（通信与信息系统专业论文）基于can总线的电池管理系统的设计.pdf

中文摘要 蓄电池组单体电池端电压、电流、温度的数据采集是实现电池管理系统的基 础。一方面，采集的底层数据是后续电池管理系统中估计和校正的重要参数；另 一方面，底层数据采集也为解决电池过充电、过放电等影响电池寿命的问题提供 必要的原始数据。 在详细研究- c a n 现场总线技术的基础上，本文提出了蓄电池组电压数据采 集系统的设计。主要是对基于c a n b u sv 2 0 协议的电池管理系统进行了研究，采 用模块化和结构化的思想，以v e r i l o gh d l 编程语言，在f p g a 上实现了对电池信 息的智能管理。电池管理器以智能管理芯片为核心，包括数据采集、充放电保护、 数据总线通信等部分，根据采集后的电池组内所有单体电池电压的数据以及智能 电源管理器的命令对电池组进行充放电保护控制，并通过标准通信接口与智能电 源管理器实现数据通信和控制指令的传输。 本文设计的电池管理系统具有如下特点： 1 实现了多节电池电压的数据采集。 2 利用f p g a 实现c a n 总线协议，方便高效、管脚配置灵活、对硬件资源 要求不高、测试效果好、系统可移植性强。 3 数据处理、数据通信和数字控制的功能集成。 4 实现对电池组电压的实时监控。 5 选用c a n - b u s v 2 0 协议作为通信协议，比较适合小型系统的底层操作。 关键词： 电池管理器；c a n 总线；智能管理；f p g a a b s t r a c t d a t ac o l l e c t i o no fv o l t a g e ，e l e c t r i c i t y ，t e m p e r a t u r ef r o mc e l li na c c u m u l a t o r i st h e b a s i co fa c h i e v i n gb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m o nt h eo d eh a n d ，t h ec o l l e c t e db o r o m d a t ai so n eo ft h ee s s e n t i a lp a r a m e t e r so fe s t i m a t i n ga n dp r o o f r e a d i n gi nl a t t e rb a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e m ；o nt h eo t h e rh a n d ，c o l l e c t i o no fb o s o m d a t ai su s e dt or e s o l v e t h ei s s u es u c ha se x c e s so fb a r e r yc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n ga f f e c t sb a t t e r yl i f e 。s p a n o nt h eb a s i so fr e s e a r c hi nc a n - b u st e c h n i q u e ，t h i st h e s i sp r o p o s e sd e s i g no f v o l t a g ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m i ns t o r a g eb a t t e r y t h ew o r ki ss t u d i n gb a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e mo nt h eb a s i so fc a n - b u sv 2 0p r o t o c o l ，a d o p t i n gt h eb l o c k i n g a n ds t r u c t u r e dw a y ，u s i n gv e r i l o gh d lp r o g r a ml a n g u a g ea n dr e a l i z i n gi n t e l l e c t i v e m a n a g e m e n to nf p g a s t h ec o r eo fb a t t e r ym a n a g e ri s i n t e l l e c t i v em a n a g e m e n t c m o sc h i p ，i n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i o n ，p r o t e c t i o no fc h a r g i n g a n dd i s c h a r g i n g ， c o m m u n i c a t i o no nd a t ab u sa n ds oo n t h ec o n t r o li np r o t e c t i o no fb a t t e r yc h a r g i n g a n dd i s c h a r g i n gr e s to na l lc e l lv o l t a g ec o l l e