并联式混合动力汽车CAN通信技术的研究毕业论文

1、 . . . 摘要本文介绍了并联式混合动力汽车CAN通信技术的研究。并联式混合动力汽车与传统燃机汽车相比增加了驱动电机，启动电机，对整车能量进行合理分配才能实现整车控制策略、体现混合动力汽车的优势。使用CAN总线构建整车通信网络，能够将车辆上主要的控制单元联系起来，可靠实时地实现指令传输和参数交换，并根据多能源管理系统预先设定的控制程序，依照控制策略实现动力源的合理分配。论文在研究混合动力汽车结构和CAN总线技术的基础上，构建了基于CAN总线的混合动力汽车CAN通信网络，设计混合动力汽车CAN通行协议，给出了CAN通信节点的软、硬件设计。关键词 : 混合动力汽车, CAN , 分布式控制, 能

2、源总成控制系统Abstract ：This article describes the parallel hybrid electric vehicle CAN Communication Technology。Parallel hybrid electric vehicle compared with conventional internal combustion engine to increase the drive motor vehicle, start the motor, the energy of the vehicle to achieve the reasonable a

3、llocation of vehicle control strategy, reflecting the advantages of hybrid cars。Construction of vehicle using the CAN bus communication network, can be the vehicle linked to the main control unit, to achieve reliable transmission of orders in real time and parameter exchange, and energy management s

4、ystems according to more than pre-control procedures, according to control strategy to achieve power sources reasonable distribution.Papers in the structure of hybrid vehicles and CAN bus technology based on the CAN bus based building hybrid vehicles CAN communication network, design hybrid vehicles

5、 CAN access protocol, gives the CAN communication node hardware and software design.KEY WORDS: Hybrid electrical vehicle; CANbus; Vehicle management unit; Electrical controlunits; Technical application目 录1绪论51.1汽车电子的网络化发展趋势51.2 CAN总线在汽车中的应用51.3 CAN总线在混合动力汽车中的应用61.3.1 混合动力汽车简介 61.3.2 基于CAN总线的混合动力汽车 8

6、1.4 本文主要研究论文82 混合动力汽车CAN通信网络设计82.1 CAN总线简介 82.1.1 CAN总线特性 102.2 混合动力汽车CAN通信网络的构建 102.2.1 混合动力汽车构成102.2.2混合动力汽车CAN通信网络的构建 112.2.3 混合电动汽车CAN通信协议122.3 本章小结 153 混合动力汽车CAN通信节点的设计 153.1 CAN控制器SJA1000简介153.2 TMS320LF2407A嵌式CAN控制器简介163.3 通用CAN节点设计163.4 嵌式CAN节点设计193.5 CAN通信的关键技术 213.6 本章小结 224 结论 23参考文献 24致2

7、51 绪论11汽车电子的网络化发展趋势汽车电子的网络化发展趋势自从上世纪50年代晶体管点火装置取代机械式点火系统开始1，汽车电子已经深刻地影响了汽车的发展。电子装置正逐步取代机械部件，以微控制器为主体的汽车电子设备在整车中所占比重不断升高，汽车正在由机械产品逐步转向机电一体化产品，转向以分布式网络技术为基础的智能化系统，汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。目前，电子设备在汽车中占的比重逐年增多，电子技术在汽车中的应用水平也逐年提高。电子技术的应用大大提高了汽车在动力性、安全性、舒适性和可靠性上。现代汽车的高端性能大多来自汽车中使用的电子部件中。有资料表明2，一辆豪华汽车总的制造成本的33来自采

8、用汽车电子的费用，汽车创新的80源自汽车电子的使用。随着电子器件和芯片技术的日益成熟，汽车电子化趋势将持续发展下去，使用汽车电子的优势也会越来越明显。汽车的电子化在几十年的时间里大概经历了三个阶段。第一阶段，为提高个别机械部件的性能而在汽车中引入电子装置的初始阶段。如采用电子点火装置取代机械式点火系统，引入车载收音机等。第二阶段，就是微型计算机开始在汽车中使用的时期。而此时，电子器件的应用围还是比较局限，但随着燃油资源和排气问题的出现，电子技术显示出了在解决这些问题中的优势。在这一阶段，汽车电子与机械技术、材料技术一起获得快速发展，机电一体化成为汽车领域里的新概念。第三阶段，汽车电子跨入智能化

