雙CAN總線與以太網(wǎng)監(jiān)控電路設(shè)計指南 —電路圖天天讀（93）

　　目前最常用的現(xiàn)場總線為CAN總線，CAN總線以可靠性高、成本低、應(yīng)用靈活等諸多優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于智能通信網(wǎng)絡(luò)中，但收發(fā)器驅(qū)動能力的限制不適合遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸及遠(yuǎn)程控制。而以太網(wǎng)技術(shù)成熟、通信速度快、軟硬件產(chǎn)品豐富和外圍技術(shù)支持全面，可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，但在工業(yè)控制中仍然存在部分問題尚未解決。結(jié)合CAN總線與以太網(wǎng)自身的優(yōu)缺點，本文研究了適用于船舶監(jiān)控系統(tǒng)基于雙CAN總線與以太網(wǎng)的現(xiàn)場監(jiān)控模塊，該模塊可安裝于配電開關(guān)柜內(nèi)，能夠就近進(jìn)行電流、電壓及開關(guān)狀態(tài)信息的采集，獨立進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)測量、保護(hù)、控制等功能。能夠通過冗余雙CAN總線與其他智能節(jié)點進(jìn)行通信，并且通過以太網(wǎng)上傳重要數(shù)據(jù)給監(jiān)控臺，協(xié)助監(jiān)控臺完成監(jiān)測和控制功能。作為配電網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)連接的紐帶，具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景。

　　現(xiàn)場監(jiān)控模塊的硬件系統(tǒng)

　　在現(xiàn)場監(jiān)控模塊中，大量的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)需要采集和處理，并及時、迅速地向集中監(jiān)控臺傳輸，即向集中監(jiān)控臺提供整個控制過程的具體數(shù)據(jù)，同時還要完成判斷處理并通過輸出模塊發(fā)送各種控制命令，考慮到其功能復(fù)雜程度，采用了DSP+FPGA雙控制器的硬件方案，其硬件結(jié)構(gòu)原理參見圖1。

　　1） A/D芯片 該系統(tǒng)采用AD7865作為A/D芯片，該芯片為高速14位A/D轉(zhuǎn)換器，同時采樣4個輸入通道，并具有4個采樣、保持放大器。其優(yōu)點在于能夠真正實現(xiàn)多路信號的同步采樣，并保持各通道信號的相位關(guān)系。具有片內(nèi)時鐘、讀寫允許邏輯、多種通道選擇方式以及內(nèi)部精確的2.5V參考電壓，使得其與高速處理器的接口變得非常簡單。本系統(tǒng)共配置了4片AD7865，能同步采樣多達(dá)16路模擬量數(shù)據(jù)。

　　2） 電磁隔離 所有開關(guān)量的輸入輸出均采用電磁隔離技術(shù)，可有效提高抗干擾能力，本系統(tǒng)選擇了16片4路集成電磁隔離芯片ADUM1410，使得該模塊能同時完成多達(dá)32輸入，32路輸出的數(shù)據(jù)采集。

　　3） FPGA 該系統(tǒng)以EP1C6PQ240作為系統(tǒng)的輔控制芯片，該芯片有5980個邏輯單元，嵌入式存儲塊有一列M4K塊，每個M4K塊可以組成各種存儲器，包括雙端口、單端口RAM、ROM和FIFO等，I/O單元包含一個雙向I/O緩沖器和三個寄存器，具有2個鎖相環(huán)和8個獨立系統(tǒng)時鐘，芯片管腳數(shù)為240個， 可用管腳數(shù)為185個。FPGA主要完成數(shù)據(jù)輸入輸出控制及數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。所有的開關(guān)量信號送入FPGA，所有的模擬量信號經(jīng)A/D芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后也送入FPGA，F(xiàn)PGA需要向A/D芯片提供控制信號來控制A/D芯片的讀寫，所有的數(shù)據(jù)由FPGA預(yù)處理后供DSP讀取。

