燃料电池系统是燃料电池城市客车整车的主动力源，对整车的性能、控制与安全影响很 大。必须对燃料电池系统的内部原理和性能有相当深入的了解，获得燃料电池关键零部件特 性数据，积累燃料电池系统集成经验。而燃料电池系统的集成与研究离不开电子控制，离不 开控制系统。目前，燃料电池控制系统正由集中式控制系统向分布式控制系统方向发展，即 将大量的输入输出任务和具体控制任务从原先的集中式控制器中分离出来转给子控制器，并 将一部分功能集中的采集任务交给专门的采集节点。一个燃料电池分布式控制系统由一个主 控制器和若干子控制器以及采集节点以网络连接组成。
现有车载网络技术中比较成熟和容易获取的是CAN网络，因此一般将其用于燃料电池网 络设计。但是传统CAN网络为无序网络，网络行为不可预测，网络节点间没有统一时间，容 易发生网络冲突，影响通讯和控制的实时性。因此，有序的时间触发式CAN(TTCAN)应运而 生。TTCAN的核心概念是：消息发送会按照预先安排好的时间表(消息矩阵)有条不紊的进 行，因此能够避免网络冲突。即网络行为是确定的，可预测和安全的。考虑到商业TTCAN芯 片目前尚难获得，需要基于传统CAN在软件层实现TTCAN的概念，这就需要有一种网络设计 方法能够在软件层实现TTCAN，提高通讯实时性，并且能够简化网络设计，使系统网络结构 和软件结构清晰。对于一个采用分布式方案的燃料电池控制系统，网络设计方法的有效与否 直接影响着通讯行为、分布式控制系统的开发效率以及整个燃料电池系统的控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于时间触发的燃料电池分布式控制系统CAN网络通讯方法， 该设计方法为分布式的燃料电池控制系统提供了合理清晰的网络结构，提高网络实时性，简 化网络开发工作。
本发明的特征在于，所述燃料电池分布式控制系统CAN网络含有燃料电池系统TTCAN网 络和单片电压采集TTCAN网络；所述燃料电池系统TTCAN网络含有六个网络节点，分别 为主控制器、供气系统子控制器、水热系统子控制器、电气系统子控制器、温度采集节点和 单片电压采集节点；所述单片电压采集TTCAN网络含有单片电压统计节点和至少两个单片 电压采集单板，所述单片电压统计节点作为燃料电池系统TTCAN网络和单片电压采集 TTCAN网络的网桥；
在所述燃料电池系统TTCAN网络中，主控制器向其它各节点定时发送参考消息，其它 节点接到所述参考消息后立即启动各自的定时器，当定时器运行至与燃料电池系统TTCAN 网络的消息矩阵中相应的时间预设值匹配时触发发送中断，向主控制器发送数据；
在所述单片电压采集TTCAN网络中，单片电压统计节点收到主控制器的参考消息后立 即向单片电压采集单板发送单片电压采集TTCAN网络的参考消息，各单片电压采集单板收 到单片电压采集网络的参考消息后立即启动自身定时器，当定时器运行至与单片电压采集 TTCAN网络的消息矩阵中相应的时间预设值匹配时触发发送中断，向单片电压统计节点发送 单片电压数据；
燃料电池系统TTCAN网络消息矩阵由n个基本循环组成，n大于等于2，第1～(n-1)个基 本循环含有5个独占时间窗，分别是主控制器向其它节点发送参考消息的独占时间窗、供气 系统子控制器向主控制器发送数据的独占时间窗、水热系统子控制器向主控制器发送数据的 独占时间窗、电气系统子控制器向主控制器发送数据的独占时间窗和温度采集节点向主控制 器发送数据的独占时间窗，所述每一个基本循环中各节点的独占时间窗的顺序和长度是相同 的；第n个基本循环含有6个独占时间窗，前5个独占时间窗的顺序和长度与第1～(n-1)个基 本循环相同，还含有一个单片电压统计节点向主控制器发送数据的独占时间窗；在每一个基 本循环中各独占时间窗之间有空闲时间窗，且每一个独占时间窗均有裕量；所述独占时间窗 发送信息的时刻由定时器的预设值确定；
单片电压采集TTCAN网络含有一个基本循环，该基本循环含有两个以上独占时间窗， 用于单片电压采集单板向单片电压统计节点发送电压数据，所述独占时间窗之间是紧密连接 的，每一个独占时间窗均有裕量；所述独占时间窗发送信息的时刻由定时器的预设值确定；
