基于CAN總線的電動汽車空調控制教學平臺設計

李繼武

(南京城市職業學院智能工程學院，江蘇南京 210000)

0 引言

CAN(Controller Area Network)即控制器局域網，是由德國Bosch公司為監測和控制汽車而開發的一種網絡總線技術[1]。CAN總線采用時間觸發協議，在消息傳輸中采用無破壞性的基于優先權的仲裁機制，確保了數據的完整性和安全性[2]。CAN總線傳輸速度快、可靠性高，得到汽車主機廠和供應商的大力支持，已經成為最有前途的現場總線技術之一[3]。

汽車空調系統是現代汽車的基本組成部分，隨著智能控制技術的進步，利用CAN總線技術控制空調的制冷、加熱、通風和內外循環等功能越來越方便[4]。

CAN總線技術課程是新能源汽車技術專業核心課程，從教學實訓和人才崗位需求考慮，讓學生掌握CAN總線工作原理和CAN報文的數據解析過程是實訓教學的重點[5]。但是由于CAN總線技術理解起來比較抽象，使用萬用表或示波器檢測到的CAN信號僅僅是數字或波形，要正確理解CAN信號背后的含義難度比較大[6]。

本文作者設計了一款CAN總線教學平臺，利用CAN總線技術控制電動汽車空調實現“自動”“關閉”“A/C”等12項功能，直觀演示了CAN總線技術工作原理和CAN報文解析過程，在提高CAN總線技術實訓課程教學質量方面有一定的應用和推廣價值。

1 硬件選型及接線

1.1 測試用車

文中測試用車為2019年上市的比亞迪E5出行版純電動汽車，工信部純電續航里程405 km，電池能量51.2 kWh，前置永磁同步單電機，單速變速箱，10.922 cm(4.3英寸)液晶儀表，自動空調。

1.2 USB-CAN接口卡

通過USB-CAN接口卡，PC機可以方便連接至汽車CAN總線網絡。測試用USB-CAN接口卡為廣成科技公司生產的USBCAN-II S V502型，該接口卡集成兩路CAN總線接口，使用鳳凰端子接線方式，支持CAN2.0A/CAN2.0B幀格式，符合ISO/DIS11898規范，通信波特率在5 kb/s～1 Mb/s 之間可任意編程，使用USB總線電源供電，CAN總線接口采用電氣隔離，隔離模塊絕緣電壓直流1 500 V，最高接收數據流量為14 000幀/s，支持Windows操作系統，工作溫度范圍為-20～70 ℃[7]。

1.3 硬件接線

比亞迪 E5 CAN總線網絡有4種：啟動網CAN(125 kb/s)、舒適網CAN(125 kb/s)、動力網CAN(250 kb/s)和ESC網CAN(500 kb/s)。接線方法如圖1所示。

圖1 USB-CAN接線方法

由于各個網絡之間速率不同，相互通信需要一個中間設備網關控制器進行轉發[8]。空調系統屬于舒適網CAN，比亞迪E5網關控制器ECU的7、8號引腳為舒適網CAN接出引腳，其中7號引腳為CANH，8號引腳為CANL。PC機通過USB-CAN接口卡的鳳凰端子連接到網關控制器的7、8號引腳上即可接入汽車舒適CAN網絡。

2 功能分析與界面設計

2.1 軟件功能分析

比亞迪E5汽車空調面板有12個按鍵，各按鍵的具體功能如表1所示。軟件功能按照比亞迪E5空調面板視圖設計。

表1 比亞迪E5自動空調12個按鍵功能說明

2.2 軟件界面設計

空調面板視圖可以作為軟件界面，每個按鍵設計成軟件按鈕，單擊不同按鈕模擬按下不同按鍵，同時發送CAN命令給空調，以啟動空調的相應功能，軟件界面如圖2所示。

圖2 軟件界面

軟件開發平臺選擇Microsoft Visual Studio Enterprise 2015，編程語言使用C#，CAN分析儀測試調試工具使用CANTest軟件。