9、、网络化的方向阶段。在汽车的网络化结构中，所有部分协同工作满足汽车驾驶员的行驶和操作意图。先进控制、人工智能和模糊控制等控制策略与先进的半导体技术结合在一起，使驾驶变得越来越人性化。汽车电子的网络化是汽车电子走向成熟的一个标志。汽车网络的引入可追溯到上世纪80年代，汽车网络是汽车电子发展到一定阶段的产物。汽车网络的概念大部分来自计算机网络，但汽车网络同时被赋予了控制的概念。起初，汽车的开关和执行器等部件是通过点对点的接线方式实现的。这种方式臃肿、昂贵、复杂，造成造车和装配中的诸多不便。随着车身电子设备的增加，点对点连线方式会造成占用空间多、可靠性差、增加汽车重量等一系列问题。Internet的

10、成功给汽车的接线方式提供了一种启示，汽车网络的引入自然地成为解决这一问题的最佳方案。现代汽车可以说是各种网络的集合体，汽车部已经基本形成了从低速到高速，从电缆到光纤，从有线到无线，从离散ECU的数据通信到中央智能控制，从传感、显示到操作控制，从车载娱乐到通信、导航的复杂网络系统。据不完全统计，现在比较成熟的汽车电子网络标准多达几十种，在汽车领域应用普遍的也有十几种。在网络的存在下，各种电子器件之间不再是孤立的单个传感器或执行器，它们统一构成了以汽车网络为媒介的功能化系统。12 CAN总线在汽车上的应用情况CAN总线的发展始于上个世纪80年代。1986年2月，Robert Bosch公司在SAE

11、(汽车工业协会)大会上介绍一种新型的串行总线一CAN总线。CAN从一开始就是专为汽车应用而设计的，目前它仍是汽车控制网络的主流总线标准。世界上一些著名的汽车制造商，如宝马、奔驰、保时捷等已经采用CAN总线来实现汽车部控制系统同各检测和执行机构间的数据通信。CAN总线的良好性能和独特设计以与其在各个领域的广泛应用，促进了CAN总线的标准化进程。CAN总线已被列入高速CAN通信标准ISOll898、低速CAN通信标准ISOll519-2和CAN的诊断系统通信标准IS015765等ISO国际标准以与基于CAN通信协议的SAE汽车部网络标准J1939。13 CAN总线在混合动力电动汽车上的运用131混

12、合动力电动汽车简介混合动力电动汽车是指由两种或两种以上的储能器，能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆。在电池技术没有完全解决的今天，混合动力汽车作为一种较好的解决方案己经成功的实现了商业化。优秀的混合动力汽车结合了发动机和电机的优点，成功的改善了汽车的尾气排放，提高了燃油效率，降低了油耗，并且不需要充电站等纯电动车所需的配套设施。这些优点完全适应了燃油紧的今天，是一种准绿色汽车。混合动力电动汽车根据其结构的不同，大体上可以分为串联式(如图1)、并联式(如图2)和混联式(如图3)。由于电动部分的加入，如何更好的实时优化控制电动机和发动机就成了混合动力汽车的关键。而混合动力汽车的

13、结构复杂，有多种需相互作用却又相对独立的部件，并且车载环境比较恶劣，有很强的干扰，模拟信号的可靠性不高。这些特点都决定了采用基于CAN总线网络的整车控制方案必要性。图1 串联式混合动力电动汽车结构形式图2 并联式混合动力电动汽车结构形式图3 混联式混合动力电动汽车结构形式132 基于CAN总线的混合动力电动汽车不管是哪种类型的混合动力汽车，其主要部件还是基本一致的，其中包括：发动机、电机、电池、变速箱、整车控制器等等。相应的，整车网络节点可以由整车控制器节点、发动机控制器节点、电机控制器节点、电池管理系统节点和变速箱节点等等组成。在混合动力汽车的网络研制阶段，主要是对这些部件进行专业设计。当然

