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基于CAN总线的三轴磁场监测系统设计

发布时间:2020-06-20 发布时间:
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  0 引言

  发电机组和电动机组是电能生产和应用的基本装备,及时掌握大型电机的运行状态,对电枢电压、电枢电流、励磁电流、温度、转数等参数进行监测就显得尤为重要。电机状态监测系统所需要的传感器种类繁多、数量大,构成的传感器网络相对复杂。不同的状态监测机制存在着其总线结构不统一、总线通信线路复杂、模拟信号干扰大等问题,可靠性、实时性、经济性始终是设计者和用户关注的主要方面[1]。

  本文提出了基于控制器局部网 CAN(Controller Area Network)总线数字模块化三轴磁场监测系统的概念,研究了大型电机状态监测系统架构设计,并重点设计与实现了传感网络节点模块,以及 CAN总线上层协议的软件设计,提高数据采集与传输的可靠性。

  1 CAN总线应用于电机状态监控的可行性分析

  CAN总线由于采用了许多新技术和独特的设计,因此与一般的通信总线相比,它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性的优点。可以多主方式工作,从而使系统的各模块实现多主通信,充分发挥各子模块智能化功能。 CAN总线通信接口集中了 CAN协议的物理层和数据链路层功能,可完成对通信数据的成帧处理,包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等工作。这样就降低了开发难度、缩短了开发周期,这一点是仅有电气协议的 RS-485无法比拟的。

  1.1CAN总线的信号传输实时性分析

  从 CAN的数据链路层协议,可以计算得出具有最高优先级的数据帧的最坏传输时间。若在 1Mbit/s的传输速率下,最长的扩展帧格式的信息帧的传输时间为 130μs,在这种情况下,CAN信息帧的最长阻塞时间为 130μs。通过标准帧格式首先降低了 CAN信息帧的阻塞时间,能够满足设计的实时性需要。另外考虑到整个监测系统系统的节点数目,传感器采集数据的周期通常为 10-3秒级以上,远大于 CAN总线的信息发送周期。因此 CAN总线的信息帧的传输时间完全可以满足信号传输的实时性要求。

  1.2CAN总线的信号传输可靠性分析

  CAN总线是一种多主站的协议,不依赖某个节点的正常运转而存活。 CAN总线有一套有效地判别出错节点并无需改变软件就能将其从总线网络中剔除的机制[2],以此来保证整个网络的稳定性。CAN总线理论上探测不到的传输错误比例仅有 1×10-13,这对于电机监测设计的高可靠性要求是很有利的。考虑到 CAN总线是单总线设计,为满足电机监测设计的可靠性要求,除恰当选择网络的拓扑模式外,还可以设计为双总线冗余设计[3]。

  另外,本设计通过单片机软件上的防护措施和多种中断复位措施,既有效降低功耗,又提高信号传输的可靠性。

  2监测系统总体及节点模块硬件设计

  基于 CAN总线的模块化电机磁场监测系统数据采集与传输网络结构如图 1。节点模块化设计。每一路传感器采用独立的采集系统、信号处理系统、数据存储系统和数据传输接口,整个节点电路模块化,便于调试、安装、置换,以及数字化和融合算法的软件升级。

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  2.1网络节点接口设计

  按照功耗分析对元器件从优选择,设计基于 CAN总线的模块化实时磁场监测系统节点的接口电路,如图 2所示。


  MCP2510作为一款独立的 CAN控制器,是为简化连接 CAN总线的应用而开发的。 MCP2510主要完成三个部分功能:① CAN协议引擎;②用来为器件及其运行进行配置的控制逻辑和 SRAM寄存器;③SPI串口通信模块。 CAN协议引擎的功能是处理所有总线上的报文发送和接收。

  单片机 MSP430F169作为控制核心( MCU),具备双 SPI串口,通过 SPI接口与器件进行串口通信。使用标准 SPI读写命令对寄存器所有读写操作。所提供的中断引脚提高了系统的灵活性。器件上有一个多用途中断引脚,以及各接收缓冲器专用的中断引脚,可用于指示有效报文是否被接收和载入各接收缓冲器。也可用通用中断引脚和状态寄存器(通过 SPI接口访问)确定有效报文是否已被接收。

  CAN驱动器 TJA1040是一个物理层的器件,作为 CAN总线控制器和物理总线之间的接口,器件提供对总线的差动发送能力和对 CAN总线控制器的差动接收能力。

  总线上与地并联的小于 100pF的电容,可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的作用。为匹配总线阻抗,总线两端接有两个分离的 120μ电阻,可较大的提高数据通信的抗干扰能力及可靠性,并可优化高频性能。

