基于LPC2294的车载电源监控系统

王苏敬，阎兆允，郭旭刚

（中国铁道科院研究院机车车辆研究所，北京 100081）

基于LPC2294的车载电源监控系统

王苏敬，阎兆允，郭旭刚

（中国铁道科院研究院机车车辆研究所，北京 100081）

为了满足车载电源多模块监控的实时性、可扩展性、灵活性、可靠性等需求，采用LPC2294作为监控模块主控芯片组建了监控网络，对带DSP控制器的逆变电源模块、开关电源模块和蓄电池控制模块通过CAN总线进行监控；另外监控模块通过工业以太网与PC机连接，实现系统的后台监控。重点介绍了监控模块的软硬件设计及CAN总线应用层协议的具体制定和实现。

监控系统；CAN总线；工业以太网；应用层协议

0 引言

电源系统运行质量的好坏将直接关系到整套车载系统的运行质量及安危。这决定了电源监控系统必须是实时性、准确性、快速响应性都很高的大型分布式网络系统。它必须具有“三遥”(遥测、遥控和遥信)的基本功能，数据的存储及处理、告警的查询分析和统计等功能也必不可少。随着计算机网络技术的迅速发展，全数字的现场总线控制系统代替数字与模拟混合分布式控制系统已经成为工业自动化控制系统发展的必然趋势[1]，本文采用LPC2294作为监控模块主控芯片组建了基于CAN总线监控网络，并设计了简单实用的车载CAN总线应用层协议；监控模块通过工业以太网与PC机连接，实现系统的后台监控。经过实际应用验证，能够满足本系统的通讯要求。

1 电源监控系统总体结构

系统采用分级监控的设计方案，包括逆变电源、开关电源及电池控制模块、监控单元、后台终端三级设备。示意图如图1所示。

图1 三级监控系统示意图

逆变电源、开关电源和电池控制模块均自带监控板负责各自模块的状态监控，是系统的第一级监控。监控单元对整个电源系统的状态进行监控，同时处理与车载终端及后台终端的通信，是系统的第二级监控。后台终端用于数据配置和远程监控，是系统的第三级监控。

2 监控单元硬件设计

监控单元由主监控板、128×64点阵液晶显示屏、键盘及指示灯等组成，完成蓄电池充放电管理，运行及控制参数的设定和显示，告警记录的存储、查询，通过以太网和上位机通信，通过CAN总线与逆变电源模块、开关电源模块和蓄电池控制通讯。通过工业以太网与PC机相连，实现后台监控。

图2 监控模块的硬件结构图

LPC2294是一款基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持实时仿真和跟踪的CPU，并带有256 k字节嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。

LPC2294采用144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2/4路高级CAN通道、PWM输出以及多达9个的外部中断，这款微控制器特别适合自动化、工业控制、医疗系统、访问控制和故障容限维护总线等应用领域。其内部可用GPIOs范围为76脚（外部存储区）到112脚（单片）。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其他各种类型的应用。

2.1 监控模块电源设计

监控模块电源要给中央处理器LPC2294提供数字DC3.3V、模拟DC3.3V、数字DC1.8V和模拟DC1.8V，液晶控制器的DC5V电源，液晶背光调节器的DC12V电源，因此理想情况下电源系统需要提供六组独立电源，其中两组DC 3.3V，两组DC 1.8V。DC5V和DC12V采用AC220V转DC5V和DC12V开关电源模块实现；DC3.3V和DC1.8V选择低功耗的TPS767D318电源芯片，把DC5V的标准电源电压转换得到最大可提供1A电流的DC3.3V和DC1.8V电源，并且得到微处理器复位信号ARMnRST；利用LC滤波电路实现DC3.3V和DC1.8V的数模转换。如图3和图4所示。

图3 电源电路

图4 数模电源转换电路

2.2 实时时钟电路

为了记录系统发生故障的时间，便于用户查看历史故障。在LPC2294上外接实时时钟芯片DS1306，DS1306采用2.7～5V供电，系统上电时，实时时钟由系统电源供电，外接的电池电源作为后备电源，系统掉电以后，实时时钟由外接的电池供电，仍能继续计时。由于DS1306需要进行秒、分、时的计时，因此外接一个32 768 Hz的晶振。其电路图如图5。

2.3 液晶键盘接口电路

液晶采用RT12864-2M汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，考虑到监控的参数众多，一屏无法全部显示，故采用菜单式操作方法，即选择显示屏显示的菜单信息，在键盘按下合适的功能按键，监控模块的微处理器根据按键送来的信息作出反应，实现相应的功能。故按键要有数字键及功能键。液晶参数为：内置8 192个中文汉字（16×16点阵）、128个字符（8×16点阵）及64×256点阵显示RAM（GDRAM）；配置LED背光；多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。

