摘 要：為解決我國目前眾多小水電站測控技術(shù)落后，設(shè)備陳舊，安全事故頻繁的現(xiàn)象，提高我國小水電的自動化技術(shù)水平，采用功能模塊式設(shè)計方案，各功能模塊采用CAN總線相連，構(gòu)成小水電多功能自動化裝置。該裝置集發(fā)電機保護、綜合測控、同期控制、順控、遠程通訊等功能為一體，內(nèi)部通訊快速可靠，抗干擾能力強。該裝置可獨立運行，實現(xiàn)小水電站各種自動控制功能的要求，也可在多機系統(tǒng)聯(lián)運時，方便地與上位機通訊，構(gòu)成水電站監(jiān)控系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：CAN總線;自動化裝置;DSP;小水電自動化 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 　　目前我國眾多小水電站的自動化水平落后，機電設(shè)備陳舊老化，安全事故頻繁，自動控制系統(tǒng)的運行需要多人值班，進行設(shè)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(shù)小水電站要求進行自動化設(shè)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，為解決以上問題帶來方便。采用高速現(xiàn)場總線技術(shù)——CAN總線，可將小水電站多種測控系統(tǒng)的功能要求進行模塊化多功能集中設(shè)計，構(gòu)成基于CAN總線的小水電多功能一體測控裝置。 2小水電站測控系統(tǒng)的特點及CAN總線的確定 2.1小水電站測控系統(tǒng)的特點 　　小水電站的測控系統(tǒng)主要有發(fā)電機組保護、轉(zhuǎn)速測控、溫度巡檢、綜合測控、同期控制、順序控制、人機對話、通訊等。小水電站自動化與大水電站比較，其自動測控要求相對簡單，如果直接套用大水電站自動控制方案及設(shè)備配置，則會造成模式復雜、成本高、設(shè)備占用空間大、功能浪費嚴重等問題。 　　針對小水電站自動測控系統(tǒng)的特點，將所需的多種不同測控系統(tǒng)進行模塊式一體化設(shè)計，功能模塊間采用總線技術(shù)連接，一體機獨立運作，簡化安裝及操作，將是最佳方案。 2.2 CAN總線的特點和通信協(xié)議 　　目前應(yīng)用比較廣泛的幾種現(xiàn)場總線有CAN、HART、Profibus、Lonworks等。而在這些總線中， CAN總線以其極高的性能、可靠性及其獨特的設(shè)計越來越受到人們的重視，成為最有前途的現(xiàn)場總線之一。 　　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控制的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),最初由德國Bosch公司推出，為解決汽車中傳感器與執(zhí)行裝置之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)，其應(yīng)用范圍已遍及工業(yè)控制自動化、汽車自動化、機械工業(yè)、樓宇自動化等領(lǐng)域。 　　（1） CAN總線的有關(guān)特點 　　與其他現(xiàn)場總線相比，針對多功能測控裝置的研發(fā)要求，CAN總線具有獨特的設(shè)計思想： 　　· 多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。這一特點使裝置內(nèi)部的各模塊節(jié)點都可以主動發(fā)送信息，并且沒有時間限制，通訊的實時性好。 　　· 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間。這一特點使裝置內(nèi)部的各模塊節(jié)點的通訊快速可靠。 　　· 只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù)。根據(jù)這一特點，裝置內(nèi)部的各模塊節(jié)點的通訊方式可以多樣化，比如，對時可以采用廣播的方式。 　　· CAN 網(wǎng)上的節(jié)點數(shù)目前可達 110 個;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(jié)點通訊時報文量大的問題。 　　· 采用短幀數(shù)據(jù)格式，傳輸時間短，抗干擾能力強，檢錯效果好。 　　· 每幀信息都有CRC校驗，數(shù)據(jù)通信的可靠性強。 　　· 通信節(jié)點在錯誤嚴重的情況下可以自動關(guān)閉輸出功能,脫離網(wǎng)絡(luò)，而不會影響其他節(jié)點的操作。 　?。?） CAN總線的通信協(xié)議 　　CAN總線的報文傳送由4種不同類型的幀表示和控制：【3】數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀和超載幀。數(shù)據(jù)幀和遠程幀可使用標準幀格式和擴展幀格式。 　　數(shù)據(jù)幀自一個發(fā)送節(jié)點攜帶數(shù)據(jù)至一個或多個接收節(jié)點，它由幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、校驗場、應(yīng)答場和幀結(jié)束組成。標準幀的仲裁場由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。 　　遠程幀沒有數(shù)據(jù)場，由幀起始、仲裁場、控制場、CRC 場、應(yīng)答場、幀結(jié)束組成。CAN 網(wǎng)絡(luò)上的一個接收節(jié)點可以通過向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)一個遠程幀來啟動數(shù)據(jù)傳輸，用標識符尋址數(shù)據(jù)發(fā)送源節(jié)點，且置相應(yīng)幀的 RTR 位為“1”。 　　標識符作為報文的名稱，在仲裁期間，它首先被送到總線。在接收器的驗收判斷中和仲裁過程確定訪問優(yōu)先權(quán)中都要用到。遠程發(fā)送請求位（RTR）用來確定是發(fā)送遠程幀還是數(shù)據(jù)幀，當RTR為高電平時，CAN控制器發(fā)送遠程幀，為低電平時則發(fā)送數(shù)據(jù)幀。 3 CAN總線在小水電多功能自動化裝置中的應(yīng)用 　　采用CAN總線開發(fā)集多種功能于一體的自動測控裝置，可提高我國小水電綜合自動化的水平。 　　開發(fā)的測控裝置采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想和按功能模塊設(shè)計的方法，可以實現(xiàn)機組保護、轉(zhuǎn)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(nèi)部設(shè)置七個CPU模塊，分別用于綜合測控、自動準同期、面板顯示、通訊管理、PLC順控、光字牌顯示與語音報警、發(fā)變組保護。各模塊采用高速現(xiàn)場總線CAN相連，完成生產(chǎn)過程控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備參數(shù)整定、運行參數(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公司推出的高性價比DSP數(shù)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完成。