基于CAN總線的電動汽車蓄電池管理系統(tǒng)設計設計.doc

本科生畢業(yè)設計（論文）I基于基于 CAN 總線的電動汽車蓄電池管理系統(tǒng)設計設計總線的電動汽車蓄電池管理系統(tǒng)設計設計摘 要電動汽車已成為未來汽車技術發(fā)展的趨勢，有效合理的電池管理系統(tǒng)能夠最優(yōu)的利用有限的電池能量，最大化的延長電池生命周期。因此，動力蓄電池管理系統(tǒng)成為電動車技術重要課題之一。本次要求設計基于 CAN 總線的電動汽車蓄電池能量管理系統(tǒng)，以 AT89C52 單片機為核心，采用多通道溫度采集電路和電壓采集電路組成。通訊部分包括 CAN通訊和串口通訊，CAN 通訊與車內(nèi)其他控制器通訊。溫度采集電路有電阻R3、R4、R5 和熱敏電阻 RT 組成全橋，由運放 A1 提供橋路一個恒壓，根據(jù)所測溫度的起始點，選擇橋路各臂電阻；所測溫度值有運放 A2 組成差動放大電路輸出；電壓采集電路的信號是電池組兩端的相對電壓。為了保證高壓動力蓄電池電組的電壓不影響測量系統(tǒng)的工作，利用光電耦合器件進行隔離，因此構成了懸浮采樣系統(tǒng)；CAN 通訊接口電路由 C8051F040 單片機內(nèi)部嵌入滿足 CAN2.0B 規(guī)范的 CAN控制器，不必擴展 CAN 控制器。82C250 是 CAN 總線收發(fā)器，它是 CAN 控制器與總線之間的接口器件，實現(xiàn)對總線的差動發(fā)送和差動接收，6N173 為高速隔離器件，用于保護總線控制器，從而實現(xiàn)實時檢測電池運行狀態(tài)，對電池組電壓、溫度等動態(tài)測量。在此的基礎上，判斷電池運行狀態(tài)及運行性能，完成系統(tǒng)的軟硬件設計。關鍵詞關鍵詞：CAN 總線；蓄電池；在線監(jiān)測；單片機 本科生畢業(yè)設計（論文）II本科生畢業(yè)設計（論文）IIIAbstractElectric vehicles have become the trend of future automotive technology, effective and reasonable battery management system can best use the limited battery power, maximize battery life cycle. Therefore, the power battery technology for electric vehicle management system has become an important issue.The subject of the request design is based on CAN bus automotive battery energy management system to AT89C52 microcontroller core, with the current acquisition circuit, multi-channel temperature acquisition circuitry and voltage acquisition circuit. Communication part, including CAN communications and serial communications, CAN communication with other controllers vehicle communications. Temperature measurement circuit resistors R3, R4, R5, and the composition of the thermistor RT full-bridge, bridge from the operational amplifier A1 provides a constant pressure, according to the measured temperature of the starting point, select the arm resistance bridge; the measured temperature values A2 op amp differential amplifier circuit composed of the output; voltage acquisition circuit signal is relatively voltage across the battery. To ensure the high-voltage electric power battery voltage does not affect the groups work measurement system using optical coupling device isolation, and therefore constitutes suspension sampling system; CAN communication interface circuit by the C8051F040 microcontroller embedded within the norms of the CAN controller to meet CAN2.0B without extended CAN controller. 82C250 CAN bus transceiver is that it is between CAN controller and bus interface device to realize the transmission and differential bus and differential receive, 6N173 for the high-speed isolation device, used to protect the bus controller. In order to achieve real-time detection of the battery running on battery voltage, temperature, dynamic measurement. In this basis, determine the battery operation status and operation performance. Completion of system design.Key words: CAN bus;Batteries; On-line