纯电动汽车CAN总线通信系统研究

韩友国 王若飞 陶颖 姚朝华 杨玉梅 吴洪涛

【摘 要】本文参考J1939的协议，制定纯电动轿车的网络通信协议，包括定义网络通信速率、协议格式、各个参数变量的分辨率、偏移量以及参数在协议中的位置；硬件电路设计以CAN通信和双口RAM通信两大任务为中心，同时辅以电源管理电路、网络通信模块地址宣称电路和状态显示电路；同时搭建一个专门用于CAN通信测试的网络平台，使用的所有部件ECU都通过模拟控制器实现。

【关键词】纯电动汽车；CAN；控制策略

中图分类号： TN873 文献标识码： A 文章编号： 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

纯电动汽车CAN网络设计过程中为了实现上层控制器对部件的真实控制，需要建立起整车控制器和部件控制单元之间的通信系统。针对纯电动轿车的实际情况，本文采用常用的通信系统网络结构。主要包括整车控制器、电池控制器、辅助电池管理系统、超级电容及其DC/DC控制器、主DC/DC控制器、驱动电机控制器、汽车状态收集器、信息报警显示器等8个节点，并预留了接口以备可能的扩展使用。为实现各系统之间通信，需要完成三个主要任务：（1）制定协议：通信协议作为通信信息格式定义， 制定网络通信协议，使部件对网上信息更正确地理解。（2）硬件实现：制定完协议后，需研制CAN通信的硬件工作。通信硬件是实现网络通信协议的载体，完成整车网络通信的任务需要硬件和协议相结合。（3）CAN网络通信测试平台的建立及调试。由于CAN通信是部件与部件之间信息交换行为，单一部件无法完成通信过程，因而部件通信功能在搭载整车之前，应在试验室内进行测试。

1 通訊协议及通信模块的软硬件设计

为了实现各电控单元之间高效的信息交换，须制订纯电动汽车用通信协议。为使协议更趋开放和标准化，以和SAE J1939兼容作为制订原则。本文参考J1939的协议格式，制定纯电动轿车的网络通信协议，包括定义网络通信速率、协议格式、各个参数变量的分辨率、和偏移量以及参数在协议中的位置等。

协议SAE J1939在报文标识符中给每一个节点分配了自己确定的地址和名称，将整个系统明朗化。初步通信网络的8个节点的地址位于SAE J1939标准保留的地址段（128～167）。这样就可以保证该系统对其它已经存在系统的兼容性。协议统一设定节点地址如表1所示：

表1 节点地址与报文编号

根据整车控制的需要以及各个参数采集等实际使用情况，规定了网络中参数的比例因子和偏移量等，如表2所示。

另外一部分协议主要内容就是根据整车控制的需要，确定不同的物理参数在CAN通信信息中8个字节的数据量分配，形成一定的规约，所有的用户按照这一协议，对网络通信中的数据进行解包就可以得到相应的控制命令和部件工作信息。

硬件实现的方案是将CAN通信功能从各个部件ECU中独立出来，开发专用的CAN通信模块，通信模块与部件ECU的数据交换通过双口RAM实现，由各个通信模块组成一个CAN通信网络集中处理通信任务。方案二的网络结构见图1。

硬件电路设计中，主要以CAN通信和双口RAM通信两大任务为中心，同时辅以电源管理电路、网络通信模块地址宣称电路和状态显示电路等。CAN通信模块电路图如图2所示，主要通过CAN控制器SJA1000和收发器82C250实现，同时为了减小从总线引入的干扰，使用6N137搭建了光耦隔离电路。光耦隔离电路，主要是为防止网上信号对板上主电路包括CPU的干扰，并且可进一步增强网上信号抗外部电路干扰的能力，用于防止外部高频电压信号对网络信号的干扰。

由于采用了双口RAM的方案，在底层用户和网络之间联系的就是双口RAM，因而在此还要制定一个通信协议，即双口RAM中的数据存储格式，根据此格式，底层部件ECU就可以获得所需的数据信息。根据采用芯片的型号、容量，制定了如下图3所示的数据存储格式。供网络通信板的ECU和底层部件CPU进行数据交换，整个程序的流程图如图4。

2 CAN网络通信测试平台

在完成了通信板的硬件设计、软件编程和电磁兼容测试之后，为实现通信板的搭载整车使用，还需搭建一个专门用于CAN通信测试的网络平台，即在试验室内组成和汽车上完全相同的通信网络，使用的所有部件ECU都通过模拟控制器实现，整个网络的结构见图5。

为建立网络通信测试平台，使用DSPACE编制了整个网络的通信程序，并实现完整的网络协议。在这个通信平台上，利用模拟电机控制器，外接步进电机，通过整车控制器采集外部的电子油门信号，根据油门大小发送控制命令。再经过CAN网络的传输，由电机上层的网络通信板接收，并将相应的控制命令按照制定的规范写到双口RAM中，下面的模拟电机控制器则从双口RAM中，读取命令，控制步进电机实现不同转速的变化。通过这个演示，部分证明CAN网络通信测试平台可以实现汽车上所需的通信功能，通过长时间的运行测试，如果一直正常工作，证明整个网络是稳定可靠的。现在只要取下相应调试系统中的网络节点，换上厂家提供的ECU接到调试系统中的预留接口处，便可以利用整车控制器控制ECU实现CAN通信功能。读双口RAM如图6所示。

制定SAEJ1939部分兼容的网络通信协议，研制用于实现CAN通信的通信板软硬件，搭建通信系统测試平台，并完成网络协议和部件ECU通信功能地测试。试验表明本通信板程序能够很好地实现通信板所要求的各种功能。

3 总结

本文参考J1939的协议，制定纯电动轿车的网络通信协议，硬件电路设计以CAN通信和双口RAM通信两大任务为中心，辅以电源管理电路、网络通信模块地址宣称电路和状态显示电路，同时搭建一个专门用于CAN通信测试的网络平台，测试部件控制器功能可实现。本文描述的控制系统已经在我公司量产的某款纯电动车上搭载，性能可靠。

【参考文献】

[1]王侃伟，方宗德，赵治国.混合动力汽车CAN总线应用协议研究[J].计算机工程与应用，2007（08）.

[2]陈继飞，赵龙庆.基于MC912D60AMPV8的汽车CAN总线节点设计[J].公路与汽运，2007（03）.

[3]钟勇，钟志华，余群明，曾志伟.电动汽车CAN总线通用协议的应用研究[J].汽车工程，2006（05）.

[4]杨辉前，王耀南，袁小芳，唐继刚，徐磊.电动汽车CAN总线数据采集显示系统开发[J].计算机工程与应用，2006（20）.

[5]吕伟杰，刘鲁源，王毅新.电动汽车CAN总线混合调度方法的研究[J].制造业自动化，2005（07）.

[6]范辉，王大志，朱建光.基于DSP的电动汽车CAN总线通讯技术设计[J].成组技术与生产现代化，2004（01）.