應用CAN總線車輛輔助電氣系統控制器設計分析

明顯誠，許 博

(1.重慶理工大學工程訓練與經管實驗中心，重慶 400054；2.中國電子科技集團公司第三十二研究所，上海 200233)

1 引言

電傳動車輛輔助電氣系統設備較多，傳統控制方式存在諸多弊端，隨著CAN總線技術的發展，電氣傳動系統的控制結構有向模塊化、分布式方向發展的趨勢[1]。采取這種結構，系統的各單元并列布置，相互直接獨立存在，不會相互干擾，簡化整體的復雜程度，提高可靠性[2]。從控制器，主要控制輔助電氣系統，與主控制器通信，控制雨刷、前后大燈、車門、空調、室內燈組等。因此，對輔助電氣控制器進行分析設計，具有重要意義。

國內外學者，對此進行了一定研究：文獻[3]針對電動汽車的多種燈光控制電路進行分析，優化控制線路，實現高精度控制，分析了應用總線的優勢；文獻[4]針對燈光、雨刮等輔助電路進行集成模塊化設計，提升系統的控制精度，體現了分布式設計的優勢；文獻[5]采用基于總線控制優化整車電器控制系統的控制方法和精度，表明總線技術可以有效提高系統的可靠性；文獻[6]采用模擬試驗的方法對輔助電氣系統進行優化設計，提出了模擬電路的設計思路和試驗原則，為其他設計提供參考。

通過分析國內外研究成果可以發現，總線控制技術對于設備繁多的電路控制精度較高，可靠性比較強；然而，學者們的研究多集中在單個設備或少數設備，未對整個輔助電氣系統進行全面設計，存在一定的局限性。針對輔助電氣系統控制進行分析設計，基于整車分布式控制系統結構特點，對影響輔助電氣控制系統的從控制器和輔助電氣控制器進行分析設計，并對CAN總線網絡協議進行設計，采用模擬電路實驗對整個設計進行驗證。

2 分布式控制系統

電動輪車輛由帶有ECU的發動機作為動力源，通過主軸與發電機相連，帶動發電機發電，發出的三相交流電經整流器整流后輸送到直流母線上，再通過逆變器輸出交流電驅動輪邊電機運行，當車輛制動時，輪邊電機發電，將能量通過逆變器反向輸送到直流母線，消耗到制動電阻上[7]。因此，根據設計需要，該控制系統由一個現場控制器(包括一個主控制器和一個從控制器)，若干個發電機勵磁控制器、制動控制器、逆變控制器，若干個帶有LIN總線的輔助電氣控制器組成[8]。主控制器：控制動力回路，與發動機、從控制器通信；從控制器：主要控制輔助電氣系統，與主控制器通信；發電機勵磁控制器、逆變控制器、制動控制器；輔助電氣控制器：控制雨刷、前后大燈、車門、空調、室內燈組等。

目前，電氣傳動系統的控制結構有向模塊化、分布式方向發展的趨勢。電動輪車輛電氣傳動系統典型的分布式控制結構，如圖1所示。這種結構以控制器為中心，上面有駕駛室和遠程控制模塊作為上位機通過總線A發送控制指令，下面有內燃機、發電機、整流器、逆變器、制動器等模塊作為下位機通過總線B接收主控制器的控制指令，主控制器周圍還有狀態記錄儀等其他外設[9]。

圖1 分布式控制結構Fig.1 Distributed Control Structure

3 輔助電氣控制系統設計

由以上分析可知，從控制器主要控制輔助電氣系統，與主控制器通信，控制雨刷、前后大燈、車門、空調、室內燈組等[10]。因此，需要對從控制器和輔助電氣控制器進行設計，并對總線控制進行設計。

3.1 從控制器設計原理

根據控制結構可知，從控制器需要采集的數據有：6-8個模擬量輸入：燃油油位，水溫，機油溫度，機油壓力，氣壓，若干液壓閥等；14-16個開關量輸入：屏幕手柄移動(上/下/左/右)，屏幕手柄功能(確定/返回)，故障指示檢測，故障確認開關、遠近光燈、左右轉向、汽笛、霧燈等；6-8個開關量輸出：故障指示燈，故障蜂鳴器等；1-2個CAN總線接口，一個LIN總線接口(具有CAN、LIN網關的功能)。液壓控制器：如果車輛中的液壓閥較多，還可在系統中專設一個液壓控制器，負責控制整車的液壓系統。從控制器原理圖，如圖2所示。

圖2 從控制器原理圖Fig.2 Schematic Diagram of the Slave Controller

系統的工作原理：從控制器是整車電氣控制的核心，是總線網絡上的次要節點。它負責采集車輛的電氣參數，接受主控制器的命令，并向主控制器反饋車輛的電氣參數，幫助主控制器對整車工況的正確把握。

