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案例頻道1 引言
電子負載監控系統相當于整個功率模擬電子負載系統的綜合管理平臺，完成對整個電子負載系統的性能監視和運行控制，承擔著系統各部分運行性能的監測、故障報警、狀態控制等任務。單元控制器則是整個電子負載監控系統中聯系電子負載模塊和監控上位機的橋梁，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控系統單元控制器的硬件電路設計、通信規則和軟件實現。
2 基于CAN總線監控系統整體結構
電子負載監控系統是一個基于CAN總線的兩級結構的通訊網絡，整個系統的結構如圖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控。監控上位機確定整個系統的控制策略，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 網的一個子節點。監控上位機通過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 網的一個子節點。
在整個監控系統中，單元控制器同時作為上層Top-CAN BUS網的子節點和下層Bot-CAN BUS網的主節點，是連接兩層CAN網絡的樞紐。監控上位機通過單元控制器實現對各個電子負載單元的監控。
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協議，可以工作在標準模式和擴展模式，內置6個郵箱完成數據收發，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,這樣可以實現系統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網聯系的橋梁，需要兩個CAN BUS節點的接口。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和收發器PCA82C250的方式來實現。[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的數據線D0-D7作為CAN的地址、數據復用線，采用TMS320LF2407的數據線選擇CAN的內部端口和傳送數據。
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的數據線改為適應CAN控制器的數據地址線。將TMS320LF2407的A0作為地址數據選擇線，A0＝1時，地址有效；A0＝0時，數據有效。即用奇數地址選擇端口，用偶數地址傳送數據。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，實現總線上各CAN節點間的電氣隔離。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應用層通訊協議及其軟件實現
4.1電子負載監控系統中，監控上位機與單元控制器之間所采用的部分CAN應用層協議如下：
l 用一組相互獨立的固定數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，每隔一定時間向監控上位機發送常規通訊幀，監控上位機接收到數據后返回確認信號，即可判斷各個電子負載模塊的存在狀態。
l 單元控制器接收到監控上位機發布的指令，執行之后返回確認信號。
l 監控上位機發送數據請求指令，單元控制器隨即發送數據，每種類型的數據均采用固定格式。
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控系統中，按照預先設定的CAN應用層通訊協議，取得了良好的監控效果。在信息量較大和現場環境復雜的情況下，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