專利名稱：：基于時間觸發(fā)的燃料電池分布式控制系統(tǒng)can網(wǎng)絡(luò)通訊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：基于時間觸發(fā)的燃料電池分布式控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)通訊方法屬于燃料電池系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：燃料電池系統(tǒng)是燃料電池城市客車整車的主動力源，對整車的性能、控制與安^影響很大。必須對燃料電池系統(tǒng)的內(nèi)部原理和性能有相當(dāng)深入的了解，獲得燃料電池關(guān)鍵零^件特性數(shù)據(jù)，積累燃料電池系統(tǒng)集成經(jīng)驗。而燃料電池系統(tǒng)的集成與研究離不開電子控制，離不開控制系統(tǒng)。目前，燃料電池控制系統(tǒng)正由集中式控制系統(tǒng)向分布式控制系統(tǒng)方向發(fā)展，即將大量的輸入輸出任務(wù)和具體控制任務(wù)從原先的集中式控制器中分離出來轉(zhuǎn)給子控制器，并將一部分功能集中的采集任務(wù)交給專門的采集節(jié)點。一個燃料電池分布式控制系統(tǒng)由一個主控制器和若千子控制器以及采集節(jié)點以網(wǎng)絡(luò)連接組成?，F(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中比較成熟和容易獲取的是CAN網(wǎng)絡(luò)，因此一般將其用于燃料電池網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。但是傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)為無序網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)行為不可預(yù)測，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間沒有統(tǒng)一時間，容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)沖突，影響通訊和控制的實時性。因此，有序的時間觸發(fā)式CAN(TTCAN)應(yīng)運而生。TTCAN的核心概念是消息發(fā)送會按照預(yù)先安排好的時間表(消息矩陣)有條不紊的進行，因此能夠避免網(wǎng)絡(luò)沖突。即網(wǎng)絡(luò)行為是確定的，可預(yù)測和安全的?？紤]到商業(yè)TTCAN芯片目前尚難獲得，需要基于傳統(tǒng)CAN在軟件層實現(xiàn)TTCAN的概念，這就需要有一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法能夠在軟件層實現(xiàn)TTCAN，提高通訊實時性，并且能夠簡化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)清晰。對于一個釆用分布式方案的燃料電池控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法的有效與否直接影響著通訊行為、分布式控制系統(tǒng)的開發(fā)效率以及整個燃料電池系統(tǒng)的控制。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于時間觸發(fā)的燃料電池分布式控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)通訊方法，該設(shè)計方法為分布式的燃料電池控制系統(tǒng)提供了合理清晰的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)實時性，簡化網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工作。本發(fā)明的特征在于，所述燃料電池分布式控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)含有燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)和單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)；所述燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)含有六個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，分別為主控制器、供氣系統(tǒng)子控制器、水熱系統(tǒng)子控制器、電氣系統(tǒng)子控制器、溫度采集節(jié)點和單片電壓采集節(jié)點；所述單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)含有單片電壓統(tǒng)計節(jié)點和至少兩個單片電壓釆集單板，所述單片電壓統(tǒng)計節(jié)點作為燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)和單片電壓釆集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)橋；在所述燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)中，主控制器向其它各節(jié)點定時發(fā)送參考消息，其它節(jié)點接到所述參考消息后立即啟動各自的定時器，當(dāng)定時器運行至與燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)的消息矩陣中相應(yīng)的時間預(yù)設(shè)值匹配時觸發(fā)發(fā)送中斷，向