CN107390674A - 电动车can总线局域网络集成模块控制器 - Google Patents
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Abstract
一种电动车CAN总线局域网络集成模块控制器，由上盖板、中框架、底壳、上层PCB电路板、下层铝基电路板组成，其要点在于：所述的上层PCB电路板上包含了所有的逻辑控制器件，所述的下层铝基电路板集中了功率控制元件；采用CAN总线控制的同时，能够对当前的车载电器实施能量管理控制；所述的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器，不但大大减少了电动车上各设备间的连接线束，同时由于其物理特性及网络协议特性更强调工业自动化的底层监测及控制，因此也把电动车现场电子设备的在线监控技术提高到一个新的水平，其应用前景十分广阔。
Description
技术领域
本发明涉及电动车CAN总线局域网络集成模块控制器，主要应用于采用CAN总线局域网络的电动车车载电器控制系统。
背景技术
基于CAN（Controller Area Network）总线的电动车网络系统, 是改变传统汽车线束结构，并使电动车线束结构发生重大变革的新型数据控制车载电子局域网络系统。与主从式的RS-485总线和RS-422总线不同，CAN总线采用多主式总线，按照国际标准化组织ISO/TC22技术委员会已制订的CAN协议ISO/DIS 11898号国际标准、即《道路车辆的高速控制局域网数字信息交换标准》设计的新型车载局域网数字控制系统，总线的底层协议遵循CAN2.0B标准，其技术指标完全符合电动车CAN全数字式现场总线控制仪表和设备互联规范，它不但是高档电动车的标配，更是中高档轿车、轻轨和汽车大巴线束系统最佳的更新换代产品。
CAN总线将每一个与网络的接口部分称为节点。电动车载电子或电器设备一旦融入车载局域网络便构成了网络中的一个节点，从而使整车的机械结构体系发生革命性的变化，电动车的各种操纵系统由局域网络代替原来的线控机械传动机构，使得整车线束降到最少。不过，如何让不同功能的节点集成起来并且模块化，如何让集成后的模块控制器就近接入电动车的车载网络，如何让集成模块控制器对于每一个接入负载都具有能量管理功能，而不是通过传统的熔断保险丝实行慢速的保护，如何实现负载的无触点功率控制，正是业内研究的技术热点。
发明内容
据此，本发明提出了一种电动车CAN总线局域网络集成模块控制器设计方案，每一个集成模块控制器被视为CAN总线中的一个节点，该节点却可以就近控制多个电动车电器设备。该方案按照集成模块的方式设计,采用了无触点VMOS管，摈弃了传统的保险丝，对于每一个车载负载，通过VMOS管并联方法，实施能量的均衡分配和控制管理。
具体的实施方案如下：
一种电动车CAN总线局域网络集成模块控制器，包括上盖板1、中框架2，底壳3、上层PCB电路板4、下层铝基电路板5，其要点在于：
所述的上盖板1为矩形，四个角处开有上盖板安装孔11；
所述的中框架2的四个角处开有中框架安装孔23，两侧开口处安装有CAN总线插座21和功率输出插座22，所述的CAN总线输出插座21为四芯线路板式插座，四芯定义为：CAN-H、CAN-L、+12V、GND，所述的功率输出插座22为20芯，通过20芯配套插头可以就近外接左右转向灯、防雾灯、大灯、高位刹车灯、雨刮、喇叭、电动窗电器设备；
所述的底壳3的四个角处开有底壳安装孔31；
所述的上层PCB电路板4与下层铝基电路板5包围在上盖板1、中框架2和底壳3的空间中；
所述的上层PCB电路板4上包含了所有的逻辑控制器件，焊接有ARM芯片41、信号隔离调理芯片42、光隔离器43、收发高速光耦44、CAN总线收发接口芯片45、微动开关46、隔离电源模块47、蜂鸣器48、三极管49；
所述的下层铝基电路板5的四个角处有铝基电路板安装孔54并集中了功率控制元件，铝基电路板的元件面上焊接有20个VMOS管51、20根康铜条52，铝基电路板的背面带散热肋条55；
所述的上层PCB电路板4与下层PCB电路板5之间的电气连接通过连接器53完成。
所述的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器上的电子元件存在如下的电路连接关系：
