基于can總線的mos-fe均流控制電路的研究與設(shè)計(jì)

基于can總線的mos-fe均流控制電路的研究與設(shè)計(jì)

0動(dòng)態(tài)負(fù)載特性測(cè)試系統(tǒng)在開發(fā)電子車輛lcu（logic控制單元）測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，有必要測(cè)試帶負(fù)載條件下測(cè)試對(duì)象的動(dòng)態(tài)操作性能，即動(dòng)態(tài)改變負(fù)荷電流，以測(cè)試動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能。這需要電子負(fù)載模塊，可以在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)改變負(fù)載電流。本文介紹的設(shè)計(jì)方案以帶CAN(ControllerAreaNetwork)通信控制器的微控制器LPC2119為主控芯片,以數(shù)/模轉(zhuǎn)換器TLC5617A的輸出電壓作為電子負(fù)載中功率MOSFET的控制電壓,通過(guò)CAN總線通信,實(shí)現(xiàn)了LCU測(cè)試系統(tǒng)上位微機(jī)對(duì)電子負(fù)載模塊負(fù)載電流的動(dòng)態(tài)控制,達(dá)到了對(duì)被測(cè)試對(duì)象的動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能進(jìn)行仿真測(cè)試的目的。1采樣系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電子負(fù)載模塊在LCU測(cè)試系統(tǒng)中的位置及其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括微控制器系統(tǒng)模塊、功率MOSFET負(fù)載單元驅(qū)動(dòng)與控制模塊、CAN通信模塊、顯示模塊、反饋采樣與比較模塊等。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)了對(duì)并聯(lián)功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路和對(duì)負(fù)載電流的采樣電路,構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。微控制器系統(tǒng)通過(guò)CAN總線接收測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)的命令數(shù)據(jù),解析命令數(shù)據(jù),以解析得到的數(shù)據(jù)為依據(jù),計(jì)算功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓,通過(guò)驅(qū)動(dòng)與控制電路輸出驅(qū)動(dòng)電壓,并通過(guò)采樣與比較電路進(jìn)行負(fù)載單元的過(guò)載與故障檢測(cè),并顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。2硬件設(shè)計(jì)2.1恒流控制器的設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)調(diào)整型電子負(fù)載模塊是一個(gè)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng),集成運(yùn)算放大器的同相輸入端輸入控制電壓,其輸出的變化通過(guò)反饋加到其反向輸入端,經(jīng)過(guò)反饋回路,使同相輸入端電壓跟隨反向輸入端電壓。為實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)節(jié),要求作為驅(qū)動(dòng)器件的集成運(yùn)放具有高輸入阻抗以減小其對(duì)控制電壓的影響,同時(shí)具有極低的偏置電流及溫飄以保證不會(huì)產(chǎn)生恒流的分流或?qū)⒎至骶S持在極低的狀態(tài),以此來(lái)保證恒流的穩(wěn)定性。另外,當(dāng)運(yùn)放的共模抑制比有限時(shí),閉環(huán)增益的精度將會(huì)降低,共模輸入也會(huì)對(duì)輸出電壓有所影響,所以,在控制電壓從同相端輸入時(shí),應(yīng)該同時(shí)考慮差模電壓放大倍數(shù)和共模抑制比這兩項(xiàng)指標(biāo)?？紤]以上各因素,在恒流驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)中選用了LM224。系統(tǒng)中流過(guò)采樣電阻的電流較大,需要消耗較大的功率,通過(guò)試驗(yàn)比較,設(shè)計(jì)中選用了高精密、小體積、大功率的散熱式功率電阻。2.2電壓驅(qū)動(dòng)與采樣比較電路標(biāo)準(zhǔn)工況下功率MOSFET的功耗可用式(1)表示:PD=I2DRDS(1)ΡD=ΙD2RDS(1)式中,ID為通態(tài)時(shí)的漏極電流,RDS為25℃時(shí)的通態(tài)電阻。設(shè)計(jì)中選用功率MOSFET型號(hào)為IXFN48N50,根據(jù)公式(1)可以計(jì)算出不同的ID所對(duì)應(yīng)的功率MOSFET的功耗,通過(guò)控制ID來(lái)控制其工作在最大功耗范圍內(nèi),以保證正常工作。電壓驅(qū)動(dòng)與采樣比較電路分別如圖2(a)和圖2(b)所示。