基于CAN總線的三軸磁場監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
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發(fā)電機(jī)組和電動機(jī)組是電能生產(chǎn)和應(yīng)用的基本裝備，及時掌握大型電機(jī)的運(yùn)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(jìn)行監(jiān)測就顯得尤為重要。電機(jī)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(luò)相對復(fù)雜。不同的狀態(tài)監(jiān)測機(jī)制存在著其總線結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一、總線通信線路復(fù)雜、模擬信號干擾大等問題，可靠性、實(shí)時性、經(jīng)濟(jì)性始終是設(shè)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(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，并重點(diǎn)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊，以及 CAN總線上層協(xié)議的軟件設(shè)計，提高數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)目煽啃浴?1 CAN總線應(yīng)用于電機(jī)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(dú)特的設(shè)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(shí)時性和靈活性的優(yōu)點(diǎn)。可以多主方式工作，從而使系統(tǒng)的各模塊實(shí)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(yàn)、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(diǎn)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(shí)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)幀格式首先降低了 CAN信息幀的阻塞時間，能夠滿足設(shè)計的實(shí)時性需要。另外考慮到整個監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)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(yuǎn)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?shí)時性要求。
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(diǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)而存活。 CAN總線有一套有效地判別出錯節(jié)點(diǎn)并無需改變軟件就能將其從總線網(wǎng)絡(luò)中剔除的機(jī)制[2]，以此來保證整個網(wǎng)絡(luò)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(jī)監(jiān)測設(shè)計的高可靠性要求是很有利的。考慮到 CAN總線是單總線設(shè)計，為滿足電機(jī)監(jiān)測設(shè)計的可靠性要求，除恰當(dāng)選擇網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淠Ｊ酵?，還可以設(shè)計為雙總線冗余設(shè)計[3]。
另外，本設(shè)計通過單片機(jī)軟件上的防護(hù)措施和多種中斷復(fù)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(diǎn)模塊硬件設(shè)計
基于 CAN總線的模塊化電機(jī)磁場監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 1。
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節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計。每一路傳感器采用獨(dú)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(diǎn)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(luò)節(jié)點(diǎn)接口設(shè)計按照功耗分析對元器件從優(yōu)選擇，設(shè)計基于 CAN總線的模塊化實(shí)時磁場監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的接口電路，如圖 2所示。
MCP2510作為一款獨(dú)立的 CAN控制器，是為簡化連接 CAN總線的應(yīng)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(yùn)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上的報文發(fā)送和接收。
單片機(jī) MSP430F169作為控制核心（ MCU），具備雙 SPI串口，通過 SPI接口與器件進(jìn)行串口通信。使用標(biāo)準(zhǔn) 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。
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 120Ω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。
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2.2 三軸磁傳感器模塊化設(shè)計三軸系統(tǒng)能完整接收目標(biāo)的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，信號完整、信息量充分。本文基于 PNI專
用 IC設(shè)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(diǎn)，因是無源敏感器件，還降低系統(tǒng)電路功耗。另外，其響應(yīng)時間快，有較好的抗干擾能力，受溫度影響也較小，基于本設(shè)計的應(yīng)用對象、應(yīng)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(shí)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(chǔ)上研制出的一種低磁測量應(yīng)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(yīng)平行的磁場內(nèi)感應(yīng)磁場變化。PNI 11096含括了信號調(diào)理電路、采樣、A/D轉(zhuǎn)換電路等；具有完備的三軸磁式感應(yīng)控制器；其抽樣率高，每秒達(dá)到 2000個樣品。本系統(tǒng)通過全數(shù)字 SPI總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。子模塊電路如圖 3所示。
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在設(shè)計中，采用 3VDC供電，Rb取 43 Ω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(diǎn) SPI通信控制等。 PNI與 MCU的 SPI0內(nèi)置模塊引腳連接。 3 CAN系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計
節(jié)點(diǎn)模塊中 MSP430F169單片機(jī)在數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化存儲之外，還承擔(dān)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(wù)，其與 CAN總線協(xié)議相關(guān)的主流程如圖 4所示。
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CAN協(xié)議支持的是 8個字節(jié)的短幀結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的傳輸過程中對報文的打包和解包是一個關(guān)鍵問題。本協(xié)議構(gòu)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(yīng)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(zhuǎn)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(guān)的程序不斷對循環(huán)隊列進(jìn)行掃描，若發(fā)現(xiàn)隊列中有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，調(diào)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(dāng)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(jī)，將整理好的數(shù)據(jù)交付給應(yīng)用層，當(dāng)單片機(jī)將數(shù)據(jù)讀走后，清空循環(huán)隊列的相應(yīng)部分，以備下次數(shù)據(jù)的存放。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)通過構(gòu)建兩個節(jié)點(diǎn)組成的最小 CAN總線系統(tǒng)，完成節(jié)點(diǎn)程序編寫、調(diào)試和數(shù)據(jù)通訊實(shí)驗(yàn)分析。在無磁實(shí)驗(yàn)水池完成測試，實(shí)驗(yàn)設(shè)置：分別放置三軸磁探頭于水池中間試驗(yàn)臺，水池中一磁性船模通過，節(jié)點(diǎn)單片機(jī)通過 SPI串口控制 PNI采樣及三軸數(shù)據(jù)實(shí)時回傳，主控模塊通過 CAN總線控制節(jié)點(diǎn)模塊上傳采樣數(shù)據(jù)。采樣頻率 3Hz，參考電壓+5V。圖 5是實(shí)驗(yàn)船從某個方向經(jīng)過時傳回的數(shù)據(jù)。
由大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得本系統(tǒng)特點(diǎn)：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(fù)性越好，探測精度越高；抗干擾性能好，抗電子干擾能力強(qiáng)。同時驗(yàn)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(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用提供了可靠的依據(jù)。
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5 結(jié)語
大型電機(jī)狀態(tài)實(shí)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(jī)狀態(tài)監(jiān)測工作的重點(diǎn)。本文提出了具有 CAN總線結(jié)構(gòu)的大型電機(jī)三軸磁場實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，采用低功耗芯片，模塊化設(shè)計。完成三軸磁傳感器模塊及節(jié)點(diǎn)接口設(shè)計，對 CAN通信協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計和初編。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計的可行性和合理性。監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)評估、故障檢測等將在后續(xù)的整體系統(tǒng)研發(fā)中進(jìn)一步研究。
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1）設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)； 2）設(shè)計、調(diào)試三軸磁模塊、CAN節(jié)點(diǎn)模塊；
3）編制 CAN總線上層傳輸協(xié)議； 4）設(shè)計實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性、實(shí)時性和可靠性。
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