一種基于DSP芯片與CAN總線的電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源技術(shù)發(fā)展的方向之一是運(yùn)用電源模塊并聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率合成，組成積木式、智能化的分布式大功率電源系統(tǒng)。為使并聯(lián)的各個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作，對(duì)分布式電源系統(tǒng)進(jìn)行可靠的監(jiān)控是電源技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。

目前對(duì)分布式電源監(jiān)控普遍采用的做法存在的問題主要在數(shù)字化程度不高，速度不夠快，精度和可靠性不夠高等問題，然而在工業(yè)控制中電源控制顯的十分的重要。

1 電源監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電源系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)多是采用模擬的方法實(shí)現(xiàn)模塊間的電流均流的，但存在著一些共同的不足：必須有均流控制母線，需要增加專門的均流控制器。且均流母線屬于模擬電平信號(hào)線，抗干擾能力較弱;難于保證電源模塊調(diào)制頻率的一致。同時(shí)，當(dāng)多個(gè)子并聯(lián)電源單元組成分布式電源系統(tǒng)時(shí)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的統(tǒng)一監(jiān)控和調(diào)度意義重大。

電源監(jiān)控實(shí)現(xiàn)的前提條件就是能在各子單元和監(jiān)控單元之間通信，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)就使用了在工業(yè)場(chǎng)合經(jīng)常使用的具有存在自適應(yīng)、自保護(hù)功能脆強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)的CAN總線。

本系統(tǒng)由8塊控制單元和1塊中央監(jiān)控單元組成?？刂茊卧捅O(jiān)控單元之間通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，各單元自成一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)。每個(gè)單元的核心處理器都是r11公司的TMS320F2812 DSP 芯片。每個(gè)控制單元有一個(gè)用戶而板與之對(duì)應(yīng)?？刂茊卧兔姘逋瓿擅繉与娫茨K的電源參數(shù)采集，均流基準(zhǔn)輸出，“遙/本采”及“遙，本調(diào)”切換，面板狀態(tài)信息顯示：中央監(jiān)控單元完成對(duì)各層控制單元采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯總顯示以及對(duì)各層電源模塊的“遙調(diào)”，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)中央監(jiān)控單元與外圍電路設(shè)計(jì)

中央監(jiān)控單元可實(shí)現(xiàn)模塊信息的匯總顯示和對(duì)各層電源的“遙調(diào)”。各層控制單元采集和處理的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN總線傳送給中央監(jiān)控單元。這些信息可以在OLED屏幕上分頁顯示，可接受來自鍵盤的操作自由選擇要顯示的信息。“遙調(diào)”值也是通過鍵盤輸入得到。本系統(tǒng)選用的處理器是TI公司的TMS320F2812，此處理器是一款32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，處理速度可以達(dá)到150MIPS。該處理器還集成了128KB的Flash存儲(chǔ)器和128位的密碼保護(hù)機(jī)制，從而大大改善了應(yīng)用的靈活性。同時(shí)片上還集成了16通道高性能12位ADC單元，提供了兩個(gè)采樣保持電路，可

以實(shí)現(xiàn)雙通道信號(hào)同步采樣，中央監(jiān)控單元結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

中央監(jiān)控單元結(jié)構(gòu)圖

2.1ADC模塊電路設(shè)計(jì)

TMS320F2812內(nèi)部的ADC模塊是一個(gè)12位帶流水線的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的模擬電路包括前向模擬多路復(fù)用開關(guān)(MUXs)、采樣/保持(S/H)電路、變換內(nèi)核、電壓參考以及其他模擬輔助電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的數(shù)字電路包括可編程轉(zhuǎn)換序列器、結(jié)果寄存器、與模擬電路的接口、與芯片外設(shè)總線的接口以及其他片上模塊的接口，ADC模塊接線如圖3所示。

圖3 ADC模塊接線圖

2.2 eCAN模塊電路設(shè)計(jì)

CAN總線是一種多主串行通信方式，具有高級(jí)別的安全性，可以有效地支持分布式適時(shí)控制。CAN總線具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以在強(qiáng)噪聲干擾和惡劣工作環(huán)境中可靠的工作TMS320F2812的CAN控制器為DSP提供完整的CAN協(xié)議，減少了通信時(shí)的處理器開銷。eCAN模塊主要由CAN協(xié)議內(nèi)核fCPK)和消息控制器構(gòu)成。

