摘 要：為解決我國(guó)目前眾多小水電站測(cè)控技術(shù)落后，設(shè)備陳舊，安全事故頻繁的現(xiàn)象，提高我國(guó)小水電的自動(dòng)化技術(shù)水平，采用功能模塊式設(shè)計(jì)方案，各功能模塊采用CAN總線相連，構(gòu)成小水電多功能自動(dòng)化裝置。該裝置集發(fā)電機(jī)保護(hù)、綜合測(cè)控、同期控制、順控、遠(yuǎn)程通訊等功能為一體，內(nèi)部通訊快速可靠，抗干擾能力強(qiáng)。該裝置可獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)小水電站各種自動(dòng)控制功能的要求，也可在多機(jī)系統(tǒng)聯(lián)運(yùn)時(shí)，方便地與上位機(jī)通訊，構(gòu)成水電站監(jiān)控系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：CAN總線;自動(dòng)化裝置;DSP;小水電自動(dòng)化 Abstract: In order to solve the problems of low control technology, obsolete device and frequent accidents in many small hydropower stations in our country, improve the technology of automation in small hydropower stations, the multi-function automation device for small hydropower stations is composed of many functional modules which are connected by CAN Bus. The device has the functions of generator protection, measuring and control, sychrolization control, PLC, remote communication and so on. The communication inner the device is fast and reliable, and the performance of anti-famming is strong. The device can run alone to complete the function of automatic control for small hydropower stations, and when many devices run together they also can communicate with PC conveniently to form monitor and control system in small hydropower stations. Key words: CAN Bus; Automation Device; DSP; Automation in Small Hydropower Stations 1引言 　　目前我國(guó)眾多小水電站的自動(dòng)化水平落后，機(jī)電設(shè)備陳舊老化，安全事故頻繁，自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要多人值班，進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)及事故處理，嚴(yán)重影響小水電的經(jīng)濟(jì)效益。近幾年，多數(shù)小水電站要求進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備的技術(shù)改造，提高測(cè)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。 　　總線技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，為解決以上問(wèn)題帶來(lái)方便。采用高速現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)——CAN總線，可將小水電站多種測(cè)控系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行模塊化多功能集中設(shè)計(jì)，構(gòu)成基于CAN總線的小水電多功能一體測(cè)控裝置。 2小水電站測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)及CAN總線的確定 2.1小水電站測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 　　小水電站的測(cè)控系統(tǒng)主要有發(fā)電機(jī)組保護(hù)、轉(zhuǎn)速測(cè)控、溫度巡檢、綜合測(cè)控、同期控制、順序控制、人機(jī)對(duì)話、通訊等。小水電站自動(dòng)化與大水電站比較，其自動(dòng)測(cè)控要求相對(duì)簡(jiǎn)單，如果直接套用大水電站自動(dòng)控制方案及設(shè)備配置，則會(huì)造成模式復(fù)雜、成本高、設(shè)備占用空間大、功能浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。 　　針對(duì)小水電站自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，將所需的多種不同測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行模塊式一體化設(shè)計(jì)，功能模塊間采用總線技術(shù)連接，一體機(jī)獨(dú)立運(yùn)作，簡(jiǎn)化安裝及操作，將是最佳方案。 