基于CAN總線的電動(dòng)客車電控系統(tǒng)多機(jī)通信模型設(shè)計(jì)

盛 姣

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫交通分院，江蘇 無錫 214151)

基于CAN總線的電動(dòng)客車電控系統(tǒng)多機(jī)通信模型設(shè)計(jì)

盛 姣

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫交通分院，江蘇 無錫 214151)

本文通過對基于飛思卡爾CAN總線模塊的多機(jī)通信性能測試，選定了相關(guān)端口，并設(shè)計(jì)了通信測試電路板，加工PCB，完成了多機(jī)之間CAN總線通信性能的測試，為電控系統(tǒng)具體各單元的電路設(shè)計(jì)及布線打下良好基礎(chǔ)。

CAN總線；多機(jī)通信；PCB

一臺(tái)基本的電動(dòng)汽車(Electric Vehicle)控制系統(tǒng)主要包括整車控制單元、電機(jī)控制單元、電源管理系統(tǒng)、儀表燈光系統(tǒng)、加速/制動(dòng)踏板以及若干傳感器等，而這些控制單元之間都是通過CAN總線來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制信號(hào)傳輸?shù)摹榱舜_保后續(xù)設(shè)計(jì)的正常進(jìn)行，設(shè)計(jì)一個(gè)基于CAN總線的多機(jī)通信模型非常有必要，此模型可以驗(yàn)證基于CAN總線的多機(jī)通信的可行性以及其通信速率。

1 多機(jī)通信測試原理圖

在多機(jī)通信測試中，使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子控制單元最簡模型連接到CAN總線上，分別進(jìn)行多機(jī)通信并設(shè)計(jì)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀以測試通信優(yōu)先級(jí)。電子控制單元最簡模型包括: S12xs128微控制單元及外圍電路，USB-BDM(背景調(diào)試模塊)，CAN總線收發(fā)器，藍(lán)牙無線串口模塊等。電路原理圖如圖1所示。

在圖1中，由于使用了藍(lán)牙無線串口模塊，所有的測試操作均通過超級(jí)終端(Hyper Terminal)虛擬通用串口對電子控制單元進(jìn)行操作以及獲取從電子控制單元返回的數(shù)據(jù)。藍(lán)牙無線串口模塊的型號(hào)為HC-05，該模塊支持透明串口通信，波特率范圍從2400bps～115200bps，可以通過AT指令進(jìn)行修改。在本設(shè)計(jì)中，使用115200bps波特率進(jìn)行通信。使用超級(jí)終端與電子控制單元進(jìn)行交互，一定程度上可以替代傳統(tǒng)的操作按鍵和液晶屏或數(shù)碼管組成的操作面板，由于使用了上位機(jī)軟件來代替硬件，可以加速開發(fā)時(shí)間并節(jié)省開發(fā)成本，還可以將測試數(shù)據(jù)輕松的保存于上位機(jī)，有利于后期分析與研究。

CAN總線收發(fā)器的型號(hào)有許多種，飛思卡爾公司的MC33897、MC33902分別為低速與高速CAN總線收發(fā)器芯片，飛利浦公司和英特爾公司也有很多CAN總線收發(fā)芯片。在本設(shè)計(jì)中，選擇了飛利浦公司生產(chǎn)的PCA82C250芯片，該芯片完全支持ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，支持高達(dá)1Mbps的通信，最多支持110個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，完全可以滿足本設(shè)計(jì)的通信要求。

2 PCB設(shè)計(jì)以及節(jié)點(diǎn)布線

在實(shí)際PCB設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)并且使得微控制單元可以在其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中重復(fù)利用，于是先設(shè)計(jì)了S12xs128最小系統(tǒng)板。該最小系統(tǒng)板使用S12xs128MAA，共80個(gè)引腳，為四邊貼片式(QFP)封裝，將60個(gè)常用引腳引出，并可以通過間距2.54mm接插件嵌入到其他系統(tǒng)中。根據(jù)飛思卡爾官方S12XS芯片數(shù)據(jù)手冊，設(shè)計(jì)如圖2的PCB圖。

圖1 電子控制單元CAN總線通信最簡模型原理圖Fig.1 Electronic control unit CAN bus communication of the simplest model diagram

圖2 S12xs128最小系統(tǒng)板 a)為2D視圖 b)為3D視圖 c)為視圖實(shí)物Fig.2 S12xs128 minimum system board a)2D view b)3D view c)the object of the view

基于該最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)電子控制單元CAN總線通信最簡模型時(shí)，只需要將微控制單元部分設(shè)計(jì)成間隔為2.54mm的標(biāo)準(zhǔn)接插件，待最簡模型PCB板制作完成后，將微控制單元最小核心板插入最簡模型PCB板，即可完成設(shè)計(jì)。由于除去微控制單元的CAN總線通信最簡模型元件較少，布線簡單，所以可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成形狀切割以及PCB覆銅板腐蝕。圖3為最簡通信模型PCB圖。