14、也可以将整车其他的电气节点纳入到整车的CAN网络之中，例如ABS、音响、电子车锁车窗，GPS等。我们在这里主要着重于动力总成方面的电气节点，CAN网络的设计也主要针对动力总成。通过CAN总线网络，混合动力车辆各系统之间以节点信息的形式交流信息，方便各部件之间的匹配工作，也有利于整车控制与调节345。1.4 本文主要研究论文在研究混合动力汽车结构和CAN总线技术的基础上，构建了基于CAN总线的混合动力汽车CAN通信网络，设计混合动力汽车CAN通行协议，给出了CAN通信节点的软、硬件设计。2 混合动力汽车CAN通信网络设计CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，是一

15、种现场总线，用于连接生产现场仪表、控制器(传感器、变送器、执行器)等自动化装置的双向、串行、全数字化的通信网络，是一种面向工业控制的底层设备网络6。CAN最初由Bosch公司为汽车的检测、控制系统而设计的。20世纪90年代以来，汽车上由电子控制单元(ECU)指挥的部件数量越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置（ABS）、安全气囊装置、电控门窗装置、主动悬架等，这些电子控制单元通过CAN总线交换信息。目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN，一条用于驱动系统的高速CAN，速率达到500kbps，另一条用于车身系统的低速CAN，速率是100kbps。驱动系统CAN主要连接发动机控制器、A

16、SR与ABS控制器、安全气囊控制器、组合仪表等7，车身系统CAN主要连接四门以上的集控锁、电动车窗、后视镜和车厢照明灯等。在信息社会中，有些先进的轿车还装有第三条CAN总线，它主要负责卫星导航与智能通讯系统。混合电动汽车的驱动电机控制器、电池管理系统、能源总成控制系统、启动电机控制器同样采用CAN总线实现信息的交换。2.1CAN总线简介CAN总线是一种串行数据通信协议，其主要特点如下：(1)CAN信息以报文格式传输，报文传输由以下4个不同的信息帧类型所表示和控制：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧，其中数据帧用于传送数据，远程帧用于请求发送具有同一标识符的数据帧，错误帧表示节点的出错信息，过载帧用

17、以在先行的和后续的数据帧或远程帧之间提供一附加的延时。信息帧以标准帧或扩展帧的形式传输，如图2.1所示，标准帧的标识码为11位，扩展帧的标识码为29位。数据长度最多为8字节，保证了通信的实时性，同时满足工业领域控制命令、工作状态与测试数据8的一般要求。(2)节点采用多主机制。总线空闲时，任何节点都可以开始传送报文，具有高优先级权报文的节点获得总线访问权。报文优先权由标识码定义。(3)对通信数据块进行编码，废除了传统的地址编码，可使网节点在理论上不受限制，数据块的标识码位为11位或29位，可定义2048或536870912个不同的数据块。通过报文滤波确定是否对线上数据做出反应，可使不同的节点同时

18、接收同一帧数据。(4)总线仲裁运用逐位仲裁规则，借助标识符ID解决。具有一样的标识符的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的电平进行比较。如果电平一样，则该节点继续发送。如果发送的是“隐性”电平，而监视到的是“显性”电平，则该节点失去仲裁，退出发送状态。图4 信息帧(5)CAN系统中，节点不使用关于系统结构的任何信息，使得系统配置灵活。(6)采用CRC校验并提供相应的错误处理能力，保证了数据通信的可靠性。(7)CAN总线具有错误检测功能，即监视、位填充、循环冗余检查、报文格式检查、自动重发功能。(8)CAN总线最大有效长度与传输速率的关

19、系如表1所示。表1 传输速率与有效长度的关系位速率(kbps)10005002501251005020105位速率(m)4013027053062013003300670010000 (9)CAN节点具有睡眠模式/唤醒功能9。为了减少系统电源的功耗，可将节点设为睡眠模式,以便停止部活动与断开与总线驱动器的连接。CAN节点可由总线唤醒或系统部状态激活。(10)CAN总线的编码原则：连续发送5位一样的二进制码，插入1位补码。(11)CAN总线的总线值分为“显性”电平和“隐性”电平，“显性”位与“隐性”位同时发送，总线值将呈“显性”。例如，在总线的“线与”操作情况下，“显性”电平为“0”，“隐性”电