2.2 CAN總線的特點(diǎn)和通信協(xié)議 　　目前應(yīng)用比較廣泛的幾種現(xiàn)場(chǎng)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(dú)特的設(shè)計(jì)越來(lái)越受到人們的重視，成為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò),最初由德國(guó)Bosch公司推出，為解決汽車(chē)中傳感器與執(zhí)行裝置之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的，特別適合工業(yè)過(guò)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(dòng)化、汽車(chē)自動(dòng)化、機(jī)械工業(yè)、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。 　?。?） CAN總線的有關(guān)特點(diǎn) 　　與其他現(xiàn)場(chǎng)總線相比，針對(duì)多功能測(cè)控裝置的研發(fā)要求，CAN總線具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想： 　　· 多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)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(nèi)部的各模塊節(jié)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。 　　· 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。這一特點(diǎn)使裝置內(nèi)部的各模塊節(jié)點(diǎn)的通訊快速可靠。 　　· 只需通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù)。根據(jù)這一特點(diǎn)，裝置內(nèi)部的各模塊節(jié)點(diǎn)的通訊方式可以多樣化，比如，對(duì)時(shí)可以采用廣播的方式。 　　· CAN 網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目前可達(dá) 110 個(gè);報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá) 2032種（CAN2.0A），而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（CAN2.0B）的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。因此，采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)可以解決各模塊節(jié)點(diǎn)通訊時(shí)報(bào)文量大的問(wèn)題。 　　· 采用短幀數(shù)據(jù)格式，傳輸時(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng)，檢錯(cuò)效果好。 　　· 每幀信息都有CRC校驗(yàn)，數(shù)據(jù)通信的可靠性強(qiáng)。 　　· 通信節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)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(jié)點(diǎn)的操作。 　?。?） CAN總線的通信協(xié)議 　　CAN總線的報(bào)文傳送由4種不同類(lèi)型的幀表示和控制：【3】數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀和超載幀。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀可使用標(biāo)準(zhǔn)幀格式和擴(kuò)展幀格式。 　　數(shù)據(jù)幀自一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)攜帶數(shù)據(jù)至一個(gè)或多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，它由幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、校驗(yàn)場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)和幀結(jié)束組成。標(biāo)準(zhǔn)幀的仲裁場(chǎng)由11位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位RTR組成。擴(kuò)展幀的仲裁場(chǎng)由29位標(biāo)識(shí)符和替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求SRR位、標(biāo)志位IDE和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位RTR組成。 　　遠(yuǎn)程幀沒(méi)有數(shù)據(jù)場(chǎng)，由幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、CRC 場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)束組成。CAN 網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)一個(gè)遠(yuǎn)程幀來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，用標(biāo)識(shí)符尋址數(shù)據(jù)發(fā)送源節(jié)點(diǎn)，且置相應(yīng)幀的 RTR 位為“1”。 　　標(biāo)識(shí)符作為報(bào)文的名稱(chēng)，在仲裁期間，它首先被送到總線。在接收器的驗(yàn)收判斷中和仲裁過(guò)程確定訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)中都要用到。遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位（RTR）用來(lái)確定是發(fā)送遠(yuǎn)程幀還是數(shù)據(jù)幀，當(dāng)RTR為高電平時(shí)，CAN控制器發(fā)送遠(yuǎn)程幀，為低電平時(shí)則發(fā)送數(shù)據(jù)幀。 