一、前言
CAN匯流排是德國BOSCH公司在20世紀80年代初為解決汽車中眾多的控制與測試儀器之間的資料交換而開發的一種通信協議。 由於CAN匯流排具有突出的可＊性、即時性和靈活性， 因而得到了業界的廣泛認同和運用， 並在1993年正式成為國際標準和行業標準， 被譽為“最有前途的現場匯流排”之一。 以CAN為代表的匯流排技術在汽車上的應用不但減少了車身線束， 也提高了汽車的可＊性。 在國外現代轎車的設計中， CAN已經成為必須採用的技術， 賓士、寶馬、大眾、富豪及雷諾等汽車都將CAN作為控制器聯網的手段。 我國目前CAN匯流排技術在汽車上的應用存在著很大的空白，
電動汽車融合了許多的電子控制系統， 如電池管理系統、電機控制系統、驅動控制系統、再生制動系統及ABS系統等。 電子設備的大量應用， 必然導致車身佈線增長且複雜、運行可＊性降低、線路上的功率損耗加大、故障維修難度增大。 特別是電子控制單元的大量引入， 為了提高信號的利用率， 要求大批的資料資訊能在不同的電子單元中共用， 汽車綜合控制系統中大量的控制信號也需要即時交換， 傳統線束已遠遠不能滿足這種需求。 將CAN匯流排技術引入電動汽車可以克服以上缺點， 具有廣闊的應用前景。 文中將CAN匯流排技術應用到電動汽車控制系統，
二、CAN匯流排的特點
CAN屬於現場匯流排範疇， 是一種有效支援分散式控制或即時控制的串列通信網路。 CAN匯流排在工業控制領域廣泛應用得益於其自身的技術特點。
（1）只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全域廣播等幾種方式傳送接收資料， 無須專門的“調度”。
（2）通信方式靈活。 CAN為多主方式工作， 網路上任一節點均可在任意時刻主動地向網路上其他節點發送資訊， 而不分主從且無須網站位址等節點資訊。
（3）CAN採用非破壞性匯流排仲裁技術， 當多個節點同時向匯流排發送資訊時， 優先順序較低的節點會主動地退出發送， 而最高優先順序的節點可不受影響地繼續傳輸資料， 從而大大節省了匯流排衝突仲裁時間， 尤其在網路負載很重的情況下也不會出現網路癱瘓情況。
（4）採用短框架格式通信， 傳輸時間短， 受干擾概率低， 具有極好的檢錯效果。 每幀位元組數最多8個， 可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態及測試資料的一般要求。 同時， 8B也不會佔用過長的匯流排時間， 從而保證了通信的即時性。
（5）CAN的每幀資訊都有CRC校驗及其他檢錯措施， 保證了資料通信的可＊性。
三、CAN匯流排在電動汽車上的應用
CAN匯流排應用於電動汽車上具有以下優點。
（1）減少各功能模組所需的線束數量和體積。
（2）減少整車品質並降低汽車成本， 具有較高的資料傳輸可＊性和安裝便捷性， 擴展了汽車功能。
（3）一些資料如車速、電機轉速和SOC等能夠在匯流排上共用， 因此去除了冗餘的感測器， 使感測器信號線減至最少， 控制單元可做到高速資料傳輸。
（4）可以通過增加節點來擴展功能， 如果資料擴展增加新的資訊， 只需升級軟體即可。
（5）即時監測並糾正由電磁干擾引起的傳輸錯誤， 並在檢測到故障後存儲故障碼。
目前存在的多種汽車網路標準， 其側重的功能有所不同， 為方便研究和設計應用， SAE車輛網路委員會將汽車資料傳輸網劃分為A、B、C3類。 A類面向感測器/執行器控制的低速網路，
四、方案設計
