秦 利，張佳宇，張曉林，王大正，劉福才

(1.燕山大學(xué) 西校區(qū)工業(yè)計算機控制工程河北省重點實驗室，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 西校區(qū)電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

基于CAN總線的PFN測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

秦 利1,2，張佳宇1，張曉林1，王大正1，劉福才1

(1.燕山大學(xué) 西校區(qū)工業(yè)計算機控制工程河北省重點實驗室，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 西校區(qū)電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

為了將脈沖成形網(wǎng)絡(luò)(Pulse Forming Network,PFN)進(jìn)行模塊化集成，更靈活地實現(xiàn)電磁發(fā)射系統(tǒng)的擴(kuò)容與監(jiān)控，提出了一種基于CAN(Controller Area Network)總線的電磁發(fā)射測控系統(tǒng)實現(xiàn)方案；首先根據(jù)電磁發(fā)射裝置的具體要求和CAN總線通信協(xié)議特性，制定了CAN總線應(yīng)用層通訊協(xié)議，開發(fā)了基于Visual C# 的上位機監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控；然后通過對CAN總線節(jié)點固件程序的特殊設(shè)計及在高電壓、大電流及強磁場極端環(huán)境中的電磁兼容設(shè)計，保障了總線測控系統(tǒng)的可靠性與安全性；實驗結(jié)果表明：該測控系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、智能化等優(yōu)點，為電磁發(fā)射系統(tǒng)的模塊化集成設(shè)計提供了一條新途徑。

電磁發(fā)射；脈沖成形網(wǎng)絡(luò)；測控系統(tǒng)；CAN總線

隨著電磁發(fā)射技術(shù)與設(shè)備的不斷發(fā)展，電磁發(fā)射系統(tǒng)的容量和規(guī)模也在不斷提高與擴(kuò)大，控制系統(tǒng)也逐漸從集中式走向離散化[1-3]。傳統(tǒng)的采用集中控制方式的PFN測控系統(tǒng)，在進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)容與維護(hù)的時候需要耗費很大的人力物力。脈沖成形網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的發(fā)展也經(jīng)歷了從無到有的幾個階段。在控制器選擇方面，主要有計算機(PC、工控機等)、可編程邏輯控制器(PLC)、微處理器(MCU、DSP等)等。文獻(xiàn)[4]使用PC作為系統(tǒng)控制器，能實現(xiàn)對8路脈沖成形網(wǎng)絡(luò)單元的數(shù)據(jù)采集與控制；文獻(xiàn)[5]采用PC-DAQ采集卡實現(xiàn)了對脈沖成形網(wǎng)絡(luò)單元的多路數(shù)據(jù)采集與控制，并開發(fā)了基于Visual C++ 6.0的上位機監(jiān)控軟件。文獻(xiàn)[6]在2008年開發(fā)的電磁發(fā)射測控系統(tǒng)使用PLC作為系統(tǒng)控制器，但由PLC構(gòu)成的系統(tǒng)體積龐大，不利于對系統(tǒng)進(jìn)行集成與小型化設(shè)計。在使用微處理器作為控制核心方面，文獻(xiàn)[7]開發(fā)了基于AT89S52單片機的三級重接型電磁發(fā)射測控單元；文獻(xiàn)[8]開發(fā)了基于TMS320LF2407A的電磁發(fā)射測控系統(tǒng)。

為了能發(fā)射質(zhì)量更大的彈丸，獲得更高的初速，通常需要幾十，甚至幾百個PFN模塊，從試驗的安全性、適用性、抗干擾和性價比等方面考慮，用傳統(tǒng)的PC插板式或獨立機箱式測控系統(tǒng)不利于實現(xiàn)電磁發(fā)射系統(tǒng)靈活的擴(kuò)容與控制。

