基于CAN总线的调试及实时监控系统

潘李云，孙前刚，刘 刚

（中国船舶集团有限公司第七二三研究所，江苏扬州 225000）

0 引言

当前针对大功率及超大功率应用场合，模块化是开关电源发展的趋势，其优点是采用各个通用性的功能模块，将各个功能模块并联，构成新的系统来实现大功率输出，从而减少产品的研发周期及提高系统可靠性。然而多模块并联的系统中，由于模块数量的增多，各个模块的调试工作量大，单个模块是否正常工作，出故障时如何及时排查原因及检修难度大等问题也同时出现了。针对这些问题，一种能够实时采集数据，监控各个并联模块，简化调试过程的工具急需开发。CAN总线是一种可扩展性强，标准程度高，实时性好的一种串行数据通信网络，它功能强大且易于使用，现如今在很多场合都有应用。张河新等[1-5]介绍了各种基于CAN 总线的数据采集及显示功能的设备，吴艳等[6]介绍了基于CAN 总线的点菜设备，张强[7]介绍了CAN 通信保护电路设计及常见故障分析。这些文献主要介绍的都是基于CAN 总线的信息采集功能，没有辅助调试方面的能力。本文设计了一种基于串行总线的多机通信系统，该系统可以和电源模块通信，通过软件更改电源模块的参数，该通信系统线路少、整机结构简约、扩展能力强，系统包含各个节点和上位机，实时性好，可靠性高。实现了对多机运行的实时、同步控制。

1 系统架构

CAN 是控制器局域网络（Controller Area Network）的简称，是ISO 国际标准化的串行通信协议。CAN 具备极高的性能和可靠性，被广泛应用于工业化的各种设备上[8]，考虑到CAN总线的卓越优势，本系统的架构也是基于CAN 总线的。CAN总线的连接只需要两根线，即CAN_H 和CAN_L，总线通过这两根线上的电位差来进行总线电平的判断，CAN总线分为两种电平，隐性电平和显性电平，二者必居其一。总线上显性电平相比隐性电平具有优先权，只要有一个节点输出显性电平，总线就是显性电平，当总线空闲时，如有多个节点同时发送信息，则会根据ID 逐位决定优先级，根据显性电平优先的原则决定哪个节点获得首先发送报文的资格。

CAN总线的数据帧可以分为标准帧和扩展帧两种格式，标准帧有11位ID，扩展帧有29位ID。当CAN 某个节点发送一个数据帧时，发送函数会把已打包完的数据帧发送到CAN 总线上来实现数据发送。程序进入发送函数后，首先会判断发送缓冲区是否为空，为空则会将待发送数据输入发送缓冲区，随即启动发送。CAN报文接收函数往往以中断方式实现来提高程序效率，该函数的主要功能是读取CAN 接收缓冲区的数据至RAM 中。进入该函数后，首先判断接收缓冲区是否为空，若不为空就读取接收缓冲区的数据，进而实现报文接收的功能。本系统的架构如图1所示。

图1 系统架构

系统架构主要包括上位机、子节点。各节点具有采样功能，能采样各个电源模块电压、电流、温度等信息，且能和电源模块通信，能够读取和写入电源模块的参数信息。系统的上位机具有丰富的功能，主要分为调试模式及工作模式两种模式，调试模式时，上位机可以读取和写入电源参数以及对电源模块的实时工作状态进行监控，对电源输出电压电流值等需调试的参数进行调整。而在工作模式时，上位机可检测模块的电压电流及故障信息，对系统的运行进行监控[9]，从而能在故障发生时能快速准确地定位故障模块及故障类型。系统的具体功能为：各节点接收上位机发来的控制命令，并执行，且回传响应报文；上位机可将子节点回传的报文信息在人机界面显示。实现了上位机与各节点之间通过CAN总线实现通信，多机实时、可靠控制。

2 软件设计

上位机的软件流程如图2 所示，是使用Windowsvisualstudio2010 开发的，其作用为通过CAN 通信设备连接CAN 总线，和挂在CAN 总线上的各节点通信。上位机在工作时会定时向每个节点的电源模块轮流发送命令，让每个节点向它回复报文，同时上位机接收来自各个节点的实时报文并解析成电压电流信息以及故障报文，然后在人机交互界面显示，方便对电源系统的实时监测。尤其是当电源系统运行异常时，可使用上位机监控各节点，将接收到的电压电流实时数据及故障类型显示出来，从而辅助技术人员对故障定位和排除。

图2 上位机软件流程

在电源中，往往因为各分立器件的误差，电源模块的各种参数需要进行调节，比如调整电源模块的保护动作点，电源的输出电压值等，传统的硬件系统如果调节需要逐台调整其对应功能的电阻电容，工作量巨大且繁琐，还容易出错。而本系统则可以通过上位机调整每台电源的参数，将调试工作大大简化。上位机可以直接将电源模块的各个参数发送给总线上的每个电源，然后再根据每个节点电源回复给上位机的具体电压电流信息微调参数，最终调整好总线上每台电源的具体参数。