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)；在所述單片電壓釆集TTCAN網(wǎng)絡(luò)中，單片電壓統(tǒng)計節(jié)點收到主控制器的參考消息后立即向單片電壓采集單板發(fā)送單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的參考消息，各單片電壓采集單板收到單片電壓采集網(wǎng)絡(luò)的參考消息后立即啟動自身定時器，當(dāng)定時器運行至與單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的消息矩陣中相應(yīng)的時間預(yù)設(shè)值匹配時觸發(fā)發(fā)送中斷，向單片電壓統(tǒng)計節(jié)點發(fā)送單片電壓數(shù)據(jù)；燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣由n個基本循環(huán)組成，n大于等于2，第1(n-l)個基本循環(huán)含有5個獨占時間窗，分別是主控制器向其它節(jié)點發(fā)送參考消息的獨占時間窗、供氣系統(tǒng)子控制器向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的獨占時間窗、水熱系統(tǒng)子控制器向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的獨占時間窗、電氣系統(tǒng)子控制器向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的獨占時間窗和溫度采集節(jié)點向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的獨占時間窗，所述每一個基本循環(huán)中各節(jié)點的獨占時間窗的順序和長度是相同的；第n個基本循環(huán)含有6個獨占時間窗，前5個獨占時間窗的順序和長度與第l(n-l)個基本循環(huán)相同，還含有一個單片電壓統(tǒng)計節(jié)點向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的獨占時間窗；在每一個基本循環(huán)中各獨占時間窗之間有空閑時間窗，且每一個獨占時間窗均有裕量；所述獨占時間窗發(fā)送信息的時刻由定時器的預(yù)設(shè)值確定；單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)含有一個基本循環(huán)，該基本循環(huán)含有兩個以上獨占時間窗，用于單片電壓采集單板向單片電壓統(tǒng)計節(jié)點發(fā)送電壓數(shù)據(jù)，所述獨占時間窗之間是緊密連接的，每一個獨占時間窗均有裕量；所述獨占時間窗發(fā)送信息的時刻由定時器的預(yù)設(shè)值確定；所述單片電壓統(tǒng)計節(jié)點收到主控制器發(fā)來的基本循環(huán)1的參考消息后立即發(fā)送單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的參考消息，各單片電壓采集單板隨即啟動自身定時器，并根據(jù)相應(yīng)的時間預(yù)設(shè)值由定時器啟動電壓數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送；主控制器在基本循環(huán)2基本循環(huán)(n-l)發(fā)送的參考消息被單片電壓統(tǒng)計節(jié)點忽略，主控制器的基本循環(huán)n的參考消息啟動單片電壓采集節(jié)點定時器，當(dāng)定時器運行到相應(yīng)的時間預(yù)設(shè)值時，單片電壓采集節(jié)點在燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣的相應(yīng)獨占時間窗內(nèi)向主控制器進行發(fā)送電壓數(shù)據(jù)。所述燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣中，n個基本循環(huán)為4個基本循環(huán)。在所述消息矩陣中，空閑時間窗的長度相同。本發(fā)明的有益效果是通過將燃料電池控制系統(tǒng)分為兩大網(wǎng)絡(luò)進行并行工作，大大降低了網(wǎng)絡(luò)負載，提高了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰度；通過在軟件層實現(xiàn)TTCAN提高了網(wǎng)絡(luò)有序性、實時性和可預(yù)測性；通過制訂TTCAN消息矩陣簡化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。圖1是燃料電池分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。圖2是燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)信息交互。圖3是在軟件層實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)。圖4是在軟件層實現(xiàn)單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)。圖5是燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)各幀消息的信息封裝。其中，①mode二0x02初始化，0x04啟動狀態(tài)，0x08運行狀態(tài)，OxlO正常狀態(tài)，0x20緊急停機，0x40停機保溫②Ctrl—mode-OxAA自動控制，0x55調(diào)試模式③OxAA開，0x55閉OxAA正啟動，0x55啟動成功OxAA正停機，0x55停機成功⑥0、l位為最低單片電壓堆號，2、3次低，4、5最高圖6是燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣。圖7是單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)各幀消息的信息封裝。圖8是單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣。具體實施例方式本發(fā)明采用的技術(shù)方案是將燃料電池控制系統(tǒng)劃分為兩大網(wǎng)絡(luò)，燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)和單片電壓采集CAN網(wǎng)絡(luò)，整個單片電壓釆集CAN網(wǎng)絡(luò)同時作為燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，兩個網(wǎng)絡(luò)并行工作，從而大大降低了網(wǎng)絡(luò)負載；將時間觸發(fā)的概念引入CAN網(wǎng)絡(luò)，在軟件層實現(xiàn)了TTCAN，提高了作為無序網(wǎng)絡(luò)的CAN的實時性；制訂了燃料電池系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)TTCAN消息矩陣和單片電壓采集網(wǎng)絡(luò)TTCAN消息矩陣。利用本方法進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的要素為沿用本方法的兩大網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，修改各節(jié)點定時器時間預(yù)設(shè)值，向消息矩陣填入封裝好的發(fā)送消息。簡化了網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工作。燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)包括主控制器MCU、供氣系統(tǒng)子控制器GSS、水熱系統(tǒng)子控制器WHS、電氣系統(tǒng)子控制器ES、溫度采集節(jié)點TAS和單片電壓采集節(jié)點CVM等六個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。單片電壓釆集節(jié)點本身又包含一個內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)——單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)。單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)由一個單片電壓統(tǒng)計節(jié)點和若干單片電壓采集單板CVMS組成。單片電壓統(tǒng)計節(jié)點是燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)和單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)橋。引入單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的目的是大大減小燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)的負載，提高系統(tǒng)信息交互速度和效率。單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)和燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)并行工作，各個單片電壓采集單板將所采集到的最新單片信息通過單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至單片電壓統(tǒng)計節(jié)點，單片電壓統(tǒng)計節(jié)點在對所有單片信息進行統(tǒng)計后將統(tǒng)計信息從燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)反饋回主控制器。在軟件層實現(xiàn)TTCAN的具體做法為，每個TTCAN網(wǎng)絡(luò)都有一個時間主控節(jié)點，時間主控定期發(fā)送參考消息，其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在收到參考消息后啟動自身定時器，當(dāng)定時器的計數(shù)器運行至與時間預(yù)設(shè)值匹配時，定時器將觸發(fā)中斷，進行CAN消息發(fā)送。定時器的時間預(yù)設(shè)值根據(jù)消息矩陣制定，因而能夠保證各節(jié)點的消息不會發(fā)生傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)中存在的總線仲裁，提高了通訊實時性。燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)和單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的時間主控分別為主控制器和單片電壓統(tǒng)計節(jié)點。主控制器應(yīng)用實時操作系統(tǒng)，在實時操作系統(tǒng)的管理下周期性發(fā)送參考消息，單片電壓統(tǒng)計節(jié)點的參考消息在單片電壓統(tǒng)計節(jié)點收到主控制器的參考消息后立即發(fā)送，從而保證了兩個網(wǎng)絡(luò)之間的時間同步。TTCAN消息矩陣可以由1個或多個基本循環(huán)組成，從一次參考消息開始發(fā)送發(fā)送到下一次參考消息即將發(fā)送稱為一個基本循環(huán)。