基于CAN總線的FSAE賽車數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊仲源，王海林，曾文豪，張廣龍，葉卓凡

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642）

基于CAN總線的FSAE賽車數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊仲源，王海林，曾文豪，張廣龍，葉卓凡

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642）

為了在一輛FSAE純電動(dòng)賽車上采集電機(jī)、電池、車速等整車工作參數(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中以STM32為核心處理器，進(jìn)行5個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。最后在本設(shè)計(jì)賽車上基本實(shí)現(xiàn)了CAN總線通訊，賽車運(yùn)行中各工作參數(shù)的采集能實(shí)時(shí)顯示并供車手參考進(jìn)行相應(yīng)的操作，數(shù)據(jù)采集也為后面賽車的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有效的參考實(shí)驗(yàn)值。

CAN總線；STM32；FSAE；電動(dòng)賽車

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-55-03

前言

Formula SAE(FSAE)始于1978年，其中文名稱為大學(xué)生方程式汽車比賽，由國際汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE International)開辦，向所有大學(xué)生設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)征集設(shè)計(jì)制造一輛小型的類似于標(biāo)準(zhǔn)方程式的賽車。中國在2010年引入該賽事，同時(shí)在2013年增加電車組。在電動(dòng)車中，電氣安全保障以及相關(guān)信息的采集已成為必要。本文介紹的設(shè)計(jì)賽車中采用CAN總線連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)，能使其中連接的模塊運(yùn)行更加可靠以及方便通訊。

1、設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)需要采集的數(shù)據(jù)有：車速、加速度、電池溫度、電池電壓、電池電流、電池故障信息、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)控制器溫度、電機(jī)故障信息等等。在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，部分?jǐn)?shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)顯示，總控制器能夠?qū)﹄姵氐某潆姺绞健㈦姍C(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行控制。此外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要有一定的屏蔽性，不能對(duì)電機(jī)等其它的電路產(chǎn)生干擾等。

2、設(shè)計(jì)方案的選擇

2.1 方案設(shè)計(jì)

電機(jī)控制器和電池管理模塊是由廠家提供的，這兩個(gè)系統(tǒng)中自帶有CAN接口和串行接口，為此本文就兩種接口進(jìn)行了兩個(gè)方案的設(shè)計(jì)和方案的確定。

（1）方案一：采用51單片機(jī)，通過串口通訊，對(duì)整車其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與控制，另外利用51單片機(jī)的其他IO口進(jìn)行輪速傳感器的數(shù)據(jù)讀取等。

（2）方案二：采用意法半導(dǎo)體的STM32F1系列單片機(jī)，通過CAN總線通訊技術(shù)，與電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、測速模塊等連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制。

2.2 方案的確定

方案一通過51單片機(jī)和串口通信，技術(shù)成熟，成本低，開發(fā)相對(duì)容易[2]，但是因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)賽車中至少需要5個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)并有可能在以后增加一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，串行通信難以在原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加節(jié)點(diǎn)，同時(shí)普通的串行口需要分時(shí)復(fù)用，數(shù)據(jù)存在延遲，難以適應(yīng)賽車在高速行駛時(shí)實(shí)時(shí)顯示的要求。

方案二的微處理器不同于51系列，其已內(nèi)置CAN控制器，CAN總線網(wǎng)絡(luò)具有反應(yīng)快、可靠度高的特性，有高位速率、高抗電磁干擾性， 而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤，應(yīng)用于要求實(shí)時(shí)處理的場合[3]。同時(shí)其較串口通訊能減少可觀的線束，這樣節(jié)省一定的布線空間，能降低與電動(dòng)賽車其它電路信號(hào)干擾的可能性。

