CN103401747A - 一种分布式浮动控制器局域网通讯系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式浮动控制器局域网通讯系统，其特征在于，包括设置在F-CAN总线上的MCU，浮动控制器，若干个浮动电位节点，所述浮动控制器和浮动电位节点均为耦合隔离通信方式；MCU通过I/O总线将控制指令或数据传送给浮动控制器，浮动控制器将控制指令或数据转换成浮动电位节点可以识别的指令帧或者数据帧结构后通过收发器将信息传送到F-CAN总线上，下一个浮动电位节点采集到信息后经过处理并通过F-CAN总线传送给与之相连的另一个浮动电位节点，如此循环直到最后一个浮动电位节点将信息处理后传送给浮动控制器，系统采用闭环的菊花链架构，利用耦合隔离通讯方式和相应的编码方式实现不同电位节点之间的通讯，具有低成本，高抗干扰，高可靠性的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式浮动控制器局域网通讯系统。
背景技术
在大容量电池储能系统或者太阳能电站的应用中，先要将单个或多个单体电芯串并联组成一定容量和电压标准的电池模块（battery module）或者电池组串, 然后在标准模块的基础上再进行串联、并联的组合，形成更高电压，更大容量的储能或者发电系统。这种分布式的结构需要对每个不同电位的节点（电池模块或者电池组串）进行通讯，以获得每个单元的信息并进行管理。
大容量电池在储能系统的通讯连接，传统的方式主要采用星形连接结构，本地节点信息采样结束以后，利用光耦或者磁耦器件的隔离通讯的方式将信息传递给和中央控制单元共地的控制器，然后控制器通过CAN总线或者485总线，将数据传递给中央控制单元。或者中央控制单元通过总线的通讯方式对共地的本地控制器发布命令，本地控制器通过隔离器件和高压采样节点进行控制。该方式需要多路的隔离器件（数据和时钟），单独的协议控制器件（一般为MCU）， 以及收发器和线路的驱动器。这种系统架构具有成本较高，抗干扰能力弱，可靠性差的弱点。发明人根据可用于电平浮动控制器局域网技术（FCAN：Floating Controller Area Network），采用闭环的菊花链架构，对现有系统架构进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式浮动控制器局域网通讯系统，采用闭环的菊花链架构，利用耦合隔离通讯方式和相应的编码方式实现不同电位节点之间的通讯，具有低成本，高抗干扰，高可靠性的特点。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种分布式浮动控制器局域网通讯系统，其特征在于，包括设置在F-CAN总线上的MCU，浮动控制器，若干个用于采集、处理、发送本地电源模块信息的浮动电位节点，所述浮动电位节点包括收发器、数据采集单元、数据中继单元、编解码单元、帧复用单元和收发器；所述浮动控制器和浮动电位节点均为耦合隔离通信方式；所述MCU通过I/O总线将控制指令或数据传送给浮动控制器，浮动控制器将控制指令或数据转换成浮动电位节点可以识别的指令帧或者数据帧结构后通过收发器将信息传送到F-CAN总线上，下一个浮动电位节点采集到信息后经过处理并通过F-CAN总线传送给与之相连的另一个浮动电位节点，如此循环直到最后一个浮动电位节点将信息处理后传送给浮动控制器，浮动电位节点采用菊花链连接且与浮动控制器形成闭环。
整个系统采用闭环的菊花链架构，利用耦合隔离通讯方式和相应的编码方式实现不同电位节点之间的通讯，具有低成本，高抗干扰，高可靠性的特点。
进一步的，所述浮动控制器和浮动电位节点可以是磁耦合也可以是电容耦合。浮动控制器和各浮动电位节点均设置有正、负接收端和正、负发送端。
