基于CAN總線的小水電多功能自動化裝置的研發

作者：時間：2009-11-09 來源：網絡

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1引言
目前我國眾多小水電站的自動化水平落后，機電設備陳舊老化，安全事故頻繁，自動控制系統的運行需要多人值班，進行設備的維護及事故處理，嚴重影響小水電的經濟效益。近幾年，多數小水電站要求進行自動化設備的技術改造，提高測控技術水平，降低事故率，提出盡可能少人值班或無人值班的要求。
總線技術的發展及應用，為解決以上問題帶來方便。采用高速現場總線技術――CAN總線，可將小水電站多種測控系統的功能要求進行模塊化多功能集中設計，構成基于 CAN總線的小水電多功能一體測控裝置。
2小水電站測控系統的特點及CAN總線的確定
2.1小水電站測控系統的特點
小水電站的測控系統主要有發電機組保護、轉速測控、溫度巡檢、綜合測控、同期控制、順序控制、人機對話、通訊等。小水電站自動化與大水電站比較，其自動測控要求相對簡單，如果直接套用大水電站自動控制方案及設備配置，則會造成模式復雜、成本高、設備占用空間大、功能浪費嚴重等問題。
針對小水電站自動測控系統的特點，將所需的多種不同測控系統進行模塊式一體化設計，功能模塊間采用總線技術連接，一體機獨立運作，簡化安裝及操作，將是最佳方案。
2.2 CAN總線的特點和通信協議
目前應用比較廣泛的幾種現場總線有CAN、HART、Profibus、Lonworks等。而在這些總線中， CAN總線以其極高的性能、可靠性及其獨特的設計越來越受到人們的重視，成為最有前途的現場總線之一。
CAN（Control Area Network）即控制局域網絡，是一種具有高可靠性、有效支持分布式控制或實時控制的現場總線網絡,最初由德國Bosch公司推出，為解決汽車中傳感器與執行裝置之間的數據交換而開發的，特別適合工業過程監控設備的互聯，其應用范圍已遍及工業控制自動化、汽車自動化、機械工業、樓宇自動化等領域。
（1） CAN總線的有關特點
與其他現場總線相比，針對多功能測控裝置的研發要求，CAN總線具有獨特的設計思想：【1】【2】
多主方式工作，網絡上任一節點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，而不分主從，通信方式靈活。這一特點使裝置內部的各模塊節點都可以主動發送信息，并且沒有時間限制，通訊的實時性好。
采用非破壞性總線仲裁技術，從而大大節省了總線沖突仲裁時間。這一特點使裝置內部的各模塊節點的通訊快速可靠。
只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送數據。根據這一特點，裝置內部的各模塊節點的通訊方式可以多樣化，比如，對時可以采用廣播的方式。
CAN 網上的節點數目前可達 110 個；報文標識符可達 2032種（CAN2.0A），而擴展標準（CAN2.0B）的報文標識符幾乎不受限制。因此，采用CAN2.0B標準可以解決各模塊節點通訊時報文量大的問題。
采用短幀數據格式，傳輸時間短，抗干擾能力強，檢錯效果好。
每幀信息都有CRC校驗，數據通信的可靠性強。
通信節點在錯誤嚴重的情況下可以自動關閉輸出功能,脫離網絡，而不會影響其他節點的操作。
（2） CAN總線的通信協議
CAN總線的報文傳送由4種不同類型的幀表示和控制：【3】數據幀、遠程幀、出錯幀和超載幀。數據幀和遠程幀可使用標準幀格式和擴展幀格式。
數據幀自一個發送節點攜帶數據至一個或多個接收節點，它由幀起始、仲裁場、控制場、數據場、校驗場、應答場和幀結束組成。標準幀的仲裁場由11位標識符和遠程發送請求位RTR組成。擴展幀的仲裁場由29位標識符和替代遠程請求SRR位、標志位IDE和遠程發送請求位RTR組成。
遠程幀沒有數據場，由幀起始、仲裁場、控制場、CRC 場、應答場、幀結束組成。CAN 網絡上的一個接收節點可以通過向網絡上發一個遠程幀來啟動數據傳輸，用標識符尋址數據發送源節點，且置相應幀的 RTR 位為“1”。
標識符作為報文的名稱，在仲裁期間，它首先被送到總線。在接收器的驗收判斷中和仲裁過程確定訪問優先權中都要用到。遠程發送請求位（RTR）用來確定是發送遠程幀還是數據幀，當RTR為高電平時，CAN控制器發送遠程幀，為低電平時則發送數據幀。
3 CAN總線在小水電多功能自動化裝置中的應用
采用CAN總線開發集多種功能于一體的自動測控裝置，可提高我國小水電綜合自動化的水平。
開發的測控裝置采用面向對象的設計思想和按功能模塊設計的方法，可以實現機組保護、轉速測控、溫度巡檢、電量采集、非電量采集、同期控制、順序控制、人機交互和通訊等功能。在裝置內部設置七個CPU模塊，分別用于綜合測控、自動準同期、面板顯示、通訊管理、PLC順控、光字牌顯示與語音報警、發變組保護。各模塊采用高速現場總線CAN相連，完成生產過程控制、設備狀態監測、設備參數整定、運行參數監視、裝置自診斷故障顯示等功能，各CPU模塊的CAN通訊結構圖如圖1所示。

3.1 主控制器的硬件選型
主控制器選用MOTOROLA公司推出的高性價比DSP數字信號處理器DSP56F807，主控芯片的選擇取決于小水電測控裝置的功能要求。
小水電測控裝置采用多CPU的硬件模式，各主要功能模塊由獨立的控制芯片來完成。其中，很多功能的實現都要求有很高的實時性，例如其中準同期功能的合閘時機捕捉、發電機保護的動作出口等等，并且裝置中的電量采集等需要用到傅氏算法，運算量非常大，所以主控制器需要選用運算速度快、抗干擾性能好的CPU芯片，而DSP56F807正是一款具有上述優點的主控芯片。DSP56F807【4】具有多總線和流水線結構，指令的執行速率快，并且DSP內部有硬件乘法器，可以在一個指令周期內完成乘法，運算速度快。
裝置內部的各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，簡化硬件電路，這也是主控制器選用DSP56F807的另一原因。通過DSP芯片自帶的CAN控制模塊MSCAN，在硬件上可以很方便地將CAN總線上的各節點互連，實現總線不出芯片。由于CAN控制器必須通過CAN驅動芯片才能與CAN總線相連，所以選用PHILIPS公司生產的CAN總線收發器82C250作為CAN驅動芯片，DSP與82C250的連線圖如圖2所示。