3.2 輔助電氣控制器設計

帶有LIN總線的輔助電氣控制器屬于車身電氣控制模塊，主要控制整車的燈光，空調，雨刷，車門等，通信速率要求較低，反應速度要求不高。而LIN總線的成本較低，通信速率較慢，一般能達到20kb/s，完全能夠滿足設計需求。以前左燈組控制器為例，原理圖，如圖3所示。

圖3 前左燈組控制器原理圖Fig.3 Schematic Diagram of the Front Left Lamp Controller

與前燈組控制器類似，還有若干個帶有LIN總線的輔助電氣控制器，如車門，雨刷，后車燈等。工作原理：LIN總線的通信采用但主多從，單線傳輸數據的通信模式，不需要進行仲裁。從控制器作為輔助電氣網絡的核心為主站，其他若干個輔助電氣控制器為從站，所有通信都是由主站即從控制器發起的。在通信過程中，每幀最多13個字節，在波特率為10kbps的情況下，每幀的傳輸時間最多為10ms，因此我們可以將LIN總線的通訊周期設定為20ms，以保證數據通訊的有效性。以前左燈組控制器為例，由從控制器接收主控制器的控制信號，判斷前燈狀態，發送相應的LIN總線數據幀到前燈組控制器，控制前燈開關。

3.3 CAN總線網絡協議設計

主要包括數據的成幀協議和傳輸協議兩方面。

3.3.1 數據成幀協議

成幀處理是一種用來在一個比特流內分配或標記信道的技術，為數據傳遞提供基本的時隙結構和管理方式、錯誤隔離和分段傳輸協議等內容。在控制過程中，主要是通過CAN總線數據幀來完成全部控制過程的。

CAN3負責主控制器與從控制器、儀表指示燈組、LCD顯示器之間的通訊，主控制器向從控制器發送車輛行駛相關數據；從控制器不僅要接收主控制器的數據幀，還要負責輔助電氣系統和液壓系統操作信號的采集，并對輔助電氣系統和液壓系統進行控制；最終主從控制器將車輛行駛過程中的各項重要行駛數據顯示到儀表指示燈組和LCD顯示器上。

主控制器向從控制器發送數據幀0×161，可擴展為0×169，傳遞的信號主要有主控制器采集的油門踏板位置百分比，制動踏板位置百分比，限速旋鈕位置百分比，擋位信息，鑰匙位狀態，貨箱位狀態，漏電報警信息等。從控制器向主控制器發送數據幀0×171，可擴展到0×179，傳遞的信號主要有燃油油位等傳感器采集的信息與各LIN模塊的報警燈信號。

3.3.2 幀的控制協議

經總線仲裁后的時間分布，如圖4所示。如圖中所示，當滿足T＜Tc時，系統即可保證正常工作，Tc表示為研究控制器的通訊周期，T為一個發送接收周期的時間長度。

由分析可知，字節數據發送需要0.44ms，總線數據發送完需要7.92ms，考慮前后數據之間的時間間隔0.05ms，則整個數據完全傳輸需要時間為8.77ms，則設置Tc=20ms，數據傳輸總線的暫用率小于45%，完全可以滿足使用要求。

而總線的占用率也就是η=T/Tc＜1。在總線網絡的設計過程中，如果數據幀的數量增加，我們可以以總線的占用率在(33～66)%之間為最佳來考慮總線數據發送周期Tc，將其設置為合適數值即可。由分布式控制結構可知，CAN3稱之為輔助電氣總線，有傳遞接收信號可知，整個傳輸用時在10ms左右，則時鐘周期選擇Tc=20ms，完全可以滿足系統的使用和可靠安全性要求。

圖4 各節點數據信號時間分布Fig.4 Time Distribution of Data Signals of Each Node

4 試驗分析

在實驗系統中，考慮到車體龐大，輸入輸出的電氣信號的分布比較分散，采用分布式的系統結構進行優化設計。主控制器模擬采集駕駛室里面的加速踏板信號，制動踏板信號等車輛行駛相關的信號，以及經過高壓信號采集板采集回來的高電壓信號，并且通過CAN2與從控制器、顯示屏相互通信；從控制器負責顯示屏的操縱手柄等信號的采集和處理；其他控制單元模擬動力回路上的勵磁、逆變、制動等控制單元，采集若干模擬量和開關量仿真發電機勵磁、逆變、制動的相關參數，并且通過CAN3與主控制器通信；CAN4是冗余接口，充當CAN3的熱備份接口。實驗平臺的系統結構圖，如圖5(a)所示。從控制器的主要接口包括，顯示屏操作手柄接口，如圖5(b)所示。故障檢測可以用開關量的輸入與輸出來模擬，燈光信號在實際中使用較多，在實驗室里只用一路信號來模擬，接口如圖5(c)所示。