monitoring; Single chip microcomputer 本科生畢業(yè)設計（論文）IV目 錄第 1 章 緒 論.11.1 設計目的及意義.11.2 主要內(nèi)容及研究方法.1第 2 章 CAN 總線原理.32.1 CAN 總線.32.1.1 CAN 的性能特點.32.1.2 CAN 技術規(guī)范.42.2 CAN 通信控制器 SJA1000.92.2.1 BasicCAN 功能說明.9第 3 章 總體設計方案.123.1 系統(tǒng)功能描述.123.2 設計方案.123.3 設計要點.133.4 芯片的選擇.14第 4 章 系統(tǒng)硬件設計.174.1 單片機電路設計.174.2 CAN 控制器電路設計.214.2.1 SJA1000 介紹 .214.2.2 SJA1000 管腳說明 .224.2.3 SJA1000 與單片機連接電路 .234.2.4 PCA82C250 收發(fā)器與 SJA1000 連接電路.244.3 LED 顯示電路.244.4 看門狗監(jiān)控電路.254.5 硬件抗干擾設計.26第 5 章 系統(tǒng)軟件設計.285.1 主程序流程圖.285.2 CAN 控制器初始化程序.295.3 CAN 發(fā)送報文程序.305.4 中斷程序.32本科生畢業(yè)設計（論文）V5.5 CAN 接收報文程序.32第 6 章 結 論.34參考文獻.35致 謝.37附 錄.38附 錄.48附 錄.49附 錄.52 本科生畢業(yè)設計（論文）1第 1 章 緒 論1.1 設計目的及意義目的：進行該研究的目的是利用現(xiàn)場總線中的 CAN 總線技術，設計一種通用的基于 CAN 總線的電動汽車蓄電池管理系統(tǒng)，通過對各組電池進行監(jiān)測、診斷和維護，最大限度的提高蓄電池的壽命。意義：計算機技術、通訊技術和大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展，促進了電子控制技術在汽車上的應用。為了解決汽車中眾多控制器與測量儀器間的互聯(lián)數(shù)據(jù)通訊，德國 BOSCH 公司開發(fā)了一種通用串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議CAN 總線，又稱控制器局域網(wǎng)。CAN 總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通訊網(wǎng)絡，它采用多主方式，網(wǎng)絡上任意接點都可以主動向其他接點發(fā)送消息。電動汽車相對與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車，應用了更多的控制器?，F(xiàn)代社會能源危機和生態(tài)環(huán)境的日益惡化，使人們認識到必須利用可再生的綠色能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一次性能源。能源消耗在汽車中的比例占主要工業(yè)國家能源消耗的 24%。因電池在充電和使用過程中無污染，應用在汽車上可實現(xiàn)零排放，有助于解決汽車造成的環(huán)境污染，并且可對電池反復多次充電，因此，純電動汽車和混合動力汽車成為世界各國研究的重點。電動汽車技術發(fā)展不斷成熟，但還存在一些關鍵的技術需要解決，例如，蓄電池的管理技術、電機控制技術、電子控制技術等。此次設計的蓄電池管理系統(tǒng)能實時的監(jiān)測蓄電池組在充放電過程中各組電池的電壓和溫度，避免過放電，同時對各組電池進行定期自動監(jiān)測、診斷和維護，最大限度的提高蓄電池的壽命，通過 CAN 總線與其它控制器通訊。1.2 主要內(nèi)容及研究方法這次設計的電動汽車蓄電池組的標稱電壓是 312 伏，由 156 個標稱 2.0 伏的單體電壓組成。為了更好的控制各個單體電池的均衡性，應該采集每個單體電池的電壓和溫度，但這樣會增加采集電路的成本，也不易于硬件設計。由于軟件每查詢一次電壓和溫度，均需要等待很長的時間，降低了系統(tǒng)的實時性。因此，將156 個單體分成 2 組，采集每組蓄電池組的電壓和溫度。然后經(jīng)單片機C8051F040 處理之后傳送到 CAN 總線，然后經(jīng) CAN 總線送到單片機 AT89C52 進行顯示控制等處理。一方面在實際應用中蓄電池的溫度和電壓是分組測試的，如果本科生畢業(yè)設計（論文）2用同一個單片機進行數(shù)據(jù)處理和控制的話，就不能實時監(jiān)測電池的工作溫度和電壓，降低了實用性；另一方面在實際生活中對蓄電池的監(jiān)測是多方面的，所以采用兩個單片機。在本設計中只涉及監(jiān)測蓄電池的電壓和溫度，但也采用了實際應用中的監(jiān)測方法，所以單片機的引腳有些空置。本科生畢業(yè)設計（論文）3第 2 章 CAN 總線原理2.1 CAN 總線2.1.1 CAN 的性能特點CAN 總線即控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network） 。由于其高性能、高可靠性、及獨特的設計，CAN 越來越受到人們的重視。其應用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領域發(fā)展。CAN 已經(jīng)形成國際標準，并己被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN 屬于總線式串行通信網(wǎng)絡，由于其采用了許多新技術及獨特的設計，與一般的通信總線相比，CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點可概括為：1CAN 為多主方式工作，網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點信息。利用這一特點可方便地構成多機備份系統(tǒng)。2CAN 網(wǎng)絡上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在 134us 內(nèi)得到傳輸。3CAN 采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網(wǎng)絡負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓情況。