CN105083459B - 一种基于can总线的电动车控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电动车控制领域，提供了一种基于CAN总线的电动车控制系统，包括码表单元和与之连接的各单元；码表单元用于接收用户的操作指令并通过CAN总线传输至相应的单元，相应的单元根据接收到的操作指令进行相应的操作；码表单元还用于接收从各单元反馈的操作结果及状态信息进行处理，同时将处理结果进行存储并传输至外部系统。本发明将工业控制领域应用成熟可靠的CAN总线技术引入自行车设计，将车身设备连接起来形成总线网络，充分发挥总线控制的稳定性和实时性，并且极大的拓展了车身设备的可扩展性，使功能更强，走线更少更美观，系统运行更可靠，降低车辆维护成本；更加智能化，所以操控更简单，骑行体验更好。

Description

一种基于CAN总线的电动车控制系统

技术领域

本发明属于电动车控制领域，尤其涉及一种基于CAN总线的电动车控制系统。

背景技术

在现代电动自行车尤其是助力自行车、智能自行车中，车身设备随着人们对自行车各功能需求的不断提高也在逐渐地增加，从电动机控制，安全保证系统，报警系统，码表，及提高骑行舒适性和娱乐性而做出的各种努力，大量的传感器和控制器的加入使电动车电气系统形成一个复杂的系统，而传统电动车电气控制系统中几乎没有通信通道，所有的控制信号靠线缆传输，无论从成本还是复杂度、美观度上都难以应对。有些高端电动车或助力车配有码表，但是与码表通信只是通过简单串口，传输速度、可靠性、抗干扰性都存在很大问题，更无法应对水、沙尘、高频电磁波等外界恶劣环境的影响。对车身电控系统盲目的增加设备但无法获取其工作状态，使其无法发挥最大效用，更无法根据工作环境及时对设备进行参数调整，特别是锂电池，对工作时充放电的电压电流有严格要求，简陋的使用管理方式可能对电芯造成极大损害。

232甚至CAN总线有着通信距离近、通信速度慢，抗干扰性能差等缺点。通信一般采用主从方式，通过主站查询方式进行通讯，实时性、可靠性较差。当系统有错误，多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点。

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准(ISO 11898)，是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(捷豹)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于CAN总线本身的特点，CAN的高性能和可靠性已被认同，其应用范围已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。

CAN总线上的节点没有类似于MAC物理地址的信息，所以在总线上增减单元时，连接在总线上的其他单元的软硬件及应用层都不需要改变。单元根据报文ID决定接收或者屏蔽该报文，报文ID在一定程度上也决定了此帧数据的优先级，发送的信息遭到破坏后，可自动重发；节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能。CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。CAN总线上所有的节点都可以检测错误，检测出错误的单元会立刻通知其他所有单元。CAN总线技术以其高可靠性，实时性和性价比，随着对自行车智能需求的增长，未来会被广泛应用于自行车领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于CAN总线的电动车控制系统，旨在解决现有电动车没有通信通道，在增加设备时无法获取其工作状态，无法对车载电池进行保护的问题。

本发明是这样实现的，一种基于CAN总线的电动车控制系统，包括：

码表单元；

分别通过CAN总线与所述码表单元相连接的控制器单元、电源管理单元、车灯单元、监控与调试单元和安全单元；

所述码表单元用于接收用户的操作指令并通过CAN总线传输至对应的单元，对应的单元根据接收到的操作指令进行相应的操作并将操作结果通过CAN总线反馈给所述码表单元；所述码表单元还用于将接收反馈的操作结果及状态信息进行处理，同时将处理结果进行存储并传输至外部系统。

进一步地，所述控制器单元包括：

第一CAN总线通信模块，与所述码表单元通过CAN总线相连接，用于与所述码表单元进行信息交互；

控制器模块，与所述第一CAN总线通信模块相连接，用于根据从所述第一CAN总线通信模块接收的来自所述码表单元的控制指令，控制电动车的电机进行启动、运转或停止的操作。

