CN102497355A - 一种实现纯电动轿车车门车窗电子控制单元CANopen协议的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现纯电动轿车车门车窗电子控制单元CANopen协议的方法，包括：(1)纯电动轿车车门车窗电子控制单元的CAN总线通信方案；(2)纯电动轿车车门车窗电子控制单元NMT报文的设计；(3)纯电动轿车车门车窗电子控制单元PDO报文的设计；(4)纯电动轿车车门车窗电子控制单元SDO报文的设计；(5)纯电动轿车车门车窗电子控制单元对象字典的设计。本发明提出了纯电动轿车车门车窗电子控制单元的CANopen应用层协议设计方法，提高了电子控制单元的兼容性和通用性，获得了较好的数据传输的实时性，提高了数据传输的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于汽车电子技术领域，具体涉及到纯电动轿车车门车窗电子控制单元CANopen协议的设计问题，根据CANopen协议的要求设计各电子控制单元的NMT、PDO、SDO报文，并定义各电子控制单元的对象字典。
背景技术
纯电动轿车车门车窗控制系统是车载网络中重要的组成部分，它完成了车门、车窗、后视镜的电动控制和本地/远程控制，体现了人们对汽车在安全性、舒适性和方便性等许多方面的要求。目前车门车窗控制系统通常采用CAN总线技术，但是由于CAN总线只定义了物理层及数据链路层，用户必须要自定义应用层的协议，这不但带给用户相当多的困难，而且使不同厂商间的CAN设备彼此无法互通。
目前运用于CAN网络的应用层协议主要包括：CANopen、SAE J1939、DeviceNet和CANKingdom。CANopen是由从事工业控制的CiA组织开发的，它主要它采用对象字典结构，将CAN网络中通讯数据的组建和传输进行标准化，并给用户很大的自由度，允许用户随时添加自己所需要的新功能。SAE J1939协议主要用于重型卡车控制系统，并使用了CAN2.0扩展协议，针对于重型卡车系统的通讯要求对标识符进行了重新定义，但是数据报文中包含了数据的类型和格式信息，通讯效率不高。DeviceNet和CANopen一样采用对象字典结构，不过DeviceNet的定义更为复杂和严格，有严格层次定义，节点开发成本较高。CANKingdom采用通用模块化的设计方法使得各种模块都能很容易地接入CANKingdom网络当中，但是其ID是由King节点通过算法动态分配的，相同ID没有帧结构，并不适合车载网络的应用。与其它应用层协议相比，CANopen是一个完全开放的协议，开发者可以免费获得协议授权，支持CAN1.0基本和CAN2.0扩展协议，支持从20kbps到1Mbps的多种传输速率，拥有和OSI兼容的基本架构，具有高度的灵活性，适合于汽车车载网络。
本发明解决纯电动轿车车门车窗电子控制单元应用层协议问题，分析纯电动轿车车门车窗电子控制单元通讯方案，然后根据CANopen协议要求设计各电子控制单元的NMT、PDO、SDO报文，最后定义各电子控制单元的对象字典的来存储该电子控制单元的设备描述及设备网络状态的所有参数。
发明内容
本发明的目的是纯电动轿车车门车窗电子控制单元CANopen协议的设计问题，根据CANopen协议的要求设计各电子控制单元的NMT、PDO、SDO报文，并设计各电子控制单元的对象字典。
本发明所采用的技术方案是：通过设计纯电动轿车车门车窗系统各电子控制单元CAN总线通信方案，根据CANopen协议要求设计各电子控制单元的NMT、PDO、SDO报文，设计各电子控制单元的对象字典的来存储该电子控制单元的设备描述及设备网络状态的所有参数。
本发明的效果和益处是：本发明提出了纯电动轿车车门车窗电子控制单元的CANopen应用层协议设计方法，提高了电子控制单元的兼容性和通用性。本文采用德国Vector公司开发的CANoen软件及其CANopen组件来进行车身控制系统CANopen协议的建模仿真，测得总线的负载率为3.25％，峰值负载率也是3.25％，属于较好的总线运行情况。
附图说明
图1是本发明总体设计流程示意图；
图2是纯电动轿车车门车窗系统拓扑结构；
图3是各电子控制单元通讯关系图；
图4是左前门电子控制单元TPDO1报文与对象字典的映射示意图；
图5是中央电子控制单元通过SDO访问左前门电子控制单元对象字典示意图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的最佳实施例。
