参考基于can总线（controller area network）开关电源设计

毕毕业业设设计计说说明明书书 基于基于 CAN 总线开关电源的总线开关电源的 监控系统设计监控系统设计 专业专业电气工程及其自动化 学生姓名学生姓名陆召宝 班级班级B 自动化 072 学号学号0710603212 指导教师指导教师张胜超 完成日期完成日期2010 年 6 月 5 日 盐城工学院本科生毕业设计说明书( 2010) 基于基于CAN总线开关电源的监控系统设计总线开关电源的监控系统设计 摘 要：随着我国经济的不断发展，对能源的巨大需求和对城市环境的改善，大 量使用埋地管线来承担运输燃料和水电的运输功能，越来越突出了金属开关的重 要性。以前的开关电源已经不能满足现在的安全和环保要求。我们必须设计新型 开关电源提高测量准确性、可靠性和开放性。 介绍基于 CAN 总线的开关电源监控系统，结合现场总线技术和微控制器，计 算机软硬件技术，开发集信号转换、数据采集、智能控制、远程通讯于一体的开 关电源智能监控系统。 根据系统设计任务，设计原则以及总体设计方案重点介绍 CAN 总线接口电路 以及系统抗干扰等硬件功能模块和小信号调理电路，模数转换电路、可变增益放 大电路的设计过程。对各个模块进行详细的分析，给出设计要点和具体的电路图。 设计时采用新型电子技术与数控技术的有机结合，同时利用上位机强大的数据处 理能力，实行数据分析和实时控制。紧紧围绕功能需要和硬件设计，建立了软件 开发体系结构，开发出单片机系统软件结构的功能模块，实现整个系统的功能设 计。 该系统的运用实现了防腐工程的无人化管理，并具有低成本、扩展性、可靠 性等特点，为防腐工程的远程管理提供了较好的解决方案。 关键词：CAN总线；开关电源；单片机 盐城工学院本科生毕业设计说明书( 2010) Design on Monitoring System of SMPS Based on CAN Bus Abstract: With the development of economy of our country, enormous demand for the energy and improvement of the urban environment, use the pipeline under the ground to transport fuel, water and electricity, stressing the importance of the anticorrosive project more and more. The early switching mode power supply(SMPS) cant already meet the present requirement of security and environment protection. We must develop the new machine to improve accuracy, dependability and opening. The design use new MCU and computer hardware Switching Mode Power Supply; Microcomputer 盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011） 目目 录录 1.概述 1 1.1 开关电源技术发展状况 1 1.2 课题研究的意义.1 2.CAN 总线技术基础及开关电源基本原理.2 2.1 CAN 总线技术基础 .2 2.2 开关电源的基本原理 4 2.3 开关电源的系统设计原理 4 3 .系统整体设计及其关键技术 .5 3.1 系统需求分析和方案设计 5 3.1.1 监控系统设计原则 5 3.1.2 监控系统功能 6 3.1.3 监控系统设计优化 6 3.2 监控节点的关键技术分析 8 3.2.1 电流-电压转换 8 3.2.2 小信号处理和自动增益放大 9 4. 监控系统的硬件设计 11 4.1 监控系统的硬件设计 .11 4.1.1 前置滤波调理电路 .12 4.1.2 I/V 转换电路.13 4.1.3 自动增益放大电路 .14 4.2 A/D 转换电路 16 4.3 CAN 通讯模块设计 18 4.4 抗干扰电路设计 .20 5 .监控系统的软件设计 22 5.1 主程序设计 .22 5.2 数据采集程序设计 .24 5.3 CAN 通讯程序设计 27 6.结束语 .29 参考文献 .30 致 谢 .31 附录 1：程序清单32 附录 2：设计图纸36 盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011） 基于基于 CAN 总线开关电源的监控系统设计总线开关电源的监控系统设计 1.概述 目前，国内外已研究开发了多种电源监控系统，大量应用于移动通信华站及各 类无人值守通信站。国内研究开发的监控系统一般是依照电信产业部颁发的技术 要求或行业制定的技术要求、完全独立于电源系统的监控系统。其所采用的硬件、 软件平台兼容性好、开发环境比较成熟，便于监控系统地进一步发展完善。但其 监控内容一般包括模拟量的测量、运行状态指示、设备控制、故障告警等，有些 甚至还有图像监控，监控规模巨大，少则几个局站，多则上百个局站，监控网络 的构成过于复杂。 1.1 开关电源技术发展状况 开关电源是近年来迅速发展起来的一种稳压电源，其主要组成部分是DC-DC变 换器、AC-DC变换器，将不可控制的直流转化成可控的直流，再加上前级工频整流 滤波和自动控制闭环稳定输出以及必要的保护环节就构成了完整的开关电源。 