进一步地，所述控制器单元还包括与所述控制器模块相连接的转把调速器；

所述转把调速器，用于根据用户的转把调节操作，生成一分压信号传输至所述控制器模块以控制所述电机的转速。

进一步地，所述控制器单元还包括与所述控制器模块相连接的助力传感器；

所述助力传感器，用于检测用户骑行时产生的动态踩踏力矩，用以生成相应比例助力信号传输至所述控制器模块以控制所述电机。

进一步地，电源管理单元包括锂电池、第二CAN总线通信模块；还包括充放电管理模块、电池监测模块和温度采集模块中的一个或多个；

所述第二CAN总线通信模块通过CAN总线与所述码表单元相连接，用于与所述码表单元进行信息交互；

所述电池监测模块，与所述锂电池和所述第二CAN总线通信模块相连接，用于监测所述锂电池的电池参数，并将监测到的参数信息通过所述第二CAN总线通信模块传输至所述码表单元；

所述温度采集模块，与所述锂电池和所述第二CAN总线通信模块相连接，用于采集所述锂电池的温度信息通过所述第二CAN总线通信模块传输至所述码表单元；

所述充放电管理模块，与所述锂电池和所述第二CAN总线通信模块相连接，用于根据所述第二CAN总线通信模块传输的充放电操作指令，对所述锂电池进行充电和放电操作。

进一步地，所述安全单元包括第三CAN总线通信模块、分别与所述第三CAN总线通信模块相连接的报警模块和车身电子锁；

所述第三CAN总线通信模块通过CAN总线与所述码表单元相连接，用于与所述码表单元进行信息交互；

所述报警模块，用于在通过所述第三CAN总线通信模块接收到报警指令时，进行相应的报警响应；

所述车身电子锁，用于在通过所述第三CAN总线通信模块接收的开解锁指令时，进行车身上锁或解锁操作。

进一步地，所述车灯单元包括第四CAN总线通信模块、分别与所述第四CAN总线通信模块相连接的车灯模块和车把振动器；

所述第四CAN总线通信模块通过CAN总线与所述码表单元相连接，用于与所述码表单元进行信息交互；

所述车灯模块，用于在通过所述第四CAN总线通信模块接收到车灯照明指令后，根据所述车灯照明指令进行车灯照明、导航照明、夜市照明的一种或多种操作；

所述车把振动器，用于在接收到所述第四CAN总线通信模块传输的导航指令后，用于产生震动提醒。

进一步地，所述码表单元包括码表、及安装于所述码表内部的定位模块和通信模块；

所述码表单元，用于接收用户的操作指令并通过CAN总线传输至相应的单元；同时还接收来自各单元的信息进行显示；

所述码表单元，还用于将通过所述定位模块获取的电动车的位置信息，结合各单元传输的信息通过所述通信模块传输至外部系统。

进一步地，所述监控与调试单元包括第五CAN总线通信模块、分别与所述第五CAN总线通信模块相连接的实时监控模块和故障检测与调试模块；

所述实时监控模块实现对系统各单元的实时监控，并对异常的状态或信息进行恢复、保护或触发告警的操作；

所述故障检测与调试模块实现车身系统的故障检测、故障诊断、提示与报警，以及产测和安装调试阶段的系统及各单元的测试及调试。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明简化了控制信号传输方式，走线更美观；信号传输速度更快、可靠性更高、抗干扰性更强；降低车辆维护成本；操控更简单，更加智能化；车身电控系统记录所有设备的工作状态，使其发挥最大效用，根据工作环境及时对设备进行参数调整；实时获取各种参数信息，保护车身设备，特别是锂电池；将工业控制领域应用成熟可靠的CAN总线技术引入自行车设计，将车身设备连接起来形成总线网络，充分发挥总线控制的稳定性和实时性，并且极大的拓展了车身设备的可扩展性，使功能更强，走线更少更美观，系统运行更可靠，降低车辆维护成本；更加智能化，所以操控更简单，骑行体验更好。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于CAN总线的电动车控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是基于CAN总线的电动助力自行车控制系统和控制方法，将CAN总线技术引入自行车，将车身设备连接起来形成总线网络，充分发挥总线控制的稳定性和实时性，并且极大的拓展了车身设备的可扩展性。

