（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的交流传动互馈试验台数据采集系统研究.pdf

北京交通大学顶土学位论文 设计的思路，然后详细论述了界面的软件实现，并给出了界面 的控制说明。 本文以c a n 总线方式实现了交流传动互馈试验台的数据 采集功能，完成其在交流传动系统的正常启动、加速、高速运 行等各种工况下的通信功能，为系统提供了高可靠性和安全性 的通信性能。 关键词：c a n ，互馈试验台，电磁兼容，数据采集，入机界 面 i i 北京交通大学l i l q ：学位论文 r e s e a r c ho fd a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mo f r e c i p r o c a lp o w e r - f e da cd r i v et e s t - b e d b a s e do nc a nb u s a b s t r a c t w i t ht h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fl a r g ep o w e ra cd r i v e s y s t e m ，t h ep o w e re x p e r i m e n t f o r c o n v e r t e r , a cd r i v em o t o r ， c o n v e r t e rc o n t r o ls y s t e ma n d r a i l w a ym o t o r c a rc o m p l e t e c o n t r o lo f l a r g ep o w e ra c d r i v es y s t e mi sn e e d e d t h et w i ni n v e r t e r m o t o r a cd r i v er e c i p r o c a lf e dt e s t - b e di so n eo ft h em o s ta c v a n c e da c d r i v ee x p e r i m e n tm e a n s t h e p a p e r r e s e a r c h e dt h ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m o ft h et e s t b e df r o mt h ef o l l o w i n gt h r e e a s p e c t s ，t h ew h o l e s c h e m ed e s i g n ，t e s b b e dh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o nd e s i g na n dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e ms o f t w a r ep r o g r a md e s i g n f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md e s i g n d e m a n d ，a n dw i t hw h i c hr e s e a r c h e dt h ew h o l ed e s i g ns c h e m e t h e s y s t e mc h o o s e dc a n b u st ot r a n s m i td a t a t h ec a n p r o t o c o l a p p l i e d i nt h es y s t e mi sd e s c r i b e di nt h ee n d t h eh a r d w a r e c o n f i g u r a t i o nd e s i g n a n ds o f t w a r e p r o g r a m d e s i g no f t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to f t h ew h o l e p a p e r t h eh a r d w a r er e s e a r c hi n t r o d u c e dt h ew h o l es t r u c t u r eo ft h ea c d r i v e r e c i p r o c a l t e s t - b e dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m a n dc a nb u s f u n c t i o n ，t h e nt h eb u sc o m m u n i c a t i o nh a r d w a r ed e s i g no fe a c h n o d ei sd e s c r i b e d ，t h ep r i n c i p l eo fo p e r a t i o no ft h et e m p e r a t u r e s e n s o