基于CAN的電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1是該集散電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 

其中：CAN0節(jié)點(diǎn)是上位機(jī)。

本系統(tǒng)用的是C51單片機(jī)，外接CAN控制器SJA1000，他對(duì)下面多臺(tái)下位機(jī)傳送控制定值，并且在收集下位機(jī)送來數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算以改變定值。節(jié)點(diǎn)CAN1～CAN31（最多可有31臺(tái)）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(diǎn)DSP處理器，他采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，供電電壓為3．3 V，指令周期可達(dá)25 ns，其上集成了包括CAN控制器在內(nèi)的多個(gè)外圍模塊及存儲(chǔ)器，適用于電機(jī)及逆變電路的控制。

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

（1）支持CAN2．0B協(xié)議，支持標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符（11位）及擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符（29位），支持?jǐn)?shù)據(jù)幀與遠(yuǎn)程幀。 

（2）配置有6個(gè)郵箱，2個(gè)接收（0，1號(hào)），2個(gè)發(fā)送（4，5號(hào)），2個(gè)可配置（3，4號(hào)）；每個(gè)郵箱數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8 B。接收郵箱可進(jìn)行標(biāo)識(shí)符屏蔽。當(dāng)標(biāo)識(shí)符位被屏蔽時(shí)，在接收數(shù)據(jù)幀時(shí)無須對(duì)該位標(biāo)識(shí)符進(jìn)行校驗(yàn)。

（3）具有可編程的位定時(shí)器、中斷服務(wù)和CAN總線喚醒功能。

（4）能自動(dòng)回復(fù)遠(yuǎn)程請(qǐng)求，當(dāng)發(fā)送錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)丟失時(shí)，有自動(dòng)重發(fā)功能。

每個(gè)郵箱寄存器包含7個(gè)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(chǔ)器地址，例如郵箱0，其寄存器分配如下：   

MBX0A～D（4個(gè)字的存儲(chǔ)空間）地址：7204～7207其中：標(biāo)識(shí)符（按29位設(shè)置）在MSGIDnH的后13位和MSGIDnL中。

3　硬件電路設(shè)計(jì)及調(diào)試

在設(shè)計(jì)LF2407的CAN通信電路時(shí)應(yīng)注意一個(gè)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(qū)動(dòng)器PCA80C250電平（5 V）不兼容，在設(shè)計(jì)電路時(shí)加隔離光耦時(shí)要加以注意。圖2所示為下位機(jī)側(cè)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(yīng)采用6N136（137由于其結(jié)構(gòu)原因不能滿足要求），圖3是我們進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)測(cè)試得到的R42兩端的電壓波形（輸出10101010…） 

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

4　通信協(xié)議及軟件實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)中，上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送運(yùn)行定值以及起停信號(hào)，并且會(huì)定時(shí)查詢各單機(jī)的運(yùn)行狀況以對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。 具體通信過程分為2類：

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

上位機(jī)發(fā)送完數(shù)據(jù)幀后，若下位機(jī)收到該數(shù)據(jù)幀則向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)幀，該數(shù)據(jù)幀發(fā)送結(jié)束。若發(fā)送失敗，上位機(jī)在等待一段時(shí)間后未接收到確認(rèn)幀，則自動(dòng)重發(fā)該數(shù)據(jù)幀。

（2）上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及各種記錄定值進(jìn)行查詢，上位機(jī)發(fā)送的是遠(yuǎn)程幀。

遠(yuǎn)程幀中只包含有數(shù)據(jù)類型而沒有數(shù)據(jù)內(nèi)容，下位機(jī)接到遠(yuǎn)程幀后，根據(jù)上位機(jī)要求的數(shù)據(jù)類型向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)。同時(shí)等待上位機(jī)的確認(rèn)幀。若未接收到確認(rèn)幀則定時(shí)重發(fā)。

在該系統(tǒng)中，以標(biāo)準(zhǔn)幀進(jìn)行通信，即采用11位的標(biāo)識(shí)符。其各位的定義如下：

ID0～I(xiàn)D4：節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，5位的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)可使網(wǎng)絡(luò)能容納32個(gè)節(jié)點(diǎn)。

ID5～I(xiàn)D7：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(rèn)幀），與此對(duì)應(yīng)下傳的遠(yuǎn)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(biāo)識(shí)符來確定數(shù)據(jù)類型。

ID8～I(xiàn)D10：幀計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行計(jì)數(shù)以對(duì)傳送數(shù)據(jù)具體類型進(jìn)行確定，故至少需要3位標(biāo)識(shí)符來進(jìn)行確定幀計(jì)數(shù)。

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

在進(jìn)行CAN控制器的設(shè)置時(shí)，需要先對(duì)改變數(shù)據(jù)請(qǐng)求位CCR進(jìn)行使能，并在改變后進(jìn)行復(fù)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(shí)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(duì)郵箱中斷（包括接收和發(fā)送）的標(biāo)志位MIFn（0～5），在進(jìn)入中斷響應(yīng)后應(yīng)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(duì)發(fā)送郵箱）和寫1到RCR寄存器的RMPn位（對(duì)接受郵箱）才可達(dá)到清位目的。

5　實(shí)現(xiàn)的功能

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

（1）對(duì)時(shí)：具體到時(shí)分秒的數(shù)據(jù)。

（2）運(yùn)行定值的傳輸：包括閃絡(luò)參數(shù)（閃絡(luò)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(shí)限Ton-max)、放電參數(shù)（平均電壓Vg，平均電流Ig，放電時(shí)間極限Toff-max）。

（3）保護(hù)定值：包括開路參數(shù)（電壓，電流，延時(shí)）、短路參數(shù)（電壓，電流，延時(shí)）、欠壓電壓、延時(shí)、過載電流、偏勵(lì)磁、IGBT溫度、油溫等。

（4）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(yùn)行定值查詢（上位機(jī)發(fā)出遠(yuǎn)程幀）：包括系統(tǒng)狀態(tài)、故障記錄、運(yùn)行定值、保護(hù)定值、通道系數(shù)等。

6　結(jié)　語

本系統(tǒng)已經(jīng)過調(diào)試，在我們初制成的單對(duì)單系統(tǒng)（上位機(jī)帶1臺(tái)控制系統(tǒng)）中，能抗除強(qiáng)干擾，在較大傳輸數(shù)據(jù)量的情況下正常工作。 

參考文獻(xiàn)

［1］　劉和平．TMS320LF240xDSP結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用［M］．北京：航空航天大學(xué)出版社，2002．

［2］　鄔寬明．CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］．北京：航空航天大學(xué)出版社，1996．　2001．