基于上述原因，本发明实施例提供了一种基于CAN总线的电动车控制系统，包括：

码表单元1；

分别通过CAN总线与码表单元1相连接的控制器单元2、电源管理单元3、车灯单元4、监控与调试单元5和安全单元6；

码表单元1用于接收用户的操作指令并通过CAN总线传输至对应的单元，对应的单元根据接收到的操作指令进行相应的操作并将操作结果通过CAN总线反馈给码表单元1；码表单元1还用于将接收到的反馈的操作结果及状态信息进行处理，同时将处理结果进行存储并传输至外部系统。

在本实施例所述的电动车控制系统中：

最高优先级的CAN主设备结点为：码表单元

其余CAN从设备结点包括：控制器单元、电源管理单元、车灯单元、监控与调试单元及安全单元等，所有设备都内置CAN总线通信模块，直接挂在电动车控制系统的CAN总线上，对外提供CAN总线通信功能，可以与其他CAN设备节点实现远程通信，接收并处理其他CAN设备节点发来的指令，向CAN设备节点反馈操作结果及状态信息，存储需要保存的信息。

码表单元1作为与人交互的CAN设备节点，拥有最高优先级，不断扫描其他CAN设备节点发来的信息，对其他CAN设备的在位或不在位或损坏的状态及时做出响应，以便可以实现显示屏信息刷新等功能。同时码表单元1作为系统电源主控，可以控制整个系统的上电与关机，可以显示系统速度、里程、电池电量，可以通过蓝牙等近场通信方式与手机通信，或通过移动网络等远程通信方式与后台服务器通信，反馈信息，接受执行指令，码表单元1实现控制系统运行的初始化及人机接口的实现，并实现对各个子模块的初始化、调用、状态查询。特别的，当应用于助力自行车上时，可以显示助力档位，调节助力档位。特别的，码表单元1内部可以加装GPS模块与移动网络通信模块，通过定位功能，反馈位置信息，实现基于LBS的服务。

控制器单元2包括第一CAN总线通信模块、控制器模块、转把调速器、电机，其中控制器模块提供控制电机启动、运转、停止等操作；特别的，本系统可以用在电动助力自行车上，此时将转把调速器换为霍尔速度传感器或力矩传感器即可，将转把给出的分压速度信号换为助力传感器给出的相应比例助力的速度信号。所述转把调速器，用于接收用户的转把调节操作，转把内有变阻器或霍尔元件，输出给控制器一个电压信号，转动转把可在一定范围内调节转把输出电压的大小，控制器根据此电压值的不同，相应的控制所述电机的转速，实现转把调速功能。所述助力传感器，一般采用弹簧或其他类型的应变体，感应力的变化，用于检测用户脚踏产生的动态力矩，这样不同大小的力矩信号传输到控制器后，控制器产生与此力矩相应比例的速度控制信号传输至所述电机，调节电机速度，实现助力功能。

电源管理单元3，包括第二CAN总线通信模块、锂电池、充放电管理模块、电池监测模块和温度采集模块；所述电池监测模块进行电池基本参数检测，包括检测电池组电压、电流和电量的电压传感器、电流传感器和电量传感器，所述电池监测模块和温度采集模块将收集的电流、电压、电量和温度信息通过CAN总线传递给高优先级CAN主设备结点码的表单元1，码表单元1将电池的状态信息在显示屏显示，并根据电池监测模块和温度采集模块收集的电流、电压和温度信息计算出电池组的剩余电量，可以进行相应信息提示。通过实时检测得到的参数，以及对电池电流、电压管控，合理的释放，极大的提高了电池寿命及续航里程。

