并聯(lián)式混合動力汽車CAN通信技術的研究畢業(yè)論文

1、 . . . 摘要本文介紹了并聯(lián)式混合動力汽車CAN通信技術的研究。并聯(lián)式混合動力汽車與傳統(tǒng)燃機汽車相比增加了驅(qū)動電機，啟動電機，對整車能量進行合理分配才能實現(xiàn)整車控制策略、體現(xiàn)混合動力汽車的優(yōu)勢。使用CAN總線構建整車通信網(wǎng)絡，能夠?qū)④囕v上主要的控制單元聯(lián)系起來，可靠實時地實現(xiàn)指令傳輸和參數(shù)交換，并根據(jù)多能源管理系統(tǒng)預先設定的控制程序，依照控制策略實現(xiàn)動力源的合理分配。論文在研究混合動力汽車結構和CAN總線技術的基礎上，構建了基于CAN總線的混合動力汽車CAN通信網(wǎng)絡，設計混合動力汽車CAN通行協(xié)議，給出了CAN通信節(jié)點的軟、硬件設計。關鍵詞 : 混合動力汽車, CAN , 分布式控制, 能

2、源總成控制系統(tǒng)Abstract ：This article describes the parallel hybrid electric vehicle CAN Communication Technology。Parallel hybrid electric vehicle compared with conventional internal combustion engine to increase the drive motor vehicle, start the motor, the energy of the vehicle to achieve the reasonable a

3、llocation of vehicle control strategy, reflecting the advantages of hybrid cars。Construction of vehicle using the CAN bus communication network, can be the vehicle linked to the main control unit, to achieve reliable transmission of orders in real time and parameter exchange, and energy management s

4、ystems according to more than pre-control procedures, according to control strategy to achieve power sources reasonable distribution.Papers in the structure of hybrid vehicles and CAN bus technology based on the CAN bus based building hybrid vehicles CAN communication network, design hybrid vehicles

5、 CAN access protocol, gives the CAN communication node hardware and software design.KEY WORDS: Hybrid electrical vehicle; CANbus; Vehicle management unit; Electrical controlunits; Technical application目 錄1緒論51.1汽車電子的網(wǎng)絡化發(fā)展趨勢51.2 CAN總線在汽車中的應用51.3 CAN總線在混合動力汽車中的應用61.3.1 混合動力汽車簡介 61.3.2 基于CAN總線的混合動力汽車 8

6、1.4 本文主要研究論文82 混合動力汽車CAN通信網(wǎng)絡設計82.1 CAN總線簡介 82.1.1 CAN總線特性 102.2 混合動力汽車CAN通信網(wǎng)絡的構建 102.2.1 混合動力汽車構成102.2.2混合動力汽車CAN通信網(wǎng)絡的構建 112.2.3 混合電動汽車CAN通信協(xié)議122.3 本章小結 153 混合動力汽車CAN通信節(jié)點的設計 153.1 CAN控制器SJA1000簡介153.2 TMS320LF2407A嵌式CAN控制器簡介163.3 通用CAN節(jié)點設計163.4 嵌式CAN節(jié)點設計193.5 CAN通信的關鍵技術 213.6 本章小結 224 結論 23參考文獻 24致2

7、51 緒論11汽車電子的網(wǎng)絡化發(fā)展趨勢汽車電子的網(wǎng)絡化發(fā)展趨勢自從上世紀50年代晶體管點火裝置取代機械式點火系統(tǒng)開始1，汽車電子已經(jīng)深刻地影響了汽車的發(fā)展。電子裝置正逐步取代機械部件，以微控制器為主體的汽車電子設備在整車中所占比重不斷升高，汽車正在由機械產(chǎn)品逐步轉(zhuǎn)向機電一體化產(chǎn)品，轉(zhuǎn)向以分布式網(wǎng)絡技術為基礎的智能化系統(tǒng)，汽車電子化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標志。目前，電子設備在汽車中占的比重逐年增多，電子技術在汽車中的應用水平也逐年提高。電子技術的應用大大提高了汽車在動力性、安全性、舒適性和可靠性上?，F(xiàn)代汽車的高端性能大多來自汽車中使用的電子部件中。有資料表明2，一輛豪華汽車總的制造成本的33來自采

8、用汽車電子的費用，汽車創(chuàng)新的80源自汽車電子的使用。隨著電子器件和芯片技術的日益成熟，汽車電子化趨勢將持續(xù)發(fā)展下去，使用汽車電子的優(yōu)勢也會越來越明顯。汽車的電子化在幾十年的時間里大概經(jīng)歷了三個階段。第一階段，為提高個別機械部件的性能而在汽車中引入電子裝置的初始階段。如采用電子點火裝置取代機械式點火系統(tǒng)，引入車載收音機等。第二階段，就是微型計算機開始在汽車中使用的時期。而此時，電子器件的應用圍還是比較局限，但隨著燃油資源和排氣問題的出現(xiàn)，電子技術顯示出了在解決這些問題中的優(yōu)勢。在這一階段，汽車電子與機械技術、材料技術一起獲得快速發(fā)展，機電一體化成為汽車領域里的新概念。第三階段，汽車電子跨入智能化