开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变 换电能，可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引 起社会各方面的重视而得到迅速推广。多年来的实践已经证明，这一决策是完全 正确的。开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和地面积。 1.2 课题研究的意义 具有远程监控功能的开关电源系统能广泛应用于石油，天然气，城市供水， 电缆等埋地管线的防腐工程，其可靠性，高性价比，易维护性对于上述管道金属 构件的开关工程具有极其重要的经济意义和环保意义。 特别近几年来，随着我国经济的不断发展，对能源的巨大需求和对城市环境 的改善，大量使用埋地管线来承担运输燃料和水电的运输功能，越来越突出了金 属开关的重要性。虽然在以前开关电源的开发土取得了一定的成绩，但是其起点 低，发展空间小，已经不能满足现在的安全和环保要求，具体表现在: a)可靠性差，由于全部采用分立器件设计，各个模块之间的信号传输具有较 大不准确性，缺乏自检测和自诊断功能，容易出现故障，一导致系统的整体失效， 甚至产生破坏性事故。 b)精确性差，采用模拟器件设计，无法实现复杂的控制算法来提高精度。参 数一旦设置无法随时进行修改，导致设备无法对控制对象的改变选择适合的控制 参数。 c)抗干扰性差，开关对象多为埋地管线，位于潮湿，多尘的地下管道。仅仅 使用模拟滤波和金属屏蔽等抗干扰方法无法适应如此恶劣的现场环境。 d)可维护性差，埋地管线分布广，特别是石油管道等野外器件，不一可能进 基于 CAN 总线开关电源的监控系统设计 2 行定期频繁的人工检修，一旦某个点出现故障，查找故障点成为一件极其困难的 工作。目前的开关电源在硬件结构上多由分离式模拟器件构成，未采用新型集成 芯片，使电源的结构、功能扩充和使用维护都较困难。 e)管理成本高，各个开关点都彼此独立，无法进行统一管理。由于缺乏监控 功能，无法进行远程监控，极大地提高了管理和维护人力成本的投入。因此难以 满足用户集约化管理和开放性监控的要求。如采用新型微处理器、计算机软硬件 及现场总线技术，研究开发新型智能开关电源及现场总线远程监控系统恰好能弥 补以上不足。现场总线式的智能化电磁流量仪表以单片微处理器和各种新型集成 电路芯片为核心进行设计，因此可充分利用单片机系统良好的软硬件资源达到增 强仪表功能、提高测量准确性、可靠性及开放性的目的。因此，本项目的开展不 仅能有力地增强我国开关电源的性能质量、更广泛地满足用户需求，而且对促进 开关工程的发展，具有极大的经济意义和环保意义。 2.CAN 总线技术基础及开关电源基本原理 2.1 CAN 总线技术基础 CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应 用最广泛的现场总线之一。最初CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车 载电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。CAN是一种多主方式 的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够 检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达SKbit/s 的数据传输速率。 与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵 活性。其特点可概括如下： a) CAN总线为多主的方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网 络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，利用这一特点可方便地构 成多机备份系统。 b) CAN网络上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级 的数据最多可在134 us内得到传输。 c) CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优 先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数 据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会 出现网络瘫痪情况。 d) CAN只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种 方式传送接受数据，无需专门的“调度”。 e) CAN的直接通信距离最远可达10KM（速率5Kbps以下）；通信速率最高可达 1Mbps（此时通信距离最长为40m）。 f) CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可 达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。 盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011） g) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 h) CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。 i) CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 j) CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节 点的操作不受影响。 为使设计透明和执行灵活，遵循ISO/OSI标准模型，CAN分为数据链路层（包 括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC）和物理层，而在CAN技术规范 2.0A的版本中，数据链路层的LLC和MAC子层的服务和功能被描述为“目标层”和 “传送层”。CAN的分层结构和功能如图2-1所示。 数据链路层 逻辑链路层 LLC 接收滤波 超载通知 恢复管理 媒体访问控制子层 MAC 数据封装/拆装 帧编码(填充/解除填充) 媒体访问管理 错误检测 出错标定 应答 并行转串行/串行转并行 物理层 位编码/解码 位定时 同步 (驱动器/接收器特性) 故障界定 总线故障管理 图2-1 CAN的分层结构 LLC子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子 层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。在定义目标处 理时存在许多灵活性。MAC子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲 裁、错误检测、出错标定和故障界定。MAC子层也要确定，为开始一次新的发送， 总线是否开放或者是否马上开始接收。位定时特性也是MAC子层的一部分。MAC子 层特性不存在修改的灵活性。物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点间的 实际传送。在一个网络中，物理层的所有节点必须是相同的。然而，在选择物理 层时存在很大的灵活性。 CAN技术规范2.0B定义了数据链路中的MAC子层和LLC子层的一部分，并描述与 CAN有关的外层。物理层定义信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编码和同 步的描述。在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器/接收器特性，以便允 基于 CAN 总线开关电源的监控系统设计 4 许根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。MAC子层是CAN协议的核心， 它描述由LLC子层接收到的报文和对LLC子层发送的认可报文。MAC子层可响应报文 帧、仲裁、应答、错误检测和标定。MAC子层由称为故障界定的一个管理实体监控， 它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。LLC子层的主要功能是报文滤波、超 载通知和恢复管理。 2.2 开关电源的基本原理 电源是将各种能源转换成为用电设备所需要的装置，是所有靠电能工作的装 置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装 置，用于交流-直流或者直流-直流电能变换，通常称其为开关电源。 开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳 流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。 2.3 开关电源的系统设计原理 开关电源的设计可以使用VMOSFET或GBT管，正激型、半桥结构或全桥结构，及 PWM技术。因为采用大功率器件VMOSFET管、半桥结构和PWM技术设计的开关电源， 具有体积小，效率高，噪音低，精度高，成本低等优点，所以选用这些器件。 开关电源系统主要包括功率单元和控制单元两部分，功率单元由输入回路、功 率转换电路和输出回路三部分构成，设计中采用开关器件较少的半桥结构。 16 15 14 13 12 11 10 9 1 2 3 4 5 6 7 8 R8R9 GND 驱动输出A驱动输出B 过压、过流 欠压保 护电路 SG3525A R5 W2 R4 R3 R7 R6 C3 C4 + R2 C2 GND 反馈网络 辅助电源 C1 R1 W1 给定输入 反馈网络 过压过流保护 输入整流滤波功率转换电路输出整流滤波 控制电路辅助电源检测比较放大 图2-2 开关电源原理图 盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011） 图2-3 控制电路原理图 控制单元电路原理图如图2-3所示。控制电路的主要作用是给主电路中 VMOSFET管的栅极提供可靠的电压驱动信号，并且脉宽可调。采用电压模式的PWM 控制器SG3525A来实现这个功能的。双通道输出，每一通道的驱动电流最大值达 500mA，能够直接驱动功率MOS管，其工作频率高达400kHz，还具有欠压切断、可 编程软启动等特点。另外，以SG3525A为核心的控制电路还具有过流、过压及过热 保护、软启动等功能以保证可仪器长时间安全可靠地运行。 3 .系统整体设计及其关键技术 3.1 系统需求分析和方案设计 针对分布较广的埋地管线设计新型智能开关电源的监控系统，采用阴极保护 技术，使用多个开关电源，对金属构件进行电位补偿。以及通过现场总线技术实 现对电源模块工作状态的远程控制和实时监测，满足对整条管线开关电源的集中 管理的需求。不但要实现监控的功能，还要考虑到实际的环境，提高整个系统的 稳定性、可靠性、集成化和开放性，以及要提高数据处理速度和通讯效率。 阴极保护技术就是测量被保护电位（如：管地电位），根据电位的大小变化， 调节补偿保护电流大小，起到对金属构件的开关作用。