CN201035402Y

CN201035402Y - 一种can总线控制的电源开关

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Publication number: CN201035402Y
Application number: CNU2007201392034U
Authority: CN
Inventors: 江望
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2017-02-06

Abstract

本实用新型是一种CAN总线控制的电源开关，由固态继电器、CAN节点、CAN节点电源模块及辅助电路组成。它基于CAN总线技术，上位机可以通过一条两芯的CAN总线控制这个电源开关，实现电源的开通与关断控制，并且本电源开关的开通、关断状态可通过CAN总线反馈给上位机。本电源开关的所有组件均固化在一个结构紧凑的一体化模块内，构成一个独立完整的带CAN总线控制接口的电源开关。它在实际应用中具有安装、布线简单，便于分散安装、统一控制的特点，主要应用于对电源进行数字化控制的现场。

Description

一种CAN总线控制的电源开关

本人开发了一种CAN总线控制的电源开关，说明如下：

技术领域

随着计算机技术和通讯技术的快速发展，自动化控制是信息时代发展的必然趋势。本电源开关是基于CAN总线控制与通讯技术的电源控制元件，主要应用于电源的数字化控制。

技术背景

在目前的工业现场控制系统中，固态继电器的应用很广泛，2006年中国就生产了约19亿个各种继电器。但它们绝大多数都没有数字化控制功能，对分散的电源点进行控制时，只能布设控制电缆，一条控制线对应一个继电器，常常需要多芯控制电缆，有时要用到多达48芯的控制电缆，施工复杂，也大量浪费了铜材，且控制距离较短。

因此非常需要有一种数字化控制的电源开关，要求它可以使用最简单的两芯控制总线实现控制多个开关，便于现场多个开关在各个地点分散安装，统一控制。

两芯的双绞线通讯总线有很多，有RS485、RS232，以及CAN、HART、LONWORK、PROFIBUS、FF、MODBUS等现场总线标准……

经过调查研究与技术分析，BOSCH公司开发的CAN总线(Controller Area Network)，以较低的成本、较高的实时处理能力和在恶劣的强电磁干扰环境下可靠的工作，美国许多企业已将CAN作为内部总线应用在生产线和机床上。同时，由于CAN总线可以提供较高的安全性，因此在医疗领域、纺织机械和电梯控制中也得到广泛应用。

CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。CAN的这种非破坏性解决总线存取冲突的方法，确保在不传送有用消息时总线不被占用。甚至当总线在重负载情况下，CAN这种以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种可靠有效的系统。

一条CAN总线上，可以挂接110个标准的CAN节点，节点连接方式灵活。传输距离远，当信号传输距离达到10Km时，CAN总线仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。而且，CAN总线可靠性高，误码率低于10^-8，技术成熟，全世界数以千万的汽车在使用，应用广泛，芯片生产量大，成本相对较低。

根据以上分析，本人开发的电源开关的控制通讯决定使用CAN总线技术，它的特点是可靠、成熟，速度较快、传输距离远、组网方式灵活。目前市场上虽然有CAN节点元件，也有固态继电器，但如果应用于电源控制，则需多个组件、另备直流5V电源，安装复杂，难度大。因此，本人开发了这种带CAN控制接口的电源开关，它是一个独立的元件。

实用新型内容

本人经过技术研究与市场调查，现开发了一种CAN总线控制的电源开关，目的是提供一种能通过一条两芯线缆进行数字化控制、结构简单、安全、体积小、成本低的电源控制开关。

这种开关主要由可控开关、CAN节点、CAN节点电源和外围的辅助电路组成。说明如下：

(1)可控开关选用了固态继电器SSR(SOLIDSTATE RELAYS)，根据被控电源的电压、电流要求，选用对应规格的固态继电器。

固态继电器主要有以下特点：

1、技术先进并已经走向成熟，应用广泛；

2、它的控制电压低、控制电流较小，一般为3-5V，20-50mA；

3、无触点，安全可靠性高；

4、无噪音；

5、寿命长，开关次数可达可达10⁸以上；

6、体积小，一个单相250V，10-40A的固态继电器体积为57*44*24mm；

7、成本也较低。一个AC220V/10A的固态继电器的市场价格为20元左右一个，市场前景较好。

它也有一些缺点：导通后的管压降大，有一定发热量；关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流；过载能力低。但这些都是小问题，不影响它的推广使用。

