李 銳 蔡 濤 段善旭 史晏君 胡國珍

（華中科技大學電氣與電子工程學院 武漢 430074）

1 引言

模塊化是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢，被公認為當今電源變換技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。模塊化電源具有控制靈活、擴容方便及高效冗余等優(yōu)點。用戶可以根據(jù)不同負荷的需求，通過串并聯(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。相當多的商用產(chǎn)品采用 CAN總線通信方式實現(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，且控制上大多針對整個系統(tǒng)進行總體控制[5-7]。本文研制的系統(tǒng)通過 CAN網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對多個串并聯(lián)模塊的分組和統(tǒng)一控制，從而實現(xiàn)更為靈活的控制策略。CAN網(wǎng)絡(luò)還實時監(jiān)測各個模塊的運行狀態(tài)，采取合理的故障處理措施，提高系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。同時，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。已有較多文獻介紹了CAN網(wǎng)絡(luò)抗干擾的相關(guān)設(shè)計，所提的方法措施也有很多種。如前級加光耦隔離、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總線通信錯誤的根本來源和具體的錯誤機制，也相對缺少具體參數(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總線的仲裁機制出發(fā)，分析CAN通信機制中位定時的概念，闡述了 CAN通信錯誤的根本來源，并以這種錯誤機制為指導(dǎo)，相對應(yīng)的從匹配阻抗、濾波電容和總線拓撲等方面提出了抑制電磁干擾的一些設(shè)計原則，并給出了參數(shù)選取的計算公式。最后通過系統(tǒng)實驗證明了本文所設(shè)計的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個模塊串聯(lián)為一組，然后n組并聯(lián)組成，上層由上位機和監(jiān)控屏組成。上下層之間通過 CAN網(wǎng)絡(luò)互相聯(lián)系，下層每個模塊接受本地控制的同時，也受到來自上位機的調(diào)控。上位機通過 CAN網(wǎng)絡(luò)實時收集各個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，對整個系統(tǒng)進行監(jiān)測和管理。

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)機描述方式。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，當模塊數(shù)量很多時，整個系統(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帶來CAN總線負荷過重，從而使低優(yōu)先級節(jié)點始終無法獲得發(fā)送權(quán)；另一方面判斷大量收發(fā)地址會帶來較大計算負擔，影響通信的實時性。鑒于此，本文設(shè)計的系統(tǒng)在 CAN通信中充分利用多播功能，緩解通信負荷過重的壓力。

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)報文采用擴展幀格式，保證足夠的冗余設(shè)計，可以滿足系統(tǒng)的擴容要求。同時本系統(tǒng)通信協(xié)議中通過對標識符各位進行相應(yīng)的定義，設(shè)置單播、組播和廣播三種信號傳輸方式。單播是對單個模塊進行控制，組播對同組所有模塊進行控制，廣播則是對系統(tǒng)全體模塊發(fā)送命令。每個CAN節(jié)點同時配置有3個接收緩沖器，分別響應(yīng)單播、組播和廣播的信息。表1顯示了標識符各位含義的說明。

表1 CAN報文標識符定義Tab.1 CAN message identifier definition

系統(tǒng)在每次開機前，可通過手動撥碼或上位機分配來給每一個模塊分配一個ID號，這個ID號中包含了每一個模塊的地址和組號等信息，這樣每一個模塊和組都可以通過單獨的尋址找到。上位機的一些重要的全局命令信息等可以通過廣播發(fā)送，一些范圍查詢和命令信息等可以通過組播尋找相應(yīng)的多組模塊，一些特殊的信息如單個模塊的故障報警信號可以通過單播發(fā)送。通過這3種通信方式，可以十分靈活的配置模塊的組合，實現(xiàn)了從單臺模塊到整個系統(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

3.1 CAN總線通信錯誤機制分析

CAN總線由CANH和CANL兩條平行傳輸線組成，圖3為輸出CANH和CANL線上電平和對應(yīng)的位值，輸出信號為差分信號，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，多主掌控/沖突避免（CSMA/CA）”的通信仲裁方式。各節(jié)點在向總線發(fā)送幀的同時會對總線的電平進行監(jiān)測，當總線電平與發(fā)送電平一致時，節(jié)點繼續(xù)發(fā)送幀的下一位，否則節(jié)點退出發(fā)送，而載波檢測的結(jié)果與每一位的采樣點直接相關(guān)。如圖4所示，一位的時間分為四個片段：同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段 2，采樣點在相位緩沖段1的末尾。通信時若發(fā)生相位錯誤，可以調(diào)整延時段長度來改變采樣點的位置，彌補產(chǎn)生相位錯誤時的誤差[10]。然而當延時、干擾或者其他原因?qū)е孪辔诲e誤很大，以致超出采樣點的調(diào)整范圍，或者采樣點處波形畸變程度過大時，數(shù)據(jù)便產(chǎn)生了一個錯誤，這個是CAN通信錯誤的根源。

3.2 匹配電阻、濾波電路和總線拓撲設(shè)計原則

圖4 CAN總線位定時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，采用總線拓撲，主要由 CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、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)點分為發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點，一般發(fā)送節(jié)點只有一個，其余為接收節(jié)點；均勻傳輸線的分布參數(shù)主要有單位長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型等效電路來描述。終端電阻RT有兩個作用：一是匹配傳輸線的特征阻抗防止信號反射，二是作為 CAN驅(qū)動芯片的負載支撐總線電平。另外對于電磁干擾較為嚴重的場合，通信節(jié)點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。