ra n d 缸l et o r q u em e a s u r i n gd e v i c ea r ea l s oi n c l u d e d a n dl a s t t h ee m i a n a l y s i sa n d e m cm e a s u r e m e n t so ft h es y s t e m t h es o f e w a r er e s e a r c hm a i n l yi n v o l v e dt h ed e s i g no f t h eb o t t o m 北京交通大学硕士学位论文 d s pd a t aa c u q u i s t i o na n dc o m m u n i c a t i o np o r g r a m ea n dt h et o p p cg r a p h i cu s e r i n t e r f a c e ( g t n ) p r o g r a m ed e s i g n t h eb o t t o m d s p p r o g r a mi n c l u d e st h ec o d eo f c a nc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n a 1 1n o d e s ，t h er u t i n eo fr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nf r o mc p u t ot h e d i s p l a ya n d t h et r a n s m i s s i o np r o g r a m eo ft h e t e m p e r a t u r es i g n a l s b a s eo nt h ed e s i g n ，t h ea u t h o rh a v eg i v e nt h ep r o g r a m eb l o c k d i a g r a mr e s p e c t i v e l y i n t h e t o p p cg u i p a r t ，t h e a u t h o r i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fc a nc a r da n dt h ed e s i g nm e t h o do f g u i f i r s t l y , t h e nt h es o f t w a r er e a l i z eo f g u ii sd e s c r i b e di nd e t a i l a n dt h ec o n t r o lm e t h o do fg u i si n t r o c u l e dl a s t l y t h e p a d e r r e a l i z e d t h ea cd r i v e r e c i p r o c a l t e s t 、b e dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c ec o m p l e t e l y i t r e a l i z e dd a t a c o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e si nt h ec o n d i t i o no fa c d r i v es y s t e ms t a r t ，a d j u s ts p e e d ，r u nw i t hh i g h s p e e dp e r f o r m a n c e ， e t c a n di te n s u r e st h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m w o r kw i t hh i 曲 r e l i a b i l i t ya n ds e c u f i t y k e yw o r d s ：c a n ，r e c i p r o c a lt e s t b e d ，e m c ，d a t a a c q u i s i t i o n ， m a n m a c h i n ei n t e r f a c e 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 现代信息技术的飞速发展，导致了自动化领域的深刻变革，控制系 统的体系结构向分散化、模块化发展的格局已基本形成。其中，现场总 线是系统分散模块间的信息纽带。不仅在自动化领域，现场总线在交流 传动试验系统中也广泛应用。本章在双逆变器一电机交流传动互馈试验 台的基础上，引出了本文的研究内容：基于c a n 现场总线的交流传动 互馈试验台数据采集系统。然后，提出了本文所作的主要工作。 1 1 双逆变器一电机交流传动互馈试验台 交流传动技术从其诞生之日起就显示出直流传动技术无法比拟的 优越性。随着大功率交流传动系统的研究、开发和生产，对交流传动系 统的变流器、交流牵引电机、变流器控制系统以至机车的全车控制均需 要功率相当的测试检验场所，这就是交流传动试验台。