基于CAN的电源控制系统设计
时间：2006-08-22 22:19:00
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[导读]介绍了基于CAN的集散式电源控制系统中通信的实现，对其软硬件的设计，调试关键处及其实现的具体功能进行了说明。
摘 要：介绍了基于CAN的集散式电源控制系统中通信的实现，对其软硬件的设计，调试关键处及其实现的具体功能进行了说明。
关键词：CAN总线；TMS320LF2407；集散式电源控制系统；通信
CAN总线是一种能有效支持分布式控制系统的串行通信网络，一方面，其通信方式灵活，可实现多主方式工作，还可实现点对点、点对多点等多种数据收发方式；另一方面，他能在相对较大的距离间进行较高位速率的数据通信，例如在3．3 km的距离内其传输速率可达20 kb／s。我们的系统是由上位机对多台并列的单电源控制系统进行控制管理，单电源的间距在100 m左右，且其必须置于较高的位置，系统之间要进行快速的数据传输，CAN总线能很好的满足该系统的要求。
1 系统总体结构
图1是该集散电源控制系统的结构示意图。
其中：CAN0节点是上位机。
本系统用的是C51单片机，外接CAN控制器SJA1000，他对下面多台下位机传送控制定值，并且在收集下位机送来数据后对其进行分析计算以改变定值。节点CAN1～CAN31（最多可有31台）为各单电源的控制部分，我们采用的是TI公司的TMS320LF2407芯片做主控，其上集成有CAN控制器模块。
2 LF2407及其集成CAN控制模块介绍
LF2407是TI公司推出的定点DSP处理器，他采用高性能静态CMOS技术，供电电压为3．3 V，指令周期可达25 ns，其上集成了包括CAN控制器在内的多个外围模块及存储器，适用于电机及逆变电路的控制。
CAN控制器模块是集成于LF2407中的一个16位外设模块。该模块具有以下特性：
（1）支持CAN2．0B协议，支持标准标识符（11位）及扩展标识符（29位），支持数据帧与远程帧。
（2）配置有6个邮箱，2个接收（0，1号），2个发送（4，5号），2个可配置（3，4号）；每个邮箱数据长度为8 B。接收邮箱可进行标识符屏蔽。当标识符位被屏蔽时，在接收数据帧时无须对该位标识符进行校验。
（3）具有可编程的位定时器、中断服务和CAN总线唤醒功能。
（4）能自动回复远程请求，当发送错误或数据丢失时，有自动重发功能。 每个邮箱寄存器包含7个字的信息，与各功能模块控制寄存器相类似，LF2407为其分配了固定的数据存储器地址，例如邮箱0，其寄存器分配如下：
MBX0A～D（4个字的存储空间）地址：7204～7207其中：标识符（按29位设置）在MSGIDnH的后13位和MSGIDnL中。
3 硬件电路设计及调试
在设计LF2407的CAN通信电路时应注意一个问题，即2407的供电电压为3．3 V，其CAN控制模块输出的高电平也只有3．3 V，与CAN驱动器PCA80C250电平（5 V）不兼容，在设计电路时加隔离光耦时要加以注意。图2所示为下位机侧的CAN通信原理图。
由于TX的输出光耦采用的是射极输出方式，我们的输出光耦应采用6N136（137由于其结构原因不能满足要求），图3是我们进行数据发送时测试得到的R42两端的电压波形（输出10101010…）
由我们对CAN通信控制器的位配置寄存器BCR1的设置可知，每一位数据所占的时间段中，我们的采样点在70％的时间点，在这一点的输出电压必须在额定高低电平的设定值范围内。我们选定R42＝5 kΩ，得到以上波形，满足采样点处高电平≥3．5 V，低电平≤1．5 V。
4 通信协议及软件实现
在系统中，上位机给下位机发送运行定值以及起停信号，并且会定时查询各单机的运行状况以对其状态进行相应的调整。
具体通信过程分为2类：
（1）上位机向下位机传送操作命令及定值，上位机发送的是数据帧。
上位机发送完数据帧后，若下位机收到该数据帧则向上位机发送确认帧，该数据帧发送结束。若发送失败，上位机在等待一段时间后未接收到确认帧，则自动重发该数据帧。
（2）上位机对下位机的运行状态及各种记录定值进行查询，上位机发送的是远程帧。
远程帧中只包含有数据类型而没有数据内容，下位机接到远程帧后，根据上位机要求的数据类型向上位机传送数据。同时等待上位机的确认帧。若未接收到确认帧则定时重发。
在该系统中，以标准帧进行通信，即采用11位的标识符。其各位的定义如下：
ID0～ID4：节点标识，5位的节点标识可使网络能容纳32个节点。
