基于CAN總線的高精度程控電阻器設計

譚興國，曲 凱

(河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000)

0 引言

電動汽車作為新能源產品，已得到各國重視并迅速發(fā)展。電池作為電動汽車的主要驅動源，其性能以及使用壽命也得到了越來越多的關注[1-2]。電池管理系統(tǒng)是非常關鍵的部件[3]。在硬件在環(huán)(hardware in loop,HIL)測試環(huán)境下，為了準確模擬電動汽車電池管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)中電池的溫度變化[4]，需要高精度的程控電阻器來模擬負溫度系數(shù)(negative temperature coefficient，NTC)溫度傳感器的溫度-電阻特性[5]。

目前，常見的可調電阻是通過改變電阻接入電路的長度來改變阻值，例如滑動電阻器和旋鈕電位器。這種機械式的可變電阻輸出精度低，阻值很難精確控制在特定值，更不容易實現(xiàn)遠程控制。而半導體芯片方式的可編程電阻[6]，通常只有有限的步長和阻值范圍，電阻的可用功率也很小，其應用場合受限。本文設計了基于CAN總線通信的高精度程控電阻器。該電阻器可借助LabVIEW上位機軟件，通過CAN總線實時控制電阻在范圍內連續(xù)可調輸出，大大改進了上述電阻器的缺陷。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)主要由主控單元(microcontroller unit,MCU)、供電模塊、開關和電阻陣列模塊、電阻采樣模塊和CAN總線模塊等組成。主控單元采用飛思卡爾MC9SXDT256芯片，負責驅動開關和采樣輸出電阻，并利用LabVIEW上位機界面通過CAN總線發(fā)送設定指令給MCU。MCU利用電阻采樣模塊對輸出的電阻值進行回讀且對回讀的結果進行適當修正，以進一步提高精度[7]。系統(tǒng)結構如圖1所示

圖1 系統(tǒng)結構圖

1.2 系統(tǒng)硬件電路設計

1.2.1 開關和電阻網絡拓撲

為滿足模擬NTC溫度系數(shù)溫度變化要求，設計的開關和電阻網絡拓撲如圖2所示。

圖2 開關和電阻網絡拓撲圖

Ki取值為0代表閉合，取值為1代表斷開。總輸出阻值R為：

(1)

在實際應用中，采用的開關網絡為光耦AQY212GS，其二極管一端由5 V供電，另一端由主控單元MCU控制輸出高低電平決定光耦二極管是否導通。當二極管導通，對應開關就會閉合，此時對應電阻被短路。相反，二極管不導通，對應開關斷開，對應電阻將會被選中。

1.2.2 減小誤差的改進拓撲

圖2中，只有在理想開關閉合時，阻抗為0，即K×R=0，但實際開關閉合時仍具有約0.4 Ω的導通阻抗，即K=0開關閉合，但K×R≠0。這在整體阻抗比較大的情況下可以忽略不計，但在調試控制輸出小阻值時，如控制輸出10 Ω以下時，其所占比例將會引起較大誤差。這是因為串聯(lián)閉合的開關過多時，累積的導通阻抗不容忽略，則輸出絕對誤差較大，造成可控輸出電阻精度降低。

為解決該問題，改進的開關電阻網絡拓撲如圖3所示。

圖3 改進的開關和電阻網絡拓撲圖

在小于100 Ω的所有阻值處，本文采取將低阻抗開關KD與大于相應阻值的所有電阻并聯(lián)，以減小阻抗，從而有效減小誤差，提高輸出精度。

1.2.3 電阻選型原則

電阻選型應考慮阻值大小及其精度等方面的因素。由開關和電阻網絡拓撲結構可知，電阻阻值大小的選擇是關鍵，既要盡可能擴大阻值范圍以滿足更多的應用，同時又能將范圍內任意阻值覆蓋。電阻的選型需要滿足如下公式:

(2)

式中：θ為步進電阻值；N≥1。

另外，可根據(jù)實際所需電阻阻值范圍選擇相應電阻精度。為滿足輸出阻值絕對誤差的要求，每個阻值的選擇都有一定精度的要求。電阻阻值越大，則需要選擇越高的精度，否則會導致較大的絕對誤差，從而降低精度。電阻的阻值選型具有非常重要的意義。

1.2.4 CAN總線

為了能夠通過上位機實時測控程控電阻器的模擬阻值輸出，需要建立上位機與程控電阻控制器的通信聯(lián)系。

本文選用的單片機MCU為飛思卡爾的MC9S12XDT256，它內部集成有CAN模塊，支持CAN 2.0 A/B。CAN總線具有差分的信號傳輸方式，能提高抗電磁干擾的能力，而SCI、SPI等通信方式不具備該能力。故本文采用CAN總線實現(xiàn)程控電阻器的設計[8-10]。

在實際應用中，采用CAN總線收發(fā)器TJA1040器件。其CAN_Tx和CAN_Rx與單片機MCU的CAN總線引腳相連，CAN_H和CAN_L通過外部CAN工具與上位機相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。采用一個雙向瞬態(tài)抑制器，用以保護收發(fā)器免受電磁干擾和靜電放電的影響。采用抑制共模線圈，提高電磁兼容性性能。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 程序流程

