407型的DSP. 对采集到的刹车信号,加速信号和反馈回的转速信号进行模糊处理,得到期望的转速信号,并将得到的转速值通过CAN 总线传送到电动机的控制机构,对电动机进行控制,满足驾驶员的驾驶意图. 同时管理灯光系统和屏幕显示系统. 屏幕显示系统实时显示电动汽车的运行状态. 具体控制方案如图1 所示.

图1 电动汽车控制系统结构框图

3 电动汽车CAN总线通讯方案

电动汽车控制需要良好的通讯协调性和运行可靠性. 良好的通讯系统是实现电动汽车可靠运行的关键. CAN总线结构是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络. 图2 是一个典型的电动汽车CAN总线结构示意图,包括整车动力部分的主电动机控制器、电池组管理系统、电动汽车屏幕显示系统等多个设备,这些子系统之间通过CAN进行数据通讯和命令传输. 每个节点设备都能够在脱离CAN 总线的情况下独立完成自身系统的运行,从而满足车辆运行安全性的需要. 同时,CAN总线也不会因为某个设备的脱离而出现系统结构崩溃的现象.

图2 电动汽车CAN 总线结构图

4 CAN总线模块

CAN 总线模块是DSP的一个16位的外设,是一个完整的CAN 控制器. 除具有CAN 总线的基本功能外,还有一些特有功能,如:对象有六个邮箱,其数据长度为0～8 个字节,其中两个接收邮箱(0、1) ,两个发送邮箱(4、5) ,两个可配置为接收或发送邮箱(3、4) ;自动回复远程请求功能;可编程的CAN 总线唤醒功能;自测试模式功能等. 对CAN 总线的访问分为控制/ 状态寄存器的访问和邮箱的RAM 访问.CAN 总线控制模块的内存空间分配图如图3 所示.

图3 CAN 总线内存空间分配

CAN 控制器发送的信息帧有两种,一种是发送数据帧,一种是发送远程帧. 发送邮箱有邮箱4 和邮箱5以及被配置为发送方式的邮箱2 和邮箱3. 发送数据帧时,在数据写到发送邮箱的数据区后,如果相应的发送请求位使能,则数据帧被发送到CAN 总线上. 数据帧的数据区可以通过软件设置成1～8 个字节. 数据帧的格式如图4 所示.

图4 CAN 总线数据帧

CAN 总线控制器的接收邮箱有邮箱0和邮箱1及被配置为接收方式的邮箱2 和邮箱3. CAN 控制器在接收信息时,首先要将接收信息的标志符与相应接收邮箱的标志符进行比较,只有标志符相同的信息才能被接收. CAN 总线控制器的接收寄存器使得接收邮箱可以忽略更多的位来接收信息. 但是,如果当接收屏蔽使能位(AME) 为0 时,则局部接收屏蔽寄存器将失效. 只有配置为发送方式的邮箱2 和邮箱3 才可以接收自动应答远程帧. 当邮箱接收到远程帧后,接收节点将自动发送一个数据帧作为应答.

5 接口电路设计

由于DSP 本身内带CAN 总线模块,所以不需要专门的CAN 控制器,DSP 本身不具有CAN 收发器,需要外接CAN 收发器82C250 ,中间使用光电隔离器6N137. 如果距离很短,可以不使用光电隔离器. DSP与光电隔离器和CAN 收发器硬件连接图如图5 所示.

图5 DSP 与CAN 总线硬件连接图

6 电动汽车总成控制器CAN通讯的软件实现

电动汽车总成控制器是电动汽车的心脏,它需要频繁的接收和发送数据对电动汽车进行实时控制和检测. 发送信息采用查询方式,接收信息采用中断方式. 通过设定不同事件的不同优先级来确定信息的接收和发送顺序,同时增加紧急事件处理程序来提高控制器处理紧急事件的能力,保证车辆和人身安全. 紧急事件处理程序是当紧急事件发生时,如执行器件损坏,急刹车和急转弯等,通过暂时屏蔽低优先级事件,如电池电量检测,LCD 显示系统等,使控制器有足够的时间处理紧急事件,以提高控制器的实时控制能力和应急处理能力. 控制器软件流程图如图6 所示.

图6 控制器软件流程图

7 结论

目前,现场总线在自动化领域中快速发展,CAN总线作为一种很有影响的现场总线,采用了许多新的技术和设计,使CAN 总线成为最有发展前途的现场总线之一. CAN 总线以其高实时性、高可靠性和高灵活性,在工业自动化控制中得到了越来越多的应用. 本文应用DSP 控制器作为CAN 总线的微处理器,利用DSP 很强的数据处理能力和CAN 总线传输速率高、可靠性高的特点,对电动汽车内复杂的通讯系统提出解决方案. 实验证明,本系统不但解决了电动汽车通讯对实时性的要求,而且可靠性和稳定性都得到了提高.