基于CAN通信的电源监控系统的设计 - 电源技术 - 电子工程

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<strong>引言</strong>

电源技术发展的方向之一是运用电源模块并联技术实现功率合成，组成积木式、智能化的分布式大功率电源系统。为使并联的各个模块协调工作，对分布式电源系统进行可靠的监控是电源技术发展的热点之一。目前对分布式电源监控普遍采用的做法存在的问题主要在数字化程度不高，速度不够快，精度和可靠性不够高等问题，然而在工业控制中电源控制显的十分的重要。

<strong>1 电源监控系统总体设计</strong>

传统电源系统并联系统多是采用模拟的方法实现模块间的电流均流的，但存在着一些共同的不足：必须有均流控制母线，需要增加专门的均流控制器。且均流母线属于模拟电平信号线，抗干扰能力较弱；难于保证电源模块调制频率的一致。同时，当多个子并联电源单元组成分布式电源系统时，对整个系统进行实时、准确的统一监控和调度意义重大。电源监控实现的前提条件就是能在各子单元和监控单元之间通信，本系统设计就使用了在工业场合经常使用的具有存在自适应、自保护功能脆强，抗干扰能力强的CAN总线。

本系统由8块控制单元和1块中央监控单元组成。控制单元和监控单元之间通过CAN总线进行数据传输，各单元自成一个CAN节点。每个单元的核心处理器都是r11公司的TMS320F2812 DSP芯片。每个控制单元有一个用户而板与之对应。控制单元和面板完成每层电源模块的电源参数采集，均流基准输出，“遥/本采”及“遥，本调”切换，面板状态信息显示：中央监控单元完成对各层控制单元采集数据的实时汇总显示以及对各层电源模块的“遥调”，系统整体结构如图1所示。


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图1系统控制单元结构图

<strong>2 系统中央监控单元与外围电路设计</strong>

中央监控单元可实现模块信息的汇总显示和对各层电源的“遥调”。各层控制单元采集和处理的数据经CAN总线传送给中央监控单元。这些信息可以在OLED屏幕上分页显示，可接受来自键盘的操作自由选择要显示的信息。“遥调”值也是通过键盘输入得到。本系统选用的处理器是TI公司的TMS320F2812，此处理器是一款32位定点数字信号处理器，处理速度可以达到150MIPS。该处理器还集成了128KB的Flash存储器和128位的密码保护机制，从而大大改善了应用的灵活性。同时片上还集成了16通道高性能12位ADC单元，提供了两个采样保持电路，可
以实现双通道信号同步采样，中央监控单元结构图如图2所示。


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图2中央监控单元结构图

2．1ADC模块电路设计

TMS320F2812内部的ADC模块是一个12位带流水线的模数转换器，模数转换单元的模拟电路包括前向模拟多路复用开关(MUXs)、采样/保持(S/H)电路、变换内核、电压参考以及其他模拟辅助电路。模数转换单元的数字电路包括可编程转换序列器、结果寄存器、与模拟电路的接口、与芯片外设总线的接口以及其他片上模块的接口，ADC模块接线如图3所示。


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图3 ADC模块接线图

2．2 eCAN模块电路设计

CAN总线是一种多主串行通信方式，具有高级别的安全性，可以有效地支持分布式适时控制。CAN总线具有较强的抗干扰能力，可以在强噪声干扰和恶劣工作环境中可靠的工作TMS320F2812的CAN控制器为DSP提供完整的CAN协议，减少了通信时的处理器开销。eCAN模块主要由CAN协议内核fCPK)和消息控制器构成。CAN协议内核主要完成两个功能：根据CAN协议对CAN总线上接收到的消息进行解码，向接受缓冲发送解码后的消息：CAN协议内核的另外一个功能是根据CAN协议在CAN总线上传送消息。消息控制器对CAN协议内核接收到的消息进行判定，决定留给CPU使用还是丢弃，消息控制器还根据消息的极性将下一个消息发送到CAN协议内核(CPK)。CAN通信电路中，其中Rx和Tx分别是DSP的GPIOF7和GPIOF6引脚。上电初始它们默认为通用I/O引脚，通过软件配置町实现为eCAN模块接收和发送数据。

