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CAN總線在逆變電源監(jiān)控模塊中的研究與應用

時間：2009-07-04 22:44:59

關鍵字：逆變電源 CAN總線監(jiān)控模塊電源監(jiān)控

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[導讀]為了滿足逆變電源多模塊監(jiān)控中的實時性、可擴展性、靈活性、可靠性等需求，采用CAN現場總線作為系統(tǒng)通信傳輸方式組建了監(jiān)控網絡，對逆變電源模塊進行監(jiān)控。在此基礎上描述了操作站一側監(jiān)控方案的設計，并重點介紹了系統(tǒng)通信中CAN總線應用層協議的具體制定以及通信軟件的設計和實現，實現了操作站與控制器的通信，完成了對逆變電源模塊的監(jiān)控功能。

1引言
新型高頻中小功率逆變電源設備運用電源模塊之間的并聯實現功率合成，組成積木式、智能化的分布式大功率電源系統(tǒng)，是當今很有應用前景的新型技術。將若干電源模塊組合起來，可以構成任意功率等級的供電系統(tǒng)，有著廣泛的應用前景。以現場總線為基礎的全數字化自動控制系統(tǒng)是當今世界各國在工業(yè)自動化領域的熱點課題。本文采用CAN現場總線組建監(jiān)控網絡，對含DSP的嵌入式智能控制器的電源模塊進行單模塊和多模塊監(jiān)控。
CAN (Controler Area Network)總線屬于現場總線的范疇，是一種串行數據通信總線。CAN總線結構模型取ISO/OSI參考模型的第1、2、7層協議，即物理層、數據鏈路層和應用層。應用層的內容主要取決于用戶的需要，所以實際應用CAN總線時，用戶可以根據需要實現應用層的功能。
2 系統(tǒng)結構
逆變電源現場總線監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機操作站、現場DSP模塊控制器。在系統(tǒng)中設置一臺PC計算機(以下均稱操作站)，它負責對整個系統(tǒng)進行管理。操作站通過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，實現對逆變電源的監(jiān)控功能。系統(tǒng)采用適配卡SC2102作為PC機與CAN總線的接口，通過連接器與CAN總線相連，負責CAN總線與PC機之間數據交換的功能模塊。各個電源模塊的控制器間以及模塊控制器與操作站之間通過控制器局域網(CAN)連接通信，在硬件實現上采用DSP TMS320LF2407A的內嵌CAN控制器實現與上位機的數字通信。
操作站軟件分為三個基本的模塊：通信模塊、主監(jiān)控模塊、數據管理模塊。通信模塊的功能包括利用CAN適配卡及其函數庫，實現CAN總線應用層協議，實現操作站與各控制器的網絡通信，完成通信命令和數據的編/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)運行的初始化配置功能；查詢各現場單元的實時采集數據，并將數據實時顯示；設置被控對象的參數，保證逆變電源的正常運行。數據管理與顯示模塊包括對各現場單元的采集數據的處理，報警，統(tǒng)計，報表查詢輸出；數據查詢等。
3 CAN總線應用層的實現
CAN物理層和數據鏈路層協議在CAN的相關器件中已經基本實現了，而應用層協議至今仍然沒有統(tǒng)一的標準，并且現實應用又是多種多樣的，所以，如何選用或制定一種CAN應用層協議，就成為CAN網絡應用中的核心問題。
3.1報文格式
操作站與控制器之間的通信是實現監(jiān)控制功能的基礎和關鍵。針對逆變電源監(jiān)控系統(tǒng)，經過通信雙方具體協商制定，使用現場總線CAN網絡技術，制定了CAN應用層協議，包括報文格式，標識符的分配，多報文的處理，錯誤處理等。報文個格式如圖2所示。
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(1)廣播位操作站向控制器發(fā)送廣播時該位為1，其它情況為0。
(2)目標地址表示數據報文所要到達節(jié)點的地址。
(3)數據包類型(TYPE) 報文的類型。
(4)RTR位在數據報文中必須是“顯性”電平0，在遠程報文中必須是“隱性”電平1。
(5)數據長度碼DLC 標識報文中該字節(jié)往后的數據長度，最長為8字節(jié)。
