CAN總線知識介紹及新能源汽車領域電流傳感器調(diào)研報告綜述-許超

1、CAN總線知識介紹及新能源汽車領域電流傳感器調(diào)研綜述一：CAN總線知識介紹及與其他各類總線的比較1. 什么是CANCAN 是 Controller Area Network 的縮寫（以下稱為 CAN），是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議。在當前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應“減少線束的數(shù)量”、“通過多個 LAN，進行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要， 1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的 CAN 通信協(xié)議。此

2、后， CAN 通過 ISO11898 及 ISO11519 進行了標準化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡的標準協(xié)議，其中ISO11898是針對通信速率為125Kbps1Mbps的高速通信標準，而ISO11519-2是針對通信速率為125Kbps以下的低速通信標準?，F(xiàn)在， CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面。圖 1 是車載網(wǎng)絡的構(gòu)想示意圖。 CAN 等通信協(xié)議的開發(fā)，使多種 LAN 通過網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)交換得以實現(xiàn)。圖 1. 車載網(wǎng)絡構(gòu)想2. CAN的工作原理、特點CAN總線標準包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，其中鏈路層定義了不同的信息類型、總線訪問的仲裁規(guī)

3、則及故障檢測與故障處理的方式。當CAN 總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡中所有節(jié)點。每組報文開頭的11位字符為標識符(CAN2.0A)，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。當一個節(jié)點要向其它節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，該節(jié)點的CPU 將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標識符傳送給本節(jié)點的CAN芯片，并處于準備狀態(tài)；當它收到總線分配時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN 芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時，網(wǎng)上的其它節(jié)點處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的節(jié)點對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內(nèi)容的編址方案，因此很

4、容易建立高水準的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置?？梢院苋菀椎卦贑AN 總線中加進一些新節(jié)點而無需在硬件或軟件上進行修改。CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。 CAN總線特點如下：1、多主控制?？偩€空閑時，所有單元都可發(fā)送消息，而兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，根據(jù)標識符（ID，非地址）決定優(yōu)先級。兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，對各消息ID 的每個位進行逐個仲裁比較。仲裁獲勝（優(yōu)先級最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元則立刻停止發(fā)送而進行接收工作。 2、

5、系統(tǒng)柔軟性。連接總線的單元，沒有類似“地址”的信息(面向內(nèi)容的編址方案)，因此，可以在不修改軟硬件的情況下向CAN總線中加入新節(jié)點。3、速度快，距離遠。最高1Mbps（距離<40M），最遠可達10KM（速率<5Kbps）。 4、具有錯誤檢測、錯誤通知和錯誤恢復功能。所有單元都可以檢測錯誤（錯誤檢測功能），檢測出錯誤的單元會立即同時通知其他所有單元（錯誤通知功能），正在發(fā)送消息的單元一旦檢測出錯誤，會強制結(jié)束當前的發(fā)送。強制結(jié)束發(fā)送的單元會不斷反復地重新發(fā)送此消息直到成功發(fā)送為止（錯誤恢復功能）。5、故障封閉功能。CAN 可以判斷出錯誤的類型是總線上暫時的數(shù)據(jù)錯誤（如外部噪聲等）還是

6、持續(xù)的數(shù)據(jù)錯誤（如單元內(nèi)部故障、驅(qū)動器故障、斷線等）。由此功能，當總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，可將引起此故障的單元從總線上隔離出去。6、連接節(jié)點多。CAN 總線是可同時連接多個單元的總線?？蛇B接的單元總數(shù)理論上是沒有限制的。但實際上可連接的單元數(shù)受總線上的時間延遲及電氣負載的限制。降低通信速度，可連接的單元數(shù)增加；提高通信速度，則可連接的單元數(shù)減少。3.CAN總線報文及結(jié)構(gòu)CAN通信是以以下5種類型的幀進行的：標準幀 11位標識符擴展幀 29位標識符幀類型 數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯誤幀和過載幀、間隔 數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送器至接收器?？偩€上傳輸?shù)拇蠖嗍沁@個幀。 遙控幀：由總線單元發(fā)出，請求發(fā)送具

