基于CAN總線(xiàn)的小水電多功能自動(dòng)化裝置的研發(fā)
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目前我國眾多小水電站的自動(dòng)化水平落后，機電設備陳舊老化，安全事故頻繁，自動(dòng)控制系統的運行需要多人值班，進(jìn)行設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，多數小水電站要求進(jìn)行自動(dòng)化設備的技術(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(wú)人值班的要求。
總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展及應用，為解決以上問(wèn)題帶來(lái)方便。采用高速現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)――CAN總線(xiàn)，可將小水電站多種測控系統的功能要求進(jìn)行模塊化多功能集中設計，構成基于CAN總線(xiàn)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(diǎn)及CAN總線(xiàn)的確定
2.1小水電站測控系統的特點(diǎn)
小水電站的測控系統主要有發(fā)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(huà)、通訊等。小水電站自動(dòng)化與大水電站比較，其自動(dòng)測控要求相對簡(jiǎn)單，如果直接套用大水電站自動(dòng)控制方案及設備配置，則會(huì )造成模式復雜、成本高、設備占用空間大、功能浪費嚴重等問(wèn)題。
針對小水電站自動(dòng)測控系統的特點(diǎn)，將所需的多種不同測控系統進(jìn)行模塊式一體化設計，功能模塊間采用總線(xiàn)技術(shù)連接，一體機獨立運作，簡(jiǎn)化安裝及操作，將是最佳方案。
2.2 CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)和通信協(xié)議
目前應用比較廣泛的幾種現場(chǎng)總線(xiàn)有CAN、HART、Profibus、Lonworks等。而在這些總線(xiàn)中， CAN總線(xiàn)以其極高的性能、可靠性及其獨特的設計越來(lái)越受到人們的重視，成為最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)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實(shí)時(shí)控制的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ),最初由德國B(niǎo)osch公司推出，為解決汽車(chē)中傳感器與執行裝置之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的，特別適合工業(yè)過(guò)程監控設備的互聯(lián)，其應用范圍已遍及工業(yè)控制自動(dòng)化、汽車(chē)自動(dòng)化、機械工業(yè)、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。
（1） CAN總線(xiàn)的有關(guān)特點(diǎn)
與其他現場(chǎng)總線(xiàn)相比，針對多功能測控裝置的研發(fā)要求，CAN總線(xiàn)具有獨特的設計思想：【1】【2】
多主方式工作，網(wǎng)絡(luò )上任一節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上其他節點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。這一特點(diǎn)使裝置內部的各模塊節點(diǎn)都可以主動(dòng)發(fā)送信息，并且沒(méi)有時(shí)間限制，通訊的實(shí)時(shí)性好。
采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，從而大大節省了總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間。這一特點(diǎn)使裝置內部的各模塊節點(diǎn)的通訊快速可靠。
只需通過(guò)報文濾波即可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送數據。根據這一特點(diǎn)，裝置內部的各模塊節點(diǎn)的通訊方式可以多樣化，比如，對時(shí)可以采用廣播的方式。
CAN 網(wǎng)上的節點(diǎn)數目前可達 110 個(gè)；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(diǎn)通訊時(shí)報文量大的問(wèn)題。
采用短幀數據格式，傳輸時(shí)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(diǎn)在錯誤嚴重的情況下可以自動(dòng)關(guān)閉輸出功能,脫離網(wǎng)絡(luò )，而不會(huì )影響其他節點(diǎn)的操作。
（2） CAN總線(xiàn)的通信協(xié)議
CAN總線(xiàn)的報文傳送由4種不同類(lèi)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(gè)發(fā)送節點(diǎn)攜帶數據至一個(gè)或多個(gè)接收節點(diǎn)，它由幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)、校驗場(chǎng)、應答場(chǎng)和幀結束組成。標準幀的仲裁場(chǎng)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(chǎng)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(méi)有數據場(chǎng)，由幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、CRC 場(chǎng)、應答場(chǎng)、幀結束組成。CAN 網(wǎng)絡(luò )上的一個(gè)接收節點(diǎn)可以通過(guò)向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)一個(gè)遠程幀來(lái)啟動(dòng)數據傳輸，用標識符尋址數據發(fā)送源節點(diǎn)，且置相應幀的 RTR 位為“1”。
標識符作為報文的名稱(chēng)，在仲裁期間，它首先被送到總線(xiàn)。在接收器的驗收判斷中和仲裁過(guò)程確定訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先權中都要用到。遠程發(fā)送請求位（RTR）用來(lái)確定是發(fā)送遠程幀還是數據幀，當RTR為高電平時(shí)，CAN控制器發(fā)送遠程幀，為低電平時(shí)則發(fā)送數據幀。
3 CAN總線(xiàn)在小水電多功能自動(dòng)化裝置中的應用
采用CAN總線(xiàn)開(kāi)發(fā)集多種功能于一體的自動(dòng)測控裝置，可提高我國小水電綜合自動(dòng)化的水平。
開(kāi)發(fā)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(shí)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(gè)CPU模塊，分別用于綜合測控、自動(dòng)準同期、面板顯示、通訊管理、PLC順控、光字牌顯示與語(yǔ)音報警、發(fā)變組保護。各模塊采用高速現場(chǎng)總線(xiàn)CAN相連，完成生產(chǎn)過(guò)程控制、設備狀態(tài)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?xún)r(jià)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(lái)完成。其中，很多功能的實(shí)現都要求有很高的實(shí)時(shí)性，例如其中準同期功能的合閘時(shí)機捕捉、發(fā)電機保護的動(dòng)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(diǎn)的主控芯片。DSP56F807【4】具有多總線(xiàn)和流水線(xiàn)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(gè)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(xiàn)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(zhuān)門(mén)的CAN總線(xiàn)芯片，降低成本，簡(jiǎn)化硬件電路，這也是主控制器選用DSP56F807的另一原因。通過(guò)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(xiàn)上的各節點(diǎn)互連，實(shí)現總線(xiàn)不出芯片。由于CAN控制器必須通過(guò)CAN驅動(dòng)芯片才能與CAN總線(xiàn)相連，所以選用PHILIPS公司生產(chǎn)的CAN總線(xiàn)收發(fā)器82C250作為CAN驅動(dòng)芯片，DSP與82C250的連線(xiàn)圖如圖2所示。
3.2 CAN通訊的軟件實(shí)現
本設計中，主要采用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，而在少數需要直接和硬件打交道的地方采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序。在編寫(xiě)CAN的通訊程序時(shí)，有三個(gè)環(huán)節非常重要，即CAN模塊初始化、CAN接收數據和CAN發(fā)送數據。
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