基于英飞凌XC2268N的整车控制系统CAN通信设计

黄娟娟，夏超英，柳同生

(1．天津大学电气与自动化工程学院，天津　300072；2．天津市核奥达新技术开发有限公司，天津　300350)

0　引言

随着能源问题和环境问题的日益严重，电动汽车作为新能源汽车的代表，具有高效、节能、低噪声、零排放等优点，已成为了汽车产业的趋势[1]。电动汽车是由多个子系统构成的统一整体。随着整车安全性、稳定性、舒适性的提高，电动汽车上所需的控制部件越来越多，各子系统之间需要交换的信息也越来越多，整个控制系统也越来越复杂。

控制器局域网络(Controller Area Network)是在汽车领域应用最广泛的总线，它具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点[2-3]。在汽车设计中，分布式CAN网络常被用于数据通信，可以减少车身线束，降低布线的复杂度，方便故障诊断，满足主要系统间大量数据信息实时交换的需要。整车控制系统CAN总线通信是纯电动汽车发展的关键技术之一，其性能是保证其可靠性和实时性的基础。

1　英飞凌XC2286N控制器特点

结合电动车整车控制器的功能需求以及车辆运行时的环境，纯电动汽车整车控制器主控芯片需要有高速处理性能、稳定性、硬件接口丰富、软件功能丰富、经济成本低等特点。

英飞凌XC2268N是一款高性能16位汽车级微控制器，集成了16位CPU，程序和数据存储器、中断控制器、外设控制处理器、一般定时器单元、看门狗定时器、MultiCAN模块和几个片上外设等，满足纯电动汽车控制的需要。该控制器具有功耗低、抗干扰能力强、高频噪音低等特性，特别适合整车控制应用。其片内带有集成MultiCAN模块，简化了传统单片机外接CAN控制器和CAN收发器的复杂外围电路。该模块具有的主要特性有：

(1)CAN 功能根据CAN V2．0 B active 技术规范确定(与ISO 11898标准兼容)；

(2)多达6个独立的CAN节点，每个节点可单独设定数据传送速率，最高通信速率可达1 Mbit/s；

(3)64个报文对象可独立地分配给任意一个节点，并可独立配置为发送或者接收对象处理11位标识符的标准帧或29位标识符的扩展帧，且每个对象均具有验收滤波功能；

(4)先进的数据管理：报文对象可组织为双链列表；

(5)具有灵活、功能强大的报文传送控制和错误处理功能、先进的CAN总线位时序分析和由帧计数器实现波特率检测功能；

(6)多达16个独立的、可编程中断输出[4]。

2　纯电动汽车整车控制系统

2．1整车控制系统

纯电动汽车总成驱动系统主要由电机驱动系统、电池管理系统以及整车控制系统组成。其中整车控制系统相当于纯电动汽车的大脑，其性能直接决定了电动汽车的行驶性能和稳定性。整车控制系统一般由整车控制器、CAN总线通信系统、踏板以及车载显示系统组成。根据电动汽车的特点及纯电动汽车控制的需要，纯电动汽车整车控制系统需要具有车辆信息采集与系统信息显示、驾驶员驾驶意图信息采集、对车辆其他工作部件的管理、CAN网络通信、能量优化管理、故障诊断和处理等功能。

2．2CAN通信模块的结构及功能

CAN通信模块主要完成数据通信功能，实现整车控制器与电机驱动器、电池管理系统等其他独立控制模块之间的信息交换。整车控制系统CAN通信模块结构如图1所示[5]，文中主要实现整车控制器与电机控制器、电池管理系统之间的通信，并预留了智能充电机、监控和诊断接口以及智能显示仪表3个节点，以供后期扩展。

图1　整车控制系统CAN通信模块结构图

整车控制器通过传感器获取驾驶员的驾驶操作，解释驾驶员的驾驶需求，同时通过CAN总线获得电机和电池的状态信息，并根据车辆运行状态，进行力矩计算、能量管理、故障诊断与处理等，再通过CAN总线驱动继电器组中的相应继电器，向电机控制器发送力矩、转速等操作指令[6]，驱动电机按驾驶员意图运转，同时也管理智能充电机、智能显示终端等其他控制模块的运行。

