基于嵌入式技术和CAN总线的车辆配电系统

0 引 言
    由于特种车辆的电子设备种类和数量繁多，传统半自动配电方式的管理能力有限，体积和重量较大、车辆电网故障自检和隔离能力差、排除故障与检修时间长、供电可靠性不高等问题，影响整个车辆和关键部件工作的可靠性。基于嵌入式技术、双冗余CAN总线与LIN总线构成的车辆智能配电系统，能够很好地解决传统车辆配电方式的缺点，并且能够实现整车配电系统的智能化、数字化管理。

1 智能配电系统的硬件设计
    该配电系统分为三个部分：配电终端，智能配电管理器和车辆管理终端，如图1所示。配电终端主要是用于28 V设备的状态监控，具有电流检测、电压检测、过流保护、短路保护、过压保护、欠压保护、过热保护及状态监控等功能。同时具有LIN总线的数字通信接口和外部控制接口；有电流、电压和温度的数字量输出，并且各类故障的参数点具有可配置性。
    由于特种车辆的用电设备的功率比较小，配电终端内部采用低导通电阻的快速MOSFET来控制用电设备的通断。并且采用电流、电压检测和短路保护技术实现对用电设备状态监控、故障的自动保护和故障完全隔离。另外，配电终端具有存储记忆功能，能够记忆设备故障时的记录信息。同时，提供外部控制接口控制用电设备的通断，兼容传统的配电方式。为了实现远程控制和配电系统的数字化，配电终端采用了控制器LPC935和低成本、易开发的的LIN总线。由于特种车辆具有大量的感性负载，启动时的冲击电流过大，电流瞬间可能超过额定电流的5～10倍，配电终端采用限流启动方式。这种方式在保护自身的同时，也能够改善特种车辆的电网特性。在大负载启动时，考虑到可能影响系统电压，从而影响用电设备的正常运行，配电终端采用控制用电与设备用电分离的方案。考虑到全车用电设备数量众多，配电终端采用模块化设计，一个主要用电设备配备一个配电终端，智能配电管理器负责管理每个配电终端。
    智能配电管理器主要负责管理配电终端的用电设备，对用电设备的运行状态进行监控，同时智能配电管理器提供双冗余CAN通道与车辆其他管理终端进行数据通信，从而实现整车电气系统的数字化管理。对于车上的次要用电设备通过I／O控制继电器来实现。

    智能配电管理器主要部分包括：键盘和触摸屏输入，LCD显示，双冗余CAN接口和LIN接口，I／O输入、输出、测试、配置和故障检测接口和备份信息存储部分。由于智能配电管理器功能复杂，考虑到控制的实时性和用电设备的数量众多，在硬件平台上，采用32位微处理器LPC2119。LPC2119具有双CAN控制器，两个UART、丰富的I／0资源和内置的RAM和FLASH存储器。触摸屏采用ADS7846控制器，LCD选型上支持触摸屏操作的TFT真彩屏，信息存储采用8 KB铁电FLASH，键盘采用专用键盘管理芯。在软件平台上，选用实时多任务操作系统μC／OS-Ⅱ，保证设备控制的实时性和工作的可靠性。
    车辆管理终端主要负责是车辆电气综合的管理，配电属于其中一个管理项目，各个管理终端之间采用双CAN冗余通信，保证整个车辆电气系统工作和通信的稳定性和可靠性。