监控系统对管地电位信号， 输出电流信号等进行数据采集，掌握现场运行数据，并对输入电压和电流进行实 时监测，掌握工作状态数据，并对所有数据进行比较、分析和计算，输出相应的 控制信号。具体如图3-1所示。 图3-1 现场信号示意图 3.1.13.1.1 监控系统设计原则监控系统设计原则 a) 提高系统开放性。开放性包括硬件电路开放性、软件设计开放性以及系统 接口通讯开放性三部分。硬件模块功能划分明确，电路单元功能相互独立。同时 选择的元器件应具有通用性强，替代性好的特点；软件设计时应考虑可读性和可 维护性，易于别人二次开发；充分利用CAN总线的优点，严格按照CAN总线协议进 控制单元 功率单元 输入电压 阳极 参比极 参照电压 给定电压开关电源 + - 管道 输出电流 控制电源 基于 CAN 总线开关电源的监控系统设计 6 行通信模块开发，方便联网组态。 b) 提高系统可靠性。由于本监控系统工作环境十分恶劣，为保证整个系统具 有非常高的可靠性，在器件选取上应考虑成熟的产品，软件设计上可以采取容错、 滤波等抗干扰措施。 c) 提高系统智能性。监控节点的智能性包括控制智能性和数据处理智能性。 在开发本系统时应充分利用微处理器强大的智能控制能力，控制节点的监测过程， 以及避免使用常规的大量分立电路，即尽可能实现“硬件软件化”。 d) 提高系统检测精度。检测精度高低是衡量监控系统设计成功与否的一个重 要指标。在提高检测精度时应从硬件电路设计优化、软件处理（数字滤波、软件 修正等）、提高放大技术水平以及抗干扰等方面入手，综合考虑各方面因素，对 电量检测有影响的干扰因素作必要的技术处理。 e) 降低系统成本。在能满足系统任务要求的情况下，为了获得较高性能价格 比，应尽可能采用简单、实用的方案。同时尽量选择性价比较高、功能强大的元 器件，一方面降低成本，另一方面简化系统结构，缩小系统体积，增加系统可靠 性。 3.1.23.1.2 监控系统功能监控系统功能 电源集中监控的实质：一是利用计算机工业控制的技术实现通信电源的智能 化，二是利用数据通信技术实现智能化开关电源的组网，三是充分考虑到现场信 号特点，采用相应的信号处理方式，达到可靠精确的目的。 对与系统的具体特点来说，主要具有信号的种类多（电压、电流、开关量）， 范围广（l0mV5V），现场环境恶劣（潮湿、多尘），可靠性要求高等特点。 系统要达到以下几点要求： a) 根据现场信号特点选择合适的滤波方式； b) 能进行零点自校准； c) 能存储一定时间的现场数据； d) 能实现现场信号的显示； e) 能完成双极性电压/电流信号的输入； f) 能高效准确传输数据。 3.1.33.1.3 监控系统设计优化监控系统设计优化 对开关电源集中监控系统监控内容的要求，应以满足开关电源及设备维护管 理的需要为准则。同时应尽量精简监控系统，可要可不要的监控内容应尽可能取 消以降低成本，监控内容应以方便、实用为基本准则。考虑到现场采用的是新型 智能开关电源，具有较高的独立工作能力，所以当前的监控系统应以监测、管理 为主，控制为辅，设计既要简单可靠，又要满足需要。 电源监控系统需要实现的功能有：一是对电源及设备的监测控制；二是对监 测数据的传输、记录、处理、管理和分析；三是根据处理现场数据，选择适当的 控制方案，采用开关量和反馈电压控制现场电源的工作，并且对紧急状态及时报 盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011） 警。 在考虑系统总体方案时，主要进行新一代的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）和传统的分散控制系统DCS（Distributed Control System）两 种方案的比较和分析： 分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集 4C（Communication，Computer，Control，CRT）技术于一身的监控技术。从上到 下的树状拓扑系统，其中通信（Communication）是关键。PID在中断站中，中断 站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。是树状拓扑和并行连续的链路结构， 也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。采用模拟信号、A/D-D/A、带微处理 器的混合。一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。DCS是控制（工程 师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。DCS的缺点是 成本高，各公司产品不能互换，不能互操作。 而FCS的特点是：应对危险区域、易变过程、难于对付的非常环境；全数字化、 智能、多功能的仪器、仪表、控制装置；用两根线联接分散的现场仪表、控制装 置、PID与控制中心；在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的；多变量、 多节点、串行、数字通信系统；是互联的、双向的、开放的；采用分散的虚拟控 制站；由现场电脑操纵，还可挂到上位机，接同一总线的上一级计算机局域网。 由此可见现场总线方案具有无可比拟的优点，采用其作为系统总体结构符合 整个监控系统的设计需求。 监控系统采用智能节点组合式结构，由现场智能节点和现场总线网络两部分 组合而成，系统通过通信接口可与监控中心进行通信。远端监控中心通过现场总 线与下位机相连，通过数据通信获得开关电源系统的管地电位、输出电流、输入 电压、控制电流等现场参数，并可对这些信息进行查询、处理和控制，从而实现 远程监控功能。