控制器局域網(wǎng)(簡稱CAN)是由德國BOSCH公司開發(fā)的一種總線協(xié)議，是當(dāng)前自動化領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線之一，它在離散系統(tǒng)控制、糾錯能力、開放性等方面都具有很強的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[9]將CAN總線技術(shù)應(yīng)用在電磁炮試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，每一個CAN總線節(jié)點采用8031單片機作為主控芯片，由傳感器組件、高速A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲組件和CAN接口組件組成，負(fù)責(zé)對一路信號進(jìn)行采集和存儲，并不具有時序觸發(fā)控制功能。文獻(xiàn)[10]選用CAN作為電磁發(fā)射中高功率脈沖電源的控制系統(tǒng)，通過CAN總線節(jié)點實現(xiàn)電磁發(fā)射脈沖電源的觸發(fā)控制和電樞初速測量。由于現(xiàn)場總線直接與所有受控節(jié)點相連，僅傳輸簡短的控制命令，將實際的控制內(nèi)容直接下放到每個節(jié)點微處理器上，使得系統(tǒng)實時性好、可靠性高，具有廣闊的應(yīng)用前景，是今后電磁發(fā)射測控系統(tǒng)研究的一個重要方向。

本文提出了一種基于CAN總線通信的集控制與測量于一體的電磁發(fā)射測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將每個PFN作為CAN總線網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，采用STM32微控制器作為PFN節(jié)點的主控芯片，可以實現(xiàn)對PFN節(jié)點的充放電、時序觸發(fā)等控制，以及狀態(tài)監(jiān)測、儲能電容電壓及放電電流數(shù)據(jù)采集等功能，并且便于系統(tǒng)的擴(kuò)容與維護(hù)。

1 整體方案分析與設(shè)計

1.1 總體設(shè)計分析

脈沖成形網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Υ娴拇罅侩娔茉诤芏痰臅r間內(nèi)進(jìn)行釋放，其放電過程具有時間短、電流大等特點。監(jiān)測控制單元主要包括放電時序控制和電流波形的采集，其要求有別于對其他電氣系統(tǒng)的監(jiān)測。首先，脈沖成形網(wǎng)絡(luò)放電在瞬間完成，要求監(jiān)測裝置的采集速度高，高頻特性好；其次，脈沖成形網(wǎng)絡(luò)放電電流大，不易使用分流電阻直接測量，需要使用電流互感器間接測量后再做信號還原，信號容易失真；再次，脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點為異步放電，放電時序需要微秒級的精確控制；最后，脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的放電電流產(chǎn)生強磁干擾，對監(jiān)測系統(tǒng)電磁兼容性要求較高[11-13]。

根據(jù)以往經(jīng)驗，將其測控性能需求進(jìn)行如下量化： 時序觸發(fā)控制精度精確到1 μs，可配置的大小為0～200 μs。 要求測量裝置具有12位以上的采樣精度，采樣頻率大于500 ksps。 最終的波形記錄數(shù)據(jù)量為2 ms內(nèi)的電流數(shù)據(jù)，在頻率為512 ksps時，一共是1 024個單字(2 048 Byte)。

根據(jù)PFN節(jié)點通訊的要求，數(shù)據(jù)傳輸需要較高的時效性，便于收發(fā)各種控制命令；總線要有較高的傳輸速率，便于波形數(shù)據(jù)的上傳；同時協(xié)議應(yīng)有利于數(shù)據(jù)的中距離傳輸。另外，為了配合系統(tǒng)實現(xiàn)，各節(jié)點控制器需要具備電壓檢測、觸發(fā)控制等功能。

1.2 整體設(shè)計方案

在基于CAN總線的PFN測控系統(tǒng)中，每個CAN總線節(jié)點測控模塊對應(yīng)一個PFN節(jié)點，測控模塊負(fù)責(zé)PFN儲能狀態(tài)診斷、放電波形記錄和放電時序控制等工作，其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 采用CAN總線的PFN測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中各節(jié)點的電源與數(shù)據(jù)均以總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，測控系統(tǒng)只需要四根電纜便可以實現(xiàn)，最大限度地減少導(dǎo)線間的受磁面積。工控機作為一個CAN控制節(jié)點通過CAN適配器接入到CAN總線網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令和回收節(jié)點狀態(tài)與采集的數(shù)據(jù)。由于測控節(jié)點與PFN節(jié)點一一對應(yīng)，在PFN系統(tǒng)擴(kuò)容與維護(hù)時，只需要增加或減少相應(yīng)的測控節(jié)點即可，耦合度降為最低。

