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根據CFA6470長豐混合動力汽車的特點，運用TMS320LF240X系列數字信號處理器和89C52單片機，組建了基于CAN總線多主分布式控制技術的控制網絡。提出了一種基于TMS320LF2407A內嵌式CAN控制器的混合動力汽車能源總成控制系統設計與實現方案。 1 引言 混合動力汽車（HEV）表示有多種動力參與汽車驅動，一般指的是燃油發動機和電機這兩種動力。目前，國內和國際上對混合動力汽車的研究和開發方興未艾，這種車綜合了傳統汽車引擎驅動與電機驅動的兩大優點。主要能源仍然是汽油、柴油。混合動力汽車既充分發揮了燃料發動機持續工作時間長、動力性好的優點，又可以發揮電動機無污染、低噪聲的好處，具有低油耗、低污染的特性。并且，混合動力汽車可以在運行過程中維持電量的均衡，不像純電動汽車需要配備專用的充電器等配套設備。在不遠的將來，混合動力車將與傳統燃油車、純電動車形成三足鼎立的局面。 混合動力汽車在傳統的燃油車的基礎上，新增了電機、電池等部件，從而需要電機控制器、電池管理系統、能源總成控制系統對發動機、電機進行協調控制，使各設備工作在高效區，提高能源的利用率，使整車性能最佳。傳統燃油車內的制動控制器、變速器控制器、發動機ECU（Engine ControlUnit）等電控設備、儀表儀器采用CAN總線進行通訊，CAN總線具有實時性強、傳輸距離遠、抗電磁干擾能力強、成本低、多主站等特點，混合動力汽車沿用燃油車的傳統，新增的電機控制器、電池管理系統、能源總成控制系統也采用CAN總線聯成一體，進行信息的交換。 2 CAN總線技術簡介 CAN（Controller Area Network）是一種先進的串行通信協議，它最初是為了解決汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通訊總線，屬于現場總線范疇。1993年CAN總線成為國際標準（ISO11898：道路車輛的高速控制局域網數字信息交換標準），它有效支持分布式控制及實時控制，并采用了帶優先級的CSMA／CD協議對總線進行仲裁。因此，CAN總線允許多站點同時發送，這樣，既保證了信息處理的實時性，又使得CAN總線網絡可以構成多主結構的系統，保證了系統的可靠性。另外，CAN采用短幀結構，且每幀信息都有校驗及其他檢錯措施，保證了數據的實時性、低傳輸出錯率。其傳輸介質可以使用雙絞線、同軸電纜或光纖。 3 混合動力汽車CAN總線網絡 下面以長豐CFA6470HEV混合動力汽車為例加以討論。CFA6470HEV以CFA6470G四輪驅動越野車為平臺，去掉了分動箱，發動機僅驅動后橋，電機以鎳氫動力電池為能源驅動前橋，前輪、后輪通過地面摩擦力達到速度一致。能源總成控制系統根據整車的狀態協調控制發動機的啟停、電機的出力。整個CFA6470HEV功能結構圖如圖1所示。 針對CFA6470HEV混合動力汽車，我們組建了如圖2所示的CFA6470HEV混合動力汽車CAN控制網絡。 其中能源總成控制系統、電機控制器以TMS320LF240x（參見TI公司：TMS320LF24xADSPControllers Reference Guide，1999）系列數字信號處理器為CPU，電池管理系統、數據采集顯示器以89C52為CPU。其各節點間的數據信息流圖見圖3。 4 混合動力汽車能源總成控制系統CAN接口設計 混合動力汽車能源總成控制系統作為混合動力汽車的中央處理器，要求實時性高、運算能力強，且要與CAN總線相連，故其CPU選用TI公司內嵌CAN控制器的TMS320LF2407A。 4．1 TMS320LF2407ACAN控制器簡介 TMS320LF2407A的CAN控制器模塊是一個完全的CAN控制器，該控制器是一個16位的外設模塊，完全支持CAN2．