（控制理论与控制工程专业论文）基于现场总线开关电源的设计与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文设计和研究了基于防腐工程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 程通讯于一体的基于c a n 总线的开关电源智能监控节点。为满足防腐工程得需 要，在增强系统开放性、可靠性和通讯功能得基础上，还将c a n 总线技术应用 到开关电源监控系统中。 首先介绍了开关电源在防腐电源工程中的重要性，综述了其技术发展动向和 应用现状，介绍了电源监控产生的原因、特点、发展趋势和作用。根据实际需 要，论证基于c a n 总线的智能开关电源监控节点的必要性和意义，以及c a n 总线技术基础，将此作为整个项目的理论基础。然后根据系统设计任务，设计 原则以及总体设计方案重点介绍c a n 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。最后紧紧围绕功能 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，并且根据系统要求进行系统集成和分析， 以及在分析整个系统的开发效果后，探讨了开关电源监控系统的发展前景。 论文设计是围绕管线开关电源的运行监控系统进行。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。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。 关键字：开关电源，监控节点，c a n 总线，单片机 1 1 1 垫堡堡三盔堂堡主兰堡丝茎 a b s t r a c t a f t e rh a v i n ga n a l y z e di n t e l l i g e n tm e a s u r i n 【g c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t s t a t u sa n dt r e n d ，t h ed e s i g nu s en e wm c ua n dt o m p u t e fh a r d w a r e s o f t w a r e t e c h n o l o g ya n df i e l db u st e c h n o l o g yt od e v e l o pi n t e l l i g e n tm e a s u r i n g c o n t r o l l i n g n o d eo fs w i t c h i n gp o w e r ， w h i c hi n c l u d i n gs i g n a lc o n v e r s i o n , d a t ac o l l e c t i o n ， i n t e l l i g e n tc o n t r o l l i n g ，l o n g - d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o na n do t h e rf u n c t i o n s i no r d e rt o m e e ts y s t e m sn e e d s ，e n h a n c es y s t e m so p e n i n g ， r e l i a b i l i t ya n dc o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n ，c a nb u st e c h n o l o g yi st h ef i r s tt i m et oa p p l yt ot h es y s t e mo f a n t i c o r r o s i r ep o w e r i t sp r a c t i c a b i l i t yi si m p o r t a n tf o rt h es w i t c h i n gp r o i e c t t h ef i r s t ，a f t e ri n t r o d u c i n gt h ei m p o r t a n c eo ft h ea n t i c o r r o s i v ep r o j e c t ，t h e p a p e rs u m m a r i z et h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tt r e n da na p p l i c a t i o ns t a t u so ft h es t e m ， a n dd e m o n s t r a t et h a ti ti s n e c e s s a r y a n d s i g n i f i c a n t t o d e v e l o pi n t e l l i g e n t m e a