20、平为“1”。CAN总线值与CANH、CANL电平的关系如表2所示。 表2 CAN总线值与CANH、CANL电平的关系CANH(V)CANL(V)CAN总线状态2.52.5隐性3.51.5显性(12)CAN协议可细分为应用层、目标层、传输层、物理层。目标层、传输层包括所有由ISO/OSI模型定义的链路层的服务和功能，目标层用于查找被发送的报文、确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文、提供与硬件有关应用层的接口，传输层的功能包括控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定10。2.1.1 CAN总线特性CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。CAN协议采用通信数据块进

21、行编码，取代了传统的站地址编码，使网络的节点数在理论上不受限制。由于CAN总线具有较强的纠错能力、支持差分收发，因而适合高于扰环境11，并具有较远的传输距离。CAN特性如下：第一，CAN是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。第二，CAN协议遵循ISOOSI参考模型，采用了其中的物理层、数据链路层和应用层。第三，CAN可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，节点之间有优先级之分，因而通信方式灵活；CAN采用非破坏性逐位仲裁技术，优先级发送，节省了总线冲突仲裁时间，在重负载下性能良好；CAN可以点对点、一点对多点(成组)与全局广播等

22、方式传送和接收数据。第四，CAN的直接通信距离最远可达10000m(传输速率为5kbits)；最高通信速率可达1Mbits(传输距离为40m)。第五，CAN上的节点数可达110个。第六，CAN数据链路层采用短帧结构，每一帧为8个字节，易于纠错；CAN每帧信息都有CRC校验与其他检错措施，有效地降低了数据的错误率；CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭功能，使总线上其他节点不受影响。第七，信号调制解调方式采用不归零(NRZ)编码解码方式，并采用插入填充位技术。第八，数据位具有显性“0”(Dominantbit)和隐性“1”(Recessivebit)两种逻辑值，采用时钟同步技术，具有硬件自同

23、步和定时时间自动跟踪功能。2.2 混合电动汽车CAN通信网络的构成大学与长丰集团联合研制的CFA6470HEV越野型混合电动汽车以CFA6470G四轮驱动越野车为平台，采用并联驱动方式，去掉了分动箱，发动机仅驱动后桥，驱动电机以镍氢动力电池为能源驱动前桥，前轮、后轮通过地面摩擦力达到速度一致12。另外，启动电机用于静态启动发动机和轻载时吸收发动机的富余力，驱动电机还用于对电池进行制动能量回收和下坡时的能量回收。2.2.1混合电动汽车的构成CFA6470HEV型混合电动汽车在传统燃油车的基础上增加了驱动电机、启动电机、动力电池组，进而追加了驱动电机控制器(MCU)、电池管理系统(BMS)、能源总

24、成控制系统(EACS)、启动电机控制器(SCU)等电子控制系统。整个CFA6470HEV功能结构图如图5所示。图5CFA6470HEV 功能结构图其中发动机型号(4G64)、排量(2.351L)、最大功率(92KW)、最大扭矩(188NM)；驱动电机采用SOLECTRIA的三相交流感应电动机AC21-A,该电机额定功率(16KW)、额定转矩(30Nm)、额定转速(4000rpm)、最高转速(12000rpm)；启动电机额定功率(5KW)、最高转速(15000rpm)、最高扭矩(38Nm)；镍氢动力电池容量(8AH)、单体电压(1.2V)、额定电压(336V)、最大放电倍率(15C)、最大放电电

25、流(120A)、最大充电电流(60A)、总能量(2688WH)；驱动电机控制器采用逆变器DMOC425，该逆变器采用矢量控制法，根据EACS的扭矩命令进行出力；电池管理系统监视电池的运行状况，采用温度补偿、自放电率补偿等方法估计剩余电量；启动电机控制器采用矢量控制法，根据EACS的扭矩命令出力；能源总成控制系统根据整车的当前状态与路况进行下一步决策，确定整车的运行模式、发动机节气门的位置、驱动电机的出力、启动电机的出力，并显示整车的运行情况。2.2.2 混合电动汽车CAN网络的构建混合电动汽车保留了传统车的CAN通信网络，并将上述电子控制系统MCU、BMS、SCU、EACS通过CAN总线连成一