圖5 實驗平臺系統結構圖Fig.5 Experimental Platform System Structure

4.1 從控制器選型

從控制器，選用的是非公路車和工程機械專用控制器，它具有汽車級控制器防護等級高，輸入輸出接口功能強大，可靠性高，成本低，通用性好，模塊化功能劃分編程簡單等優點，能夠滿足從控制器對大量、多種類的I/O端口功能的要求[15]。主要參數介紹如下：

CPU：MPC555K3 40MHZ

隨機存儲器RAM：1×26Mbyte

可用Flash程序存儲空間：160kbyte

數據存儲空間EEPROM：1×2kbyte，100萬次擦寫能力

總線接口：2×CAN，125-500kbps；1×LIN，20kbps

程序下載：CAN，125kbps

編程環境：codesys，c，c++，matlab

AI口：20個

DI口：13+8(復用)個

AO口：2個

DO/PWM口：31(復用)個

采用TMS320LF2401A為從控制電路的控制芯片。根據以上分析，搭建試驗測試平臺，測試硬件和軟件測試程序，如圖6所示。

圖6 實驗測試平臺Fig.6 Experimental Test Platform

4.2 時間特性分析

根據總線協議，波特率分別為250Kbps、500Kbps、1Mbps的幀寬度的計算值，如表1所示。

表1 幀寬度的計算值Tab.1 Calculated Value of Frame Width

基于CAN3.0A協議、波特率分別為250K，500K和1M時，主站掛接4個從節點，實際測試結果，如表2所示。

表2 通訊幀的實際寬度Tab.2 Actual Width of the Communication Frame

由對比可知，總線控制的時間特性測試結果與理論分析計算結果基本一致，二者之間的誤差小于0.05ms，產生誤差的主要原因是包括三個方面：各節點的幀與幀處理時間；示波器的測試誤差；部分標識數據無法顯示等。

4.3 可靠性分析

為提高系統的可靠性，該系統進行了冗余設計保證系統的高效與安全。試驗時，調用關鍵函數進行測試，程序測試流程，如圖7所示。

圖7 冗余程序流程Fig.7 Redundant Program Flow

主要程序函數為：

1.檢測位函數，設定循環周期，并定位關聯。

SEND_PULSE_1(x Send：=TRUE，t Pulse_half_cycle_time：=T#10MS)；//函數調用

Id_lst[3]．Data[8]：=PACK(SEND_PULSE_1．x Test_pulse，0，0，0，0，0，0，0)；//將該檢測位關聯到數據幀的第8個字節的第一位

2.判斷函數，設置檢測周期，并設定故障信號，調到冗余設計，實現總線跳躍，啟動其他總線。

Unpack_1(B：=Id_lst[15]．Data[8])；//接收到數據幀的第8個字節

RECIEVE_CHECK_1(x Recieve_pulse：=Unpack_1．b0，t Watchdog_time：=t#100ms)；//判斷第8字節的第1位的值

COMM_OK_0：=NOT(RECIEVE_CHECK_1．x Sender_not_available)；//判斷總線CAN0口(也就是CAN2總線)是否正常

3.自動切換設置

COMM_OK_0：=NOT(RECIEVE_CHECK_1．x Sender_not_available)；IF COMM_OK_0=TRUE THEN//如果CAN0正常

CANnet：=0；//CAN0繼續發送

COMM_OK_1：=FALSE；//CAN1休眠

ELSE

CANnet：=1；//如果CAN0不正常

COMM_OK_1：=TRUE；//切換到CAN1

END_IF

如圖8所示，當0.2s時，人為切斷一條總線，使得程序失效，系統迅速調整，100ms內切換至其他總線，并繼續發送數據，驗證了系統冗余設計發揮作用，系統具有較高的可靠性，可以作為實際設計的參考。

圖8 冗余設計驗證結果Fig.8 Redundant Design Verification Results

5 結論

基于CAN總線對輔助電氣控制系統進行設計，對基于試驗對系統時間特性和可靠性進行分析，結果可知：(1)根據設定的從控制器發送和接收數據幀，輔助電氣總線時鐘周期設置為20ms，單個數據傳輸周期10ms左右，總線占用率小于45%，滿足數據傳輸可靠性要求；(2)控制系統總線時間特性分析試驗結果與理論計算基本一致，誤差小于0.05ms；(3)單個總線發生故障時，系統可在100ms內完成切換，繼續發送數據，系統冗余設計發揮作用，具有較高的可靠性，可以作為實際設計的參考。