基于CAN總線的小水電多功能自動化裝置的研發(fā)

1引言
目前我國眾多小水電站的自動化水平落后，機(jī)電設(shè)備陳舊老化，安全事故頻繁，自動控制系統(tǒng)的運行需要多人值班，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)行自動化設(shè)備的技術(shù)改造，提高測控技術(shù)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(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，為解決以上問題帶來方便。采用高速現(xiàn)場總線技術(shù)——CAN總線，可將小水電站多種測控系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行模塊化多功能集中設(shè)計，構(gòu)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(tǒng)的特點及CAN總線的確定
2.1小水電站測控系統(tǒng)的特點
小水電站的測控系統(tǒng)主要有發(fā)電機(jī)組保護(hù)、轉(zhuǎn)速測控、溫度巡檢、綜合測控、同期控制、順序控制、人機(jī)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(shè)備配置，則會造成模式復(fù)雜、成本高、設(shè)備占用空間大、功能浪費嚴(yán)重等問題。
針對小水電站自動測控系統(tǒng)的特點，將所需的多種不同測控系統(tǒng)進(jìn)行模塊式一體化設(shè)計，功能模塊間采用總線技術(shù)連接，一體機(jī)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(xié)議
目前應(yīng)用比較廣泛的幾種現(xiàn)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(shè)計越來越受到人們的重視，成為最有前途的現(xiàn)場總線之一。
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控制的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),最初由德國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)控制自動化、汽車自動化、機(jī)械工業(yè)、樓宇自動化等領(lǐng)域。
（1） CAN總線的有關(guān)特點
與其他現(xiàn)場總線相比，針對多功能測控裝置的研發(fā)要求，CAN總線具有獨特的設(shè)計思想：【1】【2】
??多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。這一特點使裝置內(nèi)部的各模塊節(jié)點都可以主動發(fā)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(shù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。這一特點使裝置內(nèi)部的各模塊節(jié)點的通訊快速可靠。
??只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù)。根據(jù)這一特點，裝置內(nèi)部的各模塊節(jié)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(wǎng)上的節(jié)點數(shù)目前可達(dá) 110 個；報文標(biāo)識符可達(dá) 2032種（CAN2.0A），而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（CAN2.0B）的報文標(biāo)識符幾乎不受限制。因此，采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)可以解決各模塊節(jié)點通訊時報文量大的問題。
??采用短幀數(shù)據(jù)格式，傳輸時間短，抗干擾能力強(qiáng)，檢錯效果好。
??每幀信息都有CRC校驗，數(shù)據(jù)通信的可靠性強(qiáng)。
??通信節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下可以自動關(guān)閉輸出功能,脫離網(wǎng)絡(luò)，而不會影響其他節(jié)點的操作。
（2） CAN總線的通信協(xié)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(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯幀和超載幀。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)幀自一個發(fā)送節(jié)點攜帶數(shù)據(jù)至一個或多個接收節(jié)點，它由幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、校驗場、應(yīng)答場和幀結(jié)束組成。標(biāo)準(zhǔn)幀的仲裁場由11位標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位RTR組成。擴(kuò)展幀的仲裁場由29位標(biāo)識符和替代遠(yuǎn)程請求SRR位、標(biāo)志位IDE和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位RTR組成。
遠(yuǎn)程幀沒有數(shù)據(jù)場，由幀起始、仲裁場、控制場、CRC 場、應(yīng)答場、幀結(jié)束組成。CAN 網(wǎng)絡(luò)上的一個接收節(jié)點可以通過向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)一個遠(yuǎn)程幀來啟動數(shù)據(jù)傳輸，用標(biāo)識符尋址數(shù)據(jù)發(fā)送源節(jié)點，且置相應(yīng)幀的 RTR 位為“1”。
標(biāo)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(yōu)先權(quán)中都要用到。遠(yuǎn)程發(fā)送請求位（RTR）用來確定是發(fā)送遠(yuǎn)程幀還是數(shù)據(jù)幀，當(dāng)RTR為高電平時，CAN控制器發(fā)送遠(yuǎn)程幀，為低電平時則發(fā)送數(shù)據(jù)幀。
3 CAN總線在小水電多功能自動化裝置中的應(yīng)用
采用CAN總線開發(fā)集多種功能于一體的自動測控裝置，可提高我國小水電綜合自動化的水平。
開發(fā)的測控裝置采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想和按功能模塊設(shè)計的方法，可以實現(xiàn)機(jī)組保護(hù)、轉(zhuǎn)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(jī)交互和通訊等功能。在裝置內(nèi)部設(shè)置七個CPU模塊，分別用于綜合測控、自動準(zhǔn)同期、面板顯示、通訊管理、PLC順控、光字牌顯示與語音報警、發(fā)變組保護(hù)。各模塊采用高速現(xiàn)場總線CAN相連，完成生產(chǎn)過程控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備參數(shù)整定、運行參數(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公司推出的高性價比DSP數(shù)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(xiàn)都要求有很高的實時性，例如其中準(zhǔn)同期功能的合閘時機(jī)捕捉、發(fā)電機(jī)保護(hù)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(yōu)點的主控芯片。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，可以在一個指令周期內(nèi)完成乘法，運算速度快。
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(jié)點互連，實現(xiàn)總線不出芯片。由于CAN控制器必須通過CAN驅(qū)動芯片才能與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)動芯片，DSP與82C250的連線圖如圖2所示。