在研制开发、生 产、应用部门都需要有试验台来进行上述部件的检测、标定和鉴定。特 别是将来随着应用检修部门的增加，大功率试验台建设势必目益增多。 交流传动试验台应该能完成如下试验： ( 1 ) 按照机车牵引特性进行不同级位的牵引运行试验； ( 2 ) 按照机车制动特性要求进行再生制动试验； ( 3 ) 按照机车恒转矩启动的要求进行机车启动加速试验； ( 4 ) 逆变器容量足够大时，能完成牵引电机的各种特性试验和有关参 数测定； ( 5 ) 电机容量许可时，能完成逆变器装置的考核运行试验。 交流传动互馈试验台的结构如图1 一l 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图l 一1 交流传动互馈试验台 f i g u r e1 - t a cd r i v er e c i p r o c a lp o w e rt e s tr i g 四象限变流器将电网交流电整流成直流电供给逆变器l ，逆变器1 向异步牵引电机1 提供三相交流电，使其运行在牵弓i 工况。异步牵引电 机l 带动同轴的异步牵引电机2 旋转，对逆变器2 进行适当的控制，使 异步牵引电机2 定子频率低于转子旋转的频率，作发电机状态运行。发 出的三相交流电经逆变器2 以整流器的工作方式整流成直流电，回馈到 逆交器l 的直流侧。逆交器2 控制转差频率的变化，以改变电机转矩的 大小，从而达到模拟机车负载变化的目的。 由于采用了能量回馈方式，使得整个系统的能量损耗仅仅是两台电 机的内部损耗和交流器的损耗，能量利用率大大提高。由于在直流侧进 行能量交换，系统中四象限变流只需补偿系统的能量损耗，而整个系统 的能量损耗只是被测试电机功率的一小部分，所以系统中四象限变流的 功率等级小于逆变器的功率等级，即可以用小功率等级的供电电源来试 验大功率等级的交流传动机组川。 交流传动互馈试验台要实现上述功能，大量的现场试验数据需要采 集，用于试验台系统的控制，显示和数据分析等。因此，需要建立一个 功能完备的交流传动互馈试验台数据采集系统。 2 些空窒望茎兰堕主兰垡笙苎 1 2 交流传动互馈试验台数据采集系统 现场总线为分布式网络控制，开放性好，全数字通信，可靠性高并 且现场布线方便，大大简化了体系结构，因此，采用现场总线进行数据 采集和传输，准确控制系统运行，保证系统可靠性，是非常重要和必要 的。2 0 世纪8 0 年代中后期，随着新型工业控制系统的逐步形成和嵌入 式系统在工业中的普遍应用，现场总线技术开始高速发展。在过去的近 2 0 年中，f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 等几种现场总线技术日 趋成熟，得到了广泛应用，其中c a n 总线在世界范围内应用的数量最大， 备受科研领域关注。目蓠，用于交流传动互馈试验台数据采集系统的现 场总线主要有p r o f i b u s ，c a n 总线等。本系统选用c a n 作为数据传送总 线。 f2 c a n 总线的技术特点j q c a n 是英文c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 的缩写，翻译成中文即控制器 局域网络。c a n 总线最初是由德国的b o s c h 公司推出，最初计划用于汽 车内部溯量与执行韶件之间的数据通信，出于c a n 总线系统具有良好的 稳定性和较高的实时性，在很短的时间内，c a n 就被应用到多个领域， 在全球范围内得到了飞速发展。在中国，c a n 总线是应用最广泛的现 场总线。 c a n 总线有很多独到的技术优势和发展背景。首先，c a n 总线在 国外发展时间较长，是一种基于全数字信号的总线。c a n 协议在实现 标准模式以后，做了次较大改进，制定了扩展模式，短帧结构总线技 术被提升到了新的高度。其次，由于c a n 的数据结构简单，用户可以 直接控制c a n 总线的最基本传输，其传输过程透明，可控性很强。再 次，由于c a n 的报文均为广播式，可以用于多种网络拓扑结构。最后， 北京交通大学硕士学位论文 在我国，c a n 总线在应用现场总线领域具有绝对的数量优势，其配套 节点、路由器、网桥等辅助设备开发完善，这使得c a n 总线在批量生 产和不同c a n 系统互连中有很大技术优势。改进后的c a n 总线技术 在开放性、互操作性以及灵活性方面满足了现在通信控制网络的要求， 并具有良好的可扩展性，被公认成最有前途的现场总线1 5 , 6 】。随着工业 以太网给现场总线的巨大冲击，许多高端现场总线，如f f 总线、 l o n w o , , k s 等总线日趋向多协议层靠近，而c a n 总线则牢牢把握了低端、 低层控制、实时控制领域，日益显露出其不可取代的总线地位。同时， 与其他总线相比，c a n 总线易于实现，成本低廉，因此，本试验台数 据采集系统采用c a n 总线进行数据传输。 1 2 2 互馈试验台数据采集系统工作原理及功能 本系统的采集对象为双逆变器一电机交流传动互馈试验台。双逆变 器一电机交流传动互馈试验台由一个整流柜、两个逆变柜和两台同轴连 接的交流异步电机组成，并配备了司机控制台，司机控制台配有p c 机。 两台电机用扭矩仪连接。 试验台系统各个对象之间采用c a n 总线方式进行通讯。p c 机通过 c a n 卡收集各个对象的信息和数据，电机运行数据也可通过扭矩仪板卡 采集。