引言

由于傳統(tǒng)汽車帶來的環(huán)境污染等方面的問題日趨嚴(yán)重，電動汽車的研發(fā)已經(jīng)成為汽車行業(yè)的熱點。目前的電動汽車一般都采用基于CAN(Control Area Network)總線的整車通訊控制系統(tǒng)。CAN總線是德國BOSCH公司從20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有實時性強、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強、成本低的特點，在汽車通訊網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。
電動汽車在開發(fā)過程中需要對整車運行參數(shù)進(jìn)行采集和監(jiān)控，以便分析各部件的運行狀況，優(yōu)化和改進(jìn)整車控制策略。在整車耐久性考核中也需要全程采集和記錄運行數(shù)據(jù)，以便對整車及部件性能變化進(jìn)行分析。因此車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)是電動汽車研究和開發(fā)的重要工具，本文重點論述車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)以及柔性測試技術(shù)在系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用。

1 電動汽車CAN通訊協(xié)議

         近10年來我國電動車輛技術(shù)得到了重大進(jìn)展，但是動力電池及電機控制技術(shù)仍然是電動車輛發(fā)展的技術(shù)瓶頸[3]。在實際應(yīng)用中，電動汽車對電機提出的功率需求是動態(tài)變化的，瞬間的大電流沖擊以及充放電之間的瞬間切換，對動力電池動態(tài)性能提出了要求。而電機的啟動不僅要考慮節(jié)能指標(biāo)還要兼顧平穩(wěn)性和快速性，因此也需要通過測試數(shù)據(jù)得出最優(yōu)化控制策略。由于CAN網(wǎng)絡(luò)包含了整車控制器信息、電池信息和電機控制信息等，基于此，開發(fā)了一種能夠監(jiān)測汽車CAN網(wǎng)絡(luò)的車載裝置對電動汽車的研究具有很重要的意義。
下圖為整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)基于J1939協(xié)議，報文采用29位ID的擴展幀格式，其通訊速率為250kbps，該網(wǎng)絡(luò)包含CAN節(jié)點為整車控制器、電池管理系統(tǒng)、電機控制器、組合儀表、高低壓直流轉(zhuǎn)換、充電機。

 
圖 1 整車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

其中29位ID的分配表如下表1所示，優(yōu)先級為3位，可以有8個優(yōu)先級；R一般固定為0；DP現(xiàn)固定為0；8位的PF(PDU Format)為報文的代碼；8位的PS(PDU Specific)為目標(biāo)地址或組擴展；8位的SA(Source Address)為發(fā)送此報文的源地址。每幀CAN報文信息包含ID和8字節(jié)數(shù)據(jù)，解析報文數(shù)據(jù)時，根據(jù)ID號解析對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。
表 1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)報文結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

         為了滿足電動汽車開發(fā)人員在路況下對汽車進(jìn)行故障信息診斷和分析汽車控制策略，以及道路實驗數(shù)據(jù)采集的需求，系統(tǒng)硬件在設(shè)計時必須考慮方便車載和移動性比較強。本裝置采用筆記本作為控制主機，實現(xiàn)CAN信息的數(shù)據(jù)記錄、分析和存儲等功能。考慮到供電等因素，雖然PXI CAN卡具有很多優(yōu)越性，但由于需要PXI機箱，因此，設(shè)計中CAN卡采用NI USB-8473卡，其具有以1 Mb/s的速率記錄100%總線載荷且不掉幀、通過USB總線接口供電和硬件時間標(biāo)注為1 μs分辨率等優(yōu)點，非常適合本系統(tǒng)應(yīng)用場合。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的開發(fā)和使用環(huán)境相同，操作系統(tǒng)為Windows XP SP2，開發(fā)環(huán)境為LabVIEW 2010。
LabVIEW是高效圖形化應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，結(jié)合了簡單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強大的編程語言的優(yōu)勢合而為一。它可以提供：直觀明了的圖形化開發(fā)環(huán)境；開放且符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件；內(nèi)置編譯器加快運行速度；多平臺兼容；可與大量硬件接口（I/O）緊密結(jié)合。 

3.1軟件功能需求分析

       軟件主要功能包含4部分：通訊功能、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理和故障管理。CAN總線通訊速率可配置，配置范圍為0～1Mbit/s，適用不同速率的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，可以記錄CAN網(wǎng)絡(luò)上的報文，標(biāo)注每幀報文的接收時間，其標(biāo)注分辨率為1μs，可以根據(jù)通訊協(xié)議，將監(jiān)測到的CAN報文解析為對應(yīng)的物理量，CAN報文與物理量之間的對應(yīng)關(guān)系可配置。監(jiān)測的數(shù)據(jù)需保存并可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)回放和分析的功能，同時可以統(tǒng)計故障及報警信息數(shù)量。 

3.2系統(tǒng)軟件整體設(shè)計

         軟件系統(tǒng)采用基于生產(chǎn)者消費者的架構(gòu)，生產(chǎn)者循環(huán)主要用來監(jiān)測用戶請求等事件，程序流程主要基于事件觸發(fā)。包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)配置、CAN信息采集解析、CAN信息顯示、報表生成、錯誤信息統(tǒng)計和數(shù)據(jù)回放等功能。其程序流程圖如圖2所示。
 

