CN103944782A - 多功能电动汽车can总线车载设备模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器，包括USB接口电路、非隔离DC-DC开关电源、单片机及其***电路、隔离DC-DC开关电源、存储和显示电路、2路CAN总线接口电路，单片机分别与USB接口电路、非隔离DC-DC开关电源、存储和显示电路、2路CAN总线接口电路连接，USB接口电路分别与非隔离DC-DC开关电源、隔离DC-DC开关电源连接。本发明具有CAN总线的电动汽车车载充电机和电池管理***的信号模拟功能，同时具有USB-CAN信号转换和CAN总线信号监测功能。本发明可独立运行，实时性好，可以实现硬件在环模拟；硬件结构紧凑，体积小，性价比高，方便推广应用。

Description

多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器

技术领域

本发明属于汽车电子领域，具体涉及多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器。

背景技术

电动汽车是汽车发展的一个重要方向，它与内燃机汽车最大不同在于用电动机代替了内燃机，因而需要大容量动力电池和相应充电设备。由于大容量动力电池工作特点和成本高等因素，需要专用的电池管理***(Battery ManagementSystem,BMS)对其进行管理。另一方面，电动汽车是通过几种通信***相互联接的网络化设备，CAN总线在汽车网络中处于核心地位，车载充电机和BMS都属于CAN总线节点设备。

为了完成车载充电机和BMS等CAN总线节点的开发，目前技术人员一般采用通用CAN总线分析仪，并借助配套的PC机应用软件完成，CAN总线分析仪只提供一个数据转换的通道，PC机应用软件一般没有模拟车载设备的功能，需要用户进行单个CAN总线数据包的编写和发送，非常不方便，而且很难做到CAN总线信号的实时响应。一些大型汽车总线设备模拟器虽然功能较多和实时性较好，但价格非常昂贵，固定安装在试验室，不能携带，而且主要针对内燃机汽车的电控单元(Electronic Control Unit,ECU)，不含电动汽车的车载充电机和BMS设备的模拟。

本发明针对现有技术的不足和电动汽车车载设备模拟的新需求，提出一种硬件成本较低、实时性好、模拟设备的参数可配置和便于携带的车载设备模拟器，并兼有一般CAN总线分析仪和转换器的功能。

发明内容

为了方便广大汽车电子工程师开发电动汽车CAN总线车载设备，要求本发明装置是多功能和方便携带，既有CAN总线设备信号模拟功能，又有一般CAN总线分析仪和转换器的监测和Pass-Through(透明传输)功能；既要求实时性好，又要功耗低和方便携带，还要求固件能升级，以便适合更多的车载设备CAN信号模拟，是一种多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器(以下简称模拟器)。

要实现上述目标，必须应用先进的微处理器技术、电源技术和软件模拟技术来提高性价比、缩小体积和降低功耗，采用的技术方案如下：

一种多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器，其包括USB接口电路、非隔离DC-DC开关电源、单片机及其***电路、隔离DC-DC开关电源、存储和显示电路、2路CAN总线接口电路。所述单片机分别与USB接口电路、非隔离DC-DC开关电源、存储和显示电路、2路CAN总线接口电路连接；所述USB接口电路分别与非隔离DC-DC开关电源、隔离DC-DC开关电源连接；所述USB接口电路用于获取工作电源并实现与PC机的通信连接；所述隔离DC-DC开关电源与2路CAN总线接口电路连接，为2路CAN总线接口电路供电；所述非隔离DC-DC开关电源为该模拟器除2路CAN总线接口电路以外的其余电路供电。

进一步地，所述单片机主要用于运行车载充电机的设备模型和BMS的设备模型；所述车载充电机的设备模型和BMS的设备模型由模型输入源、模型参数、模型数据结构、模型算法和模型输出宿组成。模型输入源、模型参数和模型输出宿通过PC机来配置，并保存在存储电路中；模型算法按照设置的采样周期来运行，从模型输入源获得数据，按照设备模型对应的方程和模型参数进行计算后，从模型输出宿输出结果，设备模型在CAN总线的输入和输出按照SAE J1939标准数据包进行传输。

进一步优化地，所述单片机针对片上USB外设和片上CAN外设的收发数据中断线程设置外部缓冲区，构成二级缓冲区结构，使片上USB外设和片上CAN外设硬件、内部缓冲区、中断线程、外部缓冲区、主线程形成串联的两级生产者-消费者模型结构，单片机外设和CPU能并行工作。

进一步优化地，车载充电机的设备模型的模型算法采用受控电压源+RC电路模型，该电路模型包含开路电压源、第一内阻、第二内阻、输出电容、输出电压和输出电流。当BMS通过CAN总线告知车载充电机输出所需的充电电压或者充电电流后，车载充电机的模型算法通过调节开路电压，计算出输出电压和输出电流，并告知BMS。