  2.2 三轴磁传感器模块化设计三轴系统能完整接收目标的磁感应强度矢量,信号完整、信息量充分。本文基于 PNI专用 IC设计一款三轴磁传感器模块。

  一、采用 PNI磁敏传感器 SEN-L

  SEN-L磁敏传感器具有较高灵敏度、量程宽、线性度好等优点,因是无源敏感器件,还降低系统电路功耗。另外,其响应时间快,有较好的抗干扰能力,受温度影响也较小,基于本设计的应用对象、应用环境以及成本的考虑,选择 SEN-L作磁探头。

  二、采用专用 IC 11096 实现三轴数据采集

  PNI 11096系列是在 PNI公司的磁通传感器的基础上研制出的一种低磁测量应用专项集成电路,可以控制和测量 3个分立的磁通传感器。每个传感器都会在其相应平行的磁场内感应磁场变化。PNI 11096含括了信号调理电路、采样、A/D转换电路等;具有完备的三轴磁式感应控制器;其抽样率高,每秒达到 2000个样品。本系统通过全数字 SPI总线接口进行数据传输。子模块电路如图 3所示。

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  在设计中,采用 3VDC供电,Rb取 43 ?电阻,0.1 uF电容作用是稳定供电源,100K电阻为下拉电阻。PNI 11096在 MSP430F169(MCU)控制下通过 SPI完成采样数据的传输,在 MCU中完成数据的数字化的信号处理、优化打包、存储以及节点 SPI通信控制等。 PNI与 MCU的 SPI0内置模块引脚连接。 3 CAN系统节点软件设计

  节点模块中 MSP430F169单片机在数据处理、优化存储之外,还承担着执行 CAN传输协议、控制数据的打包、收发、检错、剔除奇异值等任务,其与 CAN总线协议相关的主流程如图 4所示。


  CAN协议支持的是 8个字节的短帧结构。在实际的传输过程中对报文的打包和解包是一个关键问题。本协议构建了两个 FIFO缓冲区用于 CAN总线数据的读缓冲区和写缓冲区。

  在收到应用层的发送报文请求时,首先确定报文是否需要拆包,同时根据通信协议所规定的格式将报文转换成符合 CAN数据链路层格式的帧,并将其放在发送缓冲区。在定时器中制定相关的程序不断对循环队列进行扫描,若发现队列中有数据等待发送,调用帧的发送程序依次发送。

  采用中断接收的方式将数据从 CAN总线上接收下来,每接收到一帧数据,将其存放于接收缓冲区中,当判别到接收缓冲区收到一包完整的报文后,用中断的方式通知单片机,将整理好的数据交付给应用层,当单片机将数据读走后,清空循环队列的相应部分,以备下次数据的存放。

  4 实验结果及分析

  实验通过构建两个节点组成的最小 CAN总线系统,完成节点程序编写、调试和数据通讯实验分析。在无磁实验水池完成测试,实验设置:分别放置三轴磁探头于水池中间试验台,水池中一磁性船模通过,节点单片机通过 SPI串口控制 PNI采样及三轴数据实时回传,主控模块通过 CAN总线控制节点模块上传采样数据。采样频率 3Hz,参考电压+5V。图 5是实验船从某个方向经过时传回的数据。


  由大量实验数据分析可得本系统特点:系统有较大的磁场测量范围,较高的分辨率;磁滞低:磁传感器磁滞越小,重复性越好,探测精度越高;抗干扰性能好,抗电子干扰能力强。同时验证了基于 CAN总线的数据传输格式及部分通信协议的可行性和可靠性,为 CAN总线在大型电机状态监测系统的应用提供了可靠的依据。

  5 结语

  大型电机状态实时监测系统的研发,包括系统参数高效、高可靠度的获取与传输一直是的电机状态监测工作的重点。本文提出了具有 CAN总线结构的大型电机三轴磁场实时监测系统,采用低功耗芯片,模块化设计。完成三轴磁传感器模块及节点接口设计,对 CAN通信协议进行了设计和初编。通过实验验证了系统设计的可行性和合理性。监测系统的状态*估、故障检测等将在后续的整体系统研发中进一步研究。参考文献:

[1]. MSP430 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MSP430_490166.html.
[2]. RS-485 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RS-485_584821.html.
[3]. MCP2510 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MCP2510_477304.html.
[4]. MSP430F169 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/.html.
[5]. TJA1040 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/TJA1040_649175.html.




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