基于CAN總線的三軸磁場監(jiān)測系統(tǒng)設計
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發(fā)電機組和電動機組是電能生產(chǎn)和應用的基本裝備，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。電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所需要的傳感器種類繁多、數(shù)量大，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡相對復雜。不同的狀態(tài)監(jiān)測機制存在著其總線結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一、總線通信線路復雜、模擬信號干擾大等問題，可靠性、實時性、經(jīng)濟性始終是設計者和用戶關(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）總線數(shù)字模塊化三軸磁場監(jiān)測系統(tǒng)的概念，研究了大型電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設計，并重點設計與實現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡節(jié)點模塊，以及 CAN總線上層協(xié)議的軟件設計，提高數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)目煽啃浴?1 CAN總線應用于電機狀態(tài)監(jiān)控的可行性分析
CAN總線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?？梢远嘀鞣绞焦ぷ?，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，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，這一點是僅有電氣協(xié)議的 RS-485無法比擬的。
1.1CAN總線的信號傳輸實時性分析
從 CAN的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，可以計算得出具有最高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀的最壞傳輸時間。若在 1Mbit/s的傳輸速率下，最長的擴展幀格式的信息幀的傳輸時間為 130µs，在這種情況下，CAN信息幀的最長阻塞時間為 130µs。通過標準幀格式首先降低了 CAN信息幀的阻塞時間，能夠滿足設計的實時性需要。另外考慮到整個監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)目，傳感器采集數(shù)據(jù)的周期通常為 10-3秒級以上，遠大于 CAN總線的信息發(fā)送周期。因此 CAN總線的信息幀的傳輸時間完全可以滿足信號傳輸?shù)膶崟r性要求。
1.2CAN總線的信號傳輸可靠性分析
CAN總線是一種多主站的協(xié)議，不依賴某個節(jié)點的正常運轉(zhuǎn)而存活。 CAN總線有一套有效地判別出錯節(jié)點并無需改變軟件就能將其從總線網(wǎng)絡中剔除的機制[2]，以此來保證整個網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。CAN總線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(jiān)測設計的高可靠性要求是很有利的?？紤]到 CAN總線是單總線設計，為滿足電機監(jiān)測設計的可靠性要求，除恰當選擇網(wǎng)絡的拓撲模式外，還可以設計為雙總線冗余設計[3]。
另外，本設計通過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?shù)目煽啃浴?2監(jiān)測系統(tǒng)總體及節(jié)點模塊硬件設計
基于 CAN總線的模塊化電機磁場監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖 1。
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、安裝、置換，以及數(shù)字化和融合算法的軟件升級。
2.1網(wǎng)絡節(jié)點接口設計按照功耗分析對元器件從優(yōu)選擇，設計基于 CAN總線的模塊化實時磁場監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點的接口電路，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協(xié)議引擎的功能是處理所有總線上的報文發(fā)送和接收。
單片機 MSP430F169作為控制核心（ MCU），具備雙 SPI串口，通過 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。
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。
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