CN102075009A - 基于can总线的分布式电气负载控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CAN总线的分布式电气负载控制装置，主要解决某些电气负载控制方式设计复杂、维护困难、扩展性低的问题。该装置主要由若干电气负载控制SSPC电路与供电电源模块组成，每个SSPC电路由节点通信电路、数据处理电路和开关控制电路依次连接组成。其中，节点通信电路用于实现SSPC电路与上位PC机的通信；数据处理电路用于对节点通信电路发来的上位PC机指令数据进行校验内和移位提取处理；开关控制电路根据提取的有效指令控制负载电源的通/断，电源模块为SSPC电路中的元器件提供+5V供电。该装置开放性好，扩展性强，可靠性高，经济实惠，适用范围广，能够用于飞机、汽车等包含大量电气负载的应用实体中。

Description

基于CAN总线的分布式电气负载控制装置

技术领域

本发明属于电子设备技术领域，特别涉及电气负载的控制装置，可用于对飞机、汽车、智能楼宇的仪器设备的控制。

背景技术

随着科学技术的不断发展，越来越多的电子仪器设备被集成在飞机、汽车、智能楼宇等应用载体之中，为了解决给不同的设备分配相应的电源供电的问题，配电技术应运而生，而电气负载控制技术是配电技术的核心。

常规配电系统中的电气负载控制方式为离散信号控制线方式，属于传统结构类型，需要大量的连接控制导线、接插件和断路器，设计复杂、维护困难、元器件数量繁多、导线线束过多过粗，如某大型客机的配电和控制用的电缆长达20万米以上，重约2吨多，断路器多达900多个，维护和检修十分困难。

为了克服常规电气负载控制方式的种种缺点，出现了一些新型的电气负载控制装置。如申请号为200810041250.4的“一种通信基站电源的负载管理系统及方法”采用了附带配电屏的负载管理系统，该系统由于其上位控制PC并不是通过通信总线经由控制系统直接作用于电气负载，因此，系统的灵活性与可扩展性比较差，一旦有新的电气负载加入就需要对整个系统的拓扑结构进行调整。又如申请号为200710172765.3的“一种远程直流负载控制器”，该装置内有一颗处理器通过外总线与上位控制PC通信，通过内总线控制各智能开关的通/断，虽然这种控制器的灵活性和可扩展性有所提高，但是相对结构比较复杂，设备成本较高，维修检测的便利性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有电气负载控制方式的种种缺点，提出一种基于CAN总线的分布式电气负载控制装置，以实现在保证装置良好扩展性的基础上使得各种配电系统结构简单化、线束集约化，提高系统运行的可靠性与维修检测的便利性。

为实现上述目的，本发明包括：

若干并连的SSPC电路与供电电源模块，每个SSPC电路包括节点通信电路、数据处理电路和开关控制电路，其中：

所述的节点通信电路主要包括：

CAN收发器，用于接收外部总线上的数据电平信号，并将接收的数据电平信号转换后发送到接口隔离电路；

接口隔离电路，用于接收CAN收发器发送的数据电平信号，并实现电平信号的光电隔离，将隔离后的数据信号发送给CAN控制器；

CAN控制器，用于接收接口隔离电路的数据电平信号，并分析数据电平信号中的逻辑含义；

所述的数据处理电路主要包括CAN控制器和微处理器，该CAN控制器提取上位机发送来的指令信息中的有效数发送给微处理器；微处理器接收CAN控制器输入的数据信号并对其进行数据校验、移位提取指令数据；

所述的开关控制电路包括微处理器、驱动信号放大电路和MOSFET管开关电路，微处理器将提取出的指令数据与控制协议进行比对，并输出控制驱动信号到驱动信号放大电路；驱动信号放大电路将控制驱动信号放大后输出到MOSFET管开关电路；MOSFET管开关电路受控于放大后的控制驱动信号，根据控制驱动信号电平的高低控制负载电源的通/断。

上述分布式电气负载控制装置，其中SSPC电路中的接口隔离电路主要由第一光耦隔离器OP1和第二光耦隔离器OP2组成，第一光耦隔离器OP1对CAN收发器发送的信号进行光电隔离之后传送到CAN控制器；第二光耦隔离器OP2对CAN控制器发送的信号进行光电隔离之后传送到CAN收发器。

上述分布式电气负载控制装置，其中开关控制电路中的驱动信号放大电路由LM158放大器及其外围器件组成，该电路将微处理器输出的逻辑高电平进行增益放大，用于输出到负载电源开关电路，驱动MOSFET管的导通。