3 CAN總線在小水電多功能自動(dòng)化裝置中的應(yīng)用 　　采用CAN總線開(kāi)發(fā)集多種功能于一體的自動(dòng)測(cè)控裝置，可提高我國(guó)小水電綜合自動(dòng)化的水平。 　　開(kāi)發(fā)的測(cè)控裝置采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想和按功能模塊設(shè)計(jì)的方法，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組保護(hù)、轉(zhuǎn)速測(cè)控、溫度巡檢、電量采集、非電量采集、同期控制、順序控制、人機(jī)交互和通訊等功能。在裝置內(nèi)部設(shè)置七個(gè)CPU模塊，分別用于綜合測(cè)控、自動(dòng)準(zhǔn)同期、面板顯示、通訊管理、PLC順控、光字牌顯示與語(yǔ)音報(bào)警、發(fā)變組保護(hù)。各模塊采用高速現(xiàn)場(chǎng)總線CAN相連，完成生產(chǎn)過(guò)程控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備參數(shù)整定、運(yùn)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。 [align=center] 圖1 小水電多功能自動(dòng)化裝置內(nèi)部CAN通訊結(jié)構(gòu)圖[/align] 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(jià)比DSP數(shù)字信號(hào)處理器DSP56F807，主控芯片的選擇取決于小水電測(cè)控裝置的功能要求。 　　小水電測(cè)控裝置采用多CPU的硬件模式，各主要功能模塊由獨(dú)立的控制芯片來(lái)完成。其中，很多功能的實(shí)現(xiàn)都要求有很高的實(shí)時(shí)性，例如其中準(zhǔn)同期功能的合閘時(shí)機(jī)捕捉、發(fā)電機(jī)保護(hù)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(yùn)算量非常大，所以主控制器需要選用運(yùn)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(gè)指令周期內(nèi)完成乘法，運(yùn)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(zhuān)門(mén)的CAN總線芯片，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總線上的各節(jié)點(diǎn)互連，實(shí)現(xiàn)總線不出芯片。由于CAN控制器必須通過(guò)CAN驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片，DSP與82C250的連線圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 DSP與82C250的連線圖[/align] 3.2 CAN通訊的軟件實(shí)現(xiàn) 　　本設(shè)計(jì)中，主要采用C語(yǔ)言編寫(xiě)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(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(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)。 　?。?） CAN模塊的初始化 　　在CAN控制器運(yùn)行時(shí)，首先必須對(duì)MSCAN模塊初始化，對(duì)它的一些內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，CAN模塊的初始化流程圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 CAN初始化流程圖[/align] 　　首先使MSCAN進(jìn)入軟件復(fù)位狀態(tài)，因?yàn)橹挥羞@樣才可以對(duì)MSCAN設(shè)置有關(guān)的寄存器進(jìn)行寫(xiě)入，此時(shí)，MSCAN會(huì)退出所有的發(fā)送和接收操作，并失去總線同步。所以當(dāng)MSCAN設(shè)置完相關(guān)寄存器并退出軟件復(fù)位狀態(tài)后，要判斷MSCAN與總線是否同步，只有完成同步，MSCAN才能正常的接收發(fā)送數(shù)據(jù)幀。 　　（2） CAN模塊的數(shù)據(jù)接收 　　CAN接收數(shù)據(jù)幀時(shí)采用中斷機(jī)制，由于MSCAN初始化時(shí)設(shè)置接收中斷允許寄存器，允許接收緩沖區(qū)滿中斷，即在接收緩沖區(qū)滿時(shí)會(huì)觸發(fā)一個(gè)MSCAN接收中斷請(qǐng)求，CAN接收中斷流程圖如圖4所示。在接收中斷服務(wù)程序中，為了避免此時(shí)再發(fā)生中斷，在接收數(shù)據(jù)幀之前設(shè)置中斷允許寄存器，不允許接收緩沖區(qū)滿中斷，在接收數(shù)據(jù)幀之后，清除接收緩沖區(qū)滿標(biāo)志，并允許接收緩沖區(qū)滿中斷，便于下一次接收中斷的處理。 [align=center] 圖4 CAN接收中斷流程圖[/align] 　?。?） CAN模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送 　　CAN發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)也采用中斷機(jī)制，但與接收中斷不同的是，由于MSCAN初始化時(shí)設(shè)置發(fā)送器控制寄存器CANTCR，不允許發(fā)送緩沖區(qū)空中斷，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)需要通過(guò)設(shè)置CANTCR允許發(fā)送緩沖區(qū)空中斷，從而啟動(dòng)發(fā)送中斷，進(jìn)入發(fā)送中斷服務(wù)程序， CAN發(fā)送中斷流程圖如圖5所示。