基于虛擬儀器的車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

由于能源與污染的問題，電動(dòng)汽車正成為汽車技術(shù)研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。電動(dòng)汽車分為純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車等，是一種環(huán)境友好的先進(jìn)交通工具^[1～2]。目前電動(dòng)汽車一般都采用基于CAN(Control Area Network)總線的整車通訊控制系統(tǒng)。CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，在汽車通訊網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用^[3]。
　　汽車在開發(fā)過程中需要對(duì)整車運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集和監(jiān)控，以便分析各部件的運(yùn)行狀況，優(yōu)化和改進(jìn)整車控制策略。在整車耐久性考核中也需要全程采集和記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，以便對(duì)整車及部件性能變化進(jìn)行分析。因此車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)是電動(dòng)汽車研究和開發(fā)的重要工具，本文重點(diǎn)論述車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)以及在燃料電池汽車道路考核試驗(yàn)中的應(yīng)用。
1 汽車CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通訊協(xié)議
　　在電動(dòng)汽車中，整車控制器通過CAN總線與電機(jī)、蓄電池等部件通訊，讀取各部件的狀態(tài)信息并向部件發(fā)送控制信息。圖1為一種燃料電池汽車的CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整車控制器通過CAN網(wǎng)絡(luò)采集燃料電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、蓄電池和電機(jī)等部件狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)一定的控制策略向DC/DC轉(zhuǎn)換器和電機(jī)發(fā)送控制命令，使動(dòng)力系統(tǒng)各部件協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。監(jiān)控系統(tǒng)連接到CAN總線上，讀取總線的數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。

　　在CAN網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)以報(bào)文為單位進(jìn)行傳輸，節(jié)點(diǎn)對(duì)總線的訪問采取位仲裁方式。報(bào)文起始部分為標(biāo)識(shí)符，在CAN2.0B中標(biāo)識(shí)符采用29位格式，如圖2所示。其中，優(yōu)先級(jí)為3位，共8個(gè)優(yōu)先級(jí)；8位PS為發(fā)送此報(bào)文的源地址，8位SA為目標(biāo)地址，8位PF為報(bào)文代碼。
　　監(jiān)控系統(tǒng)與整車CAN網(wǎng)絡(luò)連接，可接收總線上的全部數(shù)據(jù)幀。一個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀包括標(biāo)識(shí)符和8字節(jié)數(shù)據(jù)。根據(jù)標(biāo)識(shí)符可判斷出該數(shù)據(jù)幀是哪個(gè)部件發(fā)送的，再根據(jù)部件的通訊協(xié)議對(duì)8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析可得到實(shí)際的參數(shù)值。

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　　圖3為燃料電池汽車中燃料電池控制器向整車控制器發(fā)送的一個(gè)數(shù)據(jù)幀的格式。標(biāo)識(shí)符ID為29位數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)識(shí)符格式定義可以得出燃料電池地址為11，整車控制器地址為10，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級(jí)為3。數(shù)據(jù)部分包含燃料電池輸出電壓、燃料電池輸出電流、電堆溫度、故障碼、狀態(tài)位和控制器LIFE信號(hào)等信息。
2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用基于PC總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)的硬件設(shè)計(jì)。便攜式工控機(jī)Apollo150具有抗干擾和減震設(shè)計(jì)，適合于車載使用；具有一體化的液晶顯示屏和鍵盤鼠標(biāo)設(shè)計(jì)，便于人機(jī)界面設(shè)計(jì)；通過USB2.0接口連接U盤進(jìn)行存儲(chǔ)，保證車載環(huán)境下大量數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)；可以通過PCI和ISA擴(kuò)展槽擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集和通訊接口；燃料電池汽車提供24V直流電源，經(jīng)逆變電源轉(zhuǎn)換成220V交流電，經(jīng)UPS給工控機(jī)供電?；贗PC的硬件結(jié)構(gòu)具有可靠性好、便于擴(kuò)展的特點(diǎn) ，同時(shí)可以利用PC機(jī)強(qiáng)大的軟硬件資源，提高開發(fā)效率。