1. 系統原理圖
圖1 系統原理圖該系統主要由驅動控制模組、再生制動控制模組、電機控制模組、能量管理模組、電池控制模組、儀錶顯示模組及故障診斷模組等組成。 通過CAN實現各個控制模組間的資訊通信。除了指令的發送和接收外，汽車的一些基本狀態資訊（如電機轉速、電池荷電狀態、車速等）是大部分控制單元必須獲取的資料，控制單元採用廣播方式向匯流排發送資料。 如果在同一時刻所有控制單元都向匯流排發送資料，將發生匯流排上的資料衝突，因此，CAN匯流排協定提出了用識別字識別資料優先權的匯流排仲裁。表1給出了電動汽車電控單元接收及發送的資料類型及其它單元對這些資訊共用的程式。
表1 電動汽車電控單元接收及發送的資料類型
注：T-發送，R-接收2. 模組單元電路框圖 在對高速CAN上的節點進行硬體設計時採用通用擴展（UDU）。這樣只需通過改變軟體來實現各節點的不同功能，從而簡化了硬體系統設計。 通用擴展單元結構如圖2所示。
圖2 通用擴展單元在通用擴展單元中選用AT89C52作微控制器它是一個低電壓、高性能的CMOS8位單片機，片內含8kB的可反復擦寫的唯讀程式記憶體（EPROM）和256B的隨機存取資料存（RAM），相容標準MCS251指令系統，片內置通用8位元中央處理器和Flash存儲單元，可適用於許多較複雜系統的控制應用場合。
CAN控制器採用Philips公司生產的SJA1000，它是應用於汽車和一般工業環境的獨立CAN控制器，具有完成CAN高性能通信協定所要求的全部必要特性，具有簡單匯流排連接的SJA1000可完成實體層和資料連結層的所有功能。它可以存儲一條將在CAN匯流排上發送或接收的完整報文，另外具有64位元組擴展接收緩衝區REFIFO，接收緩存更大，在微控制器處理一個報文的同時可以繼續接收其它發來的報文。 匯流排收發器採用PCA82C250，它提供協定控制器和物理傳輸線路直接的介面，可以用高達1Mb/s的速率在2條有差動電壓的匯流排電纜上傳輸資料。 最多掛接節點數可達110個。採用PCA82C250可以增大通信距離，提高系統瞬間抗干擾能力，降低射頻干擾。PCA82C250和SJA1000共同組成CAN匯流排的控制和介面電路。
五. 電池管理控制系統設計
蓄電池對電動汽車而言是影響整車性能的一個關鍵因素，它對續駛里程、加速性能和最大爬坡度等性能都會產生直接影響。電池控制系統主要是監控電池的工作狀態（電池電壓、電流和溫度），管理電池的工作情況（避免出現過放電、過充、過熱和單體電池之間電壓嚴重不平衡現象）以便最大限度地利用電池的存儲能力和迴圈壽命。其結構如圖3。
1）對主輔電池進行即時監控通過UDU採集主輔電池充放電過程中的電池電壓、電流和電池溫度，來監控電池的工作狀況並進行故障診斷。
2）UDU接收來自匯流排的汽車行駛狀態資料根據汽車動力需求即時調整電動機轉速及功率輸出;當收到制動資訊時，控制單元調控逆變器和電動機的動作，啟動再生制動系統回收制動能量。
3）預測電池剩餘電量和相應的剩餘行駛里程控制單元把採集到的充放電電流參數採用相應的演算法預測剩餘電量。同時利用從匯流排上接收的車速資訊估算剩餘行駛里程，並把估算結果通過匯流排發送到儀錶顯示單元。
六. 系統可性設計
由於汽車內溫度變化範圍大（-45～100℃），電磁干擾和其它電子雜訊強，環境惡劣，要保證系統在車內運行的可＊性，就必須提高網路結構自身的容錯能力和抗干擾能力。 在設計時採用軟硬體結合的方法進行抗干擾。
