基于CAN總線的小水電多功能自動(dòng)化裝置的研發(fā)
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目前我國(guó)眾多小水電站的自動(dòng)化水平落后，機(jī)電設(shè)備陳舊老化，安全事故頻繁，自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要多人值班，進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)及事故處理，嚴(yán)重影響小水電的經(jīng)濟(jì)效益。近幾年，多數(shù)小水電站要求進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備的技術(shù)改造，提高測(cè)控技術(shù)水平，降低事故率，提出盡可能少人值班或無(wú)人值班的要求。
總線技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，為解決以上問(wèn)題帶來(lái)方便。采用高速現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)――CAN總線，可將小水電站多種測(cè)控系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行模塊化多功能集中設(shè)計(jì)，構(gòu)成基于CAN總線的小水電多功能一體測(cè)控裝置。
2小水電站測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)及CAN總線的確定
2.1小水電站測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)
小水電站的測(cè)控系統(tǒng)主要有發(fā)電機(jī)組保護(hù)、轉(zhuǎn)速測(cè)控、溫度巡檢、綜合測(cè)控、同期控制、順序控制、人機(jī)對(duì)話、通訊等。小水電站自動(dòng)化與大水電站比較，其自動(dòng)測(cè)控要求相對(duì)簡(jiǎn)單，如果直接套用大水電站自動(dòng)控制方案及設(shè)備配置，則會(huì)造成模式復(fù)雜、成本高、設(shè)備占用空間大、功能浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。
針對(duì)小水電站自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，將所需的多種不同測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行模塊式一體化設(shè)計(jì)，功能模塊間采用總線技術(shù)連接，一體機(jī)獨(dú)立運(yùn)作，簡(jiǎn)化安裝及操作，將是最佳方案。
2.2 CAN總線的特點(diǎn)和通信協(xié)議
目前應(yīng)用比較廣泛的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線有CAN、HART、Profibus、Lonworks等。而在這些總線中， CAN總線以其極高的性能、可靠性及其獨(dú)特的設(shè)計(jì)越來(lái)越受到人們的重視，成為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。
CAN（Control Area Network）即控制局域網(wǎng)絡(luò)，是一種具有高可靠性、有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò),最初由德國(guó)Bosch公司推出，為解決汽車中傳感器與執(zhí)行裝置之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的，特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)，其應(yīng)用范圍已遍及工業(yè)控制自動(dòng)化、汽車自動(dòng)化、機(jī)械工業(yè)、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。
（1） CAN總線的有關(guān)特點(diǎn)
與其他現(xiàn)場(chǎng)總線相比，針對(duì)多功能測(cè)控裝置的研發(fā)要求，CAN總線具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想：【1】【2】
多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。這一特點(diǎn)使裝置內(nèi)部的各模塊節(jié)點(diǎn)都可以主動(dòng)發(fā)送信息，并且沒有時(shí)間限制，通訊的實(shí)時(shí)性好。
采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。這一特點(diǎn)使裝置內(nèi)部的各模塊節(jié)點(diǎn)的通訊快速可靠。
只需通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù)。根據(jù)這一特點(diǎn)，裝置內(nèi)部的各模塊節(jié)點(diǎn)的通訊方式可以多樣化，比如，對(duì)時(shí)可以采用廣播的方式。
CAN 網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目前可達(dá) 110 個(gè)；報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá) 2032種（CAN2.0A），而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（CAN2.0B）的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。因此，采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)可以解決各模塊節(jié)點(diǎn)通訊時(shí)報(bào)文量大的問(wèn)題。
采用短幀數(shù)據(jù)格式，傳輸時(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng)，檢錯(cuò)效果好。
每幀信息都有CRC校驗(yàn)，數(shù)據(jù)通信的可靠性強(qiáng)。
通信節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下可以自動(dòng)關(guān)閉輸出功能,脫離網(wǎng)絡(luò)，而不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的操作。
（2） CAN總線的通信協(xié)議
