CAN总线技术及其在混合动力电动车上的应用

董 珂, 李克强, 冯能莲, 金达锋, 连小珉
(清华大学 汽车工程系, 汽车安全与节能国家重点实验室, 北京 100084)
摘 要: 在研究 CAN 协议的原理及应用技术的基础上, 为 了满足混合动力电动车控制策略的需要, 针对混合动力电动 车的特点, 设计了新的 CAN 总线应用层协议。 该协议对网 络信息进行了分类 并 进 行 了 合 理 的 优 先 权 分 配, 而 且 在 CAN 2. 0B 的基础上重新定义了 ID 场, 实现了广播式和点对 点的通讯。 该协议具有很强的扩展性, 可以兼容 O SEK2NM 和 CCP (CAN Ca lib ra tion P ro toco l) 协议。实验结果表明, 在 应用于混合动力电动车多能源动力总成的控制系统开发时, 该协议具有可靠性高、网络负载小和通讯实时性好的特点。
本文在研究 CAN 2. 0B 标准和 SA E J 1939 的 基础上, 在混合动力电动车多能源动力总成控制系 统的开发过程中, 设计了符合混合动力电动车控制 要求的 CAN 网络应用层协议, 并通过实验验证了 该协议的可靠性和通讯实时性。
1 混合动力电动车控制网络的要求
本文研究的混合动力电动车的控制网络主要由 上位控制器 (HCU )、发动机、电机、电池、无级变速 器和刹车防抱死系统 (AB S) 组成 (图 1)。
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 图 3 本文定义的信息格式
在 CAN 2. 0B 的标准数据帧中的 SO F 和 R TR 位在下面的定义中不讨论。11 b it ID 的前 3 b it 是决 定信息的优先权的。 优先权高的 ID 被用于实时性 要求高的控制信息。
接下来的 4 b it 是 PDU (p ro toco l da ta un it) 格 式和信息传送的目标地址。当其取值为 Eh～ Fh 时, 表示该信息为广播式信息。当其取值为 0h～ D h 时, 表示该信息为点对点传送方式, 该 4 b it 为信息的目 标地址。所以, 此协议支持 14 个节点, 对于一般的车 辆控制网络已经足够了。 最后 4 b it 是源地址信息, 合法的取值范围为 0h～ D h。在广播式和点对点传 送方式中都要标明信息的源地址。 混合动力电动车
图 3 为本文定义的信息格式, 主要是对 CAN 2. 0B 的仲裁场进行了重新定义。
CAN 标准帧 S
ID EN T IF IER
R
格式 O F
11 b it
T R
S 本协议格式 O 优先权
F
PDU 格式 (PF )
目标地址
(DA )
R
源地址 (SA )
T R
11 b it ID 位置
21032103210
HCU 接收各 ECU 的工作参数, 根据这些参数 计算出当前经济的工作模式和各 ECU 的目标工作 参数, 并把这些打包成控制命令发送给各 ECU 。各 ECU 根据接收到的工作模式和目标参数, 控制自己 的部件进入指定模式并实现该目标参数。
各 ECU 除了给 HCU 提供工作参数外, 它们之 间也通过 CAN 总线实现数据共享。 因此, HCU 失 效后, 其他 ECU 仍能正常工作。 同时, 该网络应具
董 珂, 等: CAN 总线技术及其在混合动力电动车上的应用
备较强的错误诊断功能, 对错误进行分级, 并采取相 应措施。
图 1 混合动力电动车的控制网络
2 控制网络中的信息分类
CAN 控制网络中的数据是以帧的形式传送的, 一帧数据中的数据场称为信息, 信息是由不同信号 打包而成。
网络中传送的信号可以分为数字信号和模拟信 号。 数字信号将在其值发生明显变化的时候进行传 送, 属 于 事 件 类 信 息, 如 各 种 开 关 信 号 的“合”和 “开”。 根据实际情况, 这种信号一般由 1～ 8 b it 组 成。模拟信号主要是传感器采样模拟信号, 把它转换 为数字量以后的信息, 这种信号有一定的采样周期, 因此传送也是周期性的, 如发动机转速、温度等。 一 般模拟信号由 1～ 8 byte 组成。
Key words: hyb rid electric veh icles; p ro toco l; con t ro l area netw o rk (CAN )
混 合 动 力 电 动 车 ( hyb rid elect ric veh icles, H EV ) 融合了内燃机汽车和电动汽车的优点, 是解 决排污和能源问题最具现实意义的途径之一。 混合 动力电动车需要发动机、电机和电池等部件的协同
另外, 混合动力电动车的控制网络中的信息根 据触发形式的不同可以分为事件型、事件周期型、固 定周期型和条件周期型, 它们的触发条件见表 1。
表 1 CAN 控制网络中的信息分类
传送形式
描述
事件型 事件周期型 固定周期型 条件周期型
当值发生变化时传送 按周期传送, 但当值发生变化时也会传送
始终按一定周期传送 在满足特定条件时按一定周期传送
