摘要：本文详细地介绍了CAN总线技术特点，并在此基础上针对BSG特点所进行的逆变电源设计进行了必要的说明。以带CAN控制器的单片机AT89C51CC01具有设计简单，抗干扰能力强，体积小，性能可靠等优点，是理想的电源管理及变频控制芯片。

　　主题词：CAN;AT89C51CC01;SA8282;BSG;

　　CAN总线概叙 CAN 是Controller Area Network 的缩写(以下称为CAN总线)，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，相应的针对汽车的各种各样的电子控制系统被开发了出来。鉴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，节点增加，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”和“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BOCH公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。因此，CAN 通过了ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，现在欧洲已是汽车网络的标准协议。

　　CAN总线基本特点 首先,CAN控制器工作于多主方式,在网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据。CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性加强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。

　　其次,CAN总线通过CAN收发器接口芯片(一般使用82C250)的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS-485等网络中,当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点和系统崩溃的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响,从而保证不会出现象在其他网络中,因个别节点出现问题,使得总线处于“死锁”非解状态。

再有,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前 CAN总线应用于众多领域,尤其在汽车行业，具有强劲的市场竞争力的重要原因。事实上现在普通轿车已大量使用了该技术。 CAN总线在混合动力系统中的运用 CAN总线结构是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，因此在混合动力系统中的运用是很自然的。图1为并联混合动力系统CAN总线结构示意图，包括在传统模式下存在的工作模块连接，比如：整车动力模块控制系统(ECM)、变速器控制模块(TCM)、车身灯光管理模块(BCM)、仪表盘工作模块等和针对混合动力系统增加的电源(电池组)管理及变频控制(用于对BSG电机的驱动、充电和再生制动控制)模块等。这些模块不分主次，他们之间都是通过CAN进行数据通讯和命令传输。每个节点设备都能够在脱离CAN总线的情况下独立完成自身系统的运行，从而满足车辆协调工作和运行安全性的需求。同时，CAN总线通讯系统也不会因为某个设备的故障脱离而出现系统结构崩溃的现象。

　　对于电源管理及电机变频(三相逆变)控制系统来说，在小车上，由于混合动力的电池容量有限，在运行过程中对电能流向严格管理十分重要。精确的电能管理可以延长储备电池的使用周期，减少电池充放电频率，从而提升车辆的工作效能。车载能量管理系统需要随时监控电池容量(SOC)变化、收集电机输出功率以及其它附加设备的用电情况，比如：附加的助力泵、油泵等，来进行逻辑判断，优化工作。同时，对系统而言，通讯系统的动态信息必须需具有实时性，即各工作模块需要将车辆的公共数据实现实时共享。又比如：发动机工作状态、BSG电机工作状态、包括油门踏板位置、车速信息等不时地提供给电源管理及变频控制系统，来确定BSG的有效的工作模式。当然不同控制单元的控制周期不同，数据转换速度、各控制命令优先级也不同，因此需要引入具有优先权竞争模式的数据交换网络机制。此外，作为一种载人交通工具，通讯系统必须具有极高的运行稳定性、很强的容错能力和快速处理能力，毕竟安全是车辆的第一需要。 电源管理及BSG电机变频系统设计 BSG(Belt_altermotor Starter Generator)及皮带传动起/停电机，是用于并联方式的混合动力汽车。对于对三相电机的电源管理及变频(三相逆变)电源的工作要求是：在电源管理程序的支持下，判断CAN总线传来的车辆工作信息，发指令给波形发生器产生通过驱动和充电转换电路，作用在功率模块上，最终使BSG电机能在有效的状态下参与到发动机动力系统中去，或者输出动力，或者吸收动力;同时在自身出现故障(如电机负载过荷，电机、逆变功率模块以及电池组的温度超限等)时能够迅速安全关机电机工作，脱离动力系统;此时应能够通过CAN总线向其它节点报告故障，引发车辆各系统的相关操作，特别在仪表盘界面上建立警告指示或标志，报告车辆故障，并告知驾驶员对故障等级的处理;同时电源管理及变频系统也必须将当前运行参数进行保存，便于维修人员进行故障诊断。

电路工作系统 图2是带CAN总线电源管理及BSG电机变频控制系统框图,在电源管理及变频控制系统中，工作电路不仅要支持CAN总线通讯，还要对发动机负载状态、电池组电压等模拟量进行检测，并各种状态的逻辑判断，通过指令使波形发生器产生需要的SPWM驱动波形，以此来驱动功率模块完成的三相逆变和充电功能。为使电路简化和工作可靠，对于系统通讯，最好的选择是使用带有CAN控制器的单片机。芯片简介如下：