3.2 CAN通訊的軟件實現(xiàn)
本設(shè)計中，主要采用C語言編寫程序，而在少數(shù)需要直接和硬件打交道的地方采用匯編語言編寫程序。在編寫CAN的通訊程序時，有三個環(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)。

（1） CAN模塊的初始化
在CAN控制器運行時，首先必須對MSCAN模塊初始化，對它的一些內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，CAN模塊的初始化流程圖如圖3所示。
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首先使MSCAN進(jìn)入軟件復(fù)位狀態(tài)，因為只有這樣才可以對MSCAN設(shè)置有關(guān)的寄存器進(jìn)行寫入，此時，MSCAN會退出所有的發(fā)送和接收操作，并失去總線同步。所以當(dāng)MSCAN設(shè)置完相關(guān)寄存器并退出軟件復(fù)位狀態(tài)后，要判斷MSCAN與總線是否同步，只有完成同步，MSCAN才能正常的接收發(fā)送數(shù)據(jù)幀。
（2） CAN模塊的數(shù)據(jù)接收
CAN接收數(shù)據(jù)幀時采用中斷機(jī)制，由于MSCAN初始化時設(shè)置接收中斷允許寄存器，允許接收緩沖區(qū)滿中斷，即在接收緩沖區(qū)滿時會觸發(fā)一個MSCAN接收中斷請求，CAN接收中斷流程圖如圖4所示。在接收中斷服務(wù)程序中，為了避免此時再發(fā)生中斷，在接收數(shù)據(jù)幀之前設(shè)置中斷允許寄存器，不允許接收緩沖區(qū)滿中斷，在接收數(shù)據(jù)幀之后，清除接收緩沖區(qū)滿標(biāo)志，并允許接收緩沖區(qū)滿中斷，便于下一次接收中斷的處理。