在中斷服務(wù)程序中，設(shè)置CANTCR不允許發(fā)送緩沖區(qū)空中斷，直到下一次啟動(dòng)發(fā)送中斷。確定發(fā)送緩沖區(qū)為空時(shí)填寫(xiě)發(fā)送緩沖數(shù)據(jù)寄存器并清除發(fā)送緩沖區(qū)空標(biāo)志，這樣MSCAN才能開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。 [align=center] 圖5 CAN發(fā)送中斷流程圖[/align] 3.3 裝置內(nèi)部各CPU模塊的CAN通訊 　　裝置內(nèi)部各CPU模塊CAN通訊的信息量很大，所以通訊協(xié)議使用CAN 2.0B擴(kuò)展模式，報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制，此時(shí)仲裁場(chǎng)的標(biāo)識(shí)符有29位。 　　在CAN的規(guī)范中，只定義了數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，而沒(méi)有定義有關(guān)發(fā)送和接收的結(jié)構(gòu)信息，所以在編寫(xiě)通訊程序時(shí)，首先需要給數(shù)據(jù)幀的不同位賦以特定的含義，其中包含數(shù)據(jù)傳輸所需要的所有信息，包括傳輸源地址、目標(biāo)地址、幀類(lèi)型、傳輸字節(jié)數(shù)、傳輸信息體等等。由于CAN協(xié)議規(guī)定，每幀最多傳送8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以，為了盡可能使8個(gè)字節(jié)中的數(shù)據(jù)都為傳輸信息體，較好的解決辦法就是將其他的信息包含在29位標(biāo)識(shí)符中。本設(shè)計(jì)中，CAN通訊的數(shù)據(jù)幀格式定義如表1所示。 　　表1 CAN通訊的數(shù)據(jù)幀格式定義 　　其中，前4個(gè)字節(jié)是擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀的仲裁場(chǎng)和控制場(chǎng)，后8個(gè)字節(jié)是數(shù)據(jù)場(chǎng)。 　　表1在設(shè)計(jì)中： 　　PRI：優(yōu)先級(jí)。1為低優(yōu)先級(jí)，0為高優(yōu)先級(jí)，剩余的優(yōu)先級(jí)由源地址決定，低地址優(yōu)先級(jí)高，該功能可有效支持緊急信息傳送如報(bào)警等。 　　Source Address：發(fā)送數(shù)據(jù)的源地址。 　　Type：幀類(lèi)型，包括單幀、多幀、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳送、廣播傳送。 　　SRR：在數(shù)據(jù)幀中，SRR必須為“顯性”電平，而在遠(yuǎn)程幀中，SRR必須為“隱性”電平。 　　IDE：屬于仲裁場(chǎng)，為“隱性”電平。 　　DLC：表示要發(fā)送的字節(jié)數(shù)，等于字節(jié)數(shù)減1。由于每幀最多發(fā)送8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，故DLC最大為7。 　　Data index：索引字節(jié)。單幀沒(méi)有索引字節(jié)，所以該字節(jié)為空;多幀數(shù)據(jù)時(shí)Data index表示發(fā)送數(shù)據(jù)幀的幀序號(hào)。 　　Destination Address：發(fā)送數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址。 　　RTR：定義本幀信息為數(shù)據(jù)幀還是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)幀請(qǐng)求位。 　　Data length （L）, Data length （H）：多幀信息包的長(zhǎng)度，只有在傳輸多幀數(shù)據(jù)的第一幀時(shí)填充，其他幀不填充，而可以填充要傳輸?shù)男畔Ⅲw。 　　6 bytes data：要傳輸?shù)男畔Ⅲw。 　　遵循上述約定的CAN協(xié)議，各CPU模塊之間的通訊快速可靠，抗干擾性強(qiáng)，傳輸波特率達(dá)到500kbps,達(dá)到了研發(fā)的性能指標(biāo)要求。 4 小結(jié) 　　為了實(shí)現(xiàn)小型水電站提出的少人值班、無(wú)人值班的要求，提高水電站的自動(dòng)化水平，集發(fā)電機(jī)測(cè)控保護(hù)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)、同期并列、順控、遠(yuǎn)程通訊、人機(jī)交互等多功能于一體的組合智能裝置是一個(gè)經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)方案，必將成為小水電綜合自動(dòng)化未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。此研發(fā)的多功能測(cè)控裝置采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际浇Y(jié)構(gòu)，各CPU模塊采用CAN總線相連，各模塊之間的數(shù)據(jù)交互快速可靠、抗干擾性強(qiáng)，在外觀上這些功能模塊都在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝使用。實(shí)際應(yīng)用中，既可以在現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行和操作，又可以在多機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要配置上位機(jī)，構(gòu)成水電站監(jiān)控系統(tǒng)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn)： 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