王蘇敬，閻兆允，郭旭剛

（中國鐵道科院研究院機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

基于LPC2294的車載電源監(jiān)控系統(tǒng)

王蘇敬，閻兆允，郭旭剛

（中國鐵道科院研究院機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

為了滿足車載電源多模塊監(jiān)控的實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性、靈活性、可靠性等需求，采用LPC2294作為監(jiān)控模塊主控芯片組建了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)帶DSP控制器的逆變電源模塊、開關(guān)電源模塊和蓄電池控制模塊通過CAN總線進(jìn)行監(jiān)控；另外監(jiān)控模塊通過工業(yè)以太網(wǎng)與PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的后臺(tái)監(jiān)控。重點(diǎn)介紹了監(jiān)控模塊的軟硬件設(shè)計(jì)及CAN總線應(yīng)用層協(xié)議的具體制定和實(shí)現(xiàn)。

監(jiān)控系統(tǒng)；CAN總線；工業(yè)以太網(wǎng)；應(yīng)用層協(xié)議

0 引言

電源系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的好壞將直接關(guān)系到整套車載系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量及安危。這決定了電源監(jiān)控系統(tǒng)必須是實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、快速響應(yīng)性都很高的大型分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它必須具有“三遙”(遙測、遙控和遙信)的基本功能，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及處理、告警的查詢分析和統(tǒng)計(jì)等功能也必不可少。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，全數(shù)字的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)代替數(shù)字與模擬混合分布式控制系統(tǒng)已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢[1]，本文采用LPC2294作為監(jiān)控模塊主控芯片組建了基于CAN總線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計(jì)了簡單實(shí)用的車載CAN總線應(yīng)用層協(xié)議；監(jiān)控模塊通過工業(yè)以太網(wǎng)與PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的后臺(tái)監(jiān)控。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，能夠滿足本系統(tǒng)的通訊要求。

1 電源監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用分級(jí)監(jiān)控的設(shè)計(jì)方案，包括逆變電源、開關(guān)電源及電池控制模塊、監(jiān)控單元、后臺(tái)終端三級(jí)設(shè)備。示意圖如圖1所示。

圖1 三級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

逆變電源、開關(guān)電源和電池控制模塊均自帶監(jiān)控板負(fù)責(zé)各自模塊的狀態(tài)監(jiān)控，是系統(tǒng)的第一級(jí)監(jiān)控。監(jiān)控單元對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)處理與車載終端及后臺(tái)終端的通信，是系統(tǒng)的第二級(jí)監(jiān)控。后臺(tái)終端用于數(shù)據(jù)配置和遠(yuǎn)程監(jiān)控，是系統(tǒng)的第三級(jí)監(jiān)控。

2 監(jiān)控單元硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控單元由主監(jiān)控板、128×64點(diǎn)陣液晶顯示屏、鍵盤及指示燈等組成，完成蓄電池充放電管理，運(yùn)行及控制參數(shù)的設(shè)定和顯示，告警記錄的存儲(chǔ)、查詢，通過以太網(wǎng)和上位機(jī)通信，通過CAN總線與逆變電源模塊、開關(guān)電源模塊和蓄電池控制通訊。通過工業(yè)以太網(wǎng)與PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)監(jiān)控。

圖2 監(jiān)控模塊的硬件結(jié)構(gòu)圖

LPC2294是一款基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的CPU，并帶有256 k字節(jié)嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。

LPC2294采用144腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、2/4路高級(jí)CAN通道、PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)的外部中斷，這款微控制器特別適合自動(dòng)化、工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和故障容限維護(hù)總線等應(yīng)用領(lǐng)域。其內(nèi)部可用GPIOs范圍為76腳（外部存儲(chǔ)區(qū)）到112腳（單片）。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其他各種類型的應(yīng)用。

2.1 監(jiān)控模塊電源設(shè)計(jì)

監(jiān)控模塊電源要給中央處理器LPC2294提供數(shù)字DC3.3V、模擬DC3.3V、數(shù)字DC1.8V和模擬DC1.8V，液晶控制器的DC5V電源，液晶背光調(diào)節(jié)器的DC12V電源，因此理想情況下電源系統(tǒng)需要提供六組獨(dú)立電源，其中兩組DC 3.3V，兩組DC 1.8V。DC5V和DC12V采用AC220V轉(zhuǎn)DC5V和DC12V開關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)；DC3.3V和DC1.8V選擇低功耗的TPS767D318電源芯片，把DC5V的標(biāo)準(zhǔn)電源電壓轉(zhuǎn)換得到最大可提供1A電流的DC3.3V和DC1.8V電源，并且得到微處理器復(fù)位信號(hào)ARMnRST；利用LC濾波電路實(shí)現(xiàn)DC3.3V和DC1.8V的數(shù)模轉(zhuǎn)換。如圖3和圖4所示。

圖3 電源電路

圖4 數(shù)模電源轉(zhuǎn)換電路

2.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

為了記錄系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)間，便于用戶查看歷史故障。在LPC2294上外接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1306，DS1306采用2.7～5V供電，系統(tǒng)上電時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘由系統(tǒng)電源供電，外接的電池電源作為后備電源，系統(tǒng)掉電以后，實(shí)時(shí)時(shí)鐘由外接的電池供電，仍能繼續(xù)計(jì)時(shí)。由于DS1306需要進(jìn)行秒、分、時(shí)的計(jì)時(shí)，因此外接一個(gè)32 768 Hz的晶振。其電路圖如圖5。