　　CAN通訊接口卡選用PCI7841雙口隔離型CAN接口卡，該接口卡插在Apollo150的PCI擴(kuò)展槽上，采用SJA1000 CAN控制器以及82C250 CAN接收器芯片，提供總線仲裁和錯(cuò)誤檢測(cè)功能，以確保數(shù)據(jù)通訊的可靠性。PCI7841具有兩個(gè)獨(dú)立的CAN接口，最高通訊速率為1Mbps。
3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1軟件功能需求分析
　　CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能主要包括數(shù)據(jù)采集、故障診斷、界面顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集功能對(duì)整車CAN網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行采集，根據(jù)通訊協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)；故障診斷功能對(duì)部件發(fā)送數(shù)據(jù)幀中的故障碼進(jìn)行分析，判斷當(dāng)前系統(tǒng)存在的故障信息；界面顯示功能對(duì)采集的數(shù)據(jù)以各種形式顯示在液晶屏上；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能將采集數(shù)據(jù)以文件形式連續(xù)存儲(chǔ)在U盤上。

3．2 基于虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)
　　虛擬儀器技術(shù)目前已成為測(cè)試領(lǐng)域的主流技術(shù)，一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)主要由儀器硬件、計(jì)算機(jī)硬件和應(yīng)用軟件組成，應(yīng)用軟件又包括開發(fā)環(huán)境、應(yīng)用程序和儀器驅(qū)動(dòng)程序三部分^[4]。LabVIEW是NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，采用圖形化的編程語言，具有強(qiáng)大的人機(jī)界面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析處理功能，提供了豐富的儀器驅(qū)動(dòng)程序，便于快速創(chuàng)建靈活可靠的應(yīng)用系統(tǒng)?；贚abVIEW環(huán)境的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW開發(fā)，儀器硬件部分包括便攜式工控機(jī)和PCI總線CAN通訊接口卡。PCI-7841 CAN接口卡提供了動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）形式的Windows2000/XP驅(qū)動(dòng)程序，在LabVIEW中通過DLL調(diào)用實(shí)現(xiàn)第三方硬件的儀器驅(qū)動(dòng)。PCI-7841提供的主要驅(qū)動(dòng)程序功能如表1所示。

　　車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)采用了PC架構(gòu)和高性能數(shù)據(jù)通訊接口卡，利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)的儀器驅(qū)動(dòng)、界面控件以及應(yīng)用程序開發(fā)調(diào)試環(huán)境，提高了系統(tǒng)的可靠性和開發(fā)效率。

3．3 監(jiān)控軟件流程設(shè)計(jì)
　　CAN總線監(jiān)控程序流程如圖6所示。首先進(jìn)行硬件初始化，創(chuàng)建文件目錄。讀取CAN信息幀后按照協(xié)議進(jìn)行解析，首先將數(shù)據(jù)幀分離成ID部分和數(shù)據(jù)部分，根據(jù)ID判斷是哪一個(gè)部件的信息；然后根據(jù)協(xié)議中定義的參數(shù)起始字節(jié)和總字節(jié)數(shù)取出數(shù)據(jù)，經(jīng)過偏移量和比例因子運(yùn)算得出該參數(shù)的實(shí)際值。由于CAN網(wǎng)絡(luò)中包含了整車控制器和各部件的控制器節(jié)點(diǎn)，在當(dāng)前時(shí)刻緩沖區(qū)內(nèi)有多個(gè)數(shù)據(jù)幀，監(jiān)控程序在進(jìn)入讀數(shù)據(jù)循環(huán)時(shí)不停地讀緩沖區(qū)的CAN數(shù)據(jù)，直到緩沖區(qū)數(shù)據(jù)讀取完畢為止，這樣保證了讀取數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。讀取的數(shù)據(jù)連續(xù)存儲(chǔ)在U盤上，存儲(chǔ)頻率為10Hz，由于數(shù)據(jù)量較大，為了避免數(shù)據(jù)文件過大，監(jiān)控系統(tǒng)每隔1小時(shí)重新創(chuàng)建一次文件，根據(jù)當(dāng)前時(shí)間生成文件名。當(dāng)用戶按下結(jié)束按鈕后監(jiān)控程序結(jié)束。

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4 應(yīng)用實(shí)例
　　在燃料電池汽車道路考核試驗(yàn)中，應(yīng)用車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)采集和記錄整車CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。圖7為采集的車速曲線，圖8為燃料電池電壓電流曲線，其中車速數(shù)據(jù)來自于整車控制器，電壓、電流數(shù)據(jù)來自于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制器。