基于CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)

根據(jù)上述具備 CAN通訊接口的 MCU特性描述，結(jié)合使用場(chǎng)合，配以相關(guān)的電路可以實(shí)現(xiàn)帶雙 CAN接口的多種多樣的變送器和執(zhí)行器，MCU采用 dsPIC30f5011，內(nèi)置兩路 CAN接口。MCU與 CAN接口電路如圖 3所示，C1Tx是 1號(hào) CAN總線的發(fā)送信號(hào)，C1Rx是 1號(hào) CAN總線的接受信號(hào)，C2Tx是 2號(hào) CAN總線的發(fā)送信號(hào)，C2Tx是 2號(hào) CAN總線的接受信號(hào)，外圍開關(guān)量可以實(shí)現(xiàn)昀大 48路輸入或輸出，模擬量昀大可以實(shí)現(xiàn) 16路輸入。MCU與外圍采用高速芯片 6N137進(jìn)行光電隔離 , CAN總線收發(fā)器采用標(biāo)準(zhǔn)的 PCA82C250，其輸出為差分信號(hào)，定義為 CANH和 CANL一對(duì)，采用雙絞線方式掛在整個(gè)系統(tǒng) CAN總線網(wǎng)絡(luò)上。CANH 和 CANL之間并聯(lián)小電容可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力，另外，在 CAN 總線的終端處的兩根線 CANH 和 CANL間還并聯(lián)一個(gè) 120歐姆的電阻，以消除信號(hào)的反射。
MCU內(nèi)具備強(qiáng)大功能， 16位 CPU，程序存儲(chǔ)器達(dá) 66K，4K RAM，1K EEPROM，16 ×16bit工作寄存器，昀高時(shí)鐘可以使用 10M晶振倍頻 16倍，所以一般應(yīng)用場(chǎng)合均能適應(yīng)，由于自帶 DSP核心，對(duì)要求快速響應(yīng)的數(shù)據(jù)處理也能勝任，一般不需要擴(kuò)展即可滿足需要，具體需要實(shí)現(xiàn)的信號(hào)輸入輸出，只要配以合適的外圍接口電路即可實(shí)現(xiàn)；需要實(shí)現(xiàn)的控制功能也可編程實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中除電站電能管理控制器要求比較復(fù)雜，需要進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)配置外，其它控制器和信號(hào)接口或變送器等均使用上述電路實(shí)現(xiàn)，帶 CAN接口的變送器或執(zhí)行器一端如圖 3所示實(shí)現(xiàn) CAN總線接口，另一端配以 MCU對(duì)應(yīng)的外圍電路，可實(shí)現(xiàn)帶CAN總線的不同功能的輸入輸出。具體如下：
2．1 帶 CAN總線的常用信號(hào)變送器
常用的信號(hào)分為開關(guān)量輸入， 0－5V，4－20mA，熱電阻，熱電偶等，其中開關(guān)量信號(hào)輸入采用光耦隔離輸入，模擬量輸入采用高性能的儀表運(yùn)算放大器構(gòu)成，熱電阻，熱電偶等均采用標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)調(diào)理電路，所以對(duì) MCU而言，輸入的均為標(biāo)準(zhǔn)的0－5V信號(hào)，對(duì)應(yīng)傳感器的昀大量程。經(jīng)信號(hào)調(diào)理后的 16路模擬量輸入接到 MCU的RB0-15,即可實(shí)現(xiàn) MCU對(duì)該 16路模擬量輸入的采樣。開關(guān)量輸入信號(hào)變送器將輸入信號(hào)隔離后送到 MCU的PORTB－G口，昀大可以實(shí)現(xiàn) 48個(gè)輸入，除使用光耦隔離電路外中間不需要其它電路。

2．2 帶 CAN總線的編碼信號(hào)變送器 正交脈沖編碼輸入，有A，B正交的2相輸入，即相位上相差90度，其昀到頻率可達(dá)20KHz。由于頻率較高，光電隔離應(yīng)采用高速光耦來采樣，可以使用 MCU的信號(hào)捕捉接口 RD8―11來實(shí)現(xiàn) 2組 4個(gè)正交脈沖編碼輸入，配置 MCU相應(yīng)的寄存器可實(shí)現(xiàn)正交脈沖編碼的計(jì)數(shù)和正負(fù)判斷。
2．3 帶 CAN總線的電量信號(hào)變送器

電量信號(hào)的采樣需要采集電壓和電流信號(hào)并轉(zhuǎn)換成有效值，調(diào)理成 MCU需要的0－5V信號(hào)，同時(shí)需要正弦－方波的轉(zhuǎn)換，送到 MCU的中斷接口處，便于相位計(jì)算。電壓信號(hào)的調(diào)理電路如圖 4所示，電流型電壓互感器將取樣電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成 mA電流信號(hào)經(jīng)運(yùn)放 U2放大成電壓信號(hào)，經(jīng) U1A比較電路取得交流電壓過零方波的檢測(cè)信號(hào)，供頻率轉(zhuǎn)換和相位計(jì)算用，運(yùn)放 U1B,U1C電路構(gòu)成整流電路，U1D電路為濾波電路，其輸出為 MCU需要的0－5V電壓信號(hào)。電壓信號(hào)采樣考慮到變化幅度有限，選擇 1.5倍額定電壓對(duì)應(yīng) MCU昀大輸入5V，而電流信號(hào)變化比較大，特別是大電機(jī)起動(dòng)時(shí)，電流可以達(dá)到其額定電流6－8倍，電流的保護(hù)控制也需要能有效地實(shí)現(xiàn)8－10倍的保護(hù)控制，所以同一個(gè)電流的采樣分成三個(gè)等級(jí)來實(shí)現(xiàn)，一是 2倍額定電流對(duì)應(yīng) MCU對(duì)答輸入5V，一是 4倍額定電流對(duì)應(yīng) MCU的 5V輸入，另一是 10倍額定電流對(duì)應(yīng) 5V輸入。電路原理與圖 4所示類似，這樣，一臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的三相電壓和電流的采樣要用到 12個(gè)模擬量輸入，3個(gè)電壓過零中斷輸入，3個(gè)電流過零中斷輸入。根據(jù)上述信號(hào) MCU將不僅得到相應(yīng)的電壓值、電流值，還要計(jì)算出相位差，功率因素，有功功率，無功功率，視在功率，有功電能統(tǒng)計(jì)等，同時(shí)需要根據(jù)額定值確定是否有過電壓、欠電壓、長延時(shí)過電流、短延時(shí)過電流、瞬時(shí)過電流，逆功率等故障信號(hào)，所以本電量變送器含多重功能。