本发明结合电气负载控制技术与计算机网络及通信技术，具有如下优点：

1)通信控制总线采用CAN总线，每帧有效字节数最多为8个，并有CRC校验措施，数据出错率低；

2)接收发送信息的CAN控制器和CAN收发器价格便宜，实用性强，经济实惠，节约造价和能源；

3)CAN总线只有两根导线，系统扩充时，直接将新节点挂接在总线上即可，改型灵活，其实际节点数目最多能达到110个；

4)系统具有信号隔离电路，有效抑制环境的电磁噪声干扰，安全性强、可靠性高；

5)驱动信号放大电路结构简约，维护便利性好；

6)MOSFET管开关电路耐电流冲击强度大，工作寿命长，功耗小；

7)DC-DC电源转换电路适应电平范围大，输出电平稳定、可靠。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的SSPC电路结构图；

图3是本发明SSPC电路中的节点通信电路原理图；

图4是本发明SSPC电路中的数据处理电路原理图；

图5是本发明SSPC电路中的开关控制电路原理图；

图6是本发明的电源模块电路原理图；

图7是本发明SSPC电路中的CAN控制器接收数据流程图。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明主要由若干个并连的SSPC电路与电源模块组成。每个SSPC电路都具有CAN总线通信节点，因此SSPC电路能够通过外部CAN总线与上位PC机进行通信，电源模块能够将外接的+28V电源转换成为SSPC电路上器件芯片工作所需的+5V工作电压。每个SSPC电路具有相同的电路结构，如图2所示，它由节点通信电路、数据处理电路与开关控制电路依次连接组成，具体连接关系为：节点通信电路的第二输出端对应连接数据处理电路的第一输入端；节点通信电路的第二输入端接数据处理电路的第一输出端；数据处理电路的输出端接开关控制电路的输入端。其中，该电路中的节点通信电路通过外部CAN总线与配有CAN总线适配器的上位PC机进行连接通信。

参照图3，本发明SSPC电路中的节点通信电路包括CAN收发器、光电隔离电路与CAN控制器三部分。CAN收发器的CH端与CAN总线的隐性线路连接，CL端与CAN总线的显性线路相连，发送端TX与光耦隔离电路中的第一光耦隔离器OP1的输入端相连，CAN总线接收数据信号经过光电隔离之后，进入CAN控制器的接收端RX0，同样，CAN控制器的发送端TX0与光耦隔离电路中的第二光耦隔离器OP2的输入端相连，CAN总线发送数据信号经过光电隔离之后，进入CAN收发器接收端TX。其中，由于使用TX0与RX0作为CAN控制器的发送端与接收端，因此，为了保证参考电平的精准，CAN控制器的RX1接电源+5V。此外，在CAN控制器与光耦隔离器的连接端口之间均串接限流电阻；光耦隔离器与CAN收发器的连接端口之间也串接着限流电阻，CAN控制器的时钟是外部晶振时钟，晶振电路连接于CAN控制器的XTAL1端和XTAL2端之间。该电路中的CAN收发器选用Philips公司的PCA82C250芯片，CAN控制器选用Philips公司的SJA1000芯片，光耦隔离器选用6N137，但不限于这些型号。

参照图4，本发明SSPC电路中的数据处理电路主要由CAN控制器SJA1000与89C51微处理器组成。CAN控制器的8个读写口AD0-AD7与微处理器的8个IO管脚相连，微处理器通过地址操作，将存于CAN控制器接收缓存区里的数据通过读写口读出，首先对读出的数据进行校验处理，再将校验无误后的数据进行移位处理，提取出有效的上位PC机指令数据，并按照设定的协议比对分析提取出来的有效指令数据，根据指令执行相应的操作。此外，CAN控制器的RST复位端和INT初始化端分别与微处理器的RST复位端与INT初始化端相连，CAN控制器的复位与初始化受控于微处理器的程序；微处理器的时钟为外接晶振时钟，晶振电路连接于微处理器的X1端和X2端之间。该CAN控制器SJA1000的数据接收过程如图7所示：在通信的过程中，上位机指令被CAN收发器捕捉后，经过光电隔离，进入CAN控制器的接收寄存器，并产生接受中断；CAN控制器的数据接收方式为中断接收，在CAN控制器判断了产生的中断为接收中断后，将CAN控制器的接收寄存器中的接收值取出发送至微处理器后将接收寄存器清空，为下一次接收数据做好准备。

参照图5，本发明SSPC电路中的开关控制电路包括：微处理器89C51、驱动信号放大电路与MOSFET管开关。放大器LM158的负输入端与微处理器的IO读写口P26相连，正输入端接地，输出端在与负输入端相连形成反馈式放大电路的同时还与MOSFET管的栅极接连，在放大器的输出端和负输入端之间并连着一个RC滤波电路。MOSFET管的源极与漏极作为电路开关的左右端，串联入负载电源与电气负载的电气回路之中。当微处理器接收器收到来自CAN控制器的信息后，如果按照通信协议分析得出开通指令，则在P26口输出高电平，放大器的正负输入端形成压差，该压差在经过放大电路的作用之后，被加到MOSFET管的栅极，从而驱动MOSFET管的源极与漏极接通。

