现场总线网络在纯电动汽车控制系统的应用研究

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        引言

  现代汽车工业和电子技术飞速发展,汽车上的电子装置越来越多。一辆高档汽车的电气节点数已达上千个,如果采用传统的方法进行布线,连线的数量非常惊人而且有极大的故障隐患。为了解决这一问题,各大汽车厂商从上世纪70年代开始了车用网络的研究,并取得了很大的发展,形成了多种适合不同传输速率及特殊用途的网络协议,如:CAN总线、LIN总线、用于诊断的KWP2000、用于X-by-wire的TTP、多媒体应用的MOST协议等。其中CAN(ControllerAreaNetwork,控制器局域网)是BOSCH公司于上世纪80年代提出的。为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,可以很好的解决上述的问题。现在世界上许多汽车公司,如奔驰、宝马、大众等公司已采用CAN总线来实现汽车内部的数据通信。

  我国对车用网络、总线、通讯协议的研究起步比较晚,但近年来发展比较快,尤其在电动汽车项目中总线网络得到广泛的应用。

  2汽车总线的技术特征

  汽车总线传输必须确保以下几点:保证信息能够准确的传送;总线节点能够随时访问总线;节点根据预先确定的优先权进行总线访问;具有根据信息内容解决总线访问竞争的能力和竞争解决后获胜站点能够访问总线且继续传输信息;节点在尽量短的时间内成功访问总线;最优化的传输速率(波特率);节点的故障诊断能力;总线具有一定的可扩充性等等。

  2.1数字信号的编码

  为了保证信息传输的可靠性,对数字信号正确编码非常重要。汽车局域网数据信号多采用脉宽调制(PWM)和不归零制(NRZ)。PWM作为编码方案时,波特率上界为3×105Kbps,用于传输速率较低的场合。采用NRZ进行信息传输,可以达到1Mbps,用于传输速率较高的场合。

  2.2网络拓扑结构

  实用的汽车局域网是总线拓扑结构,如CAN、SAEJ1850、ADVANCEDPALMNET等,其优点是:电缆短,布线容易;总线结构简单,又是无源元件,可靠性高;易于扩充,增加新节点只需在总线的某点将其接入,如需增加长度可通过中继器加入一个附加段。

  2.3总线访问协议

  汽车总线的访问协议一般为争用协议,每个节点都能独立决定信息帧的发送。如果同时有两个或两个以上的节点发送信息,就会出错,这就要求每个节点有能力判断冲突是否发生,发生冲突时按某个规律等待随机时间间隔后重发,以避免再发生冲突。网络协议所使用的防冲突监听措施多为载波监听多路访问,如CAN、SAEJ1850、ADVANCEDPALMNET等都采用的是载波监听多路访问/冲突检测+无损仲裁(C***A/CD+NDA)。

  3CAN总线的特点

  CAN总线通信协议是在考虑工业现场环境的背景下制订的,它采用了国际标准化组织ISO制订的开放系统互连ISO-OSI模型中的三层,即物理层、数据链路层和应用层。CAN总线规范已被国际标准化组织制订为国际准ISO11898,并被公认为最有前途的现场总线之一,已经广泛的应用于工业领域。得到MOTOROLA、PHILIPS、Intel、SIEMENS等著名半导体器件生产厂家的支持,进而迅速推出了各种集成CAN协议的产品。与一般的总线相比,CAN总线具有可靠、灵活、实时性强的优点。

  (1)CAN总线采用多主结构,网络上的任一节点可在任意时刻向其他节点发送信息,通讯方式灵活。

  (2)网络上的节点根据对总线访问优先级的不同(取决于报文标识符),最快可在134μs内得到响应。

  (3)采用非破坏性总线仲裁技术,可以大大节省总线冲突仲裁时间,网络在拥挤的情况下也不会瘫痪。

  (4)CAN协议废除了站地址编码,而是对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,可以方便的实现点对点、一点对多点及全局广播等方式的传送接收数据,容易构成冗余结构提高系统的可靠性和系统的灵活性。

  (5)CAN采用NRZ编码,直接通信距离最远可达10km(速率5Kbps),通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)。

  (6)采用短帧结构,传输时间短,受干扰概率低。CAN的每帧信息都有CRC效验及其他检错措施,保证数据出错率极低。

  (7)通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活。

  (8)CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响。

         4CAN总线在纯电动汽车中的应用

  纯电动汽车与传统汽车最大的区别就是用电能来驱动,即用电池和电机的组合来代替传统的发动机。这样对电机的驱动控制和对电池的管理就成为电动汽车的关键技术。另外纯电动汽车的控制系统还包括助力转向控制、车身系统控制、组合仪表等部分,每个部分都有独立的控制单元(ECU),一些先进的汽车上还装备了防抱死制动控制系统(ABS)、安全气囊控制系统(SRS)、巡行控制系统、驱动防滑控制系统(ASR)、悬架控制、空调控制、防盗及其他控制等控制单元。另外,各种舒适性控制装置和通讯系统也不断增多,而且各ECU之间有着密切的联系,构成了基于CAN总线的汽车控制系统网络。

  纯电动汽车的整车控制系统是由两条总线构成,即高速CAN总线和低速总线。高速CAN总线和低速总线是两个独立的总线系统。为了便于汽车所有功能的管理,通过网关将这两个总线网络连接起来,不同总线间的数据通过网关实现数据的共享。这样两个总线分别独立运行,只有需要在两种总线间交换的数据才通过网关进行传输。这种方式可将不同类型的信息分开,减轻了各网络总线上的负担。高速CAN总线主要连接电动汽车的驱动系统,由驱动系统各个子系统和故障分析记录系统节点组成,可以实现对电机、电池、转向、制动等关键系统的快速控制。

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