CAN总线知识介绍及新能源汽车领域电流传感器调研报告综述-许超

1、CAN总线知识介绍及新能源汽车领域电流传感器调研综述一：CAN总线知识介绍及与其他各类总线的比较1. 什么是CANCAN 是 Controller Area Network 的缩写（以下称为 CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个 LAN，进行大量数据的高速通信”的需要， 1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的 CAN 通信协议。此

2、后， CAN 通过 ISO11898 及 ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议，其中ISO11898是针对通信速率为125Kbps1Mbps的高速通信标准，而ISO11519-2是针对通信速率为125Kbps以下的低速通信标准。现在， CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。图 1 是车载网络的构想示意图。 CAN 等通信协议的开发，使多种 LAN 通过网关进行数据交换得以实现。图 1. 车载网络构想2. CAN的工作原理、特点CAN总线标准包括物理层、数据链路层，其中链路层定义了不同的信息类型、总线访问的仲裁规

3、则及故障检测与故障处理的方式。当CAN 总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。每组报文开头的11位字符为标识符(CAN2.0A)，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。当一个节点要向其它节点发送数据时，该节点的CPU 将要发送的数据和自己的标识符传送给本节点的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN 芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时，网上的其它节点处于接收状态。每个处于接收状态的节点对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很

4、容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。可以很容易地在CAN 总线中加进一些新节点而无需在硬件或软件上进行修改。CAN总线是一种串行数据通信协议，其通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。 CAN总线特点如下：1、多主控制。总线空闲时，所有单元都可发送消息，而两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（ID，非地址）决定优先级。两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜（优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。 2、

5、系统柔软性。连接总线的单元，没有类似“地址”的信息(面向内容的编址方案)，因此，可以在不修改软硬件的情况下向CAN总线中加入新节点。3、速度快，距离远。最高1Mbps（距离<40M），最远可达10KM（速率<5Kbps）。 4、具有错误检测、错误通知和错误恢复功能。所有单元都可以检测错误（错误检测功能），检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元（错误通知功能），正在发送消息的单元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送。强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止（错误恢复功能）。5、故障封闭功能。CAN 可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是

6、持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。6、连接节点多。CAN 总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。3.CAN总线报文及结构CAN通信是以以下5种类型的帧进行的：标准帧 11位标识符扩展帧 29位标识符帧类型 数据帧、遥控帧、错误帧和过载帧、间隔 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。总线上传输的大多是这个帧。 遥控帧：由总线单元发出，请求发送具

7、有同一识别符的数据帧。数据帧（或远程帧）通过帧间空间与其他各帧分开。 错误帧：任何单元一但检测到总线错误就发出错误帧。 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。间隔帧：用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧。4.控制器与收发器CAN总线规范采用了ISO-OSI（Open System Interconnection Reference Model，开放式通信系统互联参考模型）的三层网络结构，有三种不同的器件与之相对应。对应物理层的是收发器；对应数据链路层的是CAN控制器；应用层上主要是用户特殊的应用，对应的器件是微控制器。ISO11898标准，物理层特征如

8、图所示：CAN 控制器根据CAN_L和CAN_H上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平，二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。显性电平对应逻辑：0CAN_H和CAN_L之差为2V左右。隐性电平对应逻辑：1CAN_H和CAN_L之差为0V。显性电平具有优先权，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平。而隐形电平则具有包容的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平（显性电平比隐性电平更强）。另外，在CAN总线的起止端都有一个120的终端电阻，来做阻抗匹配。CAN控制器的作用完成CAN规范所规定的物理层和数据链路层大部分功能。有微处理器

9、接口，易于连接单片机。结构分两种类型，独立CAN控制器或集成CAN控制器的单片机：独立CAN控制器：Philips的SJA1000、82C200、8XC592、8XCE598；Intel的82526、82527等。集成CAN控制器的单片机：Philips的80C591/592/598、XAC37；Motorola的Pow2、PC555；Intel的196CA/CB；Silicon Lab的C8051F040047等 都遵循CAN2.0规范。各类比较常用总线的比较UART总线Universival Asychronous Receiver/Transmitter（通用异步串行口），UART是一种