3 初始化USB-CAN接口卡

USB-CAN接口卡在收發數據之前，要依次執行3個操作：打開設備、初始化設備和啟動設備。

3.1 打開設備

打開USB-CAN接口卡需要使用DLL庫中的OpenDevice函數，其原型如下：

DWORD__stdcall OpenDevice(DWORD DevType,

DWORD DevIndex,DWORD Reserved);

其中DevType表示設備類型，USBCAN I型為3，USBCAN II型為4；DevIndex表示設備索引，如果只有一個設備，索引為0，如果有兩個設備可以為0或1；Reserved為保留參數，未使用。返回值為1表示操作成功，0表示操作失敗。

3.2 初始化設備

初始化USB-CAN接口卡，就是配置其5個參數：驗收碼、屏蔽碼、波特率、濾波使能和模式。

(1)驗收碼

USB-CAN接口卡有4個驗收代碼寄存器ACR0、ACR1、ACR2和ACR3，其中高字節對應ACR0，低字節對應ACR3，寄存器格式如表2所示。

表2 驗收代碼寄存器ACR

(2)屏蔽碼

USB-CAN接口卡有4個驗收屏蔽寄存器AMR0、AMR1、AMR2和AMR3，其中高字節對應AMR0，低字節對應AMR3，寄存器格式如表3所示。

驗收濾波器由驗收代碼寄存器ACR和驗收屏蔽寄存器定義，每一位驗收屏蔽位分別對應每一位驗收代碼，當該位驗收屏蔽位為1時，接收的相應幀ID位無論是否和相應的驗收代碼位相同均會表示為接收；當驗收屏蔽位為0時，只有相應的幀ID位和相應的驗收代碼位值相同的情況才會表示為接收。只有在所有的位都表示接收的時候，CAN控制器才會接收該報文[9]。

(3)波特率

USB-CAN接口卡使用定時器0和定時器1設置通信波特率，電動汽車空調CAN總線屬于舒適CAN，波特率為125 kb/s，USB-CAN接口卡的定時器0設置為0x03，定時器1設置為0x1C。

(4)濾波使能

該屬性為0表示“不使能”，1表示“使能”，此處應設置為1。

(5)模式

USB-CAN接口卡有兩種工作模式，0表示正常模式，1表示只聽模式，此處設置為0。

初始化USB-CAN接口卡時，上述5個參數封裝入如下INIT_CONFIG結構體：

public struct INIT_CONFIG

{

public uint AccCode;//驗收碼

public uint AccMask;//屏蔽碼

public byte Timing0;//定時器0

public byte Timing1;//定時器1

public byte Filter;//濾波使能

public byte Mode;//模式

public uint Reserved;//系統保留

}

初始化USB-CAN接口卡調用InitCan函數，原型如下：

DWORD__stdcall InitCan(DWORD DevType,DWORD

DevIndex,DWORD CANIndex,P_INIT_CONFIG pInitConfig);

其中DevType和DevIndex參數與OpenDevice函數相同，CANIndex表示第幾路CAN，即對應接口卡的CAN通道號。返回值1表示操作成功，0表示操作失敗[10]。

3.3 啟動設備

打開的USB-CAN設備經過參數初始化后，即可啟動某一個CAN通道以發送或接收CAN數據，啟動函數為StartCAN，其原型如下：

DWORD__stdcall StartCAN(DWORD DevType,DWORD

DevIndex,DWORD CANIndex);

其中DevType、DevIndex和CANIndex與InitCan函數相同。返回值為1表示操作成功，0表示操作失敗。

4 發送與接收CAN數據

4.1 幀結構定義

標準數據幀11個字節，前3個字節為幀描述，后8個字節為幀數據，如表4所示。

表4 標準數據幀

字節1為幀信息，第7位(FF)表示幀格式，FF為0表示標準幀，FF為1表示擴展幀；第6位(RTR)表示幀類型，RTR為0表示數據幀，RTR為1表示遠程幀；DLC表示在數據幀時實際的數據長度。字節2和字節3為報文識別碼，其高11位有效。字節4—11為數據幀的實際數據，遠程幀時無效。