26、体，形成了另一个CAN通信网络。如图6所示。与RS-485总线类似，CAN总线只支持总线型网络拓扑结构，不支持环形或星型网络。CAN总线通信只用到两根导线CANH、CANL，对通信介质的要求较低，双绞线、同轴电缆或光纤均可，通常采用廉价的双绞线即可13。本网络采用双绞线。图6 混合电动汽车CAN通信网络图6中，CAN总线两个末端均接有抑制信号反射的终端电阻R，当通信介质为双绞线时，一般取R100120。在实际组网的时候，应根据现场情况决定图中的3个参数：节点分支长度D应小于0.3米；相邻节点的距离S和不加中继的可靠通信距离L取决于总线的通信速率，速率越高，其允许值越小。按照CAN国际标准ISO

27、11898的建议，在总线位速率为1Mbps时，S和L的值应小于40m，但当总线位速率小于5Kbps以下时，L的允许值可达10Km。本网络中终端电阻R=120,节点分支长度D=0米，通信距离L=10米，相邻节点的距离S=2米。2.2.3 混合电动汽车CAN通信协议长丰CFA6470HEV型混合电动汽车以能源总成控制系统为核心，能源总成控制系统汇集发动机、驱动电机、启动电机、电池、空调、加速踏板、制动踏板、离合器等的状态信息，指挥发动机、驱动电机、启动电机、离合器进行相应动作。同样，能源总成控制系统是CAN通信网络的联系枢纽，驱动电机控制器、电池管理系统、启动电机控制器之间没有直接的信息往来，各自

28、与能源总成控制系统交换信息。整个CAN通信网络传输速率为 250kbps，其中驱动电机控制器、启动电机控制器每50ms发送两帧状态数据给能源总成控制系统，而能源总成控制系统每50ms分别给驱动电机控制器、启动电机控制器发一帧扭矩控制数据；电池管理系统每1s发送两帧状态数据给能源总成控制系统，且当发现电池错误或其他错误时，立即发送第一帧数据14。能源总成控制系统与驱动电机控制器的协议见表3；能源总成控制系统与电池管理系统的协议见表4；能源总成控制系统与启动电机控制器的协议如表5所示。表 3 能源总成控制系统与驱动电机控制器的协议IDMessage DefinitionSpecificationH

29、EXRemarkcontrol message0x701110000BMessage ID-7 bitsstatus message10x601100000BCAN Identifystatus message20x611100001B11bitsMessage Type-1 bitmessage to node0x011Bmessage from node0x000BNode ID-3 bitsnode number0x01MCU's nodeControl Messagetorque limit- 16 bits0x01:0x1Nmscale is 1:164 bits0x5A:0

30、x5ANmrange is (-9090)ID:Breserved- 48 bits0xffffactual speed-16 bits0x01:2.44rpmscale is 1:2.440x02:4.88rpmmax value0x1002actual torque-16 bits0x01:0x1Nmscale is 1:10x5A:0x5ANmrange is (-9090)status-8 bitsbit 0:contactor open/closed0x01Status Message 1bit 1:powerstage read/not ready0x0264 bitsbit 2:

31、powerstage fault/no fault0x04ID:Bbit 3:torque hits intermal limit0x08bit 4:power limit0x1002error code-8 bitsbit 0:overcurrent A0x01bit 1:overcurrent B0x02bit 2:overcurrent C0x04bit 3:overvoltage0x08bit 4:contactor0x10battery voltage -16 bits0x400:200Vscale is 128:25Message ID-7 bitscontrol message0

32、x701110000Bstatus message10x601100000Bstatus message20x611100001BStatus Message 2heatsink temp-16 bits0x400:100 scale is 256:2564 bitsmotor temp-16 bits0x40:1 scale is 64:1ID:Bmax current sq-16 bits0x01:0x01 (amps squared value)scale is 1:1relay fsm state-8 bitsbit 0:power up0x01bit 1:closing0x02bit

33、 2:closed0x04bit 4:error0x08表4 能源总成控制系统与电池管理系统的协议IDMessage DefinitionSpecificationHEXRemarkcontrol message0x300110000BMessage ID-7 bitsstatus message10x200100000BCAN Identifiersstatus message20x210100001B11bitsMessage Type-1 bitmessage to node0x011Bmessage from node0x000BNode ID-3 bitsnode number0x0