4CAN 只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調度” 。5CAN 的直接通信距離最遠可達 10Km（速率 5Kbps 以下） ；通信速率最高可達 1 Mbps（此時通信距離最長為 40m） 。6CAN 上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅動電路，目前可達 110 個；報文標識符可達2032 種（CAN2.0A） 。7采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果。8CAN 每幀信息都有 CRC 校驗及其它檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。9CAN 的通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。本科生畢業(yè)設計（論文）410CAN 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其它節(jié)點的操作不受影響。2.1.2 CAN 技術規(guī)范1CAN 節(jié)點的分層結構為使設計透明和執(zhí)行靈活，遵循 ISO/OSI 標準模型，CAN 分為數(shù)據(jù)鏈路層（包括邏輯鏈路控制子層 LLC 和媒體訪問控制子層 MAC）和物理層，而在 CAN 技術規(guī)范 2.0A 的版本中，數(shù)據(jù)鏈路層的 LLC 和 MAC 子層的服務和功能被描述為“目標層”和“傳送層” 。 LLC 子層的主要功能是：為數(shù)據(jù)傳送和遠程數(shù)據(jù)請求提供服務，確認由 LLC子層接收的報文實際已被接收，并為恢復管理和通知超載提供信息。在定義目標處理時，存在許多靈活性。MAC 子層的功能主要是傳送規(guī)則，亦即控制幀結構、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。MAC 子層也要確定，為開始一次新的發(fā)送，總線是否開放或者是否馬上開始接收。位定時特性也是 MAC 子層的一部分。MAC 子層特性不存在修改的靈活性。2報文傳送及其幀結構在進行數(shù)據(jù)傳送時，發(fā)出報文的單元稱為該報文的發(fā)送器。該單元在總線空閑或丟失仲裁前恒為發(fā)送器。如果一個單元不是報文發(fā)送器，并且總線不處于空閑狀態(tài)，則該單元為接收器。對于報文發(fā)送器和接收器，報文的實際有效時刻是不同的。對于發(fā)送器而言，如果直到幀結束末尾一直未出錯，則對于發(fā)送器報文有效。如果報文受損，將允許按照優(yōu)先權順序自動重發(fā)送。為了能同其它報文進行總線訪問競爭，總線一旦空閑，重發(fā)送立即開始。對于接收器而言，如果直到幀結束的最后一位一直未出錯，則對于接收器報文有效。 構成一幀的幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場和 CRC 序列均借助位填充規(guī)則進行編碼。當發(fā)送器在發(fā)送的位流中檢測到 5 位連續(xù)的相同數(shù)值時，將自動地在實際發(fā)送的位流中插入一個補碼位。數(shù)據(jù)幀和遠程幀的其余位場采用固定格式，不進行填充。出錯幀和超載幀同樣是固定格式，也不進行位填充。報文中的位流按照非歸零（NRZ）碼方法編碼，這意味著一個完整位的位電平要么是“0” ，要么“l(fā)” 。報文傳送由 4 種不同類型的幀表示和控制：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器；遠程幀通過總線單元發(fā)送，以請求發(fā)送具有相同標識符的數(shù)據(jù)幀；出錯幀由檢測出總線錯誤的任何單元發(fā)送；超載幀用于提供當前的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀的附加時間延遲。（1）數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀由 7 個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC本科生畢業(yè)設計（論文）5場、ACK 場和幀結束。CAN2.0A 數(shù)據(jù)幀的組成如圖 2.1 所示。 幀起始（SOF）標志數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始，它僅由一個“1”位構成。只有在總線處于空閑狀態(tài)時，才允許節(jié)點開始發(fā)送。所有節(jié)點都必須同步于首先開始發(fā)送的那個節(jié)點的幀起始前沿。仲裁場由標識符和遠程發(fā)送請求位（RTR）組成。仲裁場如圖 2.2 所示。 標識符：標識符的長度為 11 位，這些位以從高位到低位的順序發(fā)送，最低位為 ID.0，其中最高 7 位（ID.10ID.4）不能全為“1” 。RTR 位為“0”代表是數(shù)據(jù)幀，為“1”代表遠程幀。為“0”還是為“1”是由用戶填寫的?？刂茍鲇?6 位組成，如圖 2.3 所示。 由圖 2.3 可見，控制場包括數(shù)據(jù)長度碼和兩個保留位，這兩個保留位必須發(fā)送“0” 。幀間空間仲裁場控制場標識符RTR 位幀起始控制場仲裁場數(shù)據(jù)場或 CRC 場R1R0DLC3DLC2DLC1DLC0保留位數(shù)據(jù)長度碼幀間空間數(shù)據(jù)幀幀間空間幀起始仲裁場控制場數(shù)據(jù)場CRC 場ACK 場幀結束或幀超載圖 2.1 數(shù)據(jù)幀組成圖 2.2 仲裁場組成圖 2.3 控制場組成本科生畢業(yè)設計（論文）6數(shù)據(jù)長度碼數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)目DLC3DLC2DLC1DLC0012345678000000001000011110001100110010101010數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀中被發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，它可包括 08 個字節(jié)，每個字節(jié) 8 位。首先發(fā)送的是最高有效位。CRC 場包括 CRC 序列，后隨 CRC 界定符。