　　4） DSP 該系統(tǒng)以TMS320LF28335作為主控制芯片［4~5］，該芯片為低功耗、高性能的32位芯片，其內(nèi)部集成了多種功能模塊，不但包括多種通信接口， 且同一種通信接口的數(shù)量不止一個，如SCI串口有3個，CAN口有2個，只需增加簡單的外圍器件即可實現(xiàn)擴(kuò)展功能。DSP主要完成數(shù)據(jù)處理、邏輯控制及通訊功能。由于FPGA已將大量數(shù)據(jù)做了預(yù)處理，且本系統(tǒng)中DSP與FPGA的16位地址線和16位數(shù)據(jù)線均相連，采用并行數(shù)據(jù)傳輸，DSP只要通過簡單的指令即可快速讀取所需要的開關(guān)量和模擬量值，為狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷功能提供基礎(chǔ)。

　　5） CAN通信 大多數(shù)嵌有CAN控制器的控制芯片只有一個CAN控制器，如果希望系統(tǒng)具有雙CAN接口，則需要外接一個CAN控制芯片，增加了硬件成本，電路結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

　　而本系統(tǒng)使用的DSP芯片中嵌有兩個CAN控制器，因此只要將兩個CAN控制器分別外接CAN驅(qū)動器就可以實現(xiàn)與兩條獨立的CAN總線連接。圖2以 CANA為例顯示了TMS320LF28335的CAN通信接口電路，CANB的電路設(shè)計與此相同。CAN總線收發(fā)器82C250是驅(qū)動CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。利用高速光耦6N137，實現(xiàn)收發(fā)信號的隔離和DSP與82C250之間的電平匹配。

　　6） 以太網(wǎng)通信 本系統(tǒng)選用了W5100作為以太網(wǎng)接入芯片。W5100包含了TCP/IP、UDP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和DLC、MAC以太網(wǎng)協(xié)議。它提供多種總線，包括兩種并行總線以及SPI串行總線等接口方式。內(nèi)置16KB數(shù)據(jù)緩沖雙口RAM，可快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。圖3為以太網(wǎng)通信接口電路圖。

　　W5100供電電壓為3.3V和1.8V，其中1.8V可由芯片內(nèi)部線性穩(wěn)壓電源產(chǎn)生，外接濾波電路后供回芯片。L1、L2均為1μH的電感，C3、C4均為0.1μF的電容。根據(jù) W5100的工作頻率要求，需在XTLP和XTLN引腳間接25MHz晶振及接地電容C1和C2，均為22pF。W5100的內(nèi)部模擬電路需要在 RSET_BG引腳與地之間外接精度為1%的電阻R4和R5，阻值分別為12k和300Ω。為了實現(xiàn)電氣隔離，消除部分諧波（根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以消除不同次的諧波），有效降低零地電壓，需要在W5100與外部接口之間接網(wǎng)絡(luò)變壓器。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)變壓器選11FB-05NL，網(wǎng)絡(luò)變壓器的RXPI與RXIN、 TXOP與TXON各需要2個51Ω（精度為1%）的電阻和1個0.1μF的電容與特定端相連。DSP通過片選信號DSP_CS選中W5100芯片，通過直接總線模式讀（/WR）、寫（/RD）信號和數(shù)據(jù)（DATA）、地址（ADDR）總線可以簡單的將W5100看做一個外部存儲器來實施控制。
電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點評分析：

　　設(shè)計了現(xiàn)場監(jiān)控模塊可應(yīng)用于船舶配電網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)柜或重要設(shè)備，配電單元內(nèi)所有電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)量等利用現(xiàn)場監(jiān)控模塊就地采集及處理，節(jié)省了大量電纜，減輕了集中監(jiān)控臺的控制負(fù)擔(dān)，雙冗余CAN及以太網(wǎng)等通信接口，使其與集中監(jiān)控臺的通信變得便利而可靠，為整個監(jiān)控系統(tǒng)采取靈活而簡便的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
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