同时系统也可通过智能节点实现本地直接监控。 由于开关电源广泛的分布在埋地管8线的整个区域，要实现对它的集中管理和 控制，可以借鉴计算机分布式控制系统（DCS）的工作思想，采用层次结构，以一 个主计算机和多个从计算机组成通信网络来完成系统数据通信的功能。监控系统 应以多级监控级自下而上逐级汇接的方式构成，每个监控级一般均按照辐射方式 与若干下级监控级连接成一点对多点的监控系统，最低一级监控级（设备监控单 元）与其监控的若干设备连接。在绝大部分时间内，DCS系统的从机并行工作，只 有在必要时才与主机通信交换数据信息。这种层次结构使系统具有较高的可靠性， 而且控制灵活、速度快。因此整个系统分为： 监控模块实现数据的现场采集、响应远端控制、监测开关电源的工作情 况等功能； 监控管理中心实现对各个节点数据的收集、处理、遥控以及对现场监控 节点报警的响应； 通讯网络实现监控管理中心和现场监控节点之间数据的可靠传输； 本监控系统是定位于现场的智能监控节点。每公里的埋地管线有10个常用的 基于 CAN 总线开关电源的监控系统设计 8 电源模块，2个备用电源模块，对监控系统设定的监控参数为：各个电源模块的现 场状态信号，具体的系统框图如图3-2所示。在一定长度的范围内设置一个工作站， 通过现场总线对数十个现场节点进行数据汇总和实时处理。然后通过公共网络将 各个工作站联系在一起，设立管理中心，对整个开关工程进行集中管理。 采用了以上的网络结构后，智能监控节点便成为最基础和最关键的模块，也 是本课题重点的部分。智能监控节点要完成数据的采集，与监控管理中心的远程 通信，以及对电源设备进行控制等功能。 智能监控节点采用自行设计的单片机应用系统，主要完成数据采集、数据预 处理和数据传输，以及将上位的数字控制命令转化为现场执行器可接受的模拟信 号；工作站要完成对监控节点的数据采集，响应监控模块的异常告警，并对采集 的数据和告警信息进行相应的处理。工作站大致可以分为远程通信模块、数据管 理模块、系统配置模块、安全模块等。工作站与多个智能监控节点相结合，互相 配合，便构成了一个可靠的监控系统。 PC 机 信号采集系统 1信号采集系统 n 信号调整 n信号调整 1 防腐电源 n防腐电源 1 参 比 电 位 阴极 电流 阴极 电压 参 比 电 位 阴极 电流 阴极 电压 参 比 电 位 阴极 电流 阴极 电压 参 比 电 位 阴极 电流 阴极 电压 信号调整 n信号调整 1 防腐电源 n防腐电源 1 图3-2 系统框图 3.2 监控节点的关键技术分析 3.2.13.2.1 电流电流-电压转换电压转换 监测的现场数据中有控制电流，属于电流信号。由于在模数转换中，通常的 转换器件只能将电压信号转换成数字信号，为了取得良好的转换效果和转换精度， 必须把现场的电流信号线性转换成电压信号。 如图3-3所示，直接将电流信号通过纯电阻网络转换成电压信号。从表面看 E=RfIi，但成立的条件是变送器为理想的恒流源，并且RfRi，才能得到Esr=Ei。 由于被测对象的导电率变化会引起变送器内阻的变化，而变送器内阻变化又 会引起测量误差，为使测量精度不受变送器内阻变化的影响，小信号放大模块的 输入阻抗必须足够大，以至于变送器内阻变化引起的测量误差可以忽略不计，同 时输入阻抗提高也可以降低对被测对象的导电率测量限制范围。另外，由于变送 器产生的感应电动势最小只有几mV，理论上传感器输出的小信号可以直接用高性 能运算放大器进行放大，但事实上传感器工作环境往往比较复杂甚至恶劣，使运 算放大器差动输入端上的信号叠加有共模干扰，因此小信号放大电路必须具有较 高的共模抑制比。 在现代电子测量技术和处理技术中，对信号的放大都是必不可少的。然而在 确定某个放大器的增益时，却经常遇到这样的矛盾：增益定的较高，对小信号的 放大有利，而对于大信号则可能导致进入放大器的非线性区，造成很大的误差； 若增益定的较低，虽然保证了大信号处于放大器的线性区，但对小信号的放大量 又不够，不利于后续电路的处理。此外，在数据采集系统中，常常采用ADC转换器 件来进行模拟到数字的转换，若既要保证ADC器件有足够的动态范围，又要使其有 较高的分辨能力，则需采用高量化位数的ADC器件。而普通的高量化位数ADC器件 在转换精度和速度上总是难以兼顾的。若需同时满足高速和高精度的测量，则ADC 的价格将变得难以承受。 采集的信号多种多样、范围广，因此需要采集电路能根据输入信号的大小， 实时的改变放大倍数，使待处理的信号始终处于A/D芯片的有效量程内，所以提出 了一种实时变增益放大电路能够有效的解决上述问题。电路设计思想如图3-5所示。 设Vin为输入信号，Vout为输出信号，放大器是一个可编程运算放大器，根据输 入控制信号的不同，即可形成不同的增益值。信号幅度比较器是由一组电压比较 器构成，其作用是将输入信号Vin与一组参考电压进行比较，输出的一组比较值提 供给处理器进行编码，作为可编程放大器的控制信号。Vin进入信号幅度比较器与 比较器中的固定参考电压进行比较，比较的结果以数字量的形式送到处理器。信 号幅度的不同，将会使得信号幅度比较器的输出数字量不同，处理器将这些数字 量进行编码后，输出相应的控制信号，将可编程运算放大器的增益设置在相应的 数值上。若Vin的幅度发生变化，则将导致处理器的相应控制信号也发生变化，从 盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011） 而控制可编程运算放大器扩大倍数，以达到自动增益的目的。 可编程放大器 处理器信号幅度比较器 比较结果控制信号 Vout 图3-5 可变增益示意图 Vin 4. 