s u r i n g c o n t r o l l i n gn o d eb a s e do nc a nb u sa c c o r d i n gt o t h es t a t u si nt h e a n t i c o r r o s i r ep r o j e c t t h es e c o n d ，c a t h o d ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g yb a s i cp r i n c i p l ea n d c a nb u sb a s i ct e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d t h et h i r d ，a c c o r d i n gt ot h i si t e ma p p l i c a t i o n a n dc o n s u m e rd e m a n d ，s u m m a r i z es y s t e md e s i g nt a s k sa n dr u l e s ，r e s e a r c h e ds o m e o ft h es y s t e r nk e yt e c h n o l o g y p u tf o r w a r dp r o g r a m m a b l ee x c i t a t i o nn e wt e c h n o l o g y a n db u i l ts y s t e md e v e l o p m e n ta r c h i t e c t t t r ea n da n a l y z e da l lm o d u l e s f u n c t i o na n di t s r o l e t h ee n d ，a r o u n dt h er e q u i r e m e n to ft h ew h o l es y s t e m ，n o d ed r i v i n gp r o g r a m d e s i g nt h i n k i n gt oe s t a b l i s hm c us y s t e r ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r ei sp r e s e n t e d s y s t e m i n t e g r a t i o nat e s ti sp r e s e n t e d a n dt h em a i nc o n c l u s i o no ft h i sd i s s e r t a t i o ni s s u m m a r i z e da n df u t u r er e s e a r c hw o r ki sp u tf o r w a r d i nt h ed e s i g n ，a d v a n c e de l e c t t o n i ct e c h n o l o g ya n dm c ut e c h n o l o g ya r e c o m b i n e dc l o s e l y u t i l i z i n gp cr e s o u r c e ，t h es y s t e mc a nd e a lw i t hh u g ef i e l dd a t a a n dp r o c e s sr e a l - t i m ec o n t r o l l i n g a f t e ru s i n gt h em e a s u r i n g c o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h ea n t i c o r r o s i v ep r o j e c tc a n r e a l i z en o b o d y - d u t ym a n a g e m e n t s ot h i sa c c o m p l i s h e dw o r kh a sh i g hp r a c t i c a lv a l u e a n dr e f e r e n t i a ls i g n i f i c a n c ei nt h ea r e ao fa n t i c o r r o s i v ep r o j e c t k e yw o r d s ：s w i t c h i n gp o w e r ，m e a s u r i n g c o n t r o l l i n gn o d e ，c a nb u s ，m c u i v 武汉理工大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 电源监控技术 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基站 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。 