2 PFN測控系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件實現(xiàn)

測控系統(tǒng)模塊使用CAN總線進(jìn)行通訊，每個測控系統(tǒng)模塊是CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，每個測控模塊節(jié)點負(fù)責(zé)監(jiān)測和控制一個PFN節(jié)點。PFN節(jié)點電容的儲能電壓和放電電流均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出ADC的輸入范圍，因此需要將模擬信號調(diào)理后再測量。本系統(tǒng)儲能電容電壓測量采用高壓電阻分壓器，放電電流測量采用羅氏線圈及積分器實現(xiàn)，并通過電壓電流模擬信號采集的電壓調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為STM32片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換所允許的輸入電壓。

STM32集成高性能CAN2.0B接口控制器，控制器有GPIO管腳輸入輸出，而GPIO管腳為普通TTL電平，TTL電平適用于板上通訊，對于遠(yuǎn)距離通訊電平的信號強度與抗干擾能力都有欠缺，為了實現(xiàn)CAN總線組網(wǎng)，需要將CAN控制器輸出TTL電平轉(zhuǎn)化為ISO11898標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的差分信號，并進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。

CAN通訊接口設(shè)計包含收發(fā)器、隔離器、隔離電源和ESD 4項內(nèi)容。在本設(shè)計中采用NXP公司的CAN保護(hù)二極管PESD1CAN實現(xiàn)ESD保護(hù)，綜合比較“一體隔離收發(fā)器ADM3053”和“隔離收發(fā)器ISO1050+DC-DC隔離電源B0505”方案后選了價格相對合理的“ADUM5241+TJA1050T”方案，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CAN接口電路設(shè)計

2.2 軟件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，界面顯示各節(jié)點的儲能電容電壓、放電驅(qū)動模塊狀態(tài)和放電延時時間，刷新間隔小于1 s；通過點擊界面上的按鈕，可以實現(xiàn)對各節(jié)點模塊的控制與設(shè)置，功能包括閉合或斷開儲能繼電器、設(shè)置放電延時時序和觸發(fā)放電；在觸發(fā)放電之后PC機界面軟件將讀取與顯示各節(jié)點的放電電流波形。

基于CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)為請求-應(yīng)答機制[14]，即PC機主節(jié)點發(fā)送命令請求，各測控節(jié)點處理器響應(yīng)命令請求做應(yīng)答回應(yīng)，其中PC機界面軟件使用查詢方式接收CAN總線數(shù)據(jù)，下位機節(jié)點固件程序使用中斷方式接收CAN總線數(shù)據(jù)。節(jié)點的固件程序使用查詢-中斷結(jié)構(gòu)，節(jié)點程序流程如圖3。

圖3 固件程序結(jié)構(gòu)流程

為了同步各節(jié)點的觸發(fā)，需要確保觸發(fā)命令執(zhí)行的優(yōu)先級，所以將CAN總線數(shù)據(jù)接收設(shè)計為中斷方式；程序主循環(huán)體做數(shù)據(jù)采集與數(shù)字濾波計算并將計算結(jié)果存入全局變量中以備使用。

2.3 總線協(xié)議制定

控制器局域網(wǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)是一個依照開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型(Open Systems Interconnection模型，簡稱OSI模型)規(guī)范層次結(jié)構(gòu)設(shè)計的通訊網(wǎng)絡(luò)，但由于CAN總線側(cè)重工業(yè)控制，數(shù)據(jù)傳輸量小，因此CAN總線網(wǎng)絡(luò)底層只采用OSI模型的最低兩層，即物理層和數(shù)據(jù)連接層。