监控系统的硬件设计 4.1 监控系统的硬件设计 系统智能化的要求比较高，在各个监控接点都采用微处理器来进行运算处理。 单片机具有体积小，功能强，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性 高，灵活性好，功耗低，开发较为容易的优点。根据设计要求，使用单片机为核 心，围绕其I/O口，利用外部功能芯片实现所要求的数据采集，信号调理，数据通 讯的功能。 系统硬件由两部分组成分别是数字板和模拟板。数字板主要完成采样信号的 模数转换、计算（消除噪声并还原信号），参数设置和通讯；模拟板主要完成来 自开关电源的待测信号的滤波、放大、采样以及放大倍数的自动选择。监控节点 的总体框图如下图4-1： PC 机 数据采集系统 1 现场总线 数据采集系统 2 数据采集系统 n 图4-1 监控系统框图 监控系统直接测量的是来自现场的电信号，系统采集的信号为现场信号，包 括电压信号和电流信号。开关电源的工作现场环境恶劣，难免夹杂着干扰信号， 为了抑制被测信号中的共模信号和高频干扰，增加了包含差模放大部分和滤波部 分的前置电路。经过前置处理，将电流信号转换成对应的电压信号，被测信号就 成为所需的真实信号。放大器将被测信号进一步放大，使之进入A/D转换正常工作 范围。为拓宽测量范围，系统还包括电压分档的功能，该功能与可编程放大器配 合，由单片机根据电压分档电路的信号，控制可编程放大器的放大倍数，从而实 现可变增益放大。放大器的输出信号经采样保持，A/D转换变换为数字信号，由单 片机进行处理。在调理电路和放大电路之间设置了一个多路开关，控制四路采样 基于 CAN 总线开关电源的监控系统设计 12 信号逐个选通，这样只用一个放大电路和A/D电路就能完成四路信号的采集，在速 度要求不是很高的情况下，大大的降低了成本。系统由程序控制，完成对数字信 号的各种处理运算，将处理结果存储在外部存储器等待上位机读取。智能节点系 统通过CAN总线与上微机交换数据，另外系统还扩展了两个输出通道，用来输出控 制信号到开关电源，来控制开关电源的工作。 系统考虑到扩展性，设置了控制开关，通过开关设置命令参数，选择系统的 工作方式。系统增加了扩展槽，当有升级必要时，可以使用其应用新的技术。模 拟电路部分框图如图4-2所示，其中Vin1、Vin2、Iin1、Iin2为从开关电源现场采集的 四路信号，由于待测信号比较微弱，现场环境又比较恶劣，待测信号叠加了很多 干扰信号，采用差模输入电路和有源滤波电路对输入信号进行去干扰，得到待放 大的有效信号，然后通过电压分档电路估计信号的范围，将信息提供给单片机， 单片机根据电压分档电路提供的信息来控制可编程放大器的放大倍数，从而使信 号放大到合适的范围，输入到数字板上进行模数转换。 调整滤波电路 调整滤波电路 调整滤波电路 调整滤波电路 多 路 模 拟 开 关 放大电路 分档电路 数 字 部 分 有效信号 放大倍数 电压范围 Vin1 Vin2 Iin2 图 4-2 模拟电路部分框图 Iin1 4.1.14.1.1 前置滤波调理电路前置滤波调理电路 采用的信号前置滤波是串联RLC谐振电路（如图4-3所示），现对这一滤波电 路的性能作简要分析。 RL E C 12 图4-3 前置滤波电路 图中E为输入信号，C为可调电容（实际选取1F），L是用回转器构成的一个 10H的大电感，图中R=1k，C=1F；R由感应线圈电阻和回转器产生的附加电阻 两部分组成（回转器的两个端子之间应为一个纯电感，但是可能是由于电路参数 不能完全对称的原因，使得端口1-2之间叠加上一个大约100的电阻）。 由于输入信号为双端差模信号，在进入放大环节前需要完成阻抗转换，并转 换成单端输出。在信号传输过程中难免会带入一定的共模干扰，所以要求前置调 理电路同时具有阻抗转换、双单端转换和抑制空模干扰三个功能。 盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011） 在实际设计中，如图4-4所示，前端采用跟随器输入，克服了差放电路输入阻 抗地的缺点；后端采用差动放大电路，抑制空模干扰，完成单双端转换。 假设输入信号存在共模干扰，干扰电压为Uc，由运放基本特性可得： （4- f c R VV R VUV 0 1 1） （4- 32 R V R VUV c 2） 且R1=R2=R3=Rf，可推出： （4- VVV0 3） 很明显，只要匹配好电阻值，可以在完成双单端转换的同时，将共模干扰抵 消。实际设计中，Rf和R3为可调电阻，这样可以大大的提高电阻间的匹配度，提高 共模抑制比。 + - + - + - Uc Uc V+ V- R1 R2=R1R3=Rf Rf V0 V + + - - LM139 LM139 LM139 图4-4 前置调整电路 4.1.24.1.2 I/VI/V 转换电路转换电路 采用电流环接受芯片RCV420将现场电流信号线性地转换为05V的电压信号。 现场信号中，包括两路420mA的电流信号，来自于开关电源内部的电流变送器， RCV主要由精密运算放大器，电阻网络和10V基准电源组成，其中7脚RNR为噪声抑 制器，8脚RTRIM为基准调整端，13脚COMV为器件公共端，5脚COMR为基准参考器。 在一般使用时，10、11和12脚相连，14和15脚相连，2、5和13相连接地，7和S脚 悬空，电源16和4脚与地之间接入1F电容。输入电流信号是接IN+还是IN-，取决 于输入信号的极性。 图4-5是设计中采用的带二阶低通滤波的420mA至05V转换电路。 基于 CAN 总线开关电源的监控系统设计 14 16 11 12 10 3 2 1 + - 4-20mA RCV420 +15V -15V + - 15.9K15.9K 15.9K 15.9K Vout (0-5v) 14 15 13 5 4 C1 C2 C3 C4 LM139 图4-5 I/V转换电路 RCV420电源和信号的正确接法为：正负电源脚各接一个1F的退耦电容，并 尽能地靠近放大器。