国外电源监控系统主要利用电源系统本身的控制系统，其监控项目要远远 少于国内开发的监控系统。通过对国内外通信电源监控系统的分析、总结，本 人认为，搞监控的目的一是为了解放劳动力，实现通信站的无人值守；二是为 了提高动力设备运行的稳定性和可靠性。这就要求监控系统有更高的智能化程 度和数据处理能力。例如，采集数据应通过分析处理对设备进行预诊断，在事 故发生以前进行预告警以防患于未然，变被动维护为主动维护。 就电力系统通信电源来说，目前检修工作一般遵从电力设备的检修体制采 用预防性计划检修，即每年对蓄电池进行容量试验、开关电源状态测量等 1 ， 无法实现“按需检修”。由预防性计划检修转变到状态检修是当今电力设备检 修体制改革的必然趋势，也是电力通信电源设备检修制度改革的必然趋势。所 谓状态检修就是以设备诊断技术为基础，结合设备的历史和现状，参考同类设 备的运行情况，应用系统工程的方法进行综合分析判断，从而查明设备内部状 况，掌握缺陷的性质，预测隐患的发展趋势，提出预防措施和治理对策 2 。因 此，它是一种真正意义上的“按需检修”方式。 纵观国内外通信电源监控系统，目前均具备在线监测功能，但故障诊断技 术尚不成熟。必须广泛采用在线监测技术和先进的故障诊断技术，对运行设备 的状态量进行不间断的监测，将采集到的信号量经过加工处理，判断设备故障、 异常和劣化程度，预测设备故障或异常可能发展的速度，制定设备维修计划和 项目，建立“以设备监测为基础”的预知维修制，实现根据设备运行、检修、 试验情况利用评估原理判断设备状态的“按需检修”，能大大节省人力物力， 提高设备运行效率。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 基于现场总线的电源监控系统 过程控制系统体系结构从第1 代基地半自动检测系统：第2 代单元组合仪 表系统、第3 代数字化集中控制系统发展到第4 代d c s 系统。与前3 代相比， d c s 系统发生了质的变化，可以说是一次革命，但仍存在不少问题，如比较突出 的兼容性问题。第一，设备供应商的系统各不相同，用户一旦选择，便完全处 于一种功能需求和投资的被动地位：第二，d c s 中的各级通信虽然部分已采用 i e c 的过程数据公路p r o w a y 标准，但仍基本属于按各制造商本身的通讯协议工 作的非开放系统。在管理级和监控级是数据总线通信，而处于现场的控制级和 监控级通信则采用4 2 0 m a 模拟信号。在一个d c s 系统，现场仪表占的比例最 大，数量最多，一对一的布线方式使系统庞杂，安装费用大，初期投资高，4 2 0 m a 的现场通信方式使管理人员、操作人员在管理级和监控级上不能直接获得 现场节点工作状态，不能直接对参数进行调整或改变运行方式。某些d c s 新产 品即使软件硬件及功能得到很大的改善，但由于4 2 0 m a 现场通讯方式，使其 扩容和发展受到限制。 在这样的实际背景下，现场总线为现场设备接口智能化、网络化、标准化 和低成本提供了可能性。以现场总线为基础的第5 代过程控制体系结构呼之欲 出。现场总线是过程控制技术、仪表技术和计算机网络技术3 个不同领域结合 的产物。当过程控制技术由分立设备发展到数据、设备共享，仪表技术由简单 电子仪表发展到智能仪表，工业计算机网络技术由m a p 制造自动化协议发展到 现场网络技术时，必然会走上现场总线技术道路。 现场总线的节点是现场仅表或现场设备，如传感器、变送器、执行器等。 但它们不再是传统意义上单功能的现场仪表，而是有综合功能的微机化仪表。 每台仪表内都有台( 或以上) 微处理器，既有c p u 、内存、i o 接口、通信接 口等，有非电量信号检测、变换、放大、处理等模拟电路，还有数据采集、控 制输出等模数混合电路。具有硬、软件结合的技术优势和比传统仪表更为优越 的性能。其综合功能可举例说明，流量变送器不仅具有流量信号变换和补偿功 能，而且有p i d 调节和其它运算功能：调节阀不但能进行信号驱动和执行，还 能做输出特性补偿、自校验和自诊断。用于监控自动化的基本现场仪表或设备 如下： 1 ) 变送器，常用温度、压力( 差压) 、流量和物位和分析五大类变送器， 每类又有很多品种。变送器既有检测、变换和补偿功能，又有p i d 控制和运算 2 武汉理上大学硕士学位论文 功能。 2 ) 执行器，常用电动、气动两大类执行器。执行器的基本功能是驱动和执 行，但内含调节阀输出特性补偿、p i d 控制和运算等功能，还有阀门特性、状态 自校验和自诊断功能。 3 ) 监控设备，工程师站提供现场总线组态，操作员站提供工艺操作与监视， 计算机站用于优化控制与建模。 现场总线仪表系统具有以下优点。1 ： ( 1 ) 消除了4 2 0m a 模拟信号通讯瓶颈现象。 ( 2 ) 为用户提供更多功能。 ( 3 ) 减少i o 装置，降低布线量和安装成本。 ( 4 ) 增强系统的自治性。 ( 5 ) 提高检测精度和鲁棒性。 ( 6 ) 用户拥有更大的选择权。 ( 7 ) 调试维护方便，使用寿命长。 