其中，很多功能的實現(xiàn)都要求有很高的實時性，例如其中準同期功能的合閘時機捕捉、發(fā)電機保護的動作出口等等，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，可以在一個指令周期內(nèi)完成乘法，運算速度快。 　　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門的CAN總線芯片，降低成本，簡化硬件電路，這也是主控制器選用DSP56F807的另一原因。通過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)點互連，實現(xiàn)總線不出芯片。由于CAN控制器必須通過CAN驅(qū)動芯片才能與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通訊的軟件實現(xiàn) 　　本設(shè)計中，主要采用C語言編寫程序，而在少數(shù)需要直接和硬件打交道的地方采用匯編語言編寫程序。在編寫CAN的通訊程序時，有三個環(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控制器運行時，首先必須對MSCAN模塊初始化，對它的一些內(nèi)部寄存器進行設(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進入軟件復位狀態(tài)，因為只有這樣才可以對MSCAN設(shè)置有關(guān)的寄存器進行寫入，此時，MSCAN會退出所有的發(fā)送和接收操作，并失去總線同步。所以當MSCAN設(shè)置完相關(guān)寄存器并退出軟件復位狀態(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。 　?。?） CAN模塊的數(shù)據(jù)接收 　　CAN接收數(shù)據(jù)幀時采用中斷機制，由于MSCAN初始化時設(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)滿時會觸發(fā)一個MSCAN接收中斷請求，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)幀時也采用中斷機制，但與接收中斷不同的是，由于MSCAN初始化時設(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)幀時需要通過設(shè)置CANTCR允許發(fā)送緩沖區(qū)空中斷，從而啟動發(fā)送中斷，進入發(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，直到下一次啟動發(fā)送中斷。確定發(fā)送緩沖區(qū)為空時填寫發(fā)送緩沖數(shù)據(jù)寄存器并清除發(fā)送緩沖區(qū)空標志，這樣MSCAN才能開始發(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擴展模式，報文標識符幾乎不受限制，此時仲裁場的標識符有29位。 　　在CAN的規(guī)范中，只定義了數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，而沒有定義有關(guān)發(fā)送和接收的結(jié)構(gòu)信息，所以在編寫通訊程序時，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、目標地址、幀類型、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個字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以，為了盡可能使8個字節(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位標識符中。本設(shè)計中，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個字節(jié)是擴展數(shù)據(jù)幀的仲裁場和控制場，后8個字節(jié)是數(shù)據(jù)場。 　　表1在設(shè)計中： 　　PRI：優(yōu)先級。1為低優(yōu)先級，0為高優(yōu)先級，剩余的優(yōu)先級由源地址決定，低地址優(yōu)先級高，該功能可有效支持緊急信息傳送如報警等。 　　Source Address：發(fā)送數(shù)據(jù)的源地址。 　　Type：幀類型，包括單幀、多幀、點對點傳送、廣播傳送。 　　SRR：在數(shù)據(jù)幀中，SRR必須為“顯性”電平，而在遠程幀中，SRR必須為“隱性”電平。 　　IDE：屬于仲裁場，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個字節(jié)的數(shù)據(jù)，故DLC最大為7。 　　Data index：索引字節(jié)。單幀沒有索引字節(jié)，所以該字節(jié)為空;多幀數(shù)據(jù)時Data index表示發(fā)送數(shù)據(jù)幀的幀序號。 　　Destination Address：發(fā)送數(shù)據(jù)的目標地址。 　　RTR：定義本幀信息為數(shù)據(jù)幀還是遠程數(shù)據(jù)幀請求位。 　　Data length （L）, Data length （H）：多幀信息包的長度，只有在傳輸多幀數(shù)據(jù)的第一幀時填充，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，傳輸波特率達到500kbps,達到了研發(fā)的性能指標要求。 4 小結(jié) 　　為了實現(xiàn)小型水電站提出的少人值班、無人值班的要求，提高水電站的自動化水平，集發(fā)電機測控保護、勵磁調(diào)節(jié)、同期并列、順控、遠程通訊、人機交互等多功能于一體的組合智能裝置是一個經(jīng)濟可行的技術(shù)方案，必將成為小水電綜合自動化未來發(fā)展的趨勢。此研發(fā)的多功能測控裝置采用面向?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，在外觀上這些功能模塊都在一個機箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝使用。實際應(yīng)用中，既可以在現(xiàn)場獨立運行和操作，又可以在多機系統(tǒng)聯(lián)合運行時根據(jù)需要配置上位機，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： 　　[1]李靜嵐，王平. 基于Motorola嵌入式控制器DSP56F805芯片的CAN總線通信[J].電氣傳動，2004，2：48-51. 　　[2]鮑官軍，計時鳴，張利，王亞良. CAN總線技術(shù)、系統(tǒng)實現(xiàn)及發(fā)展趨勢[J]. 浙江工業(yè)大學學報， 2003，2，31（1）：58-62. 　　[3]楊慧，田亮，田敏.CAN總線協(xié)議分析[J].中國儀器儀表， 2002，4：1-4. 　　[4]邵貝貝，龔光華，薛濤，劉永毅.Motorola DSP型16位單片機原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.