基于DSP的電動汽車CAN總線通訊技術(shù)設(shè)計

?? 德國Bosch公司為了解決現(xiàn)代車輛中眾多的控制和數(shù)據(jù)交換問題,開發(fā)出一種CAN(Controller AreaNetwork) 現(xiàn)場總線通訊結(jié)構(gòu). CAN總線硬件連接簡單,有良好的可靠性、實(shí)時性和性能價格比. CAN總線能夠滿足現(xiàn)代自動化通訊的需要,已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線通訊領(lǐng)域中最為活要躍的一支。

　　其主要特點(diǎn)是: ①CAN總線為多主站總線,各節(jié)點(diǎn)均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,不分主從,通信靈活; ②CAN總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù),優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù),能滿足實(shí)時性要求; ③CAN總線具有點(diǎn)對點(diǎn),一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能; ④CAN總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個,并有CRC及其它校驗(yàn)措施,數(shù)據(jù)出錯率極低,萬一某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤,可自動脫離總線,總線上的其它操作不受影響; ⑤CAN總線只有兩根導(dǎo)線,系統(tǒng)擴(kuò)充時,可直接將新節(jié)點(diǎn)掛在總線上即可,因此走線少,系統(tǒng)擴(kuò)充容易,改型靈活; ⑥CAN總線傳輸速度快,在傳輸距離小于40m時,最大傳輸速率可達(dá)1Mb/s。 正是由于CAN總線具有這些其它通信方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn),使之成為電動汽車控制系統(tǒng)的理想總線。

　　1 　電動汽車對通訊網(wǎng)絡(luò)的需求

　　電動汽車由于儲能設(shè)備容量有限,在運(yùn)行過程中對能源的管理十分嚴(yán)格. 效率是衡量電動汽車系統(tǒng)性能的重要指標(biāo),國家863“十五”電動汽車重大專項(xiàng)要求電動機(jī)系統(tǒng)額定效率為85% ,控制器的額定效率達(dá)到95%. 電動汽車電子控制系統(tǒng)的動態(tài)信息必須具有實(shí)時性,各子系統(tǒng)需要將車輛的公共數(shù)據(jù)實(shí)時共享,如電機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)換、油門踏板位置和剎車踏板位置等. 但不同控制單元的控制周期不同,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度、各控制命令優(yōu)先級也不同,因此需要一種具有優(yōu)先權(quán)競爭模式的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò),并且本身具有極高的通信速率. 此外,作為一種載人交通工具,電動汽車必須具有較好的舒適性,整車通訊系統(tǒng)必須具有很強(qiáng)的容錯能力和快速處理能力。

　　目前,電動汽車的發(fā)展得到了各國的高度重視.電動汽車成為未來汽車發(fā)展的主流方向。電動汽車內(nèi)電氣元件極多,需要實(shí)時傳輸和共享的數(shù)據(jù)很多.如何提高電動汽車通訊的實(shí)時性、可靠性和應(yīng)急處理能力成為電動汽車通訊的難點(diǎn)所在. 我們采用TMS320LF2407型DS作為電動汽車通訊系統(tǒng)的主處理器,利用DSP良好的快速處理能力提高數(shù)據(jù)處理速度,從而提高通訊的實(shí)時性;利用DSP內(nèi)嵌的CAN總線模塊作為CAN的控制器,減少硬件電路的復(fù)雜性,從而提高通訊的可靠性;通過軟件設(shè)計緊急時刻屏蔽次要因素來提高電動汽車的應(yīng)急處理能力。

　　2 　控制方案

　　電動汽車總成控制我們采用先進(jìn)的模糊控制,采用的控制器也是TMS320LF2407型的DSP。對采集到的剎車信號,加速信號和反饋回的轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行模糊處理,得到期望的轉(zhuǎn)速信號,并將得到的轉(zhuǎn)速值通過CAN 總線傳送到電動機(jī)的控制機(jī)構(gòu),對電動機(jī)進(jìn)行控制,滿足駕駛員的駕駛意圖。 同時管理燈光系統(tǒng)和屏幕顯示系統(tǒng). 屏幕顯示系統(tǒng)實(shí)時顯示電動汽車的運(yùn)行狀態(tài)。 具體控制方案如圖1 所示。

圖1 　電動汽車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

??? 3 　電動汽車CAN總線通訊方案

　　電動汽車控制需要良好的通訊協(xié)調(diào)性和運(yùn)行可靠性。良好的通訊系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電動汽車可靠運(yùn)行的關(guān)鍵. CAN總線結(jié)構(gòu)是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。 圖2 是一個典型的電動汽車CAN總線結(jié)構(gòu)示意圖,包括整車動力部分的主電動機(jī)控制器、電池組管理系統(tǒng)、電動汽車屏幕顯示系統(tǒng)等多個設(shè)備,這些子系統(tǒng)之間通過CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和命令傳輸。 每個節(jié)點(diǎn)設(shè)備都能夠在脫離CAN 總線的情況下獨(dú)立完成自身系統(tǒng)的運(yùn)行,從而滿足車輛運(yùn)行安全性的需要。 同時,CAN總線也不會因?yàn)槟硞€設(shè)備的脫離而出現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)崩潰的現(xiàn)象。