10、较为通用的数据传输的方法（即Start BitDataCheckStopBit），而COM口中Rx、Tx的数据格式即为UART。UART和RS232是两种异步数据传输标准.计算机中的COM1和COM2都是RS232串行通信标准接口。当Uart接口连到PC机上时，需要接RS232电平转换电路。UART使用发送数据线TXD和接收数据线RXD来传送数据，接收和发送可以单独进行也可以同时进行。它传送数据的格式有严格的规定，每个数据以相同的位串形式传送，每个串行数据由起始位，数据位，奇偶校验位和停止位组成。从起始位到停止位结束的时间称为一帧（frame），即一个字符的完整通信格式。SPI总线Serial

11、 Perheral Interface，是一种全双工同步串行接口标准，串行通信的双方用四根线进行通信，这四根连线分别是：片选信号，I/O时钟，串行输入，串行输出，这种接口的特点是快速，高效，并且操作起来比I2C要简单一些，接线也比较简单，TLC2543提供SPI接口。I2C总线InterIntegrated Circuit（集成电路之间）, I2C总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式双向串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握

12、组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。I2C属于两线式串行总线，它由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，IC2总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路

13、，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关二：新能源汽车领域电流传感器调研常用的电流检测方法有分流器、电流互感器、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器、光学电流传感器等等，但是在新能源汽车领域用的电流传感器最多的是霍尔电流传感器。汽车领域的霍尔电流传感器一般分为一下三种：1. 磁平衡式霍尔电流传感器工作原理如图：原边电流 Ip 产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流 Is 通过副边线圈所产生的磁通量相平衡。副边电流 Is 精确的反映原边电流的变化。2. 直接放大式霍尔电流传感器工作原理如图：原边电流 I

14、p 产生的磁通聚集在磁路中，并经霍尔元件在气隙处进行检测。霍尔元件的输出电压信号经过处理，在传感器输出端输出标准电压信号，该电压信号精确地反映原边电流变化。3.磁调制式电流传感器工作原理如图：磁调制电流传感器利用高导磁铁芯在内部方波电压激励作用下的交替饱和特性，能够快速将原边电流信号通过等安匝原理快速调制到次边线圈，使次边线圈输出电流能够精确跟随原边电流信号的变化。电流传感器国外相关公司产品：LEM莱姆电子：HAH1BV S/01参数：产 地：瑞士输出继电器类型Instantaneous 技术Open loop Hall Effect 测量Current 原边理论值300 A 精度3 % 封装

15、- 测量范围300 A 供电电压5 - 5 供电电压类型Unipolar 副边额定信号2 VCAB300-C/SP3参数：产 地：瑞士输出继电器类型Instantaneous 技术Fluxgate 测量Current 原边理论值350 A 精度0.1 % 封装- 测量范围350 A 供电电压8 - 16 供电电压类型UnipolarDHAB S/33 参数：产 地：瑞士输出继电器类型 Instantaneous 技术 Open loop Hall Effect 测量 Current 原边理论? * 75 A, 750 A 精度 1 % 封装 -

16、 测量范围 750 A 供电电压 5 - 5 供电电压类型 Unipolar 副边额定信号 2 V Honeywell霍尼韦尔：1. CSNK系列CSN 系列霍尔效应闭环电流传感器基于磁场平衡原理（反馈系统），在传感器内部磁芯中始终处于零磁通状态。当检测到在原边导体中有电流通过并产生相应磁场时，副边线圈中就会生成相应电流来平衡原边磁场，且其磁场强度依照原、副边间的匝数比而增加。由内部电路产生的副边电流在任何时间都会精确再现原边电流波形，其幅值与原、副边间匝数成反比例关系。副边输出电流可利用一串联电阻而转换为电压信号。参数：2. CSNK591

17、系列CSNK591 系列闭环电流传感器，基于磁补偿原理。原 / 副边电路之间电气绝缘的，可以测量直流、交流和脉冲电流。电气参数额定电流（In）： 500A.t rms（额定值）测量范围 ： 0±1200A.t (DCAC Peak)测量阻值（在 70）： Rm min Rm maxwith±24V，at±500 A.t Max ： 0 130模拟输出电流（在 500A 时）： 100mA匝数比率 ： 1/5000精度（25）： 优于 ±0.5%In供电电压 ： ±1524VDC（±5%）原副边电气绝缘 ： 6KVrms/50Hz/1