车灯单元4包括第四CAN总线通信模块、车灯模块和车把振动器；车灯模块包括车头灯、车尾灯、导航灯、矩形激光线框灯等，导航灯可以将导航信息直观地投射到车辆前方的路面上；矩形激光线框灯可以在夜晚方便骑行者区分平坦路面与坑洼路面；车把振动器可以作为导航转向等信息的振动提醒。

监控与调试单元5包括第五CAN总线通信模块、实时监控模块、故障检测与调试模块；实时监控模块实现对系统各单元的实时监控，并对异常的状态或信息进行恢复、保护或触发告警等操作；故障检测与调试模块实现车身系统的故障检测、故障诊断、提示与报警，以及产测和安装调试阶段的系统及各子模块的测试及调试。

安全单元6包括第三CAN总线通信模块、蜂鸣器、车身电子锁。结合实时监控模块反馈的信息，对异常的状态或信息进行保护或告警等操作；电子锁可以在安全单元的控制下进行自动解锁或锁车操作。

通过本发明，能够简化控制信号传输方式，走线更美观；信号传输速度更快、可靠性更高、抗干扰性更强；降低车辆维护成本；操控更简单，更加智能化；车身电控系统记录所有设备的工作状态，使其发挥最大效用，根据工作环境及时对设备进行参数调整；实时获取各种参数信息，保护车身设备，特别是锂电池；将工业控制领域应用成熟可靠的CAN总线技术引入自行车设计，将车身设备连接起来形成总线网络，充分发挥总线控制的稳定性和实时性，并且极大的拓展了车身设备的可扩展性，使功能更强，走线更少更美观，系统运行更可靠，降低车辆维护成本；更加智能化，所以操控更简单，骑行体验更好。

本发明所要解决的技术问题：针对现有技术缺陷，本发明运用机械、电子、传感器等学科领域中的成熟技术，力求实现方式的简单可靠，将汽车及工业控制领域成熟可靠的标准总线--CAN总线技术引入自行车设计，将车身设备连接起来形成总线网络，充分发挥总线控制的稳定性和实时性，并且极大的拓展了车身设备的可扩展性，使功能更强，走线更少更美观，系统运行更可靠，降低车辆维护成本；更加智能化，所以操控更简单，骑行体验更好。本发明适用于电动自行车、电动助力自行车、电动脚踏独轮车、平衡车、电动三轮车等轻型电动车辆。

特别的，不经系统授权，电池、码表等设备挂在CAN总线上无法通过验证，则无法使用，从而做到了系统安全，一定程度上避免了用户使用假冒零配件。

本发明可应用于电动助力自行车上，包括码表、控制器、力矩传感器、电机、车头灯、车尾灯、GPS定位系统、报警器等设备。所有设备包括一个CAN总线通信模块，直接挂在系统的CAN总线上，对外提供CAN总线通信功能，可以与其他CAN设备节点实现通信，接收并处理其他CAN设备节点发来的指令，向其他CAN设备节点反馈操作结果及状态信息，存储需要保存的信息。

码表显示当前的速度、里程、电量、助力档位，码表可根据环境亮度自动调节背光的开启及关闭。

当使用没有被码表主设备节点验证过的电池，骑行者无法打开系统，起到防盗作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于CAN总线的电动车控制系统，其特征在于，所述电动车控制系统包括：

码表单元；

分别通过CAN总线与所述码表单元相连接的控制器单元、电源管理单元、车灯单元、监控与调试单元和安全单元；

所述码表单元用于接收用户的操作指令并通过CAN总线传输至对应的单元，对应的单元根据接收到的操作指令进行相应的操作并将操作结果通过CAN总线反馈给所述码表单元；所述码表单元还用于将接收反馈的操作结果及状态信息进行处理，同时将处理结果进行存储并传输至外部系统；