每個基本循環(huán)被分為若干空閑時間窗和若干獨占時間窗，空閑時間窗內(nèi)無消息發(fā)送，是為了降低總線負載、降低消息沖突可能和為系統(tǒng)升級所保留；每個獨占時間窗內(nèi)只允許由一個節(jié)點進行消息發(fā)送。一個TTCAN消息矩陣是包含網(wǎng)絡(luò)所有通訊訊息和被周期性重復(fù)的最小時間單元。消息矩陣是系統(tǒng)通訊的邏輯核心，由于各個節(jié)點的當(dāng)?shù)厮惴ú豢杀苊庑枰c網(wǎng)絡(luò)進行信息交互，因此，消息矩陣也將影響系統(tǒng)的軟件框架，從而使系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)也更加清晰。下面結(jié)合附圖對本實用新型具體實施做進一步說明圖1所示為燃料電池分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)(或稱燃料電池發(fā)動機網(wǎng)絡(luò))包括主控制器MCU、供氣系統(tǒng)子控制器GSS、水熱系統(tǒng)子控制器WHS、電氣系統(tǒng)子控制器ES、溫度采集節(jié)點TAS和單片電壓采集節(jié)點CVM等六個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。單片電壓采集節(jié)點本身又包含一個內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)——單片電壓采集網(wǎng)絡(luò)。單片電壓采集網(wǎng)絡(luò)由一個單片電壓統(tǒng)計節(jié)點CVMM和若干單片電壓采集單板CVMS組成。單片電壓統(tǒng)計節(jié)點是燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)和單片電壓釆集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)橋。單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)和燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)并行工作，各個單片電壓采集單板將所采集到的最新單片信息通過單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至單片電壓統(tǒng)計節(jié)點，單片電壓統(tǒng)計節(jié)點在對所有單片信息進行統(tǒng)計后將統(tǒng)計信息從燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)反饋回主控制器。引入單片電壓釆集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的目的是大大減小燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)的負載，提高系統(tǒng)信息交互速度和效率。本方法設(shè)計針對的車用燃料電池系統(tǒng)往往包含數(shù)百片乃至上千片單片電壓，按每幀消息封裝4片單片電壓信息計算，若不設(shè)立兩個網(wǎng)絡(luò)而將單片電壓采集單板直接連上燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)，那么在網(wǎng)絡(luò)上將會存在上百幀單片電壓消息，而除了單片電壓信息以外燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)需要進行交互的信息一般在1020幀，因此燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)的負載將被大大加重，實時性變差，通訊周期也將會加長，不利于控制頻率的提高。圖2所示為燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)信息交互。主控制器通過TTCAN網(wǎng)絡(luò)向子控制器發(fā)送控制命令，子控制器根據(jù)控制命令進行當(dāng)?shù)乜刂撇⑾蛑骺刂破鬟M行狀態(tài)反饋。這是燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)的基本信息交互模式。采集節(jié)點需要向主控制器提供采集信息，也可以向部分子控制器提供采集信息，子控制器之間也可以存在少量信息交互。這樣的信息交互模式結(jié)構(gòu)比較清晰。單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的信息交互較簡單統(tǒng)計節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布參考消息，各采集單板向統(tǒng)計節(jié)點反饋最新單片信息。圖3所示為在軟件層實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)。主控制器在實時操作系統(tǒng)(如以MicroC/0S-I1為內(nèi)核的實時操作系統(tǒng))管理下定時發(fā)送參考消息，每個參考消息的到來將重新啟動各子控制器的定時器，各子控制器的定時器根據(jù)燃料電池系統(tǒng)TTCAN消息矩陣有不同的時間預(yù)設(shè)置，該預(yù)設(shè)置表明了各子控制器相應(yīng)的發(fā)送時間窗在系統(tǒng)消息矩陣中的位置。當(dāng)定時器的計數(shù)器運行至與時間預(yù)設(shè)置匹配時將觸發(fā)發(fā)送中斷，這樣便實現(xiàn)了TTCAN網(wǎng)絡(luò)對子控制器的要求在事先規(guī)定好的發(fā)送時間窗內(nèi)進行消息發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)實時性也因此得到大大提高。網(wǎng)絡(luò)行為高度可預(yù)測。