關(guān)鍵字：并聯(lián)液壓混合動(dòng)力車 分布式控制系統(tǒng) CAN總線
Abstract: A CAN BUS based control system is introduced in this paper, which is designed for PHHV （Parallel Hydraulic Hybrid Vehicle）. The control system adopts the distributed frame, which is more Flexible than the concentrated one. The hardware and software are designed, and especially the reliability design is introduced. The control system can meet the requirement of complicated control process of PHHV, and has well expansibility, so that will be a good application.
Key Words: PHHV , distributed control system, CAN BUS
1 引言
目前，我國(guó)城市公共交通主要依賴公交車，站間距離一般在500～1000米。公交車在每站間有數(shù)次剎車和啟動(dòng)，在交通流量的高峰期，剎車和啟動(dòng)更加頻繁，帶來(lái)能源浪費(fèi)、尾氣污染加劇、部件壽命縮短等一系列問(wèn)題。
本課題研究的控制系統(tǒng)，可使并聯(lián)液壓混合動(dòng)力車充分利用制動(dòng)能量，在頻繁剎車和啟動(dòng)的路況，可以明顯提高車輛啟動(dòng)、加速和減速特性，改善車輛排放，降低油耗，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)及剎車裝置的壽命。而且與混合動(dòng)力電動(dòng)車相比，該系統(tǒng)在成本，技術(shù)成熟度，可靠性，維護(hù)性等方面均占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。
并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力車的動(dòng)力傳動(dòng)系中有兩種或兩種以上的動(dòng)力源可同時(shí)或單獨(dú)提供動(dòng)力,有兩個(gè)或兩個(gè)以上相應(yīng)的執(zhí)行元件可同時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載,該動(dòng)力傳動(dòng)系主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、主減速器、液壓蓄能器和液壓泵/馬達(dá)組成。并聯(lián)形式保留傳統(tǒng)車的動(dòng)力傳動(dòng)鏈,只是在原傳動(dòng)鏈上增加了由液壓泵/馬達(dá)和液壓蓄能器組成的能量再生系統(tǒng)，從而形成雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。
目前，并聯(lián)液壓混合動(dòng)力車技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如圖1所示。
車輛在啟動(dòng)和加速時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供輔助動(dòng)力，釋放蓄能器中儲(chǔ)存的能量;車輛減速和制動(dòng)時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供輔助制動(dòng)力，并向蓄能器中儲(chǔ)存能量。
圖1 并聯(lián)液壓混合動(dòng)力車結(jié)構(gòu)原理圖
2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
CAN總線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)，優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的，同時(shí)，CAN總線也被認(rèn)為是混合動(dòng)力車最佳通訊結(jié)構(gòu)，本文采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)來(lái)搭建控制系統(tǒng)。
圖如下圖2所示，控制系統(tǒng)采用分布式控制，共有5個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器，主要分布在車上控制量和采集量密集的地方，包括主控制模塊、液壓系統(tǒng)測(cè)控模塊、液壓充液控制模塊、車輛信息采集模塊以及發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊。
圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
主控制模塊控制器采用配備了智能PC104 CAN控制卡的PC104計(jì)算機(jī)，其他模塊控制器采用以P80C592單片機(jī)為核心構(gòu)成。P80C592芯片本身集成有CAN控制器，A/D轉(zhuǎn)換器，看門(mén)狗，使用該芯片使各控制節(jié)點(diǎn)小型化成為可能，在它的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了外圍模擬量和數(shù)字量的輸入和輸出，便于過(guò)程控制。
3 控制系統(tǒng)的通訊管理
3.1 CAN總線節(jié)點(diǎn)地址分配
對(duì)于以上述P80C592和PC104結(jié)構(gòu)CAN通訊卡為硬件基礎(chǔ)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)形式，節(jié)點(diǎn)之間通訊報(bào)文所用到的信息幀有兩種：數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的幀起始位之后都包括有標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位（RTR）組成的仲裁場(chǎng)。標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)度為11（ID.10～I(xiàn)D.0）位，包含信息幀目標(biāo)地址特征。RTR位在數(shù)據(jù)幀中必須是“顯性”電平，用以標(biāo)記幀類型。
節(jié)點(diǎn)報(bào)文接收器的接收濾波器由兩部分組成：接收碼寄存器（ACR）和接收屏蔽寄存器（AMR）。此兩個(gè)寄存器均為8位：驗(yàn)收碼位（AC.7～AC.0），驗(yàn)收屏蔽位（AM.7～AM.0）。當(dāng)信息幀的報(bào)文標(biāo)識(shí)符最高8位（ID.10～I(xiàn)D.3）滿足下列等式：
〔（ID.10～I(xiàn)D.3）=（AC.7～AC.0）〕或（AM.7～AM.0）=11111111B
則該信息幀將被報(bào)文接收器接收。
對(duì)于本系統(tǒng)的5個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，定義各節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收碼和驗(yàn)收屏蔽碼如下：
1#：ACR=81H，AMR=BEH;
2#：ACR=82H，AMR=BDH;
3#：ACR=84H，AMR=BBH;
4#：ACR=88H，AMR=B7H;
主機(jī)：ACR=A0H，AMR=9FH;
根據(jù)上述節(jié)點(diǎn)地址分配，各節(jié)點(diǎn)均可實(shí)現(xiàn)對(duì)其它任意節(jié)點(diǎn)組合的信息發(fā)送。如主機(jī)對(duì)1#、2#、3#節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息，則主機(jī)發(fā)送信息幀的標(biāo)識(shí)符高8位可寫(xiě)為：87H或07H。
可見(jiàn)對(duì)報(bào)文接收器而言，ID.10=0或1沒(méi)有區(qū)別。但根據(jù)CAN總線協(xié)議，顯性位“0”將比隱性位“1”具有更高的總線優(yōu)先權(quán)。定義ID.10=0的信息幀為“快速幀”，ID.10=1的信息幀為“普通幀”。
因此，上述地址分配方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：
?。?）容易實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)對(duì)其他點(diǎn)任意組合的信息發(fā)送;
?。?）各節(jié)點(diǎn)具有不同的優(yōu)先級(jí)，從1#到5#到主機(jī)優(yōu)先級(jí)依次降低，保證發(fā)往關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的信號(hào)不被阻塞;
（3）每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有兩種地址編碼，且優(yōu)先級(jí)不同，保證關(guān)鍵指令首先被接收。
3.2通訊方式及信息幀分類
由于分布式控制通訊量較大，對(duì)信息進(jìn)行分類和規(guī)定相應(yīng)的協(xié)議將有利于軟件的標(biāo)準(zhǔn)化，提高編程效率和程序的可靠性。首先，依據(jù)CAN總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，定義以C語(yǔ)言描述的CAN信息幀格式：
struct CAN_MSG
?。?/FONT>
unsigned char CAN_FLAG;
unsigned char CAN_DLC;
unsigned char CAN_DATA[8];
?。?
