双CAN总线与以太网监控电路设计指南 —电路图天天读（93） - 全文

　　目前最常用的现场总线为CAN总线，CAN总线以可靠性高、成本低、应用灵活等诸多优点，已广泛应用于智能通信网络中，但收发器驱动能力的限制不适合远距离数据传输及远程控制。而以太网技术成熟、通信速度快、软硬件产品丰富和外围技术支持全面，可以利用网络进行远距离通信，但在工业控制中仍然存在部分问题尚未解决。结合CAN总线与以太网自身的优缺点，本文研究了适用于船舶监控系统基于双CAN总线与以太网的现场监控模块，该模块可安装于配电开关柜内，能够就近进行电流、电压及开关状态信息的采集，独立进行数据处理，实现测量、保护、控制等功能。能够通过冗余双CAN总线与其他智能节点进行通信，并且通过以太网上传重要数据给监控台，协助监控台完成监测和控制功能。作为配电网络与监控网络连接的纽带，具有很好的开发应用前景。

　　现场监控模块的硬件系统

　　在现场监控模块中，大量的现场实时数据需要采集和处理，并及时、迅速地向集中监控台传输，即向集中监控台提供整个控制过程的具体数据，同时还要完成判断处理并通过输出模块发送各种控制命令，考虑到其功能复杂程度，采用了DSP+FPGA双控制器的硬件方案，其硬件结构原理参见图1。

　　1） A/D芯片 该系统采用AD7865作为A/D芯片，该芯片为高速14位A/D转换器，同时采样4个输入通道，并具有4个采样、保持放大器。其优点在于能够真正实现多路信号的同步采样，并保持各通道信号的相位关系。具有片内时钟、读写允许逻辑、多种通道选择方式以及内部精确的2.5V参考电压，使得其与高速处理器的接口变得非常简单。本系统共配置了4片AD7865，能同步采样多达16路模拟量数据。

　　2） 电磁隔离 所有开关量的输入输出均采用电磁隔离技术，可有效提高抗干扰能力，本系统选择了16片4路集成电磁隔离芯片ADUM1410，使得该模块能同时完成多达32输入，32路输出的数据采集。

　　3） FPGA 该系统以EP1C6PQ240作为系统的辅控制芯片，该芯片有5980个逻辑单元，嵌入式存储块有一列M4K块，每个M4K块可以组成各种存储器，包括双端口、单端口RAM、ROM和FIFO等，I/O单元包含一个双向I/O缓冲器和三个寄存器，具有2个锁相环和8个独立系统时钟，芯片管脚数为240个， 可用管脚数为185个。FPGA主要完成数据输入输出控制及数据预处理功能。所有的开关量信号送入FPGA，所有的模拟量信号经A/D芯片转换为数字信号后也送入FPGA，FPGA需要向A/D芯片提供控制信号来控制A/D芯片的读写，所有的数据由FPGA预处理后供DSP读取。

　　4） DSP 该系统以TMS320LF28335作为主控制芯片［4~5］，该芯片为低功耗、高性能的32位芯片，其内部集成了多种功能模块，不但包括多种通信接口， 且同一种通信接口的数量不止一个，如SCI串口有3个，CAN口有2个，只需增加简单的外围器件即可实现扩展功能。DSP主要完成数据处理、逻辑控制及通讯功能。由于FPGA已将大量数据做了预处理，且本系统中DSP与FPGA的16位地址线和16位数据线均相连，采用并行数据传输，DSP只要通过简单的指令即可快速读取所需要的开关量和模拟量值，为状态监控及故障诊断功能提供基础。

　　5） CAN通信 大多数嵌有CAN控制器的控制芯片只有一个CAN控制器，如果希望系统具有双CAN接口，则需要外接一个CAN控制芯片，增加了硬件成本，电路结构更复杂。

　　而本系统使用的DSP芯片中嵌有两个CAN控制器，因此只要将两个CAN控制器分别外接CAN驱动器就可以实现与两条独立的CAN总线连接。图2以 CANA为例显示了TMS320LF28335的CAN通信接口电路，CANB的电路设计与此相同。CAN总线收发器82C250是驱动CAN控制器和物理总线间的接口，提供对总线的差动发送和接收功能。利用高速光耦6N137，实现收发信号的隔离和DSP与82C250之间的电平匹配。

　　6） 以太网通信 本系统选用了W5100作为以太网接入芯片。W5100包含了TCP/IP、UDP等网络协议和DLC、MAC以太网协议。它提供多种总线，包括两种并行总线以及SPI串行总线等接口方式。内置16KB数据缓冲双口RAM，可快速进行数据交换。图3为以太网通信接口电路图。

　　W5100供电电压为3.3V和1.8V，其中1.8V可由芯片内部线性稳压电源产生，外接滤波电路后供回芯片。L1、L2均为1μH的电感，C3、C4均为0.1μF的电容。根据 W5100的工作频率要求，需在XTLP和XTLN引脚间接25MHz晶振及接地电容C1和C2，均为22pF。W5100的内部模拟电路需要在 RSET_BG引脚与地之间外接精度为1%的电阻R4和R5，阻值分别为12k和300Ω。为了实现电气隔离，消除部分谐波（根据结构的不同可以消除不同次的谐波），有效降低零地电压，需要在W5100与外部接口之间接网络变压器。本系统网络变压器选11FB-05NL，网络变压器的RXPI与RXIN、 TXOP与TXON各需要2个51Ω（精度为1%）的电阻和1个0.1μF的电容与特定端相连。DSP通过片选信号DSP_CS选中W5100芯片，通过直接总线模式读（/WR）、写（/RD）信号和数据（DATA）、地址（ADDR）总线可以简单的将W5100看做一个外部存储器来实施控制。
电子发烧友网技术编辑点评分析：

　　设计了现场监控模块可应用于船舶配电网络中的开关柜或重要设备，配电单元内所有电压、电流、开关状态量等利用现场监控模块就地采集及处理，节省了大量电缆，减轻了集中监控台的控制负担，双冗余CAN及以太网等通信接口，使其与集中监控台的通信变得便利而可靠，为整个监控系统采取灵活而简便的网络拓扑结构提供基础，具有广泛的应用前景。
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