CAN總線協議的動力電池報文采集與解析*

2018-08-08 07:31:38，，，，

單片機與嵌入式系統應用 2018年8期

關鍵詞：設置

，，，，

(上海工程技術大學汽車工程學院，上海 201620)

引言

電動汽車車用鋰電池發展十分迅速，預計未來幾年動力電池將進入大量回收的階段，因此需要考慮電池的回收、處理和再利用等問題。電動汽車的動力電池組壽命終結后，仍具有約70%～80%的容量，因此可將動力電池梯次利用于風光儲能、智能電網的削峰填谷等[5]。本文設計了一套采集報文的裝置，采用主控制芯片M2+CAN控制器，通過對電動汽車退役電池進行再測試，從BMS中獲取與單體電池性能相關的報文，根據協議進行報文解析、計算，可篩選出一致性較好的電池,有助于提高能源利用率。

1 CAN總線報文采集系統結構

本文采用上海山意微電子技術有限公司研發的國產32位M2芯片作為主控制器，M2芯片有兩個UART接口，但不帶CAN接口，采用NXP公司的一種獨立CAN控制器SJA1000，可在BasicCAN和PeliCAN兩種協議下工作。其中BasicCAN支持CAN2.0A協議，PeliCAN工作方式支持CAN2.0B協議。CAN收發器采用TJA1050[1]。整體結構硬件模塊包括：MCU主控制器、CAN 控制器、CAN 收發器，接收的報文可通過PC上位機軟件窗口觀察到。系統框圖如圖1所示。

圖1 CAN總線報文采集系統框圖

2 系統硬件設計

上海山意微電子技術有限公司自主研發的M2芯片，是基于MIPS架構的32位精簡指令型處理器，擁有128 KB的Flash存儲空間、2個UART/LIN通信串口、1個SPI通信接口、8路20位ADC采集模塊以及豐富的I/O接口，溫度穩定性高，滿足使用需求。本文采用的SJA1000CAN控制器是NXP公司的一種獨立CAN控制器，可在BasicCAN和PeliCAN兩種協議下工作。其中PeliCAN工作方式可接收擴展幀，29位標識符。由于本文采集的是電池管理系統發出的CAN報文，均為擴展幀、數據幀，因此選擇PeliCAN工作方式。

3 系統軟件設計

3.1 SJA1000驅動程序設計

CAN控制器SJA1000內部包含128個8位的寄存器，不帶有MCU處理器，相當于是主控制器M2的外部RAM空間，主控制器可通過讀、寫時序對SJA1000的寄存器進行訪問和設置，因此首先要對訪問時序進行軟件編程，實現主控制器與CAN控制器之間的通信，本文采用Intel模式下的交流時序。

寫時序圖如圖2所示。

圖2 寫時序圖

WR_SJA_REG(volatile int ADD,volatile int DATA){

/*初始化引腳*/

MemoryWrite32(SPI_CTL_REG,0x8);

//關閉SPI復用引腳功能

MemoryWrite32(U1_CTL0_REG,0x10);

//關閉UART引腳功能

MemoryWrite32(A_SDV2P_CTL_REG,0x0);

//關閉SD引腳功能

int p,i;

/*芯片I/O口引腳配置，單向I/O SEG口引腳配置*/

RT_GDR_BIT_OFF(0); //SEG 20 ==GDR 0 ALE

RT_GDR_BIT_ON(1); //SEG 21 ==GDR 1 RD

RT_GDR_BIT_ON(2); //SEG 22 ==GDR 2WR

RT_GDR_BIT_ON(3); //SEG 23 ==GDR 3CS

RT_IOCTL_Set32(0xFFFF); //設置I/O口為輸出

RT_GDR_BIT_ON(0); //ALE HIGN

for(i=0;i<5;i++);

ADD=ADD<<6;

RT_GPIO_Write32(ADD); //M2向SJA1000發送地址

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_OFF(0); //ALE LOW

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_OFF(3); //CS LOW

for(i=0;i<5;i++);