7、有同一識別符的數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀（或遠程幀）通過幀間空間與其他各幀分開。 錯誤幀：任何單元一但檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。 過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時。間隔幀：用于將數(shù)據(jù)幀及遙控幀與前面的幀分離開來的幀。4.控制器與收發(fā)器CAN總線規(guī)范采用了ISO-OSI（Open System Interconnection Reference Model，開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)參考模型）的三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，有三種不同的器件與之相對應。對應物理層的是收發(fā)器；對應數(shù)據(jù)鏈路層的是CAN控制器；應用層上主要是用戶特殊的應用，對應的器件是微控制器。ISO11898標準，物理層特征如

8、圖所示：CAN 控制器根據(jù)CAN_L和CAN_H上的電位差來判斷總線電平?？偩€電平分為顯性電平和隱性電平，二者必居其一。發(fā)送方通過使總線電平發(fā)生變化，將消息發(fā)送給接收方。顯性電平對應邏輯：0CAN_H和CAN_L之差為2V左右。隱性電平對應邏輯：1CAN_H和CAN_L之差為0V。顯性電平具有優(yōu)先權(quán)，只要有一個單元輸出顯性電平，總線上即為顯性電平。而隱形電平則具有包容的意味，只有所有的單元都輸出隱性電平，總線上才為隱性電平（顯性電平比隱性電平更強）。另外，在CAN總線的起止端都有一個120的終端電阻，來做阻抗匹配。CAN控制器的作用完成CAN規(guī)范所規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層大部分功能。有微處理器

9、接口，易于連接單片機。結(jié)構(gòu)分兩種類型，獨立CAN控制器或集成CAN控制器的單片機：獨立CAN控制器：Philips的SJA1000、82C200、8XC592、8XCE598；Intel的82526、82527等。集成CAN控制器的單片機：Philips的80C591/592/598、XAC37；Motorola的Pow2、PC555；Intel的196CA/CB；Silicon Lab的C8051F040047等 都遵循CAN2.0規(guī)范。各類比較常用總線的比較UART總線Universival Asychronous Receiver/Transmitter（通用異步串行口），UART是一種

10、較為通用的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ碨tart BitDataCheckStopBit），而COM口中Rx、Tx的數(shù)據(jù)格式即為UART。UART和RS232是兩種異步數(shù)據(jù)傳輸標準.計算機中的COM1和COM2都是RS232串行通信標準接口。當Uart接口連到PC機上時，需要接RS232電平轉(zhuǎn)換電路。UART使用發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD和接收數(shù)據(jù)線RXD來傳送數(shù)據(jù)，接收和發(fā)送可以單獨進行也可以同時進行。它傳送數(shù)據(jù)的格式有嚴格的規(guī)定，每個數(shù)據(jù)以相同的位串形式傳送，每個串行數(shù)據(jù)由起始位，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗位和停止位組成。從起始位到停止位結(jié)束的時間稱為一幀（frame），即一個字符的完整通信格式。SPI總線Serial

11、 Perheral Interface，是一種全雙工同步串行接口標準，串行通信的雙方用四根線進行通信，這四根連線分別是：片選信號，I/O時鐘，串行輸入，串行輸出，這種接口的特點是快速，高效，并且操作起來比I2C要簡單一些，接線也比較簡單，TLC2543提供SPI接口。I2C總線InterIntegrated Circuit（集成電路之間）, I2C總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式雙向串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設備開發(fā)，如今主要在服務器管理中使用，其中包括單個組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對各個組件進行查詢，以管理系統(tǒng)的配置或掌握

12、組件的功能狀態(tài)，如電源和系統(tǒng)風扇。可隨時監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡、系統(tǒng)溫度等多個參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。I2C屬于兩線式串行總線，它由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，IC2總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路

13、，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關(guān)二：新能源汽車領域電流傳感器調(diào)研常用的電流檢測方法有分流器、電流互感器、霍爾電流傳感器、磁通門電流傳感器、光學電流傳感器等等，但是在新能源汽車領域用的電流傳感器最多的是霍爾電流傳感器。汽車領域的霍爾電流傳感器一般分為一下三種：1. 磁平衡式霍爾電流傳感器工作原理如圖：原邊電流 Ip 產(chǎn)生的磁通量與霍爾電壓經(jīng)放大產(chǎn)生的副邊電流 Is 通過副邊線圈所產(chǎn)生的磁通量相平衡。副邊電流 Is 精確的反映原邊電流的變化。2. 直接放大式霍爾電流傳感器工作原理如圖：原邊電流 I

