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根據(jù)CFA6470長(zhǎng)豐混合動(dòng)力汽車(chē)的特點(diǎn)，運(yùn)用TMS320LF240X系列數(shù)字信號(hào)處理器和89C52單片機(jī)，組建了基于CAN總線(xiàn)多主分布式控制技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)。提出了一種基于TMS320LF2407A內(nèi)嵌式CAN控制器的混合動(dòng)力汽車(chē)能源總成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。 1 引言 混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）表示有多種動(dòng)力參與汽車(chē)驅(qū)動(dòng)，一般指的是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)這兩種動(dòng)力。目前，國(guó)內(nèi)和國(guó)際上對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)方興未艾，這種車(chē)綜合了傳統(tǒng)汽車(chē)引擎驅(qū)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩大優(yōu)點(diǎn)。主要能源仍然是汽油、柴油。混合動(dòng)力汽車(chē)既充分發(fā)揮了燃料發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)力性好的優(yōu)點(diǎn)，又可以發(fā)揮電動(dòng)機(jī)無(wú)污染、低噪聲的好處，具有低油耗、低污染的特性。并且，混合動(dòng)力汽車(chē)可以在運(yùn)行過(guò)程中維持電量的均衡，不像純電動(dòng)汽車(chē)需要配備專(zhuān)用的充電器等配套設(shè)備。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，混合動(dòng)力車(chē)將與傳統(tǒng)燃油車(chē)、純電動(dòng)車(chē)形成三足鼎立的局面。 混合動(dòng)力汽車(chē)在傳統(tǒng)的燃油車(chē)的基礎(chǔ)上，新增了電機(jī)、電池等部件，從而需要電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、能源總成控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使各設(shè)備工作在高效區(qū)，提高能源的利用率，使整車(chē)性能最佳。傳統(tǒng)燃油車(chē)內(nèi)的制動(dòng)控制器、變速器控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU（Engine ControlUnit）等電控設(shè)備、儀表儀器采用CAN總線(xiàn)進(jìn)行通訊，CAN總線(xiàn)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低、多主站等特點(diǎn)，混合動(dòng)力汽車(chē)沿用燃油車(chē)的傳統(tǒng)，新增的電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、能源總成控制系統(tǒng)也采用CAN總線(xiàn)聯(lián)成一體，進(jìn)行信息的交換。 2 CAN總線(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)介 CAN（Controller Area Network）是一種先進(jìn)的串行通信協(xié)議，它最初是為了解決汽車(chē)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)通訊總線(xiàn)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)范疇。1993年CAN總線(xiàn)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898：道路車(chē)輛的高速控制局域網(wǎng)數(shù)字信息交換標(biāo)準(zhǔn)），它有效支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制，并采用了帶優(yōu)先級(jí)的CSMA／CD協(xié)議對(duì)總線(xiàn)進(jìn)行仲裁。因此，CAN總線(xiàn)允許多站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，這樣，既保證了信息處理的實(shí)時(shí)性，又使得CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的可靠性。另外，CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，且每幀信息都有校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、低傳輸出錯(cuò)率。其傳輸介質(zhì)可以使用雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖。 3 混合動(dòng)力汽車(chē)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 下面以長(zhǎng)豐CFA6470HEV混合動(dòng)力汽車(chē)為例加以討論。CFA6470HEV以CFA6470G四輪驅(qū)動(dòng)越野車(chē)為平臺(tái)，去掉了分動(dòng)箱，發(fā)動(dòng)機(jī)僅驅(qū)動(dòng)后橋，電機(jī)以鎳氫動(dòng)力電池為能源驅(qū)動(dòng)前橋，前輪、后輪通過(guò)地面摩擦力達(dá)到速度一致。能源總成控制系統(tǒng)根據(jù)整車(chē)的狀態(tài)協(xié)調(diào)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停、電機(jī)的出力。整個(gè)CFA6470HEV功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 針對(duì)CFA6470HEV混合動(dòng)力汽車(chē)，我們組建了如圖2所示的CFA6470HEV混合動(dòng)力汽車(chē)CAN控制網(wǎng)絡(luò)。 其中能源總成控制系統(tǒng)、電機(jī)控制器以TMS320LF240x（參見(jiàn)TI公司：TMS320LF24xADSPControllers Reference Guide，1999）系列數(shù)字信號(hào)處理器為CPU，電池管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集顯示器以89C52為CPU。其各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)信息流圖見(jiàn)圖3。 4 混合動(dòng)力汽車(chē)能源總成控制系統(tǒng)CAN接口設(shè)計(jì) 混合動(dòng)力汽車(chē)能源總成控制系統(tǒng)作為混合動(dòng)力汽車(chē)的中央處理器，要求實(shí)時(shí)性高、運(yùn)算能力強(qiáng)，且要與CAN總線(xiàn)相連，故其CPU選用TI公司內(nèi)嵌CAN控制器的TMS320LF2407A。 4．