9、、網(wǎng)絡化的方向階段。在汽車的網(wǎng)絡化結構中，所有部分協(xié)同工作滿足汽車駕駛員的行駛和操作意圖。先進控制、人工智能和模糊控制等控制策略與先進的半導體技術結合在一起，使駕駛變得越來越人性化。汽車電子的網(wǎng)絡化是汽車電子走向成熟的一個標志。汽車網(wǎng)絡的引入可追溯到上世紀80年代，汽車網(wǎng)絡是汽車電子發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。汽車網(wǎng)絡的概念大部分來自計算機網(wǎng)絡，但汽車網(wǎng)絡同時被賦予了控制的概念。起初，汽車的開關和執(zhí)行器等部件是通過點對點的接線方式實現(xiàn)的。這種方式臃腫、昂貴、復雜，造成造車和裝配中的諸多不便。隨著車身電子設備的增加，點對點連線方式會造成占用空間多、可靠性差、增加汽車重量等一系列問題。Internet的

10、成功給汽車的接線方式提供了一種啟示，汽車網(wǎng)絡的引入自然地成為解決這一問題的最佳方案?，F(xiàn)代汽車可以說是各種網(wǎng)絡的集合體，汽車部已經(jīng)基本形成了從低速到高速，從電纜到光纖，從有線到無線，從離散ECU的數(shù)據(jù)通信到中央智能控制，從傳感、顯示到操作控制，從車載娛樂到通信、導航的復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)。據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)在比較成熟的汽車電子網(wǎng)絡標準多達幾十種，在汽車領域應用普遍的也有十幾種。在網(wǎng)絡的存在下，各種電子器件之間不再是孤立的單個傳感器或執(zhí)行器，它們統(tǒng)一構成了以汽車網(wǎng)絡為媒介的功能化系統(tǒng)。12 CAN總線在汽車上的應用情況CAN總線的發(fā)展始于上個世紀80年代。1986年2月，Robert Bosch公司在SAE

11、(汽車工業(yè)協(xié)會)大會上介紹一種新型的串行總線一CAN總線。CAN從一開始就是專為汽車應用而設計的，目前它仍是汽車控制網(wǎng)絡的主流總線標準。世界上一些著名的汽車制造商，如寶馬、奔馳、保時捷等已經(jīng)采用CAN總線來實現(xiàn)汽車部控制系統(tǒng)同各檢測和執(zhí)行機構間的數(shù)據(jù)通信。CAN總線的良好性能和獨特設計以與其在各個領域的廣泛應用，促進了CAN總線的標準化進程。CAN總線已被列入高速CAN通信標準ISOll898、低速CAN通信標準ISOll519-2和CAN的診斷系統(tǒng)通信標準IS015765等ISO國際標準以與基于CAN通信協(xié)議的SAE汽車部網(wǎng)絡標準J1939。13 CAN總線在混合動力電動汽車上的運用131混

12、合動力電動汽車簡介混合動力電動汽車是指由兩種或兩種以上的儲能器，能源或轉(zhuǎn)換器作驅(qū)動能源，其中至少有一種能提供電能的車輛。在電池技術沒有完全解決的今天，混合動力汽車作為一種較好的解決方案己經(jīng)成功的實現(xiàn)了商業(yè)化。優(yōu)秀的混合動力汽車結合了發(fā)動機和電機的優(yōu)點，成功的改善了汽車的尾氣排放，提高了燃油效率，降低了油耗，并且不需要充電站等純電動車所需的配套設施。這些優(yōu)點完全適應了燃油緊的今天，是一種準綠色汽車?；旌蟿恿﹄妱悠嚫鶕?jù)其結構的不同，大體上可以分為串聯(lián)式(如圖1)、并聯(lián)式(如圖2)和混聯(lián)式(如圖3)。由于電動部分的加入，如何更好的實時優(yōu)化控制電動機和發(fā)動機就成了混合動力汽車的關鍵。而混合動力汽車的

13、結構復雜，有多種需相互作用卻又相對獨立的部件，并且車載環(huán)境比較惡劣，有很強的干擾，模擬信號的可靠性不高。這些特點都決定了采用基于CAN總線網(wǎng)絡的整車控制方案必要性。圖1 串聯(lián)式混合動力電動汽車結構形式圖2 并聯(lián)式混合動力電動汽車結構形式圖3 混聯(lián)式混合動力電動汽車結構形式132 基于CAN總線的混合動力電動汽車不管是哪種類型的混合動力汽車，其主要部件還是基本一致的，其中包括：發(fā)動機、電機、電池、變速箱、整車控制器等等。相應的，整車網(wǎng)絡節(jié)點可以由整車控制器節(jié)點、發(fā)動機控制器節(jié)點、電機控制器節(jié)點、電池管理系統(tǒng)節(jié)點和變速箱節(jié)點等等組成。在混合動力汽車的網(wǎng)絡研制階段，主要是對這些部件進行專業(yè)設計。當然

