基于CAN總線的三軸磁場監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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發(fā)電機(jī)組和電動(dòng)機(jī)組是電能生產(chǎn)和應(yīng)用的基本裝備，及時(shí)掌握大型電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，對電樞電壓、電樞電流、勵(lì)磁電流、溫度、轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測就顯得尤為重要。電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所需要的傳感器種類繁多、數(shù)量大，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)相對復(fù)雜。不同的狀態(tài)監(jiān)測機(jī)制存在著其總線結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一、總線通信線路復(fù)雜、模擬信號干擾大等問題，可靠性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性始終是設(shè)計(jì)者和用戶關(guān)注的主要方面[1]。
本文提出了基于控制器局部網(wǎng) CAN（Controller Area Network）總線數(shù)字模塊化三軸磁場監(jiān)測系統(tǒng)的概念，研究了大型電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊，以及 CAN總線上層協(xié)議的軟件設(shè)計(jì)，提高數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)目煽啃浴?1 CAN總線應(yīng)用于電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控的可行性分析
CAN總線由于采用了許多新技術(shù)和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，因此與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性的優(yōu)點(diǎn)?？梢远嘀鞣绞焦ぷ鳎瑥亩瓜到y(tǒng)的各模塊實(shí)現(xiàn)多主通信，充分發(fā)揮各子模塊智能化功能。 CAN總線通信接口集中了 CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)、優(yōu)先級判別等工作。這樣就降低了開發(fā)難度、縮短了開發(fā)周期，這一點(diǎn)是僅有電氣協(xié)議的 RS-485無法比擬的。
1.1CAN總線的信號傳輸實(shí)時(shí)性分析
從 CAN的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，可以計(jì)算得出具有最高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀的最壞傳輸時(shí)間。若在 1Mbit/s的傳輸速率下，最長的擴(kuò)展幀格式的信息幀的傳輸時(shí)間為 130µs，在這種情況下，CAN信息幀的最長阻塞時(shí)間為 130µs。通過標(biāo)準(zhǔn)幀格式首先降低了 CAN信息幀的阻塞時(shí)間，能夠滿足設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性需要。另外考慮到整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，傳感器采集數(shù)據(jù)的周期通常為 10-3秒級以上，遠(yuǎn)大于 CAN總線的信息發(fā)送周期。因此 CAN總線的信息幀的傳輸時(shí)間完全可以滿足信號傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。
1.2CAN總線的信號傳輸可靠性分析
CAN總線是一種多主站的協(xié)議，不依賴某個(gè)節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)而存活。 CAN總線有一套有效地判別出錯(cuò)節(jié)點(diǎn)并無需改變軟件就能將其從總線網(wǎng)絡(luò)中剔除的機(jī)制[2]，以此來保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。CAN總線理論上探測不到的傳輸錯(cuò)誤比例僅有 1×10-13，這對于電機(jī)監(jiān)測設(shè)計(jì)的高可靠性要求是很有利的?？紤]到 CAN總線是單總線設(shè)計(jì)，為滿足電機(jī)監(jiān)測設(shè)計(jì)的可靠性要求，除恰當(dāng)選擇網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淠Ｊ酵?，還可以設(shè)計(jì)為雙總線冗余設(shè)計(jì)[3]。
另外，本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)軟件上的防護(hù)措施和多種中斷復(fù)位措施，既有效降低功耗，又提高信號傳輸?shù)目煽啃浴?2監(jiān)測系統(tǒng)總體及節(jié)點(diǎn)模塊硬件設(shè)計(jì)
基于 CAN總線的模塊化電機(jī)磁場監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 1。
節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)。每一路傳感器采用獨(dú)立的采集系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸接口，整個(gè)節(jié)點(diǎn)電路模塊化，便于調(diào)試、安裝、置換，以及數(shù)字化和融合算法的軟件升級。
2.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口設(shè)計(jì)按照功耗分析對元器件從優(yōu)選擇，設(shè)計(jì)基于 CAN總線的模塊化實(shí)時(shí)磁場監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的接口電路，如圖 2所示。
MCP2510作為一款獨(dú)立的 CAN控制器，是為簡化連接 CAN總線的應(yīng)用而開發(fā)的。 MCP2510主要完成三個(gè)部分功能：① CAN協(xié)議引擎；②用來為器件及其運(yùn)行進(jìn)行配置的控制邏輯和 SRAM寄存器；③SPI串口通信模塊。 CAN協(xié)議引擎的功能是處理所有總線上的報(bào)文發(fā)送和接收。
單片機(jī) MSP430F169作為控制核心（ MCU），具備雙 SPI串口，通過 SPI接口與器件進(jìn)行串口通信。使用標(biāo)準(zhǔn) SPI讀寫命令對寄存器所有讀寫操作。所提供的中斷引腳提高了系統(tǒng)的靈活性。器件上有一個(gè)多用途中斷引腳，以及各接收緩沖器專用的中斷引腳，可用于指示有效報(bào)文是否被接收和載入各接收緩沖器。也可用通用中斷引腳和狀態(tài)寄存器（通過 SPI接口訪問）確定有效報(bào)文是否已被接收。
CAN驅(qū)動(dòng)器 TJA1040是一個(gè)物理層的器件，作為 CAN總線控制器和物理總線之間的接口，器件提供對總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對 CAN總線控制器的差動(dòng)接收能力。
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