2.3 液晶鍵盤接口電路

液晶采用RT12864-2M漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，考慮到監(jiān)控的參數(shù)眾多，一屏無法全部顯示，故采用菜單式操作方法，即選擇顯示屏顯示的菜單信息，在鍵盤按下合適的功能按鍵，監(jiān)控模塊的微處理器根據(jù)按鍵送來的信息作出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。故按鍵要有數(shù)字鍵及功能鍵。液晶參數(shù)為：內(nèi)置8 192個(gè)中文漢字（16×16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8×16點(diǎn)陣）及64×256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）；配置LED背光；多種軟件功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等。

圖5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

后臺(tái)上位機(jī)程序采用C sharp(又被簡稱為“C#”)編寫，分為TCP通訊、數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)管理三個(gè)方面。顯示界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)顯示界面

3.2監(jiān)控模塊程序設(shè)計(jì)

監(jiān)控模塊程序采用C語言編制，分為數(shù)據(jù)通訊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤輸入和液晶顯示。

3.2.1 數(shù)據(jù)通訊程序設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖7所示：

監(jiān)控模塊對(duì)逆變模塊、開關(guān)電源和蓄電池管理模塊通過CAN進(jìn)行監(jiān)控，需要用到CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，目前基于CAN總線的商業(yè)協(xié)議主要有DeviceNet和CANopen兩種，但由于這兩種協(xié)議是基于通用性目的而開發(fā)的，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并非完全適合于車載電源監(jiān)控系統(tǒng)這種要求高可靠性的場合[2-3]。本文在參考其他協(xié)議的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出簡單實(shí)用的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議。

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本協(xié)議報(bào)文格式定義了CAN報(bào)文的標(biāo)識(shí)符以及數(shù)據(jù)部分的使用原則和功能含義，使網(wǎng)絡(luò)中的CAN報(bào)文組成元素有了其特定的功能和意義。

在協(xié)議中指定了數(shù)據(jù)通信中的源節(jié)點(diǎn)MAC ID和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)MAC ID，并指示了報(bào)文功能及其所要訪問的資源。報(bào)文標(biāo)識(shí)符被分為7個(gè)部分：報(bào)文優(yōu)先級(jí)（PRI）、分段傳輸標(biāo)志（SegFlag）、功能碼（FCODE）、目的MAC地址（DMAC）、源MAC地址（SMAC）、資源節(jié)點(diǎn)號(hào)（SID）以及ACK位。具體定義如表1所示。

功能碼的定義如表2所示。

3.2.2 鍵盤程序設(shè)計(jì)

鍵盤選用的是4×4鍵盤，采用掃描的方式，共占用單片機(jī)8個(gè)I/O口，4個(gè)I/O口作為行量，4個(gè)I/O口作為列量，如圖8所示。分別對(duì)列量置0，假如某一行的對(duì)應(yīng)值變0，則說明該行與列交叉的按鍵被按下。由于信息量比較大，故需要分屏顯示，按鍵的具體功能設(shè)置如下：0～9為數(shù)字鍵，具體為設(shè)置參數(shù)使用。E鍵為取消鍵，即從子菜單中返回上級(jí)目錄。F鍵為確定鍵，參數(shù)設(shè)置后按此鍵設(shè)置確定。A鍵為上移按鍵，B鍵為下移按鍵。

表1 CAN報(bào)文標(biāo)識(shí)符定義

表2 CAN報(bào)文功能碼定義

圖8 鍵盤示意圖

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

按照協(xié)議的規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)MAC編制范圍為0x00～0xFF，在本系統(tǒng)中由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，目前掛接在總線上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一共有7個(gè)，包括兩個(gè)逆變電源模塊，兩個(gè)開關(guān)電源模塊，兩個(gè)蓄電池控制和一個(gè)監(jiān)控模塊。將各節(jié)點(diǎn)MAC地址定義如表3所示。

表3 系統(tǒng)MAC編址

監(jiān)控模塊液晶顯示如圖9所示，蓄電池控制模塊參數(shù)如圖10所示。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

圖10 蓄電池控制模塊的參數(shù)

5 結(jié)論

以ARM7微處理器LPC2294為主控芯片，利用C#編寫監(jiān)控界面，結(jié)合車載電源監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)CAN總線應(yīng)用層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源狀態(tài)的顯示以及參數(shù)的設(shè)置等功能，完成了整個(gè)電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

［1］戴青云.CAN總線在逆變電源監(jiān)控中的應(yīng)用［J］.電子工程師，2007，33（1）：61-64.

［2］馬晨普.一種適合于鐵路機(jī)車車輛使用的CAN協(xié)議開發(fā)［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2005，28（4）：17-19.

［3］IEC61375-1-1999，Part 1：Train Communication Net?work［S］.

Monitoring System for Vehicle Power Supply Based on LPC2294

WANG Su-jing，YAN Zhao-yun，GUO Xu-gang
（Locomotive&Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing100081，China）

In order to meet the realtime，expansibility，flexibility and reliability requirements of the vehicle power supply multi module monitoring，the monitoring system adopts LPC2294 as the main control chip for constructing monitoring network to monitor inverter power supply module with DSP controller，switch power supply module and control module for the storage battery.In addition，through the industrial Ethernet connect the monitoring module and PC，to achieve the background monitoring.The hardware and software design of monitor module and protocol of the application layer for CAN are mainly introduced．

monitoring system；CAN bus；industrial Ethernet；protocol to the application layer

TN915.852

A

1009－9492(2014)02－0081－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.023

王蘇敬，男，1982年生，河北定興人，博士，助理研究員。研究領(lǐng)域：列車網(wǎng)絡(luò)及自動(dòng)化檢測。已發(fā)表論文10篇。

(編輯：向 飛)

2013－08－19