纯电动环卫车上装CAN通讯系统研究*

王银辉 袁峰

摘 要：在SAE J1939（以下简称J1939）的基础上，制定环卫上装CAN总线通讯协议应遵循的基本原则。结合纯电动环卫车上装控制系统的结构特点，设计CAN网络架构。依据现有通讯协议，计算与实测负载率，并通过理论与实践的综合对比分析，优化CAN总线通讯方案，降低总线负载率，提升总线通讯质量。

关键词：纯电动环卫车;上装;CAN总线;研究

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）15-68-04

Abstract： According to SAE J1939 （hereinafter referred to as J1939）， Sanitation with CAN bus communication protocol should be formulated in compliance with the basic principles. Combined with pure electric sanitation vehicle control system structure characteristics， design the CAN network architecture. According to the communication protocol， the load rate of the Sanitation CAN bus is calculated and measured， and the CAN bus communication scheme is optimized through the comprehensive comparative analysis of theory and practice to reduce the load rate of the bus and improve the communication quality.

Keywords： Pure electric sanitation vehicle; Bodywork; CAN bus; Research

CLC NO.： U469.72  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）15-68-04

引言

隨着世界能源危机和环境污染日益严重，我国政府将电动汽车列入国家863计划。特别是环境养护类的环卫车辆，国家及各地方政府更是给予了有力的支持。各环卫装备企业重点开发纯电动环卫车的整车技术，而纯电动环卫车上装动力系统的总线通讯系统也是的关键技术之一。

CAN总线是目前在汽车及工程机械上应用最广泛的通讯协议。为了实施总线协议的标准化工作，美国电气工程师协会（SAE）基于CAN总线制定了适用于载货汽车和大客车的J1939协议，并得到了广泛的应用。它能有效保证环卫车辆上装作业功能的安全性、可靠性、稳定性。

由于新能源汽车与环卫上装动力系统控制结构差异较大，在新能源汽车底盘上成功应用的总线协议并不能照搬到上装系统上。国内纯电动环卫车上装动力系统的研究还处于探索阶段，上装CAN总线通讯物理层和应用层协议及管理规范并不统一，导致总线通讯质量较差、负载率较高，进一步的影响上装作业稳定性。因此，本文制定出针对纯电动环卫车上装动力系统的CAN通讯协议规范，使总线负载率工作在合理水平（30%）以下，并在实际使用中进行验证，对促进纯电动环卫车的产业发展具有重实大用意义。

本文依据J1939协议规范，在设计纯电动洗扫车上装动力系统通讯网络拓扑结构后，制定适用于纯电动环卫车上装通讯物理层、数据链路层应用协议，通过理论值与实测网络质量对比分析，制定低负载率稳定可靠的上装通讯技术规范。

1 通讯协议制定原则

在实际工程应用中，CAN总线协议的制定一般包括物理层、数据链路层和应用层。J1939协议对数据链路层做了完整的定义，此部分不可更改，需要完全参照。因此，CAN通讯协议的制定主要包括物理层和应用层两个方面。

1.1 物理层

物理层实现网络中电控单元（ECU）的电气连接[1]。J1939协议对物理层设计做了规范化指导，包括屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线两种物理连接方式。

纯电动环卫车上装采用底盘动力电池提供直流电源，电压高达500V以上，同时，上装动力系统的电机及逆变器工作电流大、IGBT原件开关频率高，上装高压运行过程中会产生较大的电磁辐射，对CAN总线的错误帧、负载率有较大影响。故总线物理层参照J1939-11屏蔽双绞线连接方式。

J1939-11物理层定义，物理介质采用屏蔽双绞线，双绞线特性阻抗120Ω，功率要求最小400mW，特性阻抗位于网络两端。物理连接推荐CAN屏蔽双绞线，屏蔽采用单点接地屏蔽，屏蔽剖析如下图：

推荐通讯波特率250kb/s，通讯网络干线长度不大于40m，分支长度不大于1m。网段上ECU数目最多30个，实际应用过程中，ECU的数目取决于总线的电气负载及总线负载率（负载率不大于30%），网络结构采用直线型拓扑结构，如下图2。