在應(yīng)用本方法進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時一個重要而簡單的工作變?yōu)?，根?jù)消息矩陣設(shè)定這里的定時器時間預(yù)設(shè)值。每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都有自己的當(dāng)?shù)貢r間，是由各節(jié)點晶振頻率決定的，晶振頻率間不可避免存在偏差，從而帶來各節(jié)點當(dāng)?shù)貢r間的偏差，這種由參考消息重啟定時器的機制實際上是對節(jié)點間當(dāng)?shù)貢r間偏差進行補償，從而實現(xiàn)了正時。每個參考消息啟動一個基本循環(huán)，基本循環(huán)在下個參考消息到來時結(jié)束。圖4所示為在軟件層實現(xiàn)單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)。與燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)類似，只不過這里作為時間主控的單片電壓統(tǒng)計節(jié)點并沒有以實時操作系統(tǒng)定時發(fā)送參考消息，而是在收到主控制器的參考消息后立即發(fā)送單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的參考消息，這也是為了在兩層網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)同步。同樣的，各單片電壓采集單板在收到單片電壓統(tǒng)計節(jié)點發(fā)來的參考消息后啟動自身定時器，并且各單片電壓采集單板的定時器根據(jù)單片電壓采集TTCAN消息矩陣有不同的時間預(yù)設(shè)置，該預(yù)設(shè)值表明了各單片電壓采集單板相應(yīng)的發(fā)送時間窗在系統(tǒng)消息矩陣中的位置。在定時器計數(shù)器運行至與時間預(yù)設(shè)值匹配時觸發(fā)單片電壓采集單板消息發(fā)送，這樣，單片電壓釆集TTCAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)也不會發(fā)生沖突，網(wǎng)絡(luò)有序，實時性得到提高。圖5所示為燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)各幀消息的信息封裝。MCU1和MCU2是主控制器在每個基本循環(huán)發(fā)送的兩幀消息，其中MCU1為參考消息，啟動一個基本循環(huán)，消息是以消息的ID來識別的，每一個節(jié)點的每一幀消息都擁有不同的ID，圖5中所示的ID為仿照SAEJ1939制訂，這也是為提高協(xié)議透明度和保證與燃料電池城市客車整車CAN網(wǎng)絡(luò)的一致性。各節(jié)點ID組成如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表中①表示同一個節(jié)點發(fā)送的不同消息幀以此段區(qū)分,如MCU的兩幀消息此段分別為1和2。其中，29位ID的最高三位被定義為優(yōu)先權(quán)(P)，定義了消息幀的優(yōu)先級組別。為了和SAEJ1939兼容，控制命令的優(yōu)先權(quán)定義為3，狀態(tài)信息的優(yōu)先權(quán)定義為6。保留位(R)和數(shù)據(jù)頁(DP)均定義為0[10][21]。協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式(PF)對應(yīng)于廣播式和點對點兩種方式分別為PDU1和PDU2，其取值范圍分別為0239和24(T255。協(xié)議數(shù)據(jù)單元細節(jié)(PS)在點對點方式代表目標(biāo)地址，廣播方式則代表協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式的擴展碼，以增加可用廣播方式發(fā)送的消息幀的種類。29位ID的最后8位被定義為源地址(SA)，將各節(jié)點源地址定義在SAEJ1939為未來公路設(shè)備保留的地址區(qū)域128167之間，并且避免了和整車通信網(wǎng)絡(luò)源地址定義[10]的沖突。另外，GSS1和GSS2是供氣子控制器GSS發(fā)送的兩幀消息，WHS1和WHS2是水熱子控制器WHS發(fā)送的兩幀消息，ES1和ES2是電氣子控制器ES發(fā)送的兩幀消息，TAS1、TAS2、TAS3和TAS4是溫度采集節(jié)點發(fā)送的四幀消息，CVM1和CVM2是單片電壓采集節(jié)點CVM發(fā)送的兩幀消息。由圖5可以看出，每幀消息包含8個字節(jié)，消息的封裝就是要將實際要傳輸?shù)母鞣N控制命令、狀態(tài)反饋信息打包放進每幀消息。圖5中所有消息的封裝是按照圖2所示的信息交互圖進行的。圖6所示為燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣。TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣包含了所有通訊信息，在設(shè)計TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣時需要注意三個設(shè)計要素系統(tǒng)邏輯，網(wǎng)絡(luò)負載和控制頻率。系統(tǒng)邏輯具體是指各節(jié)點的控制算法必然與網(wǎng)絡(luò)通訊存在一定的互動，因而存在一定的因果關(guān)系和先后順序，比如子控制器對關(guān)鍵控制量的控制需要由主控制器提出控制目標(biāo)。那么主控制器相應(yīng)消息的發(fā)送需要先于子控制器的相應(yīng)算法。在制訂消息矩陣時不能破壞這種邏輯關(guān)系。