所述的ARM芯片41为LQFP64封装，芯片本身支持CAN2.0B协议，其芯片上的CAN引脚与CAN总线收发接口芯片45的后端相连，CAN总线收发接口芯片45的前端与收发高速光耦合器44的后端相连，收发高速光耦合器44的前端与CAN总线插座21的CAN-H、CAN-L引脚相连；
所述的+12V、GND与隔离电源模块47相连，隔离电源模块47将+12V转换成隔离的+5V和公共地（COM）电源电压，同时给上层PCB电路板4供电，下层铝基电路板5由+12V、GND供电；
所述的蜂鸣器48接三极管49的集电极，三极管49的基极连接到ARM芯片41的I/O引脚;
所述的下层铝基电路板5的VMOS管51的控制引脚受上层PCB电路板4上的光隔离器43的控制，每一个VMOS管51的输出引脚分别接到20芯的功率输出插座22上，用于电流检测的康铜条52接到每一个VMOS管的公共回路中，康铜条52上的电流检测回馈信号通过连接器55传送到上层PCB电路板4上的信号隔离调理芯片42的输入引脚，信号隔离调理芯片42的输出引脚与ARM芯片41的A/D引脚相连。
所述的上盖板1、中框架2、底壳3与上层PCB电路板4、下层铝基电路板5在结构上存在如下的安装关系：连接器55的一端焊接在上层PCB电路板4上，另一端贴装在下层PCB电路板5上，使其成为一体，然后，将四颗螺丝穿过上盖板安装孔11、中框架安装孔23、铝基电路板安装孔54后，再拧入底壳安装孔31中，使下层铝基电路板5的带散热肋条55面与底壳3的底部紧密接触。
所述的八位微动开关46用于预置当前的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器所在的ID号。
技术效果
本发明所提出的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器，具有如下有益效果：
1．所述的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器，不但大大的减少了汽车上各设备间的连接信号线束，同时由于其物理特性及网络协议特性更强调工业自动化的底层监测及控制，因此也把电动车现场电子设备的在线监控技术提高到一个新的水平。
2. 所述的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器实现的组态方案灵活，选用价廉的平衡双绞线差分驱动，差分驱动是大多数CAN接口芯片采取的总线驱动方案，其技术特征可简单的解释为，CAN接口芯片的数据输入缓冲区有差别，输出就有变动，数据输入缓冲区无差别，输出就不变动。差分驱动在效果上提高了CAN接口芯片的共模抑制比和抗干扰能力。
3.数据的传输速率高,数据最高通信速率达到1Mbit/s,完全能满足电动车内部数据通信的实时性要求。
4.数据通信的可靠性高，由于采用了独特的数据信号表示方式和CRC奇偶校验功能，因此具有错误识别功能；当奇偶校验出现格式错误时可自动重发送数据，因此通信的漏码率极低。
5.本发明采用面向数据块的通信方式,信息的发送以数据块打包的形式，以桢为单位，每桢数据量为8个字节，各总线节点间可直接通信，并使用时钟同步和数据位填充插入技术来保证通讯的同步性。
6. 所述的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器能自动进行故障识别并自动恢复，具有自动纠错功能，当CAN的某个集成模块控制器在出现严重错误的情况下,能自动关闭切断该集成模块控制器与总线的联系，以使总线上的其它集成模块控制器和操作不受影响。
7.CAN采用非破坏性总线裁决技术，所谓非破坏性总线裁决技术就是当两个节点同时向总线上传送数据时,优先权较高的数据享有占用总线的使用优先,优先级别低的节点主动停止数据发送,以保证优先级高的节点可不受影响地继续传输数据,高优先级的数据可在134微秒内得到传输，从而大大节省了总线冲突裁决时间。
8. 电动车CAN总线局域网络集成模块控制器还规范了任意两个集成模块控制器之间的兼容性,包括电气特性及数据解释协议，可以多主方式工作,网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息,而不分主从通信,其通信方式灵活,利用这一特点也可方便地构成多机备份系统。