图5 实时时钟电路

3 监控系统软件设计

3.1 上位机程序设计

后台上位机程序采用C sharp(又被简称为“C#”)编写，分为TCP通讯、数据解析和数据管理三个方面。显示界面如图6所示。

图6 上位机显示界面

3.2监控模块程序设计

监控模块程序采用C语言编制，分为数据通讯、实时时钟、数据存储、键盘输入和液晶显示。

3.2.1 数据通讯程序设计

监控系统总体结构如图7所示：

监控模块对逆变模块、开关电源和蓄电池管理模块通过CAN进行监控，需要用到CAN总线的应用层协议，目前基于CAN总线的商业协议主要有DeviceNet和CANopen两种，但由于这两种协议是基于通用性目的而开发的，其结构复杂，并非完全适合于车载电源监控系统这种要求高可靠性的场合[2-3]。本文在参考其他协议的特点和设计思路的基础上，设计出简单实用的CAN总线应用层协议。

图7 监控系统结构图

本协议报文格式定义了CAN报文的标识符以及数据部分的使用原则和功能含义，使网络中的CAN报文组成元素有了其特定的功能和意义。

在协议中指定了数据通信中的源节点MAC ID和目标节点MAC ID，并指示了报文功能及其所要访问的资源。报文标识符被分为7个部分：报文优先级（PRI）、分段传输标志（SegFlag）、功能码（FCODE）、目的MAC地址（DMAC）、源MAC地址（SMAC）、资源节点号（SID）以及ACK位。具体定义如表1所示。

功能码的定义如表2所示。

3.2.2 键盘程序设计

键盘选用的是4×4键盘，采用扫描的方式，共占用单片机8个I/O口，4个I/O口作为行量，4个I/O口作为列量，如图8所示。分别对列量置0，假如某一行的对应值变0，则说明该行与列交叉的按键被按下。由于信息量比较大，故需要分屏显示，按键的具体功能设置如下：0～9为数字键，具体为设置参数使用。E键为取消键，即从子菜单中返回上级目录。F键为确定键，参数设置后按此键设置确定。A键为上移按键，B键为下移按键。

表1 CAN报文标识符定义

表2 CAN报文功能码定义

图8 键盘示意图

4 实验应用

按照协议的规定，网络中的节点MAC编制范围为0x00～0xFF，在本系统中由于节点数量有限，目前挂接在总线上的网络节点一共有7个，包括两个逆变电源模块，两个开关电源模块，两个蓄电池控制和一个监控模块。将各节点MAC地址定义如表3所示。

表3 系统MAC编址

监控模块液晶显示如图9所示，蓄电池控制模块参数如图10所示。

图9 监控系统主界面

图10 蓄电池控制模块的参数

5 结论

以ARM7微处理器LPC2294为主控芯片，利用C#编写监控界面，结合车载电源监控系统的结构特点，设计CAN总线应用层协议，实现了对电源状态的显示以及参数的设置等功能，完成了整个电源监控系统的设计。

［1］戴青云.CAN总线在逆变电源监控中的应用［J］.电子工程师，2007，33（1）：61-64.

［2］马晨普.一种适合于铁路机车车辆使用的CAN协议开发［J］.电力机车与城轨车辆，2005，28（4）：17-19.

［3］IEC61375-1-1999，Part 1：Train Communication Net⁃work［S］.

Monitoring System for Vehicle Power Supply Based on LPC2294

WANG Su-jing，YAN Zhao-yun，GUO Xu-gang
（Locomotive&Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing100081，China）

In order to meet the realtime，expansibility，flexibility and reliability requirements of the vehicle power supply multi module monitoring，the monitoring system adopts LPC2294 as the main control chip for constructing monitoring network to monitor inverter power supply module with DSP controller，switch power supply module and control module for the storage battery.In addition，through the industrial Ethernet connect the monitoring module and PC，to achieve the background monitoring.The hardware and software design of monitor module and protocol of the application layer for CAN are mainly introduced．

monitoring system；CAN bus；industrial Ethernet；protocol to the application layer

TN915.852

A

1009－9492(2014)02－0081－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.023

王苏敬，男，1982年生，河北定兴人，博士，助理研究员。研究领域：列车网络及自动化检测。已发表论文10篇。

(编辑：向 飞)

2013－08－19