为避免由外部电路引入的增益和CMR误差，应按图示方法接地， 并确保最小接地电阻。输入信号视其极性或接至+IN脚，或接至-IN脚，经中心抽 头CT脚返回地端。电压基准的输出Ref OUT脚应接至Ref IN，以产生电平偏置。 Ref IN脚不用时必须接地，以维持高共模抑制。 在设计RCV420的增益调节电路时。在运放的反馈通道插入一个小电阻R1，可以 增大增益。采用此方法增大增益将导致CMR下降，因此，增益调节应尽可能的小。 例如，用一个125电阻可使增益增大1%，但CMR将下降约6dB。 在检测电阻上并联匹配电阻Rx，可以减小增益。增益值由下式表示： VOUT/IIN =0.315RX/(RX+RS) （4- 4） 并联7.5电阻可使增益减小1%。为了维持高共模抑制，并联电阻的匹配很重 要。并联电阻的温度参数的任何不一致，都将引起增益误差和CMR的漂移。 4.1.34.1.3 自动增益放大电路自动增益放大电路 现场信号通过上述前置滤波调理电路和I/V转换电路的处理，完成去除噪声和 阻抗转换的工作，接下通过八路模拟开关进入放大模块。 如图4-6所示，自动增益放大电路主要由三个部分组成：全波整流电路、电压 幅度比较电路和可编程放大器。 R1 R2 Vref1 Vcc R3 R1 R2 Vref8 Vcc R3 数字部分 Vin Vin AD526AD526 控制信号 电压幅度 比较电路 全 波 整 流 电 路 可编程放大器 待处理信号 LM139 LM139 图4-6 自动增益电路 待放大的信号是极性不定的正负信号，但幅度比较电路关心的只是幅度的大 小，所以有必要将信号调理通过图4-7所示的全波整流电路，将信号的极性统一， 同时不改变信号幅值。 电压幅度比较电路由LM139比较器芯片和电阻网络组成。每片LM139有四个比 盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011） 较器，如图4-6所示每个比较器和若干电阻组成一个比较单元，每个单元有不同的 基准电压，根据输入信号与参考电压的幅值比较高低，输出端产生高低电平变化。 输入信号的不同，相应的输出逻辑也不同。这样处理器根据不同的输出逻辑， 可以知道输入信号的幅值范围，选择合适的放大倍数，对可编放大器发出相应的 控制指令。 10k 15k + - 10k 15k + - 20k 10k U1 U0 10k 1N4001 1N4001 LM139 LM139 图4-7 全波精密整流电路 设计中选用的AD526是专用五级变增益运放，其增益级数有 G=1、2、4、8、16，其增益控制输入脚有三个脚。它是一个包括放大器、电阻网 络和TTL数字逻辑电路等在内的完整的器件，使用时可不用加任何元件。器件具有 很低的增益误差和非线性。主要性能指标包括（G=16时）：小信号带宽为35kHz， 输入偏置电流小于50pA，输入失调电压小于0.5mV。在增益为1、2、4时，增益误 差仅为0.01%。这些优越的性能指标保证了AD526在需要软件编程的运算放大器领 域具有广泛的运用。 AD526内部结构如图4-9所示。AD526的内部主要由逻辑与锁存、增益电阻网络， CMOS模拟开关和单端户入放大器组成。AD526有两种工作模式，即透明工作模式和 锁存工作模式。工作方式由CLK引脚来控制。CLK接地时，工作模式为透明模式； CLK提供逻辑信号时，工作模式为锁存模式。工作在透明模式时，输入模拟信号在 A2、A1、A0逻辑电平到来时增益当即响应。在透明模式下，为保持增益的稳定必须 外加锁存器解决A2、A1、A0锁存问题。在锁存模式上，当/CS或CLK变为逻辑“1” 时，增益码（A2、A1、A0、B）被锁存到内部寄存器中。此时增益并不变化，直到 /CS或CLK变为低电平时才改变。表4-1是这一操作的真值表。从表4-1可以更清楚 地看到上述这些操作过程。 基于 CAN 总线开关电源的监控系统设计 16 逻辑与锁存 CLKVVBA2A1A0CS 131014117121516 AULL AULL DGND AGND1 AD526 16 1 6 2 4 增益网络 1248 IN FOUT SOUT 8 93 AGND2 5 图4-8 AD526内部结构 表4-1 AD526操作时序图 增益码控制状态增益码控制状态 A2A1A0B CLK （/cs=0 ） 增益模式 001 透明 11 透明 011 锁存 000101 透明 000112 锁存 001102 透明 001114 锁存 010104 透明 010116 锁存 011108 透明 111118 锁存 11016 透明 11116 锁存 如图4-9所示，设计中采用两个AD526串联的接法，这样可以实现1128放大 倍数。工作方式采用透明工作模式。这样，处理器的控制信号A2、A1、A0通过锁存 器控制AD526的控制引脚，从而实现自动增益放大功能。 A0 A1 A2 CLK GND CS B Vout S Vout FVin GND1 GND2 +Vs -Vs +15V-15V 10 7 15 16 12 13 1 14 3 6 5 11 8 9 A0 A1 A2 CLK GND CS B VoutS Vout FVin GND1 GND2 +Vs -Vs +15V-15V 10 7 15 16 12 13 1 14 3 6 5 11 8 9 A2 A1 A0 Uin Uout 图4-9 AD526接线图 数字部分处于整个监控节点的核心，负责数据的采集、处理和传输。