本发明公开了一种实现纯电动轿车车门车窗电子控制单元CANopen协议的方法，包括如下步骤：
1、纯电动轿车车门车窗电子控制单元的CAN总线通信方案
纯电动轿车车门车窗控制系统包括：中央电子控制单元、左前门电子控制单元、右前门电子控制单元、左后门电子控制单元和右后门电子控制单元，它们之间采用CAN总线进行通信。各电子控制单元控制对象主要包括：车窗和门锁，其中左前门电子控制单元和右前门电子控制单元分别还包括对左后视镜和右后视镜。其拓扑结构如图2所示。
各电子控制单元之间通讯关系如图3所示，其中中央电子控制单元是整个车门车窗控制系统的核心，中央电子控制单元接收其余电子控制单元的状态，并发送控制命令。左前门电子控制单元集合的控制按键包括：门锁控制按键、所有车窗控制键和后视镜控制按键等。左前门电子控制单元通过CAN总线把按键控制命令和本地状态信息传送给中央电子控制单元并接收中央电子控制单元的控制命令。右前门电子控制单元接收来自中央控制单元的CAN总线指令，发送本地状态信息和门锁控制指令。左右后门电子控制单元只接收来自中央电子控制单元的指令和发送本地状态信息。
2、各电子控制单元NMT报文的设计
NMT报文提供网络管理功能，主要内容包括：节点初始化、预操作、操作和停止四种状态管理。该服务是采用主从通信方式进行，包括一个NMT主节点和若干NMT从节点。本发明设计中央电子控制单元为NMT主节点，其余四个车门电子控制单元为NMT从节点，中央电子控制单元通过NMT报文来控制其余四个电子控制单元的状态。实现网络管理还需定义每个节点的标识符Node_ID，本发明中各电子控制单元的Node_ID(节点标识符)如表1所示。
表1各电子控制单元Node-ID分配
本发明采用节点保护机制，间隔固定时间中央电子控制单元向其它电子控制单元发出节点状态请求的远程帧报文，其它电子控制单元收到该请求后返回节点状态报文，中央电子控制单元通过该状态报文监视其它电子控制单元。
3、各电子控制单元PDO报文的设计
过程数据对象PDO报文用来传输实时数据，数据传送限制在1到8个字节，数据从一个生产者传到一个或多个消费者。PDO包括TPDO和RPDO两种。TPDO用来发送报文，RPDO用来接收报文，一个TPDO对应一个RPDO。
本发明中纯电动轿车车门车窗电子控制单元PDO报文的定义如表2所示，其中中央电子控制单元包含4个TPDO和7个RPDO，其中4个TPDO分别用来发送对其余四个电子控制单元的控制命令包括：车窗控制命令、门锁控制命令，对于左前门和右前门电子控制单元还包括后视镜控制命令，4个RPDO用来接收其余四个电子控制单元的状态信息包括：车窗状态、门锁状态、车窗电机电流、门锁电机电流、车窗控制自动/电动和故障代码等，对于左前门和右前门电子控制单元还包括后视镜状态，2个RPDO用来接收左前门电子控制单元发送的按键控制命令和门锁控制命令，1个RPDO用来接收右前门电子控制单元发送的门锁控制命令；左前门电子控制单元包含3个TPDO和1个RPDO，其中3个TPDO分别用来发送按键控制命令、本地状态信息和门锁控制命令，1个RPDO用来接收中央电子控制单元发送的控制命令；右前门电子控制单元包含2个TPDO和1个RPDO，其中2个TPDO分别用来发送门锁命令与状态信息，1个RPDO用来接收中央电子控制单元发送的控制命令；左右后门电子控制单元各包含1个TPDO用来发送状态信息，1个RPDO用来接收中央电子控制单元发送的控制命令。本发明定义中央电子控制单元4个TPDO的COB-ID依次为181H-184H，左前门电子控制单元3个TPDO的COB-ID依次为18AH、28AH和38AH，右前门电子控制单元2个TPDO的COB-ID依次为18BH和28BH，左右后门电子控制单元TPDO的COB-ID分别为18CH和18DH。各电子控制单元RPDO的COB-ID和所接收的TPDO报文的COB-ID一致。
表2各电子控制单元PDO报文的设计
4、各电子控制单元SDO报文的设计