9.安全性可靠性高，电缆终端匹配性能好，抗干扰能力强，与常规的以太网相比，即使在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。这一点,对于控制电动车这样高速运动的物体，确保安全驾驶和万无一失的准确控制，的确难能可贵。
10.本发明最大的优势是采用CAN总线控制的同时，能够对当前的车载电器实施能量管理控制，一旦检测到负载电流异常时，将迅速切断VMOS电路，电动车负载无需另加保险管。
附图说明
图1 电动车CAN总线局域网络集成模块控制器外形图一；
图2 电动车CAN总线局域网络集成模块控制器外形图二；
图3 电动车CAN总线局域网络集成模块控制器爆炸图一
图4 电动车CAN总线局域网络集成模块控制器爆炸图二；
图5 电动车CAN总线局域网络集成模块控制器爆炸图三；
图6 电动车CAN总线局域网络集成模块控制器爆炸图四；
图7 电动车CAN总线局域网络集成模块控制器爆炸图五；
图8 上层PCB电路板与下层铝基电路板外形图；
图9 上层PCB电路板与下层铝基电路板爆炸图一；
图10 上层PCB电路板与下层铝基电路板爆炸图二；
图11 上层PCB电路板与下层铝基电路板爆炸图三；
图12 上层PCB电路板与下层铝基电路板爆炸图四；
图13 上层PCB电路板与下层铝基电路板爆炸图五；
图14 上层PCB电路板与下层铝基电路板爆炸图六；
图15 上层PCB电路板与下层铝基电路板爆炸图七；
图16 上层PCB电路板外形图；
图17 下层铝基电路板元件面外形图；
图18 下层铝基电路板背面外形图。
标号说明：
1 上盖板
11 上盖板安装孔
2 中框架
21 CAN总线插座
22 功率输出插座
23 中框架安装孔
3 底壳
31 底壳安装孔
4 上层PCB电路板
41 ARM芯片
42 信号隔离调理芯片
43 光隔离器
44 收发高速光耦
45 CAN总线收发接口芯片
46 微动开关
47 隔离电源模块
48 蜂鸣器
49 三极管
5 下层铝基电路板
51 VMOS管
52 康铜条
53 连接器
54 铝基电路板安装孔
55 散热肋条
具体实施方式
本发明如图1至图18所示。下面结合附图说明本发明的具体实施方案：
一种电动车CAN总线局域网络集成模块控制器，包括上盖板（1）、中框架（2），底壳（3）、上层PCB电路板（4）、下层铝基电路板（5），其要点在于：
所述的上盖板（1）为矩形，四个角处开有上盖板安装孔（11）；
所述的中框架（2）的四个角处开有中框架安装孔（23），两侧开口处安装有CAN总线插座（21）和功率输出插座（22），所述的CAN总线输出插座（21）为四芯线路板式插座，四芯定义为：CAN-H、CAN-L、+12V、GND，所述的功率输出插座（22）为20芯，通过20芯配套插头可以就近外接左右转向灯、防雾灯、大灯、高位刹车灯、雨刮、喇叭、电动窗电器设备；
所述的底壳（3）的四个角处开有底壳安装孔（31）；
所述的上层PCB电路板（4）与下层铝基电路板（5）包围在上盖板（1）、中框架（2）和底壳（3）的空间中；
所述的上层PCB电路板（4）上包含了所有的逻辑控制器件，焊接有ARM芯片（41）、信号隔离调理芯片（42）、光隔离器（43）、收发高速光耦（44）、CAN总线收发接口芯片（45）、微动开关（46）、隔离电源模块（47）、蜂鸣器（48）、三极管（49）；
所述的下层铝基电路板（5）的四个角处有铝基电路板安装孔（54）并集中了功率控制元件，铝基电路板的元件面上焊接有20个VMOS管（51）、20根康铜条（52），铝基电路板的背面带散热肋条（55）；
所述的上层PCB电路板（4）与下层PCB电路板（5）之间的电气连接通过连接器（53）完成。
所述的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器上的电子元件存在如下的电路连接关系：
所述的ARM芯片（41）为LQFP64封装，芯片本身支持CAN2.0B协议，其芯片上的CAN引脚与CAN总线收发接口芯片（45）的后端相连，CAN总线收发接口芯片（45）的前端与收发高速光耦合器（44）的后端相连，收发高速光耦合器（44）的前端与CAN总线插座（21）的CAN-H、CAN-L引脚相连；
