【課件】3-1 動力CAN總線認(rèn)知

項目三動力CAN總線系統(tǒng)檢修任務(wù)一動力CAN總線認(rèn)知VehicleNetworkandBusTechnology任務(wù)導(dǎo)入近幾年，國內(nèi)外推出的車型基本上都配備了一個、兩個甚至多個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如國內(nèi)神龍汽車有限公司去年推出的“畢加索”轎車裝備了VAN網(wǎng)、“薩拉”N7轎車將裝備VAN和CAN混合網(wǎng)、“標(biāo)致307”系列車將采用FulICAN網(wǎng)系統(tǒng)、比亞迪很多車型裝載有CAN和LIN總線。汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般有單路和多路兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形成。不管哪種結(jié)構(gòu)，都主要由動力和傳動控制系統(tǒng)、底盤和安全控制系統(tǒng)、車身和舒適控制系統(tǒng)、通信和信息娛樂系統(tǒng)以及診斷系統(tǒng)等組成，并隨著汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而擴展。任務(wù)目標(biāo)理解控制單元節(jié)點報文信息；理解動力CAN總線的控制硬件和軟件設(shè)計；能夠說出動力CAN網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)；掌握描述控制單元節(jié)點報文信息；具備從多途徑的信息源中檢索專業(yè)知識的能力；養(yǎng)成定期反思與總結(jié)的習(xí)慣，改進不足，精益求精；積極主動與小組成員交流、討論學(xué)習(xí)成果，取長補短，完成自我提升。新授PART.01NewTeaching目錄CONTENTS動力CAN網(wǎng)絡(luò)框架認(rèn)識01控制單元節(jié)點報文信息02控制硬件和軟件設(shè)計03一、動力CAN網(wǎng)絡(luò)框架認(rèn)識CAN網(wǎng)絡(luò)有多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中的總線型結(jié)構(gòu)實時性好，錯誤檢測校正能力強，系統(tǒng)可靠性高，自我排故診斷的功能。因而，采用總線型CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從理論上講能夠滿足汽車可靠性和實時性的要求。整車控制CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下所示。整車控制CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一、動力CAN網(wǎng)絡(luò)框架認(rèn)識在純電動汽車控制系統(tǒng)中，如圖所示包括4個節(jié)點，即VCU（整車控制單元）、PCU（電機控制單元）、BMS（電池管理系統(tǒng)控制單元）、HEC（儀表顯示控制單元）。動力系統(tǒng)的通信主要存在于前三個節(jié)點之間來實現(xiàn)對整車運行狀態(tài)的控制，其中HEC節(jié)點在CAN網(wǎng)絡(luò)上處于只接聽不發(fā)送的狀態(tài)，接收網(wǎng)絡(luò)中的整車行駛信息，電機運行信息以及電池狀態(tài)信息等并實時顯示。純電動汽車動力CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與信號流動一、動力CAN網(wǎng)絡(luò)框架認(rèn)識（一）VCU（整車控制單元）321VCU相當(dāng)于電動汽車的大腦，它起到控制全局的作用，接受汽車上傳感器的信息，通過A/D轉(zhuǎn)換后計算，編碼為CAN報文，發(fā)送到總線上控制其他節(jié)點的工作。同時，將一些整車相關(guān)的信息（車速、電池SOC、踏板位置、電池狀態(tài)、門鎖信息）在組合儀表上顯示出來。其中最核心的就是通過傳感器的輸入值與系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)及汽車工況等條件計算出合適的電機扭矩值，通過CAN總線發(fā)送到電機控制系統(tǒng)，指揮電機正確工作。另外，VCU還能控制主繼電器的開關(guān)，使得整個系統(tǒng)上電和斷電。（二）PCU（電機控制單元）PCU相當(dāng)于電動汽車的四肢，它的主要工作是為整車控制器發(fā)送扭矩值。