服务数据对象SDO报文用来对CANopen网络上的设备进行参数配置。本发明设计中央电子控制单元为SDO客户端，它包含4个SDO来访问其余四个电子控制单元，其它四个电子控制单元为SDO服务器分别包含1个SDO来提供所请求的服务。本发明设计中央电子控制单元访问左前门电子控制单元的发送COB-ID为60AH，接收COB-ID为58AH，访问左前门电子控制单元的发送COB-ID为60AH，接收COB-ID为58AH，访问右前门电子控制单元的发送COB-ID为60BH，接收COB-ID为58BH，访问左后门电子控制单元的发送COB-ID为60CH，接收COB-ID为58CH，访问右后门电子控制单元的发送COB-ID为60DH，接收COB-ID为58DH。其它电子控制单元为SDO服务器，左前门电子控制单元的发送COB-ID为58AH，接收COB-ID为60AH，右前门电子控制单元的发送COB-ID为58BH，接收COB-ID为60BH，左后门电子控制单元的发送COB-ID为58CH，接收COB-ID为60CH，右后门电子控制单元的发送COB-ID为58DH，接收COB-ID为60DH。本发明中SDO报文采用加速传送机制，最多传输4字节数据。
5、各电子控制单元对象字典的设计
对象字典是CANopen设备规范中最重要的部分，它包含了设备描述及设备网络状态的所有参数，每个CANopen节点都必须实现自己的对象字典，索引值在1000H-1FFFH之间的条目用来保存CANopen通讯规范参数。本发明中中央电子控制单元定义1F80H-1F89H区间条目来实现NMT网络管理，此外在对象字典中定义索引100Ch和100Dh来描述用来实现节点保护机制，设置保护时间为300ms，时间间隔为500ms。
在对象字典中，实现PDO的传输需要定义PDO的通讯参数、映射参数和应用对象。RPDO的通讯参数区间为1400H-14FFH，所对应的映射参数区间为1600H-16FFH。TPDO的通讯参数区间为1800H-18FFH，所对应的映射参数区间为1A00H-1AFFH。应用对象通过区间6000H-9FFFH定义，本发明采用区间7000H-7500H存储纯电动轿车车门车窗各电子控制单元的数据，各电子控制单元PDO的定义如表3所示。
表3各电子控制单元PDO报文在对象字典中的定义
PDO报文和对象字典间的映射关系如图4所示，本发明中左前门电子控制单元的按键控制命令TPDO1的通讯参数为1800H，其子索引01H表示TPDO1的通讯对象标识符(COB-ID)，由180H+Node_ID构成，这里Node_ID为左前门电子控制单元的Node_ID。02H用来定义PDO传输类型，其内容为FFH表示异步基于事件触发。03H表示禁止时间，04H表示时间定时，采用默认配置。TPDO1的映射参数为1A00H，包含了TPDO1应用对象的列表。其子索引01H内容71000101H表示对应的第一个应用对象保存在主索引为7100H，子索引为01H下，这里保存的是左前窗上升命令。以此类推可把其余控制命令都映射到TPDO1的映射参数中。
SDO客户端由对象字典中1280H-12FFH来定义，SDO服务器由对象字典中1200H-127FH来定义。通过SDO可以访问一个设备的对象字典，被访问对象字典的设备是SDO通讯的服务器，另一方是客户。如表4所示，在本发明中中央电子控制单元访问其余电子控制单元，在对象字典中用主索引1280H-12FFH区间来表示，其它电子控制单元用主索引1280H来表示。每个SDO中包括发送COB-ID、接收COB-ID、访问节点号三个子索引。本发明中中央电子控制单元访问左前门电子控制单元对象字典通讯过程如图5所示，中央电子控制单元根据自己的要求生成SDO请求报文并发送到CAN总线上。SDO请求报文包括ID和数据，ID由其对象字典条目主索引1280H子索引01H来定义，由600H+Node_ID构成，这里Node_ID为左前门电子控制单元的Node_ID。请求报文数据用来表示SDO的请求任务。左前门电子控制单元接收收到该SDO请求，解析报文并完成请求任务，返回给中央电子控制单元一个SDO响应报文。同样SDO响应报文包括ID和数据，ID由其对象字典条目主索引1200H子索引02H来定义，由580H+Node_ID构成，这里Node_ID为服务器即左前门电子控制单元的Node_ID。响应报文数据用来表示SDO请求的执行情况。
表4各电子控制单元SDO报文在对象字典中的定义
6、实验仿真
本发明采用德国Vector公司开发的CANoe及其CANopen组件：CANeds、ProCANopen软件来进行车身控制系统CANopen协议的建模仿真。系统启动以后，四个车门电子控制单元周期发送状态PDO报文并随机控制控制按键。测得总线的负载率为3.25％，峰值负载率也是3.25％，属于较好的总线运行情况，满足实际需求。本发明提出纯电动轿车车门车窗电子控制单元的应用层协议，提高了电子控制单元的兼容性和通用性，获得了较好的数据传输的实时性，提高了数据传输的可靠性。
