張坤鰲

(西安科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西西安 710054)

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基于CAN總線的高壓變頻系統(tǒng)的應(yīng)用研究

張坤鰲

(西安科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西西安 710054)

數(shù)據(jù)交換是基于多片DSP高壓變頻系統(tǒng)的開發(fā)難點(diǎn)之一。文中提出了高壓變頻控制器多片DSP數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開發(fā)了基于CAN總線的通訊接口電路和應(yīng)用軟件。硬件部分采用光通訊技術(shù)，提高通訊系統(tǒng)抗干擾能力；軟件部分，通過(guò)建立不同DSP收發(fā)機(jī)制、錯(cuò)誤處理機(jī)制和中斷管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多片DSP數(shù)據(jù)交換和分工協(xié)作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 Mbit/s，穩(wěn)定可靠，可以很好滿足使用要求。

CAN總線；變頻控制；數(shù)據(jù)傳輸；穩(wěn)定可靠

0 引言

新型高壓變頻器控制系統(tǒng)主要由核心板DSP與功率單元DSP組成。核心板主要由1片主DSP和3片從DSP組成。主DSP完成整個(gè)控制數(shù)據(jù)采集與處理，并向從DSP下發(fā)控制信息；而從DSP主要作用為收集功率單元狀態(tài)與故障信息，上傳給主DSP，同時(shí)也向功率單元轉(zhuǎn)發(fā)主DSP對(duì)功控制信息。

在該類高壓變頻系統(tǒng)工作時(shí)，主DSP之間，從DSP與功率單元DSP交換大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)交換具有突發(fā)性、實(shí)時(shí)性，普通通訊協(xié)議難以滿足使用要求。

CAN總線一種高性能標(biāo)準(zhǔn)總線通訊技術(shù)，采用該技術(shù)的高壓變頻器，可以將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成分布式結(jié)構(gòu)，核心DSP只需要和3個(gè)從DSP通訊，不需要和18個(gè)功率單元通訊，大大減輕核心板DSP的負(fù)擔(dān)，而從DSP接收主DSP計(jì)算數(shù)據(jù)和多個(gè)功率單元的故障信息、狀態(tài)信息，然后將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給功率單元和主DSP，實(shí)現(xiàn)功能分散，提高了整個(gè)系統(tǒng)可靠性。因此，探討CAN總線在高壓變頻系統(tǒng)的應(yīng)用具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 變頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

新型變頻控制系統(tǒng)由2部分組成：核心控制器和功率單元控制器。整個(gè)變頻控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。完全采用分層分布式結(jié)構(gòu)，兩層CAN總線網(wǎng)絡(luò)，頂層總線實(shí)現(xiàn)DSP主從芯片聯(lián)網(wǎng)[1]，作為脈沖的脈寬度、頻率信號(hào)輸通道，而底層總線則將功率逆變單元連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)信號(hào)傳輸。兩層DSP控制芯片，即一個(gè)中心控制主DSP作為頂層控制芯片，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)計(jì)算與協(xié)調(diào)控制；3片從DSP作為底層控制芯片，負(fù)責(zé)與6個(gè)功率單元數(shù)據(jù)通信，完成逆變裝置故障信號(hào)收集和上傳與功率單元信息向主DSP傳遞和DSP的計(jì)算控制信息下傳到功率單元[2]?？紤]到電氣絕緣與干擾問(wèn)題，底層總線傳輸信號(hào)均采用光信號(hào)形式傳輸[3]。

圖1 系統(tǒng)的控制部分框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖2，由于TMS320F28335芯片自帶2路CAN總線通訊接口模塊，CAN驅(qū)動(dòng)芯片選用SN65HVD320驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片專為采用CAN 通信的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，最高可達(dá)1 Mbit/s的高速收發(fā)率，至少可以連接110 個(gè)節(jié)點(diǎn)。頂層CAN總線實(shí)現(xiàn)主DSP與從DSP互聯(lián)[4]。底層CAN總線為了避免外部干擾，采用激光傳輸信號(hào)，經(jīng)光纖接收器HFBR-2521轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò) SN65HVD320轉(zhuǎn)換為從DSP可以接收信號(hào)[5-6]。反之，則用HFBR-2522轉(zhuǎn)化為光信號(hào)傳輸。