参照图6，电源模块主要为系统的元器件提供+5V的工作电压。本发明的电源模块主要由电源转换芯片与两个稳压二极管组成：28V/5V电源转换芯片选择TI公司的DCP022405U，但不限于该型号，外部接入电源+28V连接用于稳压的二极管，二极管的阴极与电源转换芯片的输入端1与2相连，电源转换芯片的输出端11、12、13、14为CAN控制器、CAN收发器、微处理器等芯片提供+5V的工作电压。

下面以该发明在飞机上的应用为例叙述其整个工作过程：

设受控于该电气负载控制装置的节点为：第一发动机组节点A、第二发动机组节点B、第三发动机组节点C、起落架节点D和自动驾驶装置节点E；上位PC机为配有CAN总线适配器的飞行控制计算机。当飞机处于起飞状态时，飞控计算机向电气负载控制装置发送指令：A节点、B节点、C节点与D节点开通，E节点关闭，各节点对应的SSPC电路中的CAN收发器在CAN总线上捕捉到发给本节点的指令后，将信号经过光电隔离送到CAN控制器的接收寄存器中，微处理器从CAN控制器的接收寄存器中取出指令信息，并对信息进行分析处理，根据预设的控制协议输出电平，A节点、B节点、C节点与D节点的微处理器输出高电平，该高电平经过驱动信号放大电路的作用后将MOSFET管开关接通，E节点的微处理器输出低电平，MOSFET管开关断开；当飞机处于爬升状态时，飞控计算机向电气负载控制装置发送指令：A节点、B节点与C节点开通，D节点与E节点关闭，A节点、B节点与C节点的微处理器输出高电平，MOSFET管开关接通，D节点与E节点的微处理器输出低电平，MOSEFET管开关断开；当飞机处于改平巡航状态时，飞控计算机向电气负载控制装置发送指令：A节点、B节点与E节点开通，C节点与D节点关闭，A节点、B节点与E节点的微处理器输出高电平，MOSFET管开关接通，C节点与D节点的微处理器输出低电平，MOSFET管开关断开；当飞机处于降落状态时，飞控计算机向电气负载控制装置发送指令：A节点与D节点开通，B节点、C节点与E节点关闭，A节点与D节点的微处理器输出高电平，MOSFET管开关接通，B节点、C节点与E节点的微处理器输出低电平，MOSFET管开关断开。

Claims (3)

1.一种基于CAN总线的分布式电气负载控制装置，包括若干并连的SSPC电路与供电电源模块，每个SSPC电路包括节点通信电路、数据处理电路和开关控制电路，其特征在于：

所述的节点通信电路主要包括：

CAN收发器，用于接收外部总线上的数据电平信号，并将接收的数据电平信号转换后发送到接口隔离电路；

接口隔离电路，用于接收CAN收发器发送的数据电平信号，并实现电平信号的光电隔离，将隔离后的数据信号发送给CAN控制器；

CAN控制器，用于接收接口隔离电路的数据电平信号，并分析数据电平信号中的逻辑含义；

所述的数据处理电路主要包括CAN控制器和微处理器，该CAN控制器提取上位机发送来的指令信息中的有效数发送给微处理器；微处理器接收CAN控制器输入的数据信号并对其进行数据校验、移位提取指令数据；

所述的开关控制电路包括微处理器、驱动信号放大电路和MOSFET管开关电路，微处理器将提取出的指令数据与控制协议进行比对，并输出控制驱动信号到驱动信号放大电路；驱动信号放大电路将控制驱动信号放大后输出到MOSFET管开关电路；MOSFET管开关电路受控于放大后的控制驱动信号，根据控制驱动信号电平的高低控制负载电源的通/断。

2.根据权利要求1所述的分布式电气负载控制装置，其特征在于接口隔离电路主要由第一光耦隔离器OP1和第二光耦隔离器OP2组成，第一光耦隔离器OP1对CAN收发器发送的信号进行光电隔离之后传送到CAN控制器；第二光耦隔离器OP2对CAN控制器发送的信号进行光电隔离之后传送到CAN收发器。

3.根据权利要求1所述的分布式电气负载控制装置，其特征在于驱动信号放大电路由LM158放大器及其外围器件组成，该电路将微处理器输出逻辑高电平进行增益放大，用于输出到负载电源开关电路，驱动MOSFET管的导通。

Images