Claims (6)
1.一种实现纯电动轿车车门车窗电子控制单元CANopen协议的方法，包括：
(1)纯电动轿车车门车窗电子控制单元的CAN总线通信方案；
(2)纯电动轿车车门车窗电子控制单元NMT报文的设计；
(3)纯电动轿车车门车窗电子控制单元PDO报文的设计；
(4)纯电动轿车车门车窗电子控制单元SDO报文的设计；
(5)纯电动轿车车门车窗电子控制单元对象字典的设计。
2.根据权利要求1所述的纯电动轿车车门车窗电子控制单元CANopen协议，其特征在于：纯电动轿车车门车窗控制系统中各电子控制单元采用CAN总线通信，中央电子控制单元是整个车门车窗控制系统的核心，中央电子控制单元接收其余电子控制单元的状态，并发送控制命令；左前门电子控制单元的控制按键，包括：门锁控制按键、8个车窗控制键、后视镜控制按键等，左前门电子控制单元通过CAN总线把按键控制命令和本地状态信息传送给中央电子控制单元并接收中央电子控制单元的控制命令；右前门电子控制单元接收来自中央电子控制单元的CAN总线指令，发送本地状态信息和门锁控制指令；左右后门电子控制单元只接收来自中央电子控制单元的指令和发送本地状态信息。
3.根据权利要求1所述的纯电动轿车车门车窗电子控制单元CANopen协议，其特征在于：各电子控制单元根据CANopen协议要求设计了NMT报文，中央电子控制单元为NMT主节点，其余四个电子控制单元为NMT从节点，中央电子控制单元采用节点保护机制来维护节点状态，设置保护时间为300ms，时间间隔为500ms。
4.根据权利要求1所述的纯电动轿车车门车窗电子控制单元CANopen协议，其特征在于：各电子控制单元根据CANopen协议要求设计了PDO报文，中央电子控制单元包含4个TPDO和7个RPDO，其中TPDO分别用来发送对其余四个电子控制单元的控制命令包括：车窗控制命令、门锁控制命令，对于左前门和右前门电子控制单元还包括后视镜控制命令，4个RPDO用来接收其余四个电子控制单元的状态信息包括：车窗状态、门锁状态、车窗电机电流、门锁电机电流、车窗控制自动/电动和故障代码等，对于左前门和右前门电子控制单元还包括后视镜状态，2个RPDO用来接收左前门电子控制单元发送的按键控制命令和门锁控制命令，1个RPDO用来接收右前门电子控制单元发送的门锁控制命令；左前门电子控制单元包含3个TPDO和1个RPDO，其中TPDO分别用来发送按键控制命令、本地状态信息和门锁控制命令，RPDO用来接收中央电子控制单元发送的控制命令；右前门电子控制单元包含2个TPDO和1个RPDO，其中TPDO分别用来发送门锁命令与状态信息，RPDO用来接收中央电子控制单元发送的控制命令；左右后门电子控制单元各包含1个TPDO用来发送状态信息，1个RPDO用来接收中央电子控制单元发送的控制命令。
5.根据权利要求1所述的纯电动轿车车门车窗电子控制单元CANopen协议，其特征在于：各电子控制单元根据CANopen协议要求设计了SDO报文，中央电子控制单元为SDO客户端包含4个SDO来访问其余四个控制单元，其余四个电子控制单元为SDO服务器分别包含1个SDO；中央电子控制单元发送COB-ID分别为60AH、60BH、60CH、60DH，接收COB-ID分别为58AH、58BH、58CH、58DH；其它电子控制单元发送COB-ID分别为58AH、58BH、58CH、58DH，接收COB-ID分别为60AH、60BH、60CH、60DH。SDO采用加速传送机制，最多传输4字节数据。
6.根据权利要求1所述的纯电动轿车车门车窗电子控制单元CANopen协议，其特征在于：各电子控制单元根据CANopen协议要求设计了相应的对象字典，包括：各电子控制单元对象字典索引值在1000H跟1FFFH之间的条目的定义，其中只有NMT主节点即中央电子控制单元定义1F80H-1F89H之间的条目，其它电子控制单元不定义；各电子控制单元PDO报文的通讯参数、映射参数、数据存储区定义，其中数据存储区的索引区间为7000H-7500H；各电子控制单元SDO报文在对象字典中的定义，中央电子控制单元为SDO客户端，它定义索引值为1280H-1283H的条目，其它电子控制单元为SDO服务器定义索引值为1200H的条目。
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