采用雙路電來調(diào)速電機，使電機工作在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下，并且根據(jù)電動機的溫度變化控制電機的冷卻水泵和冷卻風(fēng)扇，從而有效的調(diào)節(jié)電機溫度。另外，PCU也能實現(xiàn)將電池提供的直流電轉(zhuǎn)換為電機運行所需的高壓交流電以及將當(dāng)前電機工作狀態(tài)反饋給VCU。一、動力CAN網(wǎng)絡(luò)框架認(rèn)識（三）BMS（電池管理系統(tǒng)控制單元）一、動力CAN網(wǎng)絡(luò)框架認(rèn)識BMS等同于電動汽車血液循環(huán)的“心臟”，電池為“血液循環(huán)及能量系統(tǒng)”。BMS的主要功能是通過檢測和管理電池，對荷電狀態(tài)（SOC）健康狀態(tài)（SOH）和功能狀態(tài)（SOF）進行快速、實時的檢測，實現(xiàn)對電池狀態(tài)的監(jiān)測作用，防止電池過充電或者過放電。并且提供必要的信息，保證電池能夠保持在最佳的工作狀態(tài)，延長電池壽命，并將電池的實時信息傳輸給子系統(tǒng)，為系統(tǒng)整體筑略提供數(shù)據(jù)依據(jù)。（三）BMS（電池管理系統(tǒng)控制單元）一、動力CAN網(wǎng)絡(luò)框架認(rèn)識電池管理系統(tǒng)（BMS）是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶。它BMS采用中央控制單元和本地控制結(jié)構(gòu)，從控模塊主要用于監(jiān)控實時信息，具體參數(shù)有單體電池電壓、母線電流、實時溫度、SOC等；主控模塊用來進行數(shù)據(jù)計算、SOC評估和通信響應(yīng)動作。為了達到系統(tǒng)整體把控和局部響應(yīng)的目的，采用CAN總線傳輸數(shù)據(jù)。BMS（電池管理系統(tǒng)控制單元）二、控制單元節(jié)點報文信息整車CAN網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點對應(yīng)的報文名稱、報文ID及刷新率如下表所示?？刂茊卧Q報文名稱報文ID刷新率整車控制單元VCU10x0c00f3d050msVCU20x103028d0100ms電機控制單元MCU10x1420d0ef50msMCU20x1421d0ef50ms電池管理控制單元BMS10x1809d0f350msBMS20x810d0f350msBMS30x1811d0f350ms二、控制單元節(jié)點報文信息下表所示是整車控制單元節(jié)點VCU1報文信息，該報文信息可用于實現(xiàn)對電機控制模式、電機轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的控制，又可對高壓配電進行控制，從而實現(xiàn)對整車的驅(qū)動控制。整車控制單元節(jié)點根據(jù)各節(jié)點優(yōu)先級的不同和報文的刷新率來協(xié)調(diào)整車上所有節(jié)點的協(xié)同工作，調(diào)節(jié)能量的合理流向，達到對整車動力系統(tǒng)的最優(yōu)控制。VCU1字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)3字節(jié)4字節(jié)5字節(jié)6字節(jié)7字節(jié)8VCU控制命令電機回路上強電電機回路下強電電機控制模式給定電機轉(zhuǎn)矩

保留Bit0:0-不上強電；1-上強電Bit8:0-不下強電；1-下強電Bit16：0-電機停止，1-電機使能；Bit17：0-轉(zhuǎn)矩模式1-調(diào)速模式；Bit18:0-正轉(zhuǎn)；1-反轉(zhuǎn)HLHL

精度：0.2Nm/bit偏移量：160Nm負(fù)扭矩為發(fā)電，正扭矩為電動精度：1rpm/bit偏移量：11000rpm0xff三、控制硬件和軟件設(shè)計21在不干擾總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，CAN總線控制單元對總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，實時記錄和實時報警，同時在調(diào)試汽車時對主控制器進行參數(shù)標(biāo)定。在多個工作狀態(tài)（停車狀態(tài)、充電狀態(tài)、啟動狀態(tài)、運行狀態(tài)、車輛前進和后退狀態(tài)、回饋制動狀態(tài)、機械制動狀態(tài)、一般故障狀態(tài)、重大故障狀態(tài)）各子系統(tǒng)通過CAN總線進行通訊和數(shù)據(jù)傳輸，將各個分散的節(jié)點連成一個閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)整個分布式系統(tǒng)的控制功能。