模塊化直流電源系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 銳 蔡 濤 段善旭 史晏君 胡國(guó)珍

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430074）

1 引言

模塊化是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)，被公認(rèn)為當(dāng)今電源變換技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。模塊化電源具有控制靈活、擴(kuò)容方便及高效冗余等優(yōu)點(diǎn)。用戶可以根據(jù)不同負(fù)荷的需求，通過(guò)串并聯(lián)組合靈活配置電源系統(tǒng)的輸出電壓和功率，極大擴(kuò)展了系統(tǒng)的工作范圍和應(yīng)用領(lǐng)域[1-4]。

模塊化電源系統(tǒng)中，多個(gè)模塊的協(xié)調(diào)控制以及系統(tǒng)的統(tǒng)一管理是十分重要的。相當(dāng)多的商用產(chǎn)品采用 CAN總線通信方式實(shí)現(xiàn)多模塊串聯(lián)或并聯(lián)控制，然而支持的模塊數(shù)量通常較少，且控制上大多針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行總體控制[5-7]。本文研制的系統(tǒng)通過(guò) CAN網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)串并聯(lián)模塊的分組和統(tǒng)一控制，從而實(shí)現(xiàn)更為靈活的控制策略。CAN網(wǎng)絡(luò)還實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)模塊的運(yùn)行狀態(tài)，采取合理的故障處理措施，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，由于模塊化系統(tǒng)中模塊數(shù)量較多，電磁環(huán)境顯得更為復(fù)雜，為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，CAN網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容能力顯得格外重要。已有較多文獻(xiàn)介紹了CAN網(wǎng)絡(luò)抗干擾的相關(guān)設(shè)計(jì)，所提的方法措施也有很多種。如前級(jí)加光耦隔離、配置匹配阻抗及總線上采用RC或者LC濾波等[8-9]。然而沒有具體分析采取這些措施的原理、CAN總線通信錯(cuò)誤的根本來(lái)源和具體的錯(cuò)誤機(jī)制，也相對(duì)缺少具體參數(shù)選取的理論推導(dǎo)。本文以模塊化直流電源系統(tǒng)為應(yīng)用背景，從CAN總線的仲裁機(jī)制出發(fā)，分析CAN通信機(jī)制中位定時(shí)的概念，闡述了 CAN通信錯(cuò)誤的根本來(lái)源，并以這種錯(cuò)誤機(jī)制為指導(dǎo)，相對(duì)應(yīng)的從匹配阻抗、濾波電容和總線拓?fù)涞确矫嫣岢隽艘种齐姶鸥蓴_的一些設(shè)計(jì)原則，并給出了參數(shù)選取的計(jì)算公式。最后通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)證明了本文所設(shè)計(jì)的CAN網(wǎng)絡(luò)在模塊化直流電源系統(tǒng)中可以穩(wěn)定可靠的工作。

2 電源系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及群控策略

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的模塊化直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)的下層結(jié)構(gòu)是由m個(gè)模塊串聯(lián)為一組，然后n組并聯(lián)組成，上層由上位機(jī)和監(jiān)控屏組成。上下層之間通過(guò) CAN網(wǎng)絡(luò)互相聯(lián)系，下層每個(gè)模塊接受本地控制的同時(shí)，也受到來(lái)自上位機(jī)的調(diào)控。上位機(jī)通過(guò) CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)收集各個(gè)模塊的電壓電流等狀態(tài)信息，判斷出系統(tǒng)目前所處的狀態(tài)，由此給出相應(yīng)的指令，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The system structure

2.2 群控策略

從圖1中可以看出，系統(tǒng)模塊數(shù)較多且串并聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作， CAN網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控功能顯得十分重要。圖2為上層控制流程圖，圖中采用有限狀態(tài)機(jī)描述方式。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模塊數(shù)量很多時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的信息量是十分龐大的。系統(tǒng)若采用單播方式一方面會(huì)帶來(lái)CAN總線負(fù)荷過(guò)重，從而使低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)始終無(wú)法獲得發(fā)送權(quán)；另一方面判斷大量收發(fā)地址會(huì)帶來(lái)較大計(jì)算負(fù)擔(dān)，影響通信的實(shí)時(shí)性。鑒于此，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在 CAN通信中充分利用多播功能，緩解通信負(fù)荷過(guò)重的壓力。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖Fig.2 System control flow chart

本系統(tǒng) CAN網(wǎng)絡(luò)報(bào)文采用擴(kuò)展幀格式，保證足夠的冗余設(shè)計(jì)，可以滿足系統(tǒng)的擴(kuò)容要求。同時(shí)本系統(tǒng)通信協(xié)議中通過(guò)對(duì)標(biāo)識(shí)符各位進(jìn)行相應(yīng)的定義，設(shè)置單播、組播和廣播三種信號(hào)傳輸方式。單播是對(duì)單個(gè)模塊進(jìn)行控制，組播對(duì)同組所有模塊進(jìn)行控制，廣播則是對(duì)系統(tǒng)全體模塊發(fā)送命令。每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)同時(shí)配置有3個(gè)接收緩沖器，分別響應(yīng)單播、組播和廣播的信息。表1顯示了標(biāo)識(shí)符各位含義的說(shuō)明。

