（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的船舶电站自动控制装置的设计.pdf

英文摘要 t h e d e s i g no f a u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c ef o rm a r i n ep o w e rs y s t e m b a s e do nc a n b u s a b s t r a c t t h em a r i n cp o w e rs y s t e ma u t o m a t i o ni st h ei m p o r t a n tc o n s t i t u e n to ft h em a r i n e a u t o m a t i o n ，a l s oi st h eo n l yw a yt oe n s u r et h er e l i a b i l i t ya n dc o n t i n u a n c eo fp o w e r s u p p l i e s t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nf i e l d b u sb e c o m e st h ed e v e l o p m e n t t e n d e n c yo ft h e t h em a r i n ep o w e rs y s t e ma u t o m a t i o ni nn o w a d a y s c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) b u si sak i n do ff i e l d b u sw h i c hm a i n l yu s e si n e q u i p m e n te x a m i n a t i o na n dc o n t r o lf i e l d ，a n db eak i n do fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lb a s e do nm u l t i - h o s t sw a y i te f f e c t i v e l ys u p p o r t st h ed i s t r i b u t i o n a lr e a l t i m e c o n t r o lt ob ea b l et og u a r a n t e et h eh i g hd a t ai n t e 庐t y i th a st h ec h a r a c t e r i s t i co fl o w c o s t ，f a s ts p e e d ，h i g hr e a l t i m ea n dr e l i a b l i t y i ti sc o n v e n i e n c ef o rc u s t o m e rt od e f i n e a n de x t e n dt h e i ro w n a p p l i c a t i o nb yt h eo p e n i n gp r o t o c o lo fc a n b u s a c c o r d i n gt ot h ed a l i a ne c o n o m i c a lc o m m i t t e ep r o j c o t ：”d e v e l o p m e n to fa u t o m a t i c c o n t r o ld e v i c ef o rm a r i n ep o w e rs y s t e mb a s e do nn e t w o r k “t h i st h e s i sh a sd e s i g n e da l l a u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c ef o rm a r i n ep o w e r s y s t e mb a s e do nc a n b u s t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e s ：t h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i to fa u t o m a t i cc o n t r o l d e v i c ef o rm a r i n ep o w e rs y s t e m ；t h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i to fc a n - b u sb e t w e e n t h et w og e n e r a t o rc