14、p 產(chǎn)生的磁通聚集在磁路中，并經(jīng)霍爾元件在氣隙處進行檢測?；魻栐妮敵鲭妷盒盘柦?jīng)過處理，在傳感器輸出端輸出標準電壓信號，該電壓信號精確地反映原邊電流變化。3.磁調(diào)制式電流傳感器工作原理如圖：磁調(diào)制電流傳感器利用高導磁鐵芯在內(nèi)部方波電壓激勵作用下的交替飽和特性，能夠快速將原邊電流信號通過等安匝原理快速調(diào)制到次邊線圈，使次邊線圈輸出電流能夠精確跟隨原邊電流信號的變化。電流傳感器國外相關(guān)公司產(chǎn)品：LEM萊姆電子：HAH1BV S/01參數(shù)：產(chǎn) 地：瑞士輸出繼電器類型Instantaneous 技術(shù)Open loop Hall Effect 測量Current 原邊理論值300 A 精度3 % 封裝

15、- 測量范圍300 A 供電電壓5 - 5 供電電壓類型Unipolar 副邊額定信號2 VCAB300-C/SP3參數(shù)：產(chǎn) 地：瑞士輸出繼電器類型Instantaneous 技術(shù)Fluxgate 測量Current 原邊理論值350 A 精度0.1 % 封裝- 測量范圍350 A 供電電壓8 - 16 供電電壓類型UnipolarDHAB S/33 參數(shù)：產(chǎn) 地：瑞士輸出繼電器類型 Instantaneous 技術(shù) Open loop Hall Effect 測量 Current 原邊理論? * 75 A, 750 A 精度 1 % 封裝 -

16、 測量范圍 750 A 供電電壓 5 - 5 供電電壓類型 Unipolar 副邊額定信號 2 V Honeywell霍尼韋爾：1. CSNK系列CSN 系列霍爾效應閉環(huán)電流傳感器基于磁場平衡原理（反饋系統(tǒng)），在傳感器內(nèi)部磁芯中始終處于零磁通狀態(tài)。當檢測到在原邊導體中有電流通過并產(chǎn)生相應磁場時，副邊線圈中就會生成相應電流來平衡原邊磁場，且其磁場強度依照原、副邊間的匝數(shù)比而增加。由內(nèi)部電路產(chǎn)生的副邊電流在任何時間都會精確再現(xiàn)原邊電流波形，其幅值與原、副邊間匝數(shù)成反比例關(guān)系。副邊輸出電流可利用一串聯(lián)電阻而轉(zhuǎn)換為電壓信號。參數(shù)：2. CSNK591

17、系列CSNK591 系列閉環(huán)電流傳感器，基于磁補償原理。原 / 副邊電路之間電氣絕緣的，可以測量直流、交流和脈沖電流。電氣參數(shù)額定電流（In）： 500A.t rms（額定值）測量范圍 ： 0±1200A.t (DCAC Peak)測量阻值（在 70）： Rm min Rm maxwith±24V，at±500 A.t Max ： 0 130模擬輸出電流（在 500A 時）： 100mA匝數(shù)比率 ： 1/5000精度（25）： 優(yōu)于 ±0.5%In供電電壓 ： ±1524VDC（±5%）原副邊電氣絕緣 ： 6KVrms/50Hz/1

18、分鐘精確性 - 動態(tài)參數(shù)零點失調(diào)電流（25）： 優(yōu)于 ±0.20mA失調(diào)電流溫飄（070）： ±0.20mA（典型值）優(yōu)于 ±0.30mA線性度 ： 優(yōu)于 ±0.10%響應時間 ： 優(yōu)于 1s頻帶寬度 ： DC150KHzdi/dt 精確跟隨 ： 優(yōu)于 50A/s技術(shù)指標工作溫度范圍 ： -4085 (CSNK591, CSNK591-001)070 (CSNK591-002, CSNK591-003)儲存溫度范圍 ： -4090 (CSNK591, CSNK591-001)-2585 (CSNK591-002, CSNK591-003)耗電流 ： 22