表1 CAN報(bào)文標(biāo)識(shí)符定義Tab.1 CAN message identifier definition

系統(tǒng)在每次開機(jī)前，可通過(guò)手動(dòng)撥碼或上位機(jī)分配來(lái)給每一個(gè)模塊分配一個(gè)ID號(hào)，這個(gè)ID號(hào)中包含了每一個(gè)模塊的地址和組號(hào)等信息，這樣每一個(gè)模塊和組都可以通過(guò)單獨(dú)的尋址找到。上位機(jī)的一些重要的全局命令信息等可以通過(guò)廣播發(fā)送，一些范圍查詢和命令信息等可以通過(guò)組播尋找相應(yīng)的多組模塊，一些特殊的信息如單個(gè)模塊的故障報(bào)警信號(hào)可以通過(guò)單播發(fā)送。通過(guò)這3種通信方式，可以十分靈活的配置模塊的組合，實(shí)現(xiàn)了從單臺(tái)模塊到整個(gè)系統(tǒng)的全范圍控制。

3 復(fù)雜電磁環(huán)境下CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.1 CAN總線通信錯(cuò)誤機(jī)制分析

CAN總線由CANH和CANL兩條平行傳輸線組成，圖3為輸出CANH和CANL線上電平和對(duì)應(yīng)的位值，輸出信號(hào)為差分信號(hào)，分為隱性電平和顯性電平兩種。需要注意的是，隱性電平范圍是-1～0.5 V，顯性電平范圍是0.9～5V。

圖3 CAN總線電平和對(duì)應(yīng)邏輯Fig.3 CAN-bus level and corresponding logic

基于這種差分輸出的特性，CAN總線采用了一種“載波檢測(cè)，多主掌控/沖突避免（CSMA/CA）”的通信仲裁方式。各節(jié)點(diǎn)在向總線發(fā)送幀的同時(shí)會(huì)對(duì)總線的電平進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)總線電平與發(fā)送電平一致時(shí)，節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送幀的下一位，否則節(jié)點(diǎn)退出發(fā)送，而載波檢測(cè)的結(jié)果與每一位的采樣點(diǎn)直接相關(guān)。如圖4所示，一位的時(shí)間分為四個(gè)片段：同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段 2，采樣點(diǎn)在相位緩沖段1的末尾。通信時(shí)若發(fā)生相位錯(cuò)誤，可以調(diào)整延時(shí)段長(zhǎng)度來(lái)改變采樣點(diǎn)的位置，彌補(bǔ)產(chǎn)生相位錯(cuò)誤時(shí)的誤差[10]。然而當(dāng)延時(shí)、干擾或者其他原因?qū)е孪辔诲e(cuò)誤很大，以致超出采樣點(diǎn)的調(diào)整范圍，或者采樣點(diǎn)處波形畸變程度過(guò)大時(shí)，數(shù)據(jù)便產(chǎn)生了一個(gè)錯(cuò)誤，這個(gè)是CAN通信錯(cuò)誤的根源。

3.2 匹配電阻、濾波電路和總線拓?fù)湓O(shè)計(jì)原則

圖4 CAN總線位定時(shí)Fig.4 CAN-bus bit time

圖5 CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.5 CAN-bus structure

圖6 CAN網(wǎng)絡(luò)等效電路模型Fig.6 CAN-bus equivalent circuit

CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用總線拓?fù)?，主要?CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、濾波裝置、傳輸線路和終端阻抗組成。CAN網(wǎng)絡(luò)等效電路模型如圖6所示，圖中RT為終端電阻，Rdiffx為節(jié)點(diǎn)的差分電阻，Rf和Cf是濾波電阻電容，VH、VL分別是發(fā)送節(jié)點(diǎn)CANH和CANL輸出電平，ZL、CL是線路的分布參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分為發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)，一般發(fā)送節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，其余為接收節(jié)點(diǎn)；均勻傳輸線的分布參數(shù)主要有單位長(zhǎng)度上的電阻電感以及兩線之間的電容，因此可以用如圖5所示的H型等效電路來(lái)描述。終端電阻RT有兩個(gè)作用：一是匹配傳輸線的特征阻抗防止信號(hào)反射，二是作為 CAN驅(qū)動(dòng)芯片的負(fù)載支撐總線電平。另外對(duì)于電磁干擾較為嚴(yán)重的場(chǎng)合，通信節(jié)點(diǎn)的輸出部分還要加上一些濾波措施，如RC濾波、共模扼流圈等。