进一步的，所述浮动控制器包括收发器和成帧器，所述收发器包括：用于减少收发器回波损耗的输入匹配电阻，用于浮动电位节点处输入信号缓冲并给输入处耦合器件提供偏置的输入缓冲器，用于滤除输入信号高频噪声的滤波器，用于检出输入信号的峰值并制定数据的判别门限的峰值检测和数据判别器，采用锁相环和提取信号传输的时钟以获得同步信息并提取数据的数据采样和时钟恢复器；所述成帧器用于把主机的数据和命令的解码翻译成浮动控制器可识别的数据和命令并进行校验数据，把浮动控制器采集的数据、状态和告警等信息进行编码，作为主机可以识别的数据帧进行传送，或者把这些编码后数据复用到前级传过来的数据帧中，作为数据复帧进行传送。
进一步的，编码方式是极性交替转换码、三阶高密度码、数字双相码中的一种，系统采用基带传输的方式进行通信。
本发明的有益效果是：整个系统采用闭环的菊花链架构，利用耦合隔离通讯方式和相应的编码方式实现不同电位节点之间的通讯，具有低成本，高抗干扰，高可靠性的特点。
附图说明
图1为本发明磁耦合隔离通信的分布式浮动控制器局域网通讯系统架构图；
图2为本发明电容耦合隔离通信的分布式浮动控制器局域网通讯系统架构图；
图3为图1中浮动控制器的结构图；
图4为图2中电容耦合的接口示意图；
图5为本发明的线路驱动器输出“+1”的数据时序和电气特性图；
图6为本发明的线路驱动器输出“-1”的数据时序和电气特性图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1和图2所示，其中图1是磁耦合隔离通信的分布式浮动控制器局域网通讯系统架构图，2为本发明电容耦合隔离通信的分布式浮动控制器局域网通讯系统架构图。
一种分布式浮动控制器局域网通讯系统，包括设置在F-CAN总线上的MCU，浮动控制器，若干个用于采集、处理、发送本地电源模块信息的浮动电位节点，所述浮动电位节点包括收发器、数据采集单元、数据中继单元、编解码单元、帧复用单元和收发器；所述浮动控制器和浮动电位节点均为耦合隔离通信方式；所述MCU通过I/O总线将控制指令或数据传送给浮动控制器，浮动控制器将控制指令或数据转换成浮动电位节点可以识别的指令帧或者数据帧结构后通过收发器将信息传送到F-CAN总线上，下一个浮动电位节点采集到信息后经过处理并通过F-CAN总线传送给与之相连的另一个浮动电位节点，如此循环直到最后一个浮动电位节点将信息处理后传送给浮动控制器，浮动控制器可以判断数据的有效性，并把数据传给MCU，浮动控制器也可以作为简单的收发器，由MCU来判断数据的有效性。浮动电位节点采用菊花链连接且与浮动控制器形成闭环。其中浮动控制器和浮动电位节点可以是磁耦合也可以是电容耦合，信道采用同轴电缆或双绞线，也可以带屏蔽线，可以根据需要自行选择。浮动控制器和各浮动电位节点均设置有正、负接收端和正、负发送端，其中RPOS/RNEG 分别为每个节点收发器的接受端的正端和负端，TPOS/TNEG分别为节点收发器的发送端的正端和负端。
如图3所示，浮动控制器包括收发器和成帧器，其中收发器包括：用于减少收发器回波损耗的输入匹配电阻，用于浮动电位节点处输入信号缓冲并给输入处耦合器件提供偏置的输入缓冲器，用于滤除输入信号高频噪声的滤波器，用于检出输入信号的峰值并制定数据的判别门限的峰值检测和数据判别器，采用锁相环和提取信号传输的时钟以获得同步信息并提取数据的数据采样和时钟恢复器；去掉在传输过程中的频率抖动和漂移的抖动衰减器，抖动衰减器是可选的功能模块。其中峰值检测和数据判别器检出信号的峰值，按照一定的比例（分压）作为数据的判别门限，高于这个电平为“1”，低于门限为“0”，当然也可以反过来。图4为图2中电容耦合的接口示意图。
所述成帧器用于把主机的数据和命令的解码翻译成浮动控制器可识别的数据和命令并进行校验数据，把浮动控制器采集的数据、状态和告警等信息进行编码，作为主机可以识别的数据帧进行传送，或者把这些编码后数据复用到前级传过来的数据帧中，作为数据复帧进行传送。成帧器包括数据成形器和线路驱动器，其中数据成形即输出滤波器，就是把要传送的数据进行整形，是要传送数据的能量的频谱适合于指定信道的传输；线路驱动器用于驱动电缆等负载，使输出信号满足传输的要求。图3中的输出阻抗匹配电阻RT用于阻抗匹配以减小回波，提高数据的完整性。