进一步优化地，BMS的设备模型的模型算法采用二阶RC电路模型，该电路模型包含并联电容、并联电阻、串联电容、串联电阻、端电压和端电流。BMS的设备模型算法通过计算得到端电压和端电流随着充电或者放电过程的实时变化。

进一步优化地，所述USB接口电路与PC机的通信连接，通信协议采用USB2.0协议标准，并在USB2.0协议标准的数据链路层上设计应用层协议，应用层数据包的数据部分的格式为功能码、长度和内容，用1字节表示功能码，用1字节表示长度，用小于或等于62字节表示内容。整个应用层数据包能在一个USB数据链路层的数据帧中传输。除了配备车载设备模拟功能外，功能码还实现一般CAN总线分析仪和转换器的监测和Pass-Through功能。

进一步优化地，所述单片机采用STM32F205RCT6单片机；所述隔离DC-DC开关电源采用隔离电源芯片DCP020505P，为2CAN总线接口电路供电；所述非隔离DC-DC开关电源采用NCP1529芯片。

进一步优化地，所述存储和显示电路采用EEPROM存储器93C86作为存储芯片，采用74LCX07和LED显示模拟器工作状态。

进一步优化地，所述2路CAN总线接口采用TJA1040收发器，并配有共模滤波器ACT45B和ESD保护元器件PESD1CAN。

本发明采用新型Cortex-M3内核的高性能单片机STM32F205RCT6，拥有模拟器所需的USB和两路CAN外设和较低的功耗，可极大地简化模拟器的电路。STM32F205RCT6的处理速度达150DMIPS，模拟器能实现实时硬件在环模拟功能。单片机Flash中的固件可以通过USB接口升级，满足电动汽车车载设备不断发展的需要。

单片机的片上USB外设和片上CAN外设都含内部缓冲区，在***SRAM中分别针对片上USB外设和片上CAN外设的收发数据中断线程设置外部缓冲区，构成二级缓冲区结构，使片上USB外设和片上CAN外设的控制电路-外设内部缓冲区-中断线程-外部缓冲区-主线程形成串联的两级生产者-消费者模型结构，单片机外设和CPU能并行工作，降低了CPU的工作量和保证数据通信的可靠性。

对应2路CAN总线片上CAN外设:片上CAN1外设和片上CAN2外设，设计同时运行的两个设备模型Simulator1和Simulator2，包含有车载充电机设备模型和BMS设备模型，设备模型的输入源、模型参数和输出宿可通过PC机来配置，并保存在EEPROM中。模型算法周期地运行，从模型输入获得数据，按照模型参数和模型方程进行计算后，从模型输出宿输出结果。从CAN总线的输入和输出都是以SAE J1939数据包的方式进行传输，与真实设备的数据包一致。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

(1)具有车载充电机和BMS的模拟功能，可用PC机应用软件进行参数配置，可独立运行，实时性好，可以实现硬件在环模拟。

(2)硬件结构紧凑，成本低，体积小，便于携带；固件可升级以适合更多的车载设备模型；低功耗，配上1000mAh的手机移动电源(俗称电霸)，可以连续工作12小时以上。

(3)兼有USB-CAN设备的透明传输和监测功能，配上PC机应用软件可实现Pass-Through和CAN总线分析功能，性价比高，方便推广应用。

附图说明

图1为模拟器的***组成示意图；

图2为模拟器的固件结构图；

图3为模拟器的设备模型结构；

图4为车载充电机的设备模型示意图；

图5为BMS的设备模型示意图；

图6为模拟BMS开发车载充电机的连接图；

图7为模拟车载充电机开发BMS的连接图；

图8为车载充电机和BMS联调时的连接图；

图9为车载充电机和BMS试运行时的连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明，但本发明的实施和保护不限于此。