本系统使用的是德州仪器公司生产的SN65HVD2303.3V CAN收发器，该收发器具有一差分收发能力、斜率控制、具有一抗宽范围的共模干扰、电磁干扰(EMI能力、高输入阻抗和最多允许120个CAN节点等特点。SN65HVD230具有一高速、斜率和等待3种不同的工作模式。其工作模式控制可通过设置RS控制引脚来实现。

本设计中，考虑到信息的实时显示和控制以及传送的数据量较大且通信距离不长，为了提高信息的实时显示和控制能力，故采用高速模式。把RS引脚接地。由于各个控制单元电气上是隔离的，通过光隔把控制单元和CAN通信部分隔离开来。为了电平匹配，采用了LVTTL/LVCMOS兼容高速光隔，本设计采用Agilent公司的HCPL-260L。

2．3 DAC电路设计

本设计中，DAC采用ADI公司的DAC8562。这是一款12位并行DAC供电电源+5V。由于本系统的外部供电电源也是5V，而12位的精度足以演足系统要求，故采用此款DAC，AC8562和DSP的连接电路见图4所示：


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图4 DAC的连接电路图

2．4 OLED显示电路设计

中央监控单元的信息显示采用OLED屏。有一机发光显示OLED是比液品显示技术更为先进的新—代平板显示技术，是被业界公认为最具发展前景的下一代显示技术。本设计采用的是Visionox公司的最新产品VGGl2864E-S001。这是128 x 64行点阵的OLED单色、字符、图形显示模块。模块内藏64 X 64的显示数据RAM,其中的每位数据都对应于OLED屏上一个点的亮、暗状态，具有8位行数据接口，读写操作时序，接口电路简单等特点。

OLED模块的访问有直接访问方式和间接访问方式。直接访问方式下，OLED的读写使能信号E由DSP的XRD和XWE组合产生．间接访问方式下，包括E在内的所有控制信号均接到DSP的I/O口上，通过软件模拟OLED的读写操作时序。在设计时综合考虑到两种操作方式，把XRD、XWE、DSP的I/O口以及OLED的控制信号均引到CPLD内，方便以后的选择和调试。OLED与DSP的连接电路图见图5。


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图5 OLED与DSP的连接电路

<strong>3 系统软件设计</strong>

程序开始对GPIO，ADC。ECAN等各个外设初始化，进入死循环。在循环里，程序启动各个外设并成相应的功能，其程序流程图如图6所示。


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图6控制单元软件流程图

CAN总线通信软件的设计包括应用层协议制定和实施、明确各节点的功能以及相互交互的数据、规定数据每—位的确切含义以及要做的响应处理。CAN节点软件设计的主要分三个部分，即初始化CAN模块、数据发送程序、接收程序。CAN模块使用之前必须要进行初始化。首先，设置CANTX和CANRX做为CAN的通信引脚。在标准的T作模式下，通过把CCR(CANMC.12)置1，使CAN模块工作在初始化模式。等待当CCL(CANLS.4)为1时，才能执行初始化操作。初始化操作首先要进行位时间配置寄存器CANBTC的设置。CANBTC设置决定总线传输信号的波特率，是CAN控制器模块的核心配置问题，CAN初始化配置流程图如图7。


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图7 CAN模块的初始化配置

<strong>4 结论</strong>

本文创新点：在数字化电源监控逐渐流行的今大，本文提出了一种基TMS320F2812DSP的针对分布式多模块电源的监控系统，该监控系统以稳定，安全，传输速度高的CAN通信技术作为本系统模块间通信方式，考虑到系统扩展的需要，选用含用大存储空间的处理芯片，方便系统程序的扩展；同时，选片时尽量考虑集成度高，可靠性高，针对系统功能需求的处理芯片和外围功能电路。本系统注重实际效用，在实际的工业控制中，系统工作稳定。

已经产生经济效益300万元


作者：林云  来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第1-2期