14、也可以將整車其他的電氣節(jié)點納入到整車的CAN網(wǎng)絡之中，例如ABS、音響、電子車鎖車窗，GPS等。我們在這里主要著重于動力總成方面的電氣節(jié)點，CAN網(wǎng)絡的設計也主要針對動力總成。通過CAN總線網(wǎng)絡，混合動力車輛各系統(tǒng)之間以節(jié)點信息的形式交流信息，方便各部件之間的匹配工作，也有利于整車控制與調(diào)節(jié)345。1.4 本文主要研究論文在研究混合動力汽車結構和CAN總線技術的基礎上，構建了基于CAN總線的混合動力汽車CAN通信網(wǎng)絡，設計混合動力汽車CAN通行協(xié)議，給出了CAN通信節(jié)點的軟、硬件設計。2 混合動力汽車CAN通信網(wǎng)絡設計CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，是一

15、種現(xiàn)場總線，用于連接生產(chǎn)現(xiàn)場儀表、控制器(傳感器、變送器、執(zhí)行器)等自動化裝置的雙向、串行、全數(shù)字化的通信網(wǎng)絡，是一種面向工業(yè)控制的底層設備網(wǎng)絡6。CAN最初由Bosch公司為汽車的檢測、控制系統(tǒng)而設計的。20世紀90年代以來，汽車上由電子控制單元(ECU)指揮的部件數(shù)量越來越多，例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動裝置（ABS）、安全氣囊裝置、電控門窗裝置、主動懸架等，這些電子控制單元通過CAN總線交換信息。目前汽車上的網(wǎng)絡連接方式主要采用2條CAN，一條用于驅(qū)動系統(tǒng)的高速CAN，速率達到500kbps，另一條用于車身系統(tǒng)的低速CAN，速率是100kbps。驅(qū)動系統(tǒng)CAN主要連接發(fā)動機控制器、A

16、SR與ABS控制器、安全氣囊控制器、組合儀表等7，車身系統(tǒng)CAN主要連接四門以上的集控鎖、電動車窗、后視鏡和車廂照明燈等。在信息社會中，有些先進的轎車還裝有第三條CAN總線，它主要負責衛(wèi)星導航與智能通訊系統(tǒng)。混合電動汽車的驅(qū)動電機控制器、電池管理系統(tǒng)、能源總成控制系統(tǒng)、啟動電機控制器同樣采用CAN總線實現(xiàn)信息的交換。2.1CAN總線簡介CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其主要特點如下：(1)CAN信息以報文格式傳輸，報文傳輸由以下4個不同的信息幀類型所表示和控制：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀，其中數(shù)據(jù)幀用于傳送數(shù)據(jù)，遠程幀用于請求發(fā)送具有同一標識符的數(shù)據(jù)幀，錯誤幀表示節(jié)點的出錯信息，過載幀用

17、以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀或遠程幀之間提供一附加的延時。信息幀以標準幀或擴展幀的形式傳輸，如圖2.1所示，標準幀的標識碼為11位，擴展幀的標識碼為29位。數(shù)據(jù)長度最多為8字節(jié)，保證了通信的實時性，同時滿足工業(yè)領域控制命令、工作狀態(tài)與測試數(shù)據(jù)8的一般要求。(2)節(jié)點采用多主機制。總線空閑時，任何節(jié)點都可以開始傳送報文，具有高優(yōu)先級權報文的節(jié)點獲得總線訪問權。報文優(yōu)先權由標識碼定義。(3)對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，廢除了傳統(tǒng)的地址編碼，可使網(wǎng)節(jié)點在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼位為11位或29位，可定義2048或536870912個不同的數(shù)據(jù)塊。通過報文濾波確定是否對線上數(shù)據(jù)做出反應，可使不同的節(jié)點同時

18、接收同一幀數(shù)據(jù)。(4)總線仲裁運用逐位仲裁規(guī)則，借助標識符ID解決。具有一樣的標識符的數(shù)據(jù)幀和遠程幀同時初始化時，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠程幀。仲裁期間，每一個發(fā)送器都對發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的電平進行比較。如果電平一樣，則該節(jié)點繼續(xù)發(fā)送。如果發(fā)送的是“隱性”電平，而監(jiān)視到的是“顯性”電平，則該節(jié)點失去仲裁，退出發(fā)送狀態(tài)。圖4 信息幀(5)CAN系統(tǒng)中，節(jié)點不使用關于系統(tǒng)結構的任何信息，使得系統(tǒng)配置靈活。(6)采用CRC校驗并提供相應的錯誤處理能力，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。(7)CAN總線具有錯誤檢測功能，即監(jiān)視、位填充、循環(huán)冗余檢查、報文格式檢查、自動重發(fā)功能。(8)CAN總線最大有效長度與傳輸速率的關