圖2 變頻系統(tǒng)通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 通訊軟件開發(fā)

3.1 應(yīng)用層協(xié)議定制

CAN接口只集成了ISO參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，沒(méi)有規(guī)定應(yīng)用層。物理層負(fù)責(zé)物理信號(hào)傳輸、譯碼、位時(shí)序和位同步等功能。數(shù)據(jù)鏈路層又可劃分邏輯鏈路控制子層LLC與媒體介質(zhì)控制子層MAC。LLC有3個(gè)作用，即為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求以及數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)；確定LLC子層接收的報(bào)文哪些被實(shí)際驗(yàn)收；為恢復(fù)管理和過(guò)載提供信息。MAC控制幀的結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤標(biāo)定、錯(cuò)誤界定。

為了完成數(shù)據(jù)傳輸，用戶需要定義應(yīng)用層。CAN應(yīng)用層是上層和底層接口，涵蓋了ISO的應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層作用，主要由4部分組成：數(shù)據(jù)表示機(jī)制、回話機(jī)制、錯(cuò)誤處理機(jī)制和中斷管理機(jī)制。由于主DSP需要向從DSP傳輸脈沖基波頻率、相位、幅值、載頻、故障封鎖等信號(hào)，為了便于解析數(shù)據(jù)，還需要增加幀標(biāo)識(shí)編號(hào)、通訊錯(cuò)誤編號(hào)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、冗余校驗(yàn)碼，每種數(shù)據(jù)占用2字節(jié)，因此，收發(fā)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于CAN協(xié)議，采用8個(gè)字節(jié)短幀長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)發(fā)送前需要打包，接收后需要解包。需要在內(nèi)存中創(chuàng)建收發(fā)緩沖隊(duì)列。數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程內(nèi)容為：發(fā)送數(shù)據(jù)打包、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、解包，錯(cuò)誤處理，限于篇幅，暫不論述錯(cuò)誤處理，先論述數(shù)據(jù)打包發(fā)送機(jī)制和數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)還原機(jī)制。

為了節(jié)約內(nèi)存和提高數(shù)據(jù)傳輸速度，發(fā)送打包機(jī)制主要作用是在底層開辟一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，將CPU要發(fā)送的數(shù)據(jù)接過(guò)來(lái)，按照應(yīng)用層協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式將數(shù)據(jù)幀順序放入內(nèi)存緩沖區(qū)，內(nèi)存緩沖區(qū)采用循環(huán)隊(duì)列的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，設(shè)置一對(duì)頭指針與隊(duì)尾指針，先放入內(nèi)存數(shù)據(jù)先發(fā)送。每向隊(duì)列插入小包數(shù)據(jù)，循環(huán)隊(duì)列的尾指針加1；每成功發(fā)送完小包數(shù)據(jù)，循環(huán)隊(duì)列的頭指針減1。當(dāng)頭指針和尾指針相等時(shí)，隊(duì)列處于空狀態(tài)，禁止數(shù)據(jù)發(fā)送，但可以向隊(duì)列插入數(shù)據(jù)。當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)禁止插入數(shù)據(jù)，可以發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)隊(duì)列介于空和滿狀態(tài)時(shí)，可以發(fā)送數(shù)據(jù)和向隊(duì)列中插入數(shù)據(jù)。

隊(duì)列空和滿的判斷方法是：當(dāng)隊(duì)列尾指針減去頭指針加1，再加隊(duì)列最大長(zhǎng)度的和，能整除隊(duì)列最大長(zhǎng)度時(shí)，隊(duì)列處于滿的狀態(tài)。當(dāng)隊(duì)列頭指針等于尾指針時(shí)，對(duì)列為空。不符合上述兩種情況，則隊(duì)列不空也不滿。

發(fā)送循環(huán)隊(duì)列的管理單位為幀，每次操作都是15個(gè)字節(jié)為單位。

打小包函數(shù)的流程圖如圖3所示。當(dāng)CPU有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，調(diào)用打小包函數(shù)，按照協(xié)議規(guī)定的格式將發(fā)送信息按照CAN數(shù)據(jù)鏈路層ID的格式，將數(shù)據(jù)組裝成符合應(yīng)用層協(xié)議所規(guī)定的數(shù)據(jù)幀(小包)，然后插入到隊(duì)列中，修改隊(duì)列尾指針。