3　CAN通信模块硬件设计

根据控制器设计要求，系统采用两路CAN通信，分别对应XC2268N的CAN0和CAN1通道。CAN收发器采用TLE6251DS高速CAN总线收发器，该芯片可由整车控制器电源隔离侧+5V电压供电，具有很强的抗电磁干扰能力和高温保护功能。为了提高CAN通信抵抗电磁干扰的能力，在XC2268N和CAN收发器之间加入了光耦隔离电路[7]。隔离电路采用HCPL0611高速光耦，最高传输速度可达10 Mbit/s，非常适合整车控制器的技术要求和应用环境，光耦输入侧和隔离侧电压分别由整车控制器电源VCC和隔离的+5 V电源提供。同时在总线输出信号线CANH、CANL之间采用扼流线圈B82793-S0513，抑制共模干扰信号。CANH、CANL信号线对地之间采用双向稳压二极管，防止信号的尖峰电压干扰，保护总线网络。整车控制器的两路CAN通信模块电路原理相同，如图2所示。

图2　CAN总线模块电路原理图

4　CAN总线应用层协议的制定

4．1CAN总线协议

CAN总线协议的制定一般包括物理层、数据链路层(包括逻辑链路控制子层(LLC)和媒体访问子层(MAC))和应用层三个方面。CAN物理层是实现ECU与总线相连的电路。目前CAN物理层设计已经比较完善。CAN协议数据链路层也已经在ISO11898-1中做了完整的定义，并且不可更改。因此该协议的制定主要是针对应用层进行设计。

4．2CAN总线应用层协议的制定

CAN总线应用层协议制定应使通信更加规范、稳定、及时，能最大限度的发挥CAN总线的优异性能，降低总线负载率[8-9]。

该系统协议满足SAE J1939以及CAN 2．0B标准，采用29位识别码扩展信息帧格式，通信波特率为250 kb/s．29位标识符分配表如表1所示。

表1　29位标识符分配表

表中各部分意义如下：

(1)P：优先级，由3位组成，分8级，0为最高级，7为最低级；

(2)R：保留位，由1位组成，现固定为0；

(3)DP：数据页，由1位组成，现固定为0；

(4)PDU格式(PF)：PDU代表协议数据单元，分为PDU1和PDU2两种。PDU1用于点对点发送，PDU2用于全局广播；

(5)特定PDU域(PS)：当PF<240时，PS定义为目标地址；PS在240到255之间，则定义为扩展组；

(6)源地址(SA)：在网络中的每一个装置都仅有一个唯一的8位源地址。

在分配节点地址时，要考虑各个节点的重要性，重要性越强的节点地址越小。该协议是参考SAE J1939 Issued APR2000推荐的地址对整车控制器、电机控制器以及电池管理系统等进行分配的。整车控制器地址为39(27H)、电机控制器地址为239(EFH)、电池管理系统地址为243(F3H)。

系统中，总共设计7个报文，每个报文有8个字节的信息。其中，整车控制器发送给电机控制器1个报文，该报文包括电机工作模式、电机目标转速、目标转矩等，报文优先级设为3，通信周期设为10 ms.同时，整车控制器也接收电机控制器的4个报文和电池管理系统的1个报文，此5个报文优先级也为3。电机控制器发送的报文信息包括电机控制器工作状态、电机当前转速和转矩、累计里程数、电机故障状态等，报文通信周期设为50 ms．电池管理系统发送的报文信息包括电池总电压、电池母线电流、电池SOC等，由于电池内部传感器信息更新较慢，所以通信周期设为500 ms．为了方便数据记录，整车控制器还发给上位机1个报文，报文内容包括电机转速、踏板开度、电机转矩、电池电流等需要显示的量。

5　CAN通信模块软件设计

设计是基于英飞凌XC2268N单片机，在Tasking编译环境下，采用C语言进行程序设计。整车控制器CAN通信模块的软件设计主要包括CAN模块的初始化、报文发送、报文接收3个部分。考虑到电机的干扰和CAN总线的高速性，不用中断模式即可满足要求，所以在消息发送和读取均采用定时调度的方式。由于CAN通信的可靠性很强，所以在程序中没有专门对数据进行错误处理。

5．1CAN通信的初始化

要使用MultiCAN模块，必须对CAN模块进行初始化，配置相关寄存器。CAN模块初始化包括CAN模块的使能、波特率设置、验收滤波器设置、报文对象设置、CAN工作模式设定等[10]。CAN总线初始化程序流程图如图3所示。