19、系如表1所示。表1 傳輸速率與有效長度的關系位速率(kbps)10005002501251005020105位速率(m)4013027053062013003300670010000 (9)CAN節(jié)點具有睡眠模式/喚醒功能9。為了減少系統(tǒng)電源的功耗，可將節(jié)點設為睡眠模式,以便停止部活動與斷開與總線驅(qū)動器的連接。CAN節(jié)點可由總線喚醒或系統(tǒng)部狀態(tài)激活。(10)CAN總線的編碼原則：連續(xù)發(fā)送5位一樣的二進制碼，插入1位補碼。(11)CAN總線的總線值分為“顯性”電平和“隱性”電平，“顯性”位與“隱性”位同時發(fā)送，總線值將呈“顯性”。例如，在總線的“線與”操作情況下，“顯性”電平為“0”，“隱性”電

20、平為“1”。CAN總線值與CANH、CANL電平的關系如表2所示。 表2 CAN總線值與CANH、CANL電平的關系CANH(V)CANL(V)CAN總線狀態(tài)2.52.5隱性3.51.5顯性(12)CAN協(xié)議可細分為應用層、目標層、傳輸層、物理層。目標層、傳輸層包括所有由ISO/OSI模型定義的鏈路層的服務和功能，目標層用于查找被發(fā)送的報文、確定由實際要使用的傳輸層接收哪一個報文、提供與硬件有關應用層的接口，傳輸層的功能包括控制幀結構、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定、故障界定10。2.1.1 CAN總線特性CAN總線是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。CAN協(xié)議采用通信數(shù)據(jù)塊進

21、行編碼，取代了傳統(tǒng)的站地址編碼，使網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)在理論上不受限制。由于CAN總線具有較強的糾錯能力、支持差分收發(fā)，因而適合高于擾環(huán)境11，并具有較遠的傳輸距離。CAN特性如下：第一，CAN是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡。第二，CAN協(xié)議遵循ISOOSI參考模型，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。第三，CAN可以多主方式工作，網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，節(jié)點之間有優(yōu)先級之分，因而通信方式靈活；CAN采用非破壞性逐位仲裁技術，優(yōu)先級發(fā)送，節(jié)省了總線沖突仲裁時間，在重負載下性能良好；CAN可以點對點、一點對多點(成組)與全局廣播等

22、方式傳送和接收數(shù)據(jù)。第四，CAN的直接通信距離最遠可達10000m(傳輸速率為5kbits)；最高通信速率可達1Mbits(傳輸距離為40m)。第五，CAN上的節(jié)點數(shù)可達110個。第六，CAN數(shù)據(jù)鏈路層采用短幀結構，每一幀為8個字節(jié)，易于糾錯；CAN每幀信息都有CRC校驗與其他檢錯措施，有效地降低了數(shù)據(jù)的錯誤率；CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉功能，使總線上其他節(jié)點不受影響。第七，信號調(diào)制解調(diào)方式采用不歸零(NRZ)編碼解碼方式，并采用插入填充位技術。第八，數(shù)據(jù)位具有顯性“0”(Dominantbit)和隱性“1”(Recessivebit)兩種邏輯值，采用時鐘同步技術，具有硬件自同

23、步和定時時間自動跟蹤功能。2.2 混合電動汽車CAN通信網(wǎng)絡的構成大學與長豐集團聯(lián)合研制的CFA6470HEV越野型混合電動汽車以CFA6470G四輪驅(qū)動越野車為平臺，采用并聯(lián)驅(qū)動方式，去掉了分動箱，發(fā)動機僅驅(qū)動后橋，驅(qū)動電機以鎳氫動力電池為能源驅(qū)動前橋，前輪、后輪通過地面摩擦力達到速度一致12。另外，啟動電機用于靜態(tài)啟動發(fā)動機和輕載時吸收發(fā)動機的富余力，驅(qū)動電機還用于對電池進行制動能量回收和下坡時的能量回收。2.2.1混合電動汽車的構成CFA6470HEV型混合電動汽車在傳統(tǒng)燃油車的基礎上增加了驅(qū)動電機、啟動電機、動力電池組，進而追加了驅(qū)動電機控制器(MCU)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、能源總

24、成控制系統(tǒng)(EACS)、啟動電機控制器(SCU)等電子控制系統(tǒng)。整個CFA6470HEV功能結構圖如圖5所示。圖5CFA6470HEV 功能結構圖其中發(fā)動機型號(4G64)、排量(2.351L)、最大功率(92KW)、最大扭矩(188NM)；驅(qū)動電機采用SOLECTRIA的三相交流感應電動機AC21-A,該電機額定功率(16KW)、額定轉(zhuǎn)矩(30Nm)、額定轉(zhuǎn)速(4000rpm)、最高轉(zhuǎn)速(12000rpm)；啟動電機額定功率(5KW)、最高轉(zhuǎn)速(15000rpm)、最高扭矩(38Nm)；鎳氫動力電池容量(8AH)、單體電壓(1.2V)、額定電壓(336V)、最大放電倍率(15C)、最大放電電