通信過(guò)程中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)終端阻抗與傳輸線特征阻抗不匹配時(shí)，就會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。當(dāng)發(fā)生反射時(shí)，傳輸線上信號(hào)是入射波和反射波的疊加，引起信號(hào)波形的畸變，對(duì)通信帶來(lái)不利的影響。系統(tǒng) CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸線特征阻抗約為120Ω，因此在總線首末兩段各并聯(lián)一個(gè) 120 Ω的匹配阻抗，首端節(jié)點(diǎn)作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，改變 CAN網(wǎng)絡(luò)末端匹配阻抗的個(gè)數(shù)可以看到信號(hào)反射的不同波形。圖7所示為不同匹配阻抗下系統(tǒng) CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的波形，測(cè)試點(diǎn)為末端節(jié)點(diǎn)。可以看到當(dāng)總的匹配阻抗減小時(shí)，輸出顯性電平的幅值下降，這與驅(qū)動(dòng)芯片的帶載能力相關(guān)。并且阻抗不匹配時(shí)，信號(hào)反射現(xiàn)象變的更加明顯。

圖7 末端不同匹配阻抗下CAN總線上信號(hào)波形Fig.7 The signal of the CAN-bus at different end matching impedance

反射波與入射波之間的關(guān)系可以用反射系數(shù)來(lái)描述：

式中，ρ為反射系數(shù)；ZC為傳輸線的特征阻抗；Z2為終端阻抗。根據(jù)圖6所示電路模型，由于本系統(tǒng)CAN驅(qū)動(dòng)芯片采用的是 Philips公司生產(chǎn)的PCA82C250芯片，節(jié)點(diǎn)差分電阻Rdiff最小為20 kΩ（遠(yuǎn)大于RT），因此可以忽略Rdiff的影響。以圖7b為例計(jì)算，其末端阻抗為60Ω，按式（1）計(jì)算可以得到反射系數(shù)為-1/3。從圖中可以看到在隱性電平轉(zhuǎn)化為顯性電平時(shí)發(fā)生了信號(hào)反射，此時(shí)入射信號(hào)的幅值為1.8 V，計(jì)算得到反射信號(hào)為-0.6 V，實(shí)際這個(gè)信號(hào)向下波動(dòng)幅值約0.55 V，與理論計(jì)算基本吻合。網(wǎng)絡(luò)首端反射系數(shù)近似為零，基本沒有反射波。

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明當(dāng)匹配阻抗與特征阻抗差異越大時(shí)，信號(hào)反射越嚴(yán)重，波形畸變程度越高，甚至于超出了顯性電平或隱性電平的范圍，這時(shí)容易導(dǎo)致CAN通信錯(cuò)誤。匹配阻抗總體值越小，顯性電平幅值越小，抗干擾的能力也越差。因此匹配阻抗應(yīng)等于傳輸線特征阻抗防止信號(hào)反射，同時(shí)匹配阻抗最好只在網(wǎng)絡(luò)首末兩端各加一個(gè)，使傳輸線上顯性電平盡可能高，增加抗干擾能力。

模塊化直流電源系統(tǒng)中每一個(gè)模塊都是一個(gè)干擾源，開關(guān)器件的動(dòng)作會(huì)帶來(lái)強(qiáng)烈的電磁干擾。干擾會(huì)造成通信錯(cuò)誤，隨著模塊數(shù)增多，干擾會(huì)變得更加嚴(yán)重，甚至使 CAN節(jié)點(diǎn)直接關(guān)閉。為了解決上述問題，可以在通信節(jié)點(diǎn)加入 RC濾波電路濾除高頻干擾。然而濾波電容的加入增加了信號(hào)延時(shí)，濾波電阻的加入會(huì)導(dǎo)致總線上顯性電平的衰減，因此濾波參數(shù)的選擇十分重要。

根據(jù)圖 6模型，設(shè)首端節(jié)點(diǎn)輸出差分電壓為Vdiff1=VH-VL，末端節(jié)點(diǎn)接收到的電壓幅值為Vdiffn，網(wǎng)絡(luò)中共有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么Vdiffn計(jì)算公式如下

從式（2）可以看出，隨著 Rf的增加、線路的延長(zhǎng)和節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，會(huì)導(dǎo)致末端節(jié)點(diǎn)電平衰減更為嚴(yán)重。因此Rf的取值一般很小。設(shè)RL值為3.2Ω（長(zhǎng)500 m的屏蔽雙絞線），Rdiffn最小值為20kΩ，設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù)共有100個(gè)，RT按照120Ω計(jì)算。輸出Vdiff1最小值為1.5 V，而Vdiffn最小值為0.9 V才會(huì)被辨認(rèn)為顯性電平，又由于Rdiffn遠(yuǎn)大于Rf，公式中后一項(xiàng)可近似為 1，那么按照式（2）計(jì)算可以得到 Rf最大不能超過(guò)7Ω，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增多和線路增長(zhǎng)，這個(gè)值要進(jìn)一步減小。本系統(tǒng)中Rf值選取5.1Ω。

