引言
由于傳統(tǒng)汽車(chē)帶來(lái)的環(huán)境污染等方面的問(wèn)題日趨嚴(yán)重，電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)的熱點(diǎn)。目前的電動(dòng)汽車(chē)一般都采用基于CAN(Control Area Network)總線的整車(chē)通訊控制系統(tǒng)。CAN總線是德國(guó)BOSCH公司從20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它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(chē)通訊網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。
電動(dòng)汽車(chē)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要對(duì)整車(chē)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(chē)控制策略。在整車(chē)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(chē)及部件性能變化進(jìn)行分析。因此車(chē)載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)研究和開(kāi)發(fā)的重要工具，本文重點(diǎn)論述車(chē)載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)以及柔性測(cè)試技術(shù)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。
1 電動(dòng)汽車(chē)CAN通訊協(xié)議
近10年來(lái)我國(guó)電動(dòng)車(chē)輛技術(shù)得到了重大進(jìn)展，但是動(dòng)力電池及電機(jī)控制技術(shù)仍然是電動(dòng)車(chē)輛發(fā)展的技術(shù)瓶頸[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電機(jī)提出的功率需求是動(dòng)態(tài)變化的，瞬間的大電流沖擊以及充放電之間的瞬間切換，對(duì)動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)性能提出了要求。而電機(jī)的啟動(dòng)不僅要考慮節(jié)能指標(biāo)還要兼顧平穩(wěn)性和快速性，因此也需要通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)得出最優(yōu)化控制策略。由于CAN網(wǎng)絡(luò)包含了整車(chē)控制器信息、電池信息和電機(jī)控制信息等，基于此，開(kāi)發(fā)了一種能夠監(jiān)測(cè)汽車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)的車(chē)載裝置對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的研究具有很重要的意義。
下圖為整車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)基于J1939協(xié)議，報(bào)文采用29位ID的擴(kuò)展幀格式，其通訊速率為250kbps，該網(wǎng)絡(luò)包含CAN節(jié)點(diǎn)為整車(chē)控制器、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器、組合儀表、高低壓直流轉(zhuǎn)換、充電機(jī)。
圖 1 整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
其中29位ID的分配表如下表1所示，優(yōu)先級(jí)為3位，可以有8個(gè)優(yōu)先級(jí)；R一般固定為0；DP現(xiàn)固定為0；8位的PF(PDU Format)為報(bào)文的代碼；8位的PS(PDU Specific)為目標(biāo)地址或組擴(kuò)展；8位的SA(Source Address)為發(fā)送此報(bào)文的源地址。每幀CAN報(bào)文信息包含ID和8字節(jié)數(shù)據(jù)，解析報(bào)文數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)ID號(hào)解析對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。
表 1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)報(bào)文結(jié)構(gòu)圖
優(yōu)先級(jí)
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R
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DP
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PF
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SRR
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IDE
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PF
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PS
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SA
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3
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1
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1
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6
|
2
|
8
|
8
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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
為了滿足電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)人員在路況下對(duì)汽車(chē)進(jìn)行故障信息診斷和分析汽車(chē)控制策略，以及道路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的需求，系統(tǒng)硬件在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮方便車(chē)載和移動(dòng)性比較強(qiáng)。本裝置采用筆記本作為控制主機(jī)，實(shí)現(xiàn)CAN信息的數(shù)據(jù)記錄、分析和存儲(chǔ)等功能。考慮到供電等因素，雖然PXI CAN卡具有很多優(yōu)越性，但由于需要PXI機(jī)箱，因此，設(shè)計(jì)中CAN卡采用NI USB-8473卡，其具有以1 Mb/s的速率記錄100%總線載荷且不掉幀、通過(guò)USB總線接口供電和硬件時(shí)間標(biāo)注為1 μs分辨率等優(yōu)點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和使用環(huán)境相同，操作系統(tǒng)為Windows XP SP2，開(kāi)發(fā)環(huán)境為L(zhǎng)abVIEW 2010。
LabVIEW是高效圖形化應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，結(jié)合了簡(jiǎn)單易用的圖形化開(kāi)發(fā)方式和靈活強(qiáng)大的編程語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)合而為一。它可以提供：直觀明了的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境；開(kāi)放且符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件；內(nèi)置編譯器加快運(yùn)行速度；多平臺(tái)兼容；可與大量硬件接口（I/O）緊密結(jié)合。
