【《锂电池监控平台的CAN通信协议设计案例》3800字】

锂电池监控平台的CAN通信协议设计案例在PC端监控平台的设计中，CAN通信是实现PC端平台与电池管理系统连接的最重要的通信方式，互相之间都遵循相同的协议进行数据的传输，因此需要对CAN总线这种通信方式进行了解，才能更好地加以应用。1.1CAN总线概述CAN总线（控制器局域网ControllerAreaNetwork）是在上世纪80年代初由德国博世公司开发的，最初开发的目的是解决其汽车内部的电子器件之间的实时通信问题。CAN总线最初被开发时，定位就是汽车内部的现场总线，有着实用性强、可靠性高，传输速度快等非常多的优点，自上世纪90年代就开始在汽车电子行业内逐步得到推广，目前已经成为世界范围内汽车电子行业首选的通信方式，除此之外，在工业生产、医疗设备、楼宇设施、交通运输等各种各样的领域中得到了非常普遍的应用。CAN2.0版本是飞利浦公司在1991年推出的新版本，这个版本包括了2.0A和2.0B两部分，其中2.0A部分是参照1.2版本中CAN的报文格式来进行定义的，而另一部分2.0B版本则定义了两种报文形式：标准报文和扩展报文，其中标准报文有11位标识符，扩展报文有29位标识符。1993年，CAN总线的国际标准ISO11898和ISO11519由ISO/TC22技术委员会推出。1994年美国汽车工程师协会选择CAN总线作为J1939标准的基础，并于2000年推出了J1939协议，这个协议自此成为了货车与客车CAN总线的通用高层协议。为了兼顾设计的透明性和执行的灵活性，CAN总线遵循ISO/OSI的标准模型，将结构划分为两层:物理层和数据链路层(包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC)。其中，逻辑链路控制子层为数据传递和远程数据请求提供服务;媒体访问控制子层的功能主要是传送规则,即进行帧结构的控制、执行仲裁、错误检验、出错标定和故障界定。总线结构如图1.1中所示。图1.1CAN总线分层结构及功能1.2CAN总线的特点CAN总线最大的结构特点是多主工作方式，即连接在CAN总线上的设备在总线上都可以视作平等的节点来进行数据传输，依据这个结构特点及CAN总线物理特性、数据帧特点，可以引申出很多CAN总线的优点，例如：CAN总线上各个节点之间地位平等，任意两个节点之间可以在任意时刻进行数据传输，不分主从的关系，电池管理系统中的分布式主从结构中的主和从是根据主控板和从控板的功能来进行划分的，而非通过CAN总线上节点的地位来分。CAN总线上连接了很多节点，若这些节点都同时进行数据传输，会有CAN总线上网络拥挤的状况出现。为了避免这种情况的出现，CAN总线采用了非破坏性的冲裁技术，CAN总线会给网络节点安排优先级顺序，多歌节点同时发送信息的时候，就按照优先级顺序来进行通信，这样既协调和满足了各个节点的实时性要求，又节省了总线冲突仲裁的时间，有效地避免了网络瘫痪。由于CAN总线上各节点之间可以自由传递信息，所以各点之间可以采用点对点传播、一点对多点传播或是全域广播的方式来进行数据传输。但接收的时候一个节点同一时刻只能接收和解析一个节点传来的信息，因此无法使用多点对一点的传输方式。通信速率很高，40米范围内最高可以达到1Mbps的传输速率，传输距离远，最远可以达到10km，但传输距离最远时传输速率在5kbps以下。CAN总线上进行通信时收发的数据帧为短帧结构，这种结构可以使得信息传递所用时间更短，占用的总线资源更少，抗干扰的能力更强，而且有更好的检错效果。CAN总线上的节点在传输出现严重错误的情况时，可以自动关闭输出的功能，脱离CAN总线通信网络，以免对总线上其他节点造成影响和干扰。综上，CAN总线的传输方式有很多实用性较强的优点，非常符合实际生产中的硬件通信需求，因此，CAN总线在现场生产的模式中得到了十分广泛的应用。1.3CAN总线帧的格式与类型1.1.1CAN总线帧的类型CAN总线协议使用四种类型的帧来实现数据传输，分别是：数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。数据帧的作用是将发送节点需要向接收节点传输的数据传送到CAN总线上；远程帧是发送节点需要远程传输数据时用于发送远程请求的；错误帧是节点在监测到错误的时候发送出的错误声明；过载帧的作用是在帧之间提供附加延时，这个附加延时可以使帧的发送顺序有先后，以保证两个帧都能正确发送而不互相干扰。每种类型的帧都是由集中不同类型的位场组合而成的，此处的位场指具有相同功能的位组成的信息区域，位可以是一个或几个。1.1.2CAN数据帧结构数据帧是用来传输数据的帧，由7个位场组成：帧起始位场、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结尾。帧格式的结构如图1.3中所示：图1.3CAN通信帧的格式图1.4CAN通信帧的仲裁场结构数据帧的主要结构有：帧起始：是数据帧开始的标识，由单个显性位构成，在总线空闲的时候向总线发送数据，来与总线进行同步。