电动汽车监控平台的设计与开发

1 前言

电动汽车中的电控单元多、内部空间小、环境干扰大，对控制系统、通信系统提出了更高的要求。CAN以其良好的运行特性，极高的可靠性和独特的设计，特别适合电动汽车各电子控制单元之间的通信。为了更好地在实验室进行研究，建立了一个功能比较完善的试验测试平台，能够对 CAN总线系统及其网络协议进行研究。首先，基于 DSP的开发设计了电机控制器节点的通信程序。其次，深入了解 CAN总线在电动汽车中的应用需求，设计了 CAN总线的应用层协议。最后，为检验设计协议的可行性，利用 VB6.0开发了电动汽车的监控系统，并为监控数据建立了数据库，方便管理数据。

2 电机控制器节点的设计

针对电动汽车电机控制器的特点，选用 TI公司的TMS320LF2407芯片作为电机控制器的处理器。采用模块化的设计思想，编写了电机控制器节点的通信程序，可方便移植到基于 DSP的电机控制器或其他控制单元中。

在电动汽车的 CAN总线系统中，电机控制器的实时性要求高，属于高速节点，波特率设为 1兆波特。电机控制器节点主要是接收总线上传来的电机工作模式、SOC、车速、加速踏板位置和制动踏板位置等控制信息，同时发送电机的工作温度、电机故障、工作状态等实时信息。本文中利用 DSP2407的邮箱 2作为接收邮箱，邮箱 5作为发送邮箱，20毫秒定时发送一次。

3 电动汽车监控系统设计

在实验室模拟电动汽车 CAN总线系统，以 PC机（带 USB-CAN模块）作为电动汽车的总控制器。利用 CAN-bus通用测试软件的运行机制和工作原理，设计了基于 PC机的电动汽车 CAN总线技术的监控系统。

3.1 监控系统概述

监控系统通过控制台（带 USB-CAN模块的 PC机）对电机控制器、电池控制器以及离合控制器进行监控。运行主界面如图 1所示。能根据需要在 CAN 总线中收发参数，实现对总线各节点的监视和控制。例如，电机参数，包括SOC、车速、故障等级、工作模式、故障代码、工作温度等。监控系统还可根据系统扩展需要，提供创建节点的功能。另外，还提供数据管理功能。在监控系统执行过程中，采集到的数据会被记录到 Microsoft Access数据库中，可以用表格形式实时显视，还可以通过输出按钮由软件 Excel打开。


图1电动汽车监控系统运行界面

3.2 监控系统通信协议

在 CAN协议中只定义了数据链路层和物理层两层协议，缺乏对信息处理的规范，而一个完整的网络系统中离不开人机交互的应用进程，所以必须由用户定义应用层协议。根据电动汽车运行的特点，设计了监控系统的通信协议。大体上将电动汽车上各电子控制单元（ECU）分为高速和低速节点两大类。其中高速节点包括电机控制器、发动机控制器、电池控制器、ABS/ASR控制单元和能量管理单元等，在它们的 ID码设置较高的优先级。低速节点包括空调系统、仪表显示系统、车灯系统等。表 1给出了电动汽车各节点之间接收及发送的信号类型。根据电动汽车各节点之间接收及发送的数据，对各节点之间需要交换的信息的类型，所包含的参数以及表示方法有具体的说明。例如在电机控制器节点发送的 8个字节分别定义为：电机转速（双字节）、电机转矩（双字节）、工作温度（单字节）、错误等级及代码（单字节）、工作模式（单字节）还有一个字节作为备用。

表1电动汽车各节点之间接收及发送的数据


3.3 监控系统程序设计

监控系统是要完成对各节点的监控，按照设计需求，可将整个设计分为五个设计窗体，包括主窗体、电机控制器监控窗体、电池控制器监控窗体、离合控制器监控窗体和创建节点窗体，并进行模块化设计。其中创建节点窗体可根据需要方便创建监控窗口，设置节点 ID号和监控变量。监控系统程序设计流程图如图 2所示。


图2监控系统程序流程图

4 监控系统的测试  

完成了PC机的监控系统程序设计后，为了验证程序是否正常工作，同时为了验证设计的下位机 DSP数据采集与通信程序的正确性。在这里将DSP数据采集与通信程序和 PC机程序联合起来进行调试。将双方的波特率设为1M波特。DSP节点的测试程序包含 A/D采样（模拟加速踏板位置）和通信程序，DSP运行后由定时中断（20ms）进行数据采集及处理，将信号通过 CAN总线上传到上位机（PC机）。另一方面，DSP自动判断是否有 PC机发送来的指令，如电池电压、电池电流、加速踏板位置和工作模式等。上位机接收到数据后，进行处理并交给监控系统进行显示。电机控制器节点的测试界面如图 3所示。


图3电动控制器的测试界面

5 结论

为适合电动汽车监控的需求，组建了基于 CAN总线的电动汽车仿真测试平台，配备专业测试仪器后可组建 CAN-BUS实验室。该系统具有良好的扩展性，可方便增加需要监控的汽车电子控制单元（ECU）。此外，通过 VB与 ACCESS技术的良好衔接，具有数据实时保存，为后期的数据处理提供条件。为了保证各个消息能及时被相关节点采集并处理，需要对消息的调度策略进行深入研究，进一步优化网络管理，特别是网络故障诊断以及处理机制。

本文作者创新点：开发了电动汽车CAN总线应用层协议，利用VB编程设计了具有监视、控制、保存数据和创建节点等功能的软件，为电动汽车CAN总线的研究提供有效的技术手段。

本项目预计经济效益(1000万元)。

作者：姚震    来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第7-2期