大学本科大学本科方案设计书混合动力试验台CAN总线信息采集.docx

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大学本科大学本科方案设计书混合动力试验台CAN总线信息采集

摘要

现场总线技术被誉为自动化领域的局域网，它是计算机技术、通信技术、控制技术的集成。

其中，CAN总线以其高性能、高可靠性及其独特的设计越来越受到人们的重视。

CAN总线上的节点能接收和发送信息。

智能节点通过编程设置工作方式、ID地址、波特率等参数。

本文介绍了现场总线的发展背景以及CAN总线的发展背景、主要特点、协议分层以及报文传输等内容，并对CAN总线节点的各组成部分作了较详细的介绍。

采用由单片机STC89C52、可编程的CAN通信控制器SJA1000和CAN收发器PCA82C250组成的节点的设计方案。

设计了基于CAN总线智能节点的硬件和软件，并对节点的通信系统做了说明。

关键词CAN总线；协议；智能节点；通信

Abstract

ThefieldbustechnologyispraisedastheLANoftheautomaticfield,itisintegrationofcomputer，communication,controltechnology.Amongthem,CANbusattachimportancetobythepeoplemoreandmorewithhighperformance，highdependabilityanduniquedesign.ThenodeofCANbuscanreceiveandtransmitcommunication.Intelligentnodesetupparameteraboutworking，addressofIDandbaudrateetcthroughprogram.Thispaperintroducesdevelopmentbackgroundoffieldbusanddevelopmentbackground，maincharacter,protocollayerandtransmittingmessageofCANbus，andincludesmoredetailedintroductiontoCANbuseverynodalcomponent.UsetheSCMSTC89C51,CANControllerSJA1000，PCA82C250throughdemonstrationandcomparison.OnthebasisofCANbus，designhardwareandsoftwarewithintelligentnode，andilluminatecommunicationsubsystem.

KeywordCANbus；Protocol；Intellectualnode；Communicatio

前言

近年来，随着信息技术的飞速发展以及控制、计算机、通信、网络等技术的融合，信息交换已经渗透到生产、生活的各个领域。

传统的RS-232、RS-485和CCITTV.24通信标准和通信系统已经远远不能满足工业现场的通信需要。

以全数字式现场总线为代表的现场控制仪表、设备的互连规范，在全世界范围内兴起[1]。

以现场总线为基础的全数字控制系统，将现有的模拟信号电缆用高容量的现场总线网络代替，从而大大减轻现场信号电缆连接的费用和工作量，提高信号的传输效率、精密度和灵活性[2]。

现场总线是自动化领域发展的热点，是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的串行通信系统，被誉为自动化领域的局域网，它是计算机技术、通信技术、控制技术的集成[1]。

现场总线控制系统打破了传统控制系统的结构形式。

传统模拟控制系统采用一对一的物理连接，而现场总线控制系统把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，将每个网络节点连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统和控制系统。

现场总线中的传感器、变送器、执行机构均置入微控制器。

使它们具备了数字计算和数字通信的能力，信息的传输不再依赖于控制室内的计算机或控制仪表，直接在现场的每个网络节点完成，实现了彻底的分散，有力地推动了测控系统向数字化、网络化、智能化方向发展[1、2]。

作为现场总线之一，CAN总线以其高性能、高可靠性及其独特的设计越来越受到人们的重视，在国外已有很多大公司的产品采用了这一技术。

CAN已被公认为几种最有前途的现场总线之一。

CAN是英文ControllerAreaNetwork的缩写，即控制器局域网络，是一种主要用于各种过程（设备）检测及控制的网络，最初是为汽车的检测、控制系统而设计的。

众所周知，现代汽车越来越多的采用电子控制装置来控制如发动机定时、注油以及复杂的加速刹车控制（ASC）、抗锁定刹车系统（ABS）等。

但存在由于这些部件及参数的监控需要交换大量的数据，如果采用硬接信号线的方法势必繁琐而且昂贵等一些问题，用传统方法是很难解决的，采用CAN后就能很好的解决这些问题了。

CAN总线的规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准（ISO11898），得到多个公司的支持，已广泛应用于离散控制领域[3]。

CAN总线通信技术是混合动力汽车研发的关键技术之一。

混合动力汽车在传统汽车的基础上新增了电机、电池等部件，从而需要对电机控制器、电池管理系统、能源总成控制系统对发动机、电机进行协调控制。

混合动力汽车控制系统与各子控制系统的网络通信采用CAN总线通信技术。

图0-1是车载网络的构想示意，图0-2是CAN总线的应用示例[4]。

图0-1车载网络的构想示意

图0-2CAN的应用示例

本次研究并未使用混合动力汽车，而是以混合动力试验台来仿真，但目前我们还在做前期搭建工作。

图0-3是基于CAN总线的混合动力试验台的初步方案示意图[5]。

其中惯性飞轮的必要性:

