总线协议在大功率铝型材行业电源中的应用

总线协议 在大功率铝型材行业 电源中的应用

徐长磊 , 赵生军 , 吴畏 , 黄华强

广州擎天实业有限公司 广州 510300

摘要：本文主要介绍一种总线协议在大功率铝型材行业电源数字控制系统中的应用。期望在铝型材行业发展越来越好的今天，能够将一些新的技术，可靠的通讯方式引入到大功率电源的制造中来，从而推动产品的升级，更好的服务于铝型材等相关行业。

关键词：总线协议；数字控制系统；大功率电源；

The application of a bus protocol in power supply of high-power aluminum profile industry

XU Changlei,ZHAO Shengjun,WU Wei,HUANG Huaqiang

（GuangZhou Kinte industrial Co.，LTD，GuangZhou 510300，China）

Abstract: This paper mainly introduces a bus protocol in power supply digital control system of high-power aluminum profile industry. Nowadays, the aluminum industry is developing better and better. We expect to introduce some new technologies and reliable communication methods into the manufacturing of high-power power supplies, so as to promote the upgrading of products and better serve the aluminum and other related industries.

Key words: Bus protocol; digital control system; High power supply;

对于大功率高频电源应用的场合，现场干扰信号多而且强，所以一套成熟可靠的控制系统，往往是其性能优劣的关键，而控制系统所采用的通讯协议，又很大程度上决定了能否减少系统总线上的数据传输量，从而降低干扰信号的影响。本文重点介绍CAN总线协议在工业控制系统中的合理应用。

1 CAN总线协议简介

CAN总线属于现场总线的范畴。它的优越性主要体现在以下几个方面：

第一、高灵活性，CAN总线为多主机方式工作，网络上任意一个节点可以在任意时刻主动的向网络上的其它节点发送信息，而且不分主从。

第二、高实时性，CAN总线协议在通讯距离为30M以内时，可以提供高达1MB/S的通讯速率，即是通讯距离达到了10Km, CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。可以很好地满足工业现场的实时性。

第三、高可靠性，CAN总线协议的每帧信息都带有CRC校验和其它检错措施，数据传输出错率极低。

2 CAN协议应用的场合

CAN协议可以应用到多种电源的控制系统当中，从大型氯碱产品到常规氧化电源，再到非常规/大功率高频电源，这些电源的控制系统往往以ARM、FPGA、PowerPC和DSP等多种控制芯片的组合为核心，CAN 总线协议能很好的和此类芯片配合，组成良好的控制系统。

3 CAN总线上的三种通讯模式

高频电源控制系统中的CAN总线网络架构如下：

图1 CAN总线网络架构图

控制系统分为三个部分，其中通讯板负责将各种数据上传，以及将设定的数据下传到分布式I/O板；以ARM为核心的分布式I/O板主要负责控制系统中数字量、模拟量的采集以及特定逻辑点的输出；以DSP芯片为核心的控制板主要负责高频电源各模块的具体整流控制以及各模块之间的整体配合。鉴于此种网络架构，通常主要采用三种通讯模式：

(1) 数据信息实时全网广播

每块板无论自己的数据是否发生变化，都要定时将数据发送到CAN总线上全网广播，其余每块板都要对此广播信息做出反应。此种模式可以较好的保证系统的实时性和准确性。但是这种模式容易造成CAN网络的数据竞争，控制芯片要花费大量时间和资源去处理传输过来的数据。总体来说，这种模式适合电路板较少且通讯数据较少的控制系统。

(2) 数据信息发生变化时全网广播，各模块增加应答机制

每块板只有自己的数据发生变化时，才会将数据发送到CAN总线上。其余每个模块依然要对该信息做出反应，但是发送数据的模块在接收到该信息应该到达模块的回应之后，便会终止该数据的发送。

(3) 数据信息变化时进行点对点和一点对多点的通讯，各模块增加应答机制

每块板只有自己的数据发生变化时才会发送到CAN总线，采用点对点和一点对多点的传输，即数据只在模块的发送端和必要的一个（或几个）数据接收端之间传输。模块采用硬件帧ID的方式进行过滤，与传送的信息无关的其它模块，没有必要对该信息做出反应。由于采用了应答机制，发送数据的模块在接收到该信息应该到达模块的回应之后，也会终止该数据的发送。