参考图1，模拟器由USB接口电路、非隔离DC-DC开关电源、单片机及其***电路、隔离DC-DC开关电源、存储和显示电路、2路CAN总线接口电路和固件共7个部分。单片机采用STM32F205RCT6，为Cortex-M3内核，处理速度达150DMIPS，集成256KB Flash和96KB SRAM存储器，还有USB接口、2路CAN总线接口和SPI接口片上外设，保证了模拟器的硬件结构简单、体积小和成本低。2路CAN总线接口采用TJA1040收发器，并配有共模滤波器ACT45B和ESD保护元器件PESD1CAN。存储器采用EEPROM存储器93C86，用于存放模拟器工作参数和模型参数；采用单片机的PWM输出经过74LCX07驱动LED显示两路CAN总线和模拟器工作状态。每路CAN总线有4个LED指示灯，分别显示车载充电机模拟、BMS设备模拟、监测和Pass-Through透明传输。当LED灭时，表示该功能不工作；当LED亮时，表示该功能工作；当LED闪烁时，表示该功能故障。模拟器通过USB接口电路取电，采用两路DC-DC高效开关电源供电，一路采用隔离电源芯片DCP020505P，专为2路CAN总线接口电路供电，2路CAN总线接口电路可外接CAN网络，分别为CAN网络1和CAN网络2。模拟器除2路CAN总线接口电路外其余电路采用另一路非隔离电源供电，采用高效率的NCP1529芯片，保证了整个模拟器的高能效和低功耗，工作电流小于75mA，功耗375mW以内。

固件保存在单片机的Flash中，可以通过USB接口通过PC机进行固件升级。参考图2，固件的结构为USB和CAN外设的控制电路-外设内部缓冲区-中断线程-外部缓冲区-主线程组成的两级串联生产者-消费者模型，第一级缓冲区为片上USB外设和片上CAN外设的内部缓冲区，第二级缓冲区为在***SRAM中设置外部缓冲区，两级缓冲机制保证数据通信的可靠性。单片机的片上USB外设和2路片上CAN外设与单片机的CPU并行工作，降低了CPU的工作量。对片上USB外设和2路片上CAN外设数据的处理全部采用中断线程来完成，提高了通信的实时性；2路片上CAN外设分别为片上CAN1外设和片上CAN2外设，对应的设备模型Simulator1和Simulator2的计算在主线程中实现，车载充电机和BMS的模型算法的计算能在200μS内完成，具有非常好的实时性。

参考图3，设备模型由模型输入源、模型参数、模型数据结构、模型算法和模型输出宿组成。模型输入源、模型参数和模型输出宿通过PC机来配置，并保存在EEPROM中，单片机上电时自动读取。模型算法按照配置的采样周期来运行，模型在CAN总线的输入和输出按照SAE J1939标准数据包进行传输，与真实设备的数据包一致。参考图4，车载充电机的模型算法采用的电路模型采用受控电压源+RC电路模型，该模型包含开路电压Ec、第一内阻Rc1、第二内阻Rc2、输出电容Cc、输出电压Uc和输出电流Ic。当BMS通过CAN总线告知车载充电机输出一定的充电电压或者充电电流后，车载充电机的模型算法通过调节开路电压Ec，计算出输出电压Uc和输出电流Ic，并告知BMS。参考图5，BMS的模型算法采用二阶RC电路模型，该模型包含并联电容Cbp、并联电阻Rbp、串联电容Cbs、串联电阻Rbs、端电压Ub和端电流Ib，BMS的模型算法通过计算得到端电压Uc和端电流Ib随着充电或者放电过程的实时变化。

USB2.0协议标准只定义了数据链路层及其以下协议，需要在其上设计应用层协议来实现本模拟器的功能。参考表1，应用层数据包数据部分的格式为功能码(1字节)、长度(1字节)和内容(N字节)，为了保证能在一个USB包中传输，要求N≤62。发送是指PC机→模拟器→CAN总线的数据传输，接收是指PC机←模拟器←CAN总线的数据传输。功能码11，用于设置设备模型的工作方式，包括Pass-Through、监测和模拟器三种方式，分别用其它的功能码对这三种工作方式的工作参数进行配置和实现透明数据传输。USB应用层协议提供了一般CAN总线分析仪和转换器的功能，模拟器的监测和Pass-Through的功能方便技术人员进行车载CAN总线设备的开发，减少他们必备的开发工具数量。与现有的CAN总线分析仪和Pass-Through设备一样，当模拟器工作在这两种方式时，需要在PC机的参与下完成；当为设备模拟功能时，可通过PC机配置参数，而实际运行时可以不用PC机的参与。

表1

电动汽车的车载充电机和电池管理***(BMS)对电动汽车的电池寿命和经济运行至关重要，在开发车载充电机和BMS时可按如下步骤进行：

第一步，开发车载充电机，用模拟器来模拟BMS***给车载充电机发送信号。参考图6，车载充电机根据模拟器的CAN1数据包进行输出电压和电流控制，实现电池组的充电曲线。车载充电机的负载试验时，可以用一个电阻负载代替，并且先在低压小电流进行功能测试；当功能完善后，再逐步进行较大功率试验。

第二步，开发BMS***。用模拟器代替车载充电器来开发BMS的CAN总线部分，参考图7，之后再进行低压小电流电池组的充电功能开发，完善BMS功能，逐步增加其充电电压和电流。