o n t r o l l e r s ，a n dh a r d w a r ec i r c u ib e t w e e nt h eg e n e r a t o rc o n t r o l l e r s w i t ht h ec e n r t r a l i z e dm o n i t o r i n gs t a t i o n t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec a n - b u st e c h n o l o g y a n dt h eh i g h - l a y e rp r o t o c 0 1 t h e r ea r et w ok i n do fa d o p t e dp r o t o c o l si nt h i st h e s i s t h e y a r et h ec a nb a s i cp r o t o c o lw h i c hu s e di nt w ou n i t so fg e n e r a t o rc o n t r o l l e ra n dt h e c a n o p e np r o t o c o lw h i c hu s e do nt h ec e n r t r a l i z e dm o n i t o r i n gs t a t i o n t h i st h e s i s d e s i g n st h ec a nc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ef o rt h eu n i to fg e n e r a t o rc o n t r o l l e r , i n c l u d i n g t h ei n i t i a l i z a t i o no fc a n c o n t r o l l e r , t h et r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o no fm e s s a g e s t h e s o f t w a r eo ft h ec e n r t r a l i z e dm o n i t o r i n gs t a t i o ni s c o m p i l e db yv b 6 0 t h i st h e s i s d e s i g n s t h ed a t ac o m m u n i c a t i o na n dt h ep e r s o n m a c h i n e d i a l o gi n t e r f a c e t h e 英文摘要 c c n r t r a l i z e dm o n i t o r i n gs t a t i o ns e n d so u tt h e ”t h er e m o t ef r a m e ”t oo b t a i nd y n a m i c a l l y a ni n f o r m a t i o nf r o me a c hg e n e r a t o rc o n t r o l l e r t h em a r i n ep o w e rs y s t e ma u t o m a t i c c o n t r o ld e v i c eh a sd e s i g n e df o rc a r r y i n go u tt h ef u n c t i o no ft h ea u t o p a r a l l e l ，t h e f r e q u e n c ya n dl o a da u t o m a t i cc o n t r o la n dt h ea u t o m a t i cs h u t d o w n k e yw o r d s ：m a r i n ep o w e rs y s t e m ；c a n b u s ；c a n o p e n ；d s p 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文! ：垂王垒丛望缝的篮魈电盐自麴蕉剑装量笪遮让： 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 3 鸯9 7 年；月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：型0 导师签 e 漕l ，每 基于c a n 总线的船舶电站自动控制装置的设计 第1 章绪论 1 1 引言 随着船舶向着大型化，高速化，自动化，网络化的方向发展，对于船舶电站 的自动化的要求不断的提高，各种新技术如控制理论，数据处理，人工智能，网 络通信等不断的应用到船舶上来，在国内外，计算机监控系统广泛的应用到各个 领域，尤其是在电力系统的控制方面更为显著，船舶电站自动控制的主要任务是 保证供电的安全可靠和改善劳动条件，同时也能提高运行的经济性。 在具有要求多台机组并联供电的电站中，若要满足“无人机舱”的要求，实 现电站自动化，必须将各个自动环节有机的联系起来，组成一个总体控制系统， 用来收集来自各台柴油机，发电机，断路器，汇流排以及各主要负载的必要的信 息及参数，加以分析，判断，在一定的条件下，自动地采取符合逻辑的措施，以 处理电站运行中可能出现的各种情况，确保电力系统安全可靠，经济的运行。 船舶电站自动化是船舶自动化的重要组成部分，也是进一步提高船舶电站供 电的可靠性，连续性及其质量指标的必由之路，船舶电站大多可以实现下列自动 化操作： ( 1 ) 自动起动任意一台发电机组。发电机处于停机状态，且发电机主开关 没有合闸，如有令发电机起动的信号时，该机就能实现自动起动。 ( 2 ) 自动准同步并车。 ( 3 ) 自动恒频及有功功率自动分配。 ( 4 ) 自动解列。欲使一台机解列时，应将其负载自动转移至运行发电机后， 才能接受跳闸指令实现自动解列。 ( 5 )自动恒压及无功功率自动分配。 ( 6 ) 有自动分级卸载装置及按顺序启动装置。 ( 7 ) 集控室中设有监视仪表，信号指示灯，报警设备和人工控制按钮，转 换开关等”1 。 船舶自动化集成系统是将全船的自动化作为一个系统来配套，实现标准化，系 第1 章绪论 列化，模块化。可以使设备简单化高可靠，标准化易维护，提高自动化系能，而 且降低了成本价格，有很高的性价比。船舶控制用数字化网络平台把整船的控制 设备全部模块化，固体化，小型化，并作为节点挂在网络平台上，所有设各之间 实现高速信息共享，同时又保持电气相互独立，平台上可安装全船综合计算机及 各种监控计算机。船舶电站作为一个子系统可以挂到网络平台上。 1 2 船舶电站自动化的现状和发展前景 为实现船舶电站自动化的各种功能，船舶电站自动化技术经历了由继电器，接 触器组成的有触点控制系统到有分立元件和集成元件组成的无触点控制系统，大 规模的集成电路，结构化，模块化。还可以使微机控制系统，使控制部分的体积 重量大大减少，工作可靠性提高，控制方式由硬件控制变为软件控制为主，使功 能的组合，扩展或修改变得容易；模块化，通用性好。计算机控制有大型机集中 控制方式发展到多微机分散控制方式，工作可靠性提高；进而出现由多级计算机 构成的分布式控制系统，应用光纤通讯和网络技术等。 ( 1 ) 国外现状： 8 0 年代后期以来，国外各公司陆续推出了采用局域网络技术的船舶控制系统， 如德国西门子公司的未来型系统，丹麦s t l 公司的i s c 系统，美国的s p e r r y 公司 的航行管理系统等。在上述系统中都包括电站计算机控制子系统。也就是说在这 些代表发展方向的系统中，电站都是由计算机控制的。w o o d w a r d 公司1 9 9 5 年推出 了专用于电站控制的计算机分散式( d c s ) 控制系统，完成柴油机控制，同步并车， 频载控制和系统监测等全部自动化任务。美国o n a n 公司也推出智能化电站控制系 统p o w e r c o m m a n d ，实现电站全自动化。而我国目前国内生产的船舶电站自动化装 置，未见有定型的、网络化集散式计算机控制产品的报道”1 。 ( 2 ) 国内现状： 我国这方面也进行过一些研究，但是和世界主要造船国家相比，我国这方面 有较大差距，因为我国的技术不先进，未与国际接轨，以至达不到国际船电要求。 国内目前所造的许多船的控制装置和系统主要应船东的要求购自国外。我国是船 舶制造、维修、运输的大国，船舶制造、维修市场空间巨大，国产化的高科技含 基于c a n 总线的船舶电站自动控制装置的设计 量的控制产品市场需求迫切，潜力巨大。 1 3 课题来源及研究内容 1 3 1 本课题来源 为了振兴东北工业基地，拥有自主创新的品牌，来替代国外产品，大连市经济 委员会立项开发生产出具有自主知识产权的网络化船舶电站自动控制装置来替代 国外产品，并将其产业化，推广应用于我国的船舶制造、维修市场，市场的发展空 间广阔。本课题即来源于大连市经济委员会的网络化船舶电站自动控制装置，对 电站自动化，尤其是分布式控制系统进行了设计和研究。 1 3 2 研究内容 本课题采用了分布式独立控制器，即每个发电机组都有独立的控制系统；并 利用o n 总线实现网络化和信息共享。其主要内容为： 1 自动化船舶电站装置硬件设计模块 本模块完成自动化船舶电站装置的信号采集系统的设计，其中需要采集的 信号包括：电压，电流，频率，相位；控制输出电路的设计；c a n 通信系统 硬件设计；d s p 与单片机的串口通信实现液晶显示和键盘设计；集中监测站 的智能c a n 接口卡的选择与设计。 2 c a n 协议的选择以及c a n 通信的实现 根据基本的c a n 通信协议及国际上广泛采用地c a l ，c a n o p e n ，d e v i c e n e t 等c a n 高层协议，选择出适合本课题的高层协议，并设计实现下位机两个 节点以及集中监测站的c a n 通信，本文中共采用了两种协议，即下位机采 用的基本c a n 协议和集中监测站采用的c a n o p e n 高层协议。 