其中CAN_FLAG是信息目標(biāo)標(biāo)識(shí)符，CAN_DLC含遠(yuǎn)程幀信號(hào)位、幀定義描述和數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度信息，CAN_DATA為8字節(jié)數(shù)據(jù)。
依據(jù)信息的流向、總線優(yōu)先級(jí)和作用的不同，將通訊信息分為5類，其具體定義如下（按優(yōu)先級(jí)從低到高排列）：
?。?）遠(yuǎn)程幀：由主機(jī)以一定節(jié)拍發(fā)往各控制器，擊活相應(yīng)控制器的狀態(tài)幀發(fā)送。目的是使主機(jī)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)獲得電動(dòng)車的狀態(tài)信息，同時(shí)減少因各控制器自動(dòng)發(fā)送狀態(tài)幀而引起總線阻塞。
格式：CAN_FLAG采用“普通幀”點(diǎn)對(duì)點(diǎn)編碼;CAN_DLC=0xF0;CAN_DATA為空。
?。?）狀態(tài)幀：由控制器發(fā)往主機(jī)或其他控制器。狀態(tài)幀返回當(dāng)前命令執(zhí)行狀態(tài)和采集量信息，作為上層控制器執(zhí)行下一步規(guī)劃的標(biāo)志。
格式：CAN_FLAG采用“普通幀”點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多編碼;CAN_DLC=0xE8;CAN_DATA[0]為狀態(tài)或信息數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，確定后續(xù)數(shù)據(jù)的含義;CAN_DATA[1]～ CAN_DATA[7]為數(shù)據(jù)。
?。?）間接命令幀：由主機(jī)發(fā)往控制器，或由某運(yùn)行復(fù)合動(dòng)作元的控制器發(fā)往其他控制器。間接命令幀含有復(fù)合動(dòng)作元或動(dòng)作元指令，接收方必須對(duì)命令進(jìn)行分解才能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)外設(shè)動(dòng)作的控制元指令。
格式：CAN_FLAG采用“普通幀”點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多編碼;CAN_DLC=0x60+DLC，DLC等于有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù);CAN_DATA[0]為狀態(tài)或信息數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，確定后續(xù)數(shù)據(jù)的含義;CAN_DATA含有具體指令信息。
?。?）直接命令幀：發(fā)送方向同間接命令幀。但該命令幀所含命令將被接收方直接執(zhí)行，驅(qū)動(dòng)控制元?jiǎng)幼鳎虼?，?yīng)具有比間接命令幀更高的優(yōu)先級(jí)。
格式：CAN_FLAG采用“快速幀”點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多編碼;CAN_DLC=0x20+DLC，DLC等于有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù);CAN_DATA含有具體指令信息。
?。?）緊急命令幀：從檢測(cè)到緊急狀態(tài)的控制發(fā)往其他相關(guān)控制器。此命令具有最高優(yōu)先級(jí)，用以在檢測(cè)到緊急狀態(tài)時(shí)，快速執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作、避免事故發(fā)生。該命令將被接收方直接運(yùn)行。
格式：CAN_FLAG采用“快速幀”點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多編碼;CAN_DLC=0x00+DLC，DLC等于有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù);CAN_DATA含有具體指令信息。
3.3 軟件設(shè)計(jì)
CAN總線為分布式控制提供了良好的硬件基礎(chǔ)，使各節(jié)點(diǎn)的通訊不再是制約分布式控制實(shí)現(xiàn)的主要因素。整個(gè)系統(tǒng)從本質(zhì)上說(shuō)已經(jīng)不存在主、從節(jié)點(diǎn)之分，整個(gè)系統(tǒng)的控制的控制已經(jīng)從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中主節(jié)點(diǎn)的單一控制（這種體系結(jié)構(gòu)要求上位機(jī)具有大容量的程序存儲(chǔ)器和高運(yùn)算速度，必然造成上位機(jī)的大型化），轉(zhuǎn)化為各節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)控制，整加了系統(tǒng)控制的靈活性，也同時(shí)降低了對(duì)主節(jié)點(diǎn)的要求。
圖3 控制器1#，3#輸入輸出參數(shù)
如上圖3所示，車輛信息采集模塊采集車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位信號(hào)（前進(jìn)、空檔、倒車）、油門(mén)踏板及剎車踏板的狀態(tài)及幅度。液壓系統(tǒng)測(cè)控模塊采集蓄能器的壓力，控制離合器的吸合與斷開(kāi)，通過(guò)油路控制（4個(gè)開(kāi)關(guān)量）實(shí)現(xiàn)油路分配控制，最后通過(guò)液壓泵/馬達(dá)控制實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)回收/釋放功能及強(qiáng)度。
各節(jié)點(diǎn)控制器均能獨(dú)立完成部分命令分解和調(diào)用底層指令的功能。這樣，對(duì)于某一動(dòng)作元而言，節(jié)點(diǎn)控制器將充當(dāng)“命令主機(jī)”。下面以“液壓系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)”這一復(fù)合動(dòng)作元執(zhí)行時(shí)，1#，3#控制器流程圖（如圖4，圖5所示）為例，說(shuō)明各控制器在分布式控制系統(tǒng)中的作用?？梢钥闯觯谠撝噶顖?zhí)行過(guò)程中，3#控制器充當(dāng)了1#控制器的“命令主機(jī)”。