所述的+12V、GND与隔离电源模块（47）相连，隔离电源模块（47）将+12V转换成隔离的+5V和公共地（COM）电源电压，同时给上层PCB电路板（4）供电，下层铝基电路板（5）由+12V、GND供电；
所述的蜂鸣器（48）接三极管（49）的集电极，三极管（49）的基极连接到ARM芯片（41）的I/O引脚;
所述的下层铝基电路板（5）的VMOS管（51）的控制引脚受上层PCB电路板（4）上的光隔离器（43）的控制，每一个VMOS管（51）的输出引脚分别接到20芯的功率输出插座（22）上，用于电流检测的康铜条（52）接到每一个VMOS管的公共回路中，康铜条（52）上的电流检测回馈信号通过连接器（55）传送到上层PCB电路板（4）上的信号隔离调理芯片（42）的输入引脚，信号隔离调理芯片（42）的输出引脚与ARM芯片（41）的A/D引脚相连。
应指出的是，传统的车载负载都是采用继电器来实施通断控制，如果继电器触点烧蚀粘连在一起，将导致短路故障，电动车将发生意想不到的危害。本发明中，采用无触点的VMOS管，而且根据不同的负载功率情况，多个VMOS管可以并接在一起，通过现场检测控制，可以使得故障在萌芽状态时就能防微杜渐。
所述的上盖板（1）、中框架（2）、底壳（3）与上层PCB电路板（4）、下层铝基电路板（5）在结构上存在如下的安装关系：连接器（55）的一端焊接在上层PCB电路板（4）上，另一端贴装在下层PCB电路板（5）上，使其成为一体，然后，将四颗螺丝穿过上盖板安装孔（11）、中框架安装孔（23）、铝基电路板安装孔（54）后，再拧入底壳安装孔（31）中，使下层铝基电路板（5）的带散热肋条（55）面与底壳（3）的底部紧密接触。
所述的八位微动开关（46）用于预置当前的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器所在的ID号，即节点数，八位微动开关（46）最多支持0至255个ID号，因此每一个电动车CAN总线局域网络集成模块控制器都有一个特定的ID号，安装时，电动车CAN总线局域网络集成模块控制器可按照电动车的前、中、后、左、右的顺序依次装配，就近控制附近的汽车电器设备。
应指出的是，本发明中，网络管理监控IP内核的软件设计是关键，也是难点。系统采用了现代软件工程的结构分析（SA）与结构设计（SD）方法，软件具有可重用模块的封装性，层次结构组合上的可重用的多态性，模块与模块间相互之间的继承性。
本系统还采用基于多事件触发的抢先式任务调度盒管理技术，特别是设计了所谓基准配置管理方案，保证电动车上安装的其它CAN总线局域网络集成模块控制器在不改变硬件配置的条件下也能对绝大多数的电子电器实现控制的不同需求，通过系统集成的软件柔化方法达到适用变动控制的目的，从而使各个节点模块在不增加硬件开销的条件下实现功能最大化。
系统软件集多节点网络电器控制、多参数采集和网络信号处理能力为一体。多主的组网模式灵活随意，网络管理软件以面向对象的方法设计了多个逻辑组合成高层次上的大力度网络服务接口构件，这个接口构件的特点是通过ID节点单元的方式，实现了网络隐藏的组织需求和构架系统，在CAN2.0B协议的支持下，具有节点单元在线或离线的自动检测功能，允许即插即用、在线剔除、弹性接入，特别是注重网络节点向上的扩展，使车载系统的功能扩展和升级变得十分简单。
总之，本发明最大的特点是采用CAN总线控制的同时，能够对当前的车载电器实施能量管理控制，整个控制器摈弃了传统的继电器元件，构成了电动车舒适车身总线的有特色的管理节点模块。对于电动车上的每一个负载而言，其额定功率都是确定的，一旦检测到负载电流异常时，核心ARM芯片根据康铜条的采样数据作出判断，并通过蜂鸣器报警，适时将切断VMOS电路，负载无需另加保险管。所述的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器，不但大大的减少了电动车上各设备间的连接线束，同时由于其物理特性及网络协议特性更强调工业自动化的底层监测及控制，因此也把电动车现场电子设备的在线监控技术提高到一个新的水平，其应用前景十分广阔。
Claims (4)
1.一种电动车CAN总线局域网络集成模块控制器，包括上盖板（1）、中框架（2），底壳（3）、上层PCB电路板（4）、下层铝基电路板（5），其特征在于：
所述的上盖板（1）为矩形，四个角处开有上盖板安装孔（11）；
