基于嵌入式技术和CAN总线的车辆配电系统设计

　　各种特种车在车辆的使用中，往往也会出现漏油故障，漏油故障将直接影响到汽车的使用和生产力，导致润滑油和燃油的浪费，消耗专用车的动力和工作效率。所以要设计系统来解决这个问题， 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，并且能够实现整车配电系统的智能化、数字化管理。能解决目前存在的问题

　　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。

　　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。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。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。

　　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。

　　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，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。配电终端的信息备份采用LPC935内部的存储器存储。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。

　　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。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。

　　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。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。

　　2.2.1 配电管理器应用软件设计

　　整个系统的如何协调工作运行过程如图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。的信息和设备参数保存在铁电FLASH存储器中。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。

　　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。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

　　该系统的设计成果的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，具有人性化的一面，这样的设计突破了以前老系统的一些死板的程序，新的程序让机器更加快捷的运行。此设计的产品在市场上已经有所使用，使用的的结果表明其的可用性，性能稳定性，并且使用过程中没有什么突发事件。这样就肯定了产品的可靠性。

  

参考文献:

[1]. LPC2119 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LPC2119_454520.html.
[2]. ADS7846 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADS7846_1056189.html.