毕业论文（设计）基于CAN 总线的客车电源管理系统方案设计19965.doc

基于CAN总线的客车电源管理系统方案设计于季刚 张 辑（厦门理工学院电子与电气工程系，福建 厦门，361024）应用领域：汽车制造；汽车电子【摘要】汽车制造的客车的电源管理方案，涉及到蓄电池、发动机、启动机的工作状态；涉及各路电器的熔断器的工作状态。利用CAN总线技术把测量的参数上传驾驶室仪表，并对蓄电池、发动机、启动机进行有效的控制。本文主要阐述的是基于CAN总线的客车电源管理系统方案设计。【关键词】汽车制造；电源管理；CAN总线。 一、前言1、CAN在国外的发展情况CAN总线是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而推出的一种串行数据通信协议。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，通信速率可达1Mbps，距离可达10km。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，使网络内的节点个数在理论上不受限制。CAN在汽车电子系统中得到广泛应用，现代汽车越来越多地采用电子装置控制，如发动机控制、注油控制，加速、刹车控制(ASC)及复杂的防死锁刹车系统(ABS)等1-5。这些控制需检测及交换大量数据，因而引入CAN通信技术，组成汽车内部网络6，以适应控制与数据通信的需要。由于CAN总线具有较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高干扰环境，并具有较远的传输距离。因此，CAN协议对于许多领域的分布式测控都很有吸引力。基于CAN总线是当今用于汽车领域的，国际上公认的最有发展前景的现场总线之一7-10。自1989年以来，支持CAN总线标准11的公司越来越多，其中有奔驰、大众、宝马、保时捷、劳斯莱斯、美洲豹等。支持CAN总线标准的电子公司有英特尔、摩托罗拉、菲利普、Mierochip、西门子等。世界上一些著名汽车制造厂商如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)ROLLsROYCE(罗斯莱斯)JAGUAR(美洲豹)、RORSCHE、VOLVO等等都已开始采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。标准化组织SAE和JSAE也都支持CAN总线标准，SAE的J1939就是CAN的新标准。总之，目前国外的汽车总线技术已经渐进成熟，基于CAN总线的数据通信与网络技术在汽车行业有良好的应用前景。汽车总线技术很快将得到普及，是汽车发展的一个必然趋势。2、CAN在国内的发展情况汽车总线在中国的发展却不容乐观。国内的零部件生产虽然数量可观，但整体规模并不大，缺乏开发能力。甚至有人认为中国的零部件厂商真正能够自主研发的产品，也仅仅是音响和喇叭而已。为了避免国内外汽车电子技术差距的进一步拉大，国内的厂家必须团结一致，走联合开发的道路。现在国内许多厂家都争相要求进入863计划，取得研制生产这种“健康产品”的优先权。经过一轮角逐，被科技部批准混合动力项目的厂家有东风、奇瑞和重庆长安。国内完全引进技术生产的奥迪A6车型已于2000年起采用总线替代原有线束，帕萨特B5、BORA、POLO、FIATPALIO和SIENA等车型也都不同程度地使用了总线技术12。国产Mondeo上也使用了CANBus系统，在传感器数量以及传输速率上尚待改进。CAN总线在汽车上的应用在我国仍是起步阶段，现在在国产车中，也只有大众系列轿车上的CAN总线技术是最为完善的。但总的来说，目前CAN总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段，绝大部分的汽车还没有采用汽车总线的设计，因而存在着不少弊端。比如，众所周知汽车的核心设备就是发动机，发动机的运行参数，例如发动机转速、机油压力、冷却剂温度等等是和汽车驾驶是紧密相关的。传统汽车仪表的设计方法是：通过放置在汽车部件(如发动机)内部的传感器，将机械信号转换成电信号，如电压、电流、脉冲信号，再经过DA转换或计数器等，将电信号转换成可视的指针信号显示在模拟仪表盘上。随着汽车总线技术的发展，不少进口的发动机已经不再直接向外提供传感器信号，而改用CAN总线通信接口。一旦发动机出现故障时，由于缺乏基于CAN总线的测试维修设备，目前我们的维修人员使用的方法只能是在发动机上钻孔，将传感器直接放进发动机内部进行测量，操作繁琐、设备复杂，且不利于保护发动机的整体结构。根据ISO(国际标准化组织)定义的OSI模型，CAN协议定义了物理层及数据链路层规范，这为不同的汽车厂商制定符合自身需要的应用层协议提供了很大的便利。如果需要建立更加完善的系统，还需要在CAN的基础上选择合适的应用层协议13-14。如CANopen、SAE J1939等。总之，汽车总线在中国已经有了一定的发展，并取得了一些成绩，但也应该看到我们与成熟的国外技术相比还有很大的差距，其中包括汽车硬件ECU的选择及其控制精度、总线ECU运行的可靠性上，传感器测量精度以及通信协议的制定、采用上等很多方面都需要有待改进、提高，以缩短与国外相机技术的差距。对汽车CAN总线进行进一步研究有着很重要的现实意义。研究基于CAN的汽车总线系统有着以上很重要的意义，所以作为汽车CAN总线最重要的CAN节点的开发就显得尤为重要，恰当的合理的选择节点，一方面可以减少不必要的节点重复，提高总线的利用效率，另一方面还可以对开发对技术实际有指导意义的节点。