c t e dd a t ai nb a t t e r ya n dc o m m a n df r o m i n t e l l e c t i v ee l e c t r i c a ls o u r c em a n a g e r t h et r a n s m i s s i o no fd a t ac o m m u n i c a t i o na n d c o n t r 0 1i n s t m c t i o nt o i n t e l l e c t i v ep o w e rs u p p l ym a n a g e r i s t h r o u g h n o r m a l c o m m u n i c a t i o np o r t t h ef e a t u r e so ft h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mt h i s t h e s i sp r o p o s e da r ea s f o l l o w s ： 1 i m p l e m e n to f d a t ac o l l e c t i o no fs e v e r a lv o l t a g eb a t t e r y 2 u s i n gf p g ar e a l i z i n gc a n b u sp r o t o c o l ，c o n v e n i e n ta n de f f i c i e n t ，f l e x i b l e p i nc o n f i g u r a t i o n ，l o wd e m a n do fh a r d w a r er e s o u r c e ，g e tw e l lt e s t i n ge f f e c t , s y s t e mi st r a n s p l a n t a b l e 3 i n t e g r a t i o no fd a t ad i s p o s a l ，c o m m u n i c a t i o na n d c o n t r 0 1 4 i m p l e m e n ts u p e r v i s o r yc o n t r o lo fb a r e r yv o l t a g e i nr e a lt i m e 5 s e l e c t i n gc a n b u sv 2 0p r o t o c o la sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sa p p r o p r i a t e f o rb o t t o mo p e r a t i o no fm i n i t y p es y s t e m k e yw o r d s ：b a t t e r ym a n a g e lc a n b u s ，i n t e l l e c t i v em a n a g e m e n t ，f p g a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：撇 签字目期：力即 年6 月年日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁奎盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：茑观敏 导师签名：栅 签字日期：z 卯9 年6 月年日签字日期：力叼年6 月年日 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 蓄电池作为直流电源，对系统的安全可靠运行有着非常重要的作用。为了避 免蓄电池在长期使用中因质量问题出现故障而引发事故、带来经济损失，需要对 蓄电池进行实时在线监测。 随着科学技术的发展，特别是单片机和计算机在智能化控制方面的应用，以 及在变电站综合自动化系统等方面研究的深入，关于蓄电池的自动化检测问题也 提到日程上来。在国内，近几年以来，很多人开始对蓄电池的自动化检测进行研 究。 在韩国，有人研究光伏系统中的蓄电池状态的监测。蓄电池作为独立光伏系 统的能量的储存设备，可防止过度放电和过度充电，对延长整个系统的服务寿命 非常重要。蓄电池组的检测内容有：单电池电压、电池组电压、通过电池的电流 及电解液的比重等。每一个被选择的单电池电压使用一个便携式数据采集系统监 测。研究的监测系统不仅要监测以上这些内容，而且采用了一种“电流中断的技 术”，以测量电池组充电时电池的内电阻。根据单电压和电流的关系，通过连续 测量内部电阻了解电池的老化趋势。 国外有人研究v m s ( v r l ab a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m 阀控密封铅酸蓄电池 管理系统) 。这个管理系统不是简单的测量蓄电池，而是设计成具有管理和控制 蓄电池的功能。此系统的目的是改变蓄电池虬叵压充电”的方法。因为恒压充电 的方法不能满足不同蓄电池所需的不同充电电流。系统监测的内容包括：单电池 电压、电池内部温度、放电电流及放电过程中测量电池组总电压。v m s 系统中 包含了b m s ( b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m 电池管理系统) 。