4 针对不同通讯模式的数据测试和结论分析

4.1 测试数据

针对CAN总线上不同的通讯模式，测得的实验数据如下：

表1 (1)通讯模式所对应的测试数据

表2 (2)通讯模式所对应的测试数据

表3 (3)通讯模式所对应的测试数据

说明：①所有数据是在整个控制系统模拟现场正常开机的情况下测得；

②通讯量和出错量的测定，采用的是立富L的 Kvaser CAN分析仪测定

③所有的中断量测定，以DSP模块程序内部进入CAN中断次数为准。

4.2 数据分析

4.2.1对于CAN总线上数据通讯量的影响：

4.2.1.1 (1)通讯模式和(2)通讯模式对数据通讯量的影响

对比表1和表2，从两个表中的数据可以计算出CAN总线上数据量减少的倍数。

1Hour时：359450/14841 = 24.2；由于采用了应答机制，且每块板的数据只有发生变化时才发送，这样就大大减少了CAN总线上数据的发送。从实验数据上来看，通讯数据量直接减少了二十多倍。

4.2.1.2 (2)通讯模式和(3)通讯模式对数据通讯量的影响

对比表2和表3，从两个表中的数据可以看出，在采用了硬件帧ID过滤之后，相应时间内的数据量反而略微增加了，这并不是由于硬件帧ID造成的，而是因为：表2所测数据的系统电压偏低，当实际进入DSP板的模拟电压有微变化时，整机电压并不会有明显改变；对于表3 ，所依靠系统的电压为750V，当实际进入DSP板的模拟电压有些微变化时，整机电压就会有明显改变，所以这个数据量要实时往CAN网络上发送。

4.2.1.3 (1)通讯模式和(3)通讯模式对数据通讯量的影响

对比表1和表3，从表中数据可以计算出，即使表3所依靠的系统电压值会频繁的发到CAN网上，CAN总线上的数据量依然减小了很多倍：1Hour时：359450/22997 = 15.6；可以得出

：采用应答机制，且每块板的数据只有发生变化才发送时，确实可以大幅度降低CAN总线上的通讯量，有十几倍之多。

分析三种不同的模式对CAN总线上数据通讯量的影响得出：CAN总线通讯模式采用应答机制，且每块板的数据只有发生变化才发送，这种方式可以大幅度降低CAN总线上的通讯量，另外采用硬件帧ID过滤的方法并不会减少或者增多CAN总线上的通讯量。

4.2.2 对于进入DSP模块程序中断数量的影响：

4.2.2.1 (1)通讯模式和(2)通讯模式对程序中断量的影响

对比表1和表2，从两个表中的数据可以计算出进入DSP模块程序中断的次数减少的倍数。1Hour时：318632/12870 = 24.8；可以得出：由于(2)总线通讯模式使得CAN总线上的数据通讯量大幅度降低，从而也使得进入模块程序的中断次数相应降低，从数据上看，降低了二十多倍；

4.2.2.2 (2)通讯模式和(3)通讯模式对程序中断量的影响

对比表2和表3，从两个表中的数据可以计算出进入DSP模块程序中断的次数减少的倍数。1Hour时：12870/916 = 14.1；可以得出：由于CAN采用了硬件帧ID的过滤，在没有减少CAN总线上总的通讯数据量的情况下，使得DSP模块程序进入中断的次数大大降低，从数据上来看，有十几倍之多。

4.2.2.3 (1)通讯模式和(3)通讯模式对程序中断量的影响

对比表1和表3，从两个表中的数据可以计算出进入模块程序中断的次数减少的倍数。1Hour时：318632/916 = 347.9；可以得出：与(1)总线通讯模式相比，(3)总线通讯模式由于采用了应答机制、数据变化时才允许发送以及硬件帧ID的过滤，这些措施使得进入模块的中断次数降低了几百倍之多。

分析三种不同的通讯模式对DSP模块程序进入中断数量的影响得出：

明显可以看出(3)总线通讯模式的优越性，与前两种CAN的通讯模式相比，DSP模块程序进入中断的次数依次降低了三百多倍和十几倍。这对于DSP程序的高频采样、高频脉冲的输出和整个DSP程序的流畅运行，起到了异常关键的作用。