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清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
2003, 43 (8)
类型与优先权等级的关系如表 3 所示。
传送形式
事件型 事件周期型 条件周期型 固定周期型 网络管理
测试 诊断
表 3 信息 ID 编码分类
优先权 ( ID ) 可用 ID 数 十六进制
00x xxxx xxxx
512
00021F F
(D epartm en t of Autom otive Eng ineer ing, Sta te Key Labora tory of Autom otive Safety and Energy,
Tsinghua Un iversity, Be ij ing 100084, Ch ina)
Abstract: A con tro l area netw o rk (CAN ) app lication layer w as designed fo r the con tro l netw o rk of hyb rid electric veh icles (H EV ). M essages in the netw o rk are classified and the p rio rities of m essages are assigned acco rd ing to their classes w ith the redefined ID field of CAN 2. 0B. T he p ro toco l includes destination sp ecific comm un ication s and b roadcast comm un icat ion s. Fu rtherm o re, the p ro toco l is com p lian t w ith O SEK2NM and CCP (CAN calib rat ion p ro toco l). Exp erim en tal resu lts indicate that the CAN con tro l system fo r the H EV pow ertrain is very reliab le and has low netw o rk load and good real2tim e p erfo rm ance.
CAN ID 11 b it
DL C 4 b it 地址场
CAN 数据场 ≤64 b it 控制场 数据场
网络管理信息符合 O SEK 2NM 标准[3], 它的信 息帧结构见图 4。测试信息用于调试, 正常工作时不
使用。诊断信息用于故障诊断, 兼容 CCP 协议[4]。根 据 CCP 协议, 故障诊断器可以读取各 ECU 指定内 存地址的数据, 实现网络的初始化、波特率自适应等 功能。CCP 协议使用的 ID 为 7FE 和 7FF。
1131
S O
11 b it 识别码
RI TD
rD 0L
0～ 8 byte 数据
F
RE C
15+ 1 b it CRC
E 2 b it A CK O
F
帧起始 仲裁场 控制场 数据场 校验场 应答场 帧结束
图 2 标准信息帧格式
3. 2 本协议的信息格式
本文制定的应用层协议在 CAN 2. 0B 11 b it ID (CAN 标准格式) 的基础上定义了新的信息格式。这 是由应用层完成的数据打包。
关键词: 混合动力电动车; 协议; CAN
中图分类号: U 469. 72 文章编号: 100020054 (2003) 0821130204
文献标识码: A
CAN and its appl ica tion for hybr id electr ic veh icles
DONG Ke , L I Ke q ia ng, FENG Ne ngL ia n, J IN D a fe ng, L IAN Xia om in
010 xxxx xxxx
256
20022F F
011 xxxx xxxx
256
30023F F
101 xxxx xxxx
256
40024F F
101 xxxx xxxx
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50025F F
110 xxxx xxxx
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60026F F
111 xxxx xxxx
256
70027F F
网络中的周期性信息以 50m s 为一周期。 接收 方收到后给出填充应答信号, 由 CAN 数据链路层 判断是否发送成功。如果发送不成功, 则不重发。事 件性信息需要接收方的应答。 各 ECU 收到事件性 信息后, 延迟时间 (2×本节点地址)m s, 发送应答信 息给 HCU 。如果 HCU 在 50m s 内没有收到应答信 息, 则认为发送失败。不论是由于何种原因导致的事 件性信息发送失败, 发送方都将重发。