比較合適的CAN網(wǎng)絡(luò)負載有利于兼顧網(wǎng)絡(luò)通訊效率和通訊安全，消息矩陣內(nèi)發(fā)送時間窗的總長度與消息矩陣的比值應(yīng)當(dāng)被控制在一個合適的水平，同時，發(fā)送時間窗的間隔應(yīng)盡可能均勻，從而降低網(wǎng)絡(luò)沖突的可能性。燃料電池系統(tǒng)對控制頻率有一定的要求，因而相應(yīng)的消息發(fā)送的頻率必須高于這個控制頻率。圖6所示的一個TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣實例中，在系統(tǒng)邏輯方面，主控制器先發(fā)出控制指令，包含系統(tǒng)工作模式和對各個子控制器的具體控制目標(biāo)，各子控制器隨即嚴(yán)格工作在此工作模式下，并將相應(yīng)被控量按一定算法維持在控制目標(biāo)，隨后和采集節(jié)點一起向主控制器進行狀態(tài)反饋(即子控制器和采集節(jié)點的消息發(fā)送)，主控制器根據(jù)新的狀態(tài)反饋信息制訂新的控制指令；在網(wǎng)絡(luò)負載方面，由于同一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的不同消息發(fā)送間顯然不會發(fā)生網(wǎng)絡(luò)沖突，因此將同一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的所有消息集中在一個獨占時間窗(發(fā)送時間窗)內(nèi)發(fā)送，從而加大了不同節(jié)點發(fā)送時問窗之問的時問問隔，提離了網(wǎng)絡(luò)安全性。獨占時間窗被設(shè)計為有一定的裕量，擁有兩幀消息的節(jié)點發(fā)送兩幀消息需要1.lms，而其獨占時間窗長度為4ms，擁有四幀消息的節(jié)點發(fā)送兩幀消息需要2.2ms，而其獨占時間窗長度為6ms。并且每兩個獨占時間窗都安排有4ms的空閑時間窗。燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣由4個基本循環(huán)組成，每個基本循環(huán)為50ms。一塊單片電壓采集單板完成一輪采集一般需要80ms，加上單片電壓釆集TTCAN網(wǎng)絡(luò)耗時，將單片電壓統(tǒng)計節(jié)點向主控制器發(fā)送消息的周期設(shè)為200ms為4個基本循環(huán)。其余節(jié)點的消息發(fā)送周期均為50ms。推薦設(shè)考的波特率為250kBps，能夠兼顧網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)安全。值得提出說明的是，標(biāo)準(zhǔn)TTCAN概念中除了自由時間窗和獨占時間窗外還安排了仲裁時間窗，網(wǎng)絡(luò)中會有一些事件型消息并沒有自己的獨占時間窗，而是被安排在仲裁時間窗內(nèi)發(fā)送，一般事件型消息用于突發(fā)事件。但是考慮到燃料電池系統(tǒng)中50ms的通訊周期(控制周期)對處理突發(fā)事件已經(jīng)足夠，并且在軟件層實現(xiàn)的TTCAN比真正意義上的TTCAN占用了較多的系統(tǒng)資源，不利于進行發(fā)送窗口的精確控制，因此這里取消了仲裁時間窗。消息矩陣也可以根據(jù)需要設(shè)計為n個基本循環(huán)，n大于等于2，單片電壓統(tǒng)計節(jié)點接到主控制器的參考消息并向采集單板發(fā)布參考消息安排在第一個基本循環(huán)，向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)則安排在最后一個基本循環(huán)，中間的參考消息則被忽略。圖7所示為單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)各幀消息的信息封裝。單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的消息封裝較為簡單，以每個單片電壓采集單板能采集124路單片電壓信息為例，每幀消息封裝4片單片電壓信息，則一個單片電壓采集單板每次需要發(fā)送31幀消息CVMS1CVMS31。單片電壓統(tǒng)計節(jié)點發(fā)送的參考消息為空，不含任何數(shù)據(jù)，不需要進行封裝。圖8所示為單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣。單片電壓統(tǒng)計節(jié)點在收到主控制器發(fā)來的基本循環(huán)1參考消息后立即發(fā)送單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的參考消息，各采集單板隨即啟動自身定時器，并根據(jù)相應(yīng)的時間預(yù)設(shè)值由定時器啟動31幀消息的連續(xù)發(fā)送。主控制器在基本循環(huán)2和基本循環(huán)3的參考消息被單片電壓統(tǒng)計節(jié)點忽略，主控制器的基本循環(huán)4的參考消息將啟動單片電壓采集節(jié)點定時器，并在圖6所示燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣的相應(yīng)獨占時間窗向進行消息發(fā)送。以基本循環(huán)4的參考消息啟動單片電壓采集節(jié)點定時器是為了盡可能提高發(fā)送時刻精度，降低時漂。由于單片電壓信號較多，因此其發(fā)送波特率可比燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)高，設(shè)置為500kBps。根據(jù)實驗，每塊單板以500kBps的波特率發(fā)送31幀消息耗時在9ms之內(nèi)，為每塊單板開辟出12ms的發(fā)送時間窗，留有了3ms的裕量，由于單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息種類較少、簡單，因此3ms的裕量將足夠保證網(wǎng)絡(luò)安全，不會發(fā)生沖突，故沒有再設(shè)置空閑時間窗。