引言

    上世纪90年代以来，随着对汽车功能要求的不断提高和汽车控制技术的发展，在汽车设计领域，CAN总线几乎成为一种必须采用的技术手段，不仅在一些高级轿车，而且在经济型轿车中进入了实用化阶段。CAN总线规范是目前唯一有国际标准的现场总线，并得到Intel、Motorola、Philips、TI、Infineon等许多半导体制造厂商的支持，推出各种集成有CAN协议的产品。

    CAN总线不仅用于汽车电气系统的现场总线，而且由于网络控制的发展以及它所具有的优秀性能和高可靠性而越来越受到工业界的重视。

1 CAN总线的特点及通信协议

    CAN总线是一种串行数据通信协议。在CAN总线接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理。CAN协议废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，数据块的标识码可由1 1位或29位二进制数组成。按数据块的编码方式，可使不同的节点同时接收到相同的数据；数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域和汽车行业中控制命令、工作状态以及测试数据的一般要求，保证通信的实时性；CAN协议采用CRC校验并可提供相应的错误处理功能，保证数据通信的可靠性；采用非破坏性仲裁技术：当多个节点同时向总线上发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响继续传送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪。

    CAN通信协议规定了4种不同的帧格式，即数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。基于以下基本规则进行通信协调：总线访问、仲裁、编码／解码、出错标注、超载标注。

    J1939是一种支持闭环控制的在多个ECU之间高速通信的网络协议。在CAN总线通信协议2．OB之上具体实现了应用层，成为载货车和大客车广泛使用的通信标准。任何遵循同一J1939／0X(X=1，2，...，用来表示不同的版本或应用范围)文件规定的电子控制单元(ECU)均可通过网络实现通讯。SAEJ1939使用PDU(用于确定分配到数据域的参数组编码)封装和实施CAN的标准格式(表1)，具体定义如下：协议数据单元PDU由优先权P、参数组号(PGN)、源地址SA和数据DATA组成。参数组号PGN又由保留位R、数据页DP、PDU格式PF和PDU特性域PS组成。J1939／71应用层文档定义了车辆控制的各种参数及命令的PGN。本文参考J1939协议，采用29位ID的编码方式。

表1 SAE J1939的PDU封装格式

2 基于CAN通信的XL2000轻度混合动力控制系统实现

    2．1 XL2000轻度混合动力系统原理框图及控制网络要求

    系统在台架上的调试原理如图1所示。原夏利2000的4缸1．3L汽油机换成3缸1．OL TJ376QE汽油机，该汽油机的飞轮被替换为一个10kW永磁电机，既可以工作在电动模式提供输出扭矩也可以工作在发电模式提供电能。发动机的节气门被改造为电控节气门，接受主控制器控制。主控制器通过控制电控节气门开度和管理电控喷油器功率回路，实现对发动机的力矩控制和启停管理。主控制器、电机控制器和电池管理系统通过CAN总线交换信息，以实现传感器测量数据的共享、控制指令的发送和接收等，并执行各自的控制功能，从而提高系统的控制性能。它们之间的通信与信息类型为信息类和控制类。

图1系统调试原理框图

    2．2节点设计

    考虑开发的便利性、快速性以及成本的考虑，尽量发挥各自的开发优势，系统中使用的控制器有Motorola公司的M68376、TI公司的DSP内核芯片TMS320LF2407和Cygnal公司的增强型C8051F020单片机。前两种单片机集成有CAN控制器模块，CAN和微控制器之间通过芯片内部总线交换数据；而后一种控制器无CAN接口，采用独立的CAN控制器SJAl000，以适应C805 1F020单片机，通过并行数据口交换数据信息。CAN的外围器件采用82C250收发器增强总线驱动能力，采用光耦6N137在电气与总线隔离，具有较强的抗干扰能力，起到安全保护作用。[page]