4.2.3对于CAN网络上数据通讯错误率的影响：

4.2.3.1 (1)通讯模式和(2)通讯模式对通讯错误率的影响

对比表1和表2，从两个表中的数据可以明显看出：(1)总线通讯模式，通讯错误率高达16‰还要多；但是CAN的(2)总线通讯模式已经可以将错误率降低到0.16‰，其改善的倍数可以计算：16‰/0.16‰ = 100；可以得出：由于CAN的(2)总线通讯模式使得CAN网上的数据通讯量大幅度减少，使得由于CAN网上数据发送竞争等原因引起的数据错误率直线下降100倍。

4.2.3.2 (2)通讯模式和(3)通讯模式对通讯错误率的影响

对比表2和表3，从两个表中的数据可以看出：CAN的(2)总线通讯错误率已经降低到了0.16‰；CAN的(3)总线通讯模式一直没有发现错误量。虽然测得的数据已经达到了几十万之多，但是通讯稳定，正常，数据没有错误。可以得出：CAN通讯硬件帧ID的采用，从实验数据来看还是会对CAN通讯的质量有明显的提升，经过不间断的测试，数据错误率为0。

4.2.3.3 (1)通讯模式和(3)通讯模式对通讯错误率的影响

对比表1和表3，从两个表中的数据来看，两种CAN通讯模式，一个通讯错误率为16‰，一个为0。对比明显，一个效果相当好，一个相当差！

分析三种不同的通讯模式对CAN总线上数据通讯错误率的影响得出：CAN的(3)总线通讯模式明显优于前面两种的通讯模式，(3)总线通讯模式使得CAN总线的通讯错误率降到极低极低的水平，数据上来看，错误率为0。

5 屏蔽措施对CAN总线通讯质量的影响

5.1 测试数据

针对CAN总线通讯电缆的屏蔽层是否单端接地，测得的实验数据如下：

表4 (4)CAN总线电缆屏蔽层悬空

表5 (5)CAN总线电缆屏蔽层单端接地

5.2 数据分析

表4中的数据，可以看出通讯的出错率非常之高，达到48%以上。实际上已经处在经常丢包的状态了，数据的上传下达非常不顺畅，设备已经濒临失控的状态！表5中的数据，当CAN总线电缆的屏蔽层进行单端接地了之后，整个CAN通讯网络的通讯质量改善了30倍有余。数据上传下达通畅，设备的指令可以得到迅速的执行和回馈，这才是现场客户能够接受的。

对比表4和表5的数据可知，在CAN总线协议的应用中，尤其是对于高频开关电源，设备的干扰性很大，此时尤其要注意做好通讯的抗干扰措施。CAN总线电缆的单端接地，可以明显的改善设备的通讯质量。

6 CAN总线协议在高频开关电源中的正确用法

高频开关电源要求其过流过压的保护时间要足够快，系统的控制芯片要用大量的资源来处理这一过程，同时还要保证PWM触发脉冲列正确无误。这就要求，其余的功能要尽少的占用芯片的资源。据实践看来，一是要保证设备通讯的抗干扰性要强，数据的上传下达要通畅；还有就要减少CAN总线上的数据量，减少DSP芯片进入CAN中断的次数，从而为芯片的过流保护和正常PWM的输出留出时间。

结合上述实验数据和结论分析，在设计高频电源控制系统时，首先应当采用带屏蔽层的通讯电缆，且屏蔽层一定要单端接地；再有应当采用应答机制；对于分布式控制系统的各个模块，该模块的数据发生变化时才允许发送；各模块应尽可能采用硬件帧ID的过滤方式。这样做一是极大的降低了CAN总线上的通讯数据量；二是极大地降低每个控制模块中程序的进入中断次数。三是极大地降低了CAN网络通讯的错误率。而这三点，亦可以明显降低现场干扰信号对于通讯的干扰，对于保证整个控制系统安全、可靠、稳定、流畅的运行起到了至关重要的作用！

7结语

本文重点介绍了CAN总线协议几种通讯模式在高频开关电源控制系统中应用，给出实际测得的CAN通讯质量的相关数据，进行分析并给出最优的解决方案。也提出了通讯电缆屏蔽层单端接地对于通讯质量的影响。希望能够有效指导后续高频开关电源用控制系统的开发。

参考文献：

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[2]Abraham I. Pressman Keith Billings Taylor Morey著；王志强等译.开关电源设计（第三版）[M].北京：电子工业出版社，2010.6:311-318

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