電動(dòng)車車身網(wǎng)絡(luò)CAN總線通訊實(shí)現(xiàn)

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和世界石油的短缺，純電動(dòng)車 [1]迎來了速發(fā)展的時(shí)期。對于電動(dòng)汽車，除了要求有很好的動(dòng)力性和里程續(xù)駛，還要求具有普通汽車的各種性能，這就使得電動(dòng)汽車中的電子設(shè)備越來越多[2]，汽車線束也越來越復(fù)雜，需線束重量與需要的安裝空間也越來越大，傳統(tǒng)的汽車布線方式根本不能不了電動(dòng)汽車的要求。因此，汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，并成為汽車電子技術(shù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。汽車網(wǎng)絡(luò)主要是指各個(gè)汽車電子設(shè)備和控制器之間通過總線技術(shù)建立通訊網(wǎng)絡(luò)，這樣可以大大簡化布線，方便維修，提高導(dǎo)線利用率，同時(shí)也大大的較低了制造成本。 CAN總線[3]是現(xiàn)在汽車網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用的一種總線型式，它具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉和極高的可靠性等特點(diǎn)。但是對于電動(dòng)汽車來說，還沒有一種專門針對于電動(dòng)汽車的 CAN總線通訊協(xié)議。本文在研究 CAN open協(xié)議的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一款針對于電動(dòng)汽車車身的總線通訊協(xié)議，并通過 LABVIEW [4]實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊。

1、引言
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)，其應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)。CAN總線具有如下特點(diǎn)：
(1)CAN是到目前為止唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線。
(2)CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。
(3)在報(bào)文標(biāo)志符上， CAN上的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)最多可在 134 us內(nèi)得到傳輸。
(4)CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。
(5)CAN節(jié)點(diǎn)只需通過報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。
(6)CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10 K米；通信速率最高可達(dá) 1 Mbps。
(7)CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決與總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110多個(gè)。
(8)報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，使數(shù)據(jù)的出錯(cuò)率降低。
(9)CAN的每幀信息都有 CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果。
(10)CAN通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖。?
(11)CAN節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

(12)CAN總線具有較高的性能價(jià)格比。
2、車身網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
對于電動(dòng)車車身網(wǎng)絡(luò)[5]來說，電子設(shè)備多，位置分布雜亂。為了便于對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，可以把整個(gè)車身網(wǎng)絡(luò)按找拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同劃分為不同的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的劃分按照分塊劃分的原則。節(jié)點(diǎn)中的電子設(shè)備可以相互間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，不同區(qū)域的電子設(shè)備通過不同的網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。在分析電動(dòng)車車身的設(shè)備的基礎(chǔ)上，把車身網(wǎng)絡(luò)分成儀表臺(tái)節(jié)點(diǎn)、左前節(jié)點(diǎn)、右前節(jié)點(diǎn)、左后節(jié)點(diǎn)和右后節(jié)點(diǎn)等。
對于車身網(wǎng)絡(luò)來說，電子設(shè)備對于通訊速度都沒有很高的要求，所以，按照美國工程師協(xié)會(huì) SAE車身網(wǎng)絡(luò)定義，選擇 B類總線，傳輸速率為 10-125 kbps，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1所示：?
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3、通訊協(xié)議報(bào)文設(shè)計(jì)
采用了 CAN總線通用的報(bào)文形式[6] 每幀最大的數(shù)據(jù)長度是 8 bytes。
?? 通訊協(xié)議的報(bào)文主要任務(wù)是發(fā)送報(bào)文和接收報(bào)文,報(bào)文以數(shù)據(jù)幀的格式接收和發(fā)送 [7]。數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域能發(fā)送或接收 8個(gè)字節(jié)的報(bào)文內(nèi)容。每個(gè)字節(jié)有 8個(gè)位，每次只能發(fā)送或接收1個(gè)位。通訊協(xié)議報(bào)文格式如表 1所示。