司机控制台收集来自整流柜、逆变柜和电机的数据，通过串口发 送给数显表显示，并在p c 机上显示；同时，司机控制台向逆变柜传送 司机控制指令，该指令可由司控器和速控器给出，也可由p c 机软件给 出【7 j 。 数据采集系统需要传送的变量包括： ( 1 ) 整流柜：交流输入电压、电流，宜流输出电压、电流； ( 2 ) 逆变柜1 和逆变框2 ：直流侧电压、电流，电机电压、电流， 电机磁链、电机转速，电机转矩，电机运行功率。 4 ! e 室奎望奎兰堡圭兰些笙苎 其中电机转速、电机转矩、电机运行功率要求以数字和运行曲线方 式显示，是显示的主体部分，电机的额定参数也应在相应位置显示。其 余变量以数字表头形式显示。 1 3 本文的主要工作 本试验台数据采集系统是在前人研究的基础上进行的。原有研究成 果建立了基本的硬件结构和节点通信程序，但仅实现了点对点的c a n 通 信功能，尚未组网通信。硬件方面电磁干扰问题很严重，c a n 通信和扭 矩仪数据传输都不能正常进行，数显表显示不稳定，温度传感器信号电 路未完成；软件方面由于未组网调试，各节点协议没有协调统一，比较 混乱。数据采集卡功能及上位机界面都未建立。同时，各项安全和保护 措施也很欠缺。 本文实现了各节点及上位机的组网通信，解决了电磁干扰问题，并 编写了上位机界面软件，完善了各项安全保护措施。具体工作如下： 1 、改进设计了c a n 总线通信系统的硬件结构，完善各项安全和保 护措施，解决了数据采集系统的电磁兼容问题； 2 、改写原有c a n 通信协议，编写相应的节点通信软件程序。研究 c a n 卡工作原理及性能，实现上位机与下位机各节点的组网通信； 3 、编写上位机监控界面程序，实现通信数据的显示和控制； 4 、实现了r s 4 8 5 通信的可靠运行和数显表的正确显示以及温度传 感器和扭矩仪信号的准确传输。 5 北京交通大学硕士学位论文 第二章交流传动互馈试验台数据采集系统设计 为给交流传动互馈试验台系统提供一个高性能的数据采集和通信 平台，需要设计一套能保证系统可靠运行的可行的数据采集方案。本章 结合系统设计要求，研究了本数据采集系统的整体设计方案。 2 1 交流传动互馈试验台数据采集系统设计要求 该数据采集系统主要由以下几部分组成：传感器，信号调理电路， a d 转换，d s p 以及p c 机等。采集系统的工作方式可归纳为：总线上 各控制器节点分别通过传感器，信号调理及a d 转换电路采集所需数 据，并把数据送到总线上。 单控制器的数据采集原理如图2 一l 所示。 因2 一l 单控制器数据采集框图 f i 9 2 - 1s i n g l e c o n t r o l l e rd a t aa c q u i s i t i o nf l a l i l e 控制器之间可通过总线传输数据。下位机采集到的数据可送至数显 表显示，上位机通过数据采集卡与下位机各控制器通信，可将采集到的 数据以曲线或表格的形式显示出来。 本试验台数据采集系统的设计基本要求如下： ( 1 ) 可靠性高。它是系统设计最重要的一个要求。因此，系统各 6 北京交通大学硕士学位论文 部分功能必须稳定。在硬件方面，设计安全保护及抗干扰措施，如各种 报警，保护及相应的处理对策。软件设计上要可靠，利用容错技术等常 用的软件滤波技术以保证数据的准确传输。 ( 2 ) 实时性强。试验台工作时要求对大量的运行状态参数实现巡 回检测，数据存储记录，数据处理及进行实时数据曲线绘制等功能。因 此，要求系统有较强的实时性。根据传输数据的优先级别，用于控制的 数据信号要求有较高的实时性，而用于显示的数据信号则可适当降低其 实时性。 ( 3 ) 通用性好，便于扩充。本系统采用通用的开放式现场总线， 能灵活地进行功能扩充。各控制板结构基本一致，通用性较好。 ( 4 ) 设计周期短，价格便宜。由于科研技术e t 新月异，各种新技 术产品不断涌现。在满足精度，速度和其他性能要求的前提下，尽可能 缩短设计周期和尽量用价格低的元器件。 2 2 交流传动互馈试验台数据采集系统c a l l 通信网络设计 结合数据采集系统的设计要求，数据通信方式的方案选择是比较关 键的。本文选用c a n 总线进行数据传送，主要是因为c a n 总线具有如下特 性： ( 1 ) 、c a n 协议结构至少具有i s 0 0 s i 模型的两层：物理层、数据 链路层，有些扩展的c a n 协议还具有应用层： ( 2 ) 、信号传输介质可阻采用双绞线、同轴电缆或光纤； ( 3 ) 、通信速率最高可达1 m b o s ( 此时传输距离为4 0 m ) ，直接传输 距离最远可达1 0 k m ( 此时通信速率为5 k b p s ) ； ( 4 ) 、c a n 总线的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为 北京交通大学硕士学位论文 8 字节，传输时间短，受干扰的概率较低； ( 5 ) 、c a n 采用非破坏性位仲裁方式进行总线通信。当两个节点同 时向网络中传送消息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级 高的节点可不受影响地继续传送数据； ( 6 ) 、可挂接设备的数量理论上是2 的2 9 次方个，但一个子系统实 际节点数目取决于系统需求、总线驱动电路和设计通信速度； ( 7 ) 、当节点严重错误时，具有自动关闭功能，以切断该节点与总 线的联系，使总线上的其他节点及其通信不受影响； ( 8 ) 、生产c a n 总线器件的厂家众多，但都符合统一的国际标准，主 要由b o s c h 公司负责c a n 协议的统一和发展问题。 