基于CAN总线的移动电站监控系统的设计

【摘要】本文针对某型移动电站的系统结构，确定了监控系统的基本功能及性能指标，利用高性能ARM芯片LPC2368、专用计量芯片ADE7758和各种传感器进行了硬件设计，基于μC/OS II 操作系统进行了各模块的软件设计，构建了基于CAN总线的移动电站监控系统。

【关键词】移动电站;CAN总线;监控器;嵌入式;LPC2368

前言

目前应用于移动电站系统中的监控设备仍以模拟指针式仪表、继电器、保护器的组合为主，该监控单元体积大、监控信息少、智能化程度低，不能满足操控人员对移动电站系统运行状态及时监控的要求。移动电站系统电气控制、指示结构不适宜安装在车辆驾驶室内，使得监控单元与操作工位分别设置在两个互不相联的区间，驾驶室内无指示系统运行状态及电气性能指标的仪表和控制单元，操控人员无法对电站系统运行状态进行实时监控。由于移动电站系统的结构和操作使用要领要求该系统一般由车辆驾驶员负责操作和监护。因此，通过对车载移动电站控制器现状的调研，及其在使用、维护中所反映的问题，研制针对车载移动电站的监控器，有助于操控人员对移动电站系统运行状态进行及时有效的监控，保障系统运行的稳定与可靠，有助于开展对移动电站系统控制器智能化、信息化的研究，切实提高移动电站系统的信息化水平。

1.移动电站监控系统的总体设计

该项目移动电站系统采用的是利用汽车的原动力，借助车辆取力口，通过传动轴将动力传递至交流发电机，交流发电机发出的电经由配电装置输出到用电设备。其监控参数包括发动机参数、电力参数以及控制过程，具有操作提示和黑匣子功能。系统总体硬件共分为四个模块：

（1）监视单元。用来进行系统的各项参数的显示和人机交互;

（2）电力参数采集和交流输出控制模块。实现对电压、电流、频率等电力参数的采集和对交流输出的控制;

（3）发动机转速、取力器状态采集模块。实现对发动机的转速，取力器状态、档位状态等开关量的监测和控制;

（4）油温、油压、水温采集模块。主要对油温、油压、水温等信号的采集和处理。

图1 系统总体硬件结构图

四个模块采用CAN总线的形式互联，MCU均选用具有ARM7内核的LPC2368，LPC2368采用使用了一个高性能的32位ARM7内核，可以在高达72MHz的频率下操作，具有丰富的外部接口，高性能的主控芯片和丰富的接口，保证了系统信息处理的实时性和系统的可扩展性（见图1）。

2.系统的硬件设计

2.1 电力参数采集方案

目前应用于电力系统的各种智能测量仪表、监控装置和综合自动化系统中，电气量采集和计算的方法主要有两种，一种是直流采样算法，另一种是交流采样算法。本项目采用交流采样算法的电能计量芯片ADE7758搭建电力参数采集电路，ADE7758采用ADC和专用的DSP方式，具有功能强大、精度高，电路简单、成本低、维护简单、可靠性高等特点。本项目的电力参数采集可以使用本芯片作为电压、电流有效值，频率、有功功率、无功功率、视在功率及功率因数的采集和计算，同时，本芯片的波形采集功能，可直接使本项目使用ADE7758采集的波形数据通过CPU计算电压、电流的谐波总含量。由于计算谐波含量数据处理量较大，本设计中外扩一片1024kb的RAM芯片IS63LV1024L。

2.2 油温、油压等信号采集方案

油温、油压、水温的采集采用LPC2368自带的ADC的形式进行采集。于本系统是在车辆发动机上的应用，因此，必须采用高可靠性的车辆专用VDO传感器，此传感器均为电阻形式，可靠性高，线性度好，经过调理电路调理后，输入到ADC中，经过模数转换后给MCU采集。

2.3 转速采集方案

转速的采集则通过磁电传感器将发动机的转速信号转换为电脉冲信号，经过调理后变成方波信号，供MCU采集。

2.4 数字量输入、输出方案

数字量输入采用湿触点的形式，利用光耦隔离后，输入到主控芯片进行数字量状态的采集。

数字量输出采用干触点的形式，主控芯片给出控制信号后，通过光耦隔离后，控制继电器，进而来控制输出。

2.5 CAN接口电路

由于本系统选用的微控制器均具有CAN2.0控制器，因此，不需要外接CAN控制器，本系统选用NXP公司的TJA1040作为CAN总线的通信芯片，选用CAN通信作为监视单元和控制单元的通信手段，使整个系统的拓扑结构简单，容易实现系统的功能的拓展。CAN接口使用TDK公司的共模电感以降低通信噪声，提高整个电路的可靠性。

3.系统的软件设计

软件设计是嵌入式系统的灵魂。硬件所有的系统功能，都需要通过软件来实现，因此，软件设计成为嵌入式系统设计的一项重要任务，并且，软件设计的好坏、可靠性及运行效率直接关系到嵌入式系统的性能。本设计基于高性能ARM7微处理器和CAN总线搭建硬件系统，并在硬件平台上编写系统软件，实现移动电站监控系统的功能。ARM微控制器中的程序均采用C语言来编写，编写软件用Keil for ARM，调试工具采用Keil公司的Ulink仿真器。上位机软件用C++Builder来编写。

本系统三个数据采集功能模块需要将处理好的数据通过CAN通信接口与监视单元实现信息共享。LPC2368采用中断的方式对CAN控制器做出相应的处理。LPC2368的CAN模块工作在正常工作方式。在该方式下，模块主动监听所有总线信息和产生应答、错误帧等。波特率设置为 250kbps。此控制模块按规定格式和周期发送数据到总线上，同时采用中断的方式接收信息。

4.结论

本项目所设计的监控器基于CAN总线通信，系统集测量、保护、控制、通信于一体，取代目前移动电站配电系统各种模拟或数显的电流表、电压表、转速表以及控制和保护装置等，改变了传统仪器的结构，使整个系统拓扑结构简单，易于实现整车各项监控参数的集散控制以及功能扩展，进一步规范了移动电站的操控流程，降低移动电站的维护、培训等边际成本，具有良好的社会和经济效益。

参考文献

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