该电阻也可以集成到线路驱动器中，以减少该电阻的能量损耗。对于磁耦合，在两个浮动电位节点之间传输数据时，只需要一个变压器就可以满足隔离的要求，视实际应用的要求来定，一个节点输出端有隔离变压器，下一个节点的接受端就不需要了。电容耦合也一样。线路驱动器输出“+1”和“-1”的数据时序和电气特性如图5和图6所示，输出的波形是经过编码的数据，满足直流分量尽量小的要求，波形的参数适合信道的传输，其通信模式可以是同步模式：主机发布广播命令，各个节点接受到命令后执行同样的操作，利用命令帧来同步，也可以是异步模式：各个节点自由工作在本地时钟上，每个节点可以异步的向主机发布告警等信息，还可以是数据同步读取和复用：主机发出读取命令，节点的读取命令后自动产生数据帧并把数据帧复用到传输数据中，并把数据传送到下一个节点。
波形的主要参数(TPOS-TNEG):
系统采用基带传输的方式进行通信。采用基带传输的方式，对编码的要求为：对于传输频带低端受限的信道，例如信道采用电容耦合或者磁耦合期间时，数字信号频谱中应不含直流分量；信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰；便于在数字信号中提取位定时信息(位同步)；基带传输码型最好具有内在的纠错能力；编译码设备简单、可靠。在本系统中编码方式可以是极性交替转换码、三阶高密度码、数字双相码中的一种。由于收发器比较大，电源可以是单独的外接电源，也可以是本地的电源，例如电池供电，某个节点可以通过向下一个节点发出连续数据（可以标示为无用数据）来消耗掉本地多余的能量，使得整个系统能量均衡。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种分布式浮动控制器局域网通讯系统，其特征在于，包括设置在F-CAN总线上的MCU，浮动控制器，若干个用于采集、处理、发送本地电源模块信息的浮动电位节点，所述浮动电位节点包括收发器、数据采集单元、数据中继单元、编解码单元、帧复用单元和收发器；所述浮动控制器和浮动电位节点均为耦合隔离通信方式；所述MCU通过I/O总线将控制指令或数据传送给浮动控制器，浮动控制器将控制指令或数据转换成浮动电位节点可以识别的指令帧或者数据帧结构后通过收发器将信息传送到F-CAN总线上，下一个浮动电位节点采集到信息后经过处理并通过F-CAN总线传送给与之相连的另一个浮动电位节点，如此循环直到最后一个浮动电位节点将信息处理后传送给浮动控制器，浮动电位节点采用菊花链连接且与浮动控制器形成闭环。
2.根据权利要求1所述的一种分布式浮动控制器局域网通讯系统，其特征在于，所述浮动控制器和浮动电位节点均为磁耦合。
3.根据权利要求1所述的一种分布式浮动控制器局域网通讯系统，其特征在于，所述浮动控制器和浮动电位节点均为电容耦合。
4.根据权利要求2或3所述的一种分布式浮动控制器局域网通讯系统，其特征在于，所述浮动控制器包括收发器和成帧器，所述收发器包括：用于减少收发器回波损耗的输入匹配电阻，用于浮动电位节点处输入信号缓冲并给输入处耦合器件提供偏置的输入缓冲器，用于滤除输入信号高频噪声的滤波器，用于检出输入信号的峰值并制定数据的判别门限的峰值检测和数据判别器，采用锁相环和提取信号传输的时钟以获得同步信息并提取数据的数据采样和时钟恢复器；所述成帧器用于把主机的数据和命令的解码翻译成浮动控制器可识别的数据和命令并进行校验数据，把浮动控制器采集的数据、状态和告警等信息进行编码，作为主机可以识别的数据帧进行传送，或者把这些编码后数据复用到前级传过来的数据帧中，作为数据复帧进行传送。
5.根据权利要求4所述的一种分布式浮动控制器局域网通讯系统，其特征在于，编码方式是极性交替转换码、三阶高密度码、数字双相码中的一种，系统采用基带传输的方式进行通信。
6.根据权利要求1所述的一种分布式浮动控制器局域网通讯系统，其特征在于，浮动控制器和各浮动电位节点均设置有正、负接收端和正、负发送端。
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