RT_IOCTL_Set32(0xFFFF); //設置I/O口為輸出

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_OFF(2); //WR LOW

for(i=0;i<5;i++);

DATA=DATA<<6;

RT_GPIO_Write32(DATA); //M2向SJA1000發送數據

p=RT_GPIO0_Read32();

p=p>>6;

p=p&0Xff;

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_ON(2); //WR HIGN

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_ON(3); //CS HIGN

for(i=0;i<5;i++);

return p;

}

由于脈寬保持時間需要保持大于一定的時間，且時序的正確配合十分重要，程序中利用for延時不同的時間來實現。同時，采用的GPIO口為復用引腳，需先關閉本控制芯片的SPI、UARTt和SD的復用引腳功能。同理，讀交流時序如圖3所示。

圖3 讀時序圖

讀時序與寫時序都是主控制器鎖定目標寄存器，但讀操作是直接把SJA1000寄存器的值讀取回來，當先向SJA1000發送完地址以后，把8路A/D總線I/O口設置為輸入后，寄存器中的數據就會自動發送回來。一次讀時序包括由主控制器向SJA1000發送寄存器地址后，把A/D數據地址總線設置為輸入，讀回數據。讀時序程序如下：

RD_SJA_REG(volatile int ADD){

……

//向SJA1000發送地址部分內容和寫時序部分相同

RT_IOCTL_Set32(0x0); //設置GPIO為輸入

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_OFF(1); //RD LOW

for(i=0;i<5;i++);

p=RT_GPIO1_Read();

p=p>>6;

p&=0xff;

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_ON(1); //RD HIGN

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_ON(3); //CS HIGN

for(i=0;i<5;i++);

return p;

}

讀、寫時序程序設計好以后，接下來的對寄存器的配置、SJA1000的初始化、報文的接收和發送都是基于此通信時序進行相關寄存器的配置，因此讀寫時序程序的設計十分重要。為測試此讀寫時序的正確性，采用邏輯分析儀進行觀察檢測，得到的讀時序圖和寫時序分別圖4和圖5所示。

圖4 邏輯分析儀讀時序

圖5 邏輯分析儀寫時序

3.2 初始化SJA1000

CAN控制器控制SJA1000進行報文的接收和發送之前，需要在復位模式下對SJA1000進行初始化操作[2]。主要操作內容包括配置時鐘分頻寄存器、操作模式、設置驗收代碼寄存器和驗收屏蔽寄存器，設置通信波特率等。初始化程序如下：

int Sja1000_Init(){

int s,a;

s=ENTER_RSTMODE(); //置位復位請求和單濾波模式

s=TEST_COMMUNI_REG();

//寫入測試寄存器,查看讀寫功能是否正確

s=SET_CLOCK_REG(0xC8);

//選擇Pelican模式，禁能外部時鐘引腳Intel模式

s=SET_ACCEPT_FILTER(0x00,0x00,0x00,0x01,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF);//屏蔽寄存器，設為無關，可接收所有報文

//當屏蔽位為1不濾波，屏蔽為位0就表示可以導通相同ID

s=SET_BAUDRATE(ByteRate_125k);//選擇波特率

WR_SJA_REG(REG_OCR,0x1A);

//輸出控制寄存器——正常輸出模式

WR_SJA_REG(REG_INTENABLE,0x1D);

//設置中斷，接收和發送中斷

//喚醒中斷使能，數據溢出中斷使能，錯誤報警中斷使能，

//發送中斷使能，接收中斷使能

a=RD_SJA_REG(REG_CONTROL);

a&=0xfe;

WR_SJA_REG(REG_CONTROL,a);

//退出復位模式，進入工作模式，寄存器末尾功能位置0

return 0;

}

本文中需要接收的報文是擴展幀、數據幀，因此選擇PeliCAN工作方式支持CAN2.0B協議。幀信息占一個字節，幀ID分配4個字節，使用29位，幀數據分配8個字節，設置單濾波模式，設置4個驗收代碼寄存器ACR和4個驗收屏蔽寄存器AMR，下面以一個寄存器為例，驗收代碼寄存器定義如下：

