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一、 CAN總線簡(jiǎn)介

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)的簡(jiǎn)稱，是由德國(guó)BOSCH公司開發(fā)，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898），是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線屬于串行通信協(xié)議，支持高安全等級(jí)的分布式實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合，主要應(yīng)用于汽車、航天、電子等領(lǐng)域，具有高可靠性、實(shí)時(shí)性及靈活度高的特性。

二、 充電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)鏈路

充電系統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)鏈路有：監(jiān)控中心-監(jiān)控終端-充電機(jī)（或電池管理系統(tǒng)（BMS）、電動(dòng)汽車等），如圖1所示。監(jiān)控終端作為媒介，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控中心與充電機(jī)及電動(dòng)汽車的通信鏈路的建立。監(jiān)控終端通過CAN網(wǎng)絡(luò)與充電機(jī)、BMS及電動(dòng)汽車等相互通信，采集相關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息并存儲(chǔ)，并將相關(guān)信息反饋給充電機(jī)。充電機(jī)根據(jù)相關(guān)信息從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池的智能充電。終端與監(jiān)控中心之間是通過GPRS連接通信，終端將充電機(jī)、電池、電動(dòng)汽車等相關(guān)數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)充電機(jī)的遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，記錄充電機(jī)的運(yùn)行及故障情況。車主可以由監(jiān)控中心查詢了解當(dāng)前空閑的充電機(jī)位置，實(shí)現(xiàn)資源充分利用。

圖1 充電系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)鏈路圖

直流電源模塊作為充電機(jī)的“心臟”，其通過接收BMS下發(fā)的通訊指令實(shí)現(xiàn)電路控制、轉(zhuǎn)換，為汽車電池提供穩(wěn)定的能量輸出。充電機(jī)設(shè)備由多臺(tái)直流電源模塊并聯(lián)時(shí)，多臺(tái)電源模塊通信均掛靠在CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，其布線方式主要由手拉手型、T型分支連接和等長(zhǎng)星型連接。

1、手拉手總線網(wǎng)絡(luò)

在充電樁體內(nèi)部充電電源通信線纜由于分支存在一定的長(zhǎng)度，以及分支長(zhǎng)度的積累會(huì)造成總線上阻抗不連續(xù)，繼而產(chǎn)生信號(hào)反射的現(xiàn)象，所以最常用的是手拉手連接方式。如圖 2所示，為了保證通信的可靠性，起始端和末端的節(jié)點(diǎn)都需要加120Ω的終端電阻，不可只接一端或兩端均不接。

圖2 多電源模塊CAN總線手拉手型接線示意圖

2、T型總線網(wǎng)絡(luò)

在某些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和軌道機(jī)車，由于整體線纜非常多，為方便維護(hù)需要使用接線排（也稱之為T型總線網(wǎng)絡(luò)），所以這種CAN總線上的多個(gè)電源模塊通訊節(jié)點(diǎn)分支不可避免，如圖3所示，但這個(gè)分支長(zhǎng)度在最高波特率1M時(shí)最好小于30cm。

圖3 多電源模塊CAN總線T型接線示意圖

3、星型總線網(wǎng)絡(luò)

圖 4為多電源模塊CAN總線等長(zhǎng)星型接法，通過適當(dāng)調(diào)整每個(gè)電源模塊節(jié)點(diǎn)的終端電阻即可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，其中R=N×60Ω（N為分支數(shù)量，R為每個(gè)分支的終端電阻），注意每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須加終端電阻，不能在星型網(wǎng)絡(luò)的中心加任何電阻。而在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中很多場(chǎng)合無法做到等長(zhǎng)星型連接，這時(shí)需要使用CAN集線器來進(jìn)行分支，如圖5所示，但這無疑又增加了設(shè)備成本。

圖4多電源模塊CAN總線等長(zhǎng)星型接法

圖5 使用集線器進(jìn)行星型CAN分支接線示意圖

三、 CAN信號(hào)傳輸及信號(hào)狀態(tài)

發(fā)送過程： CAN控制器將CPU傳來的信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯電平。CAN發(fā)射器接收邏輯電平之后，再將其轉(zhuǎn)換為差分電平輸出到CAN總線上。

接收過程： CAN接收器將CAN_H 和 CAN_L 線上傳來的差分電平轉(zhuǎn)換為邏輯電平輸出到CAN控制器，CAN控制器再把該邏輯電平轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送到CPU上。

圖6 CAN信號(hào)傳輸路徑示意圖

CAN總線采用不歸零碼位填充技術(shù)，即CAN總線上的信號(hào)有兩種不同的信號(hào)狀態(tài)，分別是顯性的(邏輯0)和隱形(邏輯1)，信號(hào)每一次傳輸完后不需要返回到邏輯0(顯性)的電平。之所以把顯性電平定義為邏輯0，是因?yàn)镃AN收發(fā)器芯片在收到顯性電平時(shí)，芯片會(huì)在Rx腳輸出低電平，即邏輯0，這樣就實(shí)現(xiàn)了CAN差分電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換。

CAN信號(hào)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，這兩條導(dǎo)線上有預(yù)先設(shè)定值，這個(gè)值大約為2.5V。在顯性狀態(tài)時(shí)，CAN_H線上的電壓值會(huì)升高1V，而CAN_L線上的電壓值會(huì)降低同樣值1V。于是在CAN驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線上，CAN_H線就處于激活狀態(tài)，其電壓不低于3.5V，而CAN_L線上的電壓值最多可降至1.5V。因此在隱性狀態(tài)時(shí)，CAN_H線與CAN_L線上的電壓差為0V，而在顯性狀態(tài)時(shí)，CAN_H線與CAN_L線上的電壓差不低于2V。

