引言

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構不統(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注的主要方面。

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?/p>

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。可以多主方式工作，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，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。考慮到 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。

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?/p>

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)絡結構如圖 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。

總線上與地并聯(lián)的小于 100pF的電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的作用。為匹配總線阻抗，總線兩端接有兩個分離的 120μ電阻，可較大的提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力及可靠性，并可優(yōu)化高頻性能。

2.2 三軸磁傳感器模塊化設計三軸系統(tǒng)能完整接收目標的磁感應強度矢量，信號完整、信息量充分。本文基于 PNI專用 IC設計一款三軸磁傳感器模塊。

一、采用 PNI磁敏傳感器 SEN-L

SEN-L磁敏傳感器具有較高靈敏度、量程寬、線性度好等優(yōu)點，因是無源敏感器件，還降低系統(tǒng)電路功耗。另外，其響應時間快，有較好的抗干擾能力，受溫度影響也較小，基于本設計的應用對象、應用環(huán)境以及成本的考慮，選擇 SEN-L作磁探頭。

二、采用專用 IC 11096 實現(xiàn)三軸數(shù)據(jù)采集

PNI 11096系列是在 PNI公司的磁通傳感器的基礎上研制出的一種低磁測量應用專項集成電路，可以控制和測量 3個分立的磁通傳感器。每個傳感器都會在其相應平行的磁場內感應磁場變化。PNI 11096含括了信號調理電路、采樣、A/D轉換電路等；具有完備的三軸磁式感應控制器；其抽樣率高，每秒達到 2000個樣品。本系統(tǒng)通過全數(shù)字 SPI總線接口進行數(shù)據(jù)傳輸。子模塊電路如圖 3所示。

在設計中，采用 3VDC供電，Rb取 43 ？電阻，0.1 uF電容作用是穩(wěn)定供電源，100K電阻為下拉電阻。PNI 11096在 MSP430F169（MCU）控制下通過 SPI完成采樣數(shù)據(jù)的傳輸，在 MCU中完成數(shù)據(jù)的數(shù)字化的信號處理、優(yōu)化打包、存儲以及節(jié)點 SPI通信控制等。 PNI與 MCU的 SPI0內置模塊引腳連接。 3 CAN系統(tǒng)節(jié)點軟件設計

節(jié)點模塊中 MSP430F169單片機在數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化存儲之外，還承擔著執(zhí)行 CAN傳輸協(xié)議、控制數(shù)據(jù)的打包、收發(fā)、檢錯、剔除奇異值等任務，其與 CAN總線協(xié)議相關的主流程如圖 4所示。

CAN協(xié)議支持的是 8個字節(jié)的短幀結構。在實際的傳輸過程中對報文的打包和解包是一個關鍵問題。本協(xié)議構建了兩個 FIFO緩沖區(qū)用于 CAN總線數(shù)據(jù)的讀緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)。

在收到應用層的發(fā)送報文請求時，首先確定報文是否需要拆包，同時根據(jù)通信協(xié)議所規(guī)定的格式將報文轉換成符合 CAN數(shù)據(jù)鏈路層格式的幀，并將其放在發(fā)送緩沖區(qū)。在定時器中制定相關的程序不斷對循環(huán)隊列進行掃描，若發(fā)現(xiàn)隊列中有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，調用幀的發(fā)送程序依次發(fā)送。

采用中斷接收的方式將數(shù)據(jù)從 CAN總線上接收下來，每接收到一幀數(shù)據(jù)，將其存放于接收緩沖區(qū)中，當判別到接收緩沖區(qū)收到一包完整的報文后，用中斷的方式通知單片機，將整理好的數(shù)據(jù)交付給應用層，當單片機將數(shù)據(jù)讀走后，清空循環(huán)隊列的相應部分，以備下次數(shù)據(jù)的存放。

4 實驗結果及分析

實驗通過構建兩個節(jié)點組成的最小 CAN總線系統(tǒng)，完成節(jié)點程序編寫、調試和數(shù)據(jù)通訊實驗分析。在無磁實驗水池完成測試，實驗設置：分別放置三軸磁探頭于水池中間試驗臺，水池中一磁性船模通過，節(jié)點單片機通過 SPI串口控制 PNI采樣及三軸數(shù)據(jù)實時回傳，主控模塊通過 CAN總線控制節(jié)點模塊上傳采樣數(shù)據(jù)。采樣頻率 3Hz，參考電壓+5V。圖 5是實驗船從某個方向經(jīng)過時傳回的數(shù)據(jù)。

由大量實驗數(shù)據(jù)分析可得本系統(tǒng)特點：系統(tǒng)有較大的磁場測量范圍，較高的分辨率；磁滯低：磁傳感器磁滯越小，重復性越好，探測精度越高；抗干擾性能好，抗電子干擾能力強。同時驗證了基于 CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸格式及部分通信協(xié)議的可行性和可靠性，為 CAN總線在大型電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應用提供了可靠的依據(jù)。

5 結語

大型電機狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)，包括系統(tǒng)參數(shù)高效、高可靠度的獲取與傳輸一直是的電機狀態(tài)監(jiān)測工作的重點。本文提出了具有 CAN總線結構的大型電機三軸磁場實時監(jiān)測系統(tǒng)，采用低功耗芯片，模塊化設計。完成三軸磁傳感器模塊及節(jié)點接口設計，對 CAN通信協(xié)議進行了設計和初編。通過實驗驗證了系統(tǒng)設計的可行性和合理性。監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)*估、故障檢測等將在后續(xù)的整體系統(tǒng)研發(fā)中進一步研究。

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