●维持台架系统转速的相对稳定性。

●避免复杂的加速阻力矩及制动阻力矩的计算，从而提高整个系统的控制精度和响应速度。

●简化负载电动机的控制

图0-3初步方案示意图

图0-4是模块结构和通信示意图。

共有四个模块：

驾驶室模拟模块、动力总成模块、阻力模拟及控制模块、数据采集模块。

驾驶室模拟模块包括：

●输入模块（整车运行信息采集模块：

主要的输入量是：

车速信息）

●处理模块（驾驶员模拟模块：

针对当前车速和目标车速的PID控制器）

●输出模块（整车控制信息输出模块：

输出地控制信息包括：

车辆启停信号，油门踏板信号，制动踏板信号，离合踏板信号，档位信号）

动力总成模块：

●由发动机、电机、电池等部件及其控制器组成的动力总成机械结构

●由动力CAN总线及整车控制器组成的动力总成控制模块（根据J1939协议及控制策略需求，确定动力CAN的拓扑结构及总线上传递的信息）

阻力模拟及控制模块：

●由惯性飞轮模拟车辆加速阻力（根据模拟车辆信息，计算确定飞轮的转动惯量，根据飞轮材料所允许的圆周运动线速度确定飞轮的尺寸）

●电力测功机在其控制模块的控制下模拟除加速阻力之外的其他阻力（建立车辆在行驶和制动工况下的阻力模型，这个阻力模型的输入有：

车辆启停信息，车辆重量，车辆速度，车辆迎风面积，制动踏板信号，档位信号，阻力模型的输出是当前状况下车辆所受得阻力值）

数据采集模块包括：

●数字信号采集模块（针对CAN总线上传输的数据）

●模拟信号采集模块（针对实验关心的其他参数）

目前，混合动力汽车控制系统中，为了便于调试，采用的是点对点的通讯方式，即HCU与各个ECU之间的点对点。

各个节点所用的CAN控制器与收发器的类型不尽相同。

数据通信技术用于混合动力汽车中多个控制器间的数据传输方式，本次试验基于CAN总线。

由于通信原理相同，我们将用一个氮氧化物传感器的例子来研究和说明。

氮氧化物传感器发送信息到CAN总线上，我们用单片机从CAN总线中采集信息。

图0-4模块结构和通信示意图

第1章现场总线与CAN总线

1.1现场总线的概念

在计算机数据传输中，长期以来使用RS-232和CCITTV.24通信标准，其是低数据速率和点对点的数据传输标准，无能力支持更高层次的计算机之间的功能操作。

同时，在复杂或大规模的应用（如工业现场控制或生产自动化领域）中需要使用大量的传感器、执行器和控制器等，它们通常分布在非常广的范围内，如果在最低层上采用传统星型拓扑结构，那么安装成本和介质造价都将非常昂贵；采用流行的LAN组件及环型或总线型拓扑结构，虽然可以减少电缆长度，但是增加的LAN介质及相关硬件和软件又使其系统造价与星型系统相差无几。

所以在最低层次上的确需要设计出一种造价低廉而又能经受工业现场环境的通信系统[6]。

随着计算机技术的高速发展，计算机技术尤其是网络技术与控制结合使我们的想象成为可能。

现场总线（Fieldbus）应运而生。

现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站数字通信系统。

随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展，以全数字式现场总线为代表的互联规范，正在迅猛发展和扩大。

由于采用现场总线将使控制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护；用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的优点，现场总线技术正越来越受到人们的重视。

发展现场总线的初衷是建立开放的控制通信网络，其通信协议理应趋于统一，但近十几年由于现场总线的国际标准不能建立，现场总线发展的种类较多，约有40余种：

如德国西门子公司Siemens的ProfiBus，法国的FIP，英国的ERA，挪威的FINT等等[1]。

1.2CAN总线的概念

CAN（ControllerAreaNetwork，即控制器局域网络）属于现场总线的范畴。

它是在20世纪80年代初由德国的BOSCH公司提出，为解决汽车内部的复杂硬信号连接而开发的一种串行通信协议。

它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光导纤维。

目前，其应用范围已不再局限于汽车工业，而向过程控制、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。

CAN总线以其独特的设计，低成本、高可靠性、实时性、抗干扰能力强、纠错能力强等特点在测控领域获得广泛应用，成为一种新型的工业控制现场总线方案。

但是，CAN芯片只提供了开放系统互连参考模型中的物理层和链路层功能，一般用户必须直接用驱动程序操作链路层，不能直接满足工业控制网络的组态和产品互连的要求，为了以CAN芯片为基础构成完整的工业控制现场总线系统，必须制定相应的应用层协议，实现系统的组态、设备互连和兼容功能。

为此1992年在德国成立了“自动化CAN用户和制造商协会”（CiA），开始着手制定自动化CAN应用层协议CANopen。

此后，协会成员开发出一系列CANopen产品，在机械制造、铁路、车辆、船舶、制药、食品加工等领域获得大量应用。

1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具、数据信息交换、高速通信控制器局欲网国际标准ISO11898CAN高速应用标准，ISO11519CAN低速应用标准。

这为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路。

目前CANopen协议已经被提交欧洲标准委员会讨论，作为一种新的工业现场总线标准EN-50325-4[3]。

1.3CAN总线应用现状及主要特点

CAN是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议，是类似LAN（LocalOperatingNetwork）局域网的新型控制规范。

CAN总线具有实时性、高可靠性，被广泛应用于控制系统中的检测和执行机构之间的数据通信，例如汽车刹车防锁死系统、安全气囊等。

今天此项通信协议已得到广泛应用，众多厂商制造供应高温度等级、具有高抗