0B協議，支持數據幀、遠程幀，可工作在標準模式或擴展模式下，它采用郵箱發送、接收數據，對接收郵箱可配置接收屏蔽字，可編程位定時器、可編程中斷配置、可編程CAN總線喚醒功能，自動回復遠程請求，當發送出現錯誤或仲裁時丟失數據時，CAN控制器自動重發，具有總線錯誤診斷功能，可工作在自測試模式下。 TMS320LF2407A的CAN控制器采用郵箱機制發送、接收數據，有別于一般的CAN控制器。一般的CAN控制器（如SJA1000）只有一個發送數據區、一個接收緩沖區，再加64字節接收緩沖區，當發送不同標識符數據幀時，須改變標識符寄存器。當接收不同標識符數據幀時，屏蔽寄存器須對不同標識符的數據幀都開放。而TMS320LF2407A的CAN控制器有6個郵箱，其中2個接收郵箱（MBOX0、1），2個發送郵箱（MBOX4、5），2個可配置為接收或發送郵箱（MBOX2、3），每個發送郵箱相當于一個發送數據區，每個接收郵箱等同于一個接收數據區，使得TMS320LF2407A在不改變標識符寄存器或接收屏蔽寄存器的情況下最少可接收2幀（最多4幀）不同標識符的數據幀，最少可發送2幀（最多4幀）不同標識符的數據幀，但不可同時為最多，這對發送、接收數據幀類型不多的CAN節點很適用。 TMS320LF2407A的CAN控制器有15個16位的控制寄存器，這些寄存器控制著CAN的位定時器、郵箱的發送或接收使能、錯誤狀態及CAN的中斷等。詳細資料見參考文獻1。 4．2 CAN接口硬件設計 CAN接口硬件電路如圖4所示，TMS320LF2407A的CAN控制模塊通過高速光電隔離模塊（兩片高速光電隔離器6N137）與CAN收發器PCA82C250相連。 4．3 CAN接口軟件設計 CAN接口軟件分初始化程序、數據發送程序、中斷接收程序三大塊。數據解釋功能由主程序完成。 4．3．1 初始化CAN控制器 根據整車要求，混合動力汽車能源總成控制系統需接收4種不同標識符的數據幀、發送兩種不同標識符的數據幀，因此，我們將TMS320LF2407A的MBOX2、3配置成接收方式，在初始化程序中一次配置好標識符、接收屏蔽字。于是，初始化程序完成波特率、郵箱標識符、接收屏蔽字、不使能發送中斷、使能接收中斷等配置功能，其初始化流程見圖5。 4．3．2 發送數據 由于郵箱標識符已在初始化程序中一次性配好，發送程序只將待發送的數據寫入相應郵箱的數據區，設置發送請求位啟動發送，待發送完畢，復位發送應答位即可。其數據發送流程見圖6。 4．3．3 中斷接收數據 中斷接收服務程序置相應數據接收標志，并復位接收懸掛位和接收中斷標志位。主程序中根據數據接收標志讀取數據并解釋數據。這樣可減少中斷服務程序占用CPU的時間。 5 TMS320LF2407ACAN接口電路設計的關鍵問題 為了進一步抑制干擾，CAN總線接口中往往采用光電隔離電路。光電隔離器一般位于CAN控制器與收發器之間。混合動力汽車能源總成控制系統的CAN總線接口中采用了高速光隔6N137光電隔離器。但是光電隔離電路增加了CAN總線有效回路信號傳輸延時時間，導致速率距離積減少，CAN收發器（如82C250／251等）本身具有瞬間抗干擾能力，保護總線、降低射頻干擾（RFI）以及實現熱防護的能力。因此，在干擾不嚴重的應用場合，可考慮不加光電隔離，以使系統達到最大的通信速率或距離。若要使用光隔電路，也要盡量選用高速光電隔離器件，以減少CAN總線有效回路信號傳輸延時時間，同時82C250的發送信息輸入腳TXD（第1腳）必須接上拉電阻。 6 結束語 本文所組建的CFA6470HEV混合動力汽車CAN網絡，數據通信可靠，所設計的混合動力汽車能源總成控制系統運行穩定實時性強，已成功應用于湖南省“十五”計劃重點攻關項目：長豐集團CFA6470HEV混合動力汽車。 |
