基于CAN總線(xiàn)的三軸磁場(chǎng)監測系統設計
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發(fā)電機組和電動(dòng)機組是電能生產(chǎn)和應用的基本裝備，及時(shí)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、轉數等參數進(jìn)行監測就顯得尤為重要。電機狀態(tài)監測系統所需要的傳感器種類(lèi)繁多、數量大，構成的傳感器網(wǎng)絡(luò )相對復雜。不同的狀態(tài)監測機制存在著(zhù)其總線(xiàn)結構不統一、總線(xiàn)通信線(xiàn)路復雜、模擬信號干擾大等問(wèn)題，可靠性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟性始終是設計者和用戶(hù)關(guān)注的主要方面[1]。
本文提出了基于控制器局部網(wǎng) CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)數字模塊化三軸磁場(chǎng)監測系統的概念，研究了大型電機狀態(tài)監測系統架構設計，并重點(diǎn)設計與實(shí)現了傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)模塊，以及 CAN總線(xiàn)上層協(xié)議的軟件設計，提高數據采集與傳輸的可靠性。 1 CAN總線(xiàn)應用于電機狀態(tài)監控的可行性分析
CAN總線(xiàn)由于采用了許多新技術(shù)和獨特的設計，因此與一般的通信總線(xiàn)相比，它的數據通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性的優(yōu)點(diǎn)?？梢远嘀鞣绞焦ぷ?，從而使系統的各模塊實(shí)現多主通信，充分發(fā)揮各子模塊智能化功能。 CAN總線(xiàn)通信接口集中了 CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環(huán)冗余校驗、優(yōu)先級判別等工作。這樣就降低了開(kāi)發(fā)難度、縮短了開(kāi)發(fā)周期，這一點(diǎn)是僅有電氣協(xié)議的 RS-485無(wú)法比擬的。
1.1CAN總線(xiàn)的信號傳輸實(shí)時(shí)性分析
從 CAN的數據鏈路層協(xié)議，可以計算得出具有最高優(yōu)先級的數據幀的最壞傳輸時(shí)間。若在 1Mbit/s的傳輸速率下，最長(cháng)的擴展幀格式的信息幀的傳輸時(shí)間為 130µs，在這種情況下，CAN信息幀的最長(cháng)阻塞時(shí)間為 130µs。通過(guò)標準幀格式首先降低了 CAN信息幀的阻塞時(shí)間，能夠滿(mǎn)足設計的實(shí)時(shí)性需要。另外考慮到整個(gè)監測系統系統的節點(diǎn)數目，傳感器采集數據的周期通常為 10-3秒級以上，遠大于 CAN總線(xiàn)的信息發(fā)送周期。因此 CAN總線(xiàn)的信息幀的傳輸時(shí)間完全可以滿(mǎn)足信號傳輸的實(shí)時(shí)性要求。
1.2CAN總線(xiàn)的信號傳輸可靠性分析
CAN總線(xiàn)是一種多主站的協(xié)議，不依賴(lài)某個(gè)節點(diǎn)的正常運轉而存活。 CAN總線(xiàn)有一套有效地判別出錯節點(diǎn)并無(wú)需改變軟件就能將其從總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中剔除的機制[2]，以此來(lái)保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的穩定性。CAN總線(xiàn)理論上探測不到的傳輸錯誤比例僅有 1×10-13，這對于電機監測設計的高可靠性要求是很有利的?？紤]到 CAN總線(xiàn)是單總線(xiàn)設計，為滿(mǎn)足電機監測設計的可靠性要求，除恰當選擇網(wǎng)絡(luò )的拓撲模式外，還可以設計為雙總線(xiàn)冗余設計[3]。
另外，本設計通過(guò)單片機軟件上的防護措施和多種中斷復位措施，既有效降低功耗，又提高信號傳輸的可靠性。 2監測系統總體及節點(diǎn)模塊硬件設計
基于 CAN總線(xiàn)的模塊化電機磁場(chǎng)監測系統數據采集與傳輸網(wǎng)絡(luò )結構如圖 1。
節點(diǎn)模塊化設計。每一路傳感器采用獨立的采集系統、信號處理系統、數據存儲系統和數據傳輸接口，整個(gè)節點(diǎn)電路模塊化，便于調試、安裝、置換，以及數字化和融合算法的軟件升級。
2.1網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)接口設計按照功耗分析對元器件從優(yōu)選擇，設計基于 CAN總線(xiàn)的模塊化實(shí)時(shí)磁場(chǎng)監測系統節點(diǎn)的接口電路，如圖 2所示。
MCP2510作為一款獨立的 CAN控制器，是為簡(jiǎn)化連接 CAN總線(xiàn)的應用而開(kāi)發(fā)的。 MCP2510主要完成三個(gè)部分功能：① CAN協(xié)議引擎；②用來(lái)為器件及其運行進(jìn)行配置的控制邏輯和 SRAM寄存器；③SPI串口通信模塊。 CAN協(xié)議引擎的功能是處理所有總線(xiàn)上的報文發(fā)送和接收。
單片機 MSP430F169作為控制核心（ MCU），具備雙 SPI串口，通過(guò) SPI接口與器件進(jìn)行串口通信。使用標準 SPI讀寫(xiě)命令對寄存器所有讀寫(xiě)操作。所提供的中斷引腳提高了系統的靈活性。器件上有一個(gè)多用途中斷引腳，以及各接收緩沖器專(zhuān)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(guò) SPI接口訪(fǎng)問(wèn)）確定有效報文是否已被接收。
CAN驅動(dòng)器 TJA1040是一個(gè)物理層的器件，作為 CAN總線(xiàn)控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，器件提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力和對 CAN總線(xiàn)控制器的差動(dòng)接收能力。
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