各节点的软件流程如图3所示，节点的主要功能是对电压、电流、温度等物理量进行循环采样，并根据采样值判断状态是否正常，如果不正常，则判断发生了什么故障，并将对应的状态位标记。每个节点都有一个唯一的ID，不同ID则是根据硬件来区分的，每个电源模块设置四个电阻来组成ID 序列，各节点初始化时会根据不同的电阻排列方式实现每个电源模块的不同ID。当上位机对某个节点发来命令要求其上报报文时，该节点会响应上位机的命令，发送目前的状态及故障位信息。当某个节点的电源模块收到上位机的发送实时数据命令时，会将相关的电压电流信息以500 ms 的时间间隔不停地向上位机发送，同时，能够根据上位机发来的参数更改自己的参数，当收到上位机的查询参数命令时也能将自己目前的参数信息打包发给上位机。

图3 节点软件流程

3 硬件设计

系统的微控制器电路芯片使用基于Cortex-M3内核的32位单片机STM32F103ZET6，该单片机的时钟频率高达72 MHz，具备11个定时器；支持嵌套矢量中断控制器（NVIC），可以实现极短的中断处理延迟，能最大限度减少进入中断时系统的资源占用量，进一步提高处理中断的速度；支持外部中断/事件控制器（EXTI），对应的边沿检测器可实现输入信号的上升沿、下降沿监测[10]。

电压检测电路如图4 所示，主要借助电压传感器WBV411D07将输入的交流强电转变为弱电信号，由于检测到的电压信号中存在一定的纹波电压，所以需要对该电压信号进行滤波处理，在本文中我们使用RC电路来进行滤波同时考虑到需要隔离前级采样电路对后级电路的影响所以设计了电压跟随器。

图4 电压采样电路

电流检测电路如图5所示，主要是借助电流霍尔传感器SP3实时测量系统电路中的电流，霍尔传感器输出的信号经过RC滤波电路传输给电压跟随器，跟随器防止了前级电路对后级产生影响，电流互感器选择的是LEM公司的SP3，该互感器性能优越。

图5 电流采样电路

CAN 收发器使用的是ISO1050，作为CAN 收发器，该器件可为总线和CAN 控制器分别提供差分发射能力和差分接收能力，信号传输速率高达1 兆位每秒（Mb/s）。该器件尤其适合工作在恶劣环境下，性能强大，其具有串线、过压和接地损耗保护（-27～40 V）以及过热关断功能，共模电压范围为-12～12 V[11-12]。

此外，为了区分每个电源模块的地址，电路里设计了4个电阻位，这些电阻位上拉至3.3 V，若不焊电阻，则IO口输入为高电平，若焊接电阻，则IO 口输入为低电平。这样，4个电阻位总共可以表示16种ID，即可以区分16个电源模块。

图6 CAN收发器电路

4 效果验证

使用此系统之前调试时需先将设备加电，然后手持三用表、钳流表去测量母线和输出的电压电流，然后再让设备断电，使用烙铁调换相应的元器件，从而使电源的输出电压值和均流等指标满足要求。这种传统的调试方法往往需要反复加电断电以及使用烙铁焊接数次才能调好一台电源，效率低且麻烦。当使用此系统后，只需要加电后通过上位机就可以调节参数，无需断电和使用烙铁，效率高且操作更简单。

为了验证系统的可靠性及及实时性，通过CAN 通信设备连接各节点在上位机上测试，如图所示为上位机界面，图7～9 显示了上位机的3 个页面，图7 在界面上可以选择发送报文的ID，选择调试模式还是工作模式及连接CAN，通过在图7界面的操作可以选定所需控制的电源模块和控制模式；图8 和图9 分别是调试状态下监控电压电流值以及读取和写入参数的功能，当图8 显示出的电压电流值不满足指标时，可由图9 界面写入新的参数，再从图8 界面观察更改参数后的新的电压电流值是否满足指标要求，若不满足可继续按此方法更改。

图7 上位机页面1

图8 上位机页面2

图9 上位机页面3

包含多个电源模块的系统工作时，如果某个模块运行不正常，一般需要外接示波器才能监测到输出电压电流的波形，从而判断电源出了何种故障。用了此通信系统，可由上位机监控其输出电压电流，从而能够辅助判断哪个模块出了何种故障，如图10 所示，当正在工作的电源突然断电时，上位机能够显示出输出电压和电流的波形变化，直观显示电源的工作状态。

图10 上位机实时监控

5 结束语

实验结果显示，该系统能够由软件更改参数，使得调试更加有效率，系统通信正常、工作可靠，实现了CAN 总线多个节点在上位机环境下实时通信的功能，该系统可以实时地接收各电源模块发来的电压电流信息并在PC上显示其数值和波形。本系统可以作为应对多机主从控制的选择，整机具有扩展方便、工作可靠、运行灵活等优点，克服了目前传统调试方法效率低且麻烦的问题，提高了多机通信的实时性和可靠性。