并且在單片電壓統(tǒng)計節(jié)點向主控制器反饋統(tǒng)計信息和最后一塊單片電壓采集單板CVMS10發(fā)送完成之后，為單片電壓統(tǒng)計節(jié)點內(nèi)進行的單片電壓統(tǒng)計任務(wù)分配了10ms的時間段。圖8中是以IO塊單片電壓采集單板容量為例的，IO塊單片電壓采集單板能夠釆集1240路單片電壓信號，一般來說已經(jīng)足夠。如果需要擴展，可在其后的預(yù)留時間窗中繼續(xù)加入發(fā)送時問窗。由此可見，單片電壓菜集節(jié)點既要作為單片電壓菜集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的時間主控發(fā)送參考消息，也要作為燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)的普通節(jié)點啟動自身定時器在相應(yīng)時刻向主控制器進行消息發(fā)送。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，主控制器要作為整車網(wǎng)絡(luò)和燃料電池系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)橋，單片電壓統(tǒng)計節(jié)點要作為燃料電池系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和單片電壓采集網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)橋，因此主控制器和單片電壓統(tǒng)計節(jié)點必須具有雙CAN。并且這兩個節(jié)點的運算量任務(wù)較大，可選用高端單片機。其余節(jié)點，包括子控制器、釆集節(jié)點和單片電壓采集單板對運算能力的要求并不高，因此可選用低端單片機。本專利的項目應(yīng)用中分別使用了32位單片機MC68376和8位單片機C8051F040分別作為高端和低端單片機。兩種單片機均集成了CAN控制器，對MC68376以Intel82527外擴了一路CAN控制器，使其勝任網(wǎng)橋的需要。8位單片機C8051F040采用了CIP-51內(nèi)核，釆用流水線結(jié)構(gòu)，峰值執(zhí)行速率達25MIPS,并且集成度高，擁有豐富的I/O資源，代表了片上系統(tǒng)SoC(SystemonChip)的發(fā)展趨勢，非常適合用于對I/O資源要求較高的子控制器。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明所涉及的設(shè)計方法能夠避免網(wǎng)絡(luò)仲裁和沖突，提高網(wǎng)絡(luò)安全性和實時性，簡化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程，從而可以更好的發(fā)揮燃料電池分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，加速分布式控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)。權(quán)利要求1、基于時間觸發(fā)的燃料電池分布式控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)通訊方法，其特征在于，所述燃料電池分布式控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)含有燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)和單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)；所述燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)含有六個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，分別為主控制器、供氣系統(tǒng)子控制器、水熱系統(tǒng)子控制器、電氣系統(tǒng)子控制器、溫度采集節(jié)點和單片電壓采集節(jié)點；所述單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)含有單片電壓統(tǒng)計節(jié)點和至少兩個單片電壓采集單板，所述單片電壓統(tǒng)計節(jié)點作為燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)和單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)橋；在所述燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)中，主控制器向其它各節(jié)點定時發(fā)送參考消息，其它節(jié)點接到所述參考消息后立即啟動各自的定時器，當(dāng)定時器運行至與燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)的消息矩陣中相應(yīng)的時間預(yù)設(shè)值匹配時觸發(fā)發(fā)送中斷，向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)；在所述單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)中，單片電壓統(tǒng)計節(jié)點收到主控制器的參考消息后立即向單片電壓采集單板發(fā)送單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的參考消息，各單片電壓采集單板收到單片電壓采集網(wǎng)絡(luò)的參考消息后立即啟動自身定時器，當(dāng)定時器運行至與單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