基于c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。c a n 总线作为现场设备级的通信总线。和其他总线相比，它具有多主通信， 报文滤波和短帧结构传输的独特优点，有很高的可靠性和性能价格比， 其总线规范已经成为国际标准，被公认为现场总线家族中最具希望的总 线技术之一。数据采集系统方案中其他器件的选择将在第三章硬件结构 中详细论述。 2 2 1 c n 总线通讯网络的特点和建立 国际标准化组织( i s 0 ) 提出的“开放系统互连”( o s o 的参考模型中， 网络系统结构化分为7 个层次，包括物理层、数据链路层、网络层、传 输层、会话层、表示层和应用层，从现场总线到局域网、i n t e r a c t ，的几 乎所有通信层次都被包含在其中。c a n 总线的i s o o s i 参考模型包括 其中最底层的物理层和数据链路层。 物理层( p h y s i c a ll a y c r ) 的作用是在物理传输媒体上传输各种数据 的比特流，不考虑数据类型和数据结构。 ( u 数据传输速率是指每秒钟传送的码元数。在1 s o 1 1 8 9 8 标准 北京交通大学硕士学位论文 中明确规定了c a n 总线的传输速率最高i m b p s ，其传输速率与传输距 离有类似比例关系，主要与介质的通信频谱、系统网络阻抗等因素有关。 c a n 协议对传输速度作了一个框架性的规定，具体数值见图2 2 。在实 际运用中，还要根据设定的网络传输速度、c a n 收发器特性，通过具 体计算才能准确得到系统两点间最远距离。 1 0 0 0 1 0 0 1 0 5 o 位速率最大总线长度 1 m b p s 4 0 m 5 0 0 k b p s 1 3 0 m t 0 0 k b p s 6 2 0 m 5 0 k b l l s1 3 k m 2 0 k b p s 3 3 kr a 5 k b p s 10 k r a 图2 - 2c a n 总线两点问最大距离于总线速度的关系 f i g u r e2 - 2 r e l a t i o nb e t w e e nt h ed i s t a n c ea n dt h es p e e do ft w on o d e s f 2 1 、传输媒介。c a n 总线的传输介质一般采用双绞线，同轴缆和 光缆，选择手段比较灵活，不过，一般采用双绞线和同轴缆较多。 f 3 1 、总线型网络。网络拓扑是指网络中的节点结构类型，主要有 星型、总线型、树型、环形和网型。具体实例如图2 - 3 所示： 总线型树型 环型 图2 - 3c a n 总线的网络拓扑 f i g u r e2 - 3t y p i c a ls t r u c t u r eo fc a n b u s 以上的网络拓扑结构c a n 总线均可使用。星型连接经常在d c s 控制系统中使用，由于通信极大的依赖中央节点，需注意可靠性和信道 北京交通大学硕士学位论文 容量问题，c a n 总线连接不需要这种拓扑正是使用现场总线的优势之 一。总线型接法采用单一的传输媒介，所有节点通过相应的硬件接口接 至公共信道( 总线) 上，任何一点发送的保文，其他节点都可接收到。当 多点同时发送数据时，会造成信号碰撞而传输失败，因此总线传输需要 在链路层作仲裁。总线型的优点是电缆长度短、布线容易、可靠性高和 易于开放，缺点是系统应用范围受传输速率和传输距离的相互制约的限 制。c a n 总线最低层系统的布线一般都使用总线型结构。树型拓扑是 由总线型发展出来的，它的总线故障比较容易检查和隔离，因此，多个 c a n 总线多个功能子系统互连时，经常采用树型结构的父节点作网桥， 将两个同级子系统连接起来。这样，当一个子系统出现问题时，可以很 容易得从这个系统上摘下来，不至于影响全部的通信。每个子系统可以 拥有自己的应用层通信协定，由网桥统一管理即可。树型拓扑是扩展 c a n 系统的基本方式。环型拓扑在c a n 总线布线中使用较少，但在某 些情况下为保证灵活性，也有使用。 由于c a n 总线是一种多主方式的串行通讯总线，每一节点可通过双 绞线与另一节点连接起来。在c a n 系统里，节点不使用任何关于系统配 置的信息( 比如，站地址) ，不需要改变任何节点的应用层及相关的软件 或硬件，就可以在c a n 网络中直接添加节点。c a n 高速标准i s 01 1 8 9 8 通 常使用单线结构作为网络的拓扑结构，此时总线的两端都连接一个1 2 0 。 终端电阻作为线路的匹配。c a n 总线的拓扑结构如图2 4 所示。一个由c a n 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节 点数目受延迟时间和或网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用 p h i li p sp 8 2 c 2 5 0 作为c a n 收发器时，同一网络中允许挂接“0 个节点。 