基于CAN總線的并聯(lián)逆變電源通信監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘? 要： 在分析TMS320C2000系列芯片中內(nèi)嵌CAN控制器特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于LF2407A內(nèi)置CAN總線模塊的逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對并聯(lián)逆變器模塊運行的實時通信監(jiān)控。給出了CAN總線接口硬件設(shè)計、通信監(jiān)控軟件功能及工作過程。
關(guān)鍵詞： CAN總線? DSP? 逆變電源? 并聯(lián)

　　逆變電源的模塊化并聯(lián)運行可大大提高系統(tǒng)的靈活性，打破逆變電源在功率等級上的限制，用戶可根據(jù)需要組合系統(tǒng)的功率，同時便于實現(xiàn)冗余設(shè)計，因而具有高可靠性和易于大功率化的優(yōu)點。并聯(lián)逆變電源通信監(jiān)控技術(shù)的研究是交流電源系統(tǒng)從傳統(tǒng)的集中式供電向分布式供電乃至智能電源系統(tǒng)供電模式發(fā)展過程中必須解決的一個課題[1]。本文介紹一種基于CAN現(xiàn)場總線的并聯(lián)逆變電源通信監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用TI公司TMS320LF2407A DSP芯片的內(nèi)部資源，通過CAN總線從各并聯(lián)模塊獲取并解析現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)，響應(yīng)現(xiàn)場強實時性操作，實現(xiàn)對模塊工作的調(diào)度監(jiān)控，具有結(jié)構(gòu)簡潔、擴容方便及可靠性高的優(yōu)點。
1? 系統(tǒng)組成
1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
　　系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)由監(jiān)控主機、并聯(lián)電源模塊和CAN總線構(gòu)成。逆變電源模塊主要由PWM逆變器、DSP控制器、信號采樣和負(fù)載均流以及通信控制等部分構(gòu)成，選用TMS320LF2407A(DSP)作為控制核心。DSP根據(jù)反饋電壓、電流值與設(shè)定值差控制輸出PWM脈沖，驅(qū)動逆變橋功率開關(guān)，輸出頻率、幅值、相位可調(diào)的正弦電壓。由LF2407A內(nèi)嵌CAN控制器接收來自CAN總線的命令實現(xiàn)對并聯(lián)逆變電源模塊的控制。

　　此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點是多個網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點共用一條傳輸線，不僅信道利用率較高，而且連接簡單，成本低，系統(tǒng)可靠性高。信息傳輸采用CAN通信協(xié)議，傳輸介質(zhì)采用雙絞線，如果需要進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還可以在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離等措施。
1.2 系統(tǒng)主要硬件
　　硬件模塊電路如圖2所示。因LF2407A芯片本身含有內(nèi)嵌式CAN控制器，所以硬件設(shè)計較為簡單，只需加一個收發(fā)器SN65HVD232D就可實現(xiàn)此節(jié)點與總線的接口。

　　SN65HVD232D是TI公司的CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口芯片，符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)。它對總線提供差動發(fā)送能力，而對CAN控制器提供差動接收能力。終端加接120Ω匹配電阻，以保證數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力及可靠性。
2? 軟件設(shè)計
2.1 波特率設(shè)置的編程
　　CAN總線的傳輸速率與2個節(jié)點間的最大距離有關(guān)，表1給出了CAN總線系統(tǒng)任意二節(jié)點間最大距離與位速率的關(guān)系。表中還同時給出LF2407A的位定時器配置寄存器BCR2和BCR1的數(shù)值。這些值的設(shè)定與LF2407A的主時鐘頻率有關(guān)。一般地可以按下面的公式計算位速率：
　　波特率＝ICLK/[(BRP+1)×bitTime]?　　　　　　　　?(1)

　　其中ICLK為DSP系統(tǒng)頻率，BRP由位定時器配置寄存器BCR2決定。
　　bitTime＝(TSEG1+1)+(TSEG2+1)+1?　　　　　　　(2)
　　其中TSEG1和TSEG2由位定時器配置寄存器BCR1決定。
2.2 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　按照CAN2.0規(guī)范，CAN總線上傳送的報文由3～11個字節(jié)組成，其中包含3個字節(jié)的控制字節(jié)和0～8個字節(jié)的數(shù)據(jù)字節(jié)。
　　一個有效的CAN數(shù)據(jù)幀由幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、校驗域、應(yīng)答域和幀結(jié)束組成。TMS320LF2407A的CAN控制器支持2種不同的幀格式：標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀。它們主要區(qū)別在于仲裁域格式不同，標(biāo)準(zhǔn)幀仲裁域由11位標(biāo)識符和遠程發(fā)送請求位RTR組成；擴展幀仲裁域則由29位標(biāo)示符和替代遠程請求位SRR位、標(biāo)志位和遠程發(fā)送請求位RTR組成，如圖3所示。