它是在线检测的基础 上对蓄电池进行分析，并进行管理和控制。这样更有利于对蓄电池的维护，延长 蓄电池使用寿命。 法国超声波信号处理技术研究所提出超声波对蓄电池进行测量，以便测定电 池的容量变化情况。他们已经在蓄电池中进行了实用性实验，并且取得了比较好 的效果o t j 。 蓄电池监测系统的自动化程度越来越高，集中监控也是蓄电池监测系统发展 的主要方向。考虑到c a n 总线有诸多优点，如通信速率高、通信方式灵活、通 第一章绪论 过写入数据到不同的寄存器，实现对系统的控制，严格的检错措施保证数据传输 可靠性等，同时现场总线技术也是自动化领域一个主要的发展方向，结合两种发 展趋势，提出了基于c a n 总线的电池管理系统的设计这一课题。将电池管 理器作为c a n 总线系统中的一个节点，和智能电源管理器通信，同时对蓄电池 电压进行实时监控。 1 2 课题意义 本文在蓄电池组单体电池端电压、电流、温度的数据采集的基础上，实现了 电池管理器和智能电源管理器的通信和蓄电池组单体电池端电压底层数据的监 控。重点是c a n 通信协议在电池管理器中的具体实现( 数据帧的发送、接收、 中断等) 和采集后的数据的分析处理( 比较、判断、控制等) 。电池管理器结合 自身状态一电池电压、电流、温度等指标( 视课题需要而定) 和智能电源管理 器的控制指令完成对蓄电池充放电保护的操作。从而，避免了电池过充电、过放 电等影响电池寿命的问题，同时积累了重要的原始数据。 用f p g a 实现c a n 总线协议，完成电池管理器的通信模块和充放电保护部 分的设计。利用了f p g a 方便高效、管脚配置灵活、对硬件资源要求不高、测试 效果好、系统可移植性强等优点。设计出的硬件系统是符合课题实际需要的，并 且可以及时修改。实现了数据处理、数据通信和数字控制的功能集成。 利用现有芯片也可以完成此类课题。相比之下，硬件资源不能被有效利用。 本文工作重点是数据采集之后的通信、数字控制部分，目的是提高电池管理器的 自动化、智能化程度。在硬件上实现电池管理器对蓄电池组状态的动态跟踪和监 控是最终目标。 1 3 课题来源和研究内容 本课题是中国电子科技集团公司第十八研究所的研究项目。中电十八所( 天 津电源研究所) 是目前国内规模最大、专业覆盖面最广的综合性化学与物理电源 研究机构。研究所在太阳电池、锂电池、锌银电池、热电池、氢镍电池、镉镍电 池、燃料电池、温差发电器和温差制冷组件、蓄电池和电子控制器构成的电源系 统等领域取得了显著成就，产品广泛用于航空、航天、通信、照明、信号、交通 家电、电动工具等领域。 本文设计的电池管理器运用在航天飞行器的电源系统中。课题测试对象是锂 电池蓄电池组。 2 第一章绪论 整个项目分几个阶段进行，本课题相关内容为该项目的第一阶段。课题的研 究内容主要是在对蓄电池组的电池基本参数电池端电压进行采集上传后，对 其进行管理、控制，设计简单的电池管理系统，并且为下一阶段电池管理系统算 法的实现提供原始数据和基础平台。该项目的工作有软硬件结合的内容，涉及 f p g a ，单片机，多通道的电压采集。最终要求达到一定的测试指标，硬件出板。 有代表性的完成一个智能节点的数据采集系统的设计。 本文的工作重点是完成基于f p g a 的电池管理系统中c a n 总线通信模块和 电池充放电保护模块的设计。本次设计的前提是数据采集已经完成，模块的输入 是采集后的电池电压数据。电池管理器的作用类似接口控制器，一方面将已经采 集到的电池组内所有单体电池电压数据发送到c a n 总线，另一方面接收智能电源 管理器的控制指令，同时还具备电池信息的实时监测、管理控制的功能，解决了 电池过充电、过放电影响电池寿命的问题。 电池管理器的电压保护判断和智能电源管理器的命令都会启动蓄电池充放 电保护执行机构，后者比前者的优先级高。 ， 本文对基于c a n b u s v 2 0 协议的电池管理系统进行研究if p g a 器件选用 x i l i n x 公司的v e r t e x 2 v p 3 0 ，使用的综合和仿真工具是i s e 9 2 ，编程语言使用 v e r i l o gh d l 。 1 4 章节安排 第一章主要介绍了本文课题的背景、意义、课题来源以及本文的主要工作。 第二章阐述了电池管理系统的组成、原理、设计思路和设计中的几点考虑。 第三章讲述c a n 总线原理，包括c a n 技术性能特点、c a n 总线系统的结 构原理以及c a n b u s v 2 0 协议。 第四章对c a n 接口控制器的内部结构以及b a s i c c a n 模式下各部分寄存器 功能做了简单介绍。 第五章对本次设计使用的语言，设计流程作了简单说明。 第六章介绍了基于f p g a 的电池管理器的通信模块和电池充放电保护部分 的硬件设计，采用c a n - b u s v 2 0 协议。 第七章对电池管理系统进行仿真分析，设计通信过程以验证其逻辑功能。包 括系统初始化、接收远程帧、发送电池信息、充放电保护、测试f i f o 状态。 第八章进行全文总结，并提出下一步的工作内容。 3 第二章电池管理系统设计方案 第二章电池管理系统设计方案 本文设计的电池管理器运用在航天飞行器的电源系统中。课题测试对象是锂 电池蓄电池组。本章介绍电池管理器的工作原理以及电池管理系统中通信模块和 充放电保护模块的设计方案。 