通信過程中，當網(wǎng)絡(luò)終端阻抗與傳輸線特征阻抗不匹配時，就會發(fā)生信號的反射。當發(fā)生反射時，傳輸線上信號是入射波和反射波的疊加，引起信號波形的畸變，對通信帶來不利的影響。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 120 Ω的匹配阻抗，首端節(jié)點作為發(fā)送節(jié)點，改變 CAN網(wǎng)絡(luò)末端匹配阻抗的個數(shù)可以看到信號反射的不同波形。圖7所示為不同匹配阻抗下系統(tǒng) CAN網(wǎng)絡(luò)信號的波形，測試點為末端節(jié)點?？梢钥吹疆斂偟钠ヅ渥杩箿p小時，輸出顯性電平的幅值下降，這與驅(qū)動芯片的帶載能力相關(guān)。并且阻抗不匹配時，信號反射現(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)動芯片采用的是 Philips公司生產(chǎn)的PCA82C250芯片，節(jié)點差分電阻Rdiff最小為20 kΩ（遠大于RT），因此可以忽略Rdiff的影響。以圖7b為例計算，其末端阻抗為60Ω，按式（1）計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)化為顯性電平時發(fā)生了信號反射，此時入射信號的幅值為1.8 V，計算得到反射信號為-0.6 V，實際這個信號向下波動幅值約0.55 V，與理論計算基本吻合。網(wǎng)絡(luò)首端反射系數(shù)近似為零，基本沒有反射波。

實驗說明當匹配阻抗與特征阻抗差異越大時，信號反射越嚴重，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，這時容易導(dǎo)致CAN通信錯誤。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反射，同時匹配阻抗最好只在網(wǎng)絡(luò)首末兩端各加一個，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)中每一個模塊都是一個干擾源，開關(guān)器件的動作會帶來強烈的電磁干擾。干擾會造成通信錯誤，隨著模塊數(shù)增多，干擾會變得更加嚴重，甚至使 CAN節(jié)點直接關(guān)閉。為了解決上述問題，可以在通信節(jié)點加入 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延時，濾波電阻的加入會導(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)點輸出差分電壓為Vdiff1=VH-VL，末端節(jié)點接收到的電壓幅值為Vdiffn，網(wǎng)絡(luò)中共有n個節(jié)點，那么Vdiffn計算公式如下

從式（2）可以看出，隨著 Rf的增加、線路的延長和節(jié)點數(shù)的增多，會導(dǎo)致末端節(jié)點電平衰減更為嚴重。因此Rf的取值一般很小。設(shè)RL值為3.2Ω（長500 m的屏蔽雙絞線），Rdiffn最小值為20kΩ，設(shè)節(jié)點數(shù)共有100個，RT按照120Ω計算。輸出Vdiff1最小值為1.5 V，而Vdiffn最小值為0.9 V才會被辨認為顯性電平，又由于Rdiffn遠大于Rf，公式中后一項可近似為 1，那么按照式（2）計算可以得到 Rf最大不能超過7Ω，隨著節(jié)點數(shù)增多和線路增長，這個值要進一步減小。本系統(tǒng)中Rf值選取5.1Ω。

Cf的選取要考慮延時的影響，由于RC回路電容充放電時間可以按照式（3）來進行計算

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

此時 V1為 3.5V，V0為 2.5V，考慮到 CANH和CANL完全對稱，那么 Vt為 2.95V，再根據(jù)前面所述同步跳轉(zhuǎn)寬度的補償范圍為 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，計算可以得到Cf應(yīng)小于4.6nF，系統(tǒng)實際選取30pF的濾波電容。從式（4）中可以看到延時的大小與線路長度和節(jié)點數(shù)有關(guān)：線路越長節(jié)點數(shù)越多則延時越大。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)中總線拓撲的影響也非常重要。本系統(tǒng)采用的是總線型拓撲，構(gòu)建總線拓撲時需要非常注意實際的走線布局，各節(jié)點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。因為引線過長，信號傳輸?shù)礁鱾€節(jié)點與總線的交匯點時，會將分支的節(jié)點也看作是一個“終端”，而這個“終端”上沒有匹配電阻而被視作開路，這就造成比較嚴重地信號反射。

4 實驗結(jié)果

為驗證本文方法的有效性，進行系統(tǒng)實驗驗證，本文實驗平臺是由八個模塊串并聯(lián)組成的直流電源系統(tǒng)。CAN網(wǎng)絡(luò)兩個終端各并聯(lián)一個120 Ω終端電阻，各個節(jié)點直接串聯(lián)在總線上，針對系統(tǒng)啟動前后以及是否加入濾波電路進行對比實驗。圖8所示為系統(tǒng)啟動前 CAN網(wǎng)絡(luò)上信號波形，啟動前由于各個模塊開關(guān)器件沒有動作，電磁干擾較小，濾波電路是否加入對此時通信信號的波形影響不是很大，CAN通信過程正常。圖9顯示的是系統(tǒng)正常工作時加入濾波電路前后 CAN網(wǎng)絡(luò)上信號波形，可以看到加入濾波電路前信號上干擾十分明顯，此時CAN通信頻繁出錯。加入濾波電路后干擾尖峰和信號反射得到了很好的抑制，信號在傳輸過程中沒有

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

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

出現(xiàn)丟失或校驗錯誤等情況。系統(tǒng)工作過程良好，輸出電壓精度為2%，電流精度為3%，達到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)論

模塊化直流電源系統(tǒng)對于提高系統(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，通過上層 CAN網(wǎng)絡(luò)的遠程控制和各個模塊的本體控制的相互結(jié)合，實現(xiàn)了對系統(tǒng)靈活的分組控制。另外針對多模塊串并聯(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總線仲裁機制和位定時概念為基礎(chǔ)，詳細分析了 CAN通信錯誤機制的根源，并具體分析計算了信號反射和濾波參數(shù)的影響，給出了 CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計上的一些原則，實驗證明這些措施是行之有效的。

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