基于CAN總線的小水電多功能自動化裝置的研發(fā)
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目前我國眾多小水電站的自動化水平落后，機電設(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，進行設(shè)備的維護及事故處理，嚴重影響小水電的經(jīng)濟效益。近幾年，多數(shù)小水電站要求進行自動化設(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)電機組保護、轉(zhuǎn)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(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 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(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，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。
通信節(jié)點在錯誤嚴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、遠程幀、出錯幀和超載幀。數(shù)據(jù)幀和遠程幀可使用標準幀格式和擴展幀格式。
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。標準幀的仲裁場由11位標識符和遠程發(fā)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(fā)送請求位RTR組成。
遠程幀沒有數(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)一個遠程幀來啟動數(shù)據(jù)傳輸，用標識符尋址數(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。遠程發(fā)送請求位（RTR）用來確定是發(fā)送遠程幀還是數(shù)據(jù)幀，當RTR為高電平時，CAN控制器發(fā)送遠程幀，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)機組保護、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。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，例如其中準同期功能的合閘時機捕捉、發(fā)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(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)。
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