2 1 电池管理器工作原理 电池管理系统以智能管理芯片为核心，由数据采集模块、充放电保护模块、 数据总线通信模块组成，实现电池组内所有单体电池电压、充放电电流的数据采 集、电池组充放电保护的控制，并通过标准通信接口与智能电源管理器实现数据 通信和控制指令的传输。原理图如图2 1 所示。 c a n 总 执行 图2 1 电池管理系统框图 第二章电池管理系统设计方案 c a n 总线的通信协议由c a n 通信控制器完成。c a n 通信控制器由实现c a n 总线协议部分和微控制器的电路组成。本章介绍用f p g a 实现c a n 通信控制器 的功能。 数据采集模块 数据采集模块由多路巡检开关和a i d 转换器构成，分为8 组受智能管理模 块的控制信号并行执行，每组又受地址信号控制，通过多路巡检开关顺序采样该 组的4 8 节电池电压。在某一时刻，8 个巡检开关采样到的电池组内某一个电池 的电压送入a d 转换器，8 组数据构成一个数据帧送入发送缓冲器。此过程完成 后，继续重复上述操作。 1 2 4 7 4 8 图2 2 数据采集示意图 如图2 2 所示，一个电池组中，所有的电池是串联的，4 8 节电池对应4 8 组 开关。巡检开关的位置是由地址译码器决定的。在某一时刻，巡检开关作用的一 节电池被选中，此时该电池电压信号被采样，送入a d 转换器，一次采集就完 成了。8 个电池组的信息汇集到一起，作为智能管理模块的输入信号。这些信息 是发送到总线上的数据帧中的有效数据。 对于一个电池组，每一时刻只可能有一节电池接入电路中，开关切换要及时， 这对采集模块的电路要求比较高。 电池充放电保护模块 电池充放电保护模块主要是蓄电池充放电保护执行机构。在智能管理模块接 收到数据采集模块的数据和智能电源管理器从总线发送过来的控制指令后，经过 第二章电池管理系统设计方案 判断直接决定是否输出保护信号。保护信号是直接作用于电池组的，和电池组的 充放电保护开关相连。如图2 3 所示。 图2 3 充放电保护电路示意图 r 充放电操作是对电池组中所有电池进行的。恒流源和放电电阻的设置视题目 要求而定。 正常情况下，在电池组内，充电保护和放电保护开关是闭合的，也就是充放 电是同时进行。当电池电压过高，蓄电池充放电保护执行机构输出充电保护信号， 充电保护开关打开，停止对电池组充电，电池组电压不再升高；当电池电压过低， 蓄电池充放电保护执行机构输出放电保护信号，放电保护开关打开，停止对电池 组放电，电池组电压不再降低。 电池组前一时刻的电压值作为是否启动充放电保护的依据，蓄电池充放电保 护执行机构的输出反馈给电池组，会影响到下一时刻的电压值。因此，形成了一 个闭环系统，从而电池组电压维持在正常范围内，实现了对电池组状态的动态跟 踪和实时监控。 智能管理模块 智能管理模块由f p g a 实现，具有采样数据的接收、判断、存储、转换、传 输和对数据采集模块的控制和地址译码功能。采用f p g a 实现使得采样数据能够 接收一组判断执行一组，以及接收一组发送到智能电源管理器一组，使得对电池 的控制具有较好的实时性。每一组由8 个电池电压数据构成，在传输时将这8 个 数据打包成一个数据帧，反映电池的采样电压值。 智能管理模块内部各个模块的执行受到微控制器的协调而并行执行。该模块 能接收到智能管理器转发的指令等其它信息，也能将储存到数据存储器的电池电 压发送到智能电源管理器中，进行事后分析，以此实现数据通信。 本文的设计重点是智能管理模块，也就是电池管理器，它是电池管理系统的 核心。智能管理模块的设计思路会在下一节详细说明。 6 第二章电池管理系统设计方案 2 2 系统设计思路 智能管理模块包括通信模块和电池充放电保护模块。智能管理模块的数据输 入是a d 采样后的数字信号，智能管理模块的设计是建立在数据采集的基础上， 数据采集部分不是本文考虑的重点。 本小节提出系统框架，具体内容详见第六章。 2 2 1c a n 总线通信模块 图2 4 电池管理器结构 电池管理器结构如图2 4 所示。c a n 通信模块相当于接口控制器，负责电池 管理器与智能电源管理器的通信。接收过程包括总线数据的采样，串并转换和存 储；发送过程包括写发送缓冲器，并串转换等。智能管理模块还负责错误管理， 对数据传输过程中出现的各种错误进行分析统计和故障界定，最终将错误情况反 映到错误帧，发送到总线上( 错误帧在数据帧之后) 。 智能管理模块包括位时序逻辑模块、寄存器控制模块和位数据流处理器模块 三部分。这三个模块是并行的关系，上电后，三个部分协同工作。位时序逻辑模 块从总线上的位数据流捕捉到同步信息( 硬同步或重同步) ，根据系统设置的波 特率、同步跳转宽度等，找到正确的采样位置，并且将采样值给位数据流处理器 进行处理；寄存器控制模块主要负责命令和数据的写入；位数据流处理器模块负 责存储接收到的总线位数据流，发送数据帧到总线上，同时及时反映出电池管理 器状态并且对电池管理器进行错误统计。 微控制器和接口控制器构成一个c a n 节点，智能电源管理器是c a n 总线 系统的另一个节点。电池管理器接收智能电源管理器的管理和控制。 第二章电池管理系统设计方案 微控制器是电池管理器和智能电源管理器之间的桥梁，既能接收到智能电源 管理器发出的指令，经过简单的分析、处理对电池组进行具体操作，也能将电池 电压发送到智能电源管理器中，从而实现数据通信。在本次设计中，微控制器只 是完成简单的数据传递。这部分的设计将作为今后工作的重点，根据工作实际需 要设计c a n 总线通信过程。 2 2 2 充放电保护模块 电池充放电保护模块是本次设计的另一个重要内容。这个模块负责电池电压 的判断、充放电保护执行以及报告错误信息。