基于CAN的電源控制系統(tǒng)設計

CAN總線是一種能有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡，一方面，其通信方式靈活，可實現(xiàn)多主方式工作，還可實現(xiàn)點對點、點對多點等多種數(shù)據(jù)收發(fā)方式；另一方面，他能在相對較大的距離間進行較高位速率的數(shù)據(jù)通信，例如在3．3 km的距離內其傳輸速率可達20 kb／s。我們的系統(tǒng)是由上位機對多臺并列的單電源控制系統(tǒng)進行控制管理，單電源的間距在100 m左右，且其必須置于較高的位置，系統(tǒng)之間要進行快速的數(shù)據(jù)傳輸，CAN總線能很好的滿足該系統(tǒng)的要求。

1　系統(tǒng)總體結構

　　圖1是該集散電源控制系統(tǒng)的結構示意圖。 

　　其中：CAN0節(jié)點是上位機。

　　本系統(tǒng)用的是C51單片機，外接CAN控制器SJA1000，他對下面多臺下位機傳送控制定值，并且在收集下位機送來數(shù)據(jù)后對其進行分析計算以改變定值。節(jié)點CAN1～CAN31（最多可有31臺）為各單電源的控制部分，我們采用的是TI公司的TMS320LF2407芯片做主控，其上集成有CAN控制器模塊。

2　LF2407及其集成CAN控制模塊介紹

　　LF2407是TI公司推出的定點DSP處理器，他采用高性能靜態(tài)CMOS技術，供電電壓為3．3 V，指令周期可達25 ns，其上集成了包括CAN控制器在內的多個外圍模塊及存儲器，適用于電機及逆變電路的控制。

　　CAN控制器模塊是集成于LF2407中的一個16位外設模塊。該模塊具有以下特性：

　　（1）支持CAN2．0B協(xié)議，支持標準標識符（11位）及擴展標識符（29位），支持數(shù)據(jù)幀與遠程幀。 

　　（2）配置有6個郵箱，2個接收（0，1號），2個發(fā)送（4，5號），2個可配置（3，4號）；每個郵箱數(shù)據(jù)長度為8 B。接收郵箱可進行標識符屏蔽。當標識符位被屏蔽時，在接收數(shù)據(jù)幀時無須對該位標識符進行校驗。

　?。?）具有可編程的位定時器、中斷服務和CAN總線喚醒功能。

　?。?）能自動回復遠程請求，當發(fā)送錯誤或數(shù)據(jù)丟失時，有自動重發(fā)功能。

　　每個郵箱寄存器包含7個字的信息，與各功能模塊控制寄存器相類似，LF2407為其分配了固定的數(shù)據(jù)存儲器地址，例如郵箱0，其寄存器分配如下：   

　　MBX0A～D（4個字的存儲空間）地址：7204～7207其中：標識符（按29位設置）在MSGIDnH的后13位和MSGIDnL中。

3　硬件電路設計及調試

　　在設計LF2407的CAN通信電路時應注意一個問題，即2407的供電電壓為3．3 V，其CAN控制模塊輸出的高電平也只有3．3 V，與CAN驅動器PCA80C250電平（5 V）不兼容，在設計電路時加隔離光耦時要加以注意。圖2所示為下位機側的CAN通信原理圖。 

　　由于TX的輸出光耦采用的是射極輸出方式，我們的輸出光耦應采用6N136（137由于其結構原因不能滿足要求），圖3是我們進行數(shù)據(jù)發(fā)送時測試得到的R42兩端的電壓波形（輸出10101010…）  [!--empirenews.page--]

　　由我們對CAN通信控制器的位配置寄存器BCR1的設置可知，每一位數(shù)據(jù)所占的時間段中，我們的采樣點在70％的時間點，在這一點的輸出電壓必須在額定高低電平的設定值范圍內。我們選定R42＝5 kΩ，得到以上波形，滿足采樣點處高電平≥3．5 V，低電平≤1．5 V。

4　通信協(xié)議及軟件實現(xiàn)

　　在系統(tǒng)中，上位機給下位機發(fā)送運行定值以及起停信號，并且會定時查詢各單機的運行狀況以對其狀態(tài)進行相應的調整。 具體通信過程分為2類：

　　（1）上位機向下位機傳送操作命令及定值，上位機發(fā)送的是數(shù)據(jù)幀。

 　　上位機發(fā)送完數(shù)據(jù)幀后，若下位機收到該數(shù)據(jù)幀則向上位機發(fā)送確認幀，該數(shù)據(jù)幀發(fā)送結束。若發(fā)送失敗，上位機在等待一段時間后未接收到確認幀，則自動重發(fā)該數(shù)據(jù)幀。