圖 2 系統(tǒng)程序流程圖

為了各線程能夠獨立的運行，CAN報文采集線程由響應(yīng)點擊開始按鈕事件后動態(tài)調(diào)用，其停止由主程序通過隊列發(fā)送停止命令來控制，采集的CAN報文數(shù)據(jù)通過隊列的方式上傳至主程序，以供解析報文vi進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；顯示界面線程則直接通過引用對控件賦值，從而提高了程序的可讀性和擴展性。 

3.3 報文解析程序設(shè)計

         為了使CAN報文解析程序能夠適應(yīng)不同車型和不同物理量，是整個系統(tǒng)一個重點和難點，作為以柔性測試技術(shù)為核心理念的測試系統(tǒng)，開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)該具有準(zhǔn)確性、可靠性、靈活性、適用性和擴展性等優(yōu)點[4]。因此在對報文解析時應(yīng)該充分考慮可擴展性和可配置性，這樣可以不更改程序代碼或者只需要修改一小部分代碼就能夠很方便的使程序適用不同車型的監(jiān)控中。由于CAN報文的數(shù)據(jù)場包含的數(shù)據(jù)信息比較多且通訊協(xié)議可以被用戶或者開發(fā)人員更改，因此程序的靈活性和擴展性至關(guān)重要。
NI-XNET提供了強大的CAN數(shù)據(jù)庫配置工具，因此只需要將CAN數(shù)據(jù)庫與物理量對應(yīng)關(guān)系做好配置，即可很容易解析數(shù)據(jù)。但是，NI-XNET不支持NI USB-8473卡，且選用的CAN卡只支持NI-CAN Frame API函數(shù)。為了能夠很方便的使用NI-XNET下的CAN報文解析工具包，需要將采集到的NI-CAN Frame數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)換為X-NET Frame數(shù)據(jù)報文。由于CAN報文解析與底層硬件無關(guān)，所以只需要轉(zhuǎn)換CAN報文格式即可，其程序如下圖3。
 

圖 3 NI-CAN Frame數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)換為X-NET Frame
圖所示4為報文解析程序和CAN數(shù)據(jù)庫配置圖，其中Cluster為CAN數(shù)據(jù)庫配置中所有CAN Frame組成的簇，限于篇幅CAN數(shù)據(jù)庫組成在本文不展開探討；Interface為物理接口；X-NET Frame為轉(zhuǎn)換后的CAN數(shù)據(jù)報文；Signal data為根據(jù)配置的CAN數(shù)據(jù)庫解析出來的CAN實際信息，其順序按照數(shù)據(jù)庫Signal的順序依次解析，其數(shù)據(jù)類型為DBL類型。在程序設(shè)計時，對于狀態(tài)量的解析還需要根據(jù)Comment配置的信息進(jìn)行翻譯。例如某個Signal的數(shù)據(jù)為0，0表示繼電器開，1表示繼電器關(guān)，那么Comment的配置信息應(yīng)該包含0和1分別表示什么含義，解析報文數(shù)據(jù)時，通過獲得Signal的值和Comment的信息，則可解析得出繼電器開。從而方便用戶自定義物理量。，在實際應(yīng)用中可以根據(jù)不同的車型，配置成不同的Cluster，這樣根據(jù)測試的車型選擇對應(yīng)的Cluster即可實現(xiàn)CAN報文信息的解析，從而使系統(tǒng)更加柔性。

圖 4 CAN報文解析程序和數(shù)據(jù)庫配置圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用及實驗

         在實驗場路況下，采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，對某車型進(jìn)行實驗，其實驗運行監(jiān)測圖如下圖5所示。實驗表明程序運行正確可靠，能夠滿足實時監(jiān)控電動汽車的運行情況，同時采集的數(shù)據(jù)可以很方便的為研究人員優(yōu)化整車控制器算法提供實驗數(shù)據(jù)。同時，通過配置不同車型的CAN數(shù)據(jù)庫，即可實現(xiàn)對不同車型的CAN報文信息解析，真正將柔性測試技術(shù)融入到測試系統(tǒng)中。本裝置具有故障診斷能力，因此還可作為整車售后的檢測裝置使用。

圖 5 實驗運行監(jiān)測圖

參考文獻(xiàn)
[1] 金振華,盧青春,魏紅軍等.基于虛擬儀器的車載CAN 總線監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā).自動化技術(shù),2006,(11).
[2] 黃向東,汪勝勇,趙克剛等.基于CAN總線的HEV集散控制系統(tǒng)的通信.華南理工大學(xué)學(xué)報,2004,(5).
[3] 孫逢春,孟祥峰,林程等.電動汽車動力電池動態(tài)測試工況研究.北京理工大學(xué)學(xué)報,2010,Vol.30,No.3.
[4] 張寶剛, 顧飛.基于“柔性測試”技術(shù)的筆式點火線圈綜合測試系統(tǒng).國外電子測量技.2008,27(10).