图2 5 为充放电保护模块内部结构 示意图。 来自f i f 0 图2 5 充放电保护模块内部结构示意图 采样后的8 组数据被送入寄存器控制模块的发送缓冲器，经过判断，如果电 压在正常范围内，将数据发送到总线；如果某一组电池电压超出系统限定的范围， 就把该组数据置零，同时，报告错误信息模块输出出错位置，表明8 个电池组中 哪一个出现异常。 电池管理器发出充放电保护信号，结合智能电源管理器的控制指令，经过综 合分析，启动蓄电池充放电保护执行机构，其输出信号控制充电保护和放电保护 开关。 智能电源管理器的控制指令和电池管理器发出充放电保护信号有可能同时 出现，前者优先级高于后者，如图2 5 所示。因为两个c a n 节点是主从的关系， 电池管理器接收智能电源管理器的管理和控制。当只有一组信号时，就不必考虑 优先级的问题了。 第二章电池管理系统设计方案 2 3 设计的几点说明 设计c a n 通信模块参考c a n b u s 2 0 协议的技术规范，考虑到课题要求，规 定如下： 1 由于电池管理系统中的两个节点是主从的关系，节省了总线冲突仲裁时 间。设计通信过程时，二者相互传递数据和控制信息。对于电池管理器，接收和 发送信息可能同时进行。在本次设计中，直接用延时将发送与接收隔开，避免了 两个节点的冲突。 2 智能电源管理器的控制指令和电池管理器发出充放电保护信号有可能同 时出现的条件是：读操作和写操作都执行过。对于数据发送过程，写数据到发送 缓冲器是必须的；而接收数据帧时，电池管理器会把指令信息存入f i f o ，只有 在读信号存在时，电池管理器才会将从指令信息中提取的充放电保护控制信号直 接作用于相应电池组。 3 本课题测试对象是锂电池蓄电池组，锂电池的电压范围是3 4 2 v 。由于 本次设计建立在数据采集的基础上，充放电保护模块的输入是经过a d 转换的， 所以电池信息判断部分的电压阈值表示成8 位二进制数。从采样，到a d 转换， 电压值会变化，所以电池信息判断部分的电压阈值也要经过换算，暂定为 “0 1 11 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 ”。 4 发送电池信息时，对于不符合电压阈值的电池组，直接将数据“0 0 0 0 0 0 0 0 ” 发送到总线。 5 智能电源管理器的指令信息作为蓄电池充放电保护执行机构的控制信号 之一，也是8 位数据，最高位为1 时，启动充电保护，为0 时，不启充电 保护；同理，最低位为1 时，启动放电保护，为0 时，不启放电保护。 9 第三章c a n 总线原理 第三章c a n 总线原理 c a n 总线是德国b o s c h 公司为汽车电气控制系统开发的一种有效支持分布式 控制和实时控制的串行通信网络。p h i l i p s ，i n t e l ，m o t o r o l a 等半导体制造商开发了支 持c a n 协议的集成器件，女1 8 2 5 2 6 ，s j a l 0 0 0 ，6 8 h c 0 5 x 1 6 等等。由于c a n 总线具有 较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高噪声环境，并具有较远的传输距离。 因此，c a n 协议对于许多领域的分布式测控很有吸引力，特别适合于小型分布式 测控系统，目前己在工业自动化、建筑物环境控制、机床、医疗设备等领域得到 较广泛的应用心j 。 3 1c a n 技术简介 c a n 全称为c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，即控制器局域网，c a n 总线是国际上 应用最广泛的现场总线之一。c a n 协议也是建立在国际标准化组织的开放系统 互连模型基础上的，不过其模型只有三层，即只取o s i 底层的物理层、数据链路 层和顶层的应用层。其信号传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。c a n 总线通信接口集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据 的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等。 另外，c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，可满 足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求；同时8 个字节不 会占用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。 c a n 卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计使其特别适合工业过程监控 设备的互连瞄j 。 3 2c a n 技术性能特点 c a n 属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特的设计， 与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的性能，以及可靠性、 实时性和灵活性。其特点可以概括如下： 1 c a n 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地 向网络上的其它节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活。利用这一特点也可 方便地构成多机备份系统。 第三章c a n 总线原理 2 c a n 网络上的节点( 信息) 可分成不同的优先级，满足不同的实时要求。 3 c a n 采用非破坏性总线裁决技术，当两个节点同时向网络上传送信息时， 优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数 据，大大节省了总线冲突裁决时间，最重要的是在网络负载很重的情况下也不会 出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 4 c a n 可以采用点对点、一点对多点( 成组) 和全局广播等几种传送方式接 收数据。 5 c a n 的直接通讯距离最远可达1 0 k i n ( 速率5 k b p s 以下) 。 6 c a n 的通讯速率最高可达1 m b p s ( 此时距离最长4 0 m ) 。 7 c a n 上的节点数实际可达11 0 个。 8 c a n 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，这样传输时间短，受 干扰的概率低，且具有极好的检错效果。 9 c a n 每帧信息都有c r c 校验和其它检错措施，保证数据出错率极低。 l o 通讯介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。 1 1 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭总线的功能，切断它与总线 的联系，使总线上的其它操作不受影响。 1 2 n r z 编码解码方式，并采用位填充技术化j 。 3 3c a n 总线系统的构成 c a n 总线是现场总线的一种，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串 行通信网络，隶属于控制网络范畴。由c a n 总线构成的控制网络结构一般由控 制器节点、传感器节点、执行器节点以及其它的监控节点如人机界面组成j 。 c a n 作为控制局域网能通过网关和其它网络互联构成大型复杂控制网络结构。 从控制器系统的角度来看，最小的控制系统是一个单回路的简单闭环控制系 统由一个控制器、一个传感器和一个执行器组成；以c a n 总线为基础的网 络控制系统也可以由多个互不关联的控制回路组成，它们共享一个控制网络 c a n 总线。 如图3 1 所示，c a n 这个局域网控制系统也可以作为整个大型控制系统的一 个子系统，这时，c a n 通过网关和整个系统建立联系h j 。 第三章c a n 总线原理 图3 1c a n 总线控制系统的结构 一个简单的c a n 总线系统主要由上位计算机和微控制器构成，包括通用个 人计算机和c a n 的接口( c a n 适配卡和若干个c a n 网络节点) 。 在有些具体的应用中，为了系统的可靠性以及整体设计的考虑还是分主节点 和从节点的，如图3 2 所示的系统，和多数的应用系统一样，上位机节点一般成 为系统的主节点。 主机 c a n 接口 1 2 0 f l1 2 0 f l - j c a n 接口c a n 接口 从机l从机2 图3 2 一种简单的c a n 总线系统 这个系统的原理是：主机( 主节点) 负责监控各个从机( 从节点) ，向从机 发布指令，并测数据：c a n 接口电路负责各节点的串行通信，两只1 2 0 f i 的电阻 作为c a n 线路的匹配电阻。 1 2 第三章c a n 总线原理 3 4c a n 总线系统的节点 c a n 总线上的节点一般是指挂在c a n 总线上的传感部件、执行部件或控制 器单元。c a n 总线是通过允许节点间对等的传播数据来实现网络通信的。节点 的微控制器和上位机之间的通信可以是单向的，也可以是双向的，在双向的传输 信息模式中，上位机可以通过节点传来的数据和状态值，进行报警或调整等反馈 措施。 由于c a n 总线收发器物理信号驱动能力的限制，在一个c a n 总线网络上， 最多可挂接11 0 个节点设备。 一般的c a n 节点的结构如图3 3 所示，它是一个计算机系统、通用p c 系统 或嵌入式处理器系统。其关键部分是c a n 网络控制器和c a n 总线收发器，由 它们来实现c a n 总线的物理层和数据链路层协议，和计算机系统就可以实现 c a n 网络的通信。如果计算机系统中嵌入了控制器算法，这个节点按照功能就 是控制器节点；同样，如果计算机系统( 一般是嵌入式微处理器系统) 带有传感 器接口，则这个节点就是智能传感器节点；如果节点是用来驱动执行器的，则这 个节点就是执行器接口。一个节点可以具有多种功能，如果带有输入输出接口并 带有控制器算法，那么就是一个完整的控制节点。 图3 3 常用c a n 节点结构 4 】 3 5c a n b u s v 2 0 协议介绍 3 5 1c a n 总线的相关概念 c a n 节点的层次结构如图3 4 所示。 物理层定义实际信号的传输方法。本技术规范没有定义物理层，以便允许根 1 3 第三章c a n 总线原理 据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 传输层是c a n 协议的核心。它把接收到的报文提供给对象层，以及接收来自 对象层的报文。传输层负责位定时及同步、报文分帧、仲裁、应答、错误检测和 标定、故障界定。 对象层的功能是报文滤波以及状态和报文的处理 副。 应用层 对象层 报文滤波 报文和状态的处理 传输层 故障界定 错误检测和标定 报文检验 应答 仲裁 报文分帧 传输速率和定时 物理层 信号电平和位表示 传输媒体 图3 4c a n 节点的层次结构 6 】 1 报文 总线上的信息以不同的固定报文格式发送，但长度受限( 见第3 节的报文传 输) 。当总线空闲时任何连接的单元都可以开始发送新的报文。 2 优先权 总线空闲时，任何单元都可以开始传送报文。具有较高优先权报文的单元可 以获得总线访问权。在总线访问期间，识别符定义一静态的报文优先权。 3 远程数据请求 通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。 4 仲裁 只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。如果2 个或2 个以上的单元同 时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用识别符的位形式仲裁可以 解决这个冲突。 第三章c a n 总线原理 仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平比较。如果 电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是一“隐性”电平而监视到一 “显性”电平( 见总线值) ，那么该单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。 5 错误检测 为了检测错误，必须采取以下措施： 监视( 发送器对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较) 循环冗余检查 位填充 报文格式检查 6 故障界定 c a n 节点能够把永久故障和短暂扰动区分开来。永久故障的节点会被关闭。 7 总线值 总线可以具有两种互补的逻辑值之一：“显性”或“隐性”。“显性”位和 “隐性”位同时传送时，总线的结果值为“显性”。比如，在执行总线的“线与” 时，逻辑0 代表“显性”等级，逻辑1 代表“隐i 生”等级。本技术规范不给出表示 这些逻辑电平的物理状态( 比如，电压、光) 。 8 应答 所有的接收器检查报文的连贯性。对于连贯的报文，接收器应答；对于不连 贯的报文，接收器作出标志。 9 睡眠模式唤醒 为了减少系统电源的功率消耗，可以将c a n 器件设为睡眠模式以便停止内部 活动及断开与总线驱动器的连接。c a n 器件可由总线激活，或系统内部状态而被 唤醒。唤醒时，虽然传输层要等待一段时间使系统振荡器稳定，然后还要等待一 段时间直到与总线活动同步( 通过检查1 1 个连续的“隐性”的位) ，但在总线驱 动器被重新设置为“总线在线”之前，内部运行已重新开始旧j 。 3 5 2 报文传输 报文传输由以下4 个不同的帧类型所表示和控制： 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。 错误帧：任何单元检测到一总线错误就发出错误帧。 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附 加的延时。 数据帧( 或远程帧) 通过帧间空间与前述的各帧分开哺j 。 第三章c a n 总线原理 由于本次设计中涉及数据帧和远程帧的概念比较多，所以本小节详细讲述数 据帧和远程帧。错误帧和过载帧作简单介绍。 1 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成，分别是：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、 c r c 场、应答场、帧结尾。数据场的长度可以为0 。 帧间空间 - 7 , 数据帧 - 帧间空间 ili 或超载帧 仲裁场j 控制场i 数据场 c r c 场l帧结束 帧起始 图3 5 数据帧结构 i ) 帧起始 帧起始标志数据帧和远程帧的起始，由一个单独的“显性”位组成。只在总 线空闲时，才允许站开始发送信号。所有的站必须同步于首先开始发送信息的站 的帧起始前沿( 参见3 5 6 小节“硬同步”) 。 2 ) 仲裁场 仲裁场包括识别符和远程发送请求位( r t r ) 。1 1 位识别符的发送顺序是从 i d 1 0 到i d 0 ，最低位是i d 0 。最高的7 位( i d 1 0 i d 4 ) 必须不能全是“隐性”。 r t r 位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性”。 3 ) 控制场 控制场由6 个位组成，包括数据长度代码( d l c ) 和两个将来作为扩展用的 保留位( r l 、r 0 ) 。所发送的保留位必须为“显性”。接收器接收所有由“显性” 和“隐性”组合在一起的位。4 位数据长度代码d l c 指示了数据场中字节数量。 4 ) 数据场 数据帧允许的数据字节数： 0 ，1 ，7 ，8 ) 。其他的数值不允许使用。( 其中， “d ”表示显性：“r ”表示隐性。) 数据场由数据帧中的发送数据组成。它可以 为0 8 个字节，每字节包含了8 个位，首先发送m s b 。 5 ) c r c 场 c r c 场包括c r c 序列，其后是c r c 界定符。 