基于CAN總線的懸浮控制器監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)
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對(duì)于多點(diǎn)懸浮控制，控制器的數(shù)目很可能不止一個(gè)，控制器所處的電磁環(huán)境一般也比較惡劣。因此，控制器之間的通信方式和通信可靠性是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。由CAN總線組成的網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播的特點(diǎn)，因此，對(duì)于懸浮控制來(lái)說(shuō)，使用CAN網(wǎng)絡(luò)作為通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)比較理想的選擇。另一方面，處于復(fù)雜工作環(huán)境下的數(shù)字控制器很有可能在電磁干擾或電源波動(dòng)的情況下進(jìn)入“飛車”狀態(tài)，從而使一點(diǎn)或多點(diǎn)懸浮失敗。這就要求在CAN網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計(jì)一個(gè)上層的監(jiān)督節(jié)點(diǎn)對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效的監(jiān)督和實(shí)時(shí)調(diào)整。
用計(jì)算機(jī)的并行接口配合專用的CAN驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的CAN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器/調(diào)試器具有實(shí)現(xiàn)方便、界面友好的特點(diǎn)，但在實(shí)際的控制現(xiàn)場(chǎng)，這種基于計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)具有攜帶不方便和造價(jià)高等問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)便攜式的CAN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督/調(diào)試器具有較大的實(shí)際意義。本文介紹一種基于TMS320LF2407A DSP的便攜式CAN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控終端。它具有使用簡(jiǎn)單、界面友好、體積小的特點(diǎn)，適合于磁浮列車懸浮控制器的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督和調(diào)試。
1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
對(duì)于多點(diǎn)懸浮控制來(lái)說(shuō)，為了降低風(fēng)險(xiǎn)和提高控制靈活性，1個(gè)懸浮點(diǎn)一般由1個(gè)單獨(dú)的控制器控制，各個(gè)懸浮點(diǎn)和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的關(guān)系如圖1所示。CAN監(jiān)控終端也是CAN網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，通過(guò)雙絞線連入整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
對(duì)于每個(gè)懸浮點(diǎn)，需要監(jiān)控的參數(shù)一般包括電流、間隙、加速度以及其他一些中間參數(shù)等。根據(jù)不同的控制算法，監(jiān)控的參數(shù)個(gè)數(shù)也不一樣。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的任務(wù)就是向其中的某個(gè)懸浮節(jié)點(diǎn)發(fā)出發(fā)送允許命令，該懸浮節(jié)點(diǎn)在接收到這個(gè)命令后，就定時(shí)地將傳感器和控制器當(dāng)前的參數(shù)打包發(fā)送到CAN總線上，然后再由監(jiān)控節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽這個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并在顯示屏上將接收到的參數(shù)顯示出來(lái)。長(zhǎng)時(shí)間接收還可以將某些參數(shù)，如電流和間隙，以曲線的形式描繪出來(lái)，用于對(duì)懸浮控制算法的評(píng)估。如果需要對(duì)當(dāng)前被監(jiān)控的控制器的某些參數(shù)進(jìn)行修改，也可以通過(guò)CAN監(jiān)控終端的人機(jī)接口向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送修改命令。
在實(shí)現(xiàn)上，CAN監(jiān)控終端的主控芯片選用TI公司的TMS320LF2407A型DSP。該DSP除了具備片內(nèi)資源豐富、運(yùn)算速度快、成本低、功耗小等特點(diǎn)外，還具備片上CAN模塊，使用方便。數(shù)據(jù)輸出用1塊240×128的LCD液晶屏來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以把各個(gè)參數(shù)變化的趨勢(shì)用曲線描繪出來(lái)，靈活性好。用戶輸入采用行列掃描式鍵盤，使硬件實(shí)現(xiàn)和軟件編程均比較方便。
2 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2所示。從圖中可以看出，TMS320LF2407A DSP是整個(gè)電路的核心部件。它是面向?qū)崟r(shí)控制的高性能16位定點(diǎn)DSP，具有32K字的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器和2.5K字的片內(nèi)RAM，運(yùn)算速度可以達(dá)到40MIPS，并帶有片上串行通信接口和CAN通信接口等。這些特點(diǎn)為CAN監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了很大便利。在硬件實(shí)現(xiàn)上，考慮到系統(tǒng)對(duì)體積和功耗的要求，將所有的DSP程序和LCD的字庫(kù)均通過(guò)JTAG口直接燒寫在DSP的片內(nèi)Flash中，通電后程序即可直接在片內(nèi)Flash中運(yùn)行。DSP的晶振頻率選擇6MHz，通過(guò)DSP片內(nèi)的PLL鎖相環(huán)4倍頻后使DSP的工作主頻達(dá)到24MHz。
由于DSP片內(nèi)備有CAN控制器模塊，因此，監(jiān)控終端的CAN模塊設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，只需在DSP的CANTX和CANRX引腳上接1個(gè)CAN驅(qū)動(dòng)芯片即可。這里選用的CAN驅(qū)動(dòng)芯片是PCA82C250。
DSP的供電電壓為3.3V，而外圍芯片基本上都是5V，如果將它們直接相連必然會(huì)導(dǎo)致電平?jīng)_突。解決的辦法是：在DSP的數(shù)據(jù)總線和外圍接口總線之間用1片LVC4245作為雙向緩沖器。在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，DSP的R/W信號(hào)控制著LVC4245的數(shù)據(jù)流向。
LCD選用240×128點(diǎn)陣的SMG240128A單色液晶屏。它的顯示有效面積比較大，適合于顯示曲線等信息，底層驅(qū)動(dòng)的編寫也比較容易。LCD與DSP的接口采用模擬口線方式，即用2片74HC573分別鎖存數(shù)據(jù)總線和控制總線的數(shù)據(jù)，模擬LCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序。LCD的幾個(gè)狀態(tài)位直接由DSP的I/O引腳讀入。
鍵盤由0～9、A～F、以及SHIFT和ENTER共18個(gè)鍵組成，因此在硬件設(shè)計(jì)上采用5×4的行列掃描方式：即由74HC573提供5個(gè)輸出行線，由74HC244提供4個(gè)列輸入，由DSP提供行列掃描時(shí)序?？紤]到電平匹配問(wèn)題，74HC573和74HC244與DSP數(shù)據(jù)總線之間的連接也是通過(guò)LVC4245緩沖。
LCD和鍵盤接口的74HC573以及74HC244芯片均由1片GAL通過(guò)對(duì)DSP的地址總線進(jìn)行譯碼實(shí)現(xiàn)選通，其電路簡(jiǎn)單，靈活性好。
出于便攜式的要求，系統(tǒng)采用電池供電方式。這里采用5節(jié)可充電5號(hào)電池作為電源，正常供電電壓為5～7V，正好符合電源芯片TPS7350的供電要求。由于系統(tǒng)內(nèi)需要3.3V和5V二種供電電源，故這里選用1片低壓差芯片TPS7350作為5V電源的供電芯片，用另一片低壓差芯片TPS7333作為3.3V電源的供電芯片。為防止電池電量不足時(shí)導(dǎo)致意外停機(jī)事故，這里還采用1片LM311構(gòu)建了一個(gè)電池電量報(bào)警電路，以便在電池電壓低于安全電壓時(shí)點(diǎn)亮LED報(bào)警提示。為了操作方便，所有的硬件電路以及電池等均安裝在一個(gè)便攜的塑料外殼中。
評(píng)論