基于CAN总线的PFN测控系统设计与实现

秦 利，张佳宇，张晓林，王大正，刘福才

(1.燕山大学 西校区工业计算机控制工程河北省重点实验室，河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学 西校区电力电子节能与传动控制河北省重点实验室，河北 秦皇岛 066004)

【装备理论与装备技术】

基于CAN总线的PFN测控系统设计与实现

秦 利1,2，张佳宇1，张晓林1，王大正1，刘福才1

(1.燕山大学 西校区工业计算机控制工程河北省重点实验室，河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学 西校区电力电子节能与传动控制河北省重点实验室，河北 秦皇岛 066004)

为了将脉冲成形网络(Pulse Forming Network,PFN)进行模块化集成，更灵活地实现电磁发射系统的扩容与监控，提出了一种基于CAN(Controller Area Network)总线的电磁发射测控系统实现方案；首先根据电磁发射装置的具体要求和CAN总线通信协议特性，制定了CAN总线应用层通讯协议，开发了基于Visual C# 的上位机监控软件，实现了远程监控；然后通过对CAN总线节点固件程序的特殊设计及在高电压、大电流及强磁场极端环境中的电磁兼容设计，保障了总线测控系统的可靠性与安全性；实验结果表明：该测控系统具有网络化、模块化、智能化等优点，为电磁发射系统的模块化集成设计提供了一条新途径。

电磁发射；脉冲成形网络；测控系统；CAN总线

随着电磁发射技术与设备的不断发展，电磁发射系统的容量和规模也在不断提高与扩大，控制系统也逐渐从集中式走向离散化[1-3]。传统的采用集中控制方式的PFN测控系统，在进行系统扩容与维护的时候需要耗费很大的人力物力。脉冲成形网络测控系统的发展也经历了从无到有的几个阶段。在控制器选择方面，主要有计算机(PC、工控机等)、可编程逻辑控制器(PLC)、微处理器(MCU、DSP等)等。文献[4]使用PC作为系统控制器，能实现对8路脉冲成形网络单元的数据采集与控制；文献[5]采用PC-DAQ采集卡实现了对脉冲成形网络单元的多路数据采集与控制，并开发了基于Visual C++ 6.0的上位机监控软件。文献[6]在2008年开发的电磁发射测控系统使用PLC作为系统控制器，但由PLC构成的系统体积庞大，不利于对系统进行集成与小型化设计。在使用微处理器作为控制核心方面，文献[7]开发了基于AT89S52单片机的三级重接型电磁发射测控单元；文献[8]开发了基于TMS320LF2407A的电磁发射测控系统。

为了能发射质量更大的弹丸，获得更高的初速，通常需要几十，甚至几百个PFN模块，从试验的安全性、适用性、抗干扰和性价比等方面考虑，用传统的PC插板式或独立机箱式测控系统不利于实现电磁发射系统灵活的扩容与控制。

控制器局域网(简称CAN)是由德国BOSCH公司开发的一种总线协议，是当前自动化领域中应用广泛的现场总线之一，它在离散系统控制、纠错能力、开放性等方面都具有很强的优势。文献[9]将CAN总线技术应用在电磁炮试验数据采集系统中，每一个CAN总线节点采用8031单片机作为主控芯片，由传感器组件、高速A/D转换和数据存储组件和CAN接口组件组成，负责对一路信号进行采集和存储，并不具有时序触发控制功能。文献[10]选用CAN作为电磁发射中高功率脉冲电源的控制系统，通过CAN总线节点实现电磁发射脉冲电源的触发控制和电枢初速测量。由于现场总线直接与所有受控节点相连，仅传输简短的控制命令，将实际的控制内容直接下放到每个节点微处理器上，使得系统实时性好、可靠性高，具有广阔的应用前景，是今后电磁发射测控系统研究的一个重要方向。

本文提出了一种基于CAN总线通信的集控制与测量于一体的电磁发射测控系统。该系统将每个PFN作为CAN总线网络的一个节点，采用STM32微控制器作为PFN节点的主控芯片，可以实现对PFN节点的充放电、时序触发等控制，以及状态监测、储能电容电压及放电电流数据采集等功能，并且便于系统的扩容与维护。

1 整体方案分析与设计

1.1 总体设计分析

脉冲成形网络能够将储存的大量电能在很短的时间内进行释放，其放电过程具有时间短、电流大等特点。监测控制单元主要包括放电时序控制和电流波形的采集，其要求有别于对其他电气系统的监测。首先，脉冲成形网络放电在瞬间完成，要求监测装置的采集速度高，高频特性好；其次，脉冲成形网络放电电流大，不易使用分流电阻直接测量，需要使用电流互感器间接测量后再做信号还原，信号容易失真；再次，脉冲成形网络的各节点为异步放电，放电时序需要微秒级的精确控制；最后，脉冲成形网络的放电电流产生强磁干扰，对监测系统电磁兼容性要求较高[11-13]。

根据以往经验，将其测控性能需求进行如下量化： 时序触发控制精度精确到1 μs，可配置的大小为0～200 μs。 要求测量装置具有12位以上的采样精度，采样频率大于500 ksps。 最终的波形记录数据量为2 ms内的电流数据，在频率为512 ksps时，一共是1 024个单字(2 048 Byte)。

