現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)在純電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

引言

當(dāng)今汽車的保有量和使用量的飛速增加使得大氣環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，加上石油資源危機(jī)，使得以電能作為驅(qū)動(dòng)的汽車技術(shù)成為世界各汽車廠商技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。但是電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化還處于初期的準(zhǔn)備階段，與之相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品尚未形成工業(yè)體系。在這一新的領(lǐng)域我國(guó)與國(guó)外處于相近的水平，為此科技部在十?五“863”計(jì)劃專門設(shè)立了電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)，以進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展。

現(xiàn)代汽車工業(yè)和電子技術(shù)飛速發(fā)展，汽車上的電子裝置越來(lái)越多。一輛高檔汽車的電氣節(jié)點(diǎn)數(shù)已達(dá)上千個(gè)，如果采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行布線，連線的數(shù)量非常驚人而且有極大的故障隱患。為了解決這一問(wèn)題，各大汽車廠商從上世紀(jì)70年代開(kāi)始了車用網(wǎng)絡(luò)的研究，并取得了很大的發(fā)展，形成了多種適合不同傳輸速率及特殊用途的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如：CAN總線、LIN總線、用于診斷的KWP2000、用于X-by-wire 的TTP、多媒體應(yīng)用的MOST協(xié)議等。其中CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）是BOSCH公司于上世紀(jì)80年代提出的。為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，可以很好的解決上述的問(wèn)題?，F(xiàn)在世界上許多汽車公司，如奔馳、寶馬、大眾等公司已采用CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信。

我國(guó)對(duì)車用網(wǎng)絡(luò)、總線、通訊協(xié)議的研究起步比較晚，但近年來(lái)發(fā)展比較快，尤其在電動(dòng)汽車項(xiàng)目中總線網(wǎng)絡(luò)得到廣泛的應(yīng)用。

2 汽車總線的技術(shù)特征

汽車總線傳輸必須確保以下幾點(diǎn)：保證信息能夠準(zhǔn)確的傳送；總線節(jié)點(diǎn)能夠隨時(shí)訪問(wèn)總線；節(jié)點(diǎn)根據(jù)預(yù)先確定的優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問(wèn)；具有根據(jù)信息內(nèi)容解決總線訪問(wèn)競(jìng)爭(zhēng)的能力和競(jìng)爭(zhēng)解決后獲勝站點(diǎn)能夠訪問(wèn)總線且繼續(xù)傳輸信息；節(jié)點(diǎn)在盡量短的時(shí)間內(nèi)成功訪問(wèn)總線；最優(yōu)化的傳輸速率（波特率）；節(jié)點(diǎn)的故障診斷能力；總線具有一定的可擴(kuò)充性等等。

2.1 數(shù)字信號(hào)的編碼
為了保證信息傳輸?shù)目煽啃裕瑢?duì)數(shù)字信號(hào)正確編碼非常重要。汽車局域網(wǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)多采用脈寬調(diào)制（PWM）和不歸零制（NRZ）。PWM作為編碼方案時(shí)，波特率上界為3×105Kbps，用于傳輸速率較低的場(chǎng)合。采用NRZ進(jìn)行信息傳輸，可以達(dá)到1Mbps，用于傳輸速率較高的場(chǎng)合。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
實(shí)用的汽車局域網(wǎng)是總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等，其優(yōu)點(diǎn)是：電纜短，布線容易；總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又是無(wú)源元件，可靠性高；易于擴(kuò)充，增加新節(jié)點(diǎn)只需在總線的某點(diǎn)將其接入，如需增加長(zhǎng)度可通過(guò)中繼器加入一個(gè)附加段。

2.3 總線訪問(wèn)協(xié)議
汽車總線的訪問(wèn)協(xié)議一般為爭(zhēng)用協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能獨(dú)立決定信息幀的發(fā)送。如果同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，就會(huì)出錯(cuò)，這就要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)有能力判斷沖突是否發(fā)生，發(fā)生沖突時(shí)按某個(gè)規(guī)律等待隨機(jī)時(shí)間間隔后重發(fā)，以避免再發(fā)生沖突。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所使用的防沖突監(jiān)聽(tīng)措施多為載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等都采用的是載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)+無(wú)損仲裁（C***A/CD+NDA）。

3 CAN總線的特點(diǎn)

CAN總線通信協(xié)議是在考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的背景下制訂的，它采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO制訂的開(kāi)放系統(tǒng)互連ISO-OSI模型中的三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。CAN總線規(guī)范已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂為國(guó)際準(zhǔn)ISO11898，并被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。得到 MOTOROLA、PHILIPS、Intel、SIEMENS等著名半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠家的支持，進(jìn)而迅速推出了各種集成CAN協(xié)議的產(chǎn)品。與一般的總線相比，CAN 總線具有可靠、靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
(1) CAN 總線采用多主結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的任一節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通訊方式靈活。
(2) 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)根據(jù)對(duì)總線訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)的不同（取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)符），最快可在134μs內(nèi)得到響應(yīng)。
(3) 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，可以大大節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)在擁擠的情況下也不會(huì)癱瘓。
(4) CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而是對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等方式的傳送接收數(shù)據(jù)，容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。
(5) CAN采用NRZ編碼，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5Kbps），通信速率最高可達(dá)1Mbps（此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m）。
(6) 采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低。CAN的每幀信息都有CRC效驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。
(7) 通訊介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。
(8) CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

4 CAN總線在純電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車最大的區(qū)別就是用電能來(lái)驅(qū)動(dòng)，即用電池和電機(jī)的組合來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制和對(duì)電池的管理就成為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)。另外純電動(dòng)汽車的控制系統(tǒng)還包括助力轉(zhuǎn)向控制、車身系統(tǒng)控制、組合儀表等部分，每個(gè)部分都有獨(dú)立的控制單元(ECU)，一些先進(jìn)的汽車上還裝備了防抱死制動(dòng)控制系統(tǒng)(ABS)、安全氣囊控制系統(tǒng)(SRS)、巡行控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)(ASR)、懸架控制、空調(diào)控制、防盜及其他控制等控制單元。另外，各種舒適性控制裝置和通訊系統(tǒng)也不斷增多，而且各ECU 之間有著密切的聯(lián)系，構(gòu)成了基于CAN 總線的汽車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

純電動(dòng)汽車的整車控制系統(tǒng)是由兩條總線構(gòu)成，即高速CAN總線和低速總線。高速CAN總線和低速總線是兩個(gè)獨(dú)立的總線系統(tǒng)。為了便于汽車所有功能的管理，通過(guò)網(wǎng)關(guān)將這兩個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，不同總線間的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。這樣兩個(gè)總線分別獨(dú)立運(yùn)行，只有需要在兩種總線間交換的數(shù)據(jù)才通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸。這種方式可將不同類型的信息分開(kāi)，減輕了各網(wǎng)絡(luò)總線上的負(fù)擔(dān)。高速CAN總線主要連接電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)和故障分析記錄系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、電池、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等關(guān)鍵系統(tǒng)的快速控制。