圖3 應(yīng)用層數(shù)據(jù)打包

CAN接收還原機(jī)制也需要在內(nèi)存中創(chuàng)建接收緩沖區(qū)隊(duì)列，該隊(duì)列可以存放多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文，因此需要設(shè)置隊(duì)列頭指針和尾指針，新接收數(shù)據(jù)報(bào)文頭指針和新接收數(shù)據(jù)報(bào)文插入數(shù)據(jù)指針。在收到完整的數(shù)據(jù)報(bào)文后，將數(shù)據(jù)從CAN總線上接收下來(lái)，先插入隊(duì)列，并修改接收?qǐng)?bào)文插入指針。等一個(gè)報(bào)文接收完畢后，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果錯(cuò)誤直接將數(shù)據(jù)丟棄，恢復(fù)新接收?qǐng)?bào)文指針，不修改隊(duì)列指針；如果準(zhǔn)確無(wú)誤，則修改隊(duì)列指針，修改新接收?qǐng)?bào)文頭指針，并按照通訊協(xié)議將其還原為發(fā)送前的格式，將數(shù)據(jù)插入接收隊(duì)列緩沖區(qū)，等待CPU取走。

CPU定時(shí)檢查數(shù)據(jù)接收隊(duì)列，如果隊(duì)列頭指針等于尾指針，則隊(duì)列為空，CPU不從隊(duì)列中取數(shù)據(jù)。

接收數(shù)據(jù)流程如圖4所示。如果最后數(shù)據(jù)幀成功標(biāo)志位為零，否則發(fā)送失敗，請(qǐng)求重發(fā)。

圖4 應(yīng)用層數(shù)據(jù)接收

3.2 數(shù)據(jù)鏈路層

由于系統(tǒng)是多節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，整個(gè)軟件開發(fā)包括波特率與郵箱初始化、發(fā)送接收程序編寫與中斷設(shè)置與開啟。

3.2.1 波特率與郵箱初始化計(jì)算

對(duì)郵箱中的有關(guān)寄存器進(jìn)行初始化相關(guān)計(jì)算公式如下：

Baud=SYSCLK/(BRP*Bit_time);

(1)

TQ=(BRP+1)/FCAN;

(2)

Bit time=(TSEG1+1)+(TSEG2+1)+1 ；

(3)

式中：Baud為波特率；TQ為時(shí)間單元；Bit_time為位時(shí)間；SYSCLK為系統(tǒng)時(shí)鐘；BRP為預(yù)分頻位；FCAN由系統(tǒng)時(shí)鐘分頻得來(lái)；TSEG1為相位緩沖1段；TESG2為相位緩沖2段。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，波特率設(shè)置為1 Mbit/s，總線時(shí)鐘為15 MHz，BRP為9，同步時(shí)間為1 TQ，TSEG1為11 TQ，TSEG2為3 TQ(傳播段包含在TSEG1中)。

初始化過(guò)程為：使能CAN模塊、設(shè)置PLL，配置CAN接收和發(fā)送引腳、初始化MCF寄存器、復(fù)位所有發(fā)送響應(yīng)(TA)-清除所有中斷標(biāo)志、設(shè)置Mbox0為發(fā)送郵箱、Mbox1為接收郵箱-設(shè)置發(fā)送郵箱、ID-設(shè)置MBOX0.MCF.bit.DLC為8Byte、設(shè)置接收郵箱ID與其對(duì)應(yīng)發(fā)送郵箱 ID相同、置位CCR、配置波特率(CANBTC)、清楚CCR并等待CCE=0、INT1置位、允許中斷，至此初始化完成。

3.2.2 發(fā)送信息

在做完以上初始化工作后，就可以轉(zhuǎn)入郵箱的收發(fā)程序。為使大量的數(shù)據(jù)能在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸， 在內(nèi)存設(shè)置了2個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(讀和寫2個(gè)數(shù)據(jù)區(qū))，分別用來(lái)存放要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。用郵箱發(fā)送時(shí)，將準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)從寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)寫到發(fā)送郵箱的數(shù)據(jù)區(qū)，并設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送指針，然后使能發(fā)送郵箱并設(shè)置TCR寄存器中發(fā)送請(qǐng)求位為1，發(fā)送程序放在定時(shí)中斷自動(dòng)調(diào)用。