34、2BMS's nodeControl MessageBCU Init- 8 bits0x01 : BCU intialize0x0164 bitsReserved-8 bits0xffID:BReserved-48 bits0xffffffSoc-8 bits0x00:Soc is 0%. 0x23: Soc is 35% 0x64: Soc is 100%max. possible CAN bits0x64Status-8 bitsbit0: Bat. work/notwork (1/0)Reserved bits: 0bit1: Bat. charge/discharge (1/0

35、)Status Message 1 64 bitsVoltage-16 bits0V:0x0000; 300V: 0x0BB8Transmit data = Actual_volt.*10ID:BCurrent-16 bits0A:0x0000; 5A: 0x0032Transmit data = Actual_cur.*10Error-8 bitsbit0: Bat. Undervoltage0x01bit1: Bat. Overvoltage0x02bit2: Bat. Temp. too low0x04bit3: Bat. Temp. too high0x08bit4: Bat. Oth

36、er errors0x10Run_OK-8 bits0x02: Run OK;0x02OthersexceptionPoint A Temp.-16 bits0°C: 0x0000 ; 50°C: 0x01F4; -50°C:0xFE0CTransmit data = Actual_temp.*10Status Message 1 64 bitsPoint B Temp.-16 bits0°C: 0x0000 ; 50°C: 0x01F4; -50°C:0xFE0CTransmit data = Actual_temp.*10ID:B

37、Point C Temp.-16 bits0°C: 0x0000 ; 50°C: 0x01F4; -50°C:0xFE0CTransmit data = Actual_temp.*10Reversed-16 bits0xffff表5能源总成控制系统与启动电机控制器的协议IDMessage DefinitionSpecificationHEXRemarkMessage ID-7 bitscontrol message0x581011000Bstatus message10x481001000BCAN Identifiersstatus message20x49100

38、1001B11bitsMessage Type-1 bitmessage to node0x011Bmessage from node0x000BNode ID-3 bitsnode number0x04SCUs NodeControl Messagetorque limit- 16 bits0x01:0x1Nmscale is 1:164 bits0x96:0x96Nmrange is (-150+150)ID:Breserved- 48 bits0xffffactual speed-16 bits0x01:2rpmscale is 1:20x02:4rpmmax value0x0bb8ac

39、tual torque-16 bits0x01:0x1Nmscale is 1:10x96:0x96Nmrange is (-150+150)status-8 bitsbit 0:contactor open/closed0x01Status Message 1bit 1:powerstage read/not ready0x0264 bitsbit 2:powerstage fault/no fault0x04ID:Bbit 3:torque hits intermal limit0x08bit 4:power limit0x1002error code-8 bitsbit 0:overcu

40、rrent A0x01bit 1:overcurrent B0x02bit 2:overcurrent C0x04bit 3:overvoltage0x08bit 4:contactor0x10battery voltage -16 bits0x400:200Vscale is 128:25Heatsink temp-16 bits0x400:100 deg Cscale is 256:25motor temp-16 bits0x40:1 deg Cscale is 64:1Status Message 2actual current-16 bits0x01:0x01 (amps )scale

41、 is 1:164 bitsrelay fsm state-8 bitsbit 0:power up0x01ID:Bbit 1:closing0x02bit 2:closed0x04bit 4:error0x08reversed-8 bits0xFF2.3 本章小结本章在研究混合动力汽车结构的基础上，构建了基于CAN总线的混合动力汽车通信网络，设计了混合动力汽车CAN通信网络协议。3 混合动力汽车CAN通信节点的设计节点是组成CAN总线网络的基本单位。在基于CAN总线的混合电动汽车中，追加的电子控制单元：能源总成控制系统、驱动电机控制器、电池管理系统、启动电机控制器，均是独立的CAN总线节点。

42、其中电池管理系统节点设计采用SJA1000作为CAN控制器，PCA82C250作为CAN收发器；能源总成控制系统CPU为嵌CAN控制器的微处理器TMS320LF2407A，外接PCA82C250收发器即可组成CAN节点。3.1 CAN控制器SJA1000简介SJA1000是Philips公司生产的第二代总线控制器，是PCA82C200的替代产品，同时支持CAN 2.0A（标准模式）与CAN 2.0B协议（扩展模式），是应用于汽车和一般工业环境的独立CAN总线控制器15。SJA1000执行CAN协议分层结构中数据链路层和信号物理层的功能，具有完成CAN通信协议所要求的全部特性，经过简单的连接即可