位76543210功能AC.7AC.6AC.5AC.4AC.3AC.2AC.1AC.0

驗收屏蔽寄存器AMR定義如下：

位76543210功能AM.7AM.6AM.5AM.4AM.3AM.2AM.1AM.0

ACR的每一位和AMR一一對應，驗收屏蔽為0表示相關，即只接收和驗收代碼寄存器幀ID相同的報文。反之為1表示無關，即接收所有報文。本文中接收到的報文是把來自科列的報文導入到上位機軟件USB_CAN TOOL中發送出來，所以設置為FF，接收所有報文即可。

3.3 接收CAN 報文

一條完整的報文包含三部分內容：幀信息、幀ID、幀數據。幀信息解釋了幀的格式和數據長度；標準幀ID為11位，擴展幀ID為29位標識符；幀數據寄存器中保存報文的數據。收到的報文CAN核心模塊把串行位流轉換成并行數據，經過驗收濾波器存儲在FIFO中。M2主控制器通過中斷輪詢的方式訪問SJA1000。當接收到報文后產生接收中斷，M2從緩沖區讀取報文，并釋放接收緩沖區，繼續根據中斷情況讀取下一條報文。其CAN 報文接收程序如下：

while(1){

int0=RT_SEG_Read(1);

WR_SJA_REG(REG_INTENABLE,0x01);

//設置M2接收中斷使能

if(int0==0){ //模擬下降沿觸發

a=RD_SJA_REG(REG_INTERRUPT);

//讀取中斷寄存器只有讀寄存器不會置位

if(a&0x01){

b=RD_SJA_REG(REG_RXBuffer1);

length=b&0x0f;

if((b&0x40)!=0x40){//數據幀=為遠程幀

h=0;

for(i=0;i<4;i++){

f=RD_SJA_REG(REG_RXBuffer5-i);

g=f<<(8*i);

h+=g;

}

h=h>>3;//幀ID信息

puts(“ID:”);

puts(xtoa(h));

for(i=0;i

//數據擴展幀從buffer6標準幀到buffer4

c=RD_SJA_REG(REG_RXBuffer6+i);

puts(xtoa(c));

}

……

WR_SJA_REG(REG_COMMAND,0x04);//釋放緩沖區//

}

3.4 發送CAN報文

M2通過判斷在這之前的最后一次發送是否成功，若成功則將需要發送的報文通過A/D總線發送到發送緩沖區，發出發送命令后，將報文發出。在硬件上，當按下Key鍵時，進行報文發送。其CAN 報文發送程序部分如下：

key=RT_SEG_Read(0); //按鍵key值寫入寄存器數據//

if(key==0){

e=RD_SJA_REG(REG_STATUS);

e&=0x04;

if(e==0x04){ //CPU可以向發送緩沖區寫信息

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer1,0x05);

//發送報文的信息

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer2,0x00);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer3,0x01);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer4,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer5,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer6,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer7,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer8,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer9,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer10,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer11,0x42);

WR_SJA_REG(REG_COMMAND,0x03);//發送命令

}

4 實例驗證

本文主要使用的是報文的接收功能。以接收為實例，硬件連接完成后，將在與M2配套的編譯環境Camel Studio中編寫的軟件程序下載到M2中，同時通過使用CAN分析儀來模擬BMS給該報文采集裝置發送報文。

通過CAN分析儀提供的上位機軟件USB_CAN TOOL模擬BMS發送CAN 報文，在USB_CAN TOOL上位機軟件中導入所需發送的報文，本文摘取報文的部分信息，導入的報文信息如圖6所示，報文信息來自科列公司提供的BMS的報文和報文解析協議。在PC機上打開Camel Studio軟件，將編譯后的CAN報文接收程序下載到M2中，運行后即可接收到USB_CAN TOOL發出的報文。實物連接圖如圖7所示。