- CAN總線下的燃料電池汽車空調控制節點
- 采用MCU和獨立CAN控制器和收發器
- 由數字信號處理器DSP2407為控制芯片
在能源日趨緊張、空氣污染日益嚴重的今天，開發具有自主知識產權的新型燃料電池汽車是我國汽車產業的一個重要飛躍和里程碑，也是國家重點扶持的主要領域之一。燃料電池汽車與傳統燃油汽車相比具有環保、節能(氫氣為燃料)、運行平穩無噪聲等特點。燃料電池汽車系統的核心 是它的動力系統，即燃料電池發動機，同時配備高功率鋰離子電池，能夠回收下坡和制動能量。整個汽車系統由若干控制單元組成，各單元通過汽車總線彼此相連， 其中空調控制系統是這種新型能源汽車的一個輔助控制單元，但它也是汽車系統的一個重要組成部分。本文將給出一種采用通用微控制器(MCU)和獨立CAN控制器和收發器為核心的智能節點，完成與汽車系統之間的通信和控制由數字信號處理器DSP2407為控制芯片的直流變轉速空調控制器的運行，并且整個空調系統已成功地運行在以燃料電池為動力的試驗汽車當中。
1 CAN總線原理
控制器局域網絡CAN屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN是1986 年由Bosch公司領先推出的一種最初應用于現代汽車微控制器通信的多主機局部網，實現車裁各類電子控制裝置之間的信息交換。國際標準組織ISO為其制訂 了規范CAN總線的國際標準，CAN已被公認為幾種最有前途的現場總線之一，它在當今自動控制領域的發展中將發揮出越來越重要的作用。CAN協議建立在國 際標準組織ISO的開放系統互連參考模型OSI基礎上，主要工作在物理層、數據鏈路層和應用層，用戶可在其基礎上開發適合實際系統需要的應用層通信協議。 信號的傳輸一般采用雙絞線、同軸電纜或光纖。CAN總線系統通信距離遠，通信速率高，最高通信速率可達1Mbit／s，當信號傳輸距離達到10km時，仍 可提供高達5kbit／s的數據傳輸速率。由于CAN總線的這一特點，使其更利于構成大系統。
2 系統硬件設計
2.1 空調控制系統結構
由于整個汽車系統是一個復雜的控制系統，可以將其分成若干個模塊或子系統，每個子系統負責完成一定的功能。各個控制 單元都通過CAN總線連接在一起，構成總線型結構的局域網絡。雖然CAN中各個節點處于對等的地位，但為了更好協調各個控制單元，以整車控制器作為核心控 制單元部分，控制其他電控單元的運行和系統動力的分配。系統CAN總線結構圖如圖1所示。空調控制系統一方面作為整個汽車系統的一個子系統，同時也作為 CAN總線上的一個節點，其主要功能是通過CAN總線接收主控節點的控制命令及將空調相關數據傳送給主控節點，完成汽車空調的開啟、溫度設定、車內外溫度 采集等控制。空調系統與CAN總線上的整車控制器的通信至關重要，而空調控制部分又涉及到高壓部分，為了整車系統的安全和可靠，將空調系統的CAN通訊部 分和壓縮機驅動部分分開設計，兩者之間通過光電耦合器進行電氣隔離，保證空調系統與整車的通訊安全、可靠。
2.2 硬件設計
由于空調控制系統的智能節點處理的信息量不是很大，主要完成和主控節點即整車控制器的通信，其次負責對空調控制器的 控制和幾路溫度模擬量的采集以及顯示控制，因此，選用通用性較好、開發較靈活的微控制器(MCU)和獨立CAN控制器及CAN總線驅動器方案完成，智能節 點硬件設計原理如圖2所示。其中，智能節點中微控制器選用P89C51Rx2，CAN接口由獨立控制器SJA1000和CAN總線驅動器 PCA82C250組成。SJA1000作為微控制器MCU的片外擴展芯片，SJA1000和MCU之間的數據傳送通過MCU數據端口P0來完成，數據接 收信號用中斷方式，以提高數據處理的實時性。CAN控制器SJA1000通過總線驅動器PCA82C250連接在物理總線上。PCA82C250器件提供 對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接受能力，采用差分驅動有助于抑制汽車等惡劣電氣環境下的瞬變干擾。