所述单片电压统计节点收到主控制器发来的基本循环1的参考消息后立即发送单片电压 采集TTCAN网络的参考消息，各单片电压采集单板随即启动自身定时器，并根据相应的时间 预设值由定时器启动电压数据的连续发送；主控制器在基本循环2～基本循环(n-1)发送的参 考消息被单片电压统计节点忽略，主控制器的基本循环n的参考消息启动单片电压采集节点 定时器，当定时器运行到相应的时间预设值时，单片电压采集节点在燃料电池系统TTCAN网 络消息矩阵的相应独占时间窗内向主控制器进行发送电压数据。
所述燃料电池系统TTCAN网络消息矩阵中，n个基本循环为4个基本循环。
在所述消息矩阵中，空闲时间窗的长度相同。
本发明的有益效果是：通过将燃料电池控制系统分为两大网络进行并行工作，大大降低 了网络负载，提高了网络结构清晰度；通过在软件层实现TTCAN提高了网络有序性、实时性 和可预测性；通过制订TTCAN消息矩阵简化了网络设计。
附图说明
图1是燃料电池分布式控制系统网络结构图。
图2是燃料电池系统TTCAN网络信息交互。
图3是在软件层实现燃料电池系统TTCAN网络。
图4是在软件层实现单片电压采集TTCAN网络。
图5是燃料电池系统TTCAN网络各帧消息的信息封装。其中，
①mode＝0x02初始化，0x04启动状态，0x08运行状态，0x10正常状态，0x20紧急停机， 0x40停机保温
②ctrl_mode＝0xAA自动控制，0x55调试模式
③0xAA开，0x55闭
④0xAA正启动，0x55启动成功
⑤0xAA正停机，0x55停机成功
⑥0、1位为最低单片电压堆号，2、3次低，4、5最高
图6是燃料电池系统TTCAN网络消息矩阵。
图7是单片电压采集TTCAN网络各帧消息的信息封装。
图8是单片电压采集TTCAN网络消息矩阵。

本发明采用的技术方案是：将燃料电池控制系统划分为两大网络，燃料电池系统CAN网 络和单片电压采集CAN网络，整个单片电压采集CAN网络同时作为燃料电池系统CAN网 络的一个节点，两个网络并行工作，从而大大降低了网络负载；将时间触发的概念引入CAN 网络，在软件层实现了TTCAN，提高了作为无序网络的CAN的实时性；制订了燃料电池系 统网络TTCAN消息矩阵和单片电压采集网络TTCAN消息矩阵。利用本方法进行网络设计 的要素为：沿用本方法的两大网络结构，修改各节点定时器时间预设值，向消息矩阵填入封 装好的发送消息。简化了网络开发工作。
燃料电池系统TTCAN网络包括主控制器MCU、供气系统子控制器GSS、水热系统子控 制器WHS、电气系统子控制器ES、温度采集节点TAS和单片电压采集节点CVM等六个网 络节点。单片电压采集节点本身又包含一个内部网络——单片电压采集TTCAN网络。单片 电压采集TTCAN网络由一个单片电压统计节点和若干单片电压采集单板CVMS组成。单片 电压统计节点是燃料电池系统TTCAN网络和单片电压采集TTCAN网络的网桥。引入单片 电压采集TTCAN网络的目的是大大减小燃料电池系统TTCAN网络的负载，提高系统信息 交互速度和效率。单片电压采集TTCAN网络和燃料电池系统TTCAN网络并行工作，各个 单片电压采集单板将所采集到的最新单片信息通过单片电压采集TTCAN网络发送至单片电 压统计节点，单片电压统计节点在对所有单片信息进行统计后将统计信息从燃料电池系统 TTCAN网络反馈回主控制器。
在软件层实现TTCAN的具体做法为，每个TTCAN网络都有一个时间主控节点，时间 主控定期发送参考消息，其他网络节点在收到参考消息后启动自身定时器，当定时器的计数 器运行至与时间预设值匹配时，定时器将触发中断，进行CAN消息发送。定时器的时间预设 值根据消息矩阵制定，因而能够保证各节点的消息不会发生传统CAN网络中存在的总线仲 裁，提高了通讯实时性。燃料电池系统TTCAN网络和单片电压采集TTCAN网络的时间主 控分别为主控制器和单片电压统计节点。主控制器应用实时操作系统，在实时操作系统的管 理下周期性发送参考消息，单片电压统计节点的参考消息在单片电压统计节点收到主控制器 的参考消息后立即发送，从而保证了两个网络之间的时间同步。
TTCAN消息矩阵可以由1个或多个基本循环组成，从一次参考消息开始发送发送到下一 次参考消息即将发送称为一个基本循环。每个基本循环被分为若干空闲时间窗和若干独占时 间窗，空闲时间窗内无消息发送，是为了降低总线负载、降低消息冲突可能和为系统升级所 保留；每个独占时间窗内只允许由一个节点进行消息发送。一个TTCAN消息矩阵是包含网 络所有通讯讯息和被周期性重复的最小时间单元。消息矩阵是系统通讯的逻辑核心，由于各 个节点的当地算法不可避免需要与网络进行信息交互，因此，消息矩阵也将影响系统的软件 框架，从而使系统软件结构也更加清晰。