5.1 T89C51CC01S带CAN单片机介绍

　　AT89C51CC01(T89C51CC01)是由ATEML公司开发生产的基于8位80C51内核的增强型高性能微处理器。该片系首款CANNARYTM系列的CAN网络单片机，他的X2工作模式可以在20MHz时达到300ns的指令执行周期。此外全功的CAN控制器提供32K字节的Flash程序寄存器空间可在线下载，另有2K字节的EEPROM和1.2K字节的数据寄存器;他在电磁兼容性方面表现尤为突出;很适合作为电源管理及变频控制系统的核心芯片。图3是该单片机的内部结构框图，他的引脚与80C51类型相像，但有些特殊功能是通过程序设置改变复用功能管脚来实现的。

AT89C51CC01内含的CAN控制器，包括了能实现高性能串行网络通信所必需的所有硬件，从而能够控制通信流能顺利通过CAN协议的局域网。为了避免出现混乱，芯片中增加的CAN控制器对于CPU是作为能够双方独立工作的存储器映像外围设备出现的，即可以把AT89C51CC01简单理解为两个独立工作器件的集成体。

　　启用CAN控制器的功能，主要借助四个特殊功能寄存器(SPR)实现，CPU对CAN控制器的控制及其访问都通过它们完成，接口结构如图4所示。这四个特殊功能寄存器分别为：(1)地址寄存器(CANADR)，CPU通过CANADR读/写CAN控制器的验收码寄存器;(2)数据寄存器(CANDAT)，CANDAT对应由CANADR指向的CAN控制器内部寄存器;(3)控制寄存器(CANCON)，它具有两个功能，读CANCON意味着访问CAN控制器的中断寄存器，写CANCON意味着访问命令寄存器;(4)状态寄存器(CANSTA)，具有两个功能，读CANSTA是访问CAN控制器的状态寄存器，写CANSTA是为后续的DMA传输设备内部数据存储器RAM的地址。此外，DMA逻辑允许CAN控制器与CPU在片主RAM之间的高速数据交换。

　　在芯片初始化阶段，CPU通过向CANCON和CANSTA写入内容，完成CAN控制器的功能初始化。在实际通讯过程中，CPU则利用四个寄存器使CAN控制器接收和发送数据信息。

　　5.2BSG变频系统的硬件构成和工作简叙

　　BSG电机变频器控制系统基本结构如图2所示，该系统包括有：电瓶(120V)，谐波抑制器(电感和电容组成的)，开关电源(DC-DC多路电源，提供不同工作电路和芯片的电压规范)，电流传感器(互感或霍尔)，电压采样电路(检测电瓶容量)，电片机(AT89C51CC01S)，波形发生器(SA8282)，模拟开关(CD4066B)，光偶隔离驱动器(HCPL-316J)，激励和波形处理芯片(AU6802N1)，或非门(CD4078B)，斯密特反向触发器(CD40106),BSG电机等，系统需通过模块化进行设计来实现。

DC/DC多路电源采用开关电源的标准设计，配合具有不同电压规范需求的多抽头高频变压器，对外输出5V、+12V、-12V、24V等多路隔离直流电。同时考虑到电池组电压的波动范围相对较大(充满时为130V，使用过程中可能降低到70V)，在设计中宜选择了适当的电路结构，来满足输入电压适应能力。

　　控制板是整个系统的核心，采用了AT89C51CC01单片机组成系统、波形发生器(脉宽调制专用芯片)采用SA8282、CAN总线收发器(驱动器)82C250以及主电路和输出电压的转换模块、电流数据采集模块等。

　　控制板通过SA8282专用芯片向带IPM功能的IGBT三相逆变模块提供3路或6路SPWM信号(其中有3路通过一模拟开关转换)。SA8282芯片由英国的MITEL公司开发生产，其特点是控制简单、频率精度高、运行可靠性高，它支持标准8位MOTEL复用数据总线，可以方便地和单片机交换数据。单片机只需对芯片内部的5个数据寄存器赋值，就可以完成对SPWM波形输出的初始化和实时控制。SA8282芯片为标准28脚双列直插式封装，管脚RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB输出三相可独立控制的TTL驱动信号，通过光耦隔离传送，可对应驱动三相逆变桥上的六路IGBT。需要说明的是在对电瓶充电状态时，IGBT的RPHT、RPHB、YPHT输入端将单边关断。

　　将SA8282专用芯片与IGBT连接后，AT89C51CC01只需要在启动时对其进行初始化，三相输出达到预定值后，SA8282即可以独立驱动IGBT模块。只有在调整SPWM输出时，AT89C51CC01才需要对SA8282指令写入，进行控制。同时，SA8282芯片的TRIP管脚能够响应IGBT(IPM)发出的故障信号，迅速关断所有SPWM波形输出，对逆变电路进行快速保护，并通过TRIPSET状态输出状态位通知AT89C51CC01单片机，确保系统安全。