三、控制硬件和軟件設(shè)計為了充分利用總線的帶寬，提高數(shù)據(jù)幀有效信息傳輸占比，把每個控制單元（節(jié)點）功能發(fā)揮到最好。在分布式控制管理過程中有幾個關(guān)鍵技術(shù)：定位時、總線終端匹配阻抗、CAN驅(qū)動器設(shè)計、DBC應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計。這些技術(shù)也成為了CAN總線調(diào)試的難點。（一）位定時三、控制硬件和軟件設(shè)計CAN總線位定時本質(zhì)上和“總線同步”緊密相關(guān)聯(lián)，CAN總線系統(tǒng)的收/發(fā)雙方必須以同步時鐘來控制數(shù)據(jù)的“發(fā)送和接收”。即使接收端在相當(dāng)長的數(shù)據(jù)流中也要保持位同步，必須識別每個二進制位的開始時刻，因此對硬件終端的處理能力提出了高處理能力的需求。在位定時配置時存在幾組不同的參數(shù)都可以滿足一定波特率的CAN總線，在這些參數(shù)中，一定存在一組最優(yōu)的配置參數(shù)使得系統(tǒng)獲得更大的振蕩器容差和最大總線長度，通過在節(jié)點周圍采樣調(diào)試匹配位定時最佳參數(shù)。終端匹配阻抗有利于提高信號傳輸質(zhì)量，在較高頻率的信號轉(zhuǎn)換速率情況下，信號邊沿能量遇到不匹配會產(chǎn)生信號反射。由于傳輸線纜橫截面的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，線纜的特征阻抗隨之變化導(dǎo)致信號邊沿能量反射，此時總線信號上會產(chǎn)生振鈴。若振鈴幅度過大，就會影響通信質(zhì)量。如果在線纜末端增加一個與線纜特征阻抗一致的終端電阻，可以將這部分能量吸收，從而避免振鈴的產(chǎn)生。（二）終端匹配阻抗三、控制硬件和軟件設(shè)計通過模擬試驗，位速率為1Mbit/s，收發(fā)器CANH、CANL接一根10m左右的雙絞線，收發(fā)器端接120Ω電阻末端信號是一個良好的無振鈴的方波，此時的電阻值可以認(rèn)為與線纜的特征阻抗一致，振鈴消失。下圖為良好的無振鈴方波。良好的無振鈴方波（二）終端匹配阻抗三、控制硬件和軟件設(shè)計在CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，終端電阻的安裝位置如下圖所示，當(dāng)CAN總線長度增長時，終端電阻阻值有所變化：CAN總線組成結(jié)構(gòu)（二）終端匹配阻抗三、控制硬件和軟件設(shè)計CAN總線驅(qū)動提供了CAN控制器與物理總線之間的接口，為汽車中的高速應(yīng)用（達1Mbps）而設(shè)計的。器件可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能是影響系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素之一。在系統(tǒng)中的位置如圖所示：（三）總線驅(qū)動器設(shè)計三、控制硬件和軟件設(shè)計（三）總線驅(qū)動器設(shè)計三、控制硬件和軟件設(shè)計82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，它最初是為汽車中的高速應(yīng)用（達1Mbps）而設(shè)計的，器件可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。82C250主要特性：與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容；高速率（最高可達1Mbps）；具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾，保護總線能力；采用斜率控制，降低射頻干擾（RFI）；過熱保護；總線與電源及地之間的短路保護；低電流待機模式；未上電節(jié)點不會干擾總線；總線至少可連接110個節(jié)點。（三）總線驅(qū)動器設(shè)計三、控制硬件和軟件設(shè)計驅(qū)動器電路內(nèi)部具有限流電路，可防止發(fā)送輸出級對電源、地或負(fù)載短路。若溫度超過大約160℃，則兩個發(fā)送器輸出端極限電流將減小，因而限制了芯片的升溫。典型驅(qū)動器電路如下圖所示。