針對標準數據幀格式，定義一個幀結構體如下：

typedef struct_CAN_OBJ {

UINT ID;//幀識別碼

UINT TimeStamp;//接收到信息幀時的時間標識，從CAN控制器初始化開始計時

BYTE TimeFlag;//是否使用時間標識，為1時TimeStamp有效

BYTE SendType;//發送幀類型：0表示正常發送，1表示單次發送

BYTE RemoteFlag;//幀類型：0表示數據幀，1表示為遠程幀

BYTE ExternFlag;//幀格式：0表示標準幀，1表示擴展幀

BYTE DataLen;//數據長度DLC(≤8)

BYTE Data[8];//CAN報文的數據

BYTE Reserved[3];//系統保留

} CAN_OBJ,*P_CAN_OBJ;

其中TimeStamp和TimeFlag只在此幀為接收幀時有意義，SendType只在此幀為發送幀時有意義。CAN_OBJ結構體中，ID和Data這兩個參數最重要，以比亞迪E5汽車的空調CAN為例，ID為空調CAN總線的標識碼，Data為控制空調的CAN命令(發送時)或當前空調狀態信息(接收時)。

4.2 收發CAN數據

文中使用C#語言結合ECAN動態鏈接庫完成CAN數據的收發。發送CAN數據，ECAN庫提供了Transmit函數，其原型如下：

ULONG__stdcall Transmit(DWORD DevType,DWORD

DevIndex,DWORD CANIndex,P_CAN_OBJ pSend,ULONG Len);

其中DevType、DevIndex和CANIndex 3個參數同InitCan函數相同，pSend表示要發送的數據幀數組的首指針，Len表示要發送的數據幀數組的長度，返回值返回實際發送的幀數。

發送CAN數據的程序流程如圖3所示。

圖3 發送CAN數據流程

接收CAN數據即從指定的設備CAN通道的緩沖區里讀取數據，ECAN庫提供了Receive函數，原型如下：

ULONG__stdcall Receive(DWORD DevType,DWORD

DevIndex,DWORD CANIndex,P_CAN_OBJ pReceive,ULONG Len,INT WaitTime=-1);

其中DevType、DevIndex和CANIndex 3個參數與Transmit函數的相同，pReceive表示用來接收的數據幀數組的首指針，Len表示用來接收的數據幀數組的長度，WaitTime表示等待超時時間，單位為ms。返回值返回實際讀取到的幀數，如果返回值為0xFFFFFFFF，則表示讀取數據失敗，有錯誤發生，可調用ReadErrInfo函數來獲取錯誤碼。接收CAN數據的流程如圖4所示。

圖4 接收CAN數據流程

4.3 運行結果

啟動程序，進入舒適CAN，選擇空調系統，單擊“自動”按鈕，一條CAN命令通過USK-CAN接口卡，經網關控制器發送給空調，空調啟動進入“自動”模式，界面如圖5所示。查看汽車發現空調已經啟動，空調面板上的“自動”、“A/C”和“內外循環”3個按鍵均已點亮。

圖5 程序運行界面

5 結論

(1)利用C#語言和ECAN動態鏈接庫設計的電動汽車空調控制教學軟件，可以通過USB-CAN接口卡向自動空調發送CAN命令，實現空調各項控制功能；

(2)通過軟件演示可以直觀掌握CAN總線基本工作原理和CAN通信協議解析過程，有效降低CAN網絡課程實訓教學難度，有利于提高教學質量；

(3)系統運行穩定可靠、操作簡單、演示直觀，既可以應用在CAN網絡課程實訓教學場合，也可以稍加改進后應用在汽車CAN網絡故障診斷分析場合。