　　標(biāo)識符是作為報文的名稱，在仲裁過程中首先被送到總線。在接收器的驗收判斷中和仲裁過程確定訪問優(yōu)先權(quán)時都要用到。
　　遠程發(fā)送請求位(RTR)用來確定是發(fā)送數(shù)據(jù)幀還是遠程幀。當(dāng)RTR為高電平時，CAN控制器發(fā)送遠程幀；為低電平時則發(fā)送數(shù)據(jù)幀。
　　數(shù)據(jù)長度碼(DLC)用來確定每幀要發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，最多為8個字節(jié)。
　　控制命令表示此幀所表示的意義，在本文中控制命令字意義如表2所示。

2.3 程序流程設(shè)計
　　主從控制是一種較為成熟的逆變電源并聯(lián)控制方法，本設(shè)計采用爭主主從控制策略實現(xiàn)對并聯(lián)逆變電源系統(tǒng)的通信監(jiān)控。
　　若設(shè)置郵箱3為發(fā)送非廣播郵箱，郵箱2為接收非廣播信息郵箱，郵箱4為發(fā)送廣播的郵箱，郵箱0為接收廣播的郵箱。則信息接收和發(fā)送的程序流程圖分別如圖4和圖5所示。

　　從流程圖可以看出，整個通信系統(tǒng)主要分為一個主節(jié)點和多個子節(jié)點。其中每個子節(jié)點都會用到郵箱4，在一定的時間間隔定期以廣播的形式向總線發(fā)送爭主請求，以探測主節(jié)點是否工作正常。如果工作正常，主節(jié)點便會發(fā)送反對爭主請求的響應(yīng)，并且此響應(yīng)也是在總線上以廣播的形式發(fā)送。所以網(wǎng)絡(luò)上每個節(jié)點都會收到爭主請求和反對爭主請求響應(yīng)。郵箱0的功能就是接收并區(qū)分這2種信息，并判斷自身的地位，決定是否利用郵箱4發(fā)送反對爭主請求。郵箱2的主要功能是接收主節(jié)點的控制信息，并且通知郵箱3發(fā)送響應(yīng)的響應(yīng)信息。
　　圖5較為詳細(xì)地給出了信息發(fā)送流程。用DSP匯編指令編寫的本系統(tǒng)CAN通信爭主部分程序清單如下。
　　LDP??#DP_CAN
　　SPLK?#0040H，TCR?；郵箱4發(fā)送爭主請求
　　LDP??#DP_PF2
　　LAR??AR7，#4H
　　LDP??#DP_CAN
　　MAR?*，AR4??；發(fā)送次數(shù)
　　LAR??AR4，#0FFFFH
W_TA5：?LDP??#6
　　SBRK?#01H
　　SAR??AR4，30H
　　LACL?30H
　　BCND?W_TA7，EQ
　　LDP??#DP_CAN
　　BIT??TCR，1??；等待發(fā)送應(yīng)答
　　BCND?W_TA5，NTC
　　SPLK?#4000H，TCR
　　LDP??#DP_CAN
MAR?*，AR4；發(fā)送次數(shù)
　　LAR??AR4，#0FFFFH
W_TA7：?LDP??#DP_CAN
　　MAR*，AR4??；發(fā)送次數(shù)
　　LAR??AR4，#0FFFFH
W_TA6：?LDP??#6
　　SBRK?#01H
　　SAR??AR4，30H
　　LACL?30H
BCND W_TA9，EQ；寫郵箱內(nèi)容，配置參數(shù)給定
　　LDP??#DP_USER
　　BIT??CAN_FLAG1，BIT0；判斷是否接到反對主節(jié)點申請的響應(yīng)
　　BCND?W_TA6，NTC；若沒有反對，則修改郵箱4的ID1、ID0，為10時表示此節(jié)點為主節(jié)點
　　LDP??#DP_USER
　　SPLK?#00H，CAN_FLAG1
　　LDP??#DP_CAN
SPLK #4000H，TCR；清TA4和MIF4
　　CALL?LOOP11??；郵箱3發(fā)送數(shù)據(jù)
　　利用現(xiàn)場總線控制技術(shù)可以方便地構(gòu)建分布式逆變電源局域控制網(wǎng)，使電源系統(tǒng)具有現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(FCS)的特征。該方法不僅繼承了集散控制系統(tǒng)（DCS）的優(yōu)點，且集數(shù)字通信、智能網(wǎng)絡(luò)控制于一身。本文所介紹的系統(tǒng)不僅使逆變電源并聯(lián)連接簡潔，同時為各模塊提供了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、并聯(lián)逆變電源模塊的靜態(tài)均流和模塊爭主等控制功能，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠。