应用CAN总线车辆辅助电气系统控制器设计分析

明显诚，许 博

(1.重庆理工大学工程训练与经管实验中心，重庆 400054；2.中国电子科技集团公司第三十二研究所，上海 200233)

1 引言

电传动车辆辅助电气系统设备较多，传统控制方式存在诸多弊端，随着CAN总线技术的发展，电气传动系统的控制结构有向模块化、分布式方向发展的趋势[1]。采取这种结构，系统的各单元并列布置，相互直接独立存在，不会相互干扰，简化整体的复杂程度，提高可靠性[2]。从控制器，主要控制辅助电气系统，与主控制器通信，控制雨刷、前后大灯、车门、空调、室内灯组等。因此，对辅助电气控制器进行分析设计，具有重要意义。

国内外学者，对此进行了一定研究：文献[3]针对电动汽车的多种灯光控制电路进行分析，优化控制线路，实现高精度控制，分析了应用总线的优势；文献[4]针对灯光、雨刮等辅助电路进行集成模块化设计，提升系统的控制精度，体现了分布式设计的优势；文献[5]采用基于总线控制优化整车电器控制系统的控制方法和精度，表明总线技术可以有效提高系统的可靠性；文献[6]采用模拟试验的方法对辅助电气系统进行优化设计，提出了模拟电路的设计思路和试验原则，为其他设计提供参考。

通过分析国内外研究成果可以发现，总线控制技术对于设备繁多的电路控制精度较高，可靠性比较强；然而，学者们的研究多集中在单个设备或少数设备，未对整个辅助电气系统进行全面设计，存在一定的局限性。针对辅助电气系统控制进行分析设计，基于整车分布式控制系统结构特点，对影响辅助电气控制系统的从控制器和辅助电气控制器进行分析设计，并对CAN总线网络协议进行设计，采用模拟电路实验对整个设计进行验证。

2 分布式控制系统

电动轮车辆由带有ECU的发动机作为动力源，通过主轴与发电机相连，带动发电机发电，发出的三相交流电经整流器整流后输送到直流母线上，再通过逆变器输出交流电驱动轮边电机运行，当车辆制动时，轮边电机发电，将能量通过逆变器反向输送到直流母线，消耗到制动电阻上[7]。因此，根据设计需要，该控制系统由一个现场控制器(包括一个主控制器和一个从控制器)，若干个发电机励磁控制器、制动控制器、逆变控制器，若干个带有LIN总线的辅助电气控制器组成[8]。主控制器：控制动力回路，与发动机、从控制器通信；从控制器：主要控制辅助电气系统，与主控制器通信；发电机励磁控制器、逆变控制器、制动控制器；辅助电气控制器：控制雨刷、前后大灯、车门、空调、室内灯组等。

目前，电气传动系统的控制结构有向模块化、分布式方向发展的趋势。电动轮车辆电气传动系统典型的分布式控制结构，如图1所示。这种结构以控制器为中心，上面有驾驶室和远程控制模块作为上位机通过总线A发送控制指令，下面有内燃机、发电机、整流器、逆变器、制动器等模块作为下位机通过总线B接收主控制器的控制指令，主控制器周围还有状态记录仪等其他外设[9]。

图1 分布式控制结构Fig.1 Distributed Control Structure

3 辅助电气控制系统设计

由以上分析可知，从控制器主要控制辅助电气系统，与主控制器通信，控制雨刷、前后大灯、车门、空调、室内灯组等[10]。因此，需要对从控制器和辅助电气控制器进行设计，并对总线控制进行设计。

3.1 从控制器设计原理

根据控制结构可知，从控制器需要采集的数据有：6-8个模拟量输入：燃油油位，水温，机油温度，机油压力，气压，若干液压阀等；14-16个开关量输入：屏幕手柄移动(上/下/左/右)，屏幕手柄功能(确定/返回)，故障指示检测，故障确认开关、远近光灯、左右转向、汽笛、雾灯等；6-8个开关量输出：故障指示灯，故障蜂鸣器等；1-2个CAN总线接口，一个LIN总线接口(具有CAN、LIN网关的功能)。液压控制器：如果车辆中的液压阀较多，还可在系统中专设一个液压控制器，负责控制整车的液压系统。从控制器原理图，如图2所示。

图2 从控制器原理图Fig.2 Schematic Diagram of the Slave Controller

系统的工作原理：从控制器是整车电气控制的核心，是总线网络上的次要节点。它负责采集车辆的电气参数，接受主控制器的命令，并向主控制器反馈车辆的电气参数，帮助主控制器对整车工况的正确把握。