綜上比較，本設(shè)計(jì)采用方案二，同時(shí)使用STM32F103作為微處理器。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下圖1為本設(shè)計(jì)賽車的5個(gè)CAN智能節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖1中總控制器經(jīng)過總線能獲得各節(jié)點(diǎn)模塊的信息，同時(shí)直接通過IO連接獲得油門踏板和制動(dòng)踏板的位置信息，并參考起動(dòng)、制動(dòng)、車速等信號(hào)進(jìn)行控制電池的充電方式等動(dòng)作，同時(shí)也對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行信息采集以及控制。在顯示模塊中可以直接通過總線獲得電池狀態(tài)（如電量、溫度等）、電機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等，并顯示在顯示屏上。

油門踏板傳感器和制動(dòng)踏板傳感器采集的數(shù)據(jù)為模擬信號(hào)，要用到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后數(shù)據(jù)此時(shí)就以二進(jìn)制的形式傳給STM32處理器。

4、硬件設(shè)計(jì)

4.1 部分元配件的選型

（1）本設(shè)計(jì)的收發(fā)器選用SN65HVD230D芯片，具有差分收發(fā)能力，最高速率可達(dá) 1Mb/s，同時(shí)也具備良好抗干擾能力和高可靠性[4]。

（2）輪速傳感器采用佑科電氣的SC12-20K，其使用了齒輪轉(zhuǎn)速霍爾芯片，單片集成，是一種真正的零速度數(shù)字微分霍爾效應(yīng)傳感器。

（3）本設(shè)計(jì)使用了陀螺儀MPU6050模塊作為加速度傳感器，其可以測出賽車運(yùn)動(dòng)時(shí)各個(gè)方向上的加速度以及側(cè)偏角，進(jìn)而計(jì)算和校正賽車胎壓、預(yù)載量、車輛重心布置等。

（4）整車控制器芯片使用的是3.3V直流電源，而部分其他器件使用5V直流電源，賽車低壓輔助電源為12V的直流電源，故需要采取一系列的穩(wěn)壓電路來給各部分電路供電。其中12V轉(zhuǎn)5V采用技術(shù)成熟的7805穩(wěn)壓芯片，再由5V轉(zhuǎn)3.3V采用LM317穩(wěn)壓芯片。

4.2 電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)共5個(gè)，這里只介紹其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)收發(fā)器的電路圖，如圖2所示。

在圖2中，TXD接STM32F207ZG的發(fā)送管腳，RXD接STM32F207ZG的接收管腳，CANH和CANL分別為輸出高電位和低電位。

4.3 印刷電路板

本文使用的PCB繪制軟件是Altium Designer，在完成各個(gè)電路原理圖的繪制后，使用印刷電路板模塊進(jìn)行繪制，最后電路焊接成型，圖3展示的是整車總控制器焊接成型圖。

5、軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的編程軟件是Keil MDK，MDK-ARM軟件為基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9處理器設(shè)備提供了一個(gè)完整的開發(fā)環(huán)境。

CAN的軟件設(shè)計(jì)包括CAN的初始化，CAN的接收，CAN的發(fā)送[5]，此處僅把顯示器模塊節(jié)點(diǎn)的接收程序設(shè)計(jì)流程展示出來。其流程圖如圖4所示：

The Design of Data Acquisition and Control system in FSAE Racing Car based on CAN bus

Yang Zhongyuan, Wang Hailin, Zeng Wenhao, Zhang Guanglong, Ye Zhuofan
（South China Agricultural University, Guangdong Guangzhou 510642）

In order to accomplish the data acquisition about the motor, battery, vehicle speed and so on in a FSAE pure electric race car, the corresponding control and real-time data display, this paper designs a data acquisition system based on CAN bus. The system takes STM32 as the core processor with five intelligent nodes. Finally, the race car is basically realized the communication of CAN bus. Some working parameters of the car can display in real time for drivers. Data acquisition also provides the valid value in experiment for the optimization design of the car.

CAN bus; STM32; FSAE; electric race car

U463.6

A

1671-7988(2015)04-55-03

楊仲源，就職于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)。