M x 院毕业设计说明书基于CAN总线开关电源的监控系统设计专业电气工程及其自动化学生姓名陆召宝班级B自动化072学号0710603212指导教师张胜超完成日期2010年6月5日基于CAN总线开关电源的监控系统设计扌商 要：随着我国经济的不断发展，对能源的巨大需求和对城市环境的改善，大 量使用埋地管线来承担运输燃料和水电的运输功能，越来越突出了金属开关的重要 性。以前的开关电源已经不能满足现在的安全和环保要求。我们必须设计新型开关 电源提高测量准确性、可靠性和开放性。介绍基于CAN总线的开关电源监控系统，结合现场总线技术和微控制器，计算 机软硬件技术，开发集信号转换、数据采集、智能控制、远程通讯于一体的开关电 源智能监控系统。根据系统设计任务，设计原则以及总体设计方案重点介绍CAN总线接口电路以 及系统抗干扰等硬件功能模块和小信号调理电路，模数转换电路、可变增益放大电 路的设计过程。对各个模块进行详细的分析，给出设计要点和具体的电路图。设计 时采用新型电子技术与数控技术的有机结合，同时利用上位机强大的数据处理能 力，实行数据分析和实时控制。紧紧围绕功能需要和硬件设计，建立了软件开发体 系结构，开发出单片机系统软件结构的功能模块，实现整个系统的功能设计。该系统的运用实现了防腐工程的无人化管理，并具有低成本、扩展性、可靠性 等特点，为防腐工程的远程管理提供了较好的解决方案。关键词：CAN总线；开关电源；单片机Design on Monitoring System of SMPSBased on CAN BusAbstract： With the development of economy of our country, enormous demand for the energy and improvement of the urban environment, use the pipeline under the ground to transport fuel, water and electricity, stressing the importance of the anticorrosive project more and more. The early switching mode power supply(SMPS) cant already meet the present requirement of security and environment protection. We must develop the new machine to improve accuracy, dependability and opening.The design use new MCU and computer hardware & software technology and field bus technology to develop intelligent measuring/controlling node of switching mode power supply, which including signal conversion, data collection, intelligent controlling, long-distance communication and other functions.According to this item application and consumer demand, summarize system design tasks and rules,researched some of the system key technology.Put forward programmable excitation new technology and built system development architecture and analyzed all modules* function and its role.In the design, advanced electronic technology and MCU technology are combined closely. Utilizing PC resource, the system can deal with huge field data and process real-time controlling.The end, around the requirement of the whole system,node driving program design thinking to establish MCU system software architecture is presented.After using the measuring/controlling system, the anticorrosive project can realize nobody-duty management.So this accomplished work has high practical value and referential significance in the area of anticorrosive project.Key words： CAN Bus; Switching Mode Power Supply; Microcomputer目 录1概述11.1开关电源技术发展状况11. 2课题研究的意义12. CAN总线技术基础及开关电源基本原理22. 1CAN总线技术基础22. 2开关电源的基本原理42. 3开关电源的系统设计原理43 .系统整体设计及其关键技术53. 1系统需求分析和方案设计53.1.1监控系统设计原则53. 1. 2监控系统功能63.1.3监控系统设计优化63.2监控节点的关键技术分析83. 2. 1电流一电压转换83. 2.2小信号处理和自动增益放大94. 监控系统的硬件设计114.1监控系统的硬件设计114. 1. 1前置滤波调理电路124. 1. 2 I/V转换电路134. 1.3自动增益放大电路144. 2 A/D转换电路164. 3 CAN通讯模块设计184.4抗干扰电路设计205 .监控系统的软件设计225. 1主程序设计225. 2数据采集程序设计245. 3 CAN通讯程序设计276. 结束语29参考文献30致 谢31附录1：程序清单 32附录2：设计图纸36基于CAN总线开关电源的监控系统设计1概述目前，国内外已研究开发了多种电源监控系统，大量应用于移动通信华站及各 类无人值守通信站。国内研究开发的监控系统一般是依照电信产业部颁发的技术要 求或行业制定的技术要求、完全独立于电源系统的监控系统。其所采用的硬件、软 件平台兼容性好、开发环境比较成熟，便于监控系统地进一步发展完善。但其监控 内容一般包括模拟量的测量、运行状态指示、设备控制、故障告警等，有些甚至还 有图像监控，监控规模巨大，少则几个局站，多则上百个局站，监控网络的构成过 于复杂。1.1开关电源技术发展状况开关电源是近年来迅速发展起来的一种稳压电源，其主要组成部分是DC-DC变 换器、AC-DC变换器，将不可控制的直流转化成可控的直流，再加上前级工频整流 滤波和自动控制闭环稳定输出以及必要的保护环节就构成了完整的开关电源。开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换 电能，可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社 会各方面的重视而得到迅速推广。多年来的实践已经证明，这一决策是完全正确的。 开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和地面积。1.2课题研究的意义具有远程监控功能的开关电源系统能广泛应用于石油，天然气，城市供水，电 缆等埋地管线的防腐工程，其可靠性，高性价比，易维护性对于上述管道金属构件 的开关工程具有极其重要的经济意义和环保意义。特别近几年来，随着我国经济的不断发展，对能源的巨大需求和对城市环境的 改善，大量使用埋地管线来承担运输燃料和水电的运输功能，越来越突出了金属开 关的重要性。虽然在以前开关电源的开发土取得了一定的成绩，但是其起点低，发 展空间小，已经不能满足现在的安全和环保要求，具体表现在：a）可靠性差，由于全部采用分立器件设计，各个模块之间的信号传输具有较大 不准确性，缺乏自检测和自诊断功能，容易出现故障，一导致系统的整体失效，甚 至产生破坏性事故。b）精确性差，采用模拟器件设计，无法实现复杂的控制算法来提高精度。参数 一旦设置无法随时进行修改，导致设备无法对控制对象的改变选择适合的控制参 数。c）抗干扰性差，开关对象多为埋地管线，位于潮湿，多尘的地下管道。仅仅使 用模拟滤波和金属屏蔽等抗干扰方法无法适应如此恶劣的现场环境。d）可维护性斧，埋地管线分布广，特别是石油管道等野外器件，不一可能进行 定期频繁的人工检修，一旦某个点出现故障，杳找故障点成为一件极其困难的工作。 目前的开关电源在硬件结构上多由分离式模拟器件构成，未采用新型集成芯片，使 电源的结构、功能扩充和使用维护都较困难。e）管理成本高，各个开关点都彼此独立，无法进行统一管理。由于缺乏监控功 能，无法进行远程监控，极大地提高了管理和维护人力成本的投入。因此难以满足 用户集约化管理和开放性监控的要求。如采用新型微处理器、计算机软硬件及现场 总线技术，研究开发新型智能开关电源及现场总线远程监控系统恰好能弥补以上不 足。现场总线式的智能化电磁流量仪表以单片微处理器和各种新型集成电路芯片为 核心进行设计，因此可充分利用单片机系统良好的软硬件资源达到增强仪表功能、 提高测量准确性、可靠性及开放性的目的。因此，本项目的开展不仅能有力地增强 我国开关电源的性能质量、更广泛地满足用户需求，而且对促进开关工程的发展， 具有极大的经济意义和环保意义。2. CAN总线技术基础及开关电源基本原理2. 1 CAN总线技术基础CAN,全称为Controller Area Networkv ,即控制器局域网，是国际上应用 最广泛的现场总线之一。最初CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载 电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。CAN是一种多主方式的串 行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出 产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达SKbit/s的数据传 输速率。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵 活性。其特点可概括如下：a）CAN总线为多主的方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络 上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，利用这一特点可方便地构成多 机备份系统。b）CAN网络上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的 数据最多可在134 us内得到传输。c）CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先 级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据， 从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网 络瘫痪情况。d）CAN只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方 式传送接受数据，无需专门的“调