4、基于 LABVIEW的協(xié)議實(shí)現(xiàn)
硬件采用 MC9S12DP51216單片機(jī)[7]。MC9S12DP51216單片機(jī)總線采用雙絞線和臺(tái)式上位機(jī)。
4.1定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
在 LABVIEW中，Virtual CAN Interface(VCI) 函數(shù)庫是專門為 ZLGCAN設(shè)備在 PC上使用而提供的應(yīng)用程序接口，可以從 LABVIEW中直接使用這些庫函數(shù)。首先創(chuàng)建 VCI函數(shù)庫德數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義數(shù)據(jù)類型為簇，并同時(shí)調(diào)用庫函數(shù)[8]。
本系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)的發(fā)送與接受，并通過 CAN總線將收發(fā)的數(shù)據(jù)在前面板上的列表中顯示出來。該程序中含有3個(gè)主要的 While循環(huán)：主循環(huán)、發(fā)送數(shù)據(jù)循環(huán)和接受數(shù)據(jù)循環(huán)。這三個(gè)循環(huán)是并行運(yùn)行的，互相獨(dú)立。主循環(huán)處理處理與用戶交互的界面，它使用了事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制來處理用戶在前面板的操作，并通過用戶事件與發(fā)送數(shù)據(jù)循環(huán)和接受數(shù)據(jù)循環(huán)通信。它包含以下功能：打開/關(guān)閉設(shè)備、超時(shí)、啟動(dòng) CAN、復(fù)位 CAN、讀取設(shè)備信息、讀取 CAN狀態(tài)、讀取錯(cuò)誤信息和清空緩沖區(qū)。

4.2數(shù)據(jù)發(fā)送和接收函數(shù)的實(shí)現(xiàn) 接受和發(fā)送數(shù)據(jù)通過控制面板的按鈕，調(diào)用 VCI函數(shù)，并同時(shí)把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來。程序框圖如圖 2和圖 3所示。

4.3 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊包括超時(shí)模塊、停止模塊、OpenDevice模塊的設(shè)計(jì)、StartCAN模塊的設(shè)計(jì)、 ResetCAN模塊的設(shè)計(jì)、Clear Buffer模塊的設(shè)計(jì)、 GetBoradInfo模塊的設(shè)計(jì)、 GetErrorInfo模塊的設(shè)計(jì)、GetStatus模塊的設(shè)計(jì)和 TREvent模塊的設(shè)計(jì)等。各個(gè)模塊都是通過在控制面板中設(shè)計(jì)控制鍵，并調(diào)用子函數(shù)，實(shí)現(xiàn)需要的功能。
其中 TREvent模塊的程序框圖如圖 4所示。該模塊主要用于顯示發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。?
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5、系統(tǒng)測試
5.1建立控制面板和顯示面板
車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要正確地反映通訊狀態(tài)，首先要采集汽車在工作狀態(tài)下車身 CAN總線上的眾多信號(hào)。這些信號(hào)可以分成二大類：開光信號(hào)和模擬信號(hào)。
開關(guān)信號(hào)也稱為數(shù)字信號(hào)，主要有近光燈開關(guān)、遠(yuǎn)光燈開關(guān)、制動(dòng)燈開關(guān)、霧燈開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈開關(guān)、空調(diào)開關(guān)、雨刮開關(guān)。還有一些指示信號(hào)亮，需要通過 CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，在儀表中進(jìn)行顯示的量。這些量包括 CAN故障指示、安全帶指示、遠(yuǎn)光指示、倒車指示、左轉(zhuǎn)向指示、右轉(zhuǎn)向指示、后霧燈指示、制動(dòng)故障報(bào)警指示、駐車指示等。
車身網(wǎng)絡(luò)中也有一些模擬信號(hào)，主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、電池電量、電瓶電壓、電池溫度等。
通過 LABVIEW軟件建立開關(guān)量模塊的控制面板和顯示面板。通過控制面板的按鈕，可以發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并在顯示面板顯示相應(yīng)的信號(hào)。

5.2數(shù)據(jù)接收和發(fā)送檢測
檢測數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，在LABVIEW中設(shè)定數(shù)據(jù)的收發(fā)類行為自發(fā)自收[9]。啟動(dòng)CAN，指示燈亮，點(diǎn)發(fā)送按鈕，數(shù)據(jù)以自發(fā)自收的形式發(fā)送出去[10]，如圖 5所示。 6、結(jié)論
本文針對電動(dòng)汽車的特點(diǎn)，建立電動(dòng)車車身網(wǎng)絡(luò)。在分析 CAN總線的基礎(chǔ)上，建立應(yīng)用層的通訊協(xié)議。應(yīng)用 LABVIEW軟件，編寫 CAN網(wǎng)絡(luò)通訊的上機(jī)位軟件。為了驗(yàn)證通訊的數(shù)據(jù)傳輸和接收，在 LABVIEW軟件中進(jìn)行仿真，經(jīng)過檢測，該系統(tǒng)可以很好的實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車車身網(wǎng)絡(luò)的通訊要求。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：
應(yīng)用 CAN總線技術(shù)建立了純電動(dòng)車車身網(wǎng)絡(luò)，通過 LABVIEW軟件實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)連接。并通過系統(tǒng)的通訊測試，驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)的可行性。