摘要：為了滿足電動汽車故障信息診斷和道路實驗數據采集的需求，開發了車載式CAN總線信息顯示裝置。系統硬件采用便攜式筆記本和NI USB-8473 CAN卡，LabVIEW作為軟件開發平臺。實現了對電動汽車CAN網絡信息的數據采集、報文解析、數據存儲和數據回放的功能，系統開發以柔性測試技術為核心理念。通過實驗表明，系統能夠滿足設計要求，具有可靠性、靈活性、適用性和可擴展性等優點。
關鍵詞：電動汽車 CAN總線 虛擬儀器 柔性測試技術
由于傳統汽車帶來的環境污染等方面的問題日趨嚴重，電動汽車的研發已經成為汽車行業的熱點。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。CAN總線是德國BOSCH公司從20世紀80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，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，具有實時性強、傳輸距離遠、抗干擾能力強、成本低的特點，在汽車通訊網絡中得到了廣泛的應用。
電動汽車在開發過程中需要對整車運行參數進行采集和監控，以便分析各部件的運行狀況，優化和改進整車控制策略。在整車耐久性考核中也需要全程采集和記錄運行數據，以便對整車及部件性能變化進行分析。因此車載CAN總線監控系統是電動汽車研究和開發的重要工具，本文重點論述車載CAN總線監控系統的開發以及柔性測試技術在系統開發中的應用。
近10年來我國電動車輛技術得到了重大進展，但是動力電池及電機控制技術仍然是電動車輛發展的技術瓶頸[3]。在實際應用中，電動汽車對電機提出的功率需求是動態變化的，瞬間的大電流沖擊以及充放電之間的瞬間切換，對動力電池動態性能提出了要求。而電機的啟動不僅要考慮節能指標還要兼顧平穩性和快速性，因此也需要通過測試數據得出最優化控制策略。由于CAN網絡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，開發了一種能夠監測汽車CAN網絡的車載裝置對電動汽車的研究具有很重要的意義。
下圖為整車網絡拓撲結構，該網絡基于J1939協議，報文采用29位ID的擴展幀格式，其通訊速率為250kbps，該網絡包含CAN節點為整車控制器、電池管理系統、電機控制器、組合儀表、高低壓直流轉換、充電機。
圖 1 整車CAN網絡拓撲圖
其中29位ID的分配表如下表1所示，優先級為3位，可以有8個優先級；R一般固定為0；DP現固定為0；8位的PF(PDU
Format)為報文的代碼；8位的PS(PDU Specific)為目標地址或組擴展；8位的SA(Source
Address)為發送此報文的源地址。每幀CAN報文信息包含ID和8字節數據，解析報文數據時，根據ID號解析對應的數據信息。
表 1
CAN總線網絡報文結構圖
|
優先級 |
R |
DP |
PF |
SRR |
IDE |
PF |
PS |
SA |
|
3 |
1 |
1 |
6 |
2 |
8 |
8 |
為了滿足電動汽車開發人員在路況下對汽車進行故障信息診斷和分析汽車控制策略，以及道路實驗數據采集的需求，系統硬件在設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CAN信息的數據記錄、分析和存儲等功能。考慮到供電等因素，雖然PXI CAN卡具有很多優越性，但由于需要PXI機箱，因此，設計中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注為1 μs分辨率等優點，非常適合本系統應用場合。
本系統的開發和使用環境相同，操作系統為Windows XP SP2，開發環境為LabVIEW 2010。
LabVIEW是高效圖形化應用開發環境，結合了簡單易用的圖形化開發方式和靈活強大的編程語言的優勢合而為一。它可以提供：直觀明了的圖形化開發環境；開放且符合工業標準的軟件；內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）緊密結合。
軟件主要功能包含4部分：通訊功能、數據分析、數據管理和故障管理。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總線網絡，可以記錄CAN網絡上的報文，標注每幀報文的接收時間，其標注分辨率為1μs，可以根據通訊協議，將監測到的CAN報文解析為對應的物理量，CAN報文與物理量之間的對應關系可配置。監測的數據需保存并可以實現數據回放和分析的功能，同時可以統計故障及報警信息數量。
軟件系統采用基于生產者消費者的架構，生產者循環主要用來監測用戶請求等事件，程序流程主要基于事件觸發。包括系統初始化、參數配置、CAN信息采集解析、CAN信息顯示、報表生成、錯誤信息統計和數據回放等功能。其程序流程圖如圖2所示。
圖 2 系統程序流程圖
為了各線程能夠獨立的運行，CAN報文采集線程由響應點擊開始按鈕事件后動態調用，其停止由主程序通過隊列發送停止命令來控制，采集的CAN報文數據通過隊列的方式上傳至主程序，以供解析報文vi進行數據處理；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。
為了使CAN報文解析程序能夠適應不同車型和不同物理量，是整個系統一個重點和難點，作為以柔性測試技術為核心理念的測試系統，開發的系統應該具有準確性、可靠性、靈活性、適用性和擴展性等優點[4]。因此在對報文解析時應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控中。由于CAN報文的數據場包含的數據信息比較多且通訊協議可以被用戶或者開發人員更改，因此程序的靈活性和擴展性至關重要。
NI-XNET提供了強大的CAN數據庫配置工具，因此只需要將CAN數據庫與物理量對應關系做好配置，即可很容易解析數據。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。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數據報文轉換為X-NET
Frame數據報文。由于CAN報文解析與底層硬件無關，所以只需要轉換CAN報文格式即可，其程序如下圖3。
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圖 3 NI-CAN Frame數據報文轉換為X-NET
Frame
圖所示4為報文解析程序和CAN數據庫配置圖，其中Cluster為CAN數據庫配置中所有CAN
Frame組成的簇，限于篇幅CAN數據庫組成在本文不展開探討；Interface為物理接口；X-NET Frame為轉換后的CAN數據報文；Signal
data為根據配置的CAN數據庫解析出來的CAN實際信息，其順序按照數據庫Signal的順序依次解析，其數據類型為DBL類型。在程序設計時，對于狀態量的解析還需要根據Comment配置的信息進行翻譯。例如某個Signal的數據為0，0表示繼電器開，1表示繼電器關，那么Comment的配置信息應該包含0和1分別表示什么含義，解析報文數據時，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。，在實際應用中可以根據不同的車型，配置成不同的Cluster，這樣根據測試的車型選擇對應的Cluster即可實現CAN報文信息的解析，從而使系統更加柔性。
圖 4 CAN報文解析程序和數據庫配置圖
在實驗場路況下，采用轉矩閉環控制，對某車型進行實驗，其實驗運行監測圖如下圖5所示。實驗表明程序運行正確可靠，能夠滿足實時監控電動汽車的運行情況，同時采集的數據可以很方便的為研究人員優化整車控制器算法提供實驗數據。同時，通過配置不同車型的CAN數據庫，即可實現對不同車型的CAN報文信息解析，真正將柔性測試技術融入到測試系統中。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 實驗運行監測圖
參考文獻
[1] 金振華,盧青春,魏紅軍等.基于虛擬儀器的車載CAN
總線監控系統開發.自動化技術,2006,(11).
[2]
黃向東,汪勝勇,趙克剛等.基于CAN總線的HEV集散控制系統的通信.華南理工大學學報,2004,(5).
[3]
孫逢春,孟祥峰,林程等.電動汽車動力電池動態測試工況研究.北京理工大學學報,2010,Vol.30,No.3.
[4] 張寶剛,
顧飛.基于“柔性測試”技術的筆式點火線圈綜合測試系統.國外電子測量技.2008,27(10).
北京泛華恒興科技有限公司 黃得銘 武鵬
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