基于 CAN 总线的锂离子蓄电池管理系统通信网络研究

基于CAN总线的锂离子蓄电池管理系统通信网络研究肖林京袁岳明臣袁李洪宇袁常龙袁张玉龙（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590）摘要院为保证锂离子蓄电池在使用过程中的高可靠性，需对电压、电流、温度等参数进行实时监测。该文设计一种基于CAN2.0B协议的锂离子蓄电池管理系统通信网络，采用iCoupler磁隔离技术完成网络通信接口的硬件电路设计，并对CAN通信网络内报文数据格式及扩展标识符的分配方法做统一规定，在此基础上完成系统软件设计。通过现场测试，结果显示报文以60ms为周期在整个CAN通信网络中准确、不间断地传输，符合锂离子蓄电池管理系统对于实时性和可靠性的要求。关键词院CAN总线；锂离子蓄电池管理系统；通信网络；iCoupler磁隔离中图分类号院TP336曰TM912.9曰TM919.2曰TP311.56文献标志码院A文章编号院1674-5124渊2014冤04-0006-04ResearchofcommunicationnetworkforlithiumionbatterymanagementsystembasedonCANbusXIAOLin-jing，YUEMing-chen，LIHong-yu，CHANGLong，ZHANGYu-long（CollegeofMechanicalandElectronicEngineering，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China）Abstract:Inordertosatisfytherequestofhighreliabilityinusinglithiumionbattery，monitoringvoltage，currentandtemperatureofbatteriesinrealtimeisnecessary.AcommunicationnetworkbasedontheprotocolsofCAN2.0Binlithiumionbatterymanagementsystemwasdesigned.WiththetechnologyofiCouplermagneticisolation，thehardwarecircuitofcommunicationnetworkinterfacewasdesigned.Andalso，basedontheuniformdataformatanddistributionmethodofextendedidentifierincommunicationnetwork，thesoftwarewasdesigned.TheauthorstestedtheCANbuscommunicationnetworkonsite.Theresultsarethatmessagesfor60ms-cycletransmituninterruptedlyandaccuratelyinthecommunicationnetwork.ThetestresultsshowthatthedesignofthecommunicationnetworkbasedontheCANbuscanmeettherequestofhighreal-timeandreliabilityinlithiumionbatterymanagementsystem.Keywords:CANbus；lithiumionbatterymanagementsystem；communicationnetwork；iCouplermagneticisolation收稿日期院2013-12-03曰收到修改稿日期院2014-02-16基金项目院山东省科技发展计划项目（2012GSF11606）作者简介：肖林京（1966-），男，山东沂水县人，教授，博士生导师，主要从事煤矿机电一体化、煤矿新能源车辆方面的研究。0引言能源短缺与环境污染的日益严重，使得以传统能源作为动力源的设备已经不能满足现代化生产的需要。相比铅酸、镍氢电池，锂离子蓄电池是目前理想的新一代绿色能源，具有循环寿命长、能量密度高和环保的优点[1]。在已投入市场的蓄电池电机车中，很少有以锂电池作为动力电源，在欧美一些发达国家中，由于受锂电池技术水平的制约，锂电池在电机车上的应用也一直停留在论证阶段。随着近几年来大容量锂离子蓄电池研发和应用取得了长足的技术突破，国内外锂电池电机车的开发迎来了新的热潮[2]。中国测试CHINAMEASUREMENT&TESTVol.40No.4July，2014第40卷第4期2014年7月doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.002第40卷第4期单体锂电池性能上的差异以及在使用过程中对自身电压、电流、温度等参数实时性的要求，使得通信网络的设计成为了锂离子蓄电池管理系统中的核心技术，能够保证整个电源管理系统实时、高效的运行[3]。本文设计了一种基于CAN总线的锂离子蓄电池管理系统的通信网络，在对整个电源系统通信过程测试和分析的基础上，验证基于CAN总线的通信网络设计符合锂离子蓄电池管理系统对于数据传输实时性和可靠性的要求。1CAN网络的锂离子蓄电池电源管理系统总体设计锂离子蓄电池管理系统对于实时性和稳定性都有严格要求。在该系统中节点间的数据通信是最基础的，因此在选择数据总线时实时性以及稳定性是首要考虑的因素[4]。CAN总线是一种高性能、高可靠性、易开发和低成本的现场总线，为本通信网络实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持[5]。本设计的通信方案要求数据以60ms为周期在通信网络回路中不间断地准确传递，通信速率选为400kb/s，分布距离小于50m。本文设计的锂离子蓄电池管理系统中有3类CAN总线网络通信接口，分别是总成控制器CAN通信接口、模块控制器CAN通信接口以及液晶显示模块CAN通信接口，整个通信网络结构如图1所示。液晶显示模块主要用来接收来自模块控制器和总成控制器的数据信息，完成数据的显示功能。模块控制器主要由电压采集单元、电流采集单元和温度测量单元构成，主要完成电压、电流和温度信息采集，并将所获得的数据信息通过CAN总线传输给总成控制器和液晶显示模块。总成控制器由各监控单元构成，主要完成各种状态、故障的监视，模块控制器的控制、调节功能。总成控制器经CAN总线与模块控制器和液晶显示模块进行通信，实现对整个电源系统的监测、管理和控制等功能。2CAN通信网络硬件电路设计在CAN总线通信网络的硬件设计中，最为重要和核心的是CAN控制器的选取、CAN收发器的选取以及信号在传输过程中的隔离技术[6]。本文设计的CAN通信网络采用意法半导体公司的STM32F103系列芯片自带的CAN控制器。该控制器是基于ARM的32位微控制器，其内部的CAN接口兼容规范2.0A和2.0B(主动)协议，位速率高达1Mb/s。它可以接收和发送11位标识符的标准帧，也可以接收和发送29位标识符的扩展帧。具有3个发送邮箱和2个接收邮箱，3级14个可调节的滤波器，其用法灵活可靠，能够满足系统进一步扩展的需要。将PCA82C250作为CAN收发器，它是CAN控制器和物理传输线路之间的接口，与ISO11898标准完全兼容。其芯片内部具有限流电路，能够保护收发器输出级，避免阳极和阴极短路。采用双线差分驱动，提高对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，有助于抑制恶劣电器环境下电流的瞬变，使总线具备很强的抗瞬间干扰能力[6]。传统的CAN总线隔离采用的是光电耦合器技术,使用光束来隔离和保护检测电路，但是其不稳定的电流传输速率、非线性的传输函数、温度和使用寿命等方面的问题都制约着其在更高要求环境中的应用[7]。本文设计的CAN网络采用的隔离芯片ADuM1201[7]，是基于亚德诺半导体（ADI）公司iCoupler磁隔离技术的双通道数字隔离器，采用了高速CMOS工艺和芯片级的变压器技术来集成变压器驱动和接收电路，由于其取消了光电耦合器中影响效率的光电转换环节，无需驱动LED的外部电路，因此其功耗仅为光电耦合器的1/50~1/10，数据传输速率和时序精度是光电耦合器的10倍。同时，ADUM1201的电源电压为2.7耀5.5V，从而进一步降低系统的功耗，并且能够在一个芯片内提供两个高度匹配的方向相反的隔离通道,这样大大简化了硬件连接线路[8]。图2给出了CAN总线通信接口硬件设计电路。ADuM1201的1、4引脚和5、8引脚之间各自加一个旁路电容，滤除高频噪声和高频杂波，2、3引脚分别连接STM32F103系列芯片CAN控制器的CAN_RX和CAN_TX引脚。将PCA82C250的RS引脚通过电阻接地，使其在高速模式下工作。总线末端加上与传输电缆特性阻抗接近的120赘终端匹配电阻,消除信号反射，提高通信网络的抗电磁干扰能力[9]。CANH和CANL直接与CAN总线通信网络相连。肖林京等：基于CAN总线的锂离子蓄电池管理系统通信网络研究图1CAN总线通信网络结构总成控制器CAN接口液晶显示模块CAN接口CAN总线模块控制器CAN接口CAN接口模块控制器多个模块控制器CAN-HCAN-L噎噎7中国测试2014年7月3CAN通信网络软件设计3.1通信协议的设定现有的CAN2.0B协议只定义了物理层和数据链路层，在实际应用中应根据实际情况自己开发应用层程序[10]。本文设计的整个CAN通信网络采用带有扩展成29位ID标识符的高级形式的PeliCAN进行数据传输，并且对这29位扩展标识符做了如表1所示的编码分配，这种编码分配方法给出了目标设备编号、目标设备类型、报文CID号、源标设备编号和源标设备类型等信息，保留的10个位的编码，能够增加CAN通信网络的通用性和可扩展性。总线上各节点的编码规则如表2所示，表中编码数值越小，说明与之对应的设备优先级越高。设备编号从0000耀1111，共16个编号，单一的目标设备类型和目标设备编号组成唯一的报文去向，单一的源标设备类型和源标设备编号组成唯一的报文来源。将目标设备类型和目标设备编号的组合作为此条报文优先级的评估标准，以目标设备类型编码为高3位、以目标设备编号为低4位，二者组成的数值代表了此条报文的优先级数值，优先级数值越小表示此条报文的优先级越高。确定的29位扩展标识符明确了此条报文的来源、去处以及优先级等信息。3.2软件程序设计CAN通信网络接口的软件设计主要包括CAN控制器的初始化设置、报文发送和报文接收3个部分。程序主流程图如图3所示。CAN控制器的初始化是整个CAN总线通信网络能够正常工作的前提[11]，它的配置包括CAN控制器工作方式的设置、波特率参数的设置、过滤器的选择、过滤器工作方式的选择、过滤器标识符的设置、报文接收邮箱的设置以及各种错误中断使能的设置，由于ST公司有自己的驱动函数库，因此只需调用函数库中的CAN_DeInit（），CAN_StructInit（），CAN_Init（），CAN_FilterInit（）和CAN_ITConfig（）这5个函数即可实现对STM32F103系列单片机CAN控制器的初始化配置。29位扩展标识符的编码分配方法28-2524-2221-1716-1312-109-04位3位5位4位3位10位目标设备编号目标设备类型报文CID号源标设备编号源标设备类型保留表1扩展标识符的编码分配方法设备类型总成控制器模块控制器液晶显示模块编码001010011表2设备类型编码分配方法图2CAN总线通信接口硬件设计电路CAN_RXCAN_TXSTM32F103Z1Z2GND0GND3V3123C14U3VDD1VDD2VOAVIBVIAVOBGND1GND2ADUM12010.1滋F5V8765C20.1滋FU43412R21k赘PCA82C250R1120赘CANHCANL5678VCCVrefRDGNDCANLCANHRS图3CAN通信网络接口程序主流程图开始系统初始化CAN初始化数据采集与处理NY定时器时间到钥