3.1軟件功能需求分析
軟件主要功能包含4部分：通訊功能、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理和故障管理。CAN總線通訊速率可配置，配置范圍為0～1Mbit/s，適用不同速率的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，可以記錄CAN網(wǎng)絡(luò)上的報(bào)文，標(biāo)注每幀報(bào)文的接收時(shí)間，其標(biāo)注分辨率為1μs，可以根據(jù)通訊協(xié)議，將監(jiān)測(cè)到的CAN報(bào)文解析為對(duì)應(yīng)的物理量，CAN報(bào)文與物理量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可配置。監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)需保存并可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放和分析的功能，同時(shí)可以統(tǒng)計(jì)故障及報(bào)警信息數(shù)量。
3.2系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)采用基于生產(chǎn)者消費(fèi)者的架構(gòu)，生產(chǎn)者循環(huán)主要用來(lái)監(jiān)測(cè)用戶請(qǐng)求等事件，程序流程主要基于事件觸發(fā)。包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)配置、CAN信息采集解析、CAN信息顯示、報(bào)表生成、錯(cuò)誤信息統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)回放等功能。其程序流程圖如圖2所示。
圖 2 系統(tǒng)程序流程圖
為了各線程能夠獨(dú)立的運(yùn)行，CAN報(bào)文采集線程由響應(yīng)點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕事件后動(dòng)態(tài)調(diào)用，其停止由主程序通過(guò)隊(duì)列發(fā)送停止命令來(lái)控制，采集的CAN報(bào)文數(shù)據(jù)通過(guò)隊(duì)列的方式上傳至主程序，以供解析報(bào)文vi進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；顯示界面線程則直接通過(guò)引用對(duì)控件賦值，從而提高了程序的可讀性和擴(kuò)展性。
3.3 報(bào)文解析程序設(shè)計(jì)
為了使CAN報(bào)文解析程序能夠適應(yīng)不同車(chē)型和不同物理量，是整個(gè)系統(tǒng)一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，作為以柔性測(cè)試技術(shù)為核心理念的測(cè)試系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)該具有準(zhǔn)確性、可靠性、靈活性、適用性和擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此在對(duì)報(bào)文解析時(shí)應(yīng)該充分考慮可擴(kuò)展性和可配置性，這樣可以不更改程序代碼或者只需要修改一小部分代碼就能夠很方便的使程序適用不同車(chē)型的監(jiān)控中。由于CAN報(bào)文的數(shù)據(jù)場(chǎng)包含的數(shù)據(jù)信息比較多且通訊協(xié)議可以被用戶或者開(kāi)發(fā)人員更改，因此程序的靈活性和擴(kuò)展性至關(guān)重要。
NI-XNET提供了強(qiáng)大的CAN數(shù)據(jù)庫(kù)配置工具，因此只需要將CAN數(shù)據(jù)庫(kù)與物理量對(duì)應(yīng)關(guān)系做好配置，即可很容易解析數(shù)據(jù)。但是，NI-XNET不支持NI USB-8473卡，且選用的CAN卡只支持NI-CAN Frame API函數(shù)。為了能夠很方便的使用NI-XNET下的CAN報(bào)文解析工具包，需要將采集到的NI-CAN Frame數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)換為X-NET Frame數(shù)據(jù)報(bào)文。由于CAN報(bào)文解析與底層硬件無(wú)關(guān)，所以只需要轉(zhuǎn)換CAN報(bào)文格式即可，其程序如下圖3。
圖 3 NI-CAN Frame數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)換為X-NET Frame
圖所示4為報(bào)文解析程序和CAN數(shù)據(jù)庫(kù)配置圖，其中Cluster為CAN數(shù)據(jù)庫(kù)配置中所有CAN Frame組成的簇，限于篇幅CAN數(shù)據(jù)庫(kù)組成在本文不展開(kāi)探討；Interface為物理接口；X-NET Frame為轉(zhuǎn)換后的CAN數(shù)據(jù)報(bào)文；Signal data為根據(jù)配置的CAN數(shù)據(jù)庫(kù)解析出來(lái)的CAN實(shí)際信息，其順序按照數(shù)據(jù)庫(kù)Signal的順序依次解析，其數(shù)據(jù)類(lèi)型為DBL類(lèi)型。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于狀態(tài)量的解析還需要根據(jù)Comment配置的信息進(jìn)行翻譯。例如某個(gè)Signal的數(shù)據(jù)為0，0表示繼電器開(kāi)，1表示繼電器關(guān)，那么Comment的配置信息應(yīng)該包含0和1分別表示什么含義，解析報(bào)文數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)獲得Signal的值和Comment的信息，則可解析得出繼電器開(kāi)。從而方便用戶自定義物理量。，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)不同的車(chē)型，配置成不同的Cluster，這樣根據(jù)測(cè)試的車(chē)型選擇對(duì)應(yīng)的Cluster即可實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)文信息的解析，從而使系統(tǒng)更加柔性。
圖 4 CAN報(bào)文解析程序和數(shù)據(jù)庫(kù)配置圖
4 系統(tǒng)應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)路況下，采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，對(duì)某車(chē)型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)圖如下圖5所示。實(shí)驗(yàn)表明程序運(yùn)行正確可靠，能夠滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行情況，同時(shí)采集的數(shù)據(jù)可以很方便的為研究人員優(yōu)化整車(chē)控制器算法提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過(guò)配置不同車(chē)型的CAN數(shù)據(jù)庫(kù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同車(chē)型的CAN報(bào)文信息解析，真正將柔性測(cè)試技術(shù)融入到測(cè)試系統(tǒng)中。本裝置具有故障診斷能力，因此還可作為整車(chē)售后的檢測(cè)裝置使用。
圖 5 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)圖
參考文獻(xiàn)
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北京泛華恒興科技有限公司 黃得銘 武鵬
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