所述车灯单元包括第四CAN总线通信模块、与所述第四CAN总线通信模块相连接的车灯模块；

所述第四CAN总线通信模块通过CAN总线与所述码表单元相连接，用于与所述码表单元进行信息交互；

所述车灯模块，用于在通过所述第四CAN总线通信模块接收到车灯照明指令后，根据所述车灯照明指令进行车灯照明、导航照明、夜视照明的一种或多种操作。

2.如权利要求1所述的电动车控制系统，其特征在于，所述控制器单元包括：

第一CAN总线通信模块，与所述码表单元通过CAN总线相连接，用于与所述码表单元进行信息交互；

控制器模块，与所述第一CAN总线通信模块相连接，用于根据从所述第一CAN总线通信模块接收的来自所述码表单元的控制指令，控制电动车的电机进行启动、运转或停止的操作。

3.如权利要求2所述的电动车控制系统，其特征在于，所述控制器单元还包括与所述控制器模块相连接的转把调速器；

所述转把调速器，用于根据用户的转把调节操作，生成一分压信号传输至所述控制器模块以控制所述电机的转速。

4.如权利要求2所述的电动车控制系统，其特征在于，所述控制器单元还包括与所述控制器模块相连接的助力传感器；

所述助力传感器，用于检测用户骑行时产生的动态踩踏力矩，用以生成相应比例助力信号传输至所述控制器模块以控制所述电机。

5.如权利要求1所述的电动车控制系统，其特征在于，电源管理单元包括锂电池、第二CAN总线通信模块；还包括充放电管理模块、电池监测模块和温度采集模块中的一个或多个；

所述第二CAN总线通信模块通过CAN总线与所述码表单元相连接，用于与所述码表单元进行信息交互；

所述电池监测模块，与所述锂电池和所述第二CAN总线通信模块相连接，用于监测所述锂电池的电池参数，并将监测到的参数信息通过所述第二CAN总线通信模块传输至所述码表单元；

所述温度采集模块，与所述锂电池和所述第二CAN总线通信模块相连接，用于采集所述锂电池的温度信息通过所述第二CAN总线通信模块传输至所述码表单元；

所述充放电管理模块，与所述锂电池和所述第二CAN总线通信模块相连接，用于根据所述第二CAN总线通信模块传输的充放电操作指令，对所述锂电池进行充电和放电操作。

6.如权利要求1所述的电动车控制系统，其特征在于，所述安全单元包括第三CAN总线通信模块、分别与所述第三CAN总线通信模块相连接的报警模块和车身电子锁；

所述第三CAN总线通信模块通过CAN总线与所述码表单元相连接，用于与所述码表单元进行信息交互；

所述报警模块，用于在通过所述第三CAN总线通信模块接收到报警指令时，进行相应的报警响应；

所述车身电子锁，用于在通过所述第三CAN总线通信模块接收的开解锁指令时，进行车身上锁或解锁操作。

7.如权利要求1所述的电动车控制系统，其特征在于，所述车灯单元还包括与所述第四CAN总线通信模块相连接的车把振动器；

所述车把振动器，用于在接收到所述第四CAN总线通信模块传输的导航指令后，用于产生震动提醒。

8.如权利要求1所述的电动车控制系统，其特征在于，所述码表单元包括码表、及安装于所述码表内部的定位模块和通信模块；

所述码表单元，用于接收用户的操作指令并通过CAN总线传输至相应的单元；同时还接收来自各单元的信息进行显示；

所述码表单元，还用于将通过所述定位模块获取的电动车的位置信息，结合各单元传输的信息通过所述通信模块传输至外部系统。

9.如权利要求1所述的电动车控制系统，其特征在于，所述监控与调试单元包括第五CAN总线通信模块、分别与所述第五CAN总线通信模块相连接的实时监控模块和故障检测与调试模块；

所述实时监控模块实现对系统各单元的实时监控，并对异常的状态或信息进行恢复、保护或触发告警的操作；

所述故障检测与调试模块实现车身系统的故障检测、故障诊断、提示与报警，以及产测和安装调试阶段的系统及各单元的测试及调试。