下面结合附图对本实用新型具体实施做进一步说明：
图1所示为燃料电池分布式控制系统网络结构图。燃料电池系统CAN网络(或称燃料电 池发动机网络)包括主控制器MCU、供气系统子控制器GSS、水热系统子控制器WHS、电 气系统子控制器ES、温度采集节点TAS和单片电压采集节点CVM等六个网络节点。单片电 压采集节点本身又包含一个内部网络——单片电压采集网络。单片电压采集网络由一个单片 电压统计节点CVMM和若干单片电压采集单板CVMS组成。单片电压统计节点是燃料电池 系统TTCAN网络和单片电压采集TTCAN网络的网桥。单片电压采集TTCAN网络和燃料电 池系统TTCAN网络并行工作，各个单片电压采集单板将所采集到的最新单片信息通过单片 电压采集TTCAN网络发送至单片电压统计节点，单片电压统计节点在对所有单片信息进行 统计后将统计信息从燃料电池系统TTCAN网络反馈回主控制器。引入单片电压采集TTCAN 网络的目的是大大减小燃料电池系统TTCAN网络的负载，提高系统信息交互速度和效率。 本方法设计针对的车用燃料电池系统往往包含数百片乃至上千片单片电压，按每帧消息封装 4片单片电压信息计算，若不设立两个网络而将单片电压采集单板直接连上燃料电池系统 TTCAN网络，那么在网络上将会存在上百帧单片电压消息，而除了单片电压信息以外燃料电 池系统TTCAN网络需要进行交互的信息一般在10～20帧，因此燃料电池系统TTCAN网络 的负载将被大大加重，实时性变差，通讯周期也将会加长，不利于控制频率的提高。
图2所示为燃料电池系统TTCAN网络信息交互。主控制器通过TTCAN网络向子控制器发 送控制命令，子控制器根据控制命令进行当地控制并向主控制器进行状态反馈。这是燃料电 池系统TTCAN网络的基本信息交互模式。采集节点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，子控制器之间也可以存在少量信息交互。这样的信息交互模式 结构比较清晰。单片电压采集TTCAN网络的信息交互较简单：统计节点向网络发布参考消息， 各采集单板向统计节点反馈最新单片信息。
图3所示为在软件层实现燃料电池系统TTCAN网络。主控制器在实时操作系统(如以 MicroC/OS-II为内核的实时操作系统)管理下定时发送参考消息，每个参考消息的到来将重 新启动各子控制器的定时器，各子控制器的定时器根据燃料电池系统TTCAN消息矩阵有不同 的时间预设置，该预设置表明了各子控制器相应的发送时间窗在系统消息矩阵中的位置。当 定时器的计数器运行至与时间预设置匹配时将触发发送中断，这样便实现了TTCAN网络对子 控制器的要求：在事先规定好的发送时间窗内进行消息发送。网络实时性也因此得到大大提 高。网络行为高度可预测。在应用本方法进行网络设计时一个重要而简单的工作变为，根据 消息矩阵设定这里的定时器时间预设值。每个网络节点都有自己的当地时间，是由各节点晶 振频率决定的，晶振频率间不可避免存在偏差，从而带来各节点当地时间的偏差，这种由参 考消息重启定时器的机制实际上是对节点间当地时间偏差进行补偿，从而实现了正时。每个 参考消息启动一个基本循环，基本循环在下个参考消息到来时结束。
图4所示为在软件层实现单片电压采集TTCAN网络。与燃料电池系统TTCAN网络类似， 只不过这里作为时间主控的单片电压统计节点并没有以实时操作系统定时发送参考消息，而 是在收到主控制器的参考消息后立即发送单片电压采集TTCAN网络的参考消息，这也是为了 在两层网络之间实现同步。同样的，各单片电压采集单板在收到单片电压统计节点发来的参 考消息后启动自身定时器，并且各单片电压采集单板的定时器根据单片电压采集TTCAN消息 矩阵有不同的时间预设置，该预设值表明了各单片电压采集单板相应的发送时间窗在系统消 息矩阵中的位置。在定时器计数器运行至与时间预设值匹配时触发单片电压采集单板消息发 送，这样，单片电压采集TTCAN网络内也不会发生冲突，网络有序，实时性得到提高。