對(duì)于TMS320F28335，當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生中斷時(shí)，將輸出緩沖區(qū)中的PWM脈寬、相位、頻率信號(hào)控制參數(shù)寫入MBOX0.MDR等郵箱中，置位CANTRS實(shí)現(xiàn)發(fā)送請(qǐng)求，發(fā)送成功后，在發(fā)送成功中斷中清除發(fā)送成功標(biāo)志；如果數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)送完畢，修改發(fā)送緩沖區(qū)隊(duì)列指針，繼續(xù)從緩沖發(fā)送隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)，裝入到郵箱中，繼續(xù)發(fā)送到發(fā)送緩沖區(qū)隊(duì)列。

3.2.3 接收信息

接收程序流程大致相同，但是由通訊程序中斷調(diào)用。

開始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)時(shí)，起動(dòng)定時(shí)器1，開始計(jì)時(shí)。在CAN總線上，每個(gè)CAN 節(jié)點(diǎn)自動(dòng)比較網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符與接收郵箱的標(biāo)識(shí)符是否相同，若相同，則接收此數(shù)據(jù)，反之，拒絕接收。數(shù)據(jù)接收成功標(biāo)志位為CANRMP，如果置位，則郵箱成功接收信息，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，通過(guò)寫1將其復(fù)位，清除中斷標(biāo)志之后，將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，準(zhǔn)備接收下次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀接收完畢后，再進(jìn)行幀校驗(yàn)子程序，根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果，再設(shè)置小包是否成功標(biāo)志，若成功，則復(fù)位定時(shí)器1，然后根據(jù)小包編號(hào)，組裝成大包數(shù)據(jù)。若不成功或收不到數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生定時(shí)器1中斷，通過(guò)該服務(wù)程序請(qǐng)求重發(fā)。如果多次接收失敗，則進(jìn)行錯(cuò)誤故障告警[7-9]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5為波特率為1 Mbit/s的CAN總線實(shí)際通訊過(guò)程的波形圖。該圖水平每格為5 μs，豎直電壓每格為1.5 V，高電平為1，低電平為0；圖6為依照CAN總線技術(shù)開發(fā)的變頻系統(tǒng)輸出的交流電壓波形，該波形為6個(gè)功率單元輸出電壓疊加波形，水平每格代表10 ms，豎直每格代表1 000 V。該波形為45 Hz、30 kW純阻性負(fù)載運(yùn)行線電壓波形圖，諧波小，由此可見(jiàn)，CAN總線技術(shù)可以很好滿足使用要求。

圖5 CAN總線波形

圖6 45 Hz、30 kW電阻負(fù)載線電壓波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了高壓變頻控制器和CAN總線通訊特點(diǎn)，并針對(duì)變頻控制器特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于CAN總線通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)論述了通訊軟件的發(fā)送數(shù)據(jù)分包發(fā)送隊(duì)列以及數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程，系統(tǒng)調(diào)試開發(fā)完成后，經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率高，可靠，可以很好滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需要。

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Application Study of High-voltage Inverter System Based on CAN Bus

ZHANG Kun-ao

(Xi’an University of Science and Technology, School of Computer Science and Technology, Xi’an 710054,china)

The data exchange is one of the most critical technology of high-voltage inverter system based on multi-chip DSP. The high voltage inverter controller multi-chip DSP data exchange system structure was first proposed in this paper, and then communication interface circuit and application software was developed based on the CAN bus. The hardware used optical communication technology to improve the communication system anti-jamming capability. Through the establishment of mechanisms for different DSP transceiver, error handling and interrupt management mechanism, the software part achieved multi-chip DSP data exchange and division of labor. The experimental results show that the method of test data transfer rates up to 1Mbit/s, it is stable and reliable, and can well meet the requirements.

CAN bus; frequency control; data transmission; stable

陜西省教育廳科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010JK664)

2015-01-29 收修改稿日期：2015-08-04

TP373

A

1002-1841(2015)10-0082-03