　　（2）上位機對下位機的運行狀態(tài)及各種記錄定值進行查詢，上位機發(fā)送的是遠程幀。

 　　遠程幀中只包含有數(shù)據(jù)類型而沒有數(shù)據(jù)內容，下位機接到遠程幀后，根據(jù)上位機要求的數(shù)據(jù)類型向上位機傳送數(shù)據(jù)。同時等待上位機的確認幀。若未接收到確認幀則定時重發(fā)。

　　在該系統(tǒng)中，以標準幀進行通信，即采用11位的標識符。其各位的定義如下：

 　　ID0～ID4：節(jié)點標識，5位的節(jié)點標識可使網(wǎng)絡能容納32個節(jié)點。

 　　ID5～ID7：數(shù)據(jù)類型，需要傳送的數(shù)據(jù)種類比較多，上傳的數(shù)據(jù)幀規(guī)定了7種類型（包括確認幀），與此對應下傳的遠程幀有6種類型，而下傳的數(shù)據(jù)幀則有6種類型。需要至少3位標識符來確定數(shù)據(jù)類型。

　　ID8～ID10：幀計數(shù)，數(shù)據(jù)量最大的數(shù)據(jù)類型包含有17字的數(shù)據(jù)，而每幀最多能傳4字，故該類型數(shù)據(jù)至少需要5幀才能傳完。需對數(shù)據(jù)幀進行計數(shù)以對傳送數(shù)據(jù)具體類型進行確定，故至少需要3位標識符來進行確定幀計數(shù)。

　　由于LF2407有專門的CAN模塊中斷，且在CAN控制模塊中設計了專門的CAN中斷標志及屏蔽寄存器，可以十分方便地采用中斷的方式來啟動CAN控制器進行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

　　在進行CAN控制器的設置時，需要先對改變數(shù)據(jù)請求位CCR進行使能，并在改變后進行復原。值得注意的是，TMS320LF2407中有很多寄存器位是需要通過寫“1”來實現(xiàn)清“0”的，還有些位是只能讀不能用程序直接改寫的，例如：對郵箱中斷（包括接收和發(fā)送）的標志位MIFn（0～5），在進入中斷響應后應將其清除，但該位是只讀位，用戶程序只有寫1到TCR寄存器的TAn位（對發(fā)送郵箱）和寫1到RCR寄存器的RMPn位（對接受郵箱）才可達到清位目的。

5　實現(xiàn)的功能

　　通過該通信系統(tǒng)實現(xiàn)的功能包括：定值傳送（從上位機傳到下位機的數(shù)據(jù)幀）：

　?。?）對時：具體到時分秒的數(shù)據(jù)。

　　（2）運行定值的傳輸：包括閃絡參數(shù)（閃絡系數(shù)KSP，給定火花率SPARK＿NUM）、充電參數(shù)（給定峰值Up,上 升率RISE-NUM，充電時限Ton-max)、放電參數(shù)（平均電壓Vg，平均電流Ig，放電時間極限Toff-max）。

　?。?）保護定值：包括開路參數(shù)（電壓，電流，延時）、短路參數(shù)（電壓，電流，延時）、欠壓電壓、延時、過載電流、偏勵磁、IGBT溫度、油溫等。

　?。?）通道參數(shù)：包括一次電流、輸出電壓電流、IGBT溫度、油溫、輸入電流（三相）、直流電壓。

　　運行定值查詢（上位機發(fā)出遠程幀）：包括系統(tǒng)狀態(tài)、故障記錄、運行定值、保護定值、通道系數(shù)等。

6　結　語

　　本系統(tǒng)已經(jīng)過調試，在我們初制成的單對單系統(tǒng)（上位機帶1臺控制系統(tǒng)）中，能抗除強干擾，在較大傳輸數(shù)據(jù)量的情況下正常工作。 

　　參考文獻

［1］　劉和平．TMS320LF240xDSP結構原理及應用［M］．北京：航空航天大學出版社，2002．

［2］　鄔寬明．CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計［M］．北京：航空航天大學出版社，1996．　2001．