CAN總線(xiàn)在逆變電源監控模塊中的研究與應用

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(lián)實(shí)現功率合成，組成積木式、智能化的分布式大功率電源系統，是當今很有應用前景的新型技術(shù)。將若干電源模塊組合起來(lái)，可以構成任意功率等級的供電系統，有著(zhù)廣泛的應用前景。以現場(chǎng)總線(xiàn)為基礎的全數字化自動(dòng)控制系統是當今世界各國在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。本文采用CAN現場(chǎng)總線(xiàn)組建監控網(wǎng)絡(luò )，對含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控。
CAN (Controler Area Network)總線(xiàn)屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，是一種串行數據通信總線(xiàn)。CAN總線(xiàn)結構模型取ISO/OSI參考模型的第1、2、7層協(xié)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(hù)的需要，所以實(shí)際應用CAN總線(xiàn)時(shí)，用戶(hù)可以根據需要實(shí)現應用層的功能。
2 系統結構
逆變電源現場(chǎng)總線(xiàn)監控系統包括上位機操作站、現場(chǎng)DSP模塊控制器。在系統中設置一臺PC計算機(以下均稱(chēng)操作站)，它負責對整個(gè)系統進(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(chēng)控制器)通信，實(shí)現對逆變電源的監控功能。系統采用適配卡SC2102作為PC機與CAN總線(xiàn)的接口，通過(guò)連接器與CAN總線(xiàn)相連，負責CAN總線(xiàn)與PC機之間數據交換的功能模塊。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)現上采用DSP TMS320LF2407A的內嵌CAN控制器實(shí)現與上位機的數字通信。
操作站軟件分為三個(gè)基本的模塊：通信模塊、主監控模塊、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(shí)現CAN總線(xiàn)應用層協(xié)議，實(shí)現操作站與各控制器的網(wǎng)絡(luò )通信，完成通信命令和數據的編/解碼以及特殊處理。主監控模塊的功能包括提供監控界面；系統運行的初始化配置功能；查詢(xún)各現場(chǎng)單元的實(shí)時(shí)采集數據，并將數據實(shí)時(shí)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(chǎng)單元的采集數據的處理，報警，統計，報表查詢(xún)輸出；數據查詢(xún)等。
3 CAN總線(xiàn)應用層的實(shí)現
CAN物理層和數據鏈路層協(xié)議在CAN的相關(guān)器件中已經(jīng)基本實(shí)現了，而應用層協(xié)議至今仍然沒(méi)有統一的標準，并且現實(shí)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(xié)議，就成為CAN網(wǎng)絡(luò )應用中的核心問(wèn)題。
3.1報文格式
操作站與控制器之間的通信是實(shí)現監控制功能的基礎和關(guān)鍵。針對逆變電源監控系統，經(jīng)過(guò)通信雙方具體協(xié)商制定，使用現場(chǎng)總線(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，制定了CAN應用層協(xié)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(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)目標地址 表示數據報文所要到達節點(diǎn)的地址。
(3)數據包類(lèi)型(TYPE) 報文的類(lèi)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(cháng)度碼DLC 標識報文中該字節往后的數據長(cháng)度，最長(cháng)為8字節。
(6)源地址 表示發(fā)出數據報文的節點(diǎn)地址，當接收節點(diǎn)收到此報文后，會(huì )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(shí)此位為1。
3.2標識符分配方案
由CAN的數據鏈路層協(xié)議已經(jīng)知道，CAN的每一幀都有一個(gè)11位的標識符，用來(lái)標識該幀數據，并且決定仲裁。
標識符分配是CAN應用層協(xié)議中的重要問(wèn)題，標識符要能反映報文的地址信息，報文類(lèi)型，體現報文級別。另外，很重要的是報文標識符決不能重復。在逆變電源監控系統CAN應用層協(xié)議中，標識符由三項確定：廣播位，地址域和數據包類(lèi)型域，如圖3所示。

這三項包含了是主機還是從機，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)地址域使不同節點(diǎn)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(xié)議規定每幀最大8字節。為了傳輸大于8字節的數據包，在應用層中采用多報文機制。多報文發(fā)送時(shí)要有報文標識，在多報文的發(fā)送期間通過(guò)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(shí)有多報文結束標識。在報文發(fā)送期間，如果同時(shí)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(guān)注于解決本層可能出現的錯誤，并解決下一層無(wú)法處理，提交上來(lái)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(huì )出現數據傳輸錯誤，當然對線(xiàn)路斷開(kāi)，目的站離線(xiàn)等嚴重錯誤，下一層無(wú)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。