25、流(120A)、最大充電電流(60A)、總能量(2688WH)；驅(qū)動電機控制器采用逆變器DMOC425，該逆變器采用矢量控制法，根據(jù)EACS的扭矩命令進行出力；電池管理系統(tǒng)監(jiān)視電池的運行狀況，采用溫度補償、自放電率補償?shù)确椒ü烙嬍Ｓ嚯娏?；啟動電機控制器采用矢量控制法，根據(jù)EACS的扭矩命令出力；能源總成控制系統(tǒng)根據(jù)整車的當前狀態(tài)與路況進行下一步?jīng)Q策，確定整車的運行模式、發(fā)動機節(jié)氣門的位置、驅(qū)動電機的出力、啟動電機的出力，并顯示整車的運行情況。2.2.2 混合電動汽車CAN網(wǎng)絡的構建混合電動汽車保留了傳統(tǒng)車的CAN通信網(wǎng)絡，并將上述電子控制系統(tǒng)MCU、BMS、SCU、EACS通過CAN總線連成一

26、體，形成了另一個CAN通信網(wǎng)絡。如圖6所示。與RS-485總線類似，CAN總線只支持總線型網(wǎng)絡拓撲結構，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡。CAN總線通信只用到兩根導線CANH、CANL，對通信介質(zhì)的要求較低，雙絞線、同軸電纜或光纖均可，通常采用廉價的雙絞線即可13。本網(wǎng)絡采用雙絞線。圖6 混合電動汽車CAN通信網(wǎng)絡圖6中，CAN總線兩個末端均接有抑制信號反射的終端電阻R，當通信介質(zhì)為雙絞線時，一般取R100120。在實際組網(wǎng)的時候，應根據(jù)現(xiàn)場情況決定圖中的3個參數(shù)：節(jié)點分支長度D應小于0.3米；相鄰節(jié)點的距離S和不加中繼的可靠通信距離L取決于總線的通信速率，速率越高，其允許值越小。按照CAN國際標準ISO

27、11898的建議，在總線位速率為1Mbps時，S和L的值應小于40m，但當總線位速率小于5Kbps以下時，L的允許值可達10Km。本網(wǎng)絡中終端電阻R=120,節(jié)點分支長度D=0米，通信距離L=10米，相鄰節(jié)點的距離S=2米。2.2.3 混合電動汽車CAN通信協(xié)議長豐CFA6470HEV型混合電動汽車以能源總成控制系統(tǒng)為核心，能源總成控制系統(tǒng)匯集發(fā)動機、驅(qū)動電機、啟動電機、電池、空調(diào)、加速踏板、制動踏板、離合器等的狀態(tài)信息，指揮發(fā)動機、驅(qū)動電機、啟動電機、離合器進行相應動作。同樣，能源總成控制系統(tǒng)是CAN通信網(wǎng)絡的聯(lián)系樞紐，驅(qū)動電機控制器、電池管理系統(tǒng)、啟動電機控制器之間沒有直接的信息往來，各自

28、與能源總成控制系統(tǒng)交換信息。整個CAN通信網(wǎng)絡傳輸速率為 250kbps，其中驅(qū)動電機控制器、啟動電機控制器每50ms發(fā)送兩幀狀態(tài)數(shù)據(jù)給能源總成控制系統(tǒng)，而能源總成控制系統(tǒng)每50ms分別給驅(qū)動電機控制器、啟動電機控制器發(fā)一幀扭矩控制數(shù)據(jù)；電池管理系統(tǒng)每1s發(fā)送兩幀狀態(tài)數(shù)據(jù)給能源總成控制系統(tǒng)，且當發(fā)現(xiàn)電池錯誤或其他錯誤時，立即發(fā)送第一幀數(shù)據(jù)14。能源總成控制系統(tǒng)與驅(qū)動電機控制器的協(xié)議見表3；能源總成控制系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)的協(xié)議見表4；能源總成控制系統(tǒng)與啟動電機控制器的協(xié)議如表5所示。表 3 能源總成控制系統(tǒng)與驅(qū)動電機控制器的協(xié)議IDMessage DefinitionSpecificationH

29、EXRemarkcontrol message0x701110000BMessage ID-7 bitsstatus message10x601100000BCAN Identifystatus message20x611100001B11bitsMessage Type-1 bitmessage to node0x011Bmessage from node0x000BNode ID-3 bitsnode number0x01MCU's nodeControl Messagetorque limit- 16 bits0x01:0x1Nmscale is 1:164 bits0x5A:0

30、x5ANmrange is (-9090)ID:Breserved- 48 bits0xffffactual speed-16 bits0x01:2.44rpmscale is 1:2.440x02:4.88rpmmax value0x1002actual torque-16 bits0x01:0x1Nmscale is 1:10x5A:0x5ANmrange is (-9090)status-8 bitsbit 0:contactor open/closed0x01Status Message 1bit 1:powerstage read/not ready0x0264 bitsbit 2:

31、powerstage fault/no fault0x04ID:Bbit 3:torque hits intermal limit0x08bit 4:power limit0x1002error code-8 bitsbit 0:overcurrent A0x01bit 1:overcurrent B0x02bit 2:overcurrent C0x04bit 3:overvoltage0x08bit 4:contactor0x10battery voltage -16 bits0x400:200Vscale is 128:25Message ID-7 bitscontrol message0