由于CAN總線網(wǎng)絡(luò)缺少高層規(guī)范，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的通訊，需要自行進(jìn)行定制總線協(xié)議[15]。權(quán)衡通訊速率和實現(xiàn)難度，定義通訊規(guī)范如表1。

規(guī)范將基本標(biāo)識分為操作號和節(jié)點編號兩部分，其中操作號占用基本標(biāo)識的高4位，節(jié)點編號占用基本標(biāo)識的低7位，0號節(jié)點為主節(jié)點，最多容納127個從節(jié)點。當(dāng)主節(jié)點發(fā)送廣播命令時，節(jié)點編號為主節(jié)點編號；當(dāng)主節(jié)點向特定從節(jié)點發(fā)送命令時，節(jié)點編號為此從節(jié)點的節(jié)點編號。某些操作中，擴(kuò)展標(biāo)識可用于發(fā)送一個數(shù)據(jù)。

表1 應(yīng)用層通信規(guī)范

2.4 電磁兼容設(shè)計

大功率脈沖電流放電將會產(chǎn)生強大的電磁干擾，電磁干擾輕則影響實驗精度，重則損壞器件危及人身安全，因此電磁兼容設(shè)計是實驗成功的必要保障[16]。與采用計算機板卡的分布式電磁發(fā)射測控系統(tǒng)相比，基于CAN總線的PFN測控系統(tǒng)在電磁兼容性設(shè)計上與常規(guī)設(shè)計方法有所不同。

采用CAN總線的電磁發(fā)射測控系統(tǒng)在放電過程中受干擾的耦合回路有CAN總線電纜、交流220 V電纜、電壓檢測電纜和電流檢測電纜，而直流500 V電纜和充電電流在放電前被切斷不需要考慮，放電回路本身就是干擾源也不需要保護(hù)。為了減小耦合回路面積可以使用雙絞線或者同軸電纜，實際應(yīng)用中同軸電纜存在一定程度的偏心，影響抑制效果，所以本試驗中選用帶屏蔽層的雙絞線實現(xiàn)電源、通訊網(wǎng)絡(luò)和傳感器的連接。總線連接方式如圖4所示。

圖4 總線連接示意圖

屏蔽層與測控節(jié)點單端接地，用于消除節(jié)點自身產(chǎn)生的電場干擾，在組網(wǎng)連接中屏蔽層各段之間無連接，避免形成耦合路徑。

從整體上看，兩個節(jié)點模塊和任何兩個沒有隔離的電纜便可形成耦合回路，回路面積越大敏感程度越高。在實驗初期，由于缺少必要的隔離，形成了“節(jié)點A→CAN電纜→節(jié)點B→24 V電纜→節(jié)點A”的回路，放電的強磁脈沖直接擊毀測控節(jié)點模塊上的CAN收發(fā)器。設(shè)計中根據(jù)不同性質(zhì)的連接采用了多種不同方式的隔離。如直流5 000 V采用繼電器隔離，交流220 V采用變壓器隔離，儲能狀態(tài)監(jiān)測和觸發(fā)信號采用光電耦合器隔離，PFN放電電流傳感器采用羅氏線圈隔離，CAN總線收發(fā)器的電源與通信采用隔離模塊ADUM5241進(jìn)行隔離，電壓測量模塊采用HCNR201線性光耦進(jìn)行隔離等。

3 試驗驗證

進(jìn)行試驗驗證的電磁發(fā)射系統(tǒng)有6組PFN，高壓充電電源通過星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與各節(jié)點相連。發(fā)射裝置整體電氣連接如圖5所示。

圖5 電磁發(fā)射試驗裝置電氣連接

每個PFN節(jié)點的測控單元采用電阻分壓器和羅氏線圈分別測量PFN儲能電容充電電壓和放電電流，并利用CAN總線實現(xiàn)組網(wǎng)通訊。主控板向PFN節(jié)點控制板發(fā)送充電和放電命令，并采集儲能電容狀態(tài)信息。儲能電容的狀態(tài)監(jiān)測和觸發(fā)控制信號都有光電耦合器隔離。脈沖成形網(wǎng)絡(luò)工作時具有高電壓、大電流、強磁場等特點，為了保證總線監(jiān)控系統(tǒng)工作的可靠性與安全性，對基于CAN總線的PFN測控系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計是實際系統(tǒng)應(yīng)用中需要解決的主要問題之一。