北京交通大学硕士学位论文 图2 - 4 系统中c a n 总线的拓扑结构 f i g u r e2 - 4s t r u c t u r eo fc a n b u si nt h es y s t e m 本文研究的基于c a n 总线的通信网络系统中需要配置5 种类型的网 络节点。一种为安装在上位机中的c a n 通信适配卡，其承担着计算机和 其它现场c a n 节点之间的命令和数据转发任务。其它4 种c a n 节点分别为 整流柜、逆变柜1 、逆变柜2 和司控台智能节点。此四个节点承担着获取、 发送数据和传递命令的任务。 2 2 2 总线竞争问题的解决。1 在总线中传送的报文，每帧由7 部分组成，见图2 5 。c a n 协议支持 两种报文格式，其唯一的不同是标识符( i d ) 长度不同。标准格式为11 位， 扩展格式为2 9 位。 了f f f f ff f 帧起始仲裁域控制域数据域c r c 域应答域帧结尾 图2 - 5c a n 总线报文的帧结构 f i g u r e2 - 5s t r u c t u r eo fc a n d a t a m e s s a g e 在标准格式中，报文的起始位称为帧起始( s o f ) ，然后是由1 1 位标 识符和远程发送请求位( r t r ) 组成的仲裁场。r t r 位标明是数据帧还是 请求帧，在请求帧中没有数据字节。 控制场包括标识符扩展位( i d e ) ，指出是标准格式还是扩展格式。它 北京交通大学硬士学位论文 还包括一个保留位( r o ) ，为将来扩展使用。它的最后四个字节用来指明 数据场中数据的长度( d l c ) 。数据场范围为o 8 个字节，其后有一个检 测数据错误的循环冗余检查( c r c ) 。 应答场( a c k ) 包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为 隐性电平( 逻辑1 ) ，这时正确接收报文的接收站发送主控电平( 逻辑o ) 覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收 到报文。 报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位 如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。 c a n 总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在1 1 位标 识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦 在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲 裁解决。假如当站1 ，站2 ，站3 同时发送报文时，站l 的报文标识符为 0 1 1 1 l l ：站2 的报文标识符为0 1 0 0 1 1 0 ：站3 的报文标识符为0 1 0 0 1 1 1 。 所有标识符都有相同的两位叭，直到第3 位进行比较时，站l 的报文被 丢掉，因为它的第3 位为高，而其它两个站的报文第3 位为低。站2 和站 3 报文的4 、5 、6 位相同，直到第7 位时，站3 的报文才被丢失。注意， 总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。在此例中，站 2 的报文被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确 定哪一个站的报文被传送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。 所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站，并且 不会在总线再次空闲前发送报文。 这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方 法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放 在每个报文中了，这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。当c a n r ! ! 塞奎望查兰堡刍兰垡笙塞 总线上的一个节点( 站) 发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节 点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每 组报文开头的1 1 位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式 称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两 个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种 配置十分重要。 2 2 ，3 系统采用的c a n 通信协议“” c a n 有两套标准的通信协议，即标准帧协议和扩展帧协议。标准 帧格式含l1 位i d ，扩展帧格式则含2 9 位i d 。由于本文中采用c a n 2 0 b 方案，因此本小节只介绍此协议。 