基于CAN總線的并聯逆變電源通信監控系統研究

摘? 要： 在分析TMS320C2000系列芯片中內嵌CAN控制器特點的基礎上，設計了一種基于LF2407A內置CAN總線模塊的逆變電源并聯系統，實現了對并聯逆變器模塊運行的實時通信監控。給出了CAN總線接口硬件設計、通信監控軟件功能及工作過程。
關鍵詞： CAN總線? DSP? 逆變電源? 并聯

　　逆變電源的模塊化并聯運行可大大提高系統的靈活性，打破逆變電源在功率等級上的限制，用戶可根據需要組合系統的功率，同時便于實現冗余設計，因而具有高可靠性和易于大功率化的優點。并聯逆變電源通信監控技術的研究是交流電源系統從傳統的集中式供電向分布式供電乃至智能電源系統供電模式發展過程中必須解決的一個課題[1]。本文介紹一種基于CAN現場總線的并聯逆變電源通信監控系統。系統充分利用TI公司TMS320LF2407A DSP芯片的內部資源，通過CAN總線從各并聯模塊獲取并解析現場控制數據，響應現場強實時性操作，實現對模塊工作的調度監控，具有結構簡潔、擴容方便及可靠性高的優點。
1? 系統組成
1.1 系統網絡結構
　　系統組成如圖1所示。系統由監控主機、并聯電源模塊和CAN總線構成。逆變電源模塊主要由PWM逆變器、DSP控制器、信號采樣和負載均流以及通信控制等部分構成，選用TMS320LF2407A(DSP)作為控制核心。DSP根據反饋電壓、電流值與設定值差控制輸出PWM脈沖，驅動逆變橋功率開關，輸出頻率、幅值、相位可調的正弦電壓。由LF2407A內嵌CAN控制器接收來自CAN總線的命令實現對并聯逆變電源模塊的控制。

　　此種拓撲結構的特點是多個網絡通信節點共用一條傳輸線，不僅信道利用率較高，而且連接簡單，成本低，系統可靠性高。信息傳輸采用CAN通信協議，傳輸介質采用雙絞線，如果需要進一步提高系統的抗干擾能力，還可以在控制器和傳輸介質之間加接光電隔離等措施。
1.2 系統主要硬件
　　硬件模塊電路如圖2所示。因LF2407A芯片本身含有內嵌式CAN控制器，所以硬件設計較為簡單，只需加一個收發器SN65HVD232D就可實現此節點與總線的接口。

　　SN65HVD232D是TI公司的CAN協議控制器和物理總線的接口芯片，符合ISO11898標準。它對總線提供差動發送能力，而對CAN控制器提供差動接收能力。終端加接120Ω匹配電阻，以保證數據通信的抗干擾能力及可靠性。
2? 軟件設計
2.1 波特率設置的編程
　　CAN總線的傳輸速率與2個節點間的最大距離有關，表1給出了CAN總線系統任意二節點間最大距離與位速率的關系。表中還同時給出LF2407A的位定時器配置寄存器BCR2和BCR1的數值。這些值的設定與LF2407A的主時鐘頻率有關。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 幀結構設計
　　按照CAN2.0規范，CAN總線上傳送的報文由3～11個字節組成，其中包含3個字節的控制字節和0～8個字節的數據字節。
　　一個有效的CAN數據幀由幀起始、仲裁域、控制域、數據域、校驗域、應答域和幀結束組成。TMS320LF2407A的CAN控制器支持2種不同的幀格式：標準幀和擴展幀。它們主要區別在于仲裁域格式不同，標準幀仲裁域由11位標識符和遠程發送請求位RTR組成；擴展幀仲裁域則由29位標示符和替代遠程請求位SRR位、標志位和遠程發送請求位RTR組成，如圖3所示。

　　標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先權時都要用到。
　　遠程發送請求位(RTR)用來確定是發送數據幀還是遠程幀。當RTR為高電平時，CAN控制器發送遠程幀；為低電平時則發送數據幀。
　　數據長度碼(DLC)用來確定每幀要發送的數據字節數，最多為8個字節。
　　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 程序流程設計
　　主從控制是一種較為成熟的逆變電源并聯控制方法，本設計采用爭主主從控制策略實現對并聯逆變電源系統的通信監控。
　　若設置郵箱3為發送非廣播郵箱，郵箱2為接收非廣播信息郵箱，郵箱4為發送廣播的郵箱，郵箱0為接收廣播的郵箱。則信息接收和發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，整個通信系統主要分為一個主節點和多個子節點。其中每個子節點都會用到郵箱4，在一定的時間間隔定期以廣播的形式向總線發送爭主請求，以探測主節點是否工作正常。如果工作正常，主節點便會發送反對爭主請求的響應，并且此響應也是在總線上以廣播的形式發送。所以網絡上每個節點都會收到爭主請求和反對爭主請求響應。郵箱0的功能就是接收并區分這2種信息，并判斷自身的地位，決定是否利用郵箱4發送反對爭主請求。郵箱2的主要功能是接收主節點的控制信息，并且通知郵箱3發送響應的響應信息。
　　圖5較為詳細地給出了信息發送流程。用DSP匯編指令編寫的本系統CAN通信爭主部分程序清單如下。
　　LDP??#DP_CAN
　　SPLK?#0040H，TCR?；郵箱4發送爭主請求
　　LDP??#DP_PF2
　　LAR??AR7，#4H
　　LDP??#DP_CAN
　　MAR?*，AR4??；發送次數
　　LAR??AR4，#0FFFFH
W_TA5：?LDP??#6
　　SBRK?#01H
　　SAR??AR4，30H
　　LACL?30H
　　BCND?W_TA7，EQ
　　LDP??#DP_CAN
　　BIT??TCR，1??；等待發送應答
　　BCND?W_TA5，NTC
　　SPLK?#4000H，TCR
　　LDP??#DP_CAN
MAR?*，AR4；發送次數
　　LAR??AR4，#0FFFFH
W_TA7：?LDP??#DP_CAN
　　MAR*，AR4??；發送次數
　　LAR??AR4，#0FFFFH
W_TA6：?LDP??#6
　　SBRK?#01H
　　SAR??AR4，30H
　　LACL?30H
BCND W_TA9，EQ；寫郵箱內容，配置參數給定
　　LDP??#DP_USER
　　BIT??CAN_FLAG1，BIT0；判斷是否接到反對主節點申請的響應
　　BCND?W_TA6，NTC；若沒有反對，則修改郵箱4的ID1、ID0，為10時表示此節點為主節點
　　LDP??#DP_USER
　　SPLK?#00H，CAN_FLAG1
　　LDP??#DP_CAN
SPLK #4000H，TCR；清TA4和MIF4
　　CALL?LOOP11??；郵箱3發送數據
　　利用現場總線控制技術可以方便地構建分布式逆變電源局域控制網，使電源系統具有現場網絡控制系統(FCS)的特征。該方法不僅繼承了集散控制系統（DCS）的優點，且集數字通信、智能網絡控制于一身。本文所介紹的系統不僅使逆變電源并聯連接簡潔，同時為各模塊提供了穩定可靠的數據通信，實現了系統參數設定、并聯逆變電源模塊的靜態均流和模塊爭主等控制功能，且系統結構簡單，運行可靠。