32、x701110000Bstatus message10x601100000Bstatus message20x611100001BStatus Message 2heatsink temp-16 bits0x400:100 scale is 256:2564 bitsmotor temp-16 bits0x40:1 scale is 64:1ID:Bmax current sq-16 bits0x01:0x01 (amps squared value)scale is 1:1relay fsm state-8 bitsbit 0:power up0x01bit 1:closing0x02bit

33、 2:closed0x04bit 4:error0x08表4 能源總成控制系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)的協(xié)議IDMessage DefinitionSpecificationHEXRemarkcontrol message0x300110000BMessage ID-7 bitsstatus message10x200100000BCAN Identifiersstatus message20x210100001B11bitsMessage Type-1 bitmessage to node0x011Bmessage from node0x000BNode ID-3 bitsnode number0x0

34、2BMS's nodeControl MessageBCU Init- 8 bits0x01 : BCU intialize0x0164 bitsReserved-8 bits0xffID:BReserved-48 bits0xffffffSoc-8 bits0x00:Soc is 0%. 0x23: Soc is 35% 0x64: Soc is 100%max. possible CAN bits0x64Status-8 bitsbit0: Bat. work/notwork (1/0)Reserved bits: 0bit1: Bat. charge/discharge (1/0

35、)Status Message 1 64 bitsVoltage-16 bits0V:0x0000; 300V: 0x0BB8Transmit data = Actual_volt.*10ID:BCurrent-16 bits0A:0x0000; 5A: 0x0032Transmit data = Actual_cur.*10Error-8 bitsbit0: Bat. Undervoltage0x01bit1: Bat. Overvoltage0x02bit2: Bat. Temp. too low0x04bit3: Bat. Temp. too high0x08bit4: Bat. Oth

36、er errors0x10Run_OK-8 bits0x02: Run OK;0x02OthersexceptionPoint A Temp.-16 bits0°C: 0x0000 ; 50°C: 0x01F4; -50°C:0xFE0CTransmit data = Actual_temp.*10Status Message 1 64 bitsPoint B Temp.-16 bits0°C: 0x0000 ; 50°C: 0x01F4; -50°C:0xFE0CTransmit data = Actual_temp.*10ID:B

37、Point C Temp.-16 bits0°C: 0x0000 ; 50°C: 0x01F4; -50°C:0xFE0CTransmit data = Actual_temp.*10Reversed-16 bits0xffff表5能源總成控制系統(tǒng)與啟動電機控制器的協(xié)議IDMessage DefinitionSpecificationHEXRemarkMessage ID-7 bitscontrol message0x581011000Bstatus message10x481001000BCAN Identifiersstatus message20x49100

38、1001B11bitsMessage Type-1 bitmessage to node0x011Bmessage from node0x000BNode ID-3 bitsnode number0x04SCUs NodeControl Messagetorque limit- 16 bits0x01:0x1Nmscale is 1:164 bits0x96:0x96Nmrange is (-150+150)ID:Breserved- 48 bits0xffffactual speed-16 bits0x01:2rpmscale is 1:20x02:4rpmmax value0x0bb8ac

39、tual torque-16 bits0x01:0x1Nmscale is 1:10x96:0x96Nmrange is (-150+150)status-8 bitsbit 0:contactor open/closed0x01Status Message 1bit 1:powerstage read/not ready0x0264 bitsbit 2:powerstage fault/no fault0x04ID:Bbit 3:torque hits intermal limit0x08bit 4:power limit0x1002error code-8 bitsbit 0:overcu

40、rrent A0x01bit 1:overcurrent B0x02bit 2:overcurrent C0x04bit 3:overvoltage0x08bit 4:contactor0x10battery voltage -16 bits0x400:200Vscale is 128:25Heatsink temp-16 bits0x400:100 deg Cscale is 256:25motor temp-16 bits0x40:1 deg Cscale is 64:1Status Message 2actual current-16 bits0x01:0x01 (amps )scale

41、 is 1:164 bitsrelay fsm state-8 bitsbit 0:power up0x01ID:Bbit 1:closing0x02bit 2:closed0x04bit 4:error0x08reversed-8 bits0xFF2.3 本章小結本章在研究混合動力汽車結構的基礎上，構建了基于CAN總線的混合動力汽車通信網(wǎng)絡，設計了混合動力汽車CAN通信網(wǎng)絡協(xié)議。3 混合動力汽車CAN通信節(jié)點的設計節(jié)點是組成CAN總線網(wǎng)絡的基本單位。在基于CAN總線的混合電動汽車中，追加的電子控制單元：能源總成控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機控制器、電池管理系統(tǒng)、啟動電機控制器，均是獨立的CAN總線節(jié)點。

42、其中電池管理系統(tǒng)節(jié)點設計采用SJA1000作為CAN控制器，PCA82C250作為CAN收發(fā)器；能源總成控制系統(tǒng)CPU為嵌CAN控制器的微處理器TMS320LF2407A，外接PCA82C250收發(fā)器即可組成CAN節(jié)點。3.1 CAN控制器SJA1000簡介SJA1000是Philips公司生產(chǎn)的第二代總線控制器，是PCA82C200的替代產(chǎn)品，同時支持CAN 2.0A（標準模式）與CAN 2.0B協(xié)議（擴展模式），是應用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨立CAN總線控制器15。SJA1000執(zhí)行CAN協(xié)議分層結構中數(shù)據(jù)鏈路層和信號物理層的功能，具有完成CAN通信協(xié)議所要求的全部特性，經(jīng)過簡單的連接即可

