一種多組輸出CAN總線接口SSPS通信處理電路的設計

劉亞鋒，李 奎

(陜西群力電工有限責任公司，陜西寶雞，721300)

1 引 言

隨著電子設備配電系統智能化程度越來越高，傳統配電系統存在電纜過長及遙控配電系統離散控制線過多、自動化程度不高等缺點，無法滿足新型配電系統的需求。固體功率控制器(SSPC)是集斷路器線路保護功能和固體繼電器開關功能于一體的智能開斷裝置，它采用功率MOSFET作為開關器件，具有開關速度快、無觸點、無電弧、電磁干擾小、可靠性高以及便于計算機控制等特點，逐步被廣泛應用于電子設備的配電系統，可以減少配電系統的器件數量、重量和成本，使配電系統操控簡單，維護方便，提升了系統的電磁兼容特性和配電系統的運行可靠性，實現了配電系統的智能化控制。

目前，國內多組數輸出固體功率控制器的研制尚處于起步階段，在通信處理電路設計時,一般采用一個處理器集中控制所有組的功率驅動、電流信號采集、電壓信號采集及短路保護狀態信號的處理，存在程序設計難度大、通信延遲和可靠性低等問題。本文介紹了一種八組數輸出CAN總線接口固體功率控制器的通信處理電路設計，采用模塊化的設計思路，具有各組的參數一致性好、通信可靠及易于移植等優點，可實現不同組數輸出固體功率控制器的設計。

2 總體設計方案

本方案中通信處理電路采用模塊化設計思路，由CAN收發器、主處理器及八個子處理器組成，各子處理器獨立負責每組的功率驅動、電流信號采集、電壓信號采集及短路保護狀態信號的處理。該設計方案在主處理、子處理器軟件不需要變動的情況下，可實現不同組數輸出固體功率控制器的設計。電原理框圖如圖1所示。

圖1 電原理框圖

當上位機通過CAN總線向主處理器發送接通/關斷指令時，主處理器相應I/O口置高電平/低電平，子處理器相應I/O口識別到高電平/低電平后，將連接功率驅動電路的相應I/O口置高電平/低電平，從而快速接通/關斷功率輸出電路。

當某一組出現過流或欠壓時，由子處理器負責對采集到的信號進行判斷，執行過流保護或欠壓保護，并將過流保護狀態信號或欠壓保護狀態信號傳輸至主處理器保存；當上位機通過CAN總線向主處理器發送查詢指令時，主處理器將產品每組的負載電流、負載電壓以及狀態信息(開關狀態、過流保護狀態、短路保護狀態等)發送至上位機。

3 硬件電路設計

本方案中，上位機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收發器，它集成了隔離通道與CAN收發器，實現了總線與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收發器簡化電路原理圖如圖2所示。

圖2 隔離式CAN收發器簡化電路原理圖

主處理器具有CAN模塊，可直接與隔離式CAN收發器組成CAN總線接口電路，簡化了電路設計難度。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位模數轉換器(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，可直接讀取數據，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，子處理器采用硬件設置地址。I2C總線通信原理圖如圖4所示。

4 軟件設計

4.1 CAN總線通信部分

上位機與主處理器之間采用CAN總線通信。由于CAN協議只定義了物理層和數據鏈路層，在實際應用時需設計應用層協議。在設計應用層協議時，需要定義數據幀當中的3個位場，包括仲裁場(包含11位報文標識符和1位RTR位)、控制場(包含4位數據長度碼DLC，用來指示數據場中的數據字節個數)和數據場(包括0-8個字節的數據)。本方案中定義的11位報文標識符如表1所示。CAN總線通信軟件流程設計如圖5所示。

表1 11位報文標識符定義

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模式。本方案中I2C通信數據幀及各個域的定義如表2所示。I2C總線通信軟件流程設計如圖6所示。

表2 I2C通信數據幀及各個域的定義

圖6 I2C總線通信軟件流程圖

6 主要特點

1)采用模塊化的設計思路，具有各組的參數一致性好、通信可靠及易于移植等優點，在軟件不需要變動的情況下，可實現多組數輸出固體功率控制器的設計。

2)采用子處理器獨立負責每組的電流信號采集、電壓信號采集、反時限過流保護及短路保護狀態信號的處理，各組之間互不影響。

3)采用硬件來設置子處理器的地址，提高了子處理器的程序通用性。

7 結束語

采用該通信處理電路的八組輸出固體功率控制器，可完成負載電壓查詢、負載電流查詢、反時限過流保護、狀態查詢等通信功能，達到了與上位機可靠通信的目的，實現了產品設計的預定功能。