的消息矩陣中相應(yīng)的時間預(yù)設(shè)值匹配時觸發(fā)發(fā)送中斷，向單片電壓統(tǒng)計節(jié)點發(fā)送單片電壓數(shù)據(jù)；燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣由n個基本循環(huán)組成，n大于等于2，第1～(n-1)個基本循環(huán)含有5個獨占時間窗，分別是主控制器向其它節(jié)點發(fā)送參考消息的獨占時間窗、供氣系統(tǒng)子控制器向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的獨占時間窗、水熱系統(tǒng)子控制器向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的獨占時間窗、電氣系統(tǒng)子控制器向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的獨占時間窗和溫度采集節(jié)點向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的獨占時間窗，所述每一個基本循環(huán)中各節(jié)點的獨占時間窗的順序和長度是相同的；第n個基本循環(huán)含有6個獨占時間窗，前5個獨占時間窗的順序和長度與第1～(n-1)個基本循環(huán)相同，還含有一個單片電壓統(tǒng)計節(jié)點向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的獨占時間窗；在每一個基本循環(huán)中各獨占時間窗之間有空閑時間窗，且每一個獨占時間窗均有裕量；所述獨占時間窗發(fā)送信息的時刻由定時器的預(yù)設(shè)值確定；單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)含有一個基本循環(huán)，該基本循環(huán)含有兩個以上獨占時間窗，用于單片電壓采集單板向單片電壓統(tǒng)計節(jié)點發(fā)送電壓數(shù)據(jù)，所述獨占時間窗之間是緊密連接的，每一個獨占時間窗均有裕量；所述獨占時間窗發(fā)送信息的時刻由定時器的預(yù)設(shè)值確定；所述單片電壓統(tǒng)計節(jié)點收到主控制器發(fā)來的基本循環(huán)1的參考消息后立即發(fā)送單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)的參考消息，各單片電壓采集單板隨即啟動自身定時器，并根據(jù)相應(yīng)的時間預(yù)設(shè)值由定時器啟動電壓數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送；主控制器在基本循環(huán)2～基本循環(huán)(n-1)發(fā)送的參考消息被單片電壓統(tǒng)計節(jié)點忽略，主控制器的基本循環(huán)n的參考消息啟動單片電壓采集節(jié)點定時器，當(dāng)定時器運行到相應(yīng)的時間預(yù)設(shè)值時，單片電壓采集節(jié)點在燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣的相應(yīng)獨占時間窗內(nèi)向主控制器進行發(fā)送電壓數(shù)據(jù)；2、如權(quán)利要求1所述的基于時間觸發(fā)的燃料電池分布式控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)通訊方法，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)消息矩陣中，n個基本循環(huán)為4個基本循環(huán)。3、如權(quán)利要求1所述的基于時間觸發(fā)的燃料電池分布式控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)通訊方法，其特征在于，在所述消息矩陣中，空閑時間窗的長度相同。全文摘要基于時間觸發(fā)的燃料電池分布式控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)通訊方法屬于燃料電池系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊
技術(shù)領(lǐng)域：
。含有燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)和單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)；在燃料電池系統(tǒng)TTCAN網(wǎng)絡(luò)中，主控制器向其它節(jié)點定時發(fā)送參考消息，其它節(jié)點即啟動定時器，當(dāng)運行至相應(yīng)的時間預(yù)設(shè)值時觸發(fā)發(fā)送中斷；在單片電壓采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)中，單片電壓統(tǒng)計節(jié)點收到主控制器的參考消息后立即向單片電壓采集單板發(fā)送參考消息，單片電壓采集單板即啟動定時器，當(dāng)運行至相應(yīng)的時間預(yù)設(shè)值時觸發(fā)發(fā)送中斷；還提出了作為系統(tǒng)通訊邏輯核心的消息矩陣的編制方式。本發(fā)明能夠避免網(wǎng)絡(luò)仲裁和沖突，提高網(wǎng)絡(luò)安全性和實時性，簡化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程。文檔編號H01M8/00GK101110723SQ200710000538公開日2008年1月23日申請日期2007年1月12日優(yōu)先權(quán)日2006年1月13日發(fā)明者蒙劉,盧蘭光,李建秋,歐陽明高申請人:清華大學(xué)