(2)CAN节点的设计

在本设计方案中，对CAN电源开关的传输控制与响应等指令信号只有几个字节，数据量很小，而且CAN总线又是一个非常成熟可靠的技术，数据传输距离与速率、可靠性方面没有困难，关键的要求在于：体积小、成本低。

本方案CAN节点芯片主要包括三个，说明如下：1、CAN收发器：使用芯片MCP2551；2、CAN控制器：MCP2515；3、CPU(单片机)使用了AVRATmega16；以上芯片与辅助电路组成一个完整的微型嵌入式控制系统。

(3)CAN节点电源

本方案中的CAN节点元件的电源取自于被控电源，即固态继电器的进线，需要一个模块将其变换为DC5V，提供给CAN节点和辅助电路。本CAN节点的功耗很低，最大功耗小于1.5W，电源模块选用市场现有的直流输出为DC5V/2.5W电源模块。根据被控电源的电压，选用相应的电源转换模块，如，控制AC220V电源，则配AC220V输入DC5V/2.5W输出的电源模块。

体积控制：

AVR ATmega16的体积：44脚塑料鸥翼方形扁平式封装(TQFP)长12.25×宽12.25×厚1.20mm

收发器：MCP2551的体积：5.00×6.20mm×1.75mm

CAN控制器MCP2515的体积：20引脚塑封薄型缩小外形封装(TSSOP)：6.6.×6.50×厚1.10mm

以上三个芯片体积均如指甲大小，符合体积控制要求，且功耗也很小，散热方面没问题；

AC220V转DC5V/2.5W的电源模块，带外壳的体积为37×18.5×16.5mm，符合体积控制要求；

PCB(即电路板Printed Circuit Board)使用1mm厚度的双面板，成本也不高，电源模块、CAN节点、加上主要使用以贴片元件为主的紧凑设计外围辅助电路，除固态继电器外的所有组件可以做在一个比火柴盒略大的体积内，基本满足方案设计要求和实际应用需要。

在批量生产中，本电源开关的固态继电器、CAN节点、CAN节点电源模块及辅助电路等全部组件封装成一个独立的元件，内部间隙用硅橡胶(Silicone Rubber)填充。

成本控制：

节点元件CAN收发器MCP2551、CAN控制器MCP2515、CPU(单片机)AVR的ATmega16以上三个芯片的总成本按零售价进货为34元，如果批量进货，可以控制在25元左右；电源模块为25元，一个AC220V/10A的固态继电器为20元。

整个的CAN控制电源开关的成本可以控制到100元以内。

附图说明

图1、CAN总线控制的电源开关内部原理图；

图2、CAN总线控制的电源开关外形图；

图3、MCP2551芯片引脚示意图；

图4、MCP2551芯片引脚示意图；

图5、CAN主芯片电路原理图；

图6、CAN节点电路控制输出与固态继电器连接示意图；

图7、“一控二”型CAN总线控制的电源开关。

具体实施方式

每个本电源开关的内置CAN节点都预设有自己的地址码即ID号，以区别于其他CAN节点。

CAN节点的主芯片为单片机AVR ATmega16，一个44脚(TQFP封装)的8位AVR微处理器，它技术参数有：16MHz的运算速度，1K内存，带JTAG接口、SPI接口，16K字节的系统内可编程Flash，512字节的EEPROM。上电后，单片机AVR ATmega16运行其片内控制程序进行初始化，控制CAN节点进行工作。

它们的芯片引脚功能见附图3《MCP2551芯片引脚示意图》、附图4《MCP2551芯片引脚示意图》、附图5《CAN主芯片电路原理图》。为了便于绘图与表达，图中芯片均为DIP封装的芯片示意图。

上位机的控制指令即CAN信号经H、L接线接入MCP2551芯片的第6、7脚，MCP2551芯片的数据信号经第1脚(TXCAN)、4脚(RXCAN)接到MCP2515的第1、2脚；

MCP2515芯片的第13、14、15脚与CAN主芯片ATmega16的SPI口即8、6、7脚连接；

根据预设的指令协议(见附录1)，在CAN主芯片ATmega16上运行控制程序，通过SPI口控制MCP2515芯片，经CAN收发器即MCP2551芯片进行CAN数据收发；

