基于CAN總線(xiàn)的調(diào)試及實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

潘李云，孫前剛，劉 剛

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所，江蘇揚(yáng)州 225000）

0 引言

當(dāng)前針對(duì)大功率及超大功率應(yīng)用場(chǎng)合，模塊化是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的趨勢(shì)，其優(yōu)點(diǎn)是采用各個(gè)通用性的功能模塊，將各個(gè)功能模塊并聯(lián)，構(gòu)成新的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率輸出，從而減少產(chǎn)品的研發(fā)周期及提高系統(tǒng)可靠性。然而多模塊并聯(lián)的系統(tǒng)中，由于模塊數(shù)量的增多，各個(gè)模塊的調(diào)試工作量大，單個(gè)模塊是否正常工作，出故障時(shí)如何及時(shí)排查原因及檢修難度大等問(wèn)題也同時(shí)出現(xiàn)了。針對(duì)這些問(wèn)題，一種能夠?qū)崟r(shí)采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控各個(gè)并聯(lián)模塊，簡(jiǎn)化調(diào)試過(guò)程的工具急需開(kāi)發(fā)。CAN總線(xiàn)是一種可擴(kuò)展性強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)程度高，實(shí)時(shí)性好的一種串行數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，它功能強(qiáng)大且易于使用，現(xiàn)如今在很多場(chǎng)合都有應(yīng)用。張河新等[1-5]介紹了各種基于CAN 總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集及顯示功能的設(shè)備，吳艷等[6]介紹了基于CAN 總線(xiàn)的點(diǎn)菜設(shè)備，張強(qiáng)[7]介紹了CAN 通信保護(hù)電路設(shè)計(jì)及常見(jiàn)故障分析。這些文獻(xiàn)主要介紹的都是基于CAN 總線(xiàn)的信息采集功能，沒(méi)有輔助調(diào)試方面的能力。本文設(shè)計(jì)了一種基于串行總線(xiàn)的多機(jī)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以和電源模塊通信，通過(guò)軟件更改電源模塊的參數(shù)，該通信系統(tǒng)線(xiàn)路少、整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約、擴(kuò)展能力強(qiáng)，系統(tǒng)包含各個(gè)節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)，實(shí)時(shí)性好，可靠性高。實(shí)現(xiàn)了對(duì)多機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)、同步控制。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

CAN 是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。CAN 具備極高的性能和可靠性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)化的各種設(shè)備上[8]，考慮到CAN總線(xiàn)的卓越優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)的架構(gòu)也是基于CAN 總線(xiàn)的。CAN總線(xiàn)的連接只需要兩根線(xiàn)，即CAN_H 和CAN_L，總線(xiàn)通過(guò)這兩根線(xiàn)上的電位差來(lái)進(jìn)行總線(xiàn)電平的判斷，CAN總線(xiàn)分為兩種電平，隱性電平和顯性電平，二者必居其一?？偩€(xiàn)上顯性電平相比隱性電平具有優(yōu)先權(quán)，只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出顯性電平，總線(xiàn)就是顯性電平，當(dāng)總線(xiàn)空閑時(shí)，如有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息，則會(huì)根據(jù)ID 逐位決定優(yōu)先級(jí)，根據(jù)顯性電平優(yōu)先的原則決定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得首先發(fā)送報(bào)文的資格。

CAN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)幀可以分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種格式，標(biāo)準(zhǔn)幀有11位ID，擴(kuò)展幀有29位ID。當(dāng)CAN 某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，發(fā)送函數(shù)會(huì)把已打包完的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到CAN 總線(xiàn)上來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。程序進(jìn)入發(fā)送函數(shù)后，首先會(huì)判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否為空，為空則會(huì)將待發(fā)送數(shù)據(jù)輸入發(fā)送緩沖區(qū)，隨即啟動(dòng)發(fā)送。CAN報(bào)文接收函數(shù)往往以中斷方式實(shí)現(xiàn)來(lái)提高程序效率，該函數(shù)的主要功能是讀取CAN 接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)至RAM 中。進(jìn)入該函數(shù)后，首先判斷接收緩沖區(qū)是否為空，若不為空就讀取接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)報(bào)文接收的功能。本系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)主要包括上位機(jī)、子節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)具有采樣功能，能采樣各個(gè)電源模塊電壓、電流、溫度等信息，且能和電源模塊通信，能夠讀取和寫(xiě)入電源模塊的參數(shù)信息。系統(tǒng)的上位機(jī)具有豐富的功能，主要分為調(diào)試模式及工作模式兩種模式，調(diào)試模式時(shí)，上位機(jī)可以讀取和寫(xiě)入電源參數(shù)以及對(duì)電源模塊的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)電源輸出電壓電流值等需調(diào)試的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。而在工作模式時(shí)，上位機(jī)可檢測(cè)模塊的電壓電流及故障信息，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控[9]，從而能在故障發(fā)生時(shí)能快速準(zhǔn)確地定位故障模塊及故障類(lèi)型。系統(tǒng)的具體功能為：各節(jié)點(diǎn)接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令，并執(zhí)行，且回傳響應(yīng)報(bào)文；上位機(jī)可將子節(jié)點(diǎn)回傳的報(bào)文信息在人機(jī)界面顯示。實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與各節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)通信，多機(jī)實(shí)時(shí)、可靠控制。