根据PFN节点通讯的要求，数据传输需要较高的时效性，便于收发各种控制命令；总线要有较高的传输速率，便于波形数据的上传；同时协议应有利于数据的中距离传输。另外，为了配合系统实现，各节点控制器需要具备电压检测、触发控制等功能。

1.2 整体设计方案

在基于CAN总线的PFN测控系统中，每个CAN总线节点测控模块对应一个PFN节点，测控模块负责PFN储能状态诊断、放电波形记录和放电时序控制等工作，其结构如图1。

图1 采用CAN总线的PFN测控系统结构

系统中各节点的电源与数据均以总线型拓扑结构连接，测控系统只需要四根电缆便可以实现，最大限度地减少导线间的受磁面积。工控机作为一个CAN控制节点通过CAN适配器接入到CAN总线网络，负责发送控制命令和回收节点状态与采集的数据。由于测控节点与PFN节点一一对应，在PFN系统扩容与维护时，只需要增加或减少相应的测控节点即可，耦合度降为最低。

2 PFN测控系统实现

2.1 硬件实现

测控系统模块使用CAN总线进行通讯，每个测控系统模块是CAN总线网络中的一个节点，每个测控模块节点负责监测和控制一个PFN节点。PFN节点电容的储能电压和放电电流均远远超出ADC的输入范围，因此需要将模拟信号调理后再测量。本系统储能电容电压测量采用高压电阻分压器，放电电流测量采用罗氏线圈及积分器实现，并通过电压电流模拟信号采集的电压调理电路转换为STM32片内AD转换所允许的输入电压。

STM32集成高性能CAN2.0B接口控制器，控制器有GPIO管脚输入输出，而GPIO管脚为普通TTL电平，TTL电平适用于板上通讯，对于远距离通讯电平的信号强度与抗干扰能力都有欠缺，为了实现CAN总线组网，需要将CAN控制器输出TTL电平转化为ISO11898标准所规定的差分信号，并进行相应的保护。

CAN通讯接口设计包含收发器、隔离器、隔离电源和ESD 4项内容。在本设计中采用NXP公司的CAN保护二极管PESD1CAN实现ESD保护，综合比较“一体隔离收发器ADM3053”和“隔离收发器ISO1050+DC-DC隔离电源B0505”方案后选了价格相对合理的“ADUM5241+TJA1050T”方案，其电路结构如图2所示。

图2 CAN接口电路设计

2.2 软件设计

根据设计要求，界面显示各节点的储能电容电压、放电驱动模块状态和放电延时时间，刷新间隔小于1 s；通过点击界面上的按钮，可以实现对各节点模块的控制与设置，功能包括闭合或断开储能继电器、设置放电延时时序和触发放电；在触发放电之后PC机界面软件将读取与显示各节点的放电电流波形。

基于CAN总线监控系统为请求-应答机制[14]，即PC机主节点发送命令请求，各测控节点处理器响应命令请求做应答回应，其中PC机界面软件使用查询方式接收CAN总线数据，下位机节点固件程序使用中断方式接收CAN总线数据。节点的固件程序使用查询-中断结构，节点程序流程如图3。

图3 固件程序结构流程

为了同步各节点的触发，需要确保触发命令执行的优先级，所以将CAN总线数据接收设计为中断方式；程序主循环体做数据采集与数字滤波计算并将计算结果存入全局变量中以备使用。

2.3 总线协议制定

控制器局域网总线通信网络是一个依照开放式系统互联模型(Open Systems Interconnection模型，简称OSI模型)规范层次结构设计的通讯网络，但由于CAN总线侧重工业控制，数据传输量小，因此CAN总线网络底层只采用OSI模型的最低两层，即物理层和数据连接层。

由于CAN总线网络缺少高层规范，为了实现系统的通讯，需要自行进行定制总线协议[15]。权衡通讯速率和实现难度，定义通讯规范如表1。

规范将基本标识分为操作号和节点编号两部分，其中操作号占用基本标识的高4位，节点编号占用基本标识的低7位，0号节点为主节点，最多容纳127个从节点。当主节点发送广播命令时，节点编号为主节点编号；当主节点向特定从节点发送命令时，节点编号为此从节点的节点编号。某些操作中，扩展标识可用于发送一个数据。

表1 应用层通信规范

2.4 电磁兼容设计

大功率脉冲电流放电将会产生强大的电磁干扰，电磁干扰轻则影响实验精度，重则损坏器件危及人身安全，因此电磁兼容设计是实验成功的必要保障[16]。与采用计算机板卡的分布式电磁发射测控系统相比，基于CAN总线的PFN测控系统在电磁兼容性设计上与常规设计方法有所不同。

采用CAN总线的电磁发射测控系统在放电过程中受干扰的耦合回路有CAN总线电缆、交流220 V电缆、电压检测电缆和电流检测电缆，而直流500 V电缆和充电电流在放电前被切断不需要考虑，放电回路本身就是干扰源也不需要保护。为了减小耦合回路面积可以使用双绞线或者同轴电缆，实际应用中同轴电缆存在一定程度的偏心，影响抑制效果，所以本试验中选用带屏蔽层的双绞线实现电源、通讯网络和传感器的连接。总线连接方式如图4所示。