43、完成CAN总线物理层和数据链路层的所有功能。SJA1000的主要特性如下： (1)管脚、电气特性与软件与独立CAN总线控制器PCA82C200兼容；(2)同时支持11位和29位标识符；(3)1个发送缓冲区，1个接收缓冲区(4)扩展接收缓存区（64字节FIFO）；(5)支持标准结构和扩展结构信息的接收与传送，在标准格式和扩展格式中都有单/双接收过滤器（含接收码寄存器ACR和接收屏蔽寄存器AMR）；(6)可读/写访问的错误计数器，可编程的错误限制报警；(7)一次性发送（当错误或仲裁丢失时不重发）；(8)只听模式（CAN总线监听，无应答，无错误标志）；(9)采用24MHz时钟频率，具有高达1Mbps

44、的速率；(10)工作温度围提升为：40125。3.2 TMS320LF2407A嵌式CAN控制器简介TMS320LF2407A的CAN控制器模块是一个完全的CAN控制器，该控制器是一个16位的外设模块，完全支持CAN2.0B协议；支持数据帧、远程帧；可工作在标准模式或扩展模式下；采用发送、接收数据；对接收可配置接收屏蔽字；可编程位定时器；可编程中断配置；可编程CAN总线唤醒功能；自动回复远程请求；当发送时出现错误或仲裁时丢失数据，CAN控制器自动重发； 具有总线错误诊断功能；可工作在自测试模式下。TMS320LF2407A的CAN控制器采用机制发送、接收数据，有别于一般的CAN控制器。一般的C

45、AN控制器(如SJA1000)只有一个发送数据区、一个接收缓冲区，再加64字节扩展接收缓冲区，当发送不同标识符数据帧时，得改变标识符寄存器；当接收不同标识符数据帧，屏蔽寄存器得对不同标识符的数据帧都开放。而TMS320LF2407A的CAN控制器有6个，其中2个接收(MBOX0、1)，2个发送(MBOX4、5)，2个可配置为接收或发送(MBOX2、3)，每个发送相当于一个发送数据区，每个接收等同于一个接收数据区，使得TMS320LF2407A在不改变标识符寄存器或接收屏蔽寄存器的情况下最少可接收2帧（最多4帧）不同标识符的数据帧、最少可发送2帧（最多4帧）不同标识符的数据帧，不可同时最多，这对

46、发送、接收数据帧类型不多的CAN节点很适用16。TMS320LF2407A的CAN控制器有15个16位的控制寄存器，这些寄存器控制着CAN的位定时器、的发送或接收使能、错误状态与CAN的中断等。3.3 通用CAN节点设计CAN控制器采用SJA1000,收发器采用82C25016。并通过6N137进行光电隔离，以提高总线的抗干扰能力。3.3.1CAN接口硬件设计通用CAN节点接口电路如图7所示，其中总线末端电阻可通过跳线器JP1选择,原因是该CAN节点不一定是终端节点,若为终端节点，则短接跳线器JP1的2、3引脚，接入末端电阻，否则，取消匹配电阻；SJA1000与微处理器可拥有各自的工作时钟，为

47、了省去二者的工作时序匹配问题，微处理器的工作时钟可通过SJA1000的时钟输出引脚CLKOUT获取。图7 通用CAN节点接口电路3.3.2 CAN接口软件设计CAN接口软件设计主要包括初始化CAN控制器SJA1000、数据发送程序、接收程序三部分的设计。数据解释功能由主程序完成。1. 初始化CAN控制器CAN控制器SJA1000的初始化是在软件复位状态下进行的，完成信息帧格式选择、设置时钟输出频率、配置波特率、设置接收屏蔽字与输出控制寄存器，初始化完毕，使SJA1000进入正常工作状态。其初始化流程见图8。图8 通用CAN节点初始化流程2. 数据的发送与接收发送数据：先确保该节点在线上、缓冲区