图5所示为燃料电池系统TTCAN网络各帧消息的信息封装。MCU1和MCU2是主控制器在 每个基本循环发送的两帧消息，其中MCU1为参考消息，启动一个基本循环，消息是以消息的 ID来识别的，每一个节点的每一帧消息都拥有不同的ID，图5中所示的ID为仿照SAE J1939 制订，这也是为提高协议透明度和保证与燃料电池城市客车整车CAN网络的一致性。各节点 ID组成如下表所示：
节点名称   P     R   DP   PF   PS     地址 主控制器(MCU) 供气系统子控制器(GSS) 水热系统子控制器(WHS) 电气系统子控制器(ES) 温度采集节点(TAS) 单片电压采集系统(CVM)   3   6   6   6   6   6     0     0     0     0     0     0   0   0   0   0   0   0   255   16～17①   24～25①   33～32①   40～43①   8～9①   1～2①   128   128   128   128   128     128     130     131     132     133     129
表中①表示同一个节点发送的不同消息帧以此段区分，如MCU的两帧消息此段分别为1和2。 其中，29位ID的最高三位被定义为优先权(P)，定义了消息帧的优先级组别。为了和SAE J1939 兼容，控制命令的优先权定义为3，状态信息的优先权定义为6。保留位(R)和数据页(DP) 均定义为0[10][21]。协议数据单元格式(PF)对应于广播式和点对点两种方式分别为PDU1 和PDU2，其取值范围分别为0~239和240~255。协议数据单元细节(PS)在点对点方式代表 目标地址，广播方式则代表协议数据单元格式的扩展码，以增加可用广播方式发送的消息帧 的种类。29位ID的最后8位被定义为源地址(SA)，将各节点源地址定义在SAE J1939为未 来公路设备保留的地址区域128~167之间，并且避免了和整车通信网络源地址定义[10]的冲 突。另外，GSS1和GSS2是供气子控制器GSS发送的两帧消息，WHS1和WHS2是水热子控制器 WHS发送的两帧消息，ES1和ES2是电气子控制器ES发送的两帧消息，TAS1、TAS2、TAS3和 TAS4是温度采集节点发送的四帧消息，CVM1和CVM2是单片电压采集节点CVM发送的两帧消 息。由图5可以看出，每帧消息包含8个字节，消息的封装就是要将实际要传输的各种控制 命令、状态反馈信息打包放进每帧消息。图5中所有消息的封装是按照图2所示的信息交互 图进行的。
图6所示为燃料电池系统TTCAN网络消息矩阵。TTCAN网络消息矩阵包含了所有通讯信 息，在设计TTCAN网络消息矩阵时需要注意三个设计要素：系统逻辑，网络负载和控制频率。 系统逻辑具体是指各节点的控制算法必然与网络通讯存在一定的互动，因而存在一定的因果 关系和先后顺序，比如子控制器对关键控制量的控制需要由主控制器提出控制目标。那么主 控制器相应消息的发送需要先于子控制器的相应算法。在制订消息矩阵时不能破坏这种逻辑 关系。比较合适的CAN网络负载有利于兼顾网络通讯效率和通讯安全，消息矩阵内发送时间 窗的总长度与消息矩阵的比值应当被控制在一个合适的水平，同时，发送时间窗的间隔应尽 可能均匀，从而降低网络冲突的可能性。燃料电池系统对控制频率有一定的要求，因而相应 的消息发送的频率必须高于这个控制频率。图6所示的一个TTCAN网络消息矩阵实例中，在 系统逻辑方面，主控制器先发出控制指令，包含系统工作模式和对各个子控制器的具体控制 目标，各子控制器随即严格工作在此工作模式下，并将相应被控量按一定算法维持在控制目 标，随后和采集节点一起向主控制器进行状态反馈(即子控制器和采集节点的消息发送)，主 控制器根据新的状态反馈信息制订新的控制指令；在网络负载方面，由于同一个网络节点的 不同消息发送间显然不会发生网络冲突，因此将同一个网络节点的所有消息集中在一个独占 时间窗(发送时间窗)内发送，从而加大了不同节点发送时间窗之间的时间间隔，提高了网 络安全性。独占时间窗被设计为有一定的裕量，拥有两帧消息的节点发送两帧消息需要1.1ms， 而其独占时间窗长度为4ms，拥有四帧消息的节点发送两帧消息需要2.2ms，而其独占时间窗 长度为6ms。并且每两个独占时间窗都安排有4ms的空闲时间窗。