CAN協(xié)議內(nèi)核主要完成兩個(gè)功能：根據(jù)CAN協(xié)議對(duì)CAN總線上接收到的消息進(jìn)行解碼，向接受緩沖發(fā)送解碼后的消息：CAN協(xié)議內(nèi)核的另外一個(gè)功能是根據(jù)CAN協(xié)議在CAN總線上傳送消息。消息控制器對(duì)CAN協(xié)議內(nèi)核接收到的消息進(jìn)行判定，決定留給CPU使用還是丟棄，消息控制器還根據(jù)消息的極性將下一個(gè)消息發(fā)送到CAN協(xié)議內(nèi)核(CPK)。CAN通信電路中，其中Rx和Tx分別是DSP的GPIOF7和GPIOF6引腳。上電初始它們默認(rèn)為通用I/O引腳，通過軟件配置町實(shí)現(xiàn)為eCAN模塊接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)使用的是德州儀器公司生產(chǎn)的SN65HVD2303.3V CAN收發(fā)器，該收發(fā)器具有一差分收發(fā)能力、斜率控制、具有一抗寬范圍的共模干擾、電磁干擾(EMI能力、高輸入阻抗和最多允許120個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)等特點(diǎn)。SN65HVD230具有一高速、斜率和等待3種不同的工作模式。其工作模式控制可通過設(shè)置RS控制引腳來實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)中，考慮到信息的實(shí)時(shí)顯示和控制以及傳送的數(shù)據(jù)量較大且通信距離不長(zhǎng)，為了提高信息的實(shí)時(shí)顯示和控制能力，故采用高速模式。把RS引腳接地。由于各個(gè)控制單元電氣上是隔離的，通過光隔把控制單元和CAN通信部分隔離開來。為了電平匹配，采用了LVTTL/LVCMOS兼容高速光隔，本設(shè)計(jì)采用Agilent公司的HCPL-260L。

[!--empirenews.page--]

2.3 DAC電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，DAC采用ADI公司的DAC8562。這是一款12位并行DAC供電電源+5V。由于本系統(tǒng)的外部供電電源也是5V，而12位的精度足以演足系統(tǒng)要求，故采用此款DAC，AC8562和DSP的連接電路見圖4所示：

圖4 DAC的連接電路圖

2.4 OLED顯示電路設(shè)計(jì)

中央監(jiān)控單元的信息顯示采用OLED屏。有一機(jī)發(fā)光顯示OLED是比液品顯示技術(shù)更為先進(jìn)的新—代平板顯示技術(shù)，是被業(yè)界公認(rèn)為最具發(fā)展前景的下一代顯示技術(shù)。本設(shè)計(jì)采用的是Visionox公司的最新產(chǎn)品VGGl2864E-S001。這是128 x 64行點(diǎn)陣的OLED單色、字符、圖形顯示模塊。模塊內(nèi)藏64 X 64的顯示數(shù)據(jù)RAM，其中的每位數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)于OLED屏上一個(gè)點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)，具有8位行數(shù)據(jù)接口，讀寫操作時(shí)序，接口電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

OLED模塊的訪問有直接訪問方式和間接訪問方式。直接訪問方式下，OLED的讀寫使能信號(hào)E由DSP的XRD和XWE組合產(chǎn)生.間接訪問方式下，包括E在內(nèi)的所有控制信號(hào)均接到DSP的I/O口上，通過軟件模擬OLED的讀寫操作時(shí)序。在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮到兩種操作方式，把XRD、XWE、DSP的I/O以及OLED的控制信號(hào)均引到CPLD內(nèi)，方便以后的選擇和調(diào)試。OLED與DSP的連接電路圖見圖5。

圖5 OLED與DSP的連接電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序開始對(duì)GPIO，ADC。ECAN等各個(gè)外設(shè)初始化，進(jìn)入死循環(huán)。在循環(huán)里，程序啟動(dòng)各個(gè)外設(shè)并成相應(yīng)的功能，其程序流程圖如圖6所示。

圖6控制單元軟件流程圖

CAN總線通信軟件的設(shè)計(jì)包括應(yīng)用層協(xié)議制定和實(shí)施、明確各節(jié)點(diǎn)的功能以及相互交互的數(shù)據(jù)、規(guī)定數(shù)據(jù)每—位的確切含義以及要做的響應(yīng)處理。CAN節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的主要分三個(gè)部分，即初始化CAN模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、接收程序。CAN模塊使用之前必須要進(jìn)行初始化。

首先，設(shè)置CANTX和CANRX做為CAN的通信引腳。在標(biāo)準(zhǔn)的T作模式下，通過把CCR(CANMC.12)置1，使CAN模塊工作在初始化模式。等待當(dāng)CCL(CANLS.4)為1時(shí)，才能執(zhí)行初始化操作。初始化操作首先要進(jìn)行位時(shí)間配置寄存器CANBTC的設(shè)置。CANBTC設(shè)置決定總線傳輸信號(hào)的波特率，是CAN控制器模塊的核心配置問題，CAN初始化配置流程圖如圖7。

圖7 CAN模塊的初始化配置

4 結(jié)論

本文創(chuàng)新點(diǎn)：在數(shù)字化電源監(jiān)控逐漸流行的今大，本文提出了一種基TMS320F2812 DSP芯片的針對(duì)分布式多模塊電源的監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)以穩(wěn)定，安全，傳輸速度高的CAN通信技術(shù)作為本系統(tǒng)模塊間通信方式，考慮到系統(tǒng)擴(kuò)展的需要，選用含用大存儲(chǔ)空間的處理芯片，方便系統(tǒng)程序的擴(kuò)展;同時(shí)，選片時(shí)盡量考慮集成度高，可靠性高，針對(duì)系統(tǒng)功能需求的處理芯片和外圍功能電路。本系統(tǒng)注重實(shí)際效用，在實(shí)際的工業(yè)控制中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。