c a n 扩展帧信息包括分为两部分，信息和数据部分。前5 个字节为 信息部分。第1 个字节是帧信息，f f 为帧格式：r t r 位为远程发送请求， 发送数据帧时为0 ，发送远程帧时为1 ；x 位为无关位；最后4 位d l c 是数据长度，即所发数据的实际长度，单位：字节。第2 、3 、4 、5 字 节的前2 9 位为标识符( 4 个字节) ，包含本信息包的目的站地址。其余 八个字节是数据部分，存有实际要发的数据。详见表2 - 1 ： 表2 - 1c a n 2 o b 扩展帧数据格式 t a b l e 2 - 1c a n 20 bp c t i c a nf r a m ed a t af o r m a l ? 76543210 字节1f fr t rxxd l c ( 数据长度) 字节2( 地址标识符)i d 2 8 i d 2 1 字节31 d 2 0 - l d 1 3 字节41 d 1 2 - l d 5 字节5 i d 4 i d oxxx 【 字节6数据1 1 3 北京交通大学硕士学位论文 字节7 数据2 字节8数据3 字节9数据4 字节1 0数据5 字节1 1数据6 字节1 2数据7 字节1 3数据8 2 1 3 交流传动互馈试验台数据采集系统实时性分析 在该系统中总线各节点控制器应用1 1 的t m s 3 2 0 f 2 4 3 型d s p ，一 是增强了系统运行的可靠性，同时也满足了系统控制和显示所需的实时 睦要求。系统d s p 为2 0 m h z 晶振，一条指令的周期是5 0 纳秒。当前 试验台的整流器和逆变器的最高开关频率为4 k , 实时反映每个开关周期 内各个数据量的变化是很难实现的。故采用两种策略，对于不关心历史 变化情况的数据只要保证所采集的实时数据正确即可，此种策略适合向 各个数显表送写的数据；对于关心历史变换趋势的数据采用缓存的办 法，在传输的控制器里开辟内存记录数据，发送数据的时候一次发送完 毕，此策略适合送往上位机监控界面以曲线形式显示的数据。 以下时间的统计中，系统配置，a d 转换及逻辑控制时间是将c 语 言编译为汇编语言后，根据其指令的多少而计算出来的。统计如表2 2 。 表2 - 2 程序运行时问 t a b l e 2 - 2p r o g r a m 1 1 1 1 1t i m e ，f r r t t 一_ 1 l 运行任务 系统配置ia d 转换i 逻辑控制ic a n 通信! 串口通信l 1 1 l j l 、_ 一 】4 - j ! 塞銮望查堂堡主堂壁堕苎 f 系统配置及逻辑控制统计时间是最大运行时间的大概统计，也就是 均考虑有任务切换情况下的时间统计结果。 c a n 通信及串口通信速率的确定如下： 试验台开关频率最快可到4 k ，数据采集系统至少要满足每个开关 周期内要观测的数据量不丢。如果设定每个开关周期( 即2 5 0 微秒) 都 利用c a n 总线进行收发，试验台总共有包括站址在内5 0 个变量要传输， 这5 0 个变量包装在1 0 帧数据里，每帧数据大约1 3 个字节。 要求在2 5 0 微秒内将1 0 帧数据完全传完，假设上位机可即时接收， 所需最小的c a n 总线的传输速率计算如式( 1 - 1 ) ： ! ! ! ! ! ! q 。4 。1 0 s ( b p s ) ( 2 1 ) 2 5 0 1 0 如果每个开关周期都进行c a n 传输有公式( 1 - 1 ) 可知需要c a n 的传输速率设为4 m b p s ，而c a n 总线最大传输速率为1 m b p s ，所以每 个开关周期都进行传输是不可能的。所以本系统定为每1 0 毫秒传输一 次，如果想要1 0 毫秒内将所有数据传完，假设上位机可即时接收，由 计算可知所需c a n 的传输速率： 里堕塑：。l x l o ，( b p 5 ) ( 2 ，2 ) 1 0 0 0 0 x1 0 6 为保证采样数据的有效性，每个开关周期内对要发送的数据进行缓 存，在发送的时候对缓存的数据进行筛选，将能反映变换的数据量传出。 因此将c a n 总线速率设为1 0 0 k b p s 。 串口的通信速度主要取决于数显表的刷新速率，一般数显表数据变 换后刷新需要3 0 毫秒，且数显表频繁刷新对于用户来说也无太大意义， 本系统暂设定每隔5 0 0 毫秒刷新一次数据。系统有4 个数显表，每帧数 据4 个变量8 个字节，要求5 0 0 毫秒内将4 帧数据传输完毕并显示，串 北京交通大学硕士学位论文 口通信速率计算如下： 器一5 x 1 0 2 ( b e s ) ( 2 - 3 ) 由公式( 1 - 3 ) 可知理论上串口速率最小应设为5 0 0 b p s ，实际应用 中，考虑数显表显示及数据的保持时间，串口速率设为4 8 0 0 b p s 。 另外，由于温度传感器采用具有通信功能的d s l 8 2 0 ，采集耗时较长， 需要1 秒时间，由于系统对于温度的采集实时性要求不是很高，因此该 设计满足整体要求。但为避免影响其余数据的采集传输，系统采用单独 的控制器进行温度参数采集。 1 6 一 一一_-_-一 ! ! 蔓銮望查鲎堡主兰些笙苎 第三章双逆变器一电机交流传动互馈试验台数据 采集系统硬件设计 本章主要论述交流传动互馈试验台数据采集系统的硬件结构，包括 整体结构和各节点总线通信的结构设计，以及附加的e m c 措施。 3 1 数据采集系统整体硬件结构及数据采集原理 本系统的采集对象为双逆变器一电机交流传动互馈试验台。