图4 总线连接示意图

屏蔽层与测控节点单端接地，用于消除节点自身产生的电场干扰，在组网连接中屏蔽层各段之间无连接，避免形成耦合路径。

从整体上看，两个节点模块和任何两个没有隔离的电缆便可形成耦合回路，回路面积越大敏感程度越高。在实验初期，由于缺少必要的隔离，形成了“节点A→CAN电缆→节点B→24 V电缆→节点A”的回路，放电的强磁脉冲直接击毁测控节点模块上的CAN收发器。设计中根据不同性质的连接采用了多种不同方式的隔离。如直流5 000 V采用继电器隔离，交流220 V采用变压器隔离，储能状态监测和触发信号采用光电耦合器隔离，PFN放电电流传感器采用罗氏线圈隔离，CAN总线收发器的电源与通信采用隔离模块ADUM5241进行隔离，电压测量模块采用HCNR201线性光耦进行隔离等。

3 试验验证

进行试验验证的电磁发射系统有6组PFN，高压充电电源通过星型拓扑结构与各节点相连。发射装置整体电气连接如图5所示。

图5 电磁发射试验装置电气连接

每个PFN节点的测控单元采用电阻分压器和罗氏线圈分别测量PFN储能电容充电电压和放电电流，并利用CAN总线实现组网通讯。主控板向PFN节点控制板发送充电和放电命令，并采集储能电容状态信息。储能电容的状态监测和触发控制信号都有光电耦合器隔离。脉冲成形网络工作时具有高电压、大电流、强磁场等特点，为了保证总线监控系统工作的可靠性与安全性，对基于CAN总线的PFN测控系统的电磁兼容性设计是实际系统应用中需要解决的主要问题之一。

通过上位机设定6路PFN的充电电压为3 kV，等间隔放电时序为5 μs，充电结束后，界面状态如图6所示，3 kV放电电流波形如图7所示。

图6 触发准备界面状态

图7 3 kV放电电流波形

从试验结果可以看出，基于CAN总线的PFN测控系统实现了电磁发射过程中对电容充电电压和放电电流的实时监测，并可实现微秒级的时序触发控制。通过多次试验，验证了该测控系统良好的电磁兼容性和安全可靠性。

4 结论

电磁发射试验是一种高电压、大电流放电的脉冲功率试验，能量主要来源于脉冲成形网络，试验中脉冲成形网络待测信号多、位置分散，试验环境具有强电磁脉冲干扰。从电磁发射装置容量的扩充及实验的安全性、适用性、抗干扰等多方面考虑，用传统的工控机板卡或独立控制机箱很难实现电磁发射系统的模块化集成增容及对脉冲成形网络的长期稳定数据采集。基于CAN总线的数据采集系统由主控计算机和若干个现场数据采集节点组成，该系统具有网络化、智能化、全分布等特点。本文通过对CAN总线节点固件程序的特殊设计及在高电压、大电流及强磁场极端环境中的电磁兼容设计，满足了电磁发射及其他脉冲功率试验参数实时监控需求，可以实现系统扩容与监控。

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(责任编辑周江川)

Design and Implementation of PFN Measurement and Control System Based on CAN Bus

QIN Li1,2, ZHANG Jia-yu1, ZHANG Xiao-lin1, WANG Da-zheng1, LIU Fu-cai1

(1.Key Laboratory of Industrial Computer Control Engineering of Hebei Province, West Campus, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2.Key Laboratory of Power Electronic Energy Saving and Transmission Control of Hebei Province, West Campus, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

In order to realize integrated modular of the Pulse Forming Network (PFN) and make the Electro Magnetic Launch (EML) system extend and maintain easily, a solution based on CAN bus for electromagnetic emission measurement and control system was proposed. Firstly, according to the specific requirements of electromagnetic launchers and the characteristics of CAN bus communication protocol, the application layer protocol of CAN bus and a software based on Visual C# as the system man-machine interface were developed, which implemented remote monitoring. And then, through special design on the CAN bus node firmware and electromagnetic compatibility design for extreme environment of high voltage, large current and strong magnetic field, the reliability and security of the bus control system was guaranteed. The experimental results show that this measurement and control system has advantages of network, modularization, intelligence, which provides a new way for modular integration design of electromagnetic launch system.

electro magnetic launch; pulse forming network; measurement and control system; controller area network

2016-08-12；

国家高技术研究发展计划(863计划) (2012AA)

秦利(1984—)，女，博士，主要从事新概念武器控制技术、数据采集监控系统与管控一体化研究。

10.11809/scbgxb2016.12.005

秦利，张佳宇，张晓林，等.基于CAN总线的PFN测控系统设计与实现[J].兵器装备工程学报，2016(12):22-26.

format:QIN Li, ZHANG Jia-yu, ZHANG Xiao-lin,et al.Design and Implementation of PFN Measurement and Control System Based on CAN Bus [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):22-26.

TB21

A

修回日期：2016-09-10