3.2 辅助电气控制器设计

带有LIN总线的辅助电气控制器属于车身电气控制模块，主要控制整车的灯光，空调，雨刷，车门等，通信速率要求较低，反应速度要求不高。而LIN总线的成本较低，通信速率较慢，一般能达到20kb/s，完全能够满足设计需求。以前左灯组控制器为例，原理图，如图3所示。

图3 前左灯组控制器原理图Fig.3 Schematic Diagram of the Front Left Lamp Controller

与前灯组控制器类似，还有若干个带有LIN总线的辅助电气控制器，如车门，雨刷，后车灯等。工作原理：LIN总线的通信采用但主多从，单线传输数据的通信模式，不需要进行仲裁。从控制器作为辅助电气网络的核心为主站，其他若干个辅助电气控制器为从站，所有通信都是由主站即从控制器发起的。在通信过程中，每帧最多13个字节，在波特率为10kbps的情况下，每帧的传输时间最多为10ms，因此我们可以将LIN总线的通讯周期设定为20ms，以保证数据通讯的有效性。以前左灯组控制器为例，由从控制器接收主控制器的控制信号，判断前灯状态，发送相应的LIN总线数据帧到前灯组控制器，控制前灯开关。

3.3 CAN总线网络协议设计

主要包括数据的成帧协议和传输协议两方面。

3.3.1 数据成帧协议

成帧处理是一种用来在一个比特流内分配或标记信道的技术，为数据传递提供基本的时隙结构和管理方式、错误隔离和分段传输协议等内容。在控制过程中，主要是通过CAN总线数据帧来完成全部控制过程的。

CAN3负责主控制器与从控制器、仪表指示灯组、LCD显示器之间的通讯，主控制器向从控制器发送车辆行驶相关数据；从控制器不仅要接收主控制器的数据帧，还要负责辅助电气系统和液压系统操作信号的采集，并对辅助电气系统和液压系统进行控制；最终主从控制器将车辆行驶过程中的各项重要行驶数据显示到仪表指示灯组和LCD显示器上。

主控制器向从控制器发送数据帧0×161，可扩展为0×169，传递的信号主要有主控制器采集的油门踏板位置百分比，制动踏板位置百分比，限速旋钮位置百分比，挡位信息，钥匙位状态，货箱位状态，漏电报警信息等。从控制器向主控制器发送数据帧0×171，可扩展到0×179，传递的信号主要有燃油油位等传感器采集的信息与各LIN模块的报警灯信号。

3.3.2 帧的控制协议

经总线仲裁后的时间分布，如图4所示。如图中所示，当满足T＜Tc时，系统即可保证正常工作，Tc表示为研究控制器的通讯周期，T为一个发送接收周期的时间长度。

由分析可知，字节数据发送需要0.44ms，总线数据发送完需要7.92ms，考虑前后数据之间的时间间隔0.05ms，则整个数据完全传输需要时间为8.77ms，则设置Tc=20ms，数据传输总线的暂用率小于45%，完全可以满足使用要求。

而总线的占用率也就是η=T/Tc＜1。在总线网络的设计过程中，如果数据帧的数量增加，我们可以以总线的占用率在(33～66)%之间为最佳来考虑总线数据发送周期Tc，将其设置为合适数值即可。由分布式控制结构可知，CAN3称之为辅助电气总线，有传递接收信号可知，整个传输用时在10ms左右，则时钟周期选择Tc=20ms，完全可以满足系统的使用和可靠安全性要求。

图4 各节点数据信号时间分布Fig.4 Time Distribution of Data Signals of Each Node

4 试验分析

在实验系统中，考虑到车体庞大，输入输出的电气信号的分布比较分散，采用分布式的系统结构进行优化设计。主控制器模拟采集驾驶室里面的加速踏板信号，制动踏板信号等车辆行驶相关的信号，以及经过高压信号采集板采集回来的高电压信号，并且通过CAN2与从控制器、显示屏相互通信；从控制器负责显示屏的操纵手柄等信号的采集和处理；其他控制单元模拟动力回路上的励磁、逆变、制动等控制单元，采集若干模拟量和开关量仿真发电机励磁、逆变、制动的相关参数，并且通过CAN3与主控制器通信；CAN4是冗余接口，充当CAN3的热备份接口。实验平台的系统结构图，如图5(a)所示。从控制器的主要接口包括，显示屏操作手柄接口，如图5(b)所示。故障检测可以用开关量的输入与输出来模拟，灯光信号在实际中使用较多，在实验室里只用一路信号来模拟，接口如图5(c)所示。