3 根据恒定超前时间实现自动并车功能。 4 采用虚有差法进行自动调频调载设计。 第2 章船舶电站自动控制装置的硬件设计 第2 章船舶电站自动控制装置的硬件设计 2 1 船舶电站自动控制装置的整体设计 根据实验室条件，本文主要实现了两台发电机组构成的船舶电站的各种功能。 每个船舶电站自动控制装置系统主要有信号采集处理模块，d s p 控制器模块，信号 输出模块，串1 ：3 通讯系统模块等组成。整个系统的构成框图如下： 图2 1 系统结构 f i g 2 1s y s t e ms t r u c t u r e 每台发电机组以m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为控制核心的节点模块负责电网电压、发电机电 压、电流、频率、功率、相位等信号的采集处理，并根据相应控制算法对发电机 发出加减速，通过信号输出模块控制主开关的合闸，实现发电机组的自动并车， 功率分配和报警等功能，通过串口通信把相应的数据送到液晶进行显示，并通过 c a n 总线把两台发电机组和上位机连接起来构成分布式控制系统，可以把反应每 个发电机工作状况的参数通过c a n 网络发送到上位机中，所以上位机始终监视网 络上各个节点的工作状况，并动态显示船舶电站的参数，还可以对发电机节点发 送控制指令完成相应的控制任务。 基于c a n 总线的船舶电站自动控制装置的设计 2 2d s p 控制器模块 过去的船舶电站自动控制装置多是以单片机为c p u 控制核心，在这方面i j 人 已经做得比较成熟，但是限于单片机的运行速度等的局限性，使其不能够进一步 的发展。随着信息化的进程和计算机科学与技术、信号处理理论与方法等的迅速 发展，近年来，各种集成化的单片d s p 的性能得到很大改善，软件和开发工具也 越来越多，越来越好；价格却大幅度下滑，从而使得d s p 器件及技术更容易使用， 价格也能够为广大用户接受；越来越多的单片机用户开始选用d s p 器件来提高产 品性能，d s p 器件已经可以取代高档单片机应用到各种工业领域。 与单片机相比，d s p 器件具有较高的集成度。d s p 具有更快的c p u ，更大容 量的存储器，内置有波特率发生器和f i f o 缓冲器。提供高速、同步串口和标准异 步串口。有的片内集成了d 和采样保持电路，可提供p w m 输出。d s p 器件采用 改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置 高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使d s p 器件具有高速的数掘运算能力。 d s p 器件比1 6 位单片机单指令执行时间快8 1 0 倍，完成一次乘加运算快1 6 3 0 倍。d s p 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了f f t 快速傅里叶变换和滤波器 的运算速度。 此外，d s p 器件提供j w g 接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方 便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。软件配有汇编链接 c 编译器、c 源码调试器。目前国内推广应用最为广泛的d $ p 器件是美国德州仪器 f r o 公司生产的t m s 3 2 0 系列，所以我们的船舶电站自动控制系统的核, c , c p u 采用 t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型芯片，它是专为基于控制的应用而设计的。 ( 1 ) 具有灵活的指令系统和高速的运算能力，达至u 4 0 m i p s ( 每秒百万 条指令) ，使得该d s p 控制器能提供比传统1 6 位微控制器和微处理器能高的性价比， 通过采用先进的控制算法，可以增强系统的性能。 ( 2 )由于该芯片具有很好的可靠性和可编程性，克服了模拟系统硬件 解决方案所存在的老化，部件配合误差和漂移等因素。 ( 3 )具有强大的外设功能，如事件管理器；控制器局域网( c a n ) ， 第2 章船舶电站自动控制装置的硬件设计 便于建立c a n 通信网络；串行通信接口， 模数转换器，能够方便的采集模拟信号； 2 3 信号采集模块 2 3 1 电压信号的采集： 可以实现键盘和液晶显示与d s p 的连接； 其他还有看门狗定时器和功率驱动保护。 为了实现自动并车和自动调频调载等功能，必须对发电机和电网的电压进行 检测。首先经过电压互感器对检测到的电压信号进行隔离降压，电压互感器采集 到的是正弦交流电压信号，须由整流电路将其整流成为脉动的直流电压，由于脉 动直流电压中还含有较大的纹波，必须通过滤波电路进行滤除后，才能得到平滑 的直流电压信号u f 。