CAN總線在混和動力汽車電機控制系統(tǒng)中的應用

摘要：CAN總線的主要功能與特點、CAN控制器以及CAN總線在混和動力汽車電機控制系統(tǒng)中的應用；CAN總線與電機控制芯片TMS320F241的接口設計、幀結構以及通信中斷服務程序流程圖等。

   關鍵詞：CAN總線 混和動力汽車 電動機 控制系統(tǒng)

CAN（Controller Area Network）總線即控制器局域網絡，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，屬于現(xiàn)場總線的范疇。德國Bosch公司在二十世紀80年代初將其研究成功，最初主要用于汽車內部檢測以及控制系統(tǒng)的數(shù)據通信。CAN總線通信協(xié)議是在充分考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的背景下制訂的，它采用了國際標準化組織 ISO制訂的開放系統(tǒng)互連（ISO-OSI）模型中的三層，即物理層、數(shù)據層和應用層，是OSI的一種簡化網絡結構。CAN總線規(guī)范已被國際標準化組織制訂為國際標準ISO11898，并得到Motorola、Intel、Philips等著名半導體器件生產廠家的支持，進而迅速推出了各種集成有CAN協(xié)議的產品。目前，CAN總線主要用于汽車自動化領域，如應用于發(fā)動機的自動點火、注油、復雜的加速剎車控制、抗鎖定剎車系統(tǒng)和抗滑系統(tǒng)等。隨著人們對環(huán)境保護的日益重視，混和動力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，HEV）及電動汽車（Electrical Vehicle,EV）的研究發(fā)展很快，由于這兩種汽車都使用電機驅動系統(tǒng)，因此電機控制系統(tǒng)與CAN總線的通信是一項重要課題。本文主要探討CAN總線在電機控制系統(tǒng)中的應用。

1 CAN總線的功能與特點

（1）采用面向數(shù)據塊的通信方式，信號傳輸使用短幀結構，每幀數(shù)據量為8個字節(jié)。若通信距離在40m內，數(shù)據傳輸速率可達1Mbps。

（2）可實現(xiàn)多主工作方式，數(shù)據收發(fā)方式靈活?？蓪崿F(xiàn)點對點、一點對多點、全局廣播等幾種傳輸方式。

（3）CAN總線采用非破壞性的基于優(yōu)先權競爭的總線仲裁方式。

（4）CAN具有CRC校驗及其它檢驗措施，并具有錯誤識別及自動重發(fā)功能。

（5）通訊介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。

（6）接口簡單、編程方便，容易構成用戶系統(tǒng)。

總之，CAN總線具有實時性強、可靠性高、抗干擾能力強、結構簡單、操作性好、價格低廉等優(yōu)點，是公認的最有前途的現(xiàn)場總線之一。

2 CAN控制器

TMS320F241是美國TI公司TMS320系列定點數(shù)字信號處理器產品之一，專為數(shù)字電機控制而設計，其指令執(zhí)行速度是20MIPS，幾乎所有指令都可以在一個50ns的單周期內執(zhí)行完畢。同時TMS320F241芯片內嵌了CAN模塊，因此該芯片是設計基于CAN總線的數(shù)字式電機控制系統(tǒng)的優(yōu)選芯片。TMS320F241的CAN模塊是FullCAN控制器，包括報文處理器（負責接收和發(fā)送管理以及幀存儲），需要的CPU開銷比 BasicCAN控制器少，并且適應技術規(guī)范CAN2.0B，因此可以發(fā)送和接收標準幀（11-bit標識符）和擴展幀（29-bit標識符）。同時，CAN模式包括6個信箱（Mailbox）以及15個不同的16-bit寄存器，這些寄存器分別是控制寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器和接收屏蔽寄存器。

3 CAN總線在HEV電機控制系統(tǒng)中的應用

3.1 硬件設計

TMS320F241 芯片與CAN總線接口的總線收發(fā)器采用Philips公司的PCA82C250芯片。82C250可以提供對CAN總線的差動發(fā)送能力及對CAN控制器的差動接收能力。通信介質采用雙絞線，信號差動發(fā)送和差動接收的最高通信速率可達1Mbps。為了增強抗干擾能力，在TMS320F241與82C250之間采用高速光耦6N137進行隔離。

TMS320F241與CAN總線的接口電路如圖1所示。

3.2 幀結構

電機控制單元（MCU）與整車控制單元（VCU）之間的報文傳送由兩種類型的幀表示和控制：數(shù)據幀攜帶數(shù)據由發(fā)送器到接收器；遠程幀通過總線單元發(fā)送，以請求發(fā)送具有相同標識符的數(shù)據幀。數(shù)據幀和遠程幀借助幀空間與當前幀分開。

3.2.1 數(shù)據幀

CAN 技術規(guī)范2.0B中存在兩種不同的幀格式，其主要區(qū)別在于標識符的長度，具有11位標識符的幀稱為標準帖，而29位標識符的幀稱為擴展幀。本系統(tǒng)中數(shù)據幀采用標準帖。數(shù)據幀由7個不同的位段組成，包括幀起始（SOF）、仲裁段、控制段、數(shù)據段、循環(huán)冗余檢查段（CRC）、應答段（ACK）以及幀結束（EOF）。其中仲裁段由標識符和遠程發(fā)送請求位（RTR）組成；控制段由數(shù)據長度碼（DLC）和兩個保留位r0、r1組成；數(shù)據段由數(shù)據幀中被發(fā)送的數(shù)據組成，它包括0～8個字節(jié)，每個字節(jié)8位。

VCU向MCU發(fā)送的數(shù)據幀包括：MCU初始化、檢測MCU、VCU發(fā)生不可恢復錯誤、VCU的工作狀態(tài)、控制電機轉速、控制電機轉矩、請求返回電機的錯誤狀態(tài)等請求或命令。

MCU向VCU發(fā)送的數(shù)據幀包括：返回MCU當前狀態(tài)、送回電機轉速、送回電機轉矩、電機或MCU出錯、電機工作正常等信息。

為了區(qū)別VCU發(fā)出的不同請求和命令，采用了Universal Serial No字節(jié)。該字節(jié)位于數(shù)據段的首字節(jié)，表示請求或命令和編號。

3.2.2 遠程幀

遠程幀與數(shù)據幀的結構相同，只是不包括數(shù)據段。遠程幀的遠程請求發(fā)送位為1。遠程幀用于請求信息。TMS320F241的CAN模塊可以自動回復遠程帖，即節(jié)點收到遠程幀。如果該節(jié)點中有和遠程幀的標識符相同的報文，則該節(jié)點就將相應的數(shù)據幀發(fā)送到總線上。本系統(tǒng)中遠程幀和數(shù)據幀一樣，采用標準格式。

VCU的MCU發(fā)送的遠程幀包括：請求返回電機狀態(tài)、請求返回電機轉速、請求返回電機轉矩等。

3.3 通信中斷服務程序

VCU的指令通過CAN部到達MCU之后，采用中斷的形式（如IRQ5），使MCU轉入通信中斷服務子程序。以保證VCU的指令可以及時發(fā)送到MCU。通信中斷服務子程序流程圖如圖2所示。