1 TMS320LF2407ACAN控制器簡(jiǎn)介 TMS320LF2407A的CAN控制器模塊是一個(gè)完全的CAN控制器，該控制器是一個(gè)16位的外設(shè)模塊，完全支持CAN2．0B協(xié)議，支持?jǐn)?shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀，可工作在標(biāo)準(zhǔn)模式或擴(kuò)展模式下，它采用郵箱發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，對(duì)接收郵箱可配置接收屏蔽字，可編程位定時(shí)器、可編程中斷配置、可編程CAN總線(xiàn)喚醒功能，自動(dòng)回復(fù)遠(yuǎn)程請(qǐng)求，當(dāng)發(fā)送出現(xiàn)錯(cuò)誤或仲裁時(shí)丟失數(shù)據(jù)時(shí)，CAN控制器自動(dòng)重發(fā)，具有總線(xiàn)錯(cuò)誤診斷功能，可工作在自測(cè)試模式下。 TMS320LF2407A的CAN控制器采用郵箱機(jī)制發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，有別于一般的CAN控制器。一般的CAN控制器（如SJA1000）只有一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)、一個(gè)接收緩沖區(qū)，再加64字節(jié)接收緩沖區(qū)，當(dāng)發(fā)送不同標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)幀時(shí)，須改變標(biāo)識(shí)符寄存器。當(dāng)接收不同標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)幀時(shí)，屏蔽寄存器須對(duì)不同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀都開(kāi)放。而TMS320LF2407A的CAN控制器有6個(gè)郵箱，其中2個(gè)接收郵箱（MBOX0、1），2個(gè)發(fā)送郵箱（MBOX4、5），2個(gè)可配置為接收或發(fā)送郵箱（MBOX2、3），每個(gè)發(fā)送郵箱相當(dāng)于一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)，每個(gè)接收郵箱等同于一個(gè)接收數(shù)據(jù)區(qū)，使得TMS320LF2407A在不改變標(biāo)識(shí)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(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀，最少可發(fā)送2幀（最多4幀）不同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀，但不可同時(shí)為最多，這對(duì)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)幀類(lèi)型不多的CAN節(jié)點(diǎn)很適用。 TMS320LF2407A的CAN控制器有15個(gè)16位的控制寄存器，這些寄存器控制著CAN的位定時(shí)器、郵箱的發(fā)送或接收使能、錯(cuò)誤狀態(tài)及CAN的中斷等。詳細(xì)資料見(jiàn)參考文獻(xiàn)1。 4．2 CAN接口硬件設(shè)計(jì) CAN接口硬件電路如圖4所示，TMS320LF2407A的CAN控制模塊通過(guò)高速光電隔離模塊（兩片高速光電隔離器6N137）與CAN收發(fā)器PCA82C250相連。 4．3 CAN接口軟件設(shè)計(jì) CAN接口軟件分初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、中斷接收程序三大塊。數(shù)據(jù)解釋功能由主程序完成。 4．3．1 初始化CAN控制器 根據(jù)整車(chē)要求，混合動(dòng)力汽車(chē)能源總成控制系統(tǒng)需接收4種不同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀、發(fā)送兩種不同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)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(biāo)識(shí)符、接收屏蔽字。于是，初始化程序完成波特率、郵箱標(biāo)識(shí)符、接收屏蔽字、不使能發(fā)送中斷、使能接收中斷等配置功能，其初始化流程見(jiàn)圖5。 4．3．2 發(fā)送數(shù)據(jù) 由于郵箱標(biāo)識(shí)符已在初始化程序中一次性配好，發(fā)送程序只將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入相應(yīng)郵箱的數(shù)據(jù)區(qū)，設(shè)置發(fā)送請(qǐng)求位啟動(dòng)發(fā)送，待發(fā)送完畢，復(fù)位發(fā)送應(yīng)答位即可。其數(shù)據(jù)發(fā)送流程見(jiàn)圖6。 4．3．3 中斷接收數(shù)據(jù) 中斷接收服務(wù)程序置相應(yīng)數(shù)據(jù)接收標(biāo)志，并復(fù)位接收懸掛位和接收中斷標(biāo)志位。主程序中根據(jù)數(shù)據(jù)接收標(biāo)志讀取數(shù)據(jù)并解釋數(shù)據(jù)。這樣可減少中斷服務(wù)程序占用CPU的時(shí)間。 5 TMS320LF2407ACAN接口電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題 為了進(jìn)一步抑制干擾，CAN總線(xiàn)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(fā)器之間。混合動(dòng)力汽車(chē)能源總成控制系統(tǒng)的CAN總線(xiàn)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(xiàn)有效回路信號(hào)傳輸延時(shí)時(shí)間，導(dǎo)致速率距離積減少，CAN收發(fā)器（如82C250／251等）本身具有瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線(xiàn)、降低射頻干擾（RFI）以及實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)的能力。因此，在干擾不嚴(yán)重的應(yīng)用場(chǎng)合，可考慮不加光電隔離，以使系統(tǒng)達(dá)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(xiàn)有效回路信號(hào)傳輸延時(shí)時(shí)間，同時(shí)82C250的發(fā)送信息輸入腳TXD（第1腳）必須接上拉電阻。 6 結(jié)束語(yǔ) 本文所組建的CFA6470HEV混合動(dòng)力汽車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通信可靠，所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車(chē)能源總成控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定實(shí)時(shí)性強(qiáng)，已成功應(yīng)用于湖南省“十五”計(jì)劃重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目：長(zhǎng)豐集團(tuán)CFA6470HEV混合動(dòng)力汽車(chē)。 |