上述第一步和第二步可以互换顺序，即可以先开发BMS，后开发车载充电机，也可以同时进行。这两步中模拟器可以独立运行。

第三步，车载充电机和BMS都初步完成后，按照图8连接，应用模拟器进行联调，完善车载充电机和BMS的开发。此时模拟器起网桥和监测作用，把数据全部采集到PC机上进行显示和分析。

第四步，对初步开发完成的车载充电机和BMS进行试运行，把电动机驱动和电动机接上，从小功率开始进行试验，把模拟器当成监测和分析器，按照图9连接，可长期监听车载充电机和BMS的信号时序和信息交互，以便进行信号分析和故障诊断，在此基础上进一步完善两者的性能。

第三步和第四步模拟器做CAN总线分析仪之用，需要PC机参与分析。

如上即可较好地实施本发明并取得本发明所述的技术效果。

Claims (9)

1.一种多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器，其特征在于：包括USB接口电路、非隔离DC-DC开关电源、单片机及其***电路、隔离DC-DC开关电源、存储和显示电路、2路CAN总线接口电路；所述单片机分别与USB接口电路、非隔离DC-DC开关电源、存储和显示电路、2路CAN总线接口电路连接；所述USB接口电路分别与非隔离DC-DC开关电源、隔离DC-DC开关电源连接；所述USB接口电路用于获取工作电源并实现与PC机的通信连接；所述隔离DC-DC开关电源与2路CAN总线接口电路连接，为2路CAN总线接口电路供电；所述非隔离DC-DC开关电源为该模拟器除2路CAN总线接口电路以外的其余电路供电。

2.根据权利要求1所述的多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器，其特征在于，所述单片机主要用于运行车载充电机的设备模型和BMS的设备模型；所述车载充电机的设备模型和BMS的设备模型由模型输入源、模型参数、模型数据结构、模型算法和模型输出宿组成；模型输入源、模型参数和模型输出宿通过PC机来配置，并保存在存储电路中；模型算法按照设置的采样周期来运行，从模型输入源获得数据，按照设备模型对应的方程和模型参数进行计算后，从模型输出宿输出结果，设备模型在CAN总线的输入和输出按照SAE J1939标准数据包进行传输。

3.根据权利要求1或2所述的多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器，其特征在于，所述单片机针对片上USB外设和片上CAN外设的收发数据中断线程设置外部缓冲区，构成二级缓冲区结构，使片上USB外设和片上CAN外设的控制电路、外设内部缓冲区、中断线程、外部缓冲区、主线程形成串联的两级生产者-消费者模型结构，单片机外设和CPU能并行工作。

4.根据权利要求3所述的多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器，其特征在于，车载充电机的设备模型的模型算法采用受控电压源+RC电路模型，该电路模型包含开路电压源（Ec）、第一内阻（Rc1）、第二内阻（Rc2）、输出电容（Cc）、输出电压（Uc）和输出电流（Ic）；当BMS通过CAN总线告知车载充电机输出所需的充电电压或者充电电流后，车载充电机的模型算法通过调节开路电压（Ec），计算出输出电压（Uc）和输出电流（Ic），并告知BMS。

5.根据权利要求3所述的多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器，其特征在于，BMS的设备模型的模型算法采用二阶RC电路模型，该电路模型包含并联电容（Cbp）、并联电阻（Rbp）、串联电容（Cbs）、串联电阻（Rbs）、端电压（Ub）和端电流（Ib）；BMS的设备模型算法通过计算得到端电压（Uc）和端电流（Ib）随着充电或者放电过程的实时变化。

6.根据权利要求1所述的多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器，其特征在于，所述USB接口电路与PC机的通信连接，通信协议采用USB2.0协议标准，并在USB2.0协议标准的数据链路层上设计应用层协议，应用层数据包的数据部分的格式为功能码、长度和内容，用1字节表示功能码，用1字节表示长度，用小于或等于62字节表示内容。

7.根据权利要求1所述的多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器，其特征在于，所述单片机采用STM32F205RCT6单片机；所述隔离DC-DC开关电源采用隔离电源芯片DCP020505P，为2CAN总线接口电路供电；所述非隔离DC-DC开关电源采用NCP1529芯片。

8.根据权利要求1所述的多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器，其特征在于，所述存储和显示电路采用EEPROM存储器93C86作为存储芯片，采用74LCX07和LED显示模拟器工作状态。

9.根据权利要求1所述的多功能电动汽车CAN总线车载设备模拟器，其特征在于，所述2路CAN总线接口采用TJA1040收发器，并配有共模滤波器ACT45B和ESD保护元器件PESD1CAN。