CAN主芯片ATmega16对固态继电器的控制，是通过I/O口中的PORTA0口即第40、脚输出，置高电平“1”为开通，“0”低电平为关断；反馈信号则是通过PORTA1即第39脚输入；接口电路详见附图6《CAN节点电路控制输出与固态继电器连接示意图》。

固态继电器的开通、关断状态经PORTA1口即第39脚反馈到ATmega16芯片，ATmega16再按照协议所规定，发送“0x31+7个字节描述符”信号经CAN总线反馈给上位机。

固态继电器的出线状态(有电压否)是出线电压经电阻降压、光耦隔离等处理后，反馈到ATmega16芯片的PD 2即第16脚，ATmega16芯片通过CAN总线向上位机发送“0x50”或“0x51”+“7个字节描述符”表示继电器出线有或无电压；

“一个CAN节点控制多路电源的开关”如何实现的说明：

CAN主芯片ATmega16共有32个I/O口，分为四组端口PORTA(简称PA)、PORTB、PORTC、PORTD，每组端口有8个I/O口，简称PA0、PA1……依次类推。

其中，PA0，PA1，PB4567、PC2345、PD012，，RESET，PC2345已经使用，而PC2345是用于JTAG接口，用于程序调试，调试结束后，也是闲置的I/O口。

所以，可以用于控制固态继电器的I/O口引脚共有以下24个：PA01234567、PB0123、PC01234567、PD4567，所以本CAN节点至少控制8个固态继电器，也可以做成“一控二”、“一控三”……“一控八”型的CAN总线控制的电源开关。

示例见图7《“一控二”型CAN总线控制的电源开关》。

就地手动控制：在批量生产中，为了能够对这个CAN总线控制的电源开关能就地用手动控制，它内部的电源模块可在在开关外增加一个DC5V电源输出端子，同时保留原固态继电器的5V控制接线端子，这样设计，既可以CAN计算机(远程)控制，也可以用5V就地手动控制。

本人设计开发的这种CAN总线控制的电源开关主要具备了以下特点：

1、该电源开关能由上位机(即计算机或单片机控制系统等)通过CAN总线进行数字化控制，便于统一控制；

2、能将本电源开关的状态反馈回上位机；

3、该电源开关是独立元件，结构简单，体积小，方便分散安装；

4、该电源开关通过一条两芯线缆的CAN总线与控制主机连接，一条CAN总线可以控制110个节点开关，每个节点开最多可以控制8路电源，大大降低了系统应用成本，实用性强；

5、成本较低；

6、它也可以就地手动控制。

它主要应用于用计算机控制、远程控制的电气自动化现场，如舞台灯光控制、音乐喷泉控制、智能小区电源控制、军事基地或舰船上的电器自动化控制系统等。

我国生产固态继电器的数量虽然巨大，但竞争激烈，利润低簿，本人开发的这种“CAN总线控制的电源开关”可以增加其技术含量和附加价值，社会效益显著。

Claims

1.一种CAN总线控制的电源开关，由固态继电器(1)、CAN节点(2)、CAN节点电源模块(3)及辅助电路构成；CAN节点电源模块(3)的作用是电源转换，为CAN节点(1)和辅助电路提供其运行所需的直流电源；本电源开关的外部接线端子有CAN节点进线的H、L接线端子及被控电源的进线、出线端子；上位机通过CAN总线与CAN节点(2)连接，CAN节点(2)的I/O输出可控制固态继电器(1)；

本电源开关可以被上位机以CAN总线方式控制，实现方式是上位机以基于CAN总线技术，按预设定的协议发出控制指令，通过CAN总线发送到CAN节点(2)，CAN节点(2)根据指令控制固态继电器(1)，实现电源的开通、关断；本电源开关的开通、关断状态可通过CAN总线反馈给上位机，

其特征是：它的所有组成部分包括固态继电器(1)、CAN节点(2)、CAN节点电源模块(3)及辅助电路以上组件全部集成固化在一个结构紧凑的一体化模块内，构成一个独立完整的带CAN总线控制接口的电源开关。

2.根据权利要求1所述的一种CAN总线控制的电源开关，其特征是：它内部集成的CAN节点电源模块(3)的电能来源于被控电源的进线。