劉亞鋒，李 奎

(陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞，721300)

1 引 言

隨著電子設(shè)備配電系統(tǒng)智能化程度越來越高，傳統(tǒng)配電系統(tǒng)存在電纜過長(zhǎng)及遙控配電系統(tǒng)離散控制線過多、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，無法滿足新型配電系統(tǒng)的需求。固體功率控制器(SSPC)是集斷路器線路保護(hù)功能和固體繼電器開關(guān)功能于一體的智能開斷裝置，它采用功率MOSFET作為開關(guān)器件，具有開關(guān)速度快、無觸點(diǎn)、無電弧、電磁干擾小、可靠性高以及便于計(jì)算機(jī)控制等特點(diǎn)，逐步被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的配電系統(tǒng)，可以減少配電系統(tǒng)的器件數(shù)量、重量和成本，使配電系統(tǒng)操控簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，提升了系統(tǒng)的電磁兼容特性和配電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，實(shí)現(xiàn)了配電系統(tǒng)的智能化控制。

目前，國內(nèi)多組數(shù)輸出固體功率控制器的研制尚處于起步階段，在通信處理電路設(shè)計(jì)時(shí),一般采用一個(gè)處理器集中控制所有組的功率驅(qū)動(dòng)、電流信號(hào)采集、電壓信號(hào)采集及短路保護(hù)狀態(tài)信號(hào)的處理，存在程序設(shè)計(jì)難度大、通信延遲和可靠性低等問題。本文介紹了一種八組數(shù)輸出CAN總線接口固體功率控制器的通信處理電路設(shè)計(jì)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，具有各組的參數(shù)一致性好、通信可靠及易于移植等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)不同組數(shù)輸出固體功率控制器的設(shè)計(jì)。

2 總體設(shè)計(jì)方案

本方案中通信處理電路采用模塊化設(shè)計(jì)思路，由CAN收發(fā)器、主處理器及八個(gè)子處理器組成，各子處理器獨(dú)立負(fù)責(zé)每組的功率驅(qū)動(dòng)、電流信號(hào)采集、電壓信號(hào)采集及短路保護(hù)狀態(tài)信號(hào)的處理。該設(shè)計(jì)方案在主處理、子處理器軟件不需要變動(dòng)的情況下，可實(shí)現(xiàn)不同組數(shù)輸出固體功率控制器的設(shè)計(jì)。電原理框圖如圖1所示。

圖1 電原理框圖

當(dāng)上位機(jī)通過CAN總線向主處理器發(fā)送接通/關(guān)斷指令時(shí)，主處理器相應(yīng)I/O口置高電平/低電平，子處理器相應(yīng)I/O口識(shí)別到高電平/低電平后，將連接功率驅(qū)動(dòng)電路的相應(yīng)I/O口置高電平/低電平，從而快速接通/關(guān)斷功率輸出電路。

當(dāng)某一組出現(xiàn)過流或欠壓時(shí)，由子處理器負(fù)責(zé)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行判斷，執(zhí)行過流保護(hù)或欠壓保護(hù)，并將過流保護(hù)狀態(tài)信號(hào)或欠壓保護(hù)狀態(tài)信號(hào)傳輸至主處理器保存；當(dāng)上位機(jī)通過CAN總線向主處理器發(fā)送查詢指令時(shí)，主處理器將產(chǎn)品每組的負(fù)載電流、負(fù)載電壓以及狀態(tài)信息(開關(guān)狀態(tài)、過流保護(hù)狀態(tài)、短路保護(hù)狀態(tài)等)發(fā)送至上位機(jī)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

本方案中，上位機(jī)與主處理器之間采用CAN總線通信，主處理器與子處理器之間采用I2C串行通信。

CAN總線接口芯片采用隔離式CAN收發(fā)器，它集成了隔離通道與CAN收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了總線與CAN控制器之間的隔離，提高了接口電路的抗干擾能力，隔離式CAN收發(fā)器簡(jiǎn)化電路原理圖如圖2所示。

圖2 隔離式CAN收發(fā)器簡(jiǎn)化電路原理圖

主處理器具有CAN模塊，可直接與隔離式CAN收發(fā)器組成CAN總線接口電路，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)難度。CAN總線接口電路原理圖如圖3所示。

圖3 CAN總線接口電路原理圖

圖4 I2C總線通信原理圖

子處理器具有同步串行端口(SSP)模塊和10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)模塊。由于主處理器和子處理器均含有同步串行端口模塊，可直接讀取數(shù)據(jù)，因此兩者之間的通信采用I2C串行通信，為了軟件的通用性強(qiáng)，子處理器采用硬件設(shè)置地址。I2C總線通信原理圖如圖4所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 CAN總線通信部分

上位機(jī)與主處理器之間采用CAN總線通信。由于CAN協(xié)議只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需設(shè)計(jì)應(yīng)用層協(xié)議。在設(shè)計(jì)應(yīng)用層協(xié)議時(shí)，需要定義數(shù)據(jù)幀當(dāng)中的3個(gè)位場(chǎng)，包括仲裁場(chǎng)(包含11位報(bào)文標(biāo)識(shí)符和1位RTR位)、控制場(chǎng)(包含4位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼DLC，用來指示數(shù)據(jù)場(chǎng)中的數(shù)據(jù)字節(jié)個(gè)數(shù))和數(shù)據(jù)場(chǎng)(包括0-8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù))。本方案中定義的11位報(bào)文標(biāo)識(shí)符如表1所示。CAN總線通信軟件流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

表1 11位報(bào)文標(biāo)識(shí)符定義

圖5 CAN總線通信軟件流程圖

4.2 I2C總線通信部分

主處理器作為I2C通信的主控制器，工作在主控模式，子處理器工作在從動(dòng)模式。本方案中I2C通信數(shù)據(jù)幀及各個(gè)域的定義如表2所示。I2C總線通信軟件流程設(shè)計(jì)如圖6所示。

表2 I2C通信數(shù)據(jù)幀及各個(gè)域的定義

圖6 I2C總線通信軟件流程圖

6 主要特點(diǎn)

1)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，具有各組的參數(shù)一致性好、通信可靠及易于移植等優(yōu)點(diǎn)，在軟件不需要變動(dòng)的情況下，可實(shí)現(xiàn)多組數(shù)輸出固體功率控制器的設(shè)計(jì)。

2)采用子處理器獨(dú)立負(fù)責(zé)每組的電流信號(hào)采集、電壓信號(hào)采集、反時(shí)限過流保護(hù)及短路保護(hù)狀態(tài)信號(hào)的處理，各組之間互不影響。

3)采用硬件來設(shè)置子處理器的地址，提高了子處理器的程序通用性。

7 結(jié)束語

采用該通信處理電路的八組輸出固體功率控制器，可完成負(fù)載電壓查詢、負(fù)載電流查詢、反時(shí)限過流保護(hù)、狀態(tài)查詢等通信功能，達(dá)到了與上位機(jī)可靠通信的目的，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的預(yù)定功能。