    2．3数据信息编码定义

    本系统CAN总线采用29位标识符，满足通常混合动力汽车控制中控制命令、工作状态、测试数据传输的要求。每帧信息最多8个字节的数据不会占用总线时间过长，从而保证了数据通信的实时性。由于信息量较多，在此仅以电池管理系统发送的两帧数据为例，介绍通信地址及信息定义，见表2、表3(表3中X表示不存在或保留)。

表2 通信地址分配表

表3 参数字节定义

    在数据打包过程中，对于有相关关系的数据打包到一个消息帧，以保证数据发送效率，充分利用通信带宽。对于需要快速发送的数据，数据长度尽可能短，以保证传输时间足够短，提高数据传送的实时性。

    2．4消息调度

    消息调度是CAN总线应用协议的重要部分。为了保证总线通信的实时性，减少总线通信的通信量和负载，需要合理的调度方式。为了实现系统控制目标，在通信协议中定义了事件触发、定时发送和应答响应3种调度方式，分别调度非周期实时性消息、周期实时性消息、周期非实时性消息、非周期非实时性消息以及查询消息。在定时发送的调度方式中，按照控制系统对其实时性要求的高低，依次设定了10、50、100、200、500ms的时间间隔。如动力总成控制器发送给电机的扭矩控制指令，由于实时性要求较高，采用了10ms更新一个数据，而实时性相对较低的量(如电池组的电气状态)则采用了100ms发送一次。为了发挥CAN系统中远程帧(由节点发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧)的优势，还采用了应答响应的调度方式，如协议中电池单体模块状态信息，如果要每个电池单体模块状态信息都传输的话，必将带来总线的负载的增加，同时从控制角度来看，也没有这样的必要，因此，采用了远程请求的方式来传输。图2是CAN信息发送流程图，图3是CAN信息中断接收流程图。

    2．5故障诊断及处理

    系统运行时的故障和处理主要由各ECU来处理，并向CAN总线发送信息。具体为：电机故障主要由电机控制器来监测，然后通过CAN总线发送到网络上，主控制器接收故障信息并判断是否为重大故障，如是重大故障则采取相应措施，切断主继电器，动力电池停止供屯如果是一般故障则采取相应的策略排除故障；电池故障由电池管理系统监测，并向网络发送信息，主控制器收到故障信息后，作相应处理，故障也分一般故障和重大故障。CAN总线通信是XL2000混合动力轿车控制的纽带，总线通信的故障主要是总线节点脱离，或是负载过高导致严重事故，所以要随时监控电机控制器、电池管理系统的节点状态和总线的负载。如果节点脱离，则需要停车重启控制系统；若是负载过高，则报警。

图2 CAN发送流程图
 

图3 CAN接收流程图

3 试验验证

    系统采用250Kpbs的通信波特率，结合台架试验和CAN总线实际通信。结果证明：系统各ECU工作正常，各控制器之间通过CAN总线通信，实现了传感器测量数据的信息共享、控制指令的发送和接收，达到了系统设计指标及功能；CAN总线工作稳定、可靠，具有较强的抗干扰能力，完全满足混合动力汽车实时控制要求。图4～图7发动机转速在1200、1600、2000、2400 r／min下XL2000混合动力汽车台架试验系统负荷特性试验曲线，除去燃油消耗外，其它的数据信息是通过CAN总线接收的。其中，曲线系列1～系列7分别为司机踏板位置(％)、节气门开度(％)、发动机水温、燃油消耗率、系统扭矩输出、电机扭矩指令、电机的电压、电流、电池的剩余电量。[page]

图4 发动机转速为1200r／min

图5 发动机转速为1600r／min

图6 发动机转速为2000r／min

图7 发动机转速为2400r／min

4 结束语

    在研究CAN应用层协议及J1939协议的基础上，针对所开发XL2000混合动力汽车，介绍了基于CAN总线的控制系统工作原理，对各控制器ECU的状态作了描述，并进行了系统设计。系统台架试验证明，系统能完成整车控制系统的正常通信，很好地实现了混合动力汽车的控制策略，具有较强的故障诊断及处理能力，可靠性高，实时性好，达到了较高的性能指标。