　　分布于主电路直流输入端和三相输出端的数据采集模块可对各路电压、电流进行采集，经AT89C51CC01进行A/D变换后保存到数据存储器中，便于CPU判断系统输入/输出是否正常，并进行相应操作。

　　CAN总线收发器82C250是CAN控制器和物理总线间的接口，简称CAN驱动器。最初为汽车高速通信设计，具有许多针对车辆应用设计的结构。其特点包括：有效减小汽车环境瞬间干扰对信号的影响，具有保护总线能力;防护电池与地之间发生短路;支持低电流待机方式等，因此十分适合变频系统的需要。将82C250与AT89C51CC01的CAN接口输入、输出端相连，便构成了辅助逆变电源对外通讯的接口，参考图2。

　　5.3 逆变电源系统软件设计

　　图2中的AT89C51CC01的电源管理功能及逆变电源系统功能是通过C语言编程实现的，在完成其控制功能外，程序力求合理与简化，以适应电动汽车对系统稳定性和可靠性的要求。BSG电机控制工作流程如图5所示。系统上电且运行后，单片机AT89C51CC01首先对SA8282芯片初始化寄存器进行数据初始化，然后根据车辆工作状态确定启动驱动模式或是充电模式程序。模式选定后和启动后，程序不停的检测车辆动力系统工作信息、电瓶电量、三相输出处的电流和电压情况，来适时调整输出的SPWM波形，达到需要且理想工作的状态。因此对于驱动状态：通过电瓶电量(SOC)和输出电流的检测，可以规划出效率的BSG电机的工作参数和参与动力系统工作的持续时间。对于BSG发动状态：通过电瓶电量(SOC)和输出电流的检测，可以规划出合理的充电强度，避免出现动力状态的突变，影响舒适性。

　　总之动力状态的信息传送、检测和程序判断是对电源有效管理的必要条件，也就是说只有通过对电瓶电量和电流电压的检测方可实现对SA8282控制寄存器参数的有效修改，调整SPWM输出，最终得到BSG电机的高效工作。例如，电机运行一段时间后，电池组电压将下降，导致逆变电源的三相输出电压低于设定值，AT89C51CC01检测到该现象后，发送指令给SA8282，通过改变SPWM的占空比的来提高等效电压输出幅值，确保电源输出的稳定和持续;同样在发电状态也是通过指令改变SA8282的SPWM的输出实现对电瓶充电强度的有效控制。

　　对于电源管理需要控制程序定期检测数据存储器中的控制参数。若整车控制系统通过CAN通讯修改了逆变电源的运行参数，AT89C51CC01将根据新的运行参数调整输出。

控制程序中的三个中断程序分别为：数据采集程序、CAN总线通讯程序和故障处理程序。

　　数据采集程序通过芯片内部计数器定时触发，对逆变电源的输入、输出线路进行数据采集，经模/数转换后存入数据存储器，交给CPU进行运行状况判断。CAN总线通讯程序包含若干子程序，其基本程序结构如图6所示。当通讯程序触发后，AT89C51CC01的CAN控制器提据命令字执行相关任务。当系统中某个工作模块请求数据时，将变频器电源的各项运行参数传输给整车系统;当某个工作模块查询节点状态时，将当前CAN节点状态等数据发送出去;当某个工作模块要求修改运行参数时，将接收的数据参数存入数据存储器。

　　故障处理程序具有最高的中断优先权，即将AT89C51CC01的外部中断0(INT0)管脚与SA8282芯片的TRIPSET管脚相连。当逆变电路发生故障时，IPM会发出故障信号给SA8282芯片的TRIP管脚，由后者在第一时间关断PWM输出，并通过TRIP SET管脚向AT89C51CC01发出中断信号，触发故障处理程序。故障处理程序首先将SA8282关闭;然后通过CAN总线查询各工作模块，并将故障代码和当前系统运行参数写入报文同时发送到总线上;最后电源管理及变频系统将整个BSG电机工作系统关闭，实现安全关机。

　　6.小结

　　CAN通信网络的引入到BSG电机变频控制系统的全局优化控制提供了条件，车辆的每个子系统都因此成为整车控制中的智能节点。采用集成CAN控制器的AT89C51CC01单片机作为电源管理及变频控制系统的控制核心，结合SA8282专用PWM波形发生芯片设计出的BSG电机三相逆变电源，不仅安全稳定性高，还能够充分参与整车的数据交换和控制。对于采用不同CAN总线协议的串联混合动力系统，只需适当修改控制程序中有关CAN通讯的部分程序段，就可以顺利接入整车系统，使该逆变电源设计方法具有较强的通用性。

　　参考文献：

　　《AT89C51CC01》使用说明书 美国ATEML公司

　　《SA8282三相PWM发生器的原理与应用》 网上下载(作者不详)

　　《支持CAN总线的电动车辅助逆变电源设计》 网上下载(作者不详)