48、为空，然后将待发送的数据写入发送缓冲区，随后启动发送即可。其程序流程见图9。接收数据：采用中断接收，读取接收缓冲区数据并保存，然后释放接收缓冲区。图9 通用CAN节点数据发送流程3.4 嵌式CAN节点设计以TMS320LF2407A为例，介绍嵌式CAN节点的设计18。3.4.1CAN接口硬件设计TMS320LF2407A的CAN控制器通过光电隔离模块与CAN收发器PCA82C250相连，其中光电隔离模块采用高速隔离芯片6N137。另外，3.3V 器件TMS320LF2407A与5V器件PCA82C250、6N137的电平转换标准一致，TMS320LF2407A的CAN发送信号可直接驱动6N13

49、7，但TMS320LF2407A不能承受5V电压,在TMS320LF2407A的CAN接收引脚与PCA82C250的RXD引脚中间增加一个缓冲器件，这个缓冲器件可以是双电压供电，也可以是3.3V电压供电并可以承受5V电压的器件。这里选择74LVX14作为缓冲器。同样120的匹配电阻设计成可选的形式。其CAN硬件接口电路如图10所示。图10 嵌式CAN节点接口电路3.4.2CAN接口软件设计CAN 接口软件分初始化程序、数据发送程序、中断接收程序三大块。数据解释功能由主程序完成。1.初始化CAN控制器18根据整车要求，混合电动汽车能源总成控制系统需接收4种不同标识符的数据帧、发送两种不同标识符的

50、数据帧，因此，将TMS320LF2407A的MBOX2、3配成接收方式，在初始化程序中一次配置好标识符、接收屏蔽字。于是初始化程序完成信息帧格式选择、波特率、标识符、接收屏蔽字、不使能发送中断、使能接收中断等配置功能18，其初始化流程见图11。图11 嵌式CAN节点初始化流程2. 发送数据由于标识符已在初始化程序中一次性配好，发送程序只将待发送的数据写入相应的数据区，设置发送请求位启动发送，待发送完毕，复位发送应答位即可。其数据发送流程见图12。图12嵌式CAN节点数据发送流程3.5 CAN通信的关键技术1. 光电隔离设计为了进一步提高微处理器的抗干扰能力，CAN总线接口往往采用光电隔离电路。

51、光电隔离模块一般处于CAN控制器与收发器之间。但光电隔离模块同时带来了CAN总线的传输延时，设计时应采用高速光电隔离模块，将传输延时降至尽可能的小，确保其传输延时远小于设定的CAN总线位传输时间。通信速率越快，对光电隔离模块的转换速度要求就越高19。上述节点采用6N137，可满足CAN总线250kbps的波特率要求。2. 收发器82C250的设计引脚TXD须接上拉电阻，当引脚TXD为低电平时，82C250输出显性电平，而总线值由显性电平决定。若该节点异常，将使整个通信网络瘫痪。故设计时应使82C250的引脚TXD平时处于高电平，即接上拉电阻。这样，当一个节点出现问题时，不会影响其它节点。引脚R

52、s经电阻接地，使82C250工作于斜率控制模式，降低了收发器转换速率，可在一定程度上降低射频干扰，从而不需要采用屏蔽电缆，节约了成本。若引脚Rs经电阻直接接地，82C250工作于高速，减少了传输延时，但须使用屏蔽电缆以避免射频干扰问题。3. SJA1000的设计SJA1000部集成了一个接收输入比较器电路，RX0、RX1（SJA1000的第19、20脚）是比较器的输入引脚。SJA1000对比较器输入引脚RX1的电平有一定的要求，如果处理不好，难以形成CAN协议所要求的电平逻辑。接收输入比较器由时分频寄存器CDR的第6位CBP控制20。图13显示了SJA1000接收输入比较器的处理方法。当CBP

53、=0时，输入比较器工作，SJA1000要求RX1的引脚必须维持在2.5V左右。此时，CAN信息在输入比较器这一级的传输延时时间为tD1。而当CBP=1时，输入比较器被旁路，只有RX0被激活，没有被使用的RX1脚应被连接到一个确定的电平，如系统的参考电平VSS。输入比较器被旁路后，从RX0输入的信息经由施密特触发器输入，相应的传输延时时间为tD2，且tD2远小于tD1。减少传输延时可增加总线通信距离。单CAN口设计时建议将输入比较器旁路，以获取最大的通信距离图13 SJA1000的接收输入比较器3.6 本章小结本章以SJA1000、82C250、TMS320LF2407A为例介绍了通用CAN节点、嵌式CAN节点的软、硬件设计。最后总结了CAN通信的关键