CAN總線在逆變電源監(jiān)控模塊中的研究與應(yīng)用

1引言
新型高頻中小功率逆變電源設(shè)備運(yùn)用電源模塊之間的并聯(lián)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)，是當(dāng)今很有應(yīng)用前景的新型技術(shù)。將若干電源模塊組合起來(lái)，可以構(gòu)成任意功率等級(jí)的供電系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用前景。以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng)是當(dāng)今世界各國(guó)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。本文采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線組建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)含DSP的嵌入式智能控制器的電源模塊進(jìn)行單模塊和多模塊監(jiān)控。
CAN (Controler Area Network)總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，是一種串行數(shù)據(jù)通信總線。CAN總線結(jié)構(gòu)模型取ISO/OSI參考模型的第1、2、7層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。應(yīng)用層的內(nèi)容主要取決于用戶的需要，所以實(shí)際應(yīng)用CAN總線時(shí)，用戶可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的功能。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
逆變電源現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機(jī)操作站、現(xiàn)場(chǎng)DSP模塊控制器。在系統(tǒng)中設(shè)置一臺(tái)PC計(jì)算機(jī)(以下均稱操作站)，它負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理。操作站通過(guò)CAN接口適配卡與以DSP為核心的逆變電源模塊控制器(以下均稱控制器)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電源的監(jiān)控功能。系統(tǒng)采用適配卡SC2102作為PC機(jī)與CAN總線的接口，通過(guò)連接器與CAN總線相連，負(fù)責(zé)CAN總線與PC機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的功能模塊。各個(gè)電源模塊的控制器間以及模塊控制器與操作站之間通過(guò)控制器局域網(wǎng)(CAN)連接通信，在硬件實(shí)現(xiàn)上采用DSP TMS320LF2407A的內(nèi)嵌CAN控制器實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)字通信。
操作站軟件分為三個(gè)基本的模塊：通信模塊、主監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)管理模塊。通信模塊的功能包括利用CAN適配卡及其函數(shù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)CAN總線應(yīng)用層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)操作站與各控制器的網(wǎng)絡(luò)通信，完成通信命令和數(shù)據(jù)的編/解碼以及特殊處理。主監(jiān)控模塊的功能包括提供監(jiān)控界面；系統(tǒng)運(yùn)行的初始化配置功能；查詢各現(xiàn)場(chǎng)單元的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示；設(shè)置被控對(duì)象的參數(shù)，保證逆變電源的正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)管理與顯示模塊包括對(duì)各現(xiàn)場(chǎng)單元的采集數(shù)據(jù)的處理，報(bào)警，統(tǒng)計(jì)，報(bào)表查詢輸出；數(shù)據(jù)查詢等。
3 CAN總線應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)
CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議在CAN的相關(guān)器件中已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了，而應(yīng)用層協(xié)議至今仍然沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，并且現(xiàn)實(shí)應(yīng)用又是多種多樣的，所以，如何選用或制定一種CAN應(yīng)用層協(xié)議，就成為CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的核心問(wèn)題。
3.1報(bào)文格式
操作站與控制器之間的通信是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控制功能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。針對(duì)逆變電源監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)通信雙方具體協(xié)商制定，使用現(xiàn)場(chǎng)總線CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，制定了CAN應(yīng)用層協(xié)議，包括報(bào)文格式，標(biāo)識(shí)符的分配，多報(bào)文的處理，錯(cuò)誤處理等。報(bào)文個(gè)格式如圖2所示。

(1)廣播位 操作站向控制器發(fā)送廣播時(shí)該位為1，其它情況為0。
(2)目標(biāo)地址 表示數(shù)據(jù)報(bào)文所要到達(dá)節(jié)點(diǎn)的地址。
(3)數(shù)據(jù)包類型(TYPE) 報(bào)文的類型。
(4)RTR位 在數(shù)據(jù)報(bào)文中必須是“顯性”電平0，在遠(yuǎn)程報(bào)文中必須是“隱性”電平1。
(5)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼DLC 標(biāo)識(shí)報(bào)文中該字節(jié)往后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，最長(zhǎng)為8字節(jié)。
(6)源地址 表示發(fā)出數(shù)據(jù)報(bào)文的節(jié)點(diǎn)地址，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)收到此報(bào)文后，會(huì)把此源地址作為目標(biāo)地址發(fā)送響應(yīng)報(bào)文。
(7)忙 表示操作站正與某一控制器通信，此時(shí)此位為1。
3.2標(biāo)識(shí)符分配方案
由CAN的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議已經(jīng)知道，CAN的每一幀都有一個(gè)11位的標(biāo)識(shí)符，用來(lái)標(biāo)識(shí)該幀數(shù)據(jù)，并且決定仲裁。
標(biāo)識(shí)符分配是CAN應(yīng)用層協(xié)議中的重要問(wèn)題，標(biāo)識(shí)符要能反映報(bào)文的地址信息，報(bào)文類型，體現(xiàn)報(bào)文級(jí)別。另外，很重要的是報(bào)文標(biāo)識(shí)符決不能重復(fù)。在逆變電源監(jiān)控系統(tǒng)CAN應(yīng)用層協(xié)議中，標(biāo)識(shí)符由三項(xiàng)確定：廣播位，地址域和數(shù)據(jù)包類型域，如圖3所示。

這三項(xiàng)包含了是主機(jī)還是從機(jī)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址以及報(bào)文承載的數(shù)據(jù)信息。廣播位決定一半的優(yōu)先級(jí)，因此主機(jī)發(fā)出的命令優(yōu)先級(jí)一定高于從機(jī)的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址域使不同節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報(bào)文標(biāo)識(shí)符不同。
3.3 多報(bào)文的處理
在數(shù)據(jù)鏈路層中，CAN協(xié)議規(guī)定每幀最大8字節(jié)。為了傳輸大于8字節(jié)的數(shù)據(jù)包，在應(yīng)用層中采用多報(bào)文機(jī)制。多報(bào)文發(fā)送時(shí)要有報(bào)文標(biāo)識(shí)，在多報(bào)文的發(fā)送期間通過(guò)識(shí)別這一標(biāo)識(shí)判斷是否屬于同一多報(bào)文，在多報(bào)文發(fā)送完畢時(shí)有多報(bào)文結(jié)束標(biāo)識(shí)。在報(bào)文發(fā)送期間，如果同時(shí)收到其它報(bào)文則不做處理，待多報(bào)文發(fā)送完畢后再讓它重新發(fā)送。
3.4 錯(cuò)誤處理
對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤，應(yīng)采取分層的概念做出處理。即下一層對(duì)上一層提交一定可信度的信道，使上一層只關(guān)注于解決本層可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，并解決下一層無(wú)法處理，提交上來(lái)的錯(cuò)誤。反之，上一層如果認(rèn)為下一層信道是安全可靠的，在把數(shù)據(jù)交給下一層后，它將不認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，當(dāng)然對(duì)線路斷開(kāi)，目的站離線等嚴(yán)重錯(cuò)誤，下一層無(wú)法解決的錯(cuò)誤，交給上一層后，上層要有解決措施，幫助恢復(fù)下層信道。