（3） CAN模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送
CAN發(fā)送數(shù)據(jù)幀時也采用中斷機(jī)制，但與接收中斷不同的是，由于MSCAN初始化時設(shè)置發(fā)送器控制寄存器CANTCR，不允許發(fā)送緩沖區(qū)空中斷，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時需要通過設(shè)置CANTCR允許發(fā)送緩沖區(qū)空中斷，從而啟動發(fā)送中斷，進(jìn)入發(fā)送中斷服務(wù)程序， CAN發(fā)送中斷流程圖如圖5所示。在中斷服務(wù)程序中，設(shè)置CANTCR不允許發(fā)送緩沖區(qū)空中斷，直到下一次啟動發(fā)送中斷。確定發(fā)送緩沖區(qū)為空時填寫發(fā)送緩沖數(shù)據(jù)寄存器并清除發(fā)送緩沖區(qū)空標(biāo)志，這樣MSCAN才能開始發(fā)送數(shù)據(jù)。
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3.3 裝置內(nèi)部各CPU模塊的CAN通訊
裝置內(nèi)部各CPU模塊CAN通訊的信息量很大，所以通訊協(xié)議使用CAN 2.0B擴(kuò)展模式，報文標(biāo)識符幾乎不受限制，此時仲裁場的標(biāo)識符有29位。
在CAN的規(guī)范中，只定義了數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，而沒有定義有關(guān)發(fā)送和接收的結(jié)構(gòu)信息，所以在編寫通訊程序時，首先需要給數(shù)據(jù)幀的不同位賦以特定的含義，其中包含數(shù)據(jù)傳輸所需要的所有信息，包括傳輸源地址、目標(biāo)地址、幀類型、傳輸字節(jié)數(shù)、傳輸信息體等等。由于CAN協(xié)議規(guī)定，每幀最多傳送8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以，為了盡可能使8個字節(jié)中的數(shù)據(jù)都為傳輸信息體，較好的解決辦法就是將其他的信息包含在29位標(biāo)識符中。本設(shè)計中，CAN通訊的數(shù)據(jù)幀格式定義如表1所示。

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其中，前4個字節(jié)是擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀的仲裁場和控制場，后8個字節(jié)是數(shù)據(jù)場。
表1在設(shè)計中：
PRI：優(yōu)先級。1為低優(yōu)先級，0為高優(yōu)先級，剩余的優(yōu)先級由源地址決定，低地址優(yōu)先級高，該功能可有效支持緊急信息傳送如報警等。
Source Address：發(fā)送數(shù)據(jù)的源地址。
Type：幀類型，包括單幀、多幀、點對點傳送、廣播傳送。
SRR：在數(shù)據(jù)幀中，SRR必須為“顯性”電平，而在遠(yuǎn)程幀中，SRR必須為“隱性”電平。
IDE：屬于仲裁場，為“隱性”電平。
DLC：表示要發(fā)送的字節(jié)數(shù)，等于字節(jié)數(shù)減1。由于每幀最多發(fā)送8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，故DLC最大為7。
Data index：索引字節(jié)。單幀沒有索引字節(jié)，所以該字節(jié)為空；多幀數(shù)據(jù)時Data index表示發(fā)送數(shù)據(jù)幀的幀序號。
Destination Address：發(fā)送數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址。
RTR：定義本幀信息為數(shù)據(jù)幀還是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)幀請求位。
Data length (L), Data length (H)：多幀信息包的長度，只有在傳輸多幀數(shù)據(jù)的第一幀時填充，其他幀不填充，而可以填充要傳輸?shù)男畔Ⅲw。
6 bytes data：要傳輸?shù)男畔Ⅲw。
遵循上述約定的CAN協(xié)議，各CPU模塊之間的通訊快速可靠，抗干擾性強(qiáng)，傳輸波特率達(dá)到500kbps,達(dá)到了研發(fā)的性能指標(biāo)要求。
4 小結(jié)
為了實現(xiàn)小型水電站提出的少人值班、無人值班的要求，提高水電站的自動化水平，集發(fā)電機(jī)測控保護(hù)、勵磁調(diào)節(jié)、同期并列、順控、遠(yuǎn)程通訊、人機(jī)交互等多功能于一體的組合智能裝置是一個經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)方案，必將成為小水電綜合自動化未來發(fā)展的趨勢。此研發(fā)的多功能測控裝置采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际浇Y(jié)構(gòu)，各CPU模塊采用CAN總線相連，各模塊之間的數(shù)據(jù)交互快速可靠、抗干擾性強(qiáng)，在外觀上這些功能模塊都在一個機(jī)箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝使用。實際應(yīng)用中，既可以在現(xiàn)場獨立運行和操作，又可以在多機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合運行時根據(jù)需要配置上位機(jī)，構(gòu)成水電站監(jiān)控系統(tǒng)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。