CRC 場結構如圖 2.4 所示。為實現(xiàn) CRC計算，被除的多項式系數(shù)由包括幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場在內(nèi)的位給出，其 15 個最低位的系數(shù)為 0。此多項式被發(fā)生器產(chǎn)生的多項式除（系數(shù)為模 2 運算），該多項式除法的余數(shù)即為發(fā)向總線的 CRC 序列。CRC 界定符必須為“1” 。應答場（ACK）為兩位，包括應答間隙和應答界定符，如圖 2.5 所示。CRC 場ACK 場CRC 序列CRC 界定符圖 2.4 CRC 場結構CRC 場ACK 場幀結束ACK 間隙ACK 界定符圖 2.5 應答場組成表 2.1 數(shù)據(jù)長度碼中數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)目本科生畢業(yè)設計（論文）7在應答場中，發(fā)送器送出“1 1” ，即發(fā)送時 ACK 間隙是“1”位，且 ACK 界定符也是“1”位。一個正確地接收到有效報文的節(jié)點，在 ACK 間隙期間，將正確接收的信息通過填寫一個“0”位而覆蓋了 ACK 間隙的“1”位來報告給發(fā)送節(jié)點。同理，所有正確地接收到有效報文的節(jié)點，通過在應答間隙內(nèi)把“0”位寫入應答場的 ACK 間隙的“1”位來報告。ACK 界定符是應答場的第二位，并且必須是“1” ，因此，ACK 間隙被兩個“1” （CRC 界定符和 ACK 界定符）包圍。應答場的位填充由硬件自動確定。幀結束：每個數(shù)據(jù)幀和遠程幀均由“1111111”組成的標志序列界定。這也由硬件來自動填充。（2）遠程幀需要獲得數(shù)據(jù)的節(jié)點可以借助于傳送一個遠程幀來請求對應的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)給它。遠程幀由 6 個不同分位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC 場、應答場和幀結束。同數(shù)據(jù)幀相比較，不同的是：遠程幀的 RTR 位是“1” （這須由用戶用程序填充） ；遠程幀不存在數(shù)據(jù)場。DLC 的數(shù)據(jù)值是獨立的，它可以是 08 中的任何數(shù)值。遠程幀的組成如圖 2.6 所示。 （3）出錯幀出錯幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到，后隨的第二個場是出錯界定符。出錯幀的組成如圖 2.7 所示。 數(shù)據(jù)幀出錯幀錯誤標志幀間空間或超載幀錯誤疊加標志錯誤界定符圖 2.7 出錯幀組成幀間空間遠程幀幀間空間或超載幀幀起始仲裁場控制場CRC 場ACK 場幀結束 圖 2.6 遠程幀組成本科生畢業(yè)設計（論文）8錯誤標志具有兩種形式，一種是活動錯誤標志（active error flag） ，一種是認可錯誤標志（Passive error flag） ，活動錯誤標志由“000000”組成，而認可錯誤標志由“111111”組成。一個檢測到出錯條件的“錯誤激活”節(jié)點通過發(fā)送一個活動錯誤標志進行標注。同理，其它節(jié)點若同樣也檢測到出錯條件，則也發(fā)送出錯標志。這樣，在總線上被監(jiān)視到的“0”序列是由各個站單獨發(fā)送的出錯標志疊加而成的。該序列的總長度在最小值 6 和最大值 12 位之間變化。一個檢測到出錯條件的“錯誤認可”站發(fā)送一個認可錯誤標志進行標注。該錯誤認可站以發(fā)送出認可錯誤標志為起點，當檢測到總線上有 6 個相同的連續(xù)位后，認可錯誤標志即告完成。出錯界定符包括“11111111。錯誤標志發(fā)送后，每個站都送出“1” ，并監(jiān)視總線，直到檢測到“1” 。此后開始發(fā)送剩余的“1111111” 。以上錯誤幀的位填充由節(jié)點硬件自動控制。（4）超載幀超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符，如圖 2.8 所示。（5）幀間空間數(shù)據(jù)幀和遠程幀同前面的幀相同，不管是何種幀（數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀或超載幀）均被稱為幀間空間的位場分開。幀間空間包括間歇場和總線空閑場，對于“錯誤認可”節(jié)點還有暫停發(fā)送場。對于非“錯誤認可”的接收器，其幀間空間如圖 2.9 所示；對于“錯誤認可”節(jié)點，其幀間空間如圖 2.10 所示。 幀間空間總線空間幀幀間歇場幀結束或超載界定符錯誤界定符超載幀超載錯誤幀間空間或超載幀超載界定符超載疊加標志圖 2.8 超載幀組成圖 2.9 非“錯誤認可”幀間空間本科生畢業(yè)設計（論文）9 間歇場由“111”組成。間歇期間，不允許啟動發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遠程幀?？偩€空閑周期可為任意長度。此時，總線是開放的，因此任何需要發(fā)送的站均可訪問總線。暫停發(fā)送場是指：“錯誤認可”節(jié)點發(fā)完一個報文后，在開始下一次報文發(fā)送或總線空閑之前，它緊隨間歇場后送出“11111111” 。如果其間由其它站引起一次發(fā)送，則本節(jié)點將變?yōu)閳笪慕邮掌鳌?.2 CAN 通信控制器 SJA1000CAN 的通信協(xié)議主要由 CAN 控制器完成。CAN 控制器主要由實現(xiàn) CAN 總線協(xié)議部分和微控制器接口部分組成。不同型號的 CAN 總線通信控制器，實現(xiàn) CAN 協(xié)議部分電路的結構和功能大都相同，而與微控制器接口部分的結構及方式存在一些差異。2.2.1 BasicCAN 功能說明1地址分配SJA1000 的地址域由控制段和報文緩沖器組成。在 SJA1000 被初始化時，控制段可被設置通信參數(shù)，CAN 總線上的通信可通過此段由 CPU 控制。被發(fā)送的報文必須被寫入發(fā)送節(jié)點的發(fā)送緩沖器，接收節(jié)點成功接收后，微控制器可從接收節(jié)點的接收緩沖器讀取報文，然后釋放它，準備下次用。注：（1）寄存器在高端 CAN 地址區(qū)被重復（8 位 CPU 地址的最高位是不參與解碼的；CAN 地址 32 是和 CAN 地址 0 連續(xù)的）（2）測試寄存器只用于產(chǎn)品測試。