总之，现场总线将使仪表的发展产生以下根本的变化： 用多变量、双向、数字通信方式代替传统仪表的单变量、单向、模拟传输； 一对信号线只能连接一台模拟仪表的形式将变成一对信号线连接多台微机化仪 表的形式；多功能的智能现场仪表代替单功能的现场模拟仪表。 1 3 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上取得了一定的成绩，但由于 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： ( 1 ) 可靠性差，由于全部采用分立器件设计，各个模块之问的信号传输具 有较大的不准确性，缺乏自检测和自诊断功能，容易出现故障，导致系统的整 体失效，甚至产生破坏性事故。 ( 2 ) 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。 3 武汉理工大学硕士学位论文 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 可维护性差，埋地管线分布广，特别是石油管道等野外器件，不可能 进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。 ( 5 ) 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。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章开关电源基本原理及c a n 总线技术基础 2 1 开关电源的基本原理 2 1 1 开关电源的基本概念 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，用于交流一直流或者直流一直流电能变换，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。开关电源的这一技术特点使得它具有下面两个突出的优点： ( 1 ) 效率高采用占空比控制的开关电路，在理想情况下，只进行能量的变换而 没有损耗。虽然实际上，由于开关器件存在通态压降、断态漏电流、开关损耗 等非理想因素，存在一些损耗，但总的效率还是能够达到8 5 9 8 ，远远高于 其他的线性电源和相控电源。 r 体积小、重量轻开关电源一般采用较高频率，这样电路中的电感、电容等 滤波元件和变压器体积都大大减小。所以在同等功率i - ，开关电源的体积要远 远小于其他的线性电源和相控电源。 图2 - 1 开关电源原理图 2 1 2 开关电源存在的问题及研究重点 1 1 开关电源存在的问题 开关电源发展到今天，己经有了很多成功的应用，但开关电源技术还没有达到 尽善尽美的地步，就目前的发展状况而言，存在以下几个主要问题： ( 1 ) 开关过程中的损耗限制了开关频率的进一步提高。 ( 2 ) 开关时产生的电磁噪声和输入电流中的谐波造成对环境的电磁污染。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 可控制的精度和快速性有待进一步提高。 ( 4 ) 结构复杂，设计和生产需要较高的技术支持，降低成本提高可靠性有一定 难度。 开关电源研究的重点 针对上面的问题，开关电源现在研究的重点是： ( 1 ) 开关技术，用以解决开关损耗和开关噪声问题。 ( 2 、功率因数校正技术，用以解决整流电路输入谐波问题。 ( 3 ) 电流模式控制技术，用以提高开关电源的控制性能。 ( 4 1 仿真技术和集成制造技术，用以解决开关电源产品开发和生产中的问题。 2 2 开关电源的系统设计原理 本设计中采用新型大功率器件v m o s f e t 管和p w m 技术并采用半桥结构 研制新型的开关电源，具有体积小，效率高，噪音低，精度高，成本低等优点。 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， 功率单元的电路结构图如图2 2 所示。 功率转换电路由高频变压器、整流滤波电路、主开关器件及其驱动电路等 组成。主开关器件选用驱动功耗小、开关速度快而且不会二次击穿的v m o s f i s t 管，并采用抗干扰能力强的变压器耦合的方式进行驱动。输出滤波电路中由电 感、电阻和电容组成，使输出的直流电压更平滑，同时减小了纹波系数。而且 系统还采用合闸控制电路控制系统合闸瞬间产生的浪涌冲击电流对系统的影 响。 图2 - 2 功率单元结构图 6 武汉理丁大学硕士学位论文 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 v m o s f e t 管的栅极提供可靠的电压驱动信号，并且脉宽可调。本设计中采用 电压模式的p w m 控制器s g 3 5 2 5 a 来实现这个功能的。p w m 控制器为 s g 3 5 2 5 a ，双通道输出，每一通道的驱动电流最大值达5 0 0 m a ，能够直接驱动 功率m o s 管，其工作频率高达4 0 0 k h z ，还具有欠压切断、可编程软启动等特 点。 图2 _ 3 控制电路原理图 控制电路中采用了反馈网络，当实际电位绝对值比给定值高时，控制电路 便会自动降低脉宽输出；反之亦然，最终使给定的电位保持恒定。