18、分钟精确性 - 动态参数零点失调电流（25）： 优于 ±0.20mA失调电流温飘（070）： ±0.20mA（典型值）优于 ±0.30mA线性度 ： 优于 ±0.10%响应时间 ： 优于 1s频带宽度 ： DC150KHzdi/dt 精确跟随 ： 优于 50A/s技术指标工作温度范围 ： -4085 (CSNK591, CSNK591-001)070 (CSNK591-002, CSNK591-003)储存温度范围 ： -4090 (CSNK591, CSNK591-001)-2585 (CSNK591-002, CSNK591-003)耗电流 ： 22

19、mA(24V) 加上输出电流副边内阻 (+70 ) ： 50传感器外壳 ： 没有充填的PBT(聚苯并噻唑) (UL94-V0)连接形式 ( 初级 ) ： 穿孔 (CSNK591, CSNK591-002)汇流排 (CSNK591-001, CSNK591-003)连接形式 ( 次级 ) ： 铲形端子 (×3)3. CSCA-A-B15B02 系列CSCA-A-B15B02 系列电流传感器基于开环霍尔原理，原边电路（被测电路）与副边电路（输出电路）间高度电气隔离，输出信号忠实反映被测电流波形。特性 可测量直流、交流及脉动电流 优良的性能 / 价格比 电源消耗低 结构轻巧 原边与副边电路

20、之间高度绝缘 穿孔型 (10.4×20.4mm)，无插入损耗电气参数额定电流 (IPN) ： 见“选型指南” A.t rms测量范围 (IPK) ： 见“选型指南” A.t rms测量电阻 ： (+/-15V 电源 ) 10k模拟输出电压 (VSN) ： IPN 4V精度 (X) ： +25 优于 ±2%In供电电压 (VCC) ： ±15 (±5%) V电流消耗 (ICC) ： 典型值 17mA绝缘测试电压 (VD) ： 50Hz/1min. 3kV额定绝缘电压 (VI) ： 加强型 849V精度 - 动态参数零点失调电压 ： +25 ±20

21、 mV磁滞失调电压 ： +25 ±20 mV失调电压温飘 ： IPN =50A ±3 mV/ IPN =100 600A ±1.5mV/ 线性度 ： 优于 ±1% IPN增益电压温飘 ： ±4 mV/响应时间 ： 90% 37s频带宽度 ： DC 50kHzdi/dt 精确跟随 ： 50 A/s电流传感器国内相关公司产品：北京森社电子有限公司CHK-600Y4：参数/Specifications：制造原理：霍尔直测式原理额定电流：50600A（DC、AC、脉冲电流）输出电压：±4V；副边输出电压波形与原边被测电流波形相同测量频率：DC

22、20KHz响应时间：<10S线性度：<1.0%电源电压：±12V.15V（±5%）电源耗电：25mA绝缘电压：在原边与副边电路之间：5KV有效值/50Hz/1分钟工作温度：-10 +70安装方式：螺钉固定母排安装应用领域：各种电源、电焊机、工业自动化控制、电气传动、变频器、电机伺服、电力系统、铁路信号等。CHF-400F/5v：制造原理霍尔直测式原理测量频率DC20KHz响应时间<10S线性度1.0%电源电压±12V15V（±5%）电源耗电25mA绝缘电压在原边与副边电路之间：35KV有效值/50Hz/1分钟工作温度-10 +

23、70安装方式螺钉固定安装应用领域各种电源、电焊机、工业自动化控制、电气传动、变频器、电机伺服、电力系统、铁路信号等。CHB-1000SH：制造原理：磁补偿原理额定电流：10002000A（DC、AC、脉冲电流）输出电流变比：1：5000 副边输出电流波形与原边被测电流波形相同测量频率：DC100KHz响应时间：<1S线性度：<0.1%电源电压：±24V（±5%）电源耗电：35mA+IM（输出电流）绝缘电压：在原边与副边电路之间：6KV有效值/50Hz/1分钟工作温度：-25+85安装方式：螺钉固定安装应用领域：各种电源、电焊机、工业自动化控制、电气传动、变频器、电机伺服、电力系统、铁路信号等。上海昱恩科技有限公司YNC- T5：额定测量输出 VOUT ±4V负载电阻 RM 10K电源电压 VC ±12V - ±15V （±5%）电流消耗 IC 25mA (±15V)动态性能参数准确度 X 1%（+25）线