圖4 1#控制器流程
采用分布式控制方式，可以將主機(jī)從繁瑣的邏輯控制過(guò)程中解放出來(lái)，對(duì)于主機(jī)的小型化、產(chǎn)品化有重要作用。
圖5 3#控制器軟件流程
4 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)
硬件可靠性方面的工作很多，主要有以下兩點(diǎn)：
?。?）雙時(shí)限看門(mén)狗：系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器均采用了雙時(shí)限看門(mén)狗電路。雙時(shí)限看門(mén)狗有兩個(gè)定時(shí)器：一個(gè)為短定時(shí)器（用單片機(jī)P80C592內(nèi)帶的），一個(gè)為長(zhǎng)定時(shí)器（外部看門(mén)狗定時(shí)器MAX705）。短定時(shí)器定時(shí)為T(mén)1，長(zhǎng)定時(shí)器定時(shí)為T(mén)2，0
這樣，當(dāng)程序進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)，如果這個(gè)死循環(huán)包含短定時(shí)器FeedDog語(yǔ)句而不包含長(zhǎng)定時(shí)器FeedDog語(yǔ)句，那么長(zhǎng)定時(shí)器終將溢出，使單片機(jī)復(fù)位。巧妙安排長(zhǎng)定時(shí)器FeedDog語(yǔ)句的位置，可保證出現(xiàn)死機(jī)的概率極低。
?。?）CAN總線系統(tǒng)的抗干擾性：為了增強(qiáng)CAN 總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，P80C592的CTX0和CRX0并不直接與82C250 的TXD和RXD相連，而設(shè)計(jì)為是通過(guò)高速光耦6N137后與82C250相連這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN 節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。應(yīng)該特別說(shuō)明的一點(diǎn)是，光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源是完全隔離的，否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離采用的是兩個(gè)小功率DC/DC電源隔離模塊。實(shí)現(xiàn)這些部分雖然增加了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜和成本，但是卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。
82C250與CAN總線的接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用保護(hù)82C250免受過(guò)流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30P的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。
另外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器還配置了電源指示燈，總線數(shù)據(jù)收發(fā)指示燈，可在一定程度上讓用戶了解控制器的狀況。
軟件可靠性設(shè)計(jì)中，在各節(jié)點(diǎn)控制器程序中，每處需要等待的程序分支都設(shè)置了定時(shí)器。當(dāng)規(guī)定時(shí)間內(nèi)運(yùn)行條件仍不能滿足，控制器將取消當(dāng)前任務(wù)，并向主機(jī)報(bào)警
5 結(jié)論
本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于設(shè)計(jì)了采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的液壓混合動(dòng)力車控制系統(tǒng)，構(gòu)建了基于CAN總線的分布式電動(dòng)車控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)，確定了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并根據(jù)所提出的分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了控制軟件，最后對(duì)系統(tǒng)軟硬件可靠性進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)車控制系統(tǒng)已經(jīng)在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試運(yùn)行，并完成了各種功能測(cè)試。經(jīng)試驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作可靠，對(duì)緊急指令的響應(yīng)速度快，并能對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，能夠很好的滿足液壓混合動(dòng)力車的運(yùn)行需求。
參考文獻(xiàn)
1 鄔寬明，CAN 總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996
2 王巍、崔維娜、宗光華，基于CAN總線的壁面移動(dòng)機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)研究.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002.1 P65.
3.張維剛、漆志佳，基于CAN總線的串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)車控制系統(tǒng). 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2003 Vol.22 No.5
4. 王軼、張凡，CAN總線技術(shù)在智能汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用. 微計(jì)算機(jī)信息，2005 No.7
（轉(zhuǎn)載）