19、mA(24V) 加上輸出電流副邊內(nèi)阻 (+70 ) ： 50傳感器外殼 ： 沒有充填的PBT(聚苯并噻唑) (UL94-V0)連接形式 ( 初級 ) ： 穿孔 (CSNK591, CSNK591-002)匯流排 (CSNK591-001, CSNK591-003)連接形式 ( 次級 ) ： 鏟形端子 (×3)3. CSCA-A-B15B02 系列CSCA-A-B15B02 系列電流傳感器基于開環(huán)霍爾原理，原邊電路（被測電路）與副邊電路（輸出電路）間高度電氣隔離，輸出信號忠實反映被測電流波形。特性 可測量直流、交流及脈動電流 優(yōu)良的性能 / 價格比 電源消耗低 結(jié)構(gòu)輕巧 原邊與副邊電路

20、之間高度絕緣 穿孔型 (10.4×20.4mm)，無插入損耗電氣參數(shù)額定電流 (IPN) ： 見“選型指南” A.t rms測量范圍 (IPK) ： 見“選型指南” A.t rms測量電阻 ： (+/-15V 電源 ) 10k模擬輸出電壓 (VSN) ： IPN 4V精度 (X) ： +25 優(yōu)于 ±2%In供電電壓 (VCC) ： ±15 (±5%) V電流消耗 (ICC) ： 典型值 17mA絕緣測試電壓 (VD) ： 50Hz/1min. 3kV額定絕緣電壓 (VI) ： 加強型 849V精度 - 動態(tài)參數(shù)零點失調(diào)電壓 ： +25 ±20

21、 mV磁滯失調(diào)電壓 ： +25 ±20 mV失調(diào)電壓溫飄 ： IPN =50A ±3 mV/ IPN =100 600A ±1.5mV/ 線性度 ： 優(yōu)于 ±1% IPN增益電壓溫飄 ： ±4 mV/響應時間 ： 90% 37s頻帶寬度 ： DC 50kHzdi/dt 精確跟隨 ： 50 A/s電流傳感器國內(nèi)相關(guān)公司產(chǎn)品：北京森社電子有限公司CHK-600Y4：參數(shù)/Specifications：制造原理：霍爾直測式原理額定電流：50600A（DC、AC、脈沖電流）輸出電壓：±4V；副邊輸出電壓波形與原邊被測電流波形相同測量頻率：DC

22、20KHz響應時間：<10S線性度：<1.0%電源電壓：±12V.15V（±5%）電源耗電：25mA絕緣電壓：在原邊與副邊電路之間：5KV有效值/50Hz/1分鐘工作溫度：-10 +70安裝方式：螺釘固定母排安裝應用領域：各種電源、電焊機、工業(yè)自動化控制、電氣傳動、變頻器、電機伺服、電力系統(tǒng)、鐵路信號等。CHF-400F/5v：制造原理霍爾直測式原理測量頻率DC20KHz響應時間<10S線性度1.0%電源電壓±12V15V（±5%）電源耗電25mA絕緣電壓在原邊與副邊電路之間：35KV有效值/50Hz/1分鐘工作溫度-10 +

23、70安裝方式螺釘固定安裝應用領域各種電源、電焊機、工業(yè)自動化控制、電氣傳動、變頻器、電機伺服、電力系統(tǒng)、鐵路信號等。CHB-1000SH：制造原理：磁補償原理額定電流：10002000A（DC、AC、脈沖電流）輸出電流變比：1：5000 副邊輸出電流波形與原邊被測電流波形相同測量頻率：DC100KHz響應時間：<1S線性度：<0.1%電源電壓：±24V（±5%）電源耗電：35mA+IM（輸出電流）絕緣電壓：在原邊與副邊電路之間：6KV有效值/50Hz/1分鐘工作溫度：-25+85安裝方式：螺釘固定安裝應用領域：各種電源、電焊機、工業(yè)自動化控制、電氣傳動、變頻器、電機伺服、電力系統(tǒng)、鐵路信號等。上海昱恩科技有限公司YNC- T5：額定測量輸出 VOUT ±4V負載電阻 RM 10K電源電壓 VC ±12V - ±15V （±5%）電流消耗 IC 25mA (±15V)動態(tài)性能參數(shù)準確度 X 1%（+25）線