燃料电池系统TTCAN网络 消息矩阵由4个基本循环组成，每个基本循环为50ms。一块单片电压采集单板完成一轮采集 一般需要80ms，加上单片电压采集TTCAN网络耗时，将单片电压统计节点向主控制器发送消 息的周期设为200ms为4个基本循环。其余节点的消息发送周期均为50ms。推荐设置的波特 率为250kBps，能够兼顾网络效率和网络安全。值得提出说明的是，标准TTCAN概念中除了 自由时间窗和独占时间窗外还安排了仲裁时间窗，网络中会有一些事件型消息并没有自己的 独占时间窗，而是被安排在仲裁时间窗内发送，一般事件型消息用于突发事件。但是考虑到 燃料电池系统中50ms的通讯周期(控制周期)对处理突发事件已经足够，并且在软件层实现 的TTCAN比真正意义上的TTCAN占用了较多的系统资源，不利于进行发送窗口的精确控制， 因此这里取消了仲裁时间窗。消息矩阵也可以根据需要设计为n个基本循环，n大于等于2， 单片电压统计节点接到主控制器的参考消息并向采集单板发布参考消息安排在第一个基本循 环，向主控制器发送数据则安排在最后一个基本循环，中间的参考消息则被忽略。
图7所示为单片电压采集TTCAN网络各帧消息的信息封装。单片电压采集TTCAN网络的 消息封装较为简单，以每个单片电压采集单板能采集124路单片电压信息为例，每帧消息封 装4片单片电压信息，则一个单片电压采集单板每次需要发送31帧消息：CVMS1～CVMS31。单 片电压统计节点发送的参考消息为空，不含任何数据，不需要进行封装。
图8所示为单片电压采集TTCAN网络消息矩阵。单片电压统计节点在收到主控制器发来 的基本循环1参考消息后立即发送单片电压采集TTCAN网络的参考消息，各采集单板随即启 动自身定时器，并根据相应的时间预设值由定时器启动31帧消息的连续发送。主控制器在基 本循环2和基本循环3的参考消息被单片电压统计节点忽略，主控制器的基本循环4的参考 消息将启动单片电压采集节点定时器，并在图6所示燃料电池系统TTCAN网络消息矩阵的相 应独占时间窗向进行消息发送。以基本循环4的参考消息启动单片电压采集节点定时器是为 了尽可能提高发送时刻精度，降低时漂。由于单片电压信号较多，因此其发送波特率可比燃 料电池系统TTCAN网络高，设置为500kBps。根据实验，每块单板以500kBps的波特率发送 31帧消息耗时在9ms之内，为每块单板开辟出12ms的发送时间窗，留有了3ms的裕量，由 于单片电压采集TTCAN网络消息种类较少、简单，因此3ms的裕量将足够保证网络安全，不 会发生冲突，故没有再设置空闲时间窗。并且在单片电压统计节点向主控制器反馈统计信息 和最后一块单片电压采集单板CVMS10发送完成之后，为单片电压统计节点内进行的单片电压 统计任务分配了10ms的时间段。图8中是以10块单片电压采集单板容量为例的，10块单片 电压采集单板能够采集1240路单片电压信号，一般来说已经足够。如果需要扩展，可在其后 的预留时间窗中继续加入发送时间窗。由此可见，单片电压采集节点既要作为单片电压采集 TTCAN网络的时间主控发送参考消息，也要作为燃料电池系统TTCAN网络的普通节点启动自 身定时器在相应时刻向主控制器进行消息发送。
在该网络结构中，主控制器要作为整车网络和燃料电池系统网络的网桥，单片电压统计 节点要作为燃料电池系统网络和单片电压采集网络的网桥，因此主控制器和单片电压统计节 点必须具有双CAN。并且这两个节点的运算量任务较大，可选用高端单片机。其余节点，包 括子控制器、采集节点和单片电压采集单板对运算能力的要求并不高，因此可选用低端单片 机。本专利的项目应用中分别使用了32位单片机MC68376和8位单片机C8051F040分别作为 高端和低端单片机。两种单片机均集成了CAN控制器，对MC68376以Intel82527外扩了一路 CAN控制器，使其胜任网桥的需要。8位单片机C8051F040采用了CIP-51内核，采用流水线 结构，峰值执行速率达25MIPS，并且集成度高，拥有丰富的I/O资源，代表了片上系统SoC (System on Chip)的发展趋势，非常适合用于对I/O资源要求较高的子控制器。
与现有技术比较，本发明所涉及的设计方法能够避免网络仲裁和冲突，提高网络安全性 和实时性，简化网络设计过程，从而可以更好的发挥燃料电池分布式控制系统的优势，加速 分布式控制系统的研究与开发。