43、完成CAN總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。SJA1000的主要特性如下： (1)管腳、電氣特性與軟件與獨立CAN總線控制器PCA82C200兼容；(2)同時支持11位和29位標識符；(3)1個發(fā)送緩沖區(qū)，1個接收緩沖區(qū)(4)擴展接收緩存區(qū)（64字節(jié)FIFO）；(5)支持標準結構和擴展結構信息的接收與傳送，在標準格式和擴展格式中都有單/雙接收過濾器（含接收碼寄存器ACR和接收屏蔽寄存器AMR）；(6)可讀/寫訪問的錯誤計數(shù)器，可編程的錯誤限制報警；(7)一次性發(fā)送（當錯誤或仲裁丟失時不重發(fā)）；(8)只聽模式（CAN總線監(jiān)聽，無應答，無錯誤標志）；(9)采用24MHz時鐘頻率，具有高達1Mbps

44、的速率；(10)工作溫度圍提升為：40125。3.2 TMS320LF2407A嵌式CAN控制器簡介TMS320LF2407A的CAN控制器模塊是一個完全的CAN控制器，該控制器是一個16位的外設模塊，完全支持CAN2.0B協(xié)議；支持數(shù)據(jù)幀、遠程幀；可工作在標準模式或擴展模式下；采用發(fā)送、接收數(shù)據(jù)；對接收可配置接收屏蔽字；可編程位定時器；可編程中斷配置；可編程CAN總線喚醒功能；自動回復遠程請求；當發(fā)送時出現(xiàn)錯誤或仲裁時丟失數(shù)據(jù)，CAN控制器自動重發(fā)； 具有總線錯誤診斷功能；可工作在自測試模式下。TMS320LF2407A的CAN控制器采用機制發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，有別于一般的CAN控制器。一般的C

45、AN控制器(如SJA1000)只有一個發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)、一個接收緩沖區(qū)，再加64字節(jié)擴展接收緩沖區(qū)，當發(fā)送不同標識符數(shù)據(jù)幀時，得改變標識符寄存器；當接收不同標識符數(shù)據(jù)幀，屏蔽寄存器得對不同標識符的數(shù)據(jù)幀都開放。而TMS320LF2407A的CAN控制器有6個，其中2個接收(MBOX0、1)，2個發(fā)送(MBOX4、5)，2個可配置為接收或發(fā)送(MBOX2、3)，每個發(fā)送相當于一個發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)，每個接收等同于一個接收數(shù)據(jù)區(qū)，使得TMS320LF2407A在不改變標識符寄存器或接收屏蔽寄存器的情況下最少可接收2幀（最多4幀）不同標識符的數(shù)據(jù)幀、最少可發(fā)送2幀（最多4幀）不同標識符的數(shù)據(jù)幀，不可同時最多，這對

46、發(fā)送、接收數(shù)據(jù)幀類型不多的CAN節(jié)點很適用16。TMS320LF2407A的CAN控制器有15個16位的控制寄存器，這些寄存器控制著CAN的位定時器、的發(fā)送或接收使能、錯誤狀態(tài)與CAN的中斷等。3.3 通用CAN節(jié)點設計CAN控制器采用SJA1000,收發(fā)器采用82C25016。并通過6N137進行光電隔離，以提高總線的抗干擾能力。3.3.1CAN接口硬件設計通用CAN節(jié)點接口電路如圖7所示，其中總線末端電阻可通過跳線器JP1選擇,原因是該CAN節(jié)點不一定是終端節(jié)點,若為終端節(jié)點，則短接跳線器JP1的2、3引腳，接入末端電阻，否則，取消匹配電阻；SJA1000與微處理器可擁有各自的工作時鐘，為

47、了省去二者的工作時序匹配問題，微處理器的工作時鐘可通過SJA1000的時鐘輸出引腳CLKOUT獲取。圖7 通用CAN節(jié)點接口電路3.3.2 CAN接口軟件設計CAN接口軟件設計主要包括初始化CAN控制器SJA1000、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、接收程序三部分的設計。數(shù)據(jù)解釋功能由主程序完成。1. 初始化CAN控制器CAN控制器SJA1000的初始化是在軟件復位狀態(tài)下進行的，完成信息幀格式選擇、設置時鐘輸出頻率、配置波特率、設置接收屏蔽字與輸出控制寄存器，初始化完畢，使SJA1000進入正常工作狀態(tài)。其初始化流程見圖8。圖8 通用CAN節(jié)點初始化流程2. 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收發(fā)送數(shù)據(jù)：先確保該節(jié)點在線上、緩沖區(qū)