所述的中框架（2）的四个角处开有中框架安装孔（23），两侧开口处安装有CAN总线插座（21）和功率输出插座（22），所述的CAN总线输出插座（21）为四芯线路板式插座，四芯定义为：CAN-H、CAN-L、+12V、GND，所述的功率输出插座（22）为20芯；
所述的底壳（3）的四个角处开有底壳安装孔（31）；
所述的上层PCB电路板（4）与下层铝基电路板（5）包围在上盖板（1）、中框架（2）和底壳（3）的空间中；
所述的上层PCB电路板（4）上包含了所有的逻辑控制器件，焊接有ARM芯片（41）、信号隔离调理芯片（42）、光隔离器（43）、收发高速光耦（44）、CAN总线收发接口芯片（45）、微动开关（46）、隔离电源模块（47）、蜂鸣器（48）、三极管（49）；
所述的下层铝基电路板（5）的四个角处有铝基电路板安装孔（54）并集中了功率控制元件，铝基电路板的元件面上焊接有20个VMOS管（51）、20根康铜条（52），铝基电路板的背面带散热肋条（55）；
所述的上层PCB电路板（4）与下层PCB电路板（5）之间的电气连接通过连接器（53）完成。
2.根据权利要求1所述的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器，其特征在于：所述的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器上的电子元件存在如下的电路连接关系：
所述的ARM芯片（41）为LQFP64封装，芯片本身支持CAN2.0B协议，其芯片上的CAN引脚与CAN总线收发接口芯片（45）的后端相连，CAN总线收发接口芯片（45）的前端与收发高速光耦合器（44）的后端相连，收发高速光耦合器（44）的前端与CAN总线插座（21）的CAN-H、CAN-L引脚相连；
所述的+12V、GND与隔离电源模块（47）相连，隔离电源模块（47）将+12V转换成隔离的+5V和公共地（COM）电源电压，同时给上层PCB电路板（4）供电，下层铝基电路板（5）由+12V、GND供电；
所述的蜂鸣器（48）接三极管（49）的集电极，三极管（49）的基极连接到ARM芯片（41）的I/O引脚;
所述的下层铝基电路板（5）的VMOS管（51）的控制引脚受上层PCB电路板（4）上的光隔离器（43）的控制，每一个VMOS管（51）的输出引脚分别接到20芯的功率输出插座（22）上，用于电流检测的康铜条（52）接到每一个VMOS管的公共回路中，康铜条（52）上的电流检测回馈信号通过连接器（55）传送到上层PCB电路板（4）上的信号隔离调理芯片（42）的输入引脚，信号隔离调理芯片（42）的输出引脚与ARM芯片（41）的A/D引脚相连。
3.根据权利要求1所述的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器，其特征在于：所述的上盖板（1）、中框架（2）、底壳（3）与上层PCB电路板（4）、下层铝基电路板（5）在结构上存在如下的安装关系：连接器（55）的一端焊接在上层PCB电路板（4）上，另一端贴装在下层PCB电路板（5）上，使其成为一体，然后，将四颗螺丝穿过上盖板安装孔（11）、中框架安装孔（23）、铝基电路板安装孔（54）后，再拧入底壳安装孔（31）中，使下层铝基电路板（5）的带散热肋条（55）面与底壳（3）的底部紧密接触。
4.根据权利要求1所述的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器，其特征在于：所述的八位微动开关（46）用于预置当前的电动车CAN总线局域网络集成模块控制器的所在ID号。
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Citations (2)
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| CN112148321B (zh) * | 2019-06-26 | 2023-02-28 | 深圳市航顺芯片技术研发有限公司 | 一种汽车智能电子设备微控制器抗干扰升级系统及方法 |
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