基于ＣＡＮ總線的電機實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘要：電機狀態(tài)監(jiān)測用到的傳感器類型多、數(shù)量大、位置分散，本文基于控制器局部網(wǎng)CAN狀態(tài)對一款水電廠電機運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)總體進行合理的設計。對傳感器網(wǎng)絡節(jié)點進行模塊化設計和調(diào)試，對CAN傳輸層協(xié)議進行初步編制和使用。MSP430單片機作為子模塊核心部件，實現(xiàn)對工程數(shù)據(jù)的高效獲取和對CAN協(xié)議傳輸?shù)目刂疲换贑AN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時、高效和高可靠性的傳輸。

關鍵詞：CAN總線；電機；實時監(jiān)控；模塊化

引言

發(fā)電廠的發(fā)電機組和電動機組是電能生產(chǎn)和應用的基本裝備，因此，及時掌握大型電機的運行狀態(tài)，對電樞電壓、電樞電流、勵磁電流、溫度、轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)進行監(jiān)測就顯得尤為重要[1]。

大型電機運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的主要目標是實時監(jiān)測狀態(tài)的損傷及其運行健康。立足于及時地了解電機整體工作狀態(tài)，主要涉及到三個方面的工作[2]：①工作參數(shù)的采集和傳輸；②工作參數(shù)的識別和電機工作狀態(tài)信息的提取；③根據(jù)工作狀態(tài)信息給出電機狀況評估。其中，工作參數(shù)高效高可靠性的獲取與傳輸是關鍵第一步。

本文基于控制器局部網(wǎng)CAN（Controller Area Network）總線，重點研究了水電廠電機實時監(jiān)測系統(tǒng)模塊設計，傳感網(wǎng)絡節(jié)點硬件與軟件設計與實現(xiàn)，提高數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 CAN總線的技術特點分析

1.1 網(wǎng)絡平臺的比較分析

現(xiàn)有的網(wǎng)絡傳輸平臺形式多樣。串行通信，如RS-485總線，硬件連接方式比較簡單，傳輸距離長，但是其通信協(xié)議的制定比較繁瑣[2]。并行口數(shù)據(jù)通信，適合于數(shù)據(jù)傳輸量大、數(shù)據(jù)要求高的實時系統(tǒng)，協(xié)議制定比較簡單，但是硬件電路設計相對比較復雜[3]。無線傳感器網(wǎng)絡已被廣泛的應用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控、狀態(tài)安全監(jiān)測等，其無縫覆蓋，范圍廣，但應用在電機監(jiān)測系統(tǒng)中，容易受到外界復雜環(huán)境電磁場的干擾，且數(shù)據(jù)傳輸速度較低，可靠性受限[4]。

文獻[4]介紹LonWorks現(xiàn)場總線的特點，在此基礎上設計了電機監(jiān)測系統(tǒng)，給出了其硬件及軟件實現(xiàn)，可以實現(xiàn)遠距離的自動數(shù)據(jù)采集。LonWorks現(xiàn)場總線技術成熟，但節(jié)點載荷量低，LonTalk通信協(xié)議容錯能力不高，可靠性受限。

1.2 CAN總線應用于電機監(jiān)控的優(yōu)點

CAN總線由于采用了許多新技術和獨特的設計，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、實時性和靈活性的優(yōu)點[3]。可以多主方式工作，從而使系統(tǒng)的各模塊實現(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，如圖1，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、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，這一點是僅僅有電氣協(xié)議的RS-485無法比擬的。

此外，CAN總線應用于電機實時監(jiān)控系統(tǒng)，有其獨特的優(yōu)勢：

（1）CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響的繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，尤其是在網(wǎng)絡負擔很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓情況。

（2）CAN的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，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，尤其適用于電機監(jiān)測這樣種類多、數(shù)量大的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。

（3）CAN總線通信格式采用短幀格式，傳輸時間短，受干擾的概率低，具有極好的檢錯效果，每幀字節(jié)數(shù)最多為8個，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。

另外，CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活，抗干擾性強，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 基于CAN的實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

節(jié)點模塊化設計。每一路傳感器采用獨立的采集系統(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，整個節(jié)點電路模塊化，便于調(diào)試、數(shù)字化和融合算法的改進，在工程應用上也便于安裝、置換和調(diào)試。

2.1傳感器子模塊狀態(tài)設計實例

以NA-4120振弦式應力傳感器子模塊為例，介紹子模塊構(gòu)成原理圖，如圖2。

以單片機MSP430F169為核心（MCU），完成單路信號的濾波、放大、16位A/D采樣，以及數(shù)字化的信號處理、數(shù)據(jù)優(yōu)化打包和節(jié)點SPI通信等。補償電路是依據(jù)環(huán)境變化通過參數(shù)校正以及靜力補償?shù)确椒ǎ岣邤?shù)據(jù)采集的精度。