通過上位機設(shè)定6路PFN的充電電壓為3 kV，等間隔放電時序為5 μs，充電結(jié)束后，界面狀態(tài)如圖6所示，3 kV放電電流波形如圖7所示。

圖6 觸發(fā)準(zhǔn)備界面狀態(tài)

圖7 3 kV放電電流波形

從試驗結(jié)果可以看出，基于CAN總線的PFN測控系統(tǒng)實現(xiàn)了電磁發(fā)射過程中對電容充電電壓和放電電流的實時監(jiān)測，并可實現(xiàn)微秒級的時序觸發(fā)控制。通過多次試驗，驗證了該測控系統(tǒng)良好的電磁兼容性和安全可靠性。

4 結(jié)論

電磁發(fā)射試驗是一種高電壓、大電流放電的脈沖功率試驗，能量主要來源于脈沖成形網(wǎng)絡(luò)，試驗中脈沖成形網(wǎng)絡(luò)待測信號多、位置分散，試驗環(huán)境具有強電磁脈沖干擾。從電磁發(fā)射裝置容量的擴(kuò)充及實驗的安全性、適用性、抗干擾等多方面考慮，用傳統(tǒng)的工控機板卡或獨立控制機箱很難實現(xiàn)電磁發(fā)射系統(tǒng)的模塊化集成增容及對脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的長期穩(wěn)定數(shù)據(jù)采集?；贑AN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主控計算機和若干個現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點組成，該系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化、智能化、全分布等特點。本文通過對CAN總線節(jié)點固件程序的特殊設(shè)計及在高電壓、大電流及強磁場極端環(huán)境中的電磁兼容設(shè)計，滿足了電磁發(fā)射及其他脈沖功率試驗參數(shù)實時監(jiān)控需求，可以實現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)容與監(jiān)控。

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(責(zé)任編輯周江川)

Design and Implementation of PFN Measurement and Control System Based on CAN Bus

QIN Li1,2, ZHANG Jia-yu1, ZHANG Xiao-lin1, WANG Da-zheng1, LIU Fu-cai1

(1.Key Laboratory of Industrial Computer Control Engineering of Hebei Province, West Campus, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2.Key Laboratory of Power Electronic Energy Saving and Transmission Control of Hebei Province, West Campus, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

In order to realize integrated modular of the Pulse Forming Network (PFN) and make the Electro Magnetic Launch (EML) system extend and maintain easily, a solution based on CAN bus for electromagnetic emission measurement and control system was proposed. Firstly, according to the specific requirements of electromagnetic launchers and the characteristics of CAN bus communication protocol, the application layer protocol of CAN bus and a software based on Visual C# as the system man-machine interface were developed, which implemented remote monitoring. And then, through special design on the CAN bus node firmware and electromagnetic compatibility design for extreme environment of high voltage, large current and strong magnetic field, the reliability and security of the bus control system was guaranteed. The experimental results show that this measurement and control system has advantages of network, modularization, intelligence, which provides a new way for modular integration design of electromagnetic launch system.

electro magnetic launch; pulse forming network; measurement and control system; controller area network

2016-08-12；

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃) (2012AA)

秦利(1984—)，女，博士，主要從事新概念武器控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)與管控一體化研究。

10.11809/scbgxb2016.12.005

秦利，張佳宇，張曉林，等.基于CAN總線的PFN測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(12):22-26.

format:QIN Li, ZHANG Jia-yu, ZHANG Xiao-lin,et al.Design and Implementation of PFN Measurement and Control System Based on CAN Bus [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):22-26.

TB21

A

修回日期：2016-09-10