双逆变 器一电机交流传动互馈试验台由一台整流器、两台逆变器和两台同轴连 接的交流异步电机组成，并配备了司机控制台，司机控制台配有p c 机 用于显示传输数据，也可发送指令。系统结构框图如图3 一l 所示。 人机界面 je 数据采集卡 司控台 图3 - 1 数据采集系统结构框图 f i g u r e3 - 1d a t aa c q u i s h i o ns y s t e mc o n f i g u r a t i o n 3 1 1 整流柜节点 它内部安装有四象限整流器主电路及其控制电路，基本功能是实现 电能的a c - d c 变换，将工频2 2 0 v 交流输入转换为直流7 5 0 v 输出，并且 北京交通大学硕士学位蛤文 实现功率因数为1 ，当逆变器一电机部分发生制动时，能够将一部分电 能回馈电网。用于p w v l 高功率因数整流，能量可回馈电网。四象限变流 器系统的硬件可以分为四部分：主电路、配电柜、驱动板和控制板。输 入：三相交流电( 2 2 0 v 5 0 h z ) ，输出：直流电( 7 5 0 v ) 。额定容量：i o o k v a 。 整流柜需要传送的数据变量包括：交流输入电压u a c _ r 、电流l a c _ r ， 直流输出电压g d c _ r 、电流i d er ，控制信息。这些数据量分别由传感 器采集经由调理电路和a d 转换送至d s p ，然后通过c a n 总线传输到 其它节点。 为提高精度，电流电压传感器分别将采集的到的模拟信号送到图3 2 所示的信号调理电路。r 。为采样电阻，用于将传感器输出的电流信号 转换为电压信号，r 、只，、r 。、b 大小相等且远大于月。，r ：、r 。为 电位器。 图3 2 新控制板采样信号调理电路 f i g u r e3 - 2 s a m p l e s i g n a l a d j u s t i n g c h e t t i t o f n e w c o n t r o l b o a r d 电路的输入输出关系为 s a m = 如 ( 3 1 ) 控制板不使用f 2 4 3 的内部a d ，改用外部a d ，采用两片模拟器件 公司的a d 7 8 6 4 一i 。a d 7 8 6 4 1 是一款高速4 通道1 2 位a d 转换器，单电 源+ 5 v 供电，采样保持时间为0 3 5 u s ，一个通道的转换时问为1 6 5 u s ， 转换的通道可以通过硬件或软件选择，输入模拟电压的范围为i o v 或 1 8 j ! 塞銮望查堂堡主兰竺堡苎 5 v ，由相应的管脚配置决定。a d 7 8 6 4 1 可对四个通道的模拟输入信号 进行同步采样，并将四个通道的相对相位和大小信息保存下来。a d 7 8 6 4 1 既可以转换正电压，也可以转换负电压，转换结果的最高位为符号 位，为0 时表示转换结果为正数，为1 时表示转换结果为负数。输入电 压范围选择1 0 v 时，数字量与模拟量的对应关系为 数字量( 十迸制) = 型皇1 0 堕x 2 。4 7 ( 3 - - 2 ) a d 7 8 6 4 1 与f 2 4 3 的接口如图3 3 所示， 图3 - 3a d 7 8 6 4 1 与f 2 4 3 接口电路 f i g l l r e3 0 n e f f a c ec i r c u i l so f a d 7 8 6 4 - ja n df 2 4 3 启动转换的信号从管脚“c o n v s t ”输入，上升沿触发，高有效。 当其有效时，被选择转换的通道的值同时被保持下来，并按递增的通道 号进行转换，在此期间，“b u s y ”信号一直为高，直到所有通道转换结 束，“b u s y ”信号变低。“b u s y ”信号连到f 2 4 3 的1 0 管脚，f 2 4 3 查 询该i o 管脚的状态，当确定转换完成后，分别对两片a d 连续执行四 次读操作，就可得到各个通道的采样值。 从a d 转换器a d 7 8 6 4 - 1 输出数字量与输入模拟量的对应关系可说 明调理电路能够提供采集精度的原理。模数转换器有两个参数：满输入 范围( f u l l s c a l er a n g e ，缩写为f s r ) 和最低有效分辨率( l e a s ts i g n i f i c a n t b i t ，缩写为l s b ) 。对于a d 7 8 6 4 1 ，当输入电压范围为1 0 v 时， 1 9 一韭塞銮望查兰堡圭堂堡垒兰 f s r = 2 0 v ，输入电压范围为5 v 时，f s r 一1 0 v 。l s b 与f s r 的关系 为1 l s b ；f s r 4 0 9 6 ，当f s r = 2 0 v 时，1 l s b = 2 0 v 4 0 9 6 ：4 8 8 m v ， 当f s r = 1 0 v 时，1 l s b = 2 4 4 m v 。a d 7 8 6 4 1 理想的输入输出对应关系 如表3 1 所示。 表3 1a d 7 8 6 4 1 的输入输出关系 1 h b l e 模拟输入数字输出 + f s r - 3 ，2 l s b0 1 1 + 1 1 0t o0 1 1 ，1 1 1 + f s r - 5 2 l s b0 1 1 1 0 tt o0 1 1 1 1 0 + f s r - 7 2 l s b0 1 j 1 0 0t o