随着科技的发展、社会的进步，国内外各类各样的用于各种车辆的信号采集、处理仪器纷纷出现，功能日渐完善，性能日益提高，使得汽车变得越来越高档，越来越舒适、越来越能满足各种阶层各种人群的需求。纵观其功能主要是，能够对车辆行驶速度、时间、里程以及其他低速状态信息(车灯等状况)进行记录存储15,16，并通过接口实现数据输出，能够实时地采集、记录、显示车辆运行的有关信息，保障车辆行驶安全、提高营运管理水平用，并可为事故分析鉴定提供原始数据，但是大多数产品是一个个独立的产品，彼此间没有或者很少有联系、通信。在今天现场总线技术日趋完善、成熟的时代，如何实现汽车智能节点问的信息交换己经成为汽车发展的一个热点问题17。随着汽车电子技术的发展，汽车上需要检测电子信号的数量也越来越多，车身需要监测的量也越来越多，例如车辆的发动机转速、冷却液温度、防冻液的量、油箱内燃油的量、进气门进气量、蓄电池电压、电子车锁以及一些用开关量控制的装置，如：车转向灯、前大灯、倒车灯、喇叭、雨刷器等等。传统上如此多的监测量，有些需要让驾驶者直接感知，如，喇叭、倒车灯、转向灯等，但是想要得知这些量需要有专门的仪表驶者直接感知，如，喇叭、倒车灯、转向灯等，但是想要得知这些量需要有专门的仪表进行相应的测量显示，如此多的仪表表盘会占用有限车辆空间仪表盘的一大部分。并且若将需要测量的信号一一做一个单片机控制系统，那将是一个非常庞大、复杂的系统。对于开发具有CAN总线监控功能的客车电源开关盒，能让司机有效监视开关盒的工作状态，减少电源故障，能提高产品在国际社会的竞争力。二、客车电源管理系统概述图一为客车电源管理系统的主电路（注：因车系不同控制方式有所不同）。图一：客车电源管理系统的主电路1、客车车载蓄电池E1标称电压为24v，Text1为系统电源监测点。蓄电池直接为常火电源区供电。2、汽车电源总开关为K1，当K1接通车辆启动后，发电机通过F1对车载蓄电池充电。F2和F3分别为开关电源与车用空调电源熔断器。3、K4为ON挡电源继电器，K5、K6和K7分别为启动保护继电器、空档继电器和备用继电器。4、K2和K3分别为启动电源开关与启动继电器。Text2是启动电流监测点。由K2和K3控制发动机的启动机回路。三、传统的客车电源管理系统描述1、接通电源则电源总开关K1吸合，汽车电门钥匙至ON挡时，ON挡继电器吸合，ON挡电器得电。2、汽车电门钥匙至点火挡时，启动电源开关K2与启动继电器K3吸合（有些车系启动电源开关K2以预先吸合給起动机励磁线圈充电），起动机工作。3、车辆发动机正常运转后，启动完成，启动电源开关K2、启动继电器K3和启动保护继电器K5进入常态。4、启动电源开关K2、启动继电器K3和启动保护继电器K5的控制逻辑与控制方式车系不同略有不同，参见不同车系的ECU配置方案。5、传统的车辆电源管理系统对车载蓄电池的监测、蓄电池充电的监测、起动机启动电流的监测、发动机参数的监测和各区熔断器的监测只能经过DA转换或计数器等，将电信号转换成可视的指针信号显示在模拟仪表盘上。四、基于CAN总线的客车电源管理系统方案设计基于CAN总线的客车电源管理系统方案设计是通过对车载蓄电池的监测、蓄电池充电的监测、起动机启动电流的监测、发动机参数的监测和各区熔断器的监测有效地控制车辆的启动过程及发动机与起动机的状态保护，并将相关信息通过CAN总线发送仪表显示。图二是基于CAN总线的客车电源管理系统方案的CAN总线系统 CAN通信口常火电源区熔断器信号ON挡电源区熔断器信号Text1电压Text2电流环境温度其他信号输入端口 【光耦隔离】CAN模块电源方案EMI、EMC方案输出端口 【光耦隔离】电源总开关K1启动电源开关K2启动继电器K3图二：基于CAN总线的客车电源管理系统方案的CAN总线系统 如上图所示：基于CAN总线的客车电源管理系统方案的CAN总线系统包含电源系统、输入端口、输出端口、通信口、单片机系统和EMI/EMC解决方案。1、电源系统：采用DC/DC隔离电源，输入20v32v输出±15v和5v/2w。2、输入信号：数字量包含常火电源区熔断器信号、ON挡熔断器信号和其他熔断器信号；模拟量包含Text1电源电压信号、Text2启动电流信号和温度信号。3、输出信号：数字量开关信号分别控制电源总开关K1、启动电源开关K2和启动继电器K3。五、CAN总线系统的工作模式1、定义 CAN常态为K1=1；K2=0；K3=0。【注：这里“1”表示吸合状态；“0”表示断开状态】 CAN挂起状态，K1、K2和K3恢复传统控制方式【注：当CAN失效时CAN系统自动挂起】 启动程序：当CAN常态时，接收到启动信号则K2=1延时1秒后K3=1 【注：K2=1起动机励磁线圈先充电，延时1秒后K3=1起动机工作】 启动完成：当CAN总线信号接收到发动机转速大于350rpm时，系统默认启动完成。启动完成后CAN进入常态。 启动机“电流异常”和“过流状态”：以玉柴YC6M M105R 3007SE起动机特征启动特性图为例18图三、玉柴YC6M M105R 3007SE起动曲线初始停转电流（第一个高波峰 B3）1319A发动机阻力矩电流（第二个高峰）1405A第一高峰和第二高峰之间的时间0.015S第一次压缩时电流峰值（B6）534A软起动电流233A点火时间（C3）0.62S压缩总次数（C1）4 次起动机断电时间（C4）1.00 S表一、玉柴YC6M M105R 3007SE起动主要参数 图三为玉柴YC6M M105R 3007SE起动曲线，表一为其起动主要参数，起动机启动过程可能发生死启动现象，根据起动机死启动曲线可以分别定义“电流异常”和“过流状态”，实际上“电流异常”和“过流状态”的特征数值尚待实验测定。