TJA1050CAN驅(qū)動器電路（三）總線驅(qū)動器設(shè)計三、控制硬件和軟件設(shè)計標(biāo)記引腳功能描述TXD1發(fā)送方數(shù)據(jù)輸入GND2接地VCC3電源RXD4接收數(shù)據(jù)輸出V5參考電壓輸出CANL6低電平CAN電壓輸入/輸出CANH7高電平CAN電壓輸入/輸出RS8斜率電阻輸入上圖示中的引腳見表格：（四）DBC應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計三、控制硬件和軟件設(shè)計DBC是總線上汽車控制單元間進行CAN通訊的報文內(nèi)容。由于CAN協(xié)議只定義了數(shù)據(jù)鏈路層與物理層，沒有定義應(yīng)用層協(xié)議，需要針對具體問題和用戶需求自定義應(yīng)用層協(xié)議，在汽車總線應(yīng)用領(lǐng)域，不同汽車其應(yīng)用層協(xié)議差異性較大。采取這樣一種自定義協(xié)議方式可以有效的滿足實際需求，具體的協(xié)議實現(xiàn)具體的功能如XCAN協(xié)議、DSP協(xié)議。目前比較認(rèn)可的CAN應(yīng)用協(xié)議有：DeviceNet、CANopen、CAL、CANkingdom、J1939。如圖所示，收發(fā)器的TX線始終與總線耦合，兩者的耦合過程是通過一個開關(guān)電路來實現(xiàn)的。1.整車CAN協(xié)議地址的分配原則（四）DBC應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計三、控制硬件和軟件設(shè)計21整車CAN網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點也就是每個控制器都對應(yīng)著一個地址，地址的作用就是用來明確數(shù)據(jù)的發(fā)送方與接收方，在對地址進行分配時需要遵循一定的規(guī)則。有些控制器如充電機在J1939中已經(jīng)定義了地址，則使用已經(jīng)定義的地址0x56H，有些控制器如BMS有多個功能的則可以使用多個地址，有些控制器如VCU則需要自己重新定義地址。當(dāng)然重新定義地址的范圍需要在208~231之間，并且用于車輛中的重要功能，這些ECU的地址分配如下表所示。（四）DBC應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計三、控制硬件和軟件設(shè)計1.整車CAN協(xié)議地址的分配原則節(jié)點名稱源地址（十六進制）縮寫整車控制器208（0xD0）VCU電機控制器239（0xEF）MCU電池管理系統(tǒng)243（0xF3）BMS充電機85（0x56H）OBC（四）DBC應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計三、控制硬件和軟件設(shè)計2.優(yōu)先級制定原則優(yōu)先級的設(shè)置從最高0設(shè)置到最低7控制命令類型消息默認(rèn)優(yōu)先級是3請求和應(yīng)答報文默認(rèn)優(yōu)先級為6總線上通信量發(fā)生變化時優(yōu)先級可以發(fā)生變化（四）DBC應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計三、控制硬件和軟件設(shè)計3.參數(shù)群制定原則對于各個控制器中含有相同功能的參數(shù)、相近刷新率的參數(shù)以及同屬一個子系統(tǒng)的參數(shù)盡量放在一個參數(shù)組當(dāng)中，以此來減少報文數(shù)量，達到降低總線負(fù)載率的目的。實訓(xùn)PART.02Practicaltraining任務(wù)實施請查閱資料，了解本任務(wù)“獲取信息”中提到SAE-J1850標(biāo)準(zhǔn)、TTP協(xié)議。完成以下填空。1.CAN網(wǎng)絡(luò)有多種不同的_________結(jié)構(gòu)，其中的總線型結(jié)構(gòu)_________性好，錯誤檢測_________能力強，系統(tǒng)_________性高，自我排故診斷的功能。因而，采用總線型CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從理論上講能夠滿足汽車_________性和_________性的要求。2.在純電動汽車控制系統(tǒng)中，包括4個節(jié)點，即________、________、________、________。任務(wù)實施3.VCU相當(dāng)于電動汽車的大腦，它起到_________全局的作用，接受汽車上傳感器的_________，通過A/D轉(zhuǎn)換后計算，編碼為CAN報文，發(fā)送到總線上控制其他節(jié)點的工作。同時，將一些整車相關(guān)的信息在_________儀表上顯示出