由于采用了兩個(gè)完全對(duì)稱的電路、同一個(gè)控制電壓VOUTA、共同的負(fù)載電壓Vload+和同阻值的采樣電阻,這使得兩個(gè)MOFET管具有相同的導(dǎo)通程度,并能保持在同樣的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)中,即MOSFET管的輸出電流I1,I2相等。圖中R37,R38為取樣電阻,它將每個(gè)MOSFET的源極電流轉(zhuǎn)換為電壓,并將此電壓反饋給運(yùn)算放大器LM224和LM339的反向輸入端以保證LM224的輸出使MOSFET工作在線性區(qū)。放大器LM224的輸入電壓VOUTA作為電流環(huán)的基準(zhǔn)電壓,源極電流與此電壓成正比,即源極電流可用下式表示:I1=I2=ID=VOUTA(VR1+R39)*R37(2)Ι1=Ι2=ΙD=VΟUΤA(VR1+R39)*R37(2)實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)調(diào)節(jié)DAC的輸出電壓VOUTA來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載電流的大小。通過(guò)比較器LM339對(duì)參考電壓和電流采樣得到的電壓作比較運(yùn)算,可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載單元的工作狀態(tài)(如過(guò)載或短路等)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將DAC的輸出電壓VREF1用作其參考電壓可實(shí)現(xiàn)參考電壓的靈活調(diào)節(jié),通過(guò)跳線,也可選擇由參考電壓源輸出的具有固定電位的參考電壓VREF2。2.3雙10位模轉(zhuǎn)換電路為實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的動(dòng)態(tài)控制,同時(shí)考慮到控制精度的要求,設(shè)計(jì)中采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC5617A為負(fù)載單元提供控制電壓。其接口電路如圖2(c)所示。TLC5617A是帶有靈活3線串行接口的雙10位電壓輸出數(shù)/模轉(zhuǎn)換器,采用5V單電源供電方式,用含有4個(gè)控制位和10個(gè)數(shù)據(jù)位的串行16位字符串編程。系統(tǒng)中TLC5617A的DIN,SCLK和CS引腳與LPC2119的3個(gè)通過(guò)編程配置為輸出狀態(tài)的GPIO引腳相連接,以向TLC5617A寫入控制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寫入時(shí),先獲取10位的DAC數(shù)據(jù),然后將10位DAC數(shù)據(jù)與4個(gè)控制位拼接以獲取DAC控制字,然后按照器件的時(shí)序要求將16位的控制字通過(guò)其數(shù)據(jù)輸入引腳寫入器件,移位順序?yàn)樽罡呶蛔钕纫迫肫骷?幀數(shù)據(jù)的特性CAN總線標(biāo)準(zhǔn)采用“基于報(bào)文”的通信方式,其主要特點(diǎn)有:(1)實(shí)時(shí)性強(qiáng)。CAN總線采取非破壞性的逐位仲裁方式,報(bào)文標(biāo)志符的二進(jìn)制越小,其優(yōu)先級(jí)越高。高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)可在134us內(nèi)得到傳輸。(2)通信方式靈活?？蓪?shí)現(xiàn)多主工作方式,總線上任意節(jié)點(diǎn)可以將一條報(bào)文在任意時(shí)刻發(fā)送到系統(tǒng)中任何一個(gè)需要此報(bào)文的節(jié)點(diǎn)。(3)可靠性高。幀數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)、錯(cuò)誤識(shí)別與自動(dòng)重發(fā)保證了傳輸數(shù)據(jù)的正確性與完整性。LPC2119內(nèi)嵌CAN控制器,在其通信接口的電路設(shè)計(jì)中,在CAN控制器與收發(fā)器之間應(yīng)采用光耦器件實(shí)現(xiàn)總線上各節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離,以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。3.1co控制器的初始化初始化工作包括CAN控制器硬件使能、報(bào)警界限設(shè)置、波特率設(shè)置、中斷工作方式設(shè)置、驗(yàn)收濾波器的工作方式設(shè)置、控制器的工作模式設(shè)置等。3.2不同報(bào)文標(biāo)志符和遠(yuǎn)程請(qǐng)求位和文獻(xiàn)長(zhǎng)度碼構(gòu)成CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收子程序流程如圖3所示。CAN通信網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式,長(zhǎng)度為10個(gè)字節(jié),前兩個(gè)字節(jié)由報(bào)文的標(biāo)志符、遠(yuǎn)程請(qǐng)求位和報(bào)文長(zhǎng)度碼構(gòu)成。