ID5～ID7：数据类型，需要传送的数据种类比较多，上传的数据帧规定了7种类型（包括确认帧），与此对应下传的远程帧有6种类型，而下传的数据帧则有6种类型。需要至少3位标识符来确定数据类型。
ID8～ID10：帧计数，数据量最大的数据类型包含有17字的数据，而每帧最多能传4字，故该类型数据至少需要5帧才能传完。需对数据帧进行计数以对传送数据具体类型进行确定，故至少需要3位标识符来进行确定帧计数。
由于LF2407有专门的CAN模块中断，且在CAN控制模块中设计了专门的CAN中断标志及屏蔽寄存器，可以十分方便地采用中断的方式来启动CAN控制器进行数据的接收与发送。
在进行CAN控制器的设置时，需要先对改变数据请求位CCR进行使能，并在改变后进行复原。值得注意的是，TMS320LF2407中有很多寄存器位是需要通过写“1”来实现清“0”的，还有些位是只能读不能用程序直接改写的，例如：对邮箱中断（包括接收和发送）的标志位MIFn（0～5），在进入中断响应后应将其清除，但该位是只读位，用户程序只有写1到TCR寄存器的TAn位（对发送邮箱）和写1到RCR寄存器的RMPn位（对接受邮箱）才可达到清位目的。
5 实现的功能
通过该通信系统实现的功能包括：定值传送（从上位机传到下位机的数据帧）：
（1）对时：具体到时分秒的数据。
（2）运行定值的传输：包括闪络参数（闪络系数KSP，给定火花率SPARK＿NUM）、充电参数（给定峰值Up,上升率RISE-NUM，充电时限Ton-max)、放电参数（平均电压Vg，平均电流Ig，放电时间极限Toff-max）。
（3）保护定值：包括开路参数（电压，电流，延时）、短路参数（电压，电流，延时）、欠压电压、延时、过载电流、偏励磁、IGBT温度、油温等。
（4）通道参数：包括一次电流、输出电压电流、IGBT温度、油温、输入电流（三相）、直流电压。
运行定值查询（上位机发出远程帧）：包括系统状态、故障记录、运行定值、保护定值、通道系数等。
6 结 语
本系统已经过调试，在我们初制成的单对单系统（上位机带1台控制系统）中，能抗除强干扰，在较大传输数据量的情况下正常工作。
参考文献
［1］ 刘和平．TMS320LF240xDSP结构原理及应用［M］．北京：航空航天大学出版社，2002．
［2］ 邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计［M］．北京：航空航天大学出版社，1996． 2001．
关键词：CAN总线；TMS320LF2407；集散式电源控制系统；通信
CAN总线是一种能有效支持分布式控制系统的串行通信网络，一方面，其通信方式灵活，可实现多主方式工作，还可实现点对点、点对多点等多种数据收发方式；另一方面，他能在相对较大的距离间进行较高位速率的数据通信，例如在3．3 km的距离内其传输速率可达20 kb／s。我们的系统是由上位机对多台并列的单电源控制系统进行控制管理，单电源的间距在100 m左右，且其必须置于较高的位置，系统之间要进行快速的数据传输，CAN总线能很好的满足该系统的要求。
1 系统总体结构
图1是该集散电源控制系统的结构示意图。
其中：CAN0节点是上位机。
本系统用的是C51单片机，外接CAN控制器SJA1000，他对下面多台下位机传送控制定值，并且在收集下位机送来数据后对其进行分析计算以改变定值。节点CAN1～CAN31（最多可有31台）为各单电源的控制部分，我们采用的是TI公司的TMS320LF2407芯片做主控，其上集成有CAN控制器模块。
2 LF2407及其集成CAN控制模块介绍
LF2407是TI公司推出的定点DSP处理器，他采用高性能静态CMOS技术，供电电压为3．3 V，指令周期可达25 ns，其上集成了包括CAN控制器在内的多个外围模块及存储器，适用于电机及逆变电路的控制。
CAN控制器模块是集成于LF2407中的一个16位外设模块。该模块具有以下特性：
（1）支持CAN2．0B协议，支持标准标识符（11位）及扩展标识符（29位），支持数据帧与远程帧。
（2）配置有6个邮箱，2个接收（0，1号），2个发送（4，5号），2个可配置（3，4号）；每个邮箱数据长度为8 B。接收邮箱可进行标识符屏蔽。当标识符位被屏蔽时，在接收数据帧时无须对该位标识符进行校验。
（3）具有可编程的位定时器、中断服务和CAN总线唤醒功能。
（4）能自动回复远程请求，当发送错误或数据丢失时，有自动重发功能。 每个邮箱寄存器包含7个字的信息，与各功能模块控制寄存器相类似，LF2407为其分配了固定的数据存储器地址，例如邮箱0，其寄存器分配如下：