硬體方面採用電磁相容設計，重點處理靜電場、磁場和傳輸線路及電路引入的干擾，採用濾波、去耦、隔離、遮罩和接地等方式，加入電源電壓檢測、看門狗等電路。具體措施如下。
（1）傳輸線採用遮罩雙絞線。
（2）用看門狗計時器進行超時復位。
（3）在CAN控制器SJA1000和CAN收發器PCA82C250之間增加了由高速隔離器件6N137構成的光電隔離電路，電源也採用微型DC/DC模組來進行隔離。
（4）將PCA82C250的CANH和CANL分別通過一個5Ω的電阻與CAN匯流排相連，可起到限流作用，保護PCA82C250免受過流衝擊，CANH和CANL分別並聯一個30pF的電容接地，也可過濾匯流排上的高頻干擾。
（5）傳輸介質的損壞或匯流排驅動器的損壞等都會破壞CAN的可＊通信，這些故障如不能自動檢測並採取相應措施排除，將使系統部分甚至完全失去通信能力。解決這一問題的有效途徑是採用冗餘通信控制，從而保證通信系統主要功能正常運行，以此提高系統的可＊性。
軟體方面採用比錯和容錯等技術，對信號進行軟體濾波，設計上電重定抗干擾程式，運用實效保險等技術設計抗瞬間干擾程式等。
七、結束語
介紹CAN匯流排的特點及在電動汽車上的應用，設計了基於CAN匯流排的電動汽車整車控制系統的節點設置，並引入通用擴展單元簡化了系統硬體設計，對影響電動汽車性能的電池管理控制單元進行了優化設計。該系統具有結構緊湊、可＊性高、功能完善和成本低的優點，能夠較好地滿足電動汽車的工作要求。
1）對主輔電池進行即時監控通過UDU採集主輔電池充放電過程中的電池電壓、電流和電池溫度，來監控電池的工作狀況並進行故障診斷。
2）UDU接收來自匯流排的汽車行駛狀態資料根據汽車動力需求即時調整電動機轉速及功率輸出;當收到制動資訊時，控制單元調控逆變器和電動機的動作，啟動再生制動系統回收制動能量。
通過CAN實現各個控制模組間的資訊通信。除了指令的發送和接收外，汽車的一些基本狀態資訊（如電機轉速、電池荷電狀態、車速等）是大部分控制單元必須獲取的資料，控制單元採用廣播方式向匯流排發送資料。 如果在同一時刻所有控制單元都向匯流排發送資料，將發生匯流排上的資料衝突，因此，CAN匯流排協定提出了用識別字識別資料優先權的匯流排仲裁。表1給出了電動汽車電控單元接收及發送的資料類型及其它單元對這些資訊共用的程式。表1 電動汽車電控單元接收及發送的資料類型
注：T-發送，R-接收2. 模組單元電路框圖 在對高速CAN上的節點進行硬體設計時採用通用擴展（UDU）。這樣只需通過改變軟體來實現各節點的不同功能，從而簡化了硬體系統設計。 通用擴展單元結構如圖2所示。
圖2 通用擴展單元在通用擴展單元中選用AT89C52作微控制器它是一個低電壓、高性能的CMOS8位單片機，片內含8kB的可反復擦寫的唯讀程式記憶體（EPROM）和256B的隨機存取資料存（RAM），相容標準MCS251指令系統，片內置通用8位元中央處理器和Flash存儲單元，可適用於許多較複雜系統的控制應用場合。
CAN控制器採用Philips公司生產的SJA1000，它是應用於汽車和一般工業環境的獨立CAN控制器，具有完成CAN高性能通信協定所要求的全部必要特性，具有簡單匯流排連接的SJA1000可完成實體層和資料連結層的所有功能。它可以存儲一條將在CAN匯流排上發送或接收的完整報文，另外具有64位元組擴展接收緩衝區REFIFO，接收緩存更大，在微控制器處理一個報文的同時可以繼續接收其它發來的報文。 匯流排收發器採用PCA82C250，它提供協定控制器和物理傳輸線路直接的介面，可以用高達1Mb/s的速率在2條有差動電壓的匯流排電纜上傳輸資料。 最多掛接節點數可達110個。採用PCA82C250可以增大通信距離，提高系統瞬間抗干擾能力，降低射頻干擾。PCA82C250和SJA1000共同組成CAN匯流排的控制和介面電路。