48、為空，然后將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，隨后啟動發(fā)送即可。其程序流程見圖9。接收數(shù)據(jù)：采用中斷接收，讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并保存，然后釋放接收緩沖區(qū)。圖9 通用CAN節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送流程3.4 嵌式CAN節(jié)點設計以TMS320LF2407A為例，介紹嵌式CAN節(jié)點的設計18。3.4.1CAN接口硬件設計TMS320LF2407A的CAN控制器通過光電隔離模塊與CAN收發(fā)器PCA82C250相連，其中光電隔離模塊采用高速隔離芯片6N137。另外，3.3V 器件TMS320LF2407A與5V器件PCA82C250、6N137的電平轉(zhuǎn)換標準一致，TMS320LF2407A的CAN發(fā)送信號可直接驅(qū)動6N13

49、7，但TMS320LF2407A不能承受5V電壓,在TMS320LF2407A的CAN接收引腳與PCA82C250的RXD引腳中間增加一個緩沖器件，這個緩沖器件可以是雙電壓供電，也可以是3.3V電壓供電并可以承受5V電壓的器件。這里選擇74LVX14作為緩沖器。同樣120的匹配電阻設計成可選的形式。其CAN硬件接口電路如圖10所示。圖10 嵌式CAN節(jié)點接口電路3.4.2CAN接口軟件設計CAN 接口軟件分初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、中斷接收程序三大塊。數(shù)據(jù)解釋功能由主程序完成。1.初始化CAN控制器18根據(jù)整車要求，混合電動汽車能源總成控制系統(tǒng)需接收4種不同標識符的數(shù)據(jù)幀、發(fā)送兩種不同標識符的

50、數(shù)據(jù)幀，因此，將TMS320LF2407A的MBOX2、3配成接收方式，在初始化程序中一次配置好標識符、接收屏蔽字。于是初始化程序完成信息幀格式選擇、波特率、標識符、接收屏蔽字、不使能發(fā)送中斷、使能接收中斷等配置功能18，其初始化流程見圖11。圖11 嵌式CAN節(jié)點初始化流程2. 發(fā)送數(shù)據(jù)由于標識符已在初始化程序中一次性配好，發(fā)送程序只將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入相應的數(shù)據(jù)區(qū)，設置發(fā)送請求位啟動發(fā)送，待發(fā)送完畢，復位發(fā)送應答位即可。其數(shù)據(jù)發(fā)送流程見圖12。圖12嵌式CAN節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送流程3.5 CAN通信的關鍵技術1. 光電隔離設計為了進一步提高微處理器的抗干擾能力，CAN總線接口往往采用光電隔離電路。

51、光電隔離模塊一般處于CAN控制器與收發(fā)器之間。但光電隔離模塊同時帶來了CAN總線的傳輸延時，設計時應采用高速光電隔離模塊，將傳輸延時降至盡可能的小，確保其傳輸延時遠小于設定的CAN總線位傳輸時間。通信速率越快，對光電隔離模塊的轉(zhuǎn)換速度要求就越高19。上述節(jié)點采用6N137，可滿足CAN總線250kbps的波特率要求。2. 收發(fā)器82C250的設計引腳TXD須接上拉電阻，當引腳TXD為低電平時，82C250輸出顯性電平，而總線值由顯性電平?jīng)Q定。若該節(jié)點異常，將使整個通信網(wǎng)絡癱瘓。故設計時應使82C250的引腳TXD平時處于高電平，即接上拉電阻。這樣，當一個節(jié)點出現(xiàn)問題時，不會影響其它節(jié)點。引腳R

52、s經(jīng)電阻接地，使82C250工作于斜率控制模式，降低了收發(fā)器轉(zhuǎn)換速率，可在一定程度上降低射頻干擾，從而不需要采用屏蔽電纜，節(jié)約了成本。若引腳Rs經(jīng)電阻直接接地，82C250工作于高速，減少了傳輸延時，但須使用屏蔽電纜以避免射頻干擾問題。3. SJA1000的設計SJA1000部集成了一個接收輸入比較器電路，RX0、RX1（SJA1000的第19、20腳）是比較器的輸入引腳。SJA1000對比較器輸入引腳RX1的電平有一定的要求，如果處理不好，難以形成CAN協(xié)議所要求的電平邏輯。接收輸入比較器由時分頻寄存器CDR的第6位CBP控制20。圖13顯示了SJA1000接收輸入比較器的處理方法。當CBP

53、=0時，輸入比較器工作，SJA1000要求RX1的引腳必須維持在2.5V左右。此時，CAN信息在輸入比較器這一級的傳輸延時時間為tD1。而當CBP=1時，輸入比較器被旁路，只有RX0被激活，沒有被使用的RX1腳應被連接到一個確定的電平，如系統(tǒng)的參考電平VSS。輸入比較器被旁路后，從RX0輸入的信息經(jīng)由施密特觸發(fā)器輸入，相應的傳輸延時時間為tD2，且tD2遠小于tD1。減少傳輸延時可增加總線通信距離。單CAN口設計時建議將輸入比較器旁路，以獲取最大的通信距離圖13 SJA1000的接收輸入比較器3.6 本章小結本章以SJA1000、82C250、TMS320LF2407A為例介紹了通用CAN節(jié)點、嵌式CAN節(jié)點的軟、硬件設計。最后總結了CAN通信的關鍵