正常操作中使用這個寄存器會導致設備不可意料的結果。（3）許多位在復位模式中是只寫的（CAN 模式和 CBP）2控制寄存器（CR）：CAN 地址 0控制寄存器的內(nèi)容是用于改變 CAN 控制器的行為的。這些位可以被微控制器幀間空間間歇場暫停發(fā)送場總線空間幀幀圖 2.10 “錯誤認可”幀間空間本科生畢業(yè)設計（論文）10設置或復位，用戶可以對控制寄存器進行讀/寫操作。3命令寄存器（CMR）：CAN 地址 1命令位初始化 SJA1000 傳輸層動作。命令寄存器對微控制器來說是只寫存儲器，用戶可以對之進行操作。如果去讀這個地址，返回值是11111111 。4狀態(tài)寄存器（SR）：CAN 地址 2狀態(tài)寄存器內(nèi)容反映了 SJA1000 的狀態(tài)。狀態(tài)寄存器對用戶來說是只讀存儲器。5中斷寄存器（IR）：CAN 地址 3中斷寄存器允許中斷源的識別。當寄存器的一位或多位被置位時，INT（低電平有效）引腳就被激活了。寄存器在被控制器讀過之后，所有會導致 INT 引腳上的電平漂移的位被復位。中斷寄存器對用戶來說是只讀存儲器。6識別碼（ID）識別碼有 11 位（ID.0ID.10） 。ID.10 是最高位，在仲裁過程中是最先被發(fā)送到總線上。識別碼就像信息的名字。它在接收器的接收過濾器中被用到，也在仲裁過程中決定總線訪問的優(yōu)先級。識別碼的值越低，其優(yōu)先級越高。該識別碼由用戶填寫。7遠程發(fā)送請求（RTR）如果此位是“1” ，總線將以遠程結構發(fā)送數(shù)據(jù)，這意味著此段中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。盡管如此，也需要同識別碼相同的數(shù)據(jù)結構來識別正確的數(shù)據(jù)長度。如果 RTR 位沒有被置位，數(shù)據(jù)將以數(shù)據(jù)長度碼規(guī)定的長度來傳送。8數(shù)據(jù)長度碼（DLC）信息數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)長度碼編制。在遠程結構傳送中，因為 RTR 被置位數(shù)據(jù)長度碼是不被考慮的。這就迫使發(fā)送、接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為 0。總之，數(shù)據(jù)長度碼必須正確設置以避免兩個 CAN 控制器用同樣的識別機制啟動遠程結構傳送而發(fā)生總線錯誤。數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)是 08，是以如下方法計算的：數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)=8DLC. 3+4DLC. 2+2DLC.1+DLC. 0為了保持兼容性，數(shù)據(jù)長度碼不超過 8，如果選擇的值超過 8，則按照 DLC規(guī)定認為是 8。它的各位由用戶填寫。9數(shù)據(jù)區(qū)傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)由數(shù)據(jù)長度碼決定。發(fā)送的第一位是地址 12 單元的數(shù)據(jù)字節(jié)的最高位。由用戶填寫所要發(fā)送的數(shù)據(jù)。10接收緩沖器接收緩沖器的全部列表和發(fā)送緩沖器類似。接收緩沖器是 RXFIFO 中可訪問的部分，位于 CAN 地址的 2029 之間。本科生畢業(yè)設計（論文）11識別碼、遠程發(fā)送請求位和數(shù)據(jù)長度碼同發(fā)送緩沖器的相同，只不過是在地址 2029。RXFIFO 共有 64 字節(jié)的信息空間。在任何情況下，F(xiàn)IFO 中可以存儲的信息數(shù)取決于各條信息的長度。如果 RXFIFO 中沒有足夠的空間來存儲新的信息，CAN 控制器會產(chǎn)生數(shù)據(jù)溢出。數(shù)據(jù)溢出發(fā)生時，己部分寫入 RXFIFO 的當前信息將被刪除。這種情況將通過狀態(tài)位或數(shù)據(jù)溢出中斷反應到微控制器。接收緩沖器的內(nèi)容是本節(jié)點有效接收的數(shù)據(jù)。11接收過濾器在接收過濾器的幫助下，CAN 控制器能夠允許 RXFIFO 只接收同識別碼和接受過濾器中預設值相一致的信息。接收過濾器通過接收代碼寄存器和接收屏蔽寄存器來定義。該接收過濾器由用戶填寫。12接收代碼寄存器（ACR） CAN 地址 4復位請求位被置高（當前）時，這個寄存器是可以訪問的。如果一條信息通過了接收過濾器的測試而且接收緩沖器有空間，那么描述符和數(shù)據(jù)將被分別順次寫入 RXFIFO。當信息被正確的接收完畢，就會：收狀態(tài)位置高（滿）收中斷使能位置高（使能）接收中斷置高（產(chǎn)生中斷） 。接收代碼位（AC.7AC.0）和信息識別碼的高 8 位（ID.10ID.0）相等，且與接收屏蔽位（AM.7AM.0）的相應位相等或為 1。即如果滿足以下方程的描述，則被接收：ID.10ID.3=AC.7AC.0AM.7AM.01111111113接收屏蔽寄存器（AMR） CAN 地址 5如果復位請求位置高（當前） ，這個寄存器可以被訪問（讀/寫） 。驗收屏蔽寄存器定義驗收代碼寄存器的哪些位對接收過濾器是“相關的”或“無關的” 。本科生畢業(yè)設計（論文）12第 3 章 總體設計方案3.1 系統(tǒng)功能描述在汽車中，有很多信號的采集。這些信號需要共享，而不僅僅是用于某一個控制單元。使用 CAN 總線就可以很簡單的將這些信號采集單元組成網(wǎng)絡，從而共享數(shù)據(jù)。CAN 總線系統(tǒng)中所有的信號傳輸都通過總線傳輸。電動汽車已成為未來汽車技術發(fā)展的趨勢,有效合理的電池管理系統(tǒng)能夠最優(yōu)的利用有限的電池能量,最大化的延長電池生命周期。因此，動力蓄電池管理系統(tǒng)成為電動車技術重要課題之一。本次設計以單片機為核心，設計了一種高精度、低價格的電池管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電動汽車多組蓄電池組的溫度和電壓的實時監(jiān)測。應用 CAN 總線與動力總成控制器通訊，性能可靠，開放性強，抗電磁干擾能力強，特別適用于復雜的車輛環(huán)境監(jiān)測。本系統(tǒng)就是要用 CAN 總線技術來實現(xiàn)。