基于CAN總線的懸浮控制器監(jiān)控終端的設計
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對于多點懸浮控制，控制器的數(shù)目很可能不止一個，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必須考慮的問題。由CAN總線組成的網絡具有結構簡單、可靠性高的特點，可以實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播的特點，因此，對于懸浮控制來說，使用CAN網絡作為通信網絡是一個比較理想的選擇。另一方面，處于復雜工作環(huán)境下的數(shù)字控制器很有可能在電磁干擾或電源波動的情況下進入“飛車”狀態(tài)，從而使一點或多點懸浮失敗。這就要求在CAN網絡中設計一個上層的監(jiān)督節(jié)點對這些網絡中的節(jié)點進行有效的監(jiān)督和實時調整。
用計算機的并行接口配合專用的CAN驅動芯片設計的CAN網絡監(jiān)視器/調試器具有實現(xiàn)方便、界面友好的特點，但在實際的控制現(xiàn)場，這種基于計算機的監(jiān)控系統(tǒng)具有攜帶不方便和造價高等問題。因此，設計一個便攜式的CAN網絡監(jiān)督/調試器具有較大的實際意義。本文介紹一種基于TMS320LF2407A DSP的便攜式CAN網絡監(jiān)控終端。它具有使用簡單、界面友好、體積小的特點，適合于磁浮列車懸浮控制器的現(xiàn)場監(jiān)督和調試。
1 系統(tǒng)簡介
對于多點懸浮控制來說，為了降低風險和提高控制靈活性，1個懸浮點一般由1個單獨的控制器控制，各個懸浮點和監(jiān)控節(jié)點的關系如圖1所示。CAN監(jiān)控終端也是CAN網絡中的一個普通節(jié)點，通過雙絞線連入整個網絡。
對于每個懸浮點，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)個數(shù)也不一樣。監(jiān)控節(jié)點的任務就是向其中的某個懸浮節(jié)點發(fā)出發(fā)送允許命令，該懸浮節(jié)點在接收到這個命令后，就定時地將傳感器和控制器當前的參數(shù)打包發(fā)送到CAN總線上，然后再由監(jiān)控節(jié)點監(jiān)聽這個節(jié)點發(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。長時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，用于對懸浮控制算法的評估。如果需要對當前被監(jiān)控的控制器的某些參數(shù)進行修改，也可以通過CAN監(jiān)控終端的人機接口向目標節(jié)點發(fā)送修改命令。
在實現(xiàn)上，CAN監(jiān)控終端的主控芯片選用TI公司的TMS320LF2407A型DSP。該DSP除了具備片內資源豐富、運算速度快、成本低、功耗小等特點外，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液晶屏來實現(xiàn)，可以把各個參數(shù)變化的趨勢用曲線描繪出來，靈活性好。用戶輸入采用行列掃描式鍵盤，使硬件實現(xiàn)和軟件編程均比較方便。
2 硬件設計
系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2所示。從圖中可以看出，TMS320LF2407A DSP是整個電路的核心部件。它是面向實時控制的高性能16位定點DSP，具有32K字的片內Flash程序存儲器和2.5K字的片內RAM，運算速度可以達到40MIPS，并帶有片上串行通信接口和CAN通信接口等。這些特點為CAN監(jiān)控終端的設計和實現(xiàn)帶來了很大便利。在硬件實現(xiàn)上，考慮到系統(tǒng)對體積和功耗的要求，將所有的DSP程序和LCD的字庫均通過JTAG口直接燒寫在DSP的片內Flash中，通電后程序即可直接在片內Flash中運行。DSP的晶振頻率選擇6MHz，通過DSP片內的PLL鎖相環(huán)4倍頻后使DSP的工作主頻達到24MHz。
由于DSP片內備有CAN控制器模塊，因此，監(jiān)控終端的CAN模塊設計很簡單，只需在DSP的CANTX和CANRX引腳上接1個CAN驅動芯片即可。這里選用的CAN驅動芯片是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導致電平沖突。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。在進行數(shù)據(jù)交換時，DSP的R/W信號控制著LVC4245的數(shù)據(jù)流向。
LCD選用240×128點陣的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，底層驅動的編寫也比較容易。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的驅動時序。LCD的幾個狀態(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個鍵組成，因此在硬件設計上采用5×4的行列掃描方式：即由74HC573提供5個輸出行線，由74HC244提供4個列輸入，由DSP提供行列掃描時序?？紤]到電平匹配問題，74HC573和74HC244與DSP數(shù)據(jù)總線之間的連接也是通過LVC4245緩沖。
LCD和鍵盤接口的74HC573以及74HC244芯片均由1片GAL通過對DSP的地址總線進行譯碼實現(xiàn)選通，其電路簡單，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導致意外停機事故，這里還采用1片LM311構建了一個電池電量報警電路，以便在電池電壓低于安全電壓時點亮LED報警提示。為了操作方便，所有的硬件電路以及電池等均安裝在一個便攜的塑料外殼中。
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