五. 電池管理控制系統設計
蓄電池對電動汽車而言是影響整車性能的一個關鍵因素，它對續駛里程、加速性能和最大爬坡度等性能都會產生直接影響。電池控制系統主要是監控電池的工作狀態（電池電壓、電流和溫度），管理電池的工作情況（避免出現過放電、過充、過熱和單體電池之間電壓嚴重不平衡現象）以便最大限度地利用電池的存儲能力和迴圈壽命。其結構如圖3。
1）對主輔電池進行即時監控通過UDU採集主輔電池充放電過程中的電池電壓、電流和電池溫度，來監控電池的工作狀況並進行故障診斷。
2）UDU接收來自匯流排的汽車行駛狀態資料根據汽車動力需求即時調整電動機轉速及功率輸出;當收到制動資訊時，控制單元調控逆變器和電動機的動作，啟動再生制動系統回收制動能量。
3）預測電池剩餘電量和相應的剩餘行駛里程控制單元把採集到的充放電電流參數採用相應的演算法預測剩餘電量。同時利用從匯流排上接收的車速資訊估算剩餘行駛里程，並把估算結果通過匯流排發送到儀錶顯示單元。
六. 系統可性設計
由於汽車內溫度變化範圍大（-45～100℃），電磁干擾和其它電子雜訊強，環境惡劣，要保證系統在車內運行的可＊性，就必須提高網路結構自身的容錯能力和抗干擾能力。 在設計時採用軟硬體結合的方法進行抗干擾。
硬體方面採用電磁相容設計，重點處理靜電場、磁場和傳輸線路及電路引入的干擾，採用濾波、去耦、隔離、遮罩和接地等方式，加入電源電壓檢測、看門狗等電路。具體措施如下。
（1）傳輸線採用遮罩雙絞線。
（2）用看門狗計時器進行超時復位。
（3）在CAN控制器SJA1000和CAN收發器PCA82C250之間增加了由高速隔離器件6N137構成的光電隔離電路，電源也採用微型DC/DC模組來進行隔離。
（4）將PCA82C250的CANH和CANL分別通過一個5Ω的電阻與CAN匯流排相連，可起到限流作用，保護PCA82C250免受過流衝擊，CANH和CANL分別並聯一個30pF的電容接地，也可過濾匯流排上的高頻干擾。
（5）傳輸介質的損壞或匯流排驅動器的損壞等都會破壞CAN的可＊通信，這些故障如不能自動檢測並採取相應措施排除，將使系統部分甚至完全失去通信能力。解決這一問題的有效途徑是採用冗餘通信控制，從而保證通信系統主要功能正常運行，以此提高系統的可＊性。
軟體方面採用比錯和容錯等技術，對信號進行軟體濾波，設計上電重定抗干擾程式，運用實效保險等技術設計抗瞬間干擾程式等。
七、結束語
介紹CAN匯流排的特點及在電動汽車上的應用，設計了基於CAN匯流排的電動汽車整車控制系統的節點設置，並引入通用擴展單元簡化了系統硬體設計，對影響電動汽車性能的電池管理控制單元進行了優化設計。該系統具有結構緊湊、可＊性高、功能完善和成本低的優點，能夠較好地滿足電動汽車的工作要求。
1）對主輔電池進行即時監控通過UDU採集主輔電池充放電過程中的電池電壓、電流和電池溫度，來監控電池的工作狀況並進行故障診斷。
2）UDU接收來自匯流排的汽車行駛狀態資料根據汽車動力需求即時調整電動機轉速及功率輸出;當收到制動資訊時，控制單元調控逆變器和電動機的動作，啟動再生制動系統回收制動能量。