2 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的軟件流程如圖2 所示，是使用Windowsvisualstudio2010 開(kāi)發(fā)的，其作用為通過(guò)CAN 通信設(shè)備連接CAN 總線(xiàn)，和掛在CAN 總線(xiàn)上的各節(jié)點(diǎn)通信。上位機(jī)在工作時(shí)會(huì)定時(shí)向每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電源模塊輪流發(fā)送命令，讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)向它回復(fù)報(bào)文，同時(shí)上位機(jī)接收來(lái)自各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)報(bào)文并解析成電壓電流信息以及故障報(bào)文，然后在人機(jī)交互界面顯示，方便對(duì)電源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。尤其是當(dāng)電源系統(tǒng)運(yùn)行異常時(shí)，可使用上位機(jī)監(jiān)控各節(jié)點(diǎn)，將接收到的電壓電流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及故障類(lèi)型顯示出來(lái)，從而輔助技術(shù)人員對(duì)故障定位和排除。

圖2 上位機(jī)軟件流程

在電源中，往往因?yàn)楦鞣至⑵骷恼`差，電源模塊的各種參數(shù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，比如調(diào)整電源模塊的保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)，電源的輸出電壓值等，傳統(tǒng)的硬件系統(tǒng)如果調(diào)節(jié)需要逐臺(tái)調(diào)整其對(duì)應(yīng)功能的電阻電容，工作量巨大且繁瑣，還容易出錯(cuò)。而本系統(tǒng)則可以通過(guò)上位機(jī)調(diào)整每臺(tái)電源的參數(shù)，將調(diào)試工作大大簡(jiǎn)化。上位機(jī)可以直接將電源模塊的各個(gè)參數(shù)發(fā)送給總線(xiàn)上的每個(gè)電源，然后再根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)電源回復(fù)給上位機(jī)的具體電壓電流信息微調(diào)參數(shù)，最終調(diào)整好總線(xiàn)上每臺(tái)電源的具體參數(shù)。

各節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖3所示，節(jié)點(diǎn)的主要功能是對(duì)電壓、電流、溫度等物理量進(jìn)行循環(huán)采樣，并根據(jù)采樣值判斷狀態(tài)是否正常，如果不正常，則判斷發(fā)生了什么故障，并將對(duì)應(yīng)的狀態(tài)位標(biāo)記。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的ID，不同ID則是根據(jù)硬件來(lái)區(qū)分的，每個(gè)電源模塊設(shè)置四個(gè)電阻來(lái)組成ID 序列，各節(jié)點(diǎn)初始化時(shí)會(huì)根據(jù)不同的電阻排列方式實(shí)現(xiàn)每個(gè)電源模塊的不同ID。當(dāng)上位機(jī)對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)命令要求其上報(bào)報(bào)文時(shí)，該節(jié)點(diǎn)會(huì)響應(yīng)上位機(jī)的命令，發(fā)送目前的狀態(tài)及故障位信息。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的電源模塊收到上位機(jī)的發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)命令時(shí)，會(huì)將相關(guān)的電壓電流信息以500 ms 的時(shí)間間隔不停地向上位機(jī)發(fā)送，同時(shí)，能夠根據(jù)上位機(jī)發(fā)來(lái)的參數(shù)更改自己的參數(shù)，當(dāng)收到上位機(jī)的查詢(xún)參數(shù)命令時(shí)也能將自己目前的參數(shù)信息打包發(fā)給上位機(jī)。

圖3 節(jié)點(diǎn)軟件流程

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的微控制器電路芯片使用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)STM32F103ZET6，該單片機(jī)的時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz，具備11個(gè)定時(shí)器；支持嵌套矢量中斷控制器（NVIC），可以實(shí)現(xiàn)極短的中斷處理延遲，能最大限度減少進(jìn)入中斷時(shí)系統(tǒng)的資源占用量，進(jìn)一步提高處理中斷的速度；支持外部中斷/事件控制器（EXTI），對(duì)應(yīng)的邊沿檢測(cè)器可實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的上升沿、下降沿監(jiān)測(cè)[10]。

電壓檢測(cè)電路如圖4 所示，主要借助電壓傳感器WBV411D07將輸入的交流強(qiáng)電轉(zhuǎn)變?yōu)槿蹼娦盘?hào)，由于檢測(cè)到的電壓信號(hào)中存在一定的紋波電壓，所以需要對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理，在本文中我們使用RC電路來(lái)進(jìn)行濾波同時(shí)考慮到需要隔離前級(jí)采樣電路對(duì)后級(jí)電路的影響所以設(shè)計(jì)了電壓跟隨器。