图5 实验平台系统结构图Fig.5 Experimental Platform System Structure

4.1 从控制器选型

从控制器，选用的是非公路车和工程机械专用控制器，它具有汽车级控制器防护等级高，输入输出接口功能强大，可靠性高，成本低，通用性好，模块化功能划分编程简单等优点，能够满足从控制器对大量、多种类的I/O端口功能的要求[15]。主要参数介绍如下：

CPU：MPC555K3 40MHZ

随机存储器RAM：1×26Mbyte

可用Flash程序存储空间：160kbyte

数据存储空间EEPROM：1×2kbyte，100万次擦写能力

总线接口：2×CAN，125-500kbps；1×LIN，20kbps

程序下载：CAN，125kbps

编程环境：codesys，c，c++，matlab

AI口：20个

DI口：13+8(复用)个

AO口：2个

DO/PWM口：31(复用)个

采用TMS320LF2401A为从控制电路的控制芯片。根据以上分析，搭建试验测试平台，测试硬件和软件测试程序，如图6所示。

图6 实验测试平台Fig.6 Experimental Test Platform

4.2 时间特性分析

根据总线协议，波特率分别为250Kbps、500Kbps、1Mbps的帧宽度的计算值，如表1所示。

表1 帧宽度的计算值Tab.1 Calculated Value of Frame Width

基于CAN3.0A协议、波特率分别为250K，500K和1M时，主站挂接4个从节点，实际测试结果，如表2所示。

表2 通讯帧的实际宽度Tab.2 Actual Width of the Communication Frame

由对比可知，总线控制的时间特性测试结果与理论分析计算结果基本一致，二者之间的误差小于0.05ms，产生误差的主要原因是包括三个方面：各节点的帧与帧处理时间；示波器的测试误差；部分标识数据无法显示等。

4.3 可靠性分析

为提高系统的可靠性，该系统进行了冗余设计保证系统的高效与安全。试验时，调用关键函数进行测试，程序测试流程，如图7所示。

图7 冗余程序流程Fig.7 Redundant Program Flow

主要程序函数为：

1.检测位函数，设定循环周期，并定位关联。

SEND_PULSE_1(x Send：=TRUE，t Pulse_half_cycle_time：=T#10MS)；//函数调用

Id_lst[3]．Data[8]：=PACK(SEND_PULSE_1．x Test_pulse，0，0，0，0，0，0，0)；//将该检测位关联到数据帧的第8个字节的第一位

2.判断函数，设置检测周期，并设定故障信号，调到冗余设计，实现总线跳跃，启动其他总线。

Unpack_1(B：=Id_lst[15]．Data[8])；//接收到数据帧的第8个字节

RECIEVE_CHECK_1(x Recieve_pulse：=Unpack_1．b0，t Watchdog_time：=t#100ms)；//判断第8字节的第1位的值

COMM_OK_0：=NOT(RECIEVE_CHECK_1．x Sender_not_available)；//判断总线CAN0口(也就是CAN2总线)是否正常

3.自动切换设置

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继续发送

COMM_OK_1：=FALSE；//CAN1休眠

ELSE

CANnet：=1；//如果CAN0不正常

COMM_OK_1：=TRUE；//切换到CAN1

END_IF

如图8所示，当0.2s时，人为切断一条总线，使得程序失效，系统迅速调整，100ms内切换至其他总线，并继续发送数据，验证了系统冗余设计发挥作用，系统具有较高的可靠性，可以作为实际设计的参考。

图8 冗余设计验证结果Fig.8 Redundant Design Verification Results

5 结论

基于CAN总线对辅助电气控制系统进行设计，对基于试验对系统时间特性和可靠性进行分析，结果可知：(1)根据设定的从控制器发送和接收数据帧，辅助电气总线时钟周期设置为20ms，单个数据传输周期10ms左右，总线占用率小于45%，满足数据传输可靠性要求；(2)控制系统总线时间特性分析试验结果与理论计算基本一致，误差小于0.05ms；(3)单个总线发生故障时，系统可在100ms内完成切换，继续发送数据，系统冗余设计发挥作用，具有较高的可靠性，可以作为实际设计的参考。