2、电压监测，电源电压监测点设在蓄电池的正极。 当电压超过32V时通过CAN总线向仪表发出系统电压过高报警，提醒驾驶员注意。 当电压低于23.5V时，通过CAN总线向仪表发出报警，超过4分钟切断电源总开关K1。当重新打开钥匙开关至非ON档，可以重新接通电源总开关4分钟，仪表会提示驾驶员尽快起动。 当车辆起动后（通过CAN总线接收发动机信号，若发动机转速高于350rpm则认为车辆已起动），当前电压若大于32V或小于26V，则通过CAN总线向仪表发出报警。3、断路监测，当某一保险熔断时，通过CAN总线向仪表发出报警，报警信号能够明确的指示出熔断的保险。4、电流监测，当起动发动机时，检测起动电流是否异常。 发现起动“电流异常”时系统进入“起动保护”状态自动切断起动电源，并通过CAN总线向仪表发送起动系统异常需紧急检修信号，系统并保留此故障信息。当进入启动保护状态后，再参与是否让启动接通。注：切断起动电源时，首先切断“起动”回路（即K3启动继电器），1秒钟后再切断“起动电源”回路（K2启动电源接触器）。 在“过流状态”下，应立即同时切断K2和K3。 从起动保护状态中恢复需要同时满足两个条件：a、进入“起动保护”60秒钟后，b、识别起动开关已经断开。5、起动延时及超时保护功能，当起动开关接通时，需要延时1秒后起动。即当接通“起动电源”回路（K2启动电源接触器）1秒钟后再接通“起动”回路（K3启动继电器）。 当起动开关接通超过25秒钟，而发动机转速小于350rpm时，则认为启动失败，系统进入“起动保护”状态自动断开起动电源。即首先切断“起动”回路（K3启动继电器），1秒钟后再切断“起动电源”回路（K2启动电源接触器）。 从起动保护状态中恢复需要同时满足a、b两个条件：a、进入“起动保护”60秒钟后，b、识别起动开关已经断开。6、其他当CAN系统一旦因任何原因发生失效时，应进入挂起状态，恢复传统控制模式。五、结束语CAN总线系统作为一种可靠的汽车计算机局部网络总线已在汽车上得到了应用,使得各类汽车计算机控制单元能够通过CAN 总线共享所有的信息和资源，达到提高系统的智能控制、系统的可靠性和可维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。本文所涉及的基于CAN 总线的客车电源管理系统方案，能够完成除传统的客车电源管理、起动、启动保护的功能外，还能实施电源系统的智能管理，对车载蓄电池、起动机和发动机起到了很好的保护作用。随着技术发展的成熟，具有高度灵活性、简单的扩展性、优良的抗干扰性和处理错误能力，对于提高汽车的动力性、操作稳定性、安全性都有重要意义。参考文献:1 王箴. 车身系统的CAN 总线控制. 汽车电器J. 2003(5):11-142 宋磊. 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This paper focuses on the design of a power management system based on the CAN bus technology.Keywords: automobile manufacturing, power management, the CAN bus于季刚 (1963 - ) , 男 , 山东乳山人 , 高级实验师 , 从事电气技术科研开发、实验教学与实验室建设工作张辑Editor's note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the world's first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, I've still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, you'd hear my foot tapping rapidly under my desk. I'm anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.It's like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line "we" would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and "capcom" (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, "Fearless Felix" will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, he'll be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes it's not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it won't. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way I'd miss this.