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一、 CAN總線簡介
CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)的簡稱，是由德國BOSCH公司開發(fā)，并最終成為國際標準（ISO 11898），是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線屬于串行通信協(xié)議，支持高安全等級的分布式實時控制場合，主要應(yīng)用于汽車、航天、電子等領(lǐng)域，具有高可靠性、實時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（或電池管理系統(tǒng)（BMS）、電動汽車等），如圖1所示。監(jiān)控終端作為媒介，實現(xiàn)了監(jiān)控中心與充電機及電動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、BMS及電動汽車等相互通信，采集相關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)信息并存儲，并將相關(guān)信息反饋給充電機。充電機根據(jù)相關(guān)信息從而實現(xiàn)電動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、電池、電動汽車等相關(guān)數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控中心實現(xiàn)對充電機的遠程控制和實時監(jiān)控功能，記錄充電機的運行及故障情況。車主可以由監(jiān)控中心查詢了解當前空閑的充電機位置，實現(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的“心臟”，其通過接收BMS下發(fā)的通訊指令實現(xiàn)電路控制、轉(zhuǎn)換，為汽車電池提供穩(wěn)定的能量輸出。充電機設(shè)備由多臺直流電源模塊并聯(lián)時，多臺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度，以及分支長度的積累會造成總線上阻抗不連續(xù)，繼而產(chǎn)生信號反射的現(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)場和軌道機車，由于整體線纜非常多，為方便維護需要使用接線排（也稱之為T型總線網(wǎng)絡(luò)），所以這種CAN總線上的多個電源模塊通訊節(jié)點分支不可避免，如圖3所示，但這個分支長度在最高波特率1M時最好小于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總線等長星型接法，通過適當調(diào)整每個電源模塊節(jié)點的終端電阻即可實現(xiàn)組網(wǎng)，其中R=N×60Ω（N為分支數(shù)量，R為每個分支的終端電阻），注意每個節(jié)點必須加終端電阻，不能在星型網(wǎng)絡(luò)的中心加任何電阻。而在現(xiàn)實應(yīng)用中很多場合無法做到等長星型連接，這時需要使用CAN集線器來進行分支，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總線等長星型接法
圖5 使用集線器進行星型CAN分支接線示意圖
三、 CAN信號傳輸及信號狀態(tài)
發(fā)送過程： CAN控制器將CPU傳來的信號轉(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)的信號發(fā)送到CPU上。
圖6 CAN信號傳輸路徑示意圖
CAN總線采用不歸零碼位填充技術(shù)，即CAN總線上的信號有兩種不同的信號狀態(tài)，分別是顯性的(邏輯0)和隱形(邏輯1)，信號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，是因為CAN收發(fā)器芯片在收到顯性電平時，芯片會在Rx腳輸出低電平，即邏輯0，這樣就實現(xiàn)了CAN差分電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換。
CAN信號在靜止狀態(tài)時，這兩條導(dǎo)線上有預(yù)先設(shè)定值，這個值大約為2.5V。在顯性狀態(tài)時，CAN_H線上的電壓值會升高1V，而CAN_L線上的電壓值會降低同樣值1V。于是在CAN驅(qū)動數(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，CAN_H線與CAN_L線上的電壓差為0V，而在顯性狀態(tài)時，CAN_H線與CAN_L線上的電壓差不低于2V。
圖7 CAN信號狀態(tài)
四、 BMS與充電模塊信息交互
BMS根據(jù)當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階段。這三階段中，若監(jiān)測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狀態(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，執(zhí)行相應(yīng)的充電參數(shù)響應(yīng)，同時回復(fù)相應(yīng)的有效報文。充電過程中，若充電模塊在一定時間內(nèi)未收到來自BMS的有效報文時，充電模塊由運行狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機狀態(tài)，直至接收到總線有效報文后恢復(fù)充電狀態(tài)。另如果充電過程中充電模塊檢測到任何外部故障時（如電網(wǎng)電壓異常），充電模塊進入停機保護模式，上報故障狀態(tài)信息，待外部故障消失后再根據(jù)BMS指令執(zhí)行充電動作。
五、 CAN數(shù)據(jù)幀報文格式
CAN技術(shù)規(guī)范（Version2.0）包括2.0A和2.0B兩個版本。2.0A版本協(xié)議為11位標識符（標準幀），2.0B版本在兼容11位ID標識符的同時，向上擴展到29位ID標識符。圖8給出了CAN2.0A和CAN2.0B擴展幀數(shù)據(jù)格式?？梢钥闯觯渚善鹗加?、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域和校驗域組成。其中，標識符位于仲裁場中，報文接收節(jié)點通過標識符進行報文濾波，數(shù)據(jù)域的長度為 0~8 個字節(jié)，這種短幀結(jié)構(gòu)使得CANBUS實時性很高，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報文格式
1、起始幀和結(jié)束幀
起始幀由單個顯性位（低電平）組成，總線空閑時，發(fā)送節(jié)點發(fā)送幀起始，其他接收節(jié)點同步于該幀起始位。
結(jié)束幀由7個連續(xù)的隱形位（高電平）組成。
2、仲裁域
只要總線空閑，總線上的任意一個節(jié)點均可發(fā)送報文。如果總線上有兩個或兩個以上的節(jié)點均開始發(fā)送報文，那么就會由仲裁域的標識符進行逐位仲裁的方式進行處理。
CAN總線控制器在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時監(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，則退出總線競爭。如果位于其它段，則產(chǎn)生錯誤事件。
幀ID越小，優(yōu)先級越高。由于標準幀的IDE位為顯性電平，擴展幀的IDE位為隱形電平，對于前11位ID相同的標準幀和擴展幀，標準幀優(yōu)先級比擴展幀高。
3、控制域
控制段共6位，標準幀的控制段由擴展幀標志位IDE、保留位r0和數(shù)據(jù)長度代碼DLC組成；擴展幀控制段則由IDE、r1、r0和DLC組成。
4、數(shù)據(jù)域
一個數(shù)據(jù)域由0-8個字節(jié)組成，這種緊湊型結(jié)構(gòu)使得CAN實時性很高，抗擾能力強。
5、校驗域
校驗域由CRC校驗值和ACK組成。CRC校驗值存放于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，當一個接收節(jié)點接收的幀起始到CRC段之間的內(nèi)容沒發(fā)生錯誤時，它將在ACK槽發(fā)送一個顯性電平。
六、 現(xiàn)場通信故障常見問題剖析
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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。
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多機CAN線連接方式
多模塊并機時CAN線連接方式推薦“手拉手”方式，且每個電源模塊通信雙絞線與CAN總線線纜距離越短越好。
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電源模塊地址沖突
同一CAN總線上的多機電源模塊地址必須獨立。當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行設(shè)置。
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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。
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報文識別錯誤
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。
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通信報文丟失
電源模塊若在一定時間內(nèi)連續(xù)未接收到有效報文時，電源模塊會進入待機保護模式，待接收到總線有效報文后電源模塊重新被激活。
