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案例頻道1 引言
電子負載監(jiān)控系統(tǒng)相當于整個功率模擬電子負載系統(tǒng)的綜合管理平臺，完成對整個電子負載系統(tǒng)的性能監(jiān)視和運行控制，承擔著系統(tǒng)各部分運行性能的監(jiān)測、故障報警、狀態(tài)控制等任務。單元控制器則是整個電子負載監(jiān)控系統(tǒng)中聯(lián)系電子負載模塊和監(jiān)控上位機的橋梁，是上下層CAN網絡可靠通信的關鍵所在。本文主要介紹以TMS320LF2407為主控芯片的電子負載監(jiān)控系統(tǒng)單元控制器的硬件電路設計、通信規(guī)則和軟件實現(xiàn)。
2 基于CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)整體結構
電子負載監(jiān)控系統(tǒng)是一個基于CAN總線的兩級結構的通訊網絡，整個系統(tǒng)的結構如圖1所示。
上層Top-CAN BUS 網絡主要負責對電子負載模塊的整體監(jiān)控。監(jiān)控上位機確定整個系統(tǒng)的控制策略，然后通過Top-CAN BUS 網絡傳達到各個單元控制器。在此，監(jiān)控上位機并不直接與電子負載單元進行通信。因此，每個電子負載模塊都是上層Top-CAN BUS 網的一個子節(jié)點。監(jiān)控上位機通過CAN卡與上層Top-CAN BUS網絡相連，作為上層Top-CAN BUS網的主節(jié)點。
下層Bot-CAN BUS 網絡主要負責收集各個電子負載單元的狀態(tài)信息和傳達上位機指令。單元控制器通過下層Bot－CAN BUS 網絡與各個電子負載單元直接進行通信。將上位機發(fā)送的指令傳達給各個電子負載單元，同時收集各個電子負載單元的狀態(tài)信息，并對這些信息進行一定的處理，然后傳送給上位機。因此，每個電子負載單元都是下層Bot-CAN BUS 網的一個子節(jié)點。
在整個監(jiān)控系統(tǒng)中，單元控制器同時作為上層Top-CAN BUS網的子節(jié)點和下層Bot-CAN BUS網的主節(jié)點，是連接兩層CAN網絡的樞紐。監(jiān)控上位機通過單元控制器實現(xiàn)對各個電子負載單元的監(jiān)控。
3單元控制器硬件電路設計
3.1 主控芯片選擇：
單元控制器的設計要兼顧速度特性和穩(wěn)定性，因此在本設計中選用了TI公司的TMS320LF2407作為主控芯片。它是一款內置CAN模塊的DSP芯片，它具有內在的操作靈活性，高速的運算能力等特點。TMS320LF2407的CAN模塊完全支持CAN2.0A/B協(xié)議，可以工作在標準模式和擴展模式，內置6個郵箱完成數(shù)據收發(fā)，可編程位定時器設置，進行自測試，CAN模塊內各部分的結構和功能基本上和流行的PHILIPS增強型CAN控制器SJAl000相同。而且，電子負載單元中采用的主控芯片也是TMS320LF2407,這樣可以實現(xiàn)系統(tǒng)CAN網絡接口的一致性和方便性。
3.2 CAN BUS接口電路設計：
單元控制器作為上下層CAN網聯(lián)系的橋梁，需要兩個CAN BUS節(jié)點的接口。采用的TMS320LF2407主控芯片，具有一個內置的CAN控制器，只需要采用一片CAN收發(fā)器即可構成上層CAN的接口。由于TMS320LF2407的工作電壓是3.3V，如果采用常用的PCA82C250系列收發(fā)器的話，就需要加電平轉換電路，增加了電路設計的復雜性。因此，在本設計中采用了TI公司推出的3.3V系列CAN收發(fā)器SN65HVD230。SN65HVD230是該系列的第一個產品，其輸出轉換時間是可編程的，有助于設計人員減小電磁干擾從而提高系統(tǒng)設計的可靠性。其構成的上層Top-CAN BUS接口電路如圖2所示。
對于下層CAN BUS接口電路的設計，采用擴展一片CAN控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250的方式來實現(xiàn)。[1]
由于TMS320LF2407沒有提供與SJA1000 CAN控制器的直接接口信號，本設計中采用INTEL方式，為使TMS320LF2407滿足SJA1000的接口信號要求，做了以下幾點設計。
l 將TMS320LF2407的數(shù)據線D0-D7作為CAN的地址、數(shù)據復用線，采用TMS320LF2407的數(shù)據線選擇CAN的內部端口和傳送數(shù)據。
l 采用地址線A0、寫選通信號WR和端口選通信號STRB的邏輯組合產生TMS320LF2407的ALE地址有效信號。
l 采用讀信號和A0的邏輯組合產生SJA1000的讀選通信號RD，用寫信號和A0的邏輯組合產生SJA1000的寫選通信號WR。
l 采用TMS320LF2407的I/O空間選通信號IS和高位地址的譯碼信號的組合邏輯產生SJA1000的片選信號CS。
采用這種設計方法是將TMS320LF2407的數(shù)據線改為適應CAN控制器的數(shù)據地址線。將TMS320LF2407的A0作為地址數(shù)據選擇線，A0＝1時，地址有效；A0＝0時，數(shù)據有效。即用奇數(shù)地址選擇端口，用偶數(shù)地址傳送數(shù)據。同時，通過信號的邏輯組合，在地址有效期間不產生讀寫信號，而是產生滿足CAN的地址有效信號ALE；在數(shù)據有效期間產生滿足CAN的讀寫邏輯信號時序。[2]
TMS320LF2407與SJA1000的接口邏輯如表1所示：
表1
其下層Bot-CAN BUS接口電路如圖3所示：
SJA1000與PCA82C250之間應加隔離光耦，實現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。為突出主要接口電路，圖3中省略。
其中，采用一片GAL20V10B作為接口邏輯轉換電路。其邏輯轉換如下：
CS=!A15#!A14#IS;
ALE=A0&!STRB&!RW;
WR=A0#STRB#RW;
RD=A0#STRB#!RW;
4 CAN應用層通訊協(xié)議及其軟件實現(xiàn)
4.1電子負載監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控上位機與單元控制器之間所采用的部分CAN應用層協(xié)議如下：
l 用一組相互獨立的固定數(shù)字作為每個電子負載模塊的標識符。
l 單元控制器從上電開始，每隔一定時間向監(jiān)控上位機發(fā)送常規(guī)通訊幀，監(jiān)控上位機接收到數(shù)據后返回確認信號，即可判斷各個電子負載模塊的存在狀態(tài)。
l 單元控制器接收到監(jiān)控上位機發(fā)布的指令，執(zhí)行之后返回確認信號。
l 監(jiān)控上位機發(fā)送數(shù)據請求指令，單元控制器隨即發(fā)送數(shù)據，每種類型的數(shù)據均采用固定格式。
4.2 上位機與電子負載單元控制器通訊軟件流程圖如圖4所示。
5 結論
本文所設計的雙CAN網單元控制器應用在電子負載監(jiān)控系統(tǒng)中，按照預先設定的CAN應用層通訊協(xié)議，取得了良好的監(jiān)控效果。在信息量較大和現(xiàn)場環(huán)境復雜的情況下，能夠確保通信的準確可靠性，具有良好的抗干擾性能。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號