Cf的選取要考慮延時(shí)的影響，由于RC回路電容充放電時(shí)間可以按照式（3）來(lái)進(jìn)行計(jì)算

式中，V1為終止電壓；V0為初始電壓；Vt為時(shí)刻 t的電容電壓。按照上述條件考慮節(jié)點(diǎn)數(shù)和線路參數(shù)，從圖6中可以看出首端到末端經(jīng)過(guò)了三級(jí)RC濾波，由此可以估算出末端接收節(jié)點(diǎn)電容充電時(shí)間tslopen

此時(shí) V1為 3.5V，V0為 2.5V，考慮到 CANH和CANL完全對(duì)稱，那么 Vt為 2.95V，再根據(jù)前面所述同步跳轉(zhuǎn)寬度的補(bǔ)償范圍為 4tq，那么 Cf的取值至少要滿足tslopen＜4tq，按照250 Kbit/s的通信波特率帶入式（3）后，計(jì)算可以得到Cf應(yīng)小于4.6nF，系統(tǒng)實(shí)際選取30pF的濾波電容。從式（4）中可以看到延時(shí)的大小與線路長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)有關(guān)：線路越長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)越多則延時(shí)越大。這樣通信的波特率就受到了限制。濾波電容越大，正常通信所要求的tq也越大，那么波特率就越低。

通信網(wǎng)絡(luò)中總線拓?fù)涞挠绊懸卜浅Ｖ匾?。本系統(tǒng)采用的是總線型拓?fù)?，?gòu)建總線拓?fù)鋾r(shí)需要非常注意實(shí)際的走線布局，各節(jié)點(diǎn)連接到總線上的引線應(yīng)該盡可能短，最好是直接串接在總線上。因?yàn)橐€過(guò)長(zhǎng)，信號(hào)傳輸?shù)礁鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)與總線的交匯點(diǎn)時(shí)，會(huì)將分支的節(jié)點(diǎn)也看作是一個(gè)“終端”，而這個(gè)“終端”上沒有匹配電阻而被視作開路，這就造成比較嚴(yán)重地信號(hào)反射。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文方法的有效性，進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由八個(gè)模塊串并聯(lián)組成的直流電源系統(tǒng)。CAN網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)終端各并聯(lián)一個(gè)120 Ω終端電阻，各個(gè)節(jié)點(diǎn)直接串聯(lián)在總線上，針對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)前后以及是否加入濾波電路進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖8所示為系統(tǒng)啟動(dòng)前 CAN網(wǎng)絡(luò)上信號(hào)波形，啟動(dòng)前由于各個(gè)模塊開關(guān)器件沒有動(dòng)作，電磁干擾較小，濾波電路是否加入對(duì)此時(shí)通信信號(hào)的波形影響不是很大，CAN通信過(guò)程正常。圖9顯示的是系統(tǒng)正常工作時(shí)加入濾波電路前后 CAN網(wǎng)絡(luò)上信號(hào)波形，可以看到加入濾波電路前信號(hào)上干擾十分明顯，此時(shí)CAN通信頻繁出錯(cuò)。加入濾波電路后干擾尖峰和信號(hào)反射得到了很好的抑制，信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒有

圖8 系統(tǒng)啟動(dòng)前CAN總線信號(hào)Fig.8 CAN-bus signals before the system starts

圖9 系統(tǒng)工作時(shí)的CAN總線信號(hào)Fig.9 CAN-bus signals when the system working

出現(xiàn)丟失或校驗(yàn)錯(cuò)誤等情況。系統(tǒng)工作過(guò)程良好，輸出電壓精度為2%，電流精度為3%，達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)論

模塊化直流電源系統(tǒng)對(duì)于提高系統(tǒng)的冗余性和適應(yīng)范圍具有十分重要的作用。本文利用 CAN的多播功能，制定了適應(yīng)單播、組播和廣播的通信協(xié)議，通過(guò)上層 CAN網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制和各個(gè)模塊的本體控制的相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)靈活的分組控制。另外針對(duì)多模塊串并聯(lián)系統(tǒng)中 CAN網(wǎng)絡(luò)容易受到電磁干擾的問題，本文以 CAN總線仲裁機(jī)制和位定時(shí)概念為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了 CAN通信錯(cuò)誤機(jī)制的根源，并具體分析計(jì)算了信號(hào)反射和濾波參數(shù)的影響，給出了 CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上的一些原則，實(shí)驗(yàn)證明這些措施是行之有效的。

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