何效洲，盧博友 發表於 2020-12-18 10:23:23
引言
發電機組和電動機組是電能生產和應用的基本裝備，及時掌握大型電機的運行狀態，對電樞電壓、電樞電流、勵磁電流、溫度、轉數等參數進行監測就顯得尤為重要。電機狀態監測系統所需要的傳感器種類繁多、數量大，構成的傳感器網絡相對複雜。不同的狀態監測機制存在著其總線結構不統一、總線通信線路複雜、模擬信號幹擾大等問題，可靠性、實時性、經濟性始終是設計者和用戶關注的主要方面。
本文提出了基於控制器局部網 CAN（Controller Area Network）總線數字模塊化三軸磁場監測系統的概念，研究了大型電機狀態監測系統架構設計，並重點設計與實現了傳感網絡節點模塊，以及 CAN總線上層協議的軟體設計，提高數據採集與傳輸的可靠性。
1 CAN總線應用於電機狀態監控的可行性分析
CAN總線由於採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，它的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性的優點。可以多主方式工作，從而使系統的各模塊實現多主通信，充分發揮各子模塊智能化功能。 CAN總線通信接口集中了 CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗餘校驗、優先級判別等工作。這樣就降低了開發難度、縮短了開發周期，這一點是僅有電氣協議的 RS-485無法比擬的。
1.1CAN總線的信號傳輸實時性分析
從 CAN的數據鏈路層協議，可以計算得出具有最高優先級的數據幀的最壞傳輸時間。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。另外考慮到整個監測系統系統的節點數目，傳感器採集數據的周期通常為 10-3秒級以上，遠大於 CAN總線的信息發送周期。因此 CAN總線的信息幀的傳輸時間完全可以滿足信號傳輸的實時性要求。
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議，不依賴某個節點的正常運轉而存活。 CAN總線有一套有效地判別出錯節點並無需改變軟體就能將其從總線網絡中剔除的機制，以此來保證整個網絡的穩定性。CAN總線理論上探測不到的傳輸錯誤比例僅有 1×10-13，這對於電機監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，為滿足電機監測設計的可靠性要求，除恰當選擇網絡的拓撲模式外，還可以設計為雙總線冗餘設計。
另外，本設計通過單片機軟體上的防護措施和多種中斷復位措施，既有效降低功耗，又提高信號傳輸的可靠性。
2監測系統總體及節點模塊硬體設計
基於 CAN總線的模塊化電機磁場監測系統數據採集與傳輸網絡結構如圖 1。節點模塊化設計。每一路傳感器採用獨立的採集系統、信號處理系統、數據存儲系統和數據傳輸接口，整個節點電路模塊化，便於調試、安裝、置換，以及數位化和融合算法的軟體升級。
2.1網絡節點接口設計
按照功耗分析對元器件從優選擇，設計基於 CAN總線的模塊化實時磁場監測系統節點的接口電路，如圖 2所示。
MCP2510作為一款獨立的 CAN控制器，是為簡化連接 CAN總線的應用而開發的。 MCP2510主要完成三個部分功能：① CAN協議引擎；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協議引擎的功能是處理所有總線上的報文發送和接收。
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的靈活性。器件上有一個多用途中斷引腳，以及各接收緩衝器專用的中斷引腳，可用於指示有效報文是否被接收和載入各接收緩衝器。也可用通用中斷引腳和狀態寄存器（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送能力和對 CAN總線控制器的差動接收能力。
總線上與地並聯的小於 100pF的電容，可以起到濾除總線上的高頻幹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，可較大的提高數據通信的抗幹擾能力及可靠性，並可優化高頻性能。
2.2 三軸磁傳感器模塊化設計三軸系統能完整接收目標的磁感應強度矢量，信號完整、信息量充分。本文基於 PNI專用 IC設計一款三軸磁傳感器模塊。
一、採用 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、線性度好等優點，因是無源敏感器件，還降低系統電路功耗。另外，其響應時間快，有較好的抗幹擾能力，受溫度影響也較小，基於本設計的應用對象、應用環境以及成本的考慮，選擇 SEN-L作磁探頭。
二、採用專用 IC 11096 實現三軸數據採集
PNI 11096系列是在 PNI公司的磁通傳感器的基礎上研製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、採樣、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。本系統通過全數字 SPI總線接口進行數據傳輸。子模塊電路如圖 3所示。
在設計中，採用 3VDC供電，Rb取 43 ？電阻，0.1 uF電容作用是穩定供電源，100K電阻為下拉電阻。PNI 11096在 MSP430F169（MCU）控制下通過 SPI完成採樣數據的傳輸，在 MCU中完成數據的數位化的信號處理、優化打包、存儲以及節點 SPI通信控制等。 PNI與 MCU的 SPI0內置模塊引腳連接。 3 CAN系統節點軟體設計
節點模塊中 MSP430F169單片機在數據處理、優化存儲之外，還承擔著執行 CAN傳輸協議、控制數據的打包、收發、檢錯、剔除奇異值等任務，其與 CAN總線協議相關的主流程如圖 4所示。
CAN協議支持的是 8個字節的短幀結構。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。本協議構建了兩個 FIFO緩衝區用於 CAN總線數據的讀緩衝區和寫緩衝區。
在收到應用層的發送報文請求時，首先確定報文是否需要拆包，同時根據通信協議所規定的格式將報文轉換成符合 CAN數據鏈路層格式的幀，並將其放在發送緩衝區。在定時器中制定相關的程序不斷對循環隊列進行掃描，若發現隊列中有數據等待發送，調用幀的發送程序依次發送。
採用中斷接收的方式將數據從 CAN總線上接收下來，每接收到一幀數據，將其存放於接收緩衝區中，當判別到接收緩衝區收到一包完整的報文後，用中斷的方式通知單片機，將整理好的數據交付給應用層，當單片機將數據讀走後，清空循環隊列的相應部分，以備下次數據的存放。
4 實驗結果及分析
實驗通過構建兩個節點組成的最小 CAN總線系統，完成節點程序編寫、調試和數據通訊實驗分析。在無磁實驗水池完成測試，實驗設置：分別放置三軸磁探頭於水池中間試驗臺，水池中一磁性船模通過，節點單片機通過 SPI串口控制 PNI採樣及三軸數據實時回傳，主控模塊通過 CAN總線控制節點模塊上傳採樣數據。採樣頻率 3Hz，參考電壓+5V。圖 5是實驗船從某個方向經過時傳回的數據。
由大量實驗數據分析可得本系統特點：系統有較大的磁場測量範圍，較高的解析度；磁滯低：磁傳感器磁滯越小，重複性越好，探測精度越高；抗幹擾性能好，抗電子幹擾能力強。同時驗證了基於 CAN總線的數據傳輸格式及部分通信協議的可行性和可靠性，為 CAN總線在大型電機狀態監測系統的應用提供了可靠的依據。
5 結語
大型電機狀態實時監測系統的研發，包括系統參數高效、高可靠度的獲取與傳輸一直是的電機狀態監測工作的重點。本文提出了具有 CAN總線結構的大型電機三軸磁場實時監測系統，採用低功耗晶片，模塊化設計。完成三軸磁傳感器模塊及節點接口設計，對 CAN通信協議進行了設計和初編。通過實驗驗證了系統設計的可行性和合理性。監測系統的狀態*估、故障檢測等將在後續的整體系統研發中進一步研究。
責任編輯：gt
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