MBX0A～D（4个字的存储空间）地址：7204～7207其中：标识符（按29位设置）在MSGIDnH的后13位和MSGIDnL中。
3 硬件电路设计及调试
在设计LF2407的CAN通信电路时应注意一个问题，即2407的供电电压为3．3 V，其CAN控制模块输出的高电平也只有3．3 V，与CAN驱动器PCA80C250电平（5 V）不兼容，在设计电路时加隔离光耦时要加以注意。图2所示为下位机侧的CAN通信原理图。
由于TX的输出光耦采用的是射极输出方式，我们的输出光耦应采用6N136（137由于其结构原因不能满足要求），图3是我们进行数据发送时测试得到的R42两端的电压波形（输出10101010…）
由我们对CAN通信控制器的位配置寄存器BCR1的设置可知，每一位数据所占的时间段中，我们的采样点在70％的时间点，在这一点的输出电压必须在额定高低电平的设定值范围内。我们选定R42＝5 kΩ，得到以上波形，满足采样点处高电平≥3．5 V，低电平≤1．5 V。
4 通信协议及软件实现
在系统中，上位机给下位机发送运行定值以及起停信号，并且会定时查询各单机的运行状况以对其状态进行相应的调整。
具体通信过程分为2类：
（1）上位机向下位机传送操作命令及定值，上位机发送的是数据帧。
上位机发送完数据帧后，若下位机收到该数据帧则向上位机发送确认帧，该数据帧发送结束。若发送失败，上位机在等待一段时间后未接收到确认帧，则自动重发该数据帧。
（2）上位机对下位机的运行状态及各种记录定值进行查询，上位机发送的是远程帧。
远程帧中只包含有数据类型而没有数据内容，下位机接到远程帧后，根据上位机要求的数据类型向上位机传送数据。同时等待上位机的确认帧。若未接收到确认帧则定时重发。
在该系统中，以标准帧进行通信，即采用11位的标识符。其各位的定义如下：
ID0～ID4：节点标识，5位的节点标识可使网络能容纳32个节点。
ID5～ID7：数据类型，需要传送的数据种类比较多，上传的数据帧规定了7种类型（包括确认帧），与此对应下传的远程帧有6种类型，而下传的数据帧则有6种类型。需要至少3位标识符来确定数据类型。
ID8～ID10：帧计数，数据量最大的数据类型包含有17字的数据，而每帧最多能传4字，故该类型数据至少需要5帧才能传完。需对数据帧进行计数以对传送数据具体类型进行确定，故至少需要3位标识符来进行确定帧计数。
由于LF2407有专门的CAN模块中断，且在CAN控制模块中设计了专门的CAN中断标志及屏蔽寄存器，可以十分方便地采用中断的方式来启动CAN控制器进行数据的接收与发送。
在进行CAN控制器的设置时，需要先对改变数据请求位CCR进行使能，并在改变后进行复原。值得注意的是，TMS320LF2407中有很多寄存器位是需要通过写“1”来实现清“0”的，还有些位是只能读不能用程序直接改写的，例如：对邮箱中断（包括接收和发送）的标志位MIFn（0～5），在进入中断响应后应将其清除，但该位是只读位，用户程序只有写1到TCR寄存器的TAn位（对发送邮箱）和写1到RCR寄存器的RMPn位（对接受邮箱）才可达到清位目的。
5 实现的功能
通过该通信系统实现的功能包括：定值传送（从上位机传到下位机的数据帧）：
（1）对时：具体到时分秒的数据。
（2）运行定值的传输：包括闪络参数（闪络系数KSP，给定火花率SPARK＿NUM）、充电参数（给定峰值Up,上升率RISE-NUM，充电时限Ton-max)、放电参数（平均电压Vg，平均电流Ig，放电时间极限Toff-max）。
（3）保护定值：包括开路参数（电压，电流，延时）、短路参数（电压，电流，延时）、欠压电压、延时、过载电流、偏励磁、IGBT温度、油温等。
（4）通道参数：包括一次电流、输出电压电流、IGBT温度、油温、输入电流（三相）、直流电压。
运行定值查询（上位机发出远程帧）：包括系统状态、故障记录、运行定值、保护定值、通道系数等。
6 结 语
本系统已经过调试，在我们初制成的单对单系统（上位机带1台控制系统）中，能抗除强干扰，在较大传输数据量的情况下正常工作。
参考文献
［1］ 刘和平．TMS320LF240xDSP结构原理及应用［M］．北京：航空航天大学出版社，2002．
［2］ 邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计［M］．北京：航空航天大学出版社，1996． 2001．
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