為增強CAN總線節點的抗干擾能 力，SJA1000的TX0和RX0并不直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦與82C250相連，這樣就很好地實現了收發器與控制 器之間的電氣隔離，保護智能節點核心電路安全工作，并實現了總線上各CAN節點間的電氣隔離。為了進一步增強系統抗干擾能力，可在總線入口處并接雙向穩壓 管，限制線路上可能出現的短時尖峰過電壓和增加共模抑制線圈以消除共模信號的干擾。此外，通信信號在線路上傳輸時，信號傳輸到導線的端點時會發生反射，反 射信號會干擾正常信號的傳輸。為消除這種影響，可在CAN總線兩端并接2個120Ω的電阻起到匹配總線阻抗和消除反射的雙重作用。若忽略這些措施，會使數 據通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信。
節點中MCU除了與CAN控制器連接外，還需要完成空調系統的控制和數據采集，采集的數據主要有車內溫度、空調設定 溫度、空調盤管溫度、車外溫度、日照強度、壓力保護等模擬量，根據采集的數據通過閉環控制方式，給空調壓縮驅動器發出啟動指令和運行頻率，同時壓縮機驅動 器會實時將壓縮機的運行狀態傳遞給MCU。根據狀態信息，MCU會做出相應的處理。
圖2中無刷直流壓縮機驅動控制部分，其核心控制芯片采用TI公司的電機控制專用數字信號處理器 TMS320LF2407，由于其運算速度的快速性，能夠保證系統復雜算法的實現和轉子何置的檢測。位置檢測通過檢測反電動勢的方法來實現，DSP除了完 成驅動信號的發生和位置檢測外，還接受空調智能節點的指令來啟動壓縮機和反饋壓縮機運行狀態。
3 系統軟件設計
空調控制系統軟件設計主要包括智能節點部分和壓縮機控制部分，智能節點主要完成有關初始化；溫度采樣；接收主控節點 的控制指令及發送相關數據，如空調允許的功率上限等；檢測空調開關狀態和設定溫度值；發送給空調控制器的啟動信號以及運行頻率信號；檢測壓縮機的運行狀態 和故障處理等。壓縮機控制器部分主要完成壓縮機的驅動信號的產生、位置檢測信號的處理和接受空調智能節點的起停信號和運行頻率等。限于篇幅，這里只對控制 節點部分程序進行討論。控制節點的主程序流程圖如圖3所示。
對于智能節點軟件設計 而言，主要是節點初始化、報文發送和接收。而要使節點能夠正常工作，關鍵是節點的初始化要正確。節點的初始化主要是指系統上電后對微處理器和CAN控制器 SJA1000進行的初始化，以確定工作主頻、波特率和輸出特性等。對P89C51Rx2的初始化可根據具體的控制對象進行，主要是對中斷、定時器的使用 與設置等，這里不作詳細介紹。此處主要介紹SJA1000的初始化。由于SJA1000內部無微處理器，故其初始化仍要通過P89C51Rx2對其進行編 程實現。SJA1000初始化程序流程如圖4所示。SJA1000的初始化應在復位模式下進行，所以在SJA1000初始化程序中首先要將工作方式置為復 位模式，之后要設置驗收濾波方式、驗收屏蔽寄存器(AMR)和驗收代碼寄存器(ACR)、波特率參數和中斷允許寄存器(IER)等。CAN協議物理層中的 同步跳轉寬度和通信波特率的大小由定時寄存器BTR0、BTR1的內容決定。這里需要指出的是：對于一個系統中的所有節點，這兩個寄存器的內容必須相同， 否則將無法進行通信。初始化設置完成后，將復位請求位置“0”，SJA1000就可以進入工作狀態，執行正常的通信任務。
設計的CAN智能節點具有很高的可靠性和較優的性能價格比，尤其使用獨立CAN控制器實現智能節點具有實現方便和很 好的通用性等特點。整個空調控制系統能夠很好地實現和主控制節點的通信和無刷直流壓縮機的驅動控制，各項運行參數達到設計的要求。文中設計的汽車空調控制 系統已經在燃料電池汽車上進行了實際運行，能夠滿足設計要求。