本程序按照模塊化設計思想進行編寫，程序流程如圖4所示。首先，進行系統(tǒng)初始化，包括CAN初始化、定時器初始化等；然后，通過CAN總線讀取上位機界面設定的阻值，通過開關選擇算法設定各個開關狀態(tài)，輸出所需阻值；接下來，采樣回讀進行誤差判斷，達到誤差要求則結束，否則進行誤差修正；最后，進行電阻開關網絡設定，直至滿足誤差要求。

圖4 程序流程圖

2.2 開關網絡選擇算法

本控制器設計的關鍵是如何確定開關網絡的組合關系。本算法采用天平稱重的杠桿原理來確定開關拓撲。參照稱重原理，將準備稱重的重物放到天平的一端，按從大到小的順序依次將砝碼放到天平的另一端。當出現(xiàn)重物一端重于砝碼一端時，則將重物質量減去砝碼質量，然后將剩余質量的物體與余下砝碼依次從大到小比較，重復上述動作，直至平衡。該算法流程圖如圖5所示。首先將設定的電阻值先與最大阻值RN進行比較。若設定阻值大于最大阻值RN，則將最大阻值對應的開關選中，即將開關KN斷開，并將設定值改為兩者之差；否則將開關KN閉合，將電阻RN旁路掉；重復上述動作，直至完成所有比較，確定全部開關狀態(tài)。

圖5 算法流程圖

3 系統(tǒng)調試

采用LabVIEW編寫的同步模式下的上位機通信界面，進行系統(tǒng)調試。該上位機界面分為同步和分步兩種模式。同步模式可以同步控制每一路阻值輸出，分步模式可以單獨控制某一路的阻值輸出。在該界面，用戶可以自由設定需要的阻值，并完成對結果的回讀[11]。

為了驗證本程控電阻器改進拓撲的有效性，對100 Ω以下小電阻的測量值進行了比較。兩種拓撲測量結果對比如表1所示。

表1 兩種拓撲測量結果對比

從表1可以看出，在未啟用改進拓撲之前，程控電阻器在控制100 Ω以下電阻時，誤差較大，最大誤差在1 Ω處，甚至達到92%；而改進拓撲誤差則降至36%，其他各處誤差測量均有所改善。

表2給出了改進拓撲結構下電阻大于100 Ω的測量結果。各電阻輸出誤差也在規(guī)定范圍之內，總體可以滿足項目要求。

表2 改進拓撲測量結果(100 Ω以上)

4 結束語

本系統(tǒng)以飛思卡爾MCU為控制核心，借助上位機LabVIEW軟件，基于CAN總線和改進開關電阻網絡拓撲結構，對改進開關電阻網絡在100 Ω以下的阻值進行了研究，且給出了改進拓撲在100 Ω至6 MΩ阻值范圍內的測量結果。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)電阻器的實時連續(xù)可調輸出，可高精度模擬實際電池的溫度變化。系統(tǒng)具有結構簡單、操作方便、靈活性強、電磁兼容性好等特點，能夠實現(xiàn)電池BMS系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試要求，滿足汽車自動化測試的基本要求。

[1] 肖成偉,汪繼強.電動汽車動力電池產業(yè)的發(fā)展[J].科技導報,2016,34(6):74-83.

[2] 崔俊博,張勇,王晶星.電動汽車用動力電池的研究[J].新技術新工藝,2010(9):81-83.

[3] 夏正鵬,汪興興,倪紅軍,等.電動汽車電池管理系統(tǒng)研究進展[J].電源技術,2011,36(7):1052-1054.

[4] 李哲,韓雪冰,盧蘭光,等.動力型磷酸鐵鋰電池的溫度特性[J].機械工程學報,2011,47(18):115-120.

[5] 王家傳.熱敏電阻器R_T特性及其計算方法探討[J].傳感器世界,1999(1):31-32.

[6] 陳輝,陶中幸,楊小川.半導體熱敏電阻在溫度控制中的應用[J].甘肅聯(lián)合大學學報,2011,25(1):48-51.

[7] 宋富強,雄武,馮宇飛,等.利用MC9S12(X)單片機構建CAN總線網絡的研究,2016,12(20):210-212.

[8] 張迎春,季茂勝.基于單片機的CAN總線系統(tǒng)設計[J].計算機與網絡,2012(5):52-54.

[9] TINDELL K W,HNSSON H,WELLINGS A J.Ananlying real-time communications:Controller area network(CAN)[C]//15th IEEE Real time Systems Symposium,1994:259-263.

[10]劉濤.基于89C51和SJA1000的CAN通信方法研究[J].電腦編程技術與維護,2011(6)：87-89.

[11]王錦堅,洪添勝.基于LabView通信系統(tǒng)的CAN總線設計與實現(xiàn)[J].計算機應用與軟件,2010,27(8)：235-237.