純電動汽車以車載動力蓄電池為電源，而蓄電池是一種化學反應裝置，內(nèi)部的化學反應一般不易覺察，日常使用中的缺陷不會立即反應出來。為了延長蓄電池的壽命，必須避免過充電或過放電，并且能顯示電監(jiān)測各單體蓄電池的工作電壓和溫度，降低蓄電池組各單體蓄電池的不均衡性，并且能通過 CAN 總線與車用動力總控制器通訊，將蓄電池組的溫度、電壓等參數(shù)實時傳給動力總控制器。傳感器采集蓄電池的電壓和溫度，并進行處理后通過 CAN 總線將采集來的數(shù)據(jù)發(fā)送到汽車的其它控制單元中，而且可以接收 CAN 總線中其它節(jié)點或控制單元的數(shù)據(jù)。要求系統(tǒng)的軟硬件能夠協(xié)同工作實現(xiàn)功能。3.2 設計方案系統(tǒng)工作過程是：單元中的單片機 C8051F040 把來自信號采集電路采集的信號采集進來，對其進行處理后，發(fā)向 CAN 控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動 CAN 控制器的發(fā)送命令，此時 CAN 控制器將自動向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN 控制器通過信息幀中的標識符來進行仲裁，標識符數(shù)值最小的 CAN 控制器具有對總線的優(yōu)先使用權。CAN 控制器檢測到總線上有數(shù)據(jù)時會自動接收總線上的所需數(shù)據(jù)，存入其接收緩沖區(qū)，并向單片機 AT89C52 發(fā)送接收中斷，啟動單片機的接收服務程序，單片機通過執(zhí)行接收服務程序從 CAN 控制器的接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，然后進行顯示本科生畢業(yè)設計（論文）13控制等。系統(tǒng)結構框圖如圖 3.1 所示。溫度傳感器電壓隔離采樣電路單片機C8051F040信號放大放大電壓變換CAN 收發(fā)器CAN BUSCAN 收發(fā)器光電隔離CAN 控制器單 片 機AT89C52LED 顯示鍵盤圖 3,.1 系統(tǒng)結構框圖3.3 設計要點（1）在設計微處理器與 SJA1000 的接口電路時，首先要根據(jù)微處理器選擇SJA1000 的接口模式。其次要注意 SJA1000 的片選地址應與其它的外部寄存器無沖突，還應注意 SJA1000 的復位電路應為低電平有效。（2）微處理器對 SJAI000 的控制訪問，是以外部寄存器方式來訪問 SJA1000 的內(nèi)部寄存器，所以在微處理器訪問 SJA1000 時，應該正確定義 SJA1000 內(nèi)部寄存器的訪問地址。（3）微處理器可以通過中斷和查詢的方式來訪問 SJA1000。（4）微處理器訪問 SJA1000 時，有兩種不同的模式：工作模式和復位模式。對SJA1000 的初始化只能在 SJA1000 的復位模式下進行。初始化包括設置驗收濾波器、總線定時器、輸出控制、時鐘分頻中的特定控制等，設置復位請求后，一定要校驗，以確保設置成功。（5）向 SJA1000 的發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)時，一定要檢查發(fā)送緩沖區(qū)是否處于鎖定狀態(tài)，如鎖定，這時寫入的數(shù)據(jù)將丟失。（6）對 SJA1000 的操作難點在于總線定時器的設置，設置總線定時器包括：設置總線波特率、同步跳轉寬度、位周期的長度、采樣點的位置和每個采樣點的數(shù)本科生畢業(yè)設計（論文）14目。本科生畢業(yè)設計（論文）153.4 芯片的選擇1單片機 本次設計用到兩個單片機：C8051F040 和 AT89C52。Cygnal 公司的 51 系列單片機 C8051F040 是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機，在一個芯片內(nèi)集成了構成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設以及其他功能部件，代表了目前 8 位單片機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。芯片上有 1 個 12 位多通道 ADC，2 個 12 位 DAC，2 個電壓比較器，1 個電壓基準，1 個 32kB 的 FLASH 存儲器，與 MCS51 指令集完全兼容的高速 CIP51 內(nèi)核，峰值速度可達 25MIPS，并且還有硬件實現(xiàn)的 UART 串行接口和完全支持 CAN2.0A 和 CAN2.0B 的 CAN 控制器。C8051F040 內(nèi)部嵌入一個 8 路 12 位 ADC 和一個 8 路 8 位 ADC，可滿足多組電池組電壓和溫度信號的輸入要求。內(nèi)部有 4352 字節(jié) RAM 和 64K FLAH 程序存儲器，可省去擴展存儲器的工作；并且內(nèi)部嵌入滿足 CAN2.0B 規(guī)范的 CAN 控制器，可方便實現(xiàn) CAN 通訊。AT89C52 芯片內(nèi)部有 6 個中斷源，在本次設計中涉及到 AT89C52 芯片的中斷源有三個，分別是外部中斷 INT0、INT1、定時/計數(shù)器 T0。其中外部中斷 INT0優(yōu)先級別最高，定時/計數(shù)器 T0 次之，然后是 INT1 中斷。下面就這四個中斷源介紹如下：（1）關于外部中斷外部中斷的激活方式分為兩種：一種是電平激活，另一種是邊緣激活。這兩種方式可以靠 TCON 寄存器中的中斷方式位 IT1 或 IT0 來控制。若 ITx=0（X 為 0或 1） ，則采用電平激活方式：在 INTX 引腳上檢測到低電平，將觸發(fā)外部中斷。若 ITx=1，則采用邊沿激活方式：在相繼的 2 個周期中，對 ITx 引腳進行連續(xù) 2次采樣，若第一次采樣值為高，第二次為低，則 TCON 寄存器中的中斷請求標志IEx 被置 1，以請求中斷。由于外部中斷引腳每個機器周期被采樣一次，為確保采樣由引腳 INTX 輸入的信號至少保持一個機器周期，即 12 個振蕩周期。如果外部中斷為邊緣激活方式，則引腳處的高電平和低電平值至少各保持一個機器周期，才能確保 CPU 檢測到電平的跳變，而把中斷請求標志 IEx=1。如果采用電平激活外部中斷方式，外部中斷源應一直保持中斷請求有效，直至所請求的中斷得到響應時為止。（2）關于定時/計數(shù)器 T1、T0 和 T2AT89C52 有三個定時計數(shù)器，本系統(tǒng)中使用了一個定時/計數(shù)器 T0。