图3　CAN初始化程序流程图

5．2报文的发送

报文发送请求是通过在报文所属的报文对象中设置发送请求实现的，且一个CAN节点同时仅可以发送一个报文对象以避免总线冲突。程序以62．5μs的定时器中断为时基，在中断服务程序入口处设置计数器，每当定时器中断中计数器计到160时，即10ms时，置CAN总线发送标志位，调用CAN发送程序，电机发送第一个报文，计数器清零；每当给电机发送20次后，置上位机显示标志位，整车控制器给上位机发送第二个报文。报文发送流程图如图4(a)所示。

5．3报文的接收

整车控制器一共需要接收5个报文对象。英飞凌XC2268N带有自动滤波功能，当CAN总线发来一个报文，根据CAN总线应用层协议规定好的ID含义，就可将需要的数据保存到消息缓冲区，将不需要的过滤掉。接收到的报文被组织为双链表，报文的优先级排序是由ID标识中优先级符决定，当优先级一样时，按接收列表顺序决定。报文接收程序流程图如图4(b)所示。

(a)发送程序(b)接收程序

6　实验结果

为了验证设计的可行性，使用了Vector CANcardXL 进行试验，CANalyzer网络分析工具进行数据采集和上位机显示。CANalyzer具有良好的性能和编程功能，可以很方便的记录、观察、分析CAN通信结果。

台架试验装置主要有整车控制器、电机、电机控制器、测功机、电池、电池管理系统等。测功机与电机相连充当负载和倒拖电机以实现回馈制动。图5为测功机在20 N·m的情况下，电机转速、踏板信号、电机转矩和电池电流的关系。考虑到安全性，该次实验把电机转速限定为2 000转。

从图中可以看出在0～63 s，电机处于加速状态，当踏板开度超过踏板死区0.025时，电机转矩跟随整车控制器给定转矩，超过了20N·m，电机开始加速；踏板开度越

图5　台架试验结果

大，电机转矩越大，加速越快，电池放电电流也会增大。在63～96 s，电机处于稳速阶段，随后整车控制器读取到刹车信号，电机转矩降低，转速降低，电池回收能量。图中虚线选出两个关键点，可见当踏板开度减小和增大时，电机转矩能够迅速响应，使电机速度随之变化，同时电池放电电流也紧随电机转矩变化而变化。在整个过程中，整车控制器、电机控制器以及电池管理系统之间的通信非常及时、稳定、可靠。

图6为CAN总线负载率和吞吐量，从图中可以看出，总线负载率在10%左右，峰值仅为10.76%，与以往相比，有了明显的降低，提高了CAN通信的可靠性，并为后期拓展留出余量；总线每秒总吞吐量为187。

图6　CAN总线负载率和吞吐量

图7为各ID每s吞吐量，图中可以看出，整车控制器的2个ID每s分别发送100帧和5帧，电机控制器的4个ID每s发送20帧，电池管理系统每s发送2帧，可以验证各个节点通信的正确性。

7　结束语

整车控制系统作为纯电动汽车的核心部件，需要实现整车控制器与其他模块的信息传递，保证纯电动汽车中其他独立控制子系统的可靠运行。系统硬件电路设计简单、软件设计复杂化低、并具有良好的拓展性。

图7　各ID每秒吞吐量

由试验结果可以看出，网络中各个节点可以实现可靠、及时的数据通信。整车控制器可以控制电动汽车加减速、匀速运行以及制动能量回馈。CAN通信模块体积小、功耗低、抗干扰性好、处理能力强，可在汽车这种电磁干扰强的复杂环境中稳定、可靠地工作；整个通信过程稳定、可靠、高效，使汽车能够及时响应驾驶员驾驶信息安全稳定的运行，达到了预期的效果。

参考文献：

[1]姜海滨．纯电动汽车整车控制策略及控制器的研究：[学位论文]．上海：上海交通大学，2010．

[2]沈瑶，李小清，周云飞．基于CAN总线的电动车控制系统设计．电子设计工程，2010，18(11)：143-145．

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[4]Infineon Technology，High speed CAN Transceivers Application Note V1．0，2006．1

[5]钱多年．带增程器的纯电动汽车整车控制器设计．佳木斯大学学报(自然科学版)，2012，30 (1)：69-72．

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[10]史久根，张培仁.CAN现场总线系统设计技术．北京：国防工业出版社，2004．