純電動汽車CAN總線通信系統研究

韓友國 王若飛 陶穎 姚朝華 楊玉梅 吳洪濤

【摘 要】本文參考J1939的協議，制定純電動轎車的網絡通信協議，包括定義網絡通信速率、協議格式、各個參數變量的分辨率、偏移量以及參數在協議中的位置；硬件電路設計以CAN通信和雙口RAM通信兩大任務為中心，同時輔以電源管理電路、網絡通信模塊地址宣稱電路和狀態顯示電路；同時搭建一個專門用于CAN通信測試的網絡平臺，使用的所有部件ECU都通過模擬控制器實現。

【關鍵詞】純電動汽車；CAN；控制策略

中圖分類號： TN873 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）01-0001-003

【Abstract】This paper refers to the protocol of J1939 and establishes the network communication protocol for pure electric car， including defining the network communication rate， protocol format， the resolution of each parameter variable， offset and the position of the parameters in the protocol. The hardware circuit design is CAN Communications and dual-port RAM communication two tasks as the center， supplemented by power management circuits， network communication module address declaring circuit and status display circuit； also build a network dedicated to CAN communication test platform， all the components used by the ECU Analog controller to achieve.

【Key words】Pure electric vehicle； CAN； Control strategy

純電動汽車CAN網絡設計過程中為了實現上層控制器對部件的真實控制，需要建立起整車控制器和部件控制單元之間的通信系統。針對純電動轎車的實際情況，本文采用常用的通信系統網絡結構。主要包括整車控制器、電池控制器、輔助電池管理系統、超級電容及其DC/DC控制器、主DC/DC控制器、驅動電機控制器、汽車狀態收集器、信息報警顯示器等8個節點，并預留了接口以備可能的擴展使用。為實現各系統之間通信，需要完成三個主要任務：（1）制定協議：通信協議作為通信信息格式定義， 制定網絡通信協議，使部件對網上信息更正確地理解。（2）硬件實現：制定完協議后，需研制CAN通信的硬件工作。通信硬件是實現網絡通信協議的載體，完成整車網絡通信的任務需要硬件和協議相結合。（3）CAN網絡通信測試平臺的建立及調試。由于CAN通信是部件與部件之間信息交換行為，單一部件無法完成通信過程，因而部件通信功能在搭載整車之前，應在試驗室內進行測試。

1 通訊協議及通信模塊的軟硬件設計

為了實現各電控單元之間高效的信息交換，須制訂純電動汽車用通信協議。為使協議更趨開放和標準化，以和SAE J1939兼容作為制訂原則。本文參考J1939的協議格式，制定純電動轎車的網絡通信協議，包括定義網絡通信速率、協議格式、各個參數變量的分辨率、和偏移量以及參數在協議中的位置等。

協議SAE J1939在報文標識符中給每一個節點分配了自己確定的地址和名稱，將整個系統明朗化。初步通信網絡的8個節點的地址位于SAE J1939標準保留的地址段（128～167）。這樣就可以保證該系統對其它已經存在系統的兼容性。協議統一設定節點地址如表1所示：

表1 節點地址與報文編號

根據整車控制的需要以及各個參數采集等實際使用情況，規定了網絡中參數的比例因子和偏移量等，如表2所示。

另外一部分協議主要內容就是根據整車控制的需要，確定不同的物理參數在CAN通信信息中8個字節的數據量分配，形成一定的規約，所有的用戶按照這一協議，對網絡通信中的數據進行解包就可以得到相應的控制命令和部件工作信息。

硬件實現的方案是將CAN通信功能從各個部件ECU中獨立出來，開發專用的CAN通信模塊，通信模塊與部件ECU的數據交換通過雙口RAM實現，由各個通信模塊組成一個CAN通信網絡集中處理通信任務。方案二的網絡結構見圖1。

