基于CAN总线和LabVIEW的直流/直流变流器监控上位机

张狄林，刘轶强，肖飞，杨国润



基于CAN总线和LabVIEW的直流/直流变流器监控上位机

张狄林1，刘轶强1，肖飞2，杨国润2

(1.海军驻湖南地区军事代表室，湖南湘潭 411101；2.海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033)

为了实现中压直流电网至低压直流电网的能量传送，设计了一种带隔离的中频中压大容量三电平H桥变流器，简称DC/DC变流器。变流器采用先逆变，后通过中频变压器降压，再整流的拓扑结构，需要观测的电气量较多，为此设计了基于CAN总线和LabVIEW的监控上位机。实验验证了CAN总线通讯的实时性和可靠性以及上位机的功能。

直流/直流变流器 CAN总线LabVIEW 监控上位机

0 引言

三电平H桥[1]直流直流变流器的主电路结构如图1所示。输入直流电压为d，输出直流电压为o，前端d1和d2为直流均压电容，电容大小相等，其后为二极管箝位型三电平H桥结构，G1-G8为8个IGBT，D1-D8为反并联二极管，Dc1-Dc4为箝位二极管，Dr1-Dr4为整流二极管。H桥输出通过中频变压器降压后由不控整流桥整流后经LCL滤波器滤波输出到下级电网。

变流器需要观测的电量如表1所示：

表1 变流器需要观测的电量

为了实时观测表1所列的电量，同时实现控制变流器的启停机等功能，设计了基于CAN总线和LabVIEW的监控上位机。

1 CAN总线特性分析

CAN是Controller Area Net的缩写，即控制器局部网络[2]，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

CAN总线具有以下优点[3]：

1） 信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，传输时间短，受干扰的概率低；

2） 采用非破坏性总线仲裁技术，可以避免总线冲突，当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，抗干扰能力较强的；

3） 支持多主工作方式，支持点对点、一点对多点及全局广播等多种数据收发方式；

4） 具有完善的错误检测机制，能够满足构建高性能、高实时性系统的要求；

5） 接口简单、编程方便、开发系统价格便宜。

2 LabVIEW特性分析

LabVIEW[4]是一个使用图形符号来编写程序的编程环境。在这一点上，它不同于传统的编程语言，如C，C++或Java，这些语言使用文本方式编程。然而，LabVIEW不仅仅是一种编程语言，它还是一种编程开发环境和运行系统。

LabVIEW包含特定的应用程序库代码，如：数据采集(DAQ)[5]、通用功能接口总线(GPIB)、串行口仪器控制、数据分析、数据显示、数据存储、Internet通信。分析库包含了大量实用的函数，包括信号产生、信号处理、滤波器、窗口、统计、回归、线性代数、矩阵运算。

一个LabVIEW程序由一个或多个虚拟仪器(VI)组成。之所以称之为虚拟仪器是因为它们的外观和操作通常都是模拟了实际的物理仪器。然而，在这些面板之后，还有类似于流行的编程语言如C或BASIC中的主程序、函数、子程序。LabVIEW程序称为“VI”。

每一个VI都由三个主要部分组成：前面板、框图和图标。

前面板是VI的交互式界面；框图是实际可执行的程序；图标是VI的图形表示，会在另外的VI框图中作为一个对象使用。

为了直观理解上述概念，表2中列出了一些LabVIEW术语及其等效的常规语言术语。

表2 LabVIEW术语及其等效的常规语言术语

3 上位机平台构建及实验验证

上位机通过以太网与CAN卡连接，CAN卡通过CAN总线与DSP进行通信。

实验中采用戴尔T3500作为上位机，CAN卡采用的是周立功的CANET-200T[6]，DSP采用的是TI的F28335。上位机与CAN卡之间通过网线连接，CAN卡与DSP之间通过屏蔽双绞线连接。

图3 CAN总线上的数据帧波形

实验中，DSP将传感器采集到的电量通过CAN总线发送到CAN卡，示波器采集到的总线上的数据帧如图3所示。DSP的发送策略是一次发送8帧数据，这与图3显示的帧数一致，证明了发送策略的有效性。CAN卡再将接收到的数据转发给上位机，上位机按照一定的协议将这些数据显示为实时的波形，如图4所示，实现了对变流器电量的监控。

5 结论

本文针对三电平H桥直流直流变流器的拓扑结构和技术特点以及控制要求，设计了基于CAN总线和LabVIEW的监控上位机。CAN总线的信号传输采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低。LabVIEW是一种图形化的编程语言，采用LabVIEW编写的上位机显示直观，操作方便。实验验证了CAN总线通讯的实时性和可靠性以及上位机的功能。

图4 变流器电量显示

[1] Nabea A, Takahashi I, Akag H I. A new neutral-point clamped PWM inverter[J]. IEEE Trans. Ind. Applicat.,1981, IA-17 (5): 518-523.

[2] 杨春杰, 王曙光, 亢红波. CAN总线技术[M].北京: 北京航空航天大学出版社, 2010.

[3] 宋晓强. CAN bus高层协议CANopen的研究以及在模块化CAN控制器上的实现[D]. 硕士学位论文.天津大学, 2005.

[4] Jeffrey Travis, JimKring著, 乔瑞萍等译. LabVIEW大学实用教程(第三版)[M]. 北京:电子工业出版社, 2008.6.

[5] 易新强, 张狄林, 刘继祖, 苏振中. 基于LabVIEW的电机转子无线测温系统性能研究[J]. 船电技术, 2011, 31(2):21-25.

[6] CANET-100T/200T以太网CAN-bus数据转换器. 广州致远电子有限公司,2010.8.

A Supervisory Software of DC/DC Converter Based on CAN Bus and LabVIEW

Zhang Dilin1, Liu Yiqiang1, Xiao Fei2, Yang Guorun2

(1. Naval Representatives’ Office of in Hunan, Xiangtan 411101, China; 2. National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM46

A

1003-4862（2013）04-0049-02

2012-12-24

国家自然科学基金创新研究群体基金项目(50721063)；国家自然科学基金资助(51077130)。

张狄林(1968-)，男，高级工程师。专业方向：电力电子与电力传动方面。