圖4 電壓采樣電路

電流檢測(cè)電路如圖5所示，主要是借助電流霍爾傳感器SP3實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)電路中的電流，霍爾傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)RC濾波電路傳輸給電壓跟隨器，跟隨器防止了前級(jí)電路對(duì)后級(jí)產(chǎn)生影響，電流互感器選擇的是LEM公司的SP3，該互感器性能優(yōu)越。

圖5 電流采樣電路

CAN 收發(fā)器使用的是ISO1050，作為CAN 收發(fā)器，該器件可為總線(xiàn)和CAN 控制器分別提供差分發(fā)射能力和差分接收能力，信號(hào)傳輸速率高達(dá)1 兆位每秒（Mb/s）。該器件尤其適合工作在惡劣環(huán)境下，性能強(qiáng)大，其具有串線(xiàn)、過(guò)壓和接地?fù)p耗保護(hù)（-27～40 V）以及過(guò)熱關(guān)斷功能，共模電壓范圍為-12～12 V[11-12]。

此外，為了區(qū)分每個(gè)電源模塊的地址，電路里設(shè)計(jì)了4個(gè)電阻位，這些電阻位上拉至3.3 V，若不焊電阻，則IO口輸入為高電平，若焊接電阻，則IO 口輸入為低電平。這樣，4個(gè)電阻位總共可以表示16種ID，即可以區(qū)分16個(gè)電源模塊。

圖6 CAN收發(fā)器電路

4 效果驗(yàn)證

使用此系統(tǒng)之前調(diào)試時(shí)需先將設(shè)備加電，然后手持三用表、鉗流表去測(cè)量母線(xiàn)和輸出的電壓電流，然后再讓設(shè)備斷電，使用烙鐵調(diào)換相應(yīng)的元器件，從而使電源的輸出電壓值和均流等指標(biāo)滿(mǎn)足要求。這種傳統(tǒng)的調(diào)試方法往往需要反復(fù)加電斷電以及使用烙鐵焊接數(shù)次才能調(diào)好一臺(tái)電源，效率低且麻煩。當(dāng)使用此系統(tǒng)后，只需要加電后通過(guò)上位機(jī)就可以調(diào)節(jié)參數(shù)，無(wú)需斷電和使用烙鐵，效率高且操作更簡(jiǎn)單。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性及及實(shí)時(shí)性，通過(guò)CAN 通信設(shè)備連接各節(jié)點(diǎn)在上位機(jī)上測(cè)試，如圖所示為上位機(jī)界面，圖7～9 顯示了上位機(jī)的3 個(gè)頁(yè)面，圖7 在界面上可以選擇發(fā)送報(bào)文的ID，選擇調(diào)試模式還是工作模式及連接CAN，通過(guò)在圖7界面的操作可以選定所需控制的電源模塊和控制模式；圖8 和圖9 分別是調(diào)試狀態(tài)下監(jiān)控電壓電流值以及讀取和寫(xiě)入?yún)?shù)的功能，當(dāng)圖8 顯示出的電壓電流值不滿(mǎn)足指標(biāo)時(shí)，可由圖9 界面寫(xiě)入新的參數(shù)，再?gòu)膱D8 界面觀察更改參數(shù)后的新的電壓電流值是否滿(mǎn)足指標(biāo)要求，若不滿(mǎn)足可繼續(xù)按此方法更改。

圖7 上位機(jī)頁(yè)面1

圖8 上位機(jī)頁(yè)面2

圖9 上位機(jī)頁(yè)面3

包含多個(gè)電源模塊的系統(tǒng)工作時(shí)，如果某個(gè)模塊運(yùn)行不正常，一般需要外接示波器才能監(jiān)測(cè)到輸出電壓電流的波形，從而判斷電源出了何種故障。用了此通信系統(tǒng)，可由上位機(jī)監(jiān)控其輸出電壓電流，從而能夠輔助判斷哪個(gè)模塊出了何種故障，如圖10 所示，當(dāng)正在工作的電源突然斷電時(shí)，上位機(jī)能夠顯示出輸出電壓和電流的波形變化，直觀顯示電源的工作狀態(tài)。

圖10 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠由軟件更改參數(shù)，使得調(diào)試更加有效率，系統(tǒng)通信正常、工作可靠，實(shí)現(xiàn)了CAN 總線(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)在上位機(jī)環(huán)境下實(shí)時(shí)通信的功能，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地接收各電源模塊發(fā)來(lái)的電壓電流信息并在PC上顯示其數(shù)值和波形。本系統(tǒng)可以作為應(yīng)對(duì)多機(jī)主從控制的選擇，整機(jī)具有擴(kuò)展方便、工作可靠、運(yùn)行靈活等優(yōu)點(diǎn)，克服了目前傳統(tǒng)調(diào)試方法效率低且麻煩的問(wèn)題，提高了多機(jī)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。