仲裁场：由11个标识符位(ID10～ID0)和远程发送请求位(RTR)组成，远程请求RTR位用显性位来表示数据帧，隐性位来表示远程帧。标识符位的11位中，由高位到地位依次发送，需注意的是前7位（即ID10~ID4）不可以全为隐性位。标志符表示了传送报文和访问总线的优先权信息，标志符的数值越小，优先权越高，在数据传输过程中发生冲突时，标识符小的优先进行发送。控制场：由6位构成，前2位为保留位，为显性位，后4位为数据长度码(DLC)，表示数据场中数据的字节数，必须在0～8范围内变化;数据场：由需要被发送数据组成，数目为控制场中决定的0～8个字节，第一个字节的最高位优先进行发送；CRC场：包括15位的循环冗余码校验(CRC)序列和CRC界定符(1个隐位)，CRC场的作用是对数据帧的帧校验；ACK场：由应答间隙和应答界定符组成，共两位；帧结束：由7位隐性位组成，此期间无位填充。1.4CAN通信协议的拟定CAN数据帧虽有固定的格式和长度，但是在使用CAN总线结构设计电池管理系统时可以自行拟定CAN数据帧中的各位所代表的含义，只要连接在CAN总线上的各个节点都遵照此规定来进行编码和解码，即可实现CAN总线的数据传输。本节将详细该PC端平台项目中使用的CAN通信协议数据帧的定义，根据上一小节中介绍的数据帧组成结构，可知此小节中主要对数据场的定义进行解释。电池电压信息：每四个单体电池为1个小单元，每个单元的帧长度为８个字节，该单元中每个电池的电压信息占用两个字节，各电池电压信息开始的字节数依此为1、3、5、7。由于锂电池化学性能的限制，正常的锂电池单体电压在0~5V之间，两个字节共16位二进制数，最多可表示65536种状态，因此可以在0~5V间将电压信息精确到0.001V。一个电池组中串并联了16个单体电池，因此一个电池箱需要32字节来传输电池信息。温度信息：在监测过程中需要对三个温度点进行测量，使用３字节长度的信号来表示温度信息，以１℃为单位，每个温度点的温度区间为-40℃~110℃，其中由于进制转换后，数字区间为0~255，因此需要在解码的时候人为加上-50℃的温度偏移，才符合电池的实际工作温度。均衡信息：总长度为8个字节，分为均衡模块检测值和压差值两个部分均衡模块的检测：又分为上电低组均衡模块检测和上电高组均衡模块检测，每个模块长度为2个字节。两个字节中，1bit用于表示通道的开/闭状态；1bit用于表示均衡电流模块的状态；剩下的长度中8bit，在上电低组中分别表示1~8号均衡通道的状态是开启或闭合状态，在上电高组中分别表示9~16号均衡通道的开启或闭合状态；最后剩下的6bit用作保留位，以方便增加别的测量值。压差值：又分为低组压差和高组压差值，长度各位2个字节，与上文中的表示方法相同，以0.001V为单位表示0~5V的电压值。状态信息1：总长度为3个字节，其中有两种类型的参数压差过大预警：压差过大报警只有正常和预警两种状态，长度为1bit，00表示正常，01表示预警，只需要占用1bit长度即可将所有状态进行表示。分等级型参数：如电压过高、温度过高等需要对不同的状态进行分级预警的参数，其长度为2bit，可表示四种状态，00表示正常，01表示预警，10表示保护，11则根据参数本身的性质和具体使用情况置为极高、极低或成为保留位。状态信息2：总长度为8个字节，其中各个字节所表示的信息如下是/否型判断参数：如采集芯片配置失败、采集芯片工作异常等只有是或否两种状态的参数，每个参数长度为1bit，00表示一个状态，01表示另一个状态，只需要占用1bit长度即可将所有状态进行表示。均衡电池编号：均衡电池编号1和均衡电池编号2各用1个字节表示，表示1~16号单体电池的号数，只需要用到1个字节就足够。分等级型参数：如电池温度过高、充电电池温度过高等需要对不同的状态进行分级预警的参数，其长度为2bit，可表示四种状态，00表示正常，01表示预警，10表示保护，11则根据参数本身的性质和具体使用情况置为极高、极低或成为保留位。箱体产品码：其中每个从控箱编码为1个字节，1~8号从控箱总长度共8个字节，9~16号从控箱总长度为8个字节，外加电池箱箱体总长度3个字节。设置参数的定义：读取电池箱产品序列号：长度为1个字节，其中0xFE表示读取主控箱产品码；0xFC表示读取通信码；0xFB表示读取电池箱产品码；其他位作为保留。电池箱均衡模块检测：为发送的强制均衡指令，长度为1个字节，其中1~16表示分别打开1号~16号单体主动均衡通道；17~32表示分别打开1号~16号单体被动均衡通道；0xFE表示关闭1号~8号低组均衡模块；0xFF表示关闭9号~16号高组均衡模块；其他位作保留。电池箱电流校准值设置：长度为2个字节，以1bit表示0.1A，最多设置到6551.6A。电池箱电流校准值状态：长度为1个字节，但只需两位，00表示校准成功，01表示校准失败。极值电压设置：分别有最高电压和最低电压的设置