(6)源地址表示發(fā)出數據報文的節(jié)點地址，當接收節(jié)點收到此報文后，會把此源地址作為目標地址發(fā)送響應報文。
(7)忙表示操作站正與某一控制器通信，此時此位為1。
3.2標識符分配方案
由CAN的數據鏈路層協議已經知道，CAN的每一幀都有一個11位的標識符，用來標識該幀數據，并且決定仲裁。
標識符分配是CAN應用層協議中的重要問題，標識符要能反映報文的地址信息，報文類型，體現報文級別。另外，很重要的是報文標識符決不能重復。在逆變電源監(jiān)控系統(tǒng)CAN應用層協議中，標識符由三項確定：廣播位，地址域和數據包類型域，如圖3所示。
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這三項包含了是主機還是從機，網絡節(jié)點地址以及報文承載的數據信息。廣播位決定一半的優(yōu)先級，因此主機發(fā)出的命令優(yōu)先級一定高于從機的數據。網絡節(jié)點地址域使不同節(jié)點發(fā)出的報文標識符不同。
3.3 多報文的處理
在數據鏈路層中，CAN協議規(guī)定每幀最大8字節(jié)。為了傳輸大于8字節(jié)的數據包，在應用層中采用多報文機制。多報文發(fā)送時要有報文標識，在多報文的發(fā)送期間通過識別這一標識判斷是否屬于同一多報文，在多報文發(fā)送完畢時有多報文結束標識。在報文發(fā)送期間，如果同時收到其它報文則不做處理，待多報文發(fā)送完畢后再讓它重新發(fā)送。
3.4 錯誤處理
對于數據傳輸中的錯誤，應采取分層的概念做出處理。即下一層對上一層提交一定可信度的信道，使上一層只關注于解決本層可能出現的錯誤，并解決下一層無法處理，提交上來的錯誤。反之，上一層如果認為下一層信道是安全可靠的，在把數據交給下一層后，它將不認為會出現數據傳輸錯誤，當然對線路斷開，目的站離線等嚴重錯誤，下一層無法解決的錯誤，交給上一層后，上層要有解決措施，幫助恢復下層信道。[!--empirenews.page--]
CAN網絡的特征之一就是安全可靠的鏈路層，對鏈路傳輸中因干擾造成的數據傳輸錯誤，丟幀錯誤有自動重發(fā)的功能；對線路出現的斷線，目標站點不在線等嚴重錯誤，有自動離線的功能。因此，在應用層將數據交給數據鏈路層的數據后，認為一定會安全可靠到達目的站點，不需要再對丟幀情況，數據傳送出錯情況作處理。只需在應用層向下傳輸沒有接到返回響應報文的情況下重發(fā)即可。
3.5程序框圖
應用層的實現程序主要包括操作站發(fā)送報文和接收報文，操作站接收報文的程序框圖如圖4所示，包括發(fā)送廣播報文反對控制器爭主，多報文的處理，以及報文數據的處理。
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操作站和DSP模塊控制器之間通過CAN總線進行通信，主要實現DSP模塊控制器將逆變電源自身的狀態(tài)數據通過CAN總線傳送給操作站，并將操作站的控制信息經CAN總線傳送給DSP模塊控制器來控制電源模塊的運行。由信息的傳送方向可分為操作站傳送給DSP模塊控制器和DSP模塊控制器傳送給操作站。信息由操作站傳送給DSP模塊控制器主要是控制信息和控制命令包括對逆變電源進行開啟、關閉，對逆變電源模塊運行參數的設定、修改，檢查電源模塊是否運行正常，查看模塊狀態(tài)，以及回應DSP模塊控制器發(fā)送來的驗證操作站是否癱瘓的信號；信息由DSP模塊控制器傳送給操作站主要是返回操作站發(fā)來的控制信號收到的確認信號，發(fā)送逆變電源模塊狀態(tài)數據給操作站，發(fā)送探測操作站是否工作正常并在操作站癱瘓時行使操作站功能的爭主信號。
4 監(jiān)控功能實現
操作站監(jiān)控功能包括各逆變電源模塊狀態(tài)數據顯示，設定和調整逆變電源參數，對DSP模塊控制器進行檢測，繪制逆變電源參數的實時波形，數據存入數據庫，狀態(tài)參數打印等功能。監(jiān)控程序結構如圖5所示。
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5 結論
該系統(tǒng)已經通過了第一次聯和調試，成功的實現了對逆變電源的監(jiān)控。實驗證明該監(jiān)控系統(tǒng)設計合理，監(jiān)控界面友好，易于操作，工作穩(wěn)定可靠，達到了預期的目標。
本文作者創(chuàng)新點：利用CAN總線實現對逆變電源模塊間通信并完成對其控制，同時實現了CAN總線應用層協議。