1.2 应用层

应用层用来完成标识符的分配、多报文数据包的传输、报文的发送和接受等功能[2]。由于和实际的应用有很大的关联性，CAN协议没有对应用层做出明确的规定，J1939的定义也只适用于特定的应用场合。

本文纯电动环卫车上装CAN网络的应用层协议遵循J1939规范，充分考虑上装系统控制结构特点，给每个节点都分配固定的标识地址;同时综合考虑各节点数据传输的实时性要求、数据的相对重要程度、控制算法对节点处理速度的要求等因素后，完成标识符ID分配、定义消息周期以及确定与消息的映射关系等。

参照SAE J1939协议的PDU（协议数据单元）定义纯电动环卫车上装系统的CAN应用层。通过PDU定义了一个基本框架，由数据帧中的标识符ID和数据场，用来组织数据帧中J1939协议相关的信息，对应关系如表1所示：

优先级P用来优化报文传输延时，新参数组分配或网络负载需要时，可以调整优先级。保留位R来说始终置0，R与DP共同决定了报文ID的结构，是PGN的一部分，该位保留未来使用。

格式选择位PF用来确定PDU的两种格式。当PF为0～239（00～EF）时，表示该报文为点对点发送，向特定或全局地址发送，此时PS的值表示该报文要发送的目标地址。当PF为244～255（F0～FF）时，表示该报文为广播式发送，向全局地址发送，此时PS用来标识参数组。

原地址SA用来标识节点设备，保证CAN数据ID的唯一。该数据包含8位，其分配与管理由J1939-81描述。该部分主要规定了底盘相关报文ID参考，纯电动环卫车上装系统，相关ECU的标识符参考J1939-81部分，但不可与其它ECU标识符重复。

2 上装动力系统网络拓扑结构

纯电动环卫车上装主要负载为风机、水泵和油泵，均采用电机驱动，驱动电机控制器数量较多，再加上上装上装控制和显示元件，整个通讯架构异常复杂。图3给出了一款洗扫车上装动力拓扑结构。

纯电动洗扫车上装动力系统包括底盘电力电子单元、上装控制器、三合一集成控制器（集成风机电机控制器、油泵电机控制器和水泵电机控制器）。实际应用中，上装辅助控制系统还应包括显示屏、控制面板、音乐喇叭等。根据ECU的功能。进而上装系统CAN总线网络拓扑结构根据不同的应用场合，节点数目可以相应增加或减少。上装系统CAN总线网络拓扑结构如下图4：

3 控制系统网络通信协议

在第二章节中已确定各ECU拓扑结构，本章节以电机控制器和上装控制器为例，介绍通信协议制定的基本要求。一是明确各ECU的源地址分配、输出参数以及参数组定义。二是反映各ECU的状态信息和控制指令，最大程度考虑上装系统所需参数。如：电机和控制器需要反应各自的当前工作状态，如电压、电流、温度和故障等;上装控制器需要发送相应的上电、使能、转速等指令。三是遵循J1939中所定义的字节长度、分辨率和偏移量来制定通讯协议内容。四是遵循J1939中所定义选择适当的发送周期。

3.1 源地址分配

J1939标准中没有纯电动环卫车上装部分的相关节点定义。为此，新节点定义过程中，不可与J1939中原有标识符相同，也不可与底盘其它节点标识符重复，以保证各节点标识符的唯一性，参见表2。

3.2 ECU输出参数定义

根据纯电动环卫车洗扫产品上装所需实现的控制功能，定义各个节点的输出参数表。参数表包含了节点所需要广播到总线上的信号，并制定信号的发送周期、数据长度、分辨率、偏移量。给出了以风机电机控制器节点为例，列举部分参数信息，参见图5。其它节点协议制定均应遵循该参数规定，本文不再列举。

4 总线负载率计算及实测验证

业内一般认为CAN总线负载率就是总线上数据传输速率与理论上最大数据传输速率的比值。CAN总线负载率的高低，直接关系到总线的通讯质量。如总线负载率较高，直接会影响数据传输的实时性，导致执行机构执行不及时，严重情况下可直接导致总线网络崩溃，大量数据丢帧。所以在CAN总线网络设计时，应将负载率控制在30%以下为宜。下表3给出了各传输报文的发送周期及每秒发送报文数据。