本科生畢業(yè)設計（論文）16在專用寄存器 TMOD（定時器方式）中，各有一個控制為（C/T） ，分別用于控制定時/計數(shù)器 0 和 1 是工作在定時器方式還是計數(shù)器方式。選擇定時器工作方式時，計數(shù)輸入信號是內(nèi)部時鐘，每隔機器周期使寄存器的值增 1。每個機器周期等于 12 個振蕩器周期，故計數(shù)速率為振蕩器頻率的 1/12。當采用 I2MHz 晶振時，計數(shù)速率為 1MHz。當選擇計數(shù)器工作方式時，計數(shù)脈沖來自相應的外部引腳T0 或 T1。當輸入信號產(chǎn)生由 1 至 0 的跳變時，計數(shù)寄存器（TH0、TL0 或TH1、TH0）的值增 1。每個定時/計數(shù)器還有 4 種操作模式。模式 0：通過 TMOD 寄存器把定時/計時器 0 或 1 置為模式 0。在這種模式下，16 位寄存器 TH1/0+TL1/0 只用了 13 位，TL1/0 的高三位未用。模式 1：定時/計數(shù)器 0 或 1 以全 16 位參與操作的。模式 2：這種模式是把定時計數(shù)器 TL0 或 TL1 配置成一個可以自動重裝載的8 為計數(shù)器。TL1 計數(shù)溢出時，不僅使溢出標志 TF1 置 1，而且還自動把 TH1 中的內(nèi)容重裝載到 TL1 中。TH1 的內(nèi)容可以靠軟件預置，重裝載后內(nèi)容不變。模式 3：操作模式 3 對定時/計數(shù)器 0 和定時/計數(shù)器 1 是不同的。對于定時/計數(shù)器 1，設置為模式 3 將使它保持原有的計數(shù)值，其作用如同使 TR1=0。對于定時/計數(shù)器 0，模式 3 將使 TL0 和 TH0 成為 2 個互相獨立的 8 位計數(shù)器。（3）串行口AT89C52 單片機內(nèi)有一個全雙工串行口，可同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。該口在接收數(shù)據(jù)時具有緩沖作用。串行口的中斷是由串行口控制寄存器 SCON 中的發(fā)送標志 TI 或接收中斷標志 RI 產(chǎn)生。在中斷相應的過程中，此二標志位均不會被硬件清 0。通常，串行口中斷服務程序往往需要查清此次中斷究竟由何種標志所致。串行口有四種運作方式。方式 0：在這種方式下，串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收均通過 RXD 引腳進行。RXD引腳來輸出移位脈沖。以 8 位數(shù)據(jù)為一幀，每個機器周期發(fā)送或接收一位，波特率為振蕩頻率的 1/12。方式 1：數(shù)據(jù)發(fā)送通過 TXD 引腳，接收通過 RXD 引腳進行。10 位為一幀：一個起始位（0） ，8 個數(shù)據(jù)位（最低位優(yōu)先）和一個停止位（1） 。接收時，停止位進入專用寄存器 SCON 的 RB8。波特率可變。方式 2：數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別通過 TXD 和 RXD 引腳進行。11 位為一幀：一個起始位（0） ，8 個數(shù)據(jù)位（最低位優(yōu)先） ，一個可編程的第九數(shù)據(jù)位和一個停止位（1） 。發(fā)送時，第九數(shù)據(jù)位來自專用寄存器 SCON 的 TB8，可為 0 或 1 波特率可編程為振蕩頻率的 1 /32 或 1/64。方式 3：在此方式下，波特率是可任意安排的，除此之外，方式 3 和方式 2本科生畢業(yè)設計（論文）17完全相同。2CAN 控制器作為一種非常成熟的現(xiàn)場總線技術，目前市面上有許多 CAN 控制器和 CAN 總線驅動器產(chǎn)品。有獨立 CAN 控制器，也有和 CPU 集成到一起的非獨立 CAN 控制器。生產(chǎn) CAN 控制器和驅動器產(chǎn)品的廠家也很多，幾乎所有半導體生產(chǎn)廠家都有 CAN總線器件，這也是選擇 CAN 總線構成本系統(tǒng)的因素之一。 考慮到本系統(tǒng)中 CPU 的負荷較重，所以設計 CAN 通信電路時，選擇硬件實現(xiàn)的獨立 CAN 控制器。目前應用較多的就是 Philips 公司的 SJA1000，考慮到該產(chǎn)品的應用十分普遍，設計參考資料也很豐富，市場上也容易購置，價格也相對比較便宜，所以本設計選用該芯片。3通用 CAN 收發(fā)器PCA82C50 是 CAN 協(xié)議控制器和物理總線間的接口，它主要是為汽車中高速通訊（高達 1Mbps）應用而設計。此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對 CAN 控制器提供差動接收能力，完全符合“ISO11898”標準。一個限流電路可防止發(fā)送輸出級對電池電壓的正端和負端短路。雖然在這種故障條件出現(xiàn)時，功耗將增加，但這種特性可以阻止發(fā)送器輸出級的破壞。在節(jié)點溫度大約超過 160時，兩個發(fā)送器輸出端的極限電流將減少。由于發(fā)送器是功耗的主要部分，因此芯片溫度會迅速降低。IC 的其它所有部分將繼續(xù)工作。當總線短路時，熱保護十分重要。CANH、CANL 兩條線也防止在汽車環(huán)境下可能發(fā)生的電氣瞬變現(xiàn)象。PCA82C250 共有三種不同的工作模式控制，通過 Rs 控制引腳提供：第一種模式是高速模式。它支持最大的總線速度和長度。第二種是斜率模式。當使用非屏蔽的總線電纜時，可以考慮使用這種模式。這種模式的輸出轉換速度可被故意降低，以減少電磁輻射。第三種是準備模式。這種模式在電池供電的應用要求系統(tǒng)功率消耗非常低的應用中非常有用。在準備模式中傳輸一個報文就可以將系統(tǒng)激活。本科生畢業(yè)設計（論文）18第 4 章 系統(tǒng)硬件設計4.1 單片機電路設計本系統(tǒng)因為應用于汽車中，周圍信號干擾強，最好系統(tǒng)使用盡可能少的外圍擴展芯片，提高系統(tǒng)運行的可靠性，所以要求使用的單片機具有片內(nèi)足夠大的ROM 和 RAM。目前 AT89C52 是應用最廣的單片機之一，它具有很高的性能價格比。而 C8051F040 內(nèi)部嵌入一個 8 路 12 位 ADC 和一個 8 路 8 位 ADC，可滿足多組電池組電壓和溫度信號的輸入要求。