CAN控制器是CAN總線的核心，通過可編程芯片上的邏輯電路來實現(xiàn)幾乎所有數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能。其中包含CAN總線收發(fā)器，是一個物理層的器件，它是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發(fā)送能力和對CAN總線控制器的差動接收能力。

2.2網(wǎng)絡節(jié)點接口設計

基于CAN總線的模塊化電機實時監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點的接口電路，如圖3所示。

MCP2510作為一款獨立的CAN控制器，是為簡化連接CAN總線的應用而開發(fā)的。MCP2510主要完成三個部分功能：① CAN協(xié)議引擎；②用來為器件及其運行進行配置的控制邏輯和SRAM寄存器；③SPI串口通信模塊。

CAN驅(qū)動器TJA1040是一個物理層的器件，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發(fā)送能力和對CAN總線控制器的差動接收能力。

MCU通過SPI接口與器件進行串口通信。使用標準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）確定有效報文是否已被接收。

3 CAN系統(tǒng)節(jié)點軟件設計

子模塊MSP430單片機在數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化存儲之外，還承擔著執(zhí)行CAN傳輸協(xié)議、控制數(shù)據(jù)的打包、收發(fā)、檢錯、剔除奇異值等任務，其與CAN總線協(xié)議相關的主流程如圖4所示。

CAN協(xié)議支持的是8個字節(jié)的短幀狀態(tài)。在實際的傳輸過程中經(jīng)常需要傳送大于8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。因此對報文的打包和解包是一個關鍵問題。本協(xié)議構(gòu)建了兩個FIFO緩沖區(qū)用于CAN總線數(shù)據(jù)的讀緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)。

在收到應用層的發(fā)送報文請求時，首先確定報文是否需要拆包，同時根據(jù)通信協(xié)議所規(guī)定的格式將報文轉(zhuǎn)換成符合CAN數(shù)據(jù)鏈路層格式的幀，并將其放在發(fā)送緩沖區(qū)。在定時器中制定相關的程序不斷對循環(huán)隊列進行掃描，若發(fā)現(xiàn)隊列中有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，調(diào)用幀的發(fā)送程序依次發(fā)送。接收采用中斷的方式將數(shù)據(jù)從CAN總線上接收下來，每接收到一幀數(shù)據(jù)，將其存放于接收緩沖區(qū)中，當判別到接收緩沖區(qū)收到一包完整的報文后，用中斷的方式通知單片機，將整理好的數(shù)據(jù)交付給應用層，當單片機將數(shù)據(jù)讀走后，清空循環(huán)隊列的相應部分，以備下次數(shù)據(jù)的存放。中斷管理機制負責在整體上管理和調(diào)度其他機制協(xié)調(diào)工作，保證CAN機制有序的運轉(zhuǎn)，它激活CAN的數(shù)據(jù)收發(fā)機制、錯誤處理機制，并負責處理CAN的所有中斷，確保實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確無誤的傳輸。實驗通過構(gòu)建兩個節(jié)點組成的最小CAN總線系統(tǒng)，完成節(jié)點程序編寫、調(diào)試和數(shù)據(jù)通訊實驗分析，驗證了數(shù)據(jù)傳輸格式及部分通信協(xié)議的可行性和可靠性，為CAN總線在水電廠電機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應用提供了可靠的依據(jù)。

4 結(jié)語。

水電廠電機等大型電機狀態(tài)監(jiān)測復雜而特殊，對電機實時監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)，包括監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)高效的獲取與傳輸一直是的電機監(jiān)測工作的重點。而在國內(nèi)并無廣泛應用的成熟產(chǎn)品，所以研制與開發(fā)系統(tǒng)，具有重要的理論價值和實際應用的市場價值。本文基于CAN總線，采用MSP430F169設計CAN總線節(jié)點，提高了系統(tǒng)對于電機檢測復雜環(huán)境的抗干擾能力。系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性將在后續(xù)的整體系統(tǒng)研發(fā)中進一步修正和驗證。

參考文獻

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[5] Keith Pazul．Controller Area Network (CAN) Basics [M]．Microchip Technology Inc，1996．

作者簡介：許楊文（1969-），男，畢業(yè)于江蘇工學院內(nèi)燃機專業(yè)，浙江工業(yè)大學在讀在職工程碩士。研究方向：人工智能的應用。