根据上表3统计，上装CAN网络总线系统，理论上每秒总线发送报文195条，根据J1939-11规定，总线波特率为250kb/s。所以理论负载率为 。设计理论值小于合理水平，方案可行。经过实车验证，实测总线负载率如下图6所示：

经实测总线平均负载率为10.27%，接近理论值。最高负载率为25.44%，无错误帧现象，负载率总体小于30%意向值。同时，根据总线CAN数据传输图像图7，整体信号传输平稳， CAN网络质量良好。虽存在部分干扰噪音，由于物理层严格按照J1939-11规范设计，差分信号非常稳定。

5 负载率降低及总线优化方案与应用

根据以上理论分析与实践应用，实践结果均接近理论值，整体方案可靠可行。总体设计依据J1939-11相关规范执行。但实车实际运行过程中通过图7可以观测到存在部分干扰现象。如干扰较为严重情况下，可严重影响总线负载率情况，故需要排查干扰来源，优化通讯质量。

初步预测干扰噪音来自上装高压系统，经系统排查更改优化上装高低压布置、安装、走线工艺规范。如图8所示，实现高低压系统分离布置安装、高低压走线避免平行交叉、高压线束及相关连接部件屏蔽可靠接地。

高压部分整改到位后，再次测试CAN总线信号传输情况。如下图所示，干扰噪音情况基本排除，CAN_H、CAN_L信号传输稳定，差分信号稳定，总线网络传输质量可靠良好。

高压整改检测总线信号传输稳定，用周立功CAN卡在线检测CAN网络负载率情况，最高负载率15%，相对原25.44%最高负载率得到明显优化效果，从实践结果可以看出，以上制定的新能源环卫车上装CAN总线通讯系统稳定、有效、可行。该通讯协议制定规则可同步推广洗扫类、清洗类、运输类等各类型新能源环卫车上装通讯系统。实现上装标准化通讯管理，提高上装系统运行稳定性、可靠性、实时性。

该项目开发设计过程中严格遵循J1939规范，同时目前新能源环卫车上装系统CAN总线节点数少于底盘。故CAN网络负载率理论值与实际值均小于意向值（30%）。后期随着新能源环卫上装系统的不断发展，应用在上装系统的ECU数目及CAN總线节点会不断增加，必然会导致负载率的升高。对于此类情况的负载率优化提升，可通过调整优化报文数据的发送周期来实现。如：可将控制类报文发送周期设定为50ms，信息反馈设定200ms，版本信息相关报文设定500ms或条件触发发送等。

6 结论

本文给出纯电动环卫车上装CAN总线协议的基本制定原则和网络拓扑结构。针对目前应用层协议的不统一现状，制定基于J1939的标准协议，规范了物理层以及物理传输介质。针对CAN网络质量做进一步研究，通过理论分析结合实车验证，得出实际负载率。

提出CAN总线通讯质量优化方案，制定高低压系统技术工艺设计规范，减少高压部件产生的电磁干扰对总线网络质量的影响。

纯电动环卫车上装CAN总线协议还需进一步充实和扩展，比如在未来增加故障诊断功能。另外，智能网联和无人驾驶是环卫未来发展的主流方向。这就要求我们，在设计的初始阶段，就应该严格把控CAN总线网络的通讯质量，将负载率降至最优区间。

参考文献

[1] 刘永木，刘望生，李洪泽.SAE J1939标准下的汽车CAN通信报文/帧格式[J].长春工业大学学报（自然科学版），2003（1）：53-55.

[2] 王丽芳，唐晓泉，周超.车用CAN总线测试平台的研发与应用[J].高技术通信，2005，25（1）：58-61.

[3] 肖飞舟，顾力强，颜伟超.混合动力汽车通信网络研究[J].客车技术与应用，2006，28（2）：26-29.

[4] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1999.

[5] FARSI M，RATCLIFF K，BARBOSA M.An overview of controller area network[J].Control Engineering Journal，1999，3（10）.