圖3 最簡通信模型PCB圖Fig.3 The simplest communication model of PCB graph

為了解決多個(gè)電子控制單元通信節(jié)點(diǎn)的電纜連接問題，特意在每一個(gè)電子控制單元最簡模型中設(shè)置兩個(gè)CAN接口，如圖3所示，紅色虛線框內(nèi)，兩個(gè)接口完全一樣。如果該節(jié)點(diǎn)為中間節(jié)點(diǎn)，則兩個(gè)接口分別連接左右節(jié)點(diǎn)，如該節(jié)點(diǎn)為最終節(jié)點(diǎn)，則一個(gè)接口接入CAN總線，另一個(gè)接口接124Ω的電阻。連接方法如圖4所示:

圖4 各電子控制單元連接示意圖Fig.4 The electronic control unit connection diagram

由于S12xs128最小系統(tǒng)板數(shù)量有限，在本測試中，首先使用兩節(jié)點(diǎn)多機(jī)通信測試CAN總線通信性能。

3 多機(jī)通信測試方法

在多機(jī)測試中，主要驗(yàn)證如下內(nèi)容:一是驗(yàn)證兩節(jié)點(diǎn)之間的相互通信；二是利用微控制單元定時(shí)器對于一次以及多次點(diǎn)對點(diǎn)收發(fā)記時(shí)，在多幀通信時(shí)檢測是否有錯(cuò)誤幀。具體方法如下:

首先，搭建如圖3的基本驗(yàn)證電路，確保連接正確。然后，編寫測試程序，設(shè)置節(jié)點(diǎn)1的源地址為0x02，節(jié)點(diǎn)2的源地址為0x03。從節(jié)點(diǎn)1發(fā)送8byte數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)2接收到數(shù)據(jù)后，將收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)1再通過藍(lán)牙UART模塊將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)超級(jí)終端，同時(shí)，將一次收發(fā)所用的時(shí)間發(fā)送到上位機(jī)。

在實(shí)際測試中，首先使用TDS1012B-SC數(shù)字示波器測量節(jié)點(diǎn)1的TX端信號(hào)，CAN總線的CAN_H,CAN_L信號(hào)，波形圖如圖5。圖a)為節(jié)點(diǎn)1的波形圖，圖b)與圖c)中上方波形是CAN_H的信號(hào)，下方波形是CAN_L的信號(hào)，圖b)為信號(hào)周期開始部分放大波形，圖c)為一個(gè)信號(hào)周期的波形。

圖5 通信電路波形圖Fig.5 Communication circuit waveform graph

然后利用超級(jí)終端發(fā)送“send”指令，即可收到發(fā)送成功信息，并返回通信用時(shí)，本次測試用時(shí)0.84ms，如圖6所示。

經(jīng)過測試可知，基于飛思卡爾S12xs128微控制器的CAN總線通信是可行的，并且通信時(shí)間基本滿足波特率250kbps的設(shè)定。由于S12xs128微控制器與S12系列所有微控制器均采用同一種CAN總線控制器，因此驗(yàn)證了S12xs128微控制器，可認(rèn)為其他同系列微控制器的CAN總線控制器可以滿足使用要求。

圖6 超級(jí)終端中測試界面Fig.6 The testing interface of hyper terminal

4 結(jié)語

本文對電動(dòng)客車控制系統(tǒng)進(jìn)行了多機(jī)通信模型設(shè)計(jì)，進(jìn)行了基于飛思卡爾CAN總線模塊的多機(jī)通信性能測試，并通過驗(yàn)證完成了相關(guān)端口的選定，設(shè)計(jì)通信測試電路板并加工PCB，測試多機(jī)之間的CAN總線通信性能。未來還將對具體控制單元，包括整車控制單元、電池組管理控制單元、加速/制動(dòng)踏板位置傳感器單元、儀表顯示控制單元、照明/信號(hào)控制單元和車門控制單元等單元進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，整車CAN總線布線設(shè)計(jì)與相關(guān)程序設(shè)計(jì)。

[1] 張國強(qiáng)，林永峰．智能電表檢測系統(tǒng)通信協(xié)議棧設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39(11):34-37.

[2] 李芳，張俊智．電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)控制器局域網(wǎng)總線通信協(xié)議[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(5):45-47.

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[4] 王建華.電氣工程師手冊[K].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[5] 常加旻.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車BMS 與充電機(jī)的CAN總線通信設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010，23(5):45-46.

Design of multi-computer communication model for electric control system of electric bus based on CAN bus

SHENG Jiao

(Wuxi Branch of Transportation, Jiangsu Union Technical Institute, Wuxi 214151, China)

Based on the multi-computer communication performance test of Freescale CAN bus module, the relevant ports are selected, the communication test circuit board is designed, the PCB is processed and the CAN bus communication performance test is completed, which has laid a good foundation for circuit design and wiring of the specific units in electric control system.

CAN bus; Multi-computer communication; PCB

2016-10-12

盛姣(1981-)，女，工程碩士，講師。

U469.7

A

1674-8646(2016)22-0006-04