2 车辆智能配电系统的软件设计
2．1 配电终端应用软件实现的机制和原理
    配电终端的程序处理流程如图2所示。

    配电终端软件采用实时编程的思想，利用四路A／D采集输入端的电压、输出端的电压、电流和温度，同时对采集的数字量进行滤波处理，保证采集的准确性，从而实现用电设备的过压，欠压、过流和温度故障保护。短路保护采用硬件处理方式，如果检测到短路硬件自动关断MOSFET管，并且把短路信号传输到单片机的I／O输入口，以便单片机对短路的识别、判断。外部控制接口采用I／O输人口检测，同时对外部控制信号采用数字滤波处理，防止干扰时的误动作。配电终端的信息备份采用LPC935内部的存储器存储。备份信息主要是过压、过压时间，欠压、欠压时间，过流、过流时间，温度故障和温度故障时间的参数设置点。为了防止运行参数在设置参数点附近波动，软件采用参数设置点回归处理。由于采用时间和设置参数综合判断故障的处理方法，能够较好地处理设备正常启动瞬间低电压和大电流而导致配电终端误认为故障现象。通常为了防止电压过低和过高车辆上采用并联蓄电池处理的方法，大电流采用能量瞬间释放处理。
    为了实现配电终端的数字量输出和配电系统的数字化控制，配电终端采用LIN总线通信，并且在LIN应用层协议采用标准LIN 1.2协议。由于LIN总线属于完全主从模式，为了智能配电管理能够正确地访问每一个配电终端，在系统上电时采用自动分配地址的处理方法，由配电管理器为每个终端分配惟一地址。为了保证LIN通信的可靠性和异常处理，在软件上，LIN通信数据采用CRCl6校验，从而保证设备的工作正常,解决通信数据的异常出错处理。
[!--empirenews.page--]2．2 配电管理器应用软件实现的机制和原理
    该系统采用实时多任务操作系统μC／OS-Ⅱ作为配电管理器端的软件平台，μC／OS-Ⅱ源代码开放、内核小、移植方便，易于开发。并且该操作系统支持多任务并发运行，可以采用多任务编程方法。这样，配电管理器端的每个功能可以作为一个独立的任务来实现，这大大地增强了系统软件的可靠性、稳定性，也便于以后的维护和升级。同时配电管理器也提供了图形用户接口，结合键盘、LCD液晶显示和触摸屏模块为用户提供友好的人机交互界面。
2．2．1 配电管理器应用软件设计
    系统的工作流程主要是说明各个任务是如何协调工作。整个系统的运行过程如图3所示。

    嵌入式配电管理端的软件主要实现设备参数的读取和设定、人机交互功能、用电设备的监控功能、CAN、LIN通信数据传输等功能。设备参数的读取和设定功能提供了现场对设备参数的修改，也可以通过远程监测终端来修改。但是远程监控终端必须通过许可认证。认证的信息和设备参数保存在铁电FLASH存储器中，以便系统掉电后用户许可的信息不丢失。人机交互功能提供给用户监控现场设备的运行状态。该系统采用了4×4键盘、触摸屏和LCD显示作为系统信息的输入和输出接口，为用户提供非常友好的图形用户界面。用户可以通过人机交互接口对用电设备进行操作。
2．2．2 双CAN冗余实现的机制和原理
    为了保证整车电气系统的数字化管理的稳定性和可靠性，在配电系统的对外通信接口采用性能稳定、工作可靠的CAN总线，同时，为了保证整车电气系统通信的可靠性和异常的处理，配电系统采用双冗余CAN总线。双CAN冗余通信流程图如图4所示。

    CAN总线通信程序包括数据传输和总线管理两个功能块。数据传输模块实现的功能包括CAN初始化、CAN滤波的设计、CAN报文发送和CAN报文接收。
    总线管理功能块实现的功能主要是总线检测，判断CAN是否存在故障，若有故障，则进入另一路总线检测；若冗余总线良好，则采用冗余总线通信。
    CAN的通信数据分为命令数据的接收、命令的响应以及故障状态的自动上报。
    命令数据的接收和处理主要接收车辆其他管理终端的命令，执行用电设备的综合管理。同时，配电管理器响应其他管理终端的执行结果和用电设备的运行状态。在配电管理器检测到用电设备故障时，自动上报给其他管理终端，以便实现车辆配电的综合管理和数字化。同时可以设定用电设备的优先级，配电管理器按照设定的优先级合理控制用电设备。
    在向其他管理终端发送报文时，按CAN协议格式将报文内容填入CAN发送缓冲区，启动发送命令，将报文发送出去。如果不能成功发送，则进行总线故障处理，等待超时后自动调用冗余通道，用冗余通道来发送。如果冗余通道也出现故障，则进人故障处理，故障报警并退出。

3 结 语
    该智能配电系统弥补了传统车辆配电系统的不足，利用嵌入式技术和双CAN冗余和LIN总线，同时结合LCD控制器和触摸屏为用户提供了友好的图形用户接口，利用μC／OS-Ⅱ实时多任务操作系统对任务进行合理的调度，实现整车配电系统的数字化和智能化，产品已经应用在特种车辆上，运行结果证明其性能稳定、可靠。