它的主 盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011） 要任务是将模拟部分调理好的模拟信号通过模数转换电路转变成数字信号，进行 处理和传输，以及运用其强大的控制能力，对模拟部分各个模块进行控制。 单片机作为数据采集系统的核心部分，在本系统的设计占有举足轻重的地位。 采用ATMEL公司的AT89C52单片机，其特点如下： a) 为一般控制应用的8位单片机； b) 最高工作频率为12MHz； c) 具有8K字节电可擦写程序FLASH； d) 具有广泛的接口电路芯片。 4.2 A/D 转换电路 现场信号经过模拟部分处理后，在进入数字部分之前，必须将模拟信号经过 转换器，把模拟量转换成数字量，才能实现CPU与现场数据之间的信息交换。所以 设计中采用A/D转换电路，将现场信号模拟量与处理系统的离散数字信号建立起对 应关系，以便计算机执行运算任务。A/D转换电路结构如图4-10所示。 A/D转换器的功能是把模拟量变换成数字量。由于实现这种变换的工作原理和 采用的工艺技术不同，因此产生出种类繁多的A/D转换芯片。设计中采用的是美国 AD公司生产的12位高速逐次逼近型模/数转换器AD574。 AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转 换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精 度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即 可构成一个完整的A/D转换器。其主要功能如下： a) 12位转换器，也可以分两次输出，引脚12/8就是用来作为输出位数控制 b) 非线性误差：小于0.5LBS或1LBS P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 GND 32 33 34 35 36 37 38 39 18 17 14 13 8 7 4 3 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 74LS373 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 19 16 15 12 9 6 5 2 3 4 5 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 111 20 CS AO R/C V+ +V bipoff AGND DB11 DB10 DB9 DB8 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 CE STS WR RD P3.0 74LS00 30 16 17 10 12/8 6 28 1 7 12 15 11 10 9 V- BIN BOUT 10V in 20V in 13 14 9 DGND +15V -15V 100k 100k 100k 100k Vx Vx AD574 89C52 ALE +5V 基于 CAN 总线开关电源的监控系统设计 18 图4-10 AD574与单片机的接口电路 c) 转换速率：25us d) 模拟电压输入范围010V和020V，05V和010V两档四种 e) 电源电压：15V和5V f) 数据输出格式：12位/8位 g) 芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式 根据以上分析，如图4-10所示，将AD574数据线直接与CPU相连，将AD574的12 条输出信号线的高8位连接到系统数据总线的D0D7，而把低4位接到数据总线的高 4位，低4位补0，以实现左对齐。要求分两次传送，故将12/8接数字地。控制信号 /Y2、A0、A1连接到地址总线上，这样CPU通过访问对应的外部I/O来控制AD574的 工作。状态信号STS连接到P1.4，CPU通过查询P1.4的电平高低，取得AD574的状态。 设计中还增加了一个采样保持LF398，由状态端STS来控制其采样/保持，这样可以 保持AD574进行模数转换时，输入信号处于保持状态，避免受到信号波动的影响， 提高了转换精度。 系统包括现场监测与实时控制两个部分。以上讨论了现场数据采集的整个流 程，下面就实时控制展开具体的论述。 由于现场的开关电源的模拟器件，其无法直接接受监控系统产生的数字控制 指令，所以必须把数字指令信号转换成模拟指令信号。设计中采用环路电流传送 方式，信号是以电流形式传送的，可较好地克服长距离传送产生的压降及来自电 动机、延迟开关和工业设备的噪声对系统的影响。这些特点能适应恶劣的现场环 境，保证控制的精度。具体的方案是采用DAC0832将数字信号转换成05V电压信 号，然后用电流变送芯片AD694将电压信号线性转换420mA的电流信号，传输给 现场执行器件，控制现场开关电源的工作。 AD0832的8位的乘法型DAC转换器，内部带有两级缓冲寄存器。其接口电路比 较简单，应用也很广泛。 AD694是单片大信号输入电压/电流变换器。电流输出可以设计成标准的 420mA环路电路。其输入可通过对管脚的不同连接来实现02V，010V等范围 的变换，允许双电源工。内部电阻经激光修正具有很高的精度。输入电路可直接 与8、10、12位的CMOS或双极性D/A转换器连接，构成数字到电流的变换输出。输 出电流的低端（4mA）可通过TTL电平控制实现020mA输出。 设计中由AD694与DAC0832构成的数控V/I变换电路。数模转换芯片DAC0832的 数据输入端直接挂在单片机数据总线上，控制引脚分别连接由地址译码器分配的 /Y6和单片机读写控制端/W