另外，以 s g 3 5 2 5 a 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 证仪器长时间安全可靠地运行。 2 2c a n 总线技术基础 2 2 1c a n 概述 c a n ，全称为“c o n t r o l l e r a r e a n c t w o f k ”，即控制器局域网，是国际上应用 最广泛的现场总线之一。起先，c a n 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯， 在车载各电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动 机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入c a n 控制装 置。c a n 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， 7 武汉理j 二人学硕士学位论文 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1o k m 时，c a n 仍可提供高达s k b i t s 的数据传输速率。 为促进c a n 以及c a n 协议的发展，1 9 9 2 在欧洲成立了c l a ( c a n i n a u t o m a t i o n ) 。在c i a 的努力推广下，c a n 技术在汽车电控制系统、电梯控制 系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的 应用。现己有4 0 0 多家公司加入了c i a c i a 己经为全球应用c a n 技术的权威。 ( 1 1c a nb u s 的主要特点 低成本： 极高的总线利用率； 很远的数据传输距离( 长达1o k r a ) ； 高速的数据传输速率( 高达1m b i t s ) ； 可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文： 可靠的错误处理和检错机制： 发送的信息遭到破坏后，可自动重发： 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；报文不包含源地址或目 标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。 在c a n 中应用的元器件包括m c u ( 集成c a n 的微处理器1 、c a n c o n t r o l l e r ( c a n 控制器) 、c a nt r a n c e i v e r s ( c a n 收发器) 、l i nt r a n c e i v e r s ( l i n 收发器) 四类。p h i l i p s 现己提供：集成c a n 的微处理器p 8 7 c 5 9 1 、独立的c a n 控制器s j a l 0 0 0 ，c a n 收发器p c a 8 2 c 2 5 0 ，p c a 8 2 c 2 5 1 、高速容错c a n 收发 器t j a l 0 5 0 ，t j a l 0 5 4 、t j a1 0 4 0 、t j a l 0 4 1 等。 ( 2 ) 电路设计概述 从c 8 0 5 1 f 0 2 0 输出的数据直接进入c a n 控制器，在收发器与控制器之间采 用高速光藕来实现它们之间的电气隔离，保护控制系统电路，最后收发器和c a n 协议控制器连接，这样就实现了c 8 0 5 1 f 0 2 0 与c a n 的通信。 硬件设计框图如图所示。 图2 - 4c a n 通讯接口电路硬件设计框图 8 武汉理工大学硕士学位论文 电路特点 可与应用广泛的c 5 1 系列单片机直接接口，电路简单，使用方便； 。采用d c d c 模块与光电隔离器件，可抑制电磁干扰，保护系统电路不受 网络影响； 2 线式通讯，各总线节点需自备电源供应； 根据通讯速率调整斜率电阻r 3 3 的值，一般在1 6 k - 1 4 0 k 之间。 元件选型 c a n 控制器采用p h i l i p s 的s j a l 0 0 0 ，工作于b a s i c c a n 模式或p e l i c a n 模式下，可直接与i n t e l 的c 5 1 核m c u 或m o t o r o l a 的m c u 接口：c a n 收发器采用p h i l i p s 的p 8 2 c 2 5 0 2 5 1 ，可以在低至s k b p s 的传输速率下工作，满 足远距离传输数据时的低速率要求：采用高速光偶来实现收发器与控制器之间的 电气隔离，保护控制系统电路。光偶选择高速器件，推荐型号：6 n 1 3 7 ，以满足 在最高速率im b p s 下的电气响应。 2 2 2c a n 总线的特性 a n 技术规范2 0 b 遵循i s o ，o s i 标准模型，分为逻辑链路层和物理层。