后8個(gè)字節(jié)為報(bào)文中的命令數(shù)據(jù),系統(tǒng)中約定其第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)為命令類型,第二個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)指明要選擇的負(fù)載單元,第三個(gè)字節(jié)和第四個(gè)字節(jié)指明負(fù)載單元的電流值數(shù)據(jù),其余字節(jié)為系統(tǒng)保留。4iii嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)中選用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件的運(yùn)行環(huán)境,采取了基于uC/OS_II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多任務(wù)運(yùn)行方式。uC/OS_II屬于可剝奪型微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),即最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒,總能得到CPU的控制權(quán),利用這一特性,合理地設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級(jí)可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,使系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性能。4.1uc/osiii實(shí)理應(yīng)用層軟件主程序如下:voidmain(){InitARMPort();InitCANNetWork();OSInit();CreateAppIPCObject();CreateAppTask();OSStart();}首先初始化微控制器IO端口和內(nèi)嵌的CAN總線控制器。接著調(diào)用OSInit()初始化uC/OS_II操作系統(tǒng)接口;之后調(diào)用CreateAppIPCObject(),在其中調(diào)用uC/OS_II系統(tǒng)函數(shù)OSSemCreate()創(chuàng)建應(yīng)用程序任務(wù)間通信使用的郵箱,信號(hào)量,消息隊(duì)列;然后調(diào)用CreateAppTask(),在其中調(diào)用uC/OS_II系統(tǒng)函數(shù)OSQCreate()創(chuàng)建應(yīng)用程序任務(wù)。最后調(diào)用OSStart()啟動(dòng)uC/OS_II的多任務(wù)處理,以讓uC/OS_II管理應(yīng)用程序中的任務(wù)。應(yīng)用層軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。4.2數(shù)據(jù)發(fā)送和顯示輸出控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)CAN通信由CAN發(fā)送和接收任務(wù)完成。在多任務(wù)環(huán)境下,多個(gè)任務(wù)對(duì)CAN硬件資源的訪問(wèn)是隨機(jī)的,這種訪問(wèn)的隨機(jī)性勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或更多任務(wù)對(duì)CAN硬件資源的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。為解決此問(wèn)題,軟件上使用uC_OS_II的二值信號(hào)量來(lái)控制對(duì)CAN硬件資源的訪問(wèn),任務(wù)在需要使用CAN控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),首先需要申請(qǐng)?jiān)撔盘?hào)量,在獲得該信號(hào)量后,才可使用資源,否則,任務(wù)被掛起,直至CAN控制器完成數(shù)據(jù)發(fā)送工作。在CAN發(fā)送完成中斷中,發(fā)出該信號(hào)量,此操作將使uC_OS_II進(jìn)行一次任務(wù)調(diào)度,使因等待該信號(hào)量而被掛起的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)運(yùn)行。電壓輸出控制任務(wù)的核心功能是根據(jù)CAN總線收到的電流值數(shù)據(jù)計(jì)算MOSFET的控制電壓,并轉(zhuǎn)換為DAC的10位數(shù)據(jù)值,通過(guò)控制TLC5617A來(lái)輸出MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電壓。過(guò)載檢測(cè)任務(wù)實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流,在出現(xiàn)負(fù)載短路或過(guò)載時(shí)停止控制電壓輸出。顯示輸出控制任務(wù)負(fù)責(zé)完成顯示模塊的輸出顯示工作。顯示的信息包括系統(tǒng)的工作狀態(tài)、負(fù)載電流值、負(fù)載工作狀態(tài)、CAN通信狀態(tài)顯示等。系統(tǒng)管理任務(wù)負(fù)責(zé)完成對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行管理與診斷,其核心功能包括系統(tǒng)硬件初始化工作、監(jiān)測(cè)CAN控制器工作狀態(tài)、在通信故障時(shí)重新初始化CAN控制器、監(jiān)