硬件電路設計中，主要以CAN通信和雙口RAM通信兩大任務為中心，同時輔以電源管理電路、網絡通信模塊地址宣稱電路和狀態顯示電路等。CAN通信模塊電路圖如圖2所示，主要通過CAN控制器SJA1000和收發器82C250實現，同時為了減小從總線引入的干擾，使用6N137搭建了光耦隔離電路。光耦隔離電路，主要是為防止網上信號對板上主電路包括CPU的干擾，并且可進一步增強網上信號抗外部電路干擾的能力，用于防止外部高頻電壓信號對網絡信號的干擾。

由于采用了雙口RAM的方案，在底層用戶和網絡之間聯系的就是雙口RAM，因而在此還要制定一個通信協議，即雙口RAM中的數據存儲格式，根據此格式，底層部件ECU就可以獲得所需的數據信息。根據采用芯片的型號、容量，制定了如下圖3所示的數據存儲格式。供網絡通信板的ECU和底層部件CPU進行數據交換，整個程序的流程圖如圖4。

2 CAN網絡通信測試平臺

在完成了通信板的硬件設計、軟件編程和電磁兼容測試之后，為實現通信板的搭載整車使用，還需搭建一個專門用于CAN通信測試的網絡平臺，即在試驗室內組成和汽車上完全相同的通信網絡，使用的所有部件ECU都通過模擬控制器實現，整個網絡的結構見圖5。

為建立網絡通信測試平臺，使用DSPACE編制了整個網絡的通信程序，并實現完整的網絡協議。在這個通信平臺上，利用模擬電機控制器，外接步進電機，通過整車控制器采集外部的電子油門信號，根據油門大小發送控制命令。再經過CAN網絡的傳輸，由電機上層的網絡通信板接收，并將相應的控制命令按照制定的規范寫到雙口RAM中，下面的模擬電機控制器則從雙口RAM中，讀取命令，控制步進電機實現不同轉速的變化。通過這個演示，部分證明CAN網絡通信測試平臺可以實現汽車上所需的通信功能，通過長時間的運行測試，如果一直正常工作，證明整個網絡是穩定可靠的。現在只要取下相應調試系統中的網絡節點，換上廠家提供的ECU接到調試系統中的預留接口處，便可以利用整車控制器控制ECU實現CAN通信功能。讀雙口RAM如圖6所示。

制定SAEJ1939部分兼容的網絡通信協議，研制用于實現CAN通信的通信板軟硬件，搭建通信系統測試平臺，并完成網絡協議和部件ECU通信功能地測試。試驗表明本通信板程序能夠很好地實現通信板所要求的各種功能。

3 總結

本文參考J1939的協議，制定純電動轎車的網絡通信協議，硬件電路設計以CAN通信和雙口RAM通信兩大任務為中心，輔以電源管理電路、網絡通信模塊地址宣稱電路和狀態顯示電路，同時搭建一個專門用于CAN通信測試的網絡平臺，測試部件控制器功能可實現。本文描述的控制系統已經在我公司量產的某款純電動車上搭載，性能可靠。

【參考文獻】

[1]王侃偉，方宗德，趙治國.混合動力汽車CAN總線應用協議研究[J].計算機工程與應用，2007（08）.

[2]陳繼飛，趙龍慶.基于MC912D60AMPV8的汽車CAN總線節點設計[J].公路與汽運，2007（03）.

[3]鐘勇，鐘志華，余群明，曾志偉.電動汽車CAN總線通用協議的應用研究[J].汽車工程，2006（05）.

[4]楊輝前，王耀南，袁小芳，唐繼剛，徐磊.電動汽車CAN總線數據采集顯示系統開發[J].計算機工程與應用，2006（20）.

[5]呂偉杰，劉魯源，王毅新.電動汽車CAN總線混合調度方法的研究[J].制造業自動化，2005（07）.

[6]范輝，王大志，朱建光.基于DSP的電動汽車CAN總線通訊技術設計[J].成組技術與生產現代化，2004（01）.