其 物理层包括位编码解码、位定时及同步等内容，但对总线媒体装黉，诸如驱动 器接收器特性未作规定，以便在具体应用中进行优化设计。在1 9 9 3 年形成的国 际标准工s 0 1 1 8 9 8 中对基于双绞线的c a n 总线媒体装置特性作了建议【1 6 】： 连接于总线的每个节点称为电子控制装置( e c u ) 。总线每个末端均接有以 r l 表示抑制反射的终端负载电阻，而位于e c u 内部r l 应予取消。总线驱动器 采用单线上拉、单线下拉或双绞线驱动，接收采用差分比较器。 若所有e c u 的晶体管均被关闭，则总线处于隐性状态。此时总线平均电压 由具有高内阻的每个e c u 电压源产生。图2 9 示出了确定接收操作基准的电阻 网络。 若成对晶体管至少有一个被接通，则显位被送至总线，它产生流过终端电 阻的电流，使总线的两条线之间产生电压差。 为了保证系统能够可靠工作并提高抗干扰能力，电路中采用隔离型d c d c 模块向收发器电路供电，推荐采用定电压输入隔离非稳压单输出型d c d c 模块， 隔离电压 = i 0 0 0 v d c 。 s j a1 0 0 0 是一款独立的控制器，用于汽车和一般工业环境中的控制器局域 网络( c a n ) 。它是p h i l i p s 半导体p c a 8 2 c 2 0 0c a n 控$ 1 j ：器r ( b a s i c c a n ) 的替代产 9 武汉理工大学硕士学位论文 品。而且，它增加了一种新的工作模式( p e l i c a n ) ，这种模式支持具有很多新特 性的 1 1 c a n2 0 b 协议。 ( 1 ) 特点 和p c a 8 2 c 2 0 0 独立c a n 控制器引脚兼容； 和p c a 8 2 c 2 0 0 独立c a n 控制器电气兼容； p c a 8 2 c 2 0 0 模式( 即默认的b a s i c c a n 模式) ； 扩展的接收缓冲器r ( 6 4 字节、先进先出f i f o ) ； 同时支持1 1 位和2 9 位识别码； 位速率可达1m b i t s s ； p e i i c a n 模式扩展功能： 可读，写访问的错误计数器 可编程的错误报警限制 最近一次错误代码寄存器 对每一个c a n 总线错误的中断 具体控制位控制的仲裁丢失中断 单次发送( 无重发) 只听模式( 无应答、无主动的出错标志) 支持热插拔( 软件实现的位速率检测) 验收滤波器扩展( 4 字节代码，4 字节屏蔽) 自身信息接收( 自接收请求) ”2 4 m h z 时钟频率： 对不同微处理器的接口： 可编程的c a n 输出驱动器配置： 增强的环境温度范围( 4 0 - + 1 25o c ) o 接口管理逻辑( ( i m l ) 接口管理逻辑解释来自c p u 的命令，控制c a n 寄存器的寻址，向主控制 器提供中断信息和状态信息。 发送缓冲器( r r ) 发送缓冲器是c p u 和b s p ( 位流处理器) 之间的接口，能够存储发送到c a n 网络上的完整信息缓冲器长1 3 个字节，由c p u 写入，b s p 读出。 接收缓冲器( r x br x f i f o ) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 接收缓冲器是验收滤波器和c p u 之间的接口，用来储存从c a n 总线上接 收和接收的信息。接收缓冲器( r x b ， 1 3 个字节) 作为接收f i f o ( r x f i f o ，长 6 4 ) 字节的一个窗白，可被c p u 访问。c p u 在此f i f o 的支持下，可以在处理信 息的时候接收其它信息。 验收滤波器( a c f ) 验收滤波器把它其中的数据和接收的识别码的内容相比较，以决定是否接 收信息。在纯粹的接收测试中，所有的信息都保存在r x f i f o 中。 位流处理器( b s p ) 位流处理器是一个在发送缓冲器r x f i f o 和c a n 总线之间控制数据流的程 序装置。它还在c a n 总线上执行错误检测，仲裁，填充和错误处理。 位时序逻辑( ( b t l ) 位时序逻辑监视串口的c a n 总线和处理与总线有关的位时序。它在信息开 头弱势一支配的总线传输时同步c a n 总线位流( 硬同步) ，接收信息时再次同步 下一次传送( 软同步) 。b t l 还提供了可编程的时间段来补偿传播延迟时间，相位 转换9 例如由于振荡漂移) 和定义采样点和一位时间内的采样次数。 错误管理逻辑( ( e m l ) e m l 负责传送层模块的错误管制。它接收b s p 的出错报告，通知b s p 和 i m l 进行错误统计。 2 ) p c 8 2 c 2 5 0 简介 p c a 8 2 c 2 5 0 是c a n 协议控制器和物理总线之间的接口，该器件对总线提供 差动发送能力并对c a n 控制器提供差动额接收能力。由于它的经济实用性，所 以选择它为收发器。 ( 1 ) 特性 和“i s 0 1 1 8 9 8 ”标准完全兼容： 高速( 可达1m b i t s ) ； 在汽车环境中，对总线提供瞬变保护： 斜率控制以降低射频干扰( r f d ； 差动接收器具有宽共模范围，有很强的抗电磁干扰( e m i ) 的能力； 热保护： 对电源和地的短路保护； 低电流待机模式； 一个未供电的节点不会干扰总线； 1 1 武汉理工人学硕士学位论文 至少可挂1 1 0 个节点。 ( 2 ) 功能描述 p c a 8 2 c 2 5 0 是c a n 协议控制器和物理总线间的接口，它主要是为汽车中高 速通讯( 高达1m b p s ) 应用而设计。此器件对总线提供差动发送能力，对c a n 控 制器提供差动接收能力，完全符合“i s 0 1 1 8 9 8 ”标准。 一个限流电路可防止发送输出级对电池电压的正端和负端短路。虽然在这 种故障条件出现时，功耗将增加，但这种特性可以阻止发送器输出级的破坏。 在节点温度大约超过1 6 0 时，两个发送器输出端的极限电流将减少。由于发送 器是功耗的主要部分，因此芯片温度会迅速降低。i c 的其他所有部分将继续工 作。当总线短路时，热保护十分重要。c a n h ， c a n l 两条线也防止在汽车环 境下可能发生的电气瞬变现象。管脚8 ( r s ) 允许选择三种不同的工作模式：高速、 待机、斜率控制。在高速工作模式下，发送器输出级晶体管将以尽可能快的速 度打开、关闭。在这种模式下，不采取任何措施用于限制上升斜率和下降斜率。 建议使用屏蔽电缆以避免射频千扰r f i 问题。通过把管脚8 接地可选择高速模 式。对于较低速度或较短总线长度，可使用非屏蔽双绞线或平行线作为总线。 为降低射频干扰r f i ，应限制上升斜率和下降斜率。上升斜率和下降斜率可通过 由管脚8 接至地的连接电阻进行控制。斜率正比于管脚8 的电流输出。如果高 电平被接至管脚8 ，则电路进入低电流待机模式。在这种模式下，发送器被关闭， 而接收器转至低电流。若在总线上检测到显性位( 差动总线电i k , 0 9 v ) ，r x d 将 变为低电平。微控制器应将收发器转回至正常工作状态( 通过管脚8 ) ，以对此信 号作出响应。由于处在待机方式下，接收器是慢速的，因此，第一个报文将被 丢失。在c a n 控制接口中，要使s j a l 0 0 0 正常工作，必须先对其作初始化，这 是一个重点。对s j a1 0 0 0 的操作是由读写其片内的控制寄存器实现的。待s j a 1 0 0 0 硬件复位完成后，单片机就可以初始化s j a l 0 0 0 。 这罩s j a l 0 0 0 的首地址是0 0 0 0 h 。只有s j a l 0 0 0 进入复位工作模式，才可 以初始化相应的寄存器。时钟分频寄存器( ( c d r ) 设定值为4 0 h ，表示选b a s i c c a n 工作模式，忽略c a n 输入比较器和不用t x l 输出做专用接收中断输出。接收代 码寄存器( a c r ) 和接收屏蔽寄存器( a m r ) 组成接收过滤器，接收代码位 ( a c 7 a c 0 ) 接收屏蔽位( a m 7 - a m 0 ) 和信息识别码的八位( ( i d 1 0 i d 3 ) 满足下 述方程，该信息才会被接收：总线时序寄存器0 ( b t r o ) 可决定波特率预置值和同 步跳转宽度的值，b t r o = 01 h 表示波特率设为2 5 0 k b p s ( 用1 6 m 晶振) 。总线时 序寄存器i ( b t r l ) 决定位周期宽度，采样点位置和在每个采样点的采样次数。系 武汉理工人学硕士学位论文 统中各节点的b t r o ，b t r l 应设为相同，否则不能互相通信。输出控制寄存器 o c r 决定了不同输出驱动配置的建立。设置完这些寄存器后，要将s j a l 0 0 0 设 为正常工作模式，并按需要使能其相应的中断位。 c a n 总线所具有的独特优势吸引了众多芯片生产厂家参与到c a n 总线相 关产品的生产开发中，进一步促进了c a n 总线技术的推广和应用。目前c a n 总线通信芯片的生产厂家很多，其产品可以分为以下几类【1 6 1 ： ( 1 ) c a n 控制器：i n t e l 公司的8 2 5 2 6 ，8 2 5 2 7 ；p h i l i p s 公司的8 2 c 2 0 0 ， s j a l 0 0 0 ，t j a l 0 0 0 ( 2 ) 集成c a n 通信控制器的微控制器和d s p ：p h i l i p s 公司的8 x c 5 9 2 ， 8 x c e 5 9 8 t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 x x 系列定点d s p ； ( 3 ) c a n 总线收发器：p h i l i p s 公司的8 2 c 2 5 0 ；s j a l 0 0 0 是目前国内得到广 泛应用的c a n 控制器。它是具有存储器接口的大规模可编程芯片，同时兼容i n t e l 和m o t o r o l a 两种微控制器接口。 后续章节将对监控系统的c a n 总线网络适配器和远程测量单元的设计进行 了详细介绍。