注意：a d c 模块输入引脚的采样信号电压必须满足该型号d s p 的输入电压范围( 0 - - 3 3v ) ，最大不能超过3 9 v ，否则将导致a d c 模块损坏。 因此需要把直流电压u f 通过电阻分压成0 - 3 3 v 的电压信号，这样d s p 才能经过 模数转换器( a d c ) 的1 6 个模拟输入通道( a d c i n o ，a d c i n l 5 ) 采集电压信号 并进行数据处理。 本文应用了电压互感器进行了电压隔离，将外部电网的高压与控制电路进行 隔离。一般的隔离方法有光电隔离和电磁隔离，本文采用电磁隔离，与光电隔离 相比，电磁隔离的线性度较好，根据试验数据显示，经过电磁隔离后的电压具有 良好地线性关系。采集的电压互感器的原边电压和经过采集电路处理后的电压进 行对比，其线性关系如下表1 1 所示 表1 1 电压采集线性关系 t a b 2 1 t h el i n e a d t yr e l a t i o n so f v o l t a g ec o l l e c t i o n 电压值d s p 的测量值 3 0 12 2 3 0 3 2 12 3 7 0 3 4 02 5 1 0 3 6 22 6 8 0 3 8 0 2 8 1 0 4 0 12 9 7 0 其电压信号采集电路如下图所示： 基于c a n 总线的船舶电站自动控制装置的设计 图2 2 电压采集电路图 f i g 2 2c i r c u i tf r a m eo f v o l t a g ec o l l e c t i o n 2 3 2 电流信号的采集 通过检测发电机电压和电流信号以及电压与电流的相角f ，并由公式 p u l c o s ( j 计算出各自的功率，从而实现船舶电站的调载均功功能。由于采集的 电流信号不能直接接入信号处理电路中，所以电流信号的检测需要先将电流信号 转化成电压信号后再进行进一步的处理，本文中经过c t 0 4 5 2 5 型精密电流互 感器采集转换后得到的电流信号与发电机电流信号相位一致。 该型电流互感器的特点是： ( 1 ) p b t 外壳，耐高温，耐腐蚀环氧树脂灌封，隔离性能好，抗冲击性强。 ( 2 ) 体积小，外形美观，安装方便，插针式直接焊接线路板。 ( 3 ) 线性好，精度高，线性范围宽，一致性好。具有很高的性价比等。 通过电流互感器我们可以将外部5 a 的电流变成2 5 m a 的电流信号，在副边输 出端接一个精密电阻构成闭合回路，其电阻的端电压与电流的波形一致，采集该 端电压就可以得到电流的相位和周期变化，从而实现电流的采样。电流互感器还 具有很好地隔离效果，可以隔离外部的大电流对采样电路的冲击。 因为采用一般的二极管整流电路会存在0 7 v 的压降，这对于采集到的电压信 号，其损失是巨大的，使得测量没有意义了。所以本文采用精密整流电路来对于 从电流互感器副端的电流信号转换来的电压信号进行整流，滤波和稳压处理，此 后才能得到有效的电压值。然后经过电阻分压后转换成峰值小于3 3 v 的正弦波电 压信号，再经过a d 出入阻抗后就可以送到d s p 的模拟输入端( a d c ) 中。 字鸯肇 一l j 第2 章船舶电站自动控制装置的硬件设计 其电流信号采集电路如图所示： 埠 1 j 矿衅毒半 土 2 3 3 频率信号的采集 图2 3 电流采集电路图 f i g 2 3c i r c u i tf r a m eo f c l l r r c r l tc o l l e c t i o n i n 频率检测的方法一般有两种：测频率法和测周期法。测频率法是测量单位对 间内频率信号的脉冲个数，从而求得频率f ，测频率法一般只是用于测量频率较高 的信号。 测周期法是在一个信号周期内记录下基准定时脉冲的个数，然后换算成频率 f o ，击 ( 2 1 ) 式中n 是基准定时脉冲的个数，t 是基准定时脉冲的周期，由( 2 2 ) 式分析 测量精度， 等1 【警+ 玛t 旺2 ， f。 1 同理时标订度误差坐一般可以忽略，频率测量误差主要来自基准定时脉冲的 技术误差盟n ，所以在被测频率较低的条件下，其引起的误差较小川。 本文采用测量周期法。具体测量方式为：将正弦波信号通过过零检测电路后 转化为方波信号，过零检测电路采用了低功耗，低失调电压比较器l m 3 3 9 ，该比 较器具有失调电流小，可单电源供电等优点。然后再用d s p 的捕捉脚( c a p x ) 捕 基于c a n 总线的船舶电站自动控制装置的设计 捉方波信号的上升沿，然后开始计数为t 1 ，当再次捕捉到上升沿后停止计数得到 计数值t 2 ，每次捕捉所用的时间为0 8 u s ，根据公式( t 2 t l r 0 8 u s = t ，从而计算出单 位周期的值t ，根据公式f = l f r 就可以计算出频率的值。 