內(nèi)部有 4352 字節(jié) RAM 和 64K FLAH 程序存儲器，可省去擴展存儲器的工作；并且內(nèi)部嵌入滿足 CAN2.0B 規(guī)范的 CAN 控制器，可方便實現(xiàn) CAN 通訊。完全滿足設計本系統(tǒng)的要求，因此在眾多的單片機類型中選取了 ATMEL 公司的 AT89 系列單片機 AT89C52 和 Cygnal 公司的 C8051F040 單片機。AT89C52 單片機是的一種低功耗、高性能內(nèi)含 8K 字節(jié)閃電存儲器（Flash Memory）的 8 位 CMOS 微控制器，與工業(yè)標準 MCS-51 指令系列和引腳完全兼容。有超強的加密功能，其片內(nèi)閃電存儲器的編程與擦除完全用電實現(xiàn)，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，編程/擦除速度快，全 4K 字節(jié)編程只需 3s，擦除時間約用 10ms；它的主要特點有：（1）內(nèi)部程序存儲器為電擦除可編程只讀存儲器 EEPROM，容量 8KB，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器容量 256B（不包括專用寄存器） ，外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間 64KB，外部程序存儲器尋址空間 64KB；（2）有三個 16 位的定時器/計數(shù)器；（3）可利用兩根 I/O 口線作為全雙工的串行口，有四種工作方式，可通過編程選定；（4）內(nèi)部 ROM 中開辟了四個通用工作寄存器區(qū)，共 32 個通用寄存器，以適應多種中斷或子程序嵌套的情況；（5）內(nèi)部有 6 個中斷源，分為兩個優(yōu)先級，每個中斷源優(yōu)先級是可編程的；（6）堆棧位置是可編程的，堆棧深度可達 128 字節(jié)；（7）內(nèi)部有一個由直接可尋址位組成的布爾處理機，在指令系統(tǒng)中包含了一個指令子集，專用于對布爾處理機的各位進行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問題；（8）AT89C52 的狀態(tài)周期由振蕩器 2 分頻后獲得，作為芯片工作的基本時間本科生畢業(yè)設計（論文）19單位。采用 12MHz 時，AT89C52 的狀態(tài)周期為(2/12)10-8=167ns。設計 SJA1000 控制器與 CPU 的硬件連接電路，主要是 SJA1000 控制器的片選CS 和中斷 INT 兩個引腳的連接設計。片選 CS 連接決定 SJA1000 控制器內(nèi)的地址寄存器占用的數(shù)據(jù)存儲空間范圍，中斷 INT 連接決定 SJA1000 通訊中斷的優(yōu)先級和中斷向量以及中斷服務程序的調用。本設計分配給 SJA1000 控制器的中斷源使用 AT89C52 基本 I/O 端口 3 提供的一個外部中斷 INT0，分配給 SJA1000 控制器的數(shù)據(jù)地址空間，通過基本 I/O 端口2 的 P2.7 提供控制線。在進行 CAN 控制器和 CPU 的連線設計之前，必須先設計 CPU 訪問 CAN 控制器的方式。本系統(tǒng)采用查詢和中斷相結合的方式訪問 CAN 控制器，且通過 CPU 的數(shù)據(jù)地址空間，訪問 CAN 控制器中的各種寄存器。設計 SJA1000 控制器的硬件連接電路時，要進行 Intel 和 Motorola CPU 器件類型的選擇。AT89C52 是與 Intel 兼容的芯片，所以本設計選擇 Intel 模式。C8051F040單片機是由美國Cygnal公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號系統(tǒng)級SoC(System on Chip)，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在一塊芯片上集成了構成一個單片機數(shù)據(jù)采樣或控系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設及其它功能部件。它具有64K Bflash、4352B RAM、CAN控制器2.0、2個串行接口、5個16位定時器、12位A/D轉換器、8位A/D轉換器及12位D/A轉換器等，它內(nèi)部還帶有JTAG接口，使調試變得非常方便。C8051F040 CAN控制器構成及訪問方式：C8051F040內(nèi)部集成的CAN 控制器為Bosch CAN控制器。此CAN控制器有以下幾部分構成：CAN內(nèi)核、報文RAM(與C8051 RAM相互獨立)、報文處理狀態(tài)機制和CAN控制寄存器。在 CAN 控制器里只有三個寄存器可通過 CIP-51 中的特殊功能寄存器直接訪問，其它的寄存器只能通過 CAN 0ADR、CAN 0DATH 和 CAN 0DATL 寄存器以地址索引的方式間接訪問。在使用 CAN 控制器時，重點和難點是對 CAN 控制器的寄存器的使用，其內(nèi)部寄存器的分類及其主要功能如下：（a）CAN 控制器協(xié)議寄存器該協(xié)議寄存器是用來配置 CAN 控制器，處理各種中斷，監(jiān)控總線狀態(tài)以及置控制器為測試模式。CAN 控制器協(xié)議寄存器可使用 C8051 MCU 特殊功能寄存器通過索引方式間接訪問，其中有些還可以很方便的通過 C8051 內(nèi)部特殊功能寄存器直接尋址來訪問。這部分的寄存器有：CAN 控制寄存器(CAN0CN)、CAN 狀態(tài)寄存器(CAN0STA)、CAN 測試寄存器(CANTST)、錯誤計數(shù)寄存器、位定時寄存器和波特率預比列因子擴展寄存器。其中，CAN0CN、CAN0STA 和 CANTST 可通過 C8051 MCU 特殊功能寄存器直接訪問，其它的只能通過間接訪問。本科生畢業(yè)設計（論文）20（b）報文對象接口寄存器CAN 控制器中有兩組報文對象接口寄存器,它們用來配置報文 RAM 中 32 個報文對象是用來向 CAN 總線發(fā)送數(shù)據(jù),還是從 CAN 總線接收數(shù)據(jù)。當其中的一組被設置為向報文 RAM 中寫數(shù)據(jù),另一組則從報文 RAM 中讀取數(shù)據(jù)。利用此接口寄存器可以避免 CPU 訪問報文 RAM 與 CAN 報文接收和發(fā)送緩沖轉移之間的沖突。所有的報文對象都存儲在報文 RAM 里面，通過報文對象寄存器對其進行訪問和配置， 這些寄存器要通過 C8051