其中c a n 通信电路部分的设计即以上两种集成芯片构成的典型电 路，并采用瞬态保护二极管加强通信电路的保护功能，提高可靠性。 2 3 本章小结 本章分析系统设计的两个重要的技术环节。首先是现场器件一防腐开关电 源，其处于整个系统的最前端，在监控节点的监测控制下，通过功率部分和控 制部分控制电压输出，产生良好的阴极保护效果。其次是通讯部分c a n 总线， 其具有诸多优点，能可靠高效的传输数据，将上位机和下位机紧密地结合起来， 完成整个数据传输工作。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统整体设计的关键技术 3 1 系统需求分析和方案设计 本项目是针对新型智能开关电源的监控系统，其研发背景是在分布较广的埋 地管线中，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。 以及实现对电源模块工作状态的远程控制和实时监测，满足用户对整条管线开 关电源的集中管理的需求。本项目达到的目标不但要实现远程监控的功能，还 要充分考虑到实际的现场环境，提高整个系统的稳定性、可靠性、集成化和开 放性，以及在数据处理速度和通讯效率上获得较大的提高。 3 1 1 监控系统的方案 阴极保护技术简单地说就是测量被保护电位( 即管地电位) ，根据其大小变 化，调节补偿保护电流大小，起到对金属构件的开关作用。而开关电源是阴极 保护系统中最核心的设备。开关电源本身就是高频开关电源，本项目针对的是 新型开关电源，其采用新型大功率器件v m o s f e t 、p m w 技术，能进行恒电位、 恒电流输出控制，并对过电流、过电压、雷击等破坏状态采取保护。 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 图3 - 1 现场信号示意图 由此可见，管地电位、输出电流、控制电压和电流作为整个系统的现场参 数，能如实有效地反映现场开关电源的工作情况，系统在此基础上能得到准确 信息，产生迅速有效的控制效果。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 2 监控系统设计原则 1 1 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”。另外系 统应有量程自动切换、测量方式选择、自动调零等各种功能。软件上应有数字 滤波、非线性修正等数据处理能力。 2 1 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， 做到即插即用。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c a n 总线的优点， 严格按照c a n 总线协议进行通信模块开发，方便用户联网组态。 3 ) 提高系统检测精度。检测精度高低是衡量监控系统研发成功与否的一个 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。 4 ) 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，在硬件设计上应有电 源监视、掉电保护功能和自诊断功能，软件设计上必须采取容错、滤波等抗干 扰措施，硬件电路上必须全方位考虑光电隔离等。 5 ) 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。另外，降低成本，除了考虑硬件成本，还应考虑研制成本和使用维 护成本。因此，在系统开发时应尽量选用成熟的理论和方法，提高系统开发一 次性成功的概率，缩短研发周期，降低研制成本。 6 ) 易操作性、易维护性。系统应具有友好的操作界面和美观的操作面板， 降低对操作人员的要求，使操作人员可根据操作说明书就能顺利操作；同时系 统应具有良好的维护性，在仪表系统出现故障时，应能及时排除故障。 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 3 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( 1 0 i i l v 5 v ) ，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： 1 1 根据现场信号特点选择合适的滤波方式： 2 1 能进行零点自校准； 3 ) 能存储一定时间的现场数据； 4 ) 能实现现场信号的显示； 5 ) 能完成双极性电压电流信号的输入： 6 ) 可以由用户设置不同的工作方式； 7 ) 能进行短路空载的监测； 8 ) 能高效准确传输数据； 9 ) 能自动进行量程切换： 3 1 4 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。同时我们应尽量精简监控项目，可要可不要的监控内容应尽 可能取消以节约投资，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，采用开关量控和反馈电压控制现场电源的工作，并且对紧急状态 及时报警。 在考虑系统总