圖7 CAN信號(hào)狀態(tài)

四、 BMS與充電模塊信息交互

BMS根據(jù)當(dāng)前車輛充電管理策略向充電模塊推送充電策略，主要包含預(yù)充電，恒流充電和恒壓充電三個(gè)階段。這三階段中，若監(jiān)測(cè)電池異常故障或電池能量充滿，BMS則立即發(fā)出停止充電命令。待充電模塊處于停止?fàn)顟B(tài)后，BMS則由停止充電命令改為發(fā)送握手命令。充電模塊接收到有效指令時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的充電參數(shù)響應(yīng)，同時(shí)回復(fù)相應(yīng)的有效報(bào)文。充電過程中，若充電模塊在一定時(shí)間內(nèi)未收到來自BMS的有效報(bào)文時(shí)，充電模塊由運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)，直至接收到總線有效報(bào)文后恢復(fù)充電狀態(tài)。另如果充電過程中充電模塊檢測(cè)到任何外部故障時(shí)（如電網(wǎng)電壓異常），充電模塊進(jìn)入停機(jī)保護(hù)模式，上報(bào)故障狀態(tài)信息，待外部故障消失后再根據(jù)BMS指令執(zhí)行充電動(dòng)作。

五、 CAN數(shù)據(jù)幀報(bào)文格式

CAN技術(shù)規(guī)范（Version2.0）包括2.0A和2.0B兩個(gè)版本。2.0A版本協(xié)議為11位標(biāo)識(shí)符（標(biāo)準(zhǔn)幀），2.0B版本在兼容11位ID標(biāo)識(shí)符的同時(shí)，向上擴(kuò)展到29位ID標(biāo)識(shí)符。圖8給出了CAN2.0A和CAN2.0B擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)格式?？梢钥闯?，其均由起始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域和校驗(yàn)域組成。其中，標(biāo)識(shí)符位于仲裁場(chǎng)中，報(bào)文接收節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)識(shí)符進(jìn)行報(bào)文濾波，數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度為 0~8 個(gè)字節(jié)，這種短幀結(jié)構(gòu)使得CANBUS實(shí)時(shí)性很高，特別適合汽車工業(yè)和工業(yè)控制應(yīng)用。

圖8 CAN2.0A和CAN2.0B報(bào)文格式

1、起始幀和結(jié)束幀

起始幀由單個(gè)顯性位（低電平）組成，總線空閑時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀起始，其他接收節(jié)點(diǎn)同步于該幀起始位。

結(jié)束幀由7個(gè)連續(xù)的隱形位（高電平）組成。

2、仲裁域

只要總線空閑，總線上的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可發(fā)送報(bào)文。如果總線上有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)均開始發(fā)送報(bào)文，那么就會(huì)由仲裁域的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行逐位仲裁的方式進(jìn)行處理。

CAN總線控制器在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)監(jiān)控總線電平，若電平不同，則停止發(fā)送數(shù)據(jù)，若該位位于仲裁段，則退出總線競(jìng)爭(zhēng)。如果位于其它段，則產(chǎn)生錯(cuò)誤事件。

幀ID越小，優(yōu)先級(jí)越高。由于標(biāo)準(zhǔn)幀的IDE位為顯性電平，擴(kuò)展幀的IDE位為隱形電平，對(duì)于前11位ID相同的標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，標(biāo)準(zhǔn)幀優(yōu)先級(jí)比擴(kuò)展幀高。

3、控制域

控制段共6位，標(biāo)準(zhǔn)幀的控制段由擴(kuò)展幀標(biāo)志位IDE、保留位r0和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼DLC組成；擴(kuò)展幀控制段則由IDE、r1、r0和DLC組成。

4、數(shù)據(jù)域

一個(gè)數(shù)據(jù)域由0-8個(gè)字節(jié)組成，這種緊湊型結(jié)構(gòu)使得CAN實(shí)時(shí)性很高，抗擾能力強(qiáng)。

5、校驗(yàn)域

校驗(yàn)域由CRC校驗(yàn)值和ACK組成。CRC校驗(yàn)值存放于CRC段，是由15位CRC值和1位CRC界定符組成。ACK由1位ACK槽和ACK界定符組成，當(dāng)一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)接收的幀起始到CRC段之間的內(nèi)容沒發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，它將在ACK槽發(fā)送一個(gè)顯性電平。

六、 現(xiàn)場(chǎng)通信故障常見問題剖析

• 終端電阻選取不合適

  CAN總線兩端終端電阻阻值推薦使用120歐姆。

• 多機(jī)CAN線連接方式

  多模塊并機(jī)時(shí)CAN線連接方式推薦“手拉手”方式，且每個(gè)電源模塊通信雙絞線與CAN總線線纜距離越短越好。

• 電源模塊地址沖突

  同一CAN總線上的多機(jī)電源模塊地址必須獨(dú)立。當(dāng)前主流廠家電源模塊地址可通過面板按鍵、撥碼和通信等方式進(jìn)行設(shè)置。

• 通信線纜接觸松脫

  電源模塊通信線纜與CAN總線接插件接觸牢靠穩(wěn)定。

• 報(bào)文識(shí)別錯(cuò)誤

  電源模塊與充電樁通信協(xié)議不匹配，按照規(guī)定的通信協(xié)議調(diào)整。

• 通信報(bào)文丟失

  電源模塊若在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)未接收到有效報(bào)文時(shí)，電源模塊會(huì)進(jìn)入待機(jī)保護(hù)模式，待接收到總線有效報(bào)文后電源模塊重新被激活。