數字繼電保護系統中CAN總線(xiàn)通信的實(shí)現
加入技術(shù)交流群
CAN總線(xiàn)是一種多主總線(xiàn)，即每個(gè)節點(diǎn)機均可成為主機，且節點(diǎn)機之間也可進(jìn)行通信，總線(xiàn)上各個(gè)節點(diǎn)共享通信介質(zhì)，因此必須解決各節點(diǎn)競爭使用總線(xiàn)而引起的沖突問(wèn)題。CAN總線(xiàn)采用了一種獨特的基于報文靜態(tài)優(yōu)先級的非破壞性帶沖突檢測的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)（Nondestructive CSMA/CD）總線(xiàn)仲裁技術(shù)[3]。
報文的頭部識別符定義一個(gè)靜態(tài)的報文優(yōu)先級。只要總線(xiàn)空閑，任何節點(diǎn)都可以開(kāi)始發(fā)送報文。如果2個(gè)或2個(gè)以上的節點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始傳送報文，此時(shí)就會(huì )出現總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)沖突。通過(guò)識別符的按位仲裁可以解決這個(gè)沖突。仲裁期間，每一個(gè)發(fā)送器都對發(fā)送位的電平與被偵聽(tīng)的總線(xiàn)電平進(jìn)行比較。如果電平相同，則這個(gè)節點(diǎn)可以繼續發(fā)送;如果不同，退出發(fā)送。
CAN總線(xiàn)上電平用“顯性”（邏輯“0”）和“隱性”（邏輯“1”）來(lái)表示，當同時(shí)出現“顯性”和“隱性”時(shí)，其結果是總線(xiàn)電平呈“顯性”。如果節點(diǎn)1發(fā)送的是“隱性”電平而節點(diǎn)2發(fā)送的是“顯性”電平，兩節點(diǎn)偵聽(tīng)到的總線(xiàn)電平則是“顯性”，這樣節點(diǎn)1就失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)，而節點(diǎn)2贏(yíng)得仲裁可以繼續不受影響地發(fā)送報文。CAN總線(xiàn)這種非破壞性總線(xiàn)仲裁機制確保了報文和時(shí)間均不損失。
除了上述非破壞性總線(xiàn)仲裁機制的特點(diǎn)，CAN總線(xiàn)還具有如下顯著(zhù)的特點(diǎn)[4]：① CAN總線(xiàn)具有完善的錯誤處理機制，包括偵聽(tīng)、CRC校驗、位填充技術(shù)、幀格式檢查等以及一些相應的準則。CAN總線(xiàn)上，任何檢測到錯誤的節點(diǎn)都會(huì )發(fā)出一串稱(chēng)為“錯誤標志”的位流，標記出已損壞的報文。此報文會(huì )失效并將自動(dòng)地開(kāi)始重新傳送。 因此，它的可靠性很高。
?、?數據段長(cháng)度最多為8個(gè)字節,不會(huì )占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(cháng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。如MCP2510 CAN控制器的串行速率為1M，最長(cháng)報文發(fā)送時(shí)延為64µs（8×8/1=64）。但這同時(shí)也反映了其不適于傳輸長(cháng)報文的局限性。
考慮到數字繼電保護系統中的開(kāi)關(guān)量信號，包括斷路器位置狀態(tài)信號、保護投入信號、分合閘與報警信號等，都是幾個(gè)字節的小數據量信息，但是對實(shí)時(shí)性和可靠性要求很高，在保護系統中應用CAN總線(xiàn)傳輸開(kāi)關(guān)量信號，可以充分發(fā)揮CAN總線(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢。
2 DSP的McBSP與CAN控制器接口的設計
CAN總線(xiàn)通信模塊由MICROCHIP公司的CAN總線(xiàn)控制器MCP2510[5]和TI公司CAN總線(xiàn)收發(fā)器SN65HVD232[6]組成，如圖1所示。MCP2510是帶SPI接口的CAN控制器，與CAN2.0A/B協(xié)議兼容，支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B的被動(dòng)/主動(dòng)版本協(xié)議，實(shí)現CAN總線(xiàn)的邏輯鏈路控制和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制，能夠發(fā)送、接收標準和擴展報文，位速率可達1Mbps，它還具有驗收過(guò)濾和消息管理的功能，包括3個(gè)發(fā)送緩沖器和2個(gè)接收緩沖器，減少了微控制器（MCU）管理的負擔。SN65HVD232是CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)的驅動(dòng)接口，為總線(xiàn)提供不同的發(fā)送能力和對CAN控制器提供不同的接收能力，與ISO11898標準兼容。
本文選用TI公司高性能C54系列的DSP作為控制核心，型號為T(mén)MS320VC5410A，工作主頻160MHz。TMS320VC5410A提供高速、雙向、多通道帶緩沖串行接口McBSP與MCP2510的SPI（工業(yè)標準串行外圍接口）接口，兩者連接關(guān)系如圖2所示。
McBSP功能強大，結構復雜，要實(shí)現二者的通信，關(guān)鍵要對McBSP的各寄存器進(jìn)行合理配置，包括主從方式選擇，時(shí)鐘信號、幀同步信號的產(chǎn)生，數據收發(fā)的沿邊選擇，時(shí)序配合等，下面分別加以論述。
時(shí)鐘與幀同步信號的連接關(guān)系表明McBSP工作在主（Master）方式，MCP2510 工作在從（Slave）方式。McBSP的發(fā)送時(shí)鐘由DSP內部采樣率發(fā)生器產(chǎn)生（發(fā)送時(shí)鐘模式位CLKXM=1），采樣率發(fā)生器時(shí)鐘由DSP內部時(shí)鐘產(chǎn)生（采樣率發(fā)生器時(shí)鐘模式位CLKSM=1），McBSP的接收時(shí)鐘由發(fā)送時(shí)鐘驅動(dòng)（接收時(shí)鐘模式位CLKRM=0），MCP2510的時(shí)鐘由McBSP給出，總之，所有的時(shí)鐘源頭是DSP的內部時(shí)鐘;同時(shí)，發(fā)送幀同步信號FSX由McBSP內部寄存器DXR向XSR的數據拷貝動(dòng)作產(chǎn)生（發(fā)送幀同步模式位FSXM=1,采樣率發(fā)生器發(fā)送幀同步模式位FSGM=0），接收幀同步信號由發(fā)送幀同步信號驅動(dòng)（接收幀同步模式位FSRM=0）。
根據如圖3所示的內部連接圖中時(shí)鐘和同步信號流程分析，McBSP內部時(shí)鐘信號（Internal CLKX、Internal CLKR）、幀同步信號（Internal FSX、Internal FSR）與MCP2510的時(shí)鐘信號、片選信號同步產(chǎn)生與停止。McBSP內部發(fā)送幀同步信號Internal FSX是從低電平跳到高電平，而與之相連的MCP2510片選信號是高電平跳到低電平有效，相位相反，故McBSP內部寄存器的發(fā)送幀同步信號極性位FSXP=1，而McBSP內部幀同步信號Internal FSR與Internal FSX必須一致，故Internal FSR也必須和MCP2510片選信號反相，接收幀同步信號極性位FSRP=1。
評論