CAN總線的報(bào)文傳送由4種不同類型的幀表示和控制：【3】數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀和超載幀。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀可使用標(biāo)準(zhǔn)幀格式和擴(kuò)展幀格式。
數(shù)據(jù)幀自一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)攜帶數(shù)據(jù)至一個(gè)或多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，它由幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、校驗(yàn)場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)和幀結(jié)束組成。標(biāo)準(zhǔn)幀的仲裁場(chǎng)由11位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位RTR組成。擴(kuò)展幀的仲裁場(chǎng)由29位標(biāo)識(shí)符和替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求SRR位、標(biāo)志位IDE和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位RTR組成。
遠(yuǎn)程幀沒有數(shù)據(jù)場(chǎng)，由幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、CRC 場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)束組成。CAN 網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)一個(gè)遠(yuǎn)程幀來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，用標(biāo)識(shí)符尋址數(shù)據(jù)發(fā)送源節(jié)點(diǎn)，且置相應(yīng)幀的 RTR 位為“1”。
標(biāo)識(shí)符作為報(bào)文的名稱，在仲裁期間，它首先被送到總線。在接收器的驗(yàn)收判斷中和仲裁過(guò)程確定訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)中都要用到。遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位（RTR）用來(lái)確定是發(fā)送遠(yuǎn)程幀還是數(shù)據(jù)幀，當(dāng)RTR為高電平時(shí)，CAN控制器發(fā)送遠(yuǎn)程幀，為低電平時(shí)則發(fā)送數(shù)據(jù)幀。
3 CAN總線在小水電多功能自動(dòng)化裝置中的應(yīng)用
采用CAN總線開發(fā)集多種功能于一體的自動(dòng)測(cè)控裝置，可提高我國(guó)小水電綜合自動(dòng)化的水平。
開發(fā)的測(cè)控裝置采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想和按功能模塊設(shè)計(jì)的方法，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組保護(hù)、轉(zhuǎn)速測(cè)控、溫度巡檢、電量采集、非電量采集、同期控制、順序控制、人機(jī)交互和通訊等功能。在裝置內(nèi)部設(shè)置七個(gè)CPU模塊，分別用于綜合測(cè)控、自動(dòng)準(zhǔn)同期、面板顯示、通訊管理、PLC順控、光字牌顯示與語(yǔ)音報(bào)警、發(fā)變組保護(hù)。各模塊采用高速現(xiàn)場(chǎng)總線CAN相連，完成生產(chǎn)過(guò)程控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備參數(shù)整定、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)視、裝置自診斷故障顯示等功能，各CPU模塊的CAN通訊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
3.1 主控制器的硬件選型
主控制器選用MOTOROLA公司推出的高性價(jià)比DSP數(shù)字信號(hào)處理器DSP56F807，主控芯片的選擇取決于小水電測(cè)控裝置的功能要求。
小水電測(cè)控裝置采用多CPU的硬件模式，各主要功能模塊由獨(dú)立的控制芯片來(lái)完成。其中，很多功能的實(shí)現(xiàn)都要求有很高的實(shí)時(shí)性，例如其中準(zhǔn)同期功能的合閘時(shí)機(jī)捕捉、發(fā)電機(jī)保護(hù)的動(dòng)作出口等等，并且裝置中的電量采集等需要用到傅氏算法，運(yùn)算量非常大，所以主控制器需要選用運(yùn)算速度快、抗干擾性能好的CPU芯片，而DSP56F807正是一款具有上述優(yōu)點(diǎn)的主控芯片。DSP56F807【4】具有多總線和流水線結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行速率快，并且DSP內(nèi)部有硬件乘法器，可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘法，運(yùn)算速度快。
裝置內(nèi)部的各CPU模塊采用CAN總線通訊，而DSP芯片上就集成了控制器局域網(wǎng)模塊CAN2.0A/B，因此不需要另外配置專門的CAN總線芯片，降低成本，簡(jiǎn)化硬件電路，這也是主控制器選用DSP56F807的另一原因。通過(guò)DSP芯片自帶的CAN控制模塊MSCAN，在硬件上可以很方便地將CAN總線上的各節(jié)點(diǎn)互連，實(shí)現(xiàn)總線不出芯片。由于CAN控制器必須通過(guò)CAN驅(qū)動(dòng)芯片才能與CAN總線相連，所以選用PHILIPS公司生產(chǎn)的CAN總線收發(fā)器82C250作為CAN驅(qū)動(dòng)芯片，DSP與82C250的連線圖如圖2所示。
3.2 CAN通訊的軟件實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)中，主要采用C語(yǔ)言編寫程序，而在少數(shù)需要直接和硬件打交道的地方采用匯編語(yǔ)言編寫程序。在編寫CAN的通訊程序時(shí)，有三個(gè)環(huán)節(jié)非常重要，即CAN模塊初始化、CAN接收數(shù)據(jù)和CAN發(fā)送數(shù)據(jù)。
評(píng)論