c r c 序列是由循环冗余码求得的帧检查序列最适用于位数低于1 2 7 位b c h 码 的帧。为进行c r c 计算，被除的多项式系数由无填充位流给定，组成这些位流的 成分是：帧起始、仲裁场、控制场、数据场( 假如有) ，而1 5 个最低位的系数是 1 6 第三章c a n 总线原理 0 。将此多项式被下面的多项式发生器除( 其系数以2 为模) ： x 1 5 + x h + 工1 0 + x 8 + 石7 + z 4 + 石3 + l公式( 3 1 ) 这个多项式除法余数就是发送到总线上的c r c 序列。 c r c 序列之后是c r c 界定符，包含一个单独的“隐性”位。 6 ) 应答场 应答场长度为2 个位，包含应答间隙和应答界定符。 在应答场里，发送站发送两个“隐性”位。所有接收到匹配c r c 序列的站会 在应答间隙期间用一“显性”的位写入发送器的“隐性”位来作出回答。 a c k 界定符是应答场的第二个位，并且是一个必须为“隐性”的位。 7 ) 帧结尾 帧结尾是用来界定数据帧和远程帧的标志序列，由7 个“隐性”位组成。 2 远程帧 总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。通过发送远程帧， 作为某数据接收器的站通过其资源节点对不同的数据传送进行初始化设置。 远程帧由6 个不同的位场组成： 帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场、帧末尾。 与数据帧相反，远程帧的r t r 位是“隐性”的。它没有数据场，数据长度代 码的数值是不受制约的( 可以标注为容许范围里0 8 的任何数值) 。 帧间空间 远程帧 - 帧间空间 iiili i 或超载帧 帧起始a c k 场 图3 6 远程帧组成 3 错误帧 错误帧由两个不同的场组成。第一个场用作为不同站提供的错误标志的叠 加。第二个场是错误界定符。 有两种形式的错误标志，主动错误标志和被动错误标志。主动错误标志由6 个连续的“显性”位“d d d d d d ”组成。被动错误标志由6 个连续的“隐性”的位 “r r r r r r ”组成，除非被其他节点的“显性”位重写。 第三章c a n 总线原理 图3 7 错误帧组成 检测到错误条件的“错误主动”的站通过发送主动错误标志，以指示错误。 错误标志的形式破坏了从帧起始至u c r c 界定符的位填充规则( 参见“编码”) ， 或者破坏了应答场或帧末尾场的固定形式。所有其他的站由此检测到错误条件并 与此同时开始发送错误标志。因此，“显性”位( 此“显性”位可以在总线上监 视) 的序列导致一个结果，这个结果就是把各个单独站发送的不同的错误标志叠 加在一起。 检测到错误条件的“错误被动”的站试图通过发送被动错误标志，以指示错 误。“错误被动”的站等待6 个相同极性的连续位( 这6 个位处于被动错误标志的 开始) 。当这6 个相同的位被检测到时，被动错误标志的发送就完成了。 错误界定符包括8 个“隐性”的位“”。 错误标志传送了以后，每一站就发送“隐性”的位并一直监视总线直到检测 出一个“隐性”的位为止。然后就开始发送7 位以上的“隐性”位。 4 过载帧 过载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符。 图3 8 过载帧组成 通常为了延时下一个数据帧或远程帧，两个过载帧都会产生。 过载标志由6 个“显性”的位“d d d d d d ”组成。过载标志的所有形式和主动 错误标志的一样。过载标志的形式破坏了间歇场的固定形式。因此，所有其他的 站都检测到一过载条件并与此同时发出过载标志。 过载界定符包括8 个“隐性”的位“肼肌”。 过载界定符的形式和错误界定符的形式一样。过载标志被传送后，站就一直 第三章c a n 总线原理 监视总线直到检测到一个从“显性”位到“隐性”位的发送( 过渡形式) 。此时， 总线上每一个站完成了过载标志的发送，并开始同时发送7 个以上的“隐性”位。 5 帧间空间 数据帧( 或远程帧) 与其前面帧的隔离是通过帧间空间实现的，无论其前面 的帧为何类型( 数据帧、远程帧、错误帧、过载帧) 。所不同的是，过载帧与错 误帧之前没有帧间空间，多个过载帧之间也不是由帧间空间隔离的。 帧间空间包括间歇场、总线空闲的位场。如果“错误被动”的站已作为前一 报文的发送器，则其帧空间除了间歇、总线空闲外，还包括称作挂起传送的位场。 3 5 3 编码 位流编码，帧的部分诸如帧起始、仲裁场、控制场、数据场以及c r c 序列， 均通过位填充的方法编码。无论何时，发送器只要检测到位流里有5 个连续识别 值的位，便自动在位流里插入一补码位。 数据帧或远程帧( c r c 界定符、应答场和帧末尾) 的剩余位场形式相同，不 填充。错误帧和过载帧的形式也相同，但并不通过位填充的方法进行编码。 其报文里的位流根据“不返回到零”( n l 屹) 之方法来编码。这就是说，在 整个位时间里，位电平要么为“显性”，要么为“隐性”? 。 3 5 4 错误处理 有以下5 种不同的错误类型( 这5 种错误不会相互排斥) 1 位错误 站单元在发送位的同时也对总线进行监视。如果所发送的位值与所监视的位 值不相符合，则在此位时间里检测到一个位错误。但是在仲裁场的填充位流期间 或a c k 间隙发送一“隐性”位的情况是例外的此时，当监视到一“显性”位 时，不会发出位错误。当发送器发送一个被动错误标志但检测到“显性”位时，