圖2 　電動汽車CAN 總線結(jié)構(gòu)圖

??? 4 　CAN總線模塊

　　CAN 總線模塊是DSP的一個16位的外設(shè),是一個完整的CAN 控制器. 除具有CAN 總線的基本功能外,還有一些特有功能,如:對象有六個郵箱,其數(shù)據(jù)長度為0～8 個字節(jié),其中兩個接收郵箱(0、1) ,兩個發(fā)送郵箱(4、5) ,兩個可配置為接收或發(fā)送郵箱(3、4) ;自動回復(fù)遠(yuǎn)程請求功能;可編程的CAN 總線喚醒功能;自測試模式功能等. 對CAN 總線的訪問分為控制/ 狀態(tài)寄存器的訪問和郵箱的RAM 訪問.CAN 總線控制模塊的內(nèi)存空間分配圖如圖3 所示.

圖3 　CAN 總線內(nèi)存空間分配

? CAN 控制器發(fā)送的信息幀有兩種,一種是發(fā)送數(shù)據(jù)幀,一種是發(fā)送遠(yuǎn)程幀. 發(fā)送郵箱有郵箱4 和郵箱5以及被配置為發(fā)送方式的郵箱2 和郵箱3. 發(fā)送數(shù)據(jù)幀時,在數(shù)據(jù)寫到發(fā)送郵箱的數(shù)據(jù)區(qū)后,如果相應(yīng)的發(fā)送請求位使能,則數(shù)據(jù)幀被發(fā)送到CAN 總線上. 數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)區(qū)可以通過軟件設(shè)置成1～8 個字節(jié)。 數(shù)據(jù)幀的格式如圖4 所示。

圖4 　CAN 總線數(shù)據(jù)幀

??? CAN 總線控制器的接收郵箱有郵箱0和郵箱1及被配置為接收方式的郵箱2 和郵箱3. CAN 控制器在接收信息時,首先要將接收信息的標(biāo)志符與相應(yīng)接收郵箱的標(biāo)志符進(jìn)行比較,只有標(biāo)志符相同的信息才能被接收. CAN 總線控制器的接收寄存器使得接收郵箱可以忽略更多的位來接收信息. 但是,如果當(dāng)接收屏蔽使能位(AME) 為0 時,則局部接收屏蔽寄存器將失效. 只有配置為發(fā)送方式的郵箱2 和郵箱3 才可以接收自動應(yīng)答遠(yuǎn)程幀. 當(dāng)郵箱接收到遠(yuǎn)程幀后,接收節(jié)點(diǎn)將自動發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀作為應(yīng)答。

　　5 　接口電路設(shè)計

　　由于DSP 本身內(nèi)帶CAN 總線模塊,所以不需要專門的CAN 控制器,DSP 本身不具有CAN 收發(fā)器,需要外接CAN 收發(fā)器82C250 ,中間使用光電隔離器6N137. 如果距離很短,可以不使用光電隔離器. DSP與光電隔離器和CAN 收發(fā)器硬件連接圖如圖5 所示。

圖5 　DSP 與CAN 總線硬件連接圖

??? 6 　電動汽車總成控制器CAN通訊的軟件實(shí)現(xiàn)

　　電動汽車總成控制器是電動汽車的心臟,它需要頻繁的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)對電動汽車進(jìn)行實(shí)時控制和檢測. 發(fā)送信息采用查詢方式,接收信息采用中斷方式. 通過設(shè)定不同事件的不同優(yōu)先級來確定信息的接收和發(fā)送順序,同時增加緊急事件處理程序來提高控制器處理緊急事件的能力,保證車輛和人身安全. 緊急事件處理程序是當(dāng)緊急事件發(fā)生時,如執(zhí)行器件損壞,急剎車和急轉(zhuǎn)彎等,通過暫時屏蔽低優(yōu)先級事件,如電池電量檢測,LCD 顯示系統(tǒng)等,使控制器有足夠的時間處理緊急事件,以提高控制器的實(shí)時控制能力和應(yīng)急處理能力。 控制器軟件流程圖如圖6 所示。

圖6 　控制器軟件流程圖

??? 7 　結(jié)　論

　　目前,現(xiàn)場總線在自動化領(lǐng)域中快速發(fā)展,CAN總線作為一種很有影響的現(xiàn)場總線,采用了許多新的技術(shù)和設(shè)計,使CAN 總線成為最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。CAN 總線以其高實(shí)時性、高可靠性和高靈活性,在工業(yè)自動化控制中得到了越來越多的應(yīng)用。本文應(yīng)用DSP 控制器作為CAN 總線的微處理器,利用DSP 很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和CAN 總線傳輸速率高、可靠性高的特點(diǎn),對電動汽車內(nèi)復(fù)雜的通訊系統(tǒng)提出解決方案. 實(shí)驗(yàn)證明,本系統(tǒng)不但解決了電動汽車通訊對實(shí)時性的要求,而且可靠性和穩(wěn)定性都得到了提高。