以下就是经过过零检测电路后的波性变化图： u 1 u 2 八、八八 vvvv 厂 厂 厂 厂 图2 4 过零检测电路的波形 f i g 2 4t h ew a v eo fc r o s s e st h ez e r oe x a m i n a t i o nc i r c u i t 频率采集信号电路图如下所示： 图2 5 频率采集电路图 f i g 2 5c i r c u i tf r a m eo ff r e q u e n c yc o l l e c t i o n 2 3 4 相位差信号的采集 相位差的检测主要为了计算功率因数，需要检测运行发电机的电压与同相电流 的相位差。计算功率因数的公式为： 第2 章船舶电站自动控制装置的硬件设计 s 驴- c o s ( 7 t h ) ，t 为时间差 ( 2 3 ) 具体方法是分别把两个从频率信号采集电路采集到的同频方波信号送到异或 门7 4 h c 8 6 中进行比较，再通过d s p 的捕捉脚c a p x 连续捕捉异或门输出波形信 号的上升沿和下降沿时刻，将两者的时间差再转化成角度，就可以获得相位差。 其波形变化如下图 v u v o t illllll t ii i li i | li ii ii 厂 图2 6 相位差波形 f i g 2 6 t h ew a v eo fp h a s i cd i f f e r e n c e 2 4 信号输出模块及其功能 本系统采用2 4 伏供电的继电器输出开关信号给主开关、调速器及柴油机从而 控制其相应的动作。每个系统电路板上共有1 3 个继电器输出电路，他们的功能包 括： ( 1 ) 给待并机启动信号； ( 2 ) 给待并机的停车信号； ( 3 ) 给运行机的加速信号； ( 4 ) 给待并机的减速信号； ( 5 ) 当给运行机的加速信号不能正常运行时，起用备用加速电路输出加速 信号。 ( 6 ) 当给待并机的减速信号不能正常运行时，起用备用减速电路输出减速 基于c a n 总线的船舶电站自动控制装置的设计 信号。 ( 7 ) 当发电机运行出现过载时，给集中监测系统发出过载报警信号。 ( 8 ) 在发电机过载时，系统给发电机发出相应的动作执行信号，实现一级 卸载和二级卸载。 ( 9 ) 当发电机出现逆功时，给报警系统发出逆功报警信号。 ( 1 0 ) 当发电机出现逆功时，发送主开关的分闸信号。 ( 1 1 ) 给主开关发出合闸信号。 ( 1 2 ) 给主开关发出分闸信号。 ( 1 3 ) 在这里还预留了一路备用的输出通道，当上面的某个信号不能正确输 出时，起用该路输出信号。 以下是继电器控制输出电路图，其中三极管为输出信号提供功率驱动，使继 电器工作： + 2 4 v = 图2 7 继电器输出电路 f i g 2 7 c i r c u i to fr e l a yo u t p u t 当d s p 给发电机发出控制指令时，为了确保通过继电器输出电路给出的信号 已经执行了相应的动作，我们采用了光耦反馈电路，在动作已经执行后反馈一个 信号给d s p ，一旦d s p 收到这个信号，系统就会确定相应动作已经正确执行。 2 5 控制屏电路及与电站自动控制装置之间的串口通信 本系统的控制屏采用单片机a t 8 9 s 5 2 驱动的液晶显示模块y m l 2 8 6 4 ，在 第2 章船舶电站自动控制装置的硬件设计 d s p t m s l f 2 4 0 7 和a t 8 9 s 5 2 之间采用串行通讯方式，将各个运行机组的各种参数， 包括电压值，电流值，有功功率和频率等送到液晶模块中显示；同时配备了4 x 4 的 键盘，操作人员通过键盘可以手动对d s p 进行操作，比如输入各种参数，发电机 组的起停等。控制屏系统的整体框图如下： 图2 8 控制屏整体结构 f i g 2 8t h ew h o l ef r a m eo f c o n t r o lw e n 2 5 1 串口通信电路 d s p t m s l f 2 4 0 7 和a t 8 9 s 5 2 都支持串行异步通讯。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 采用了高 性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗，而a t 8 9 s 5 2 采用的是1 t r l 电平。这就涉及到一个电平匹配的问题，本系统采用m a x 2 3 2 c e p e 进行电平转换。该器件包含2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供 t w e n 2 3 2 f 电平。该器件符合踟队2 3 2 f 标准，每一个接收器将 t i a e i a - 2 3 2 f 电平转换成5 vt h _ c m o s 电平。每一个发送器将t r i i c m o s 电平 转换成咖n 2 3 2 f 电平。d s p t m s l f 2 4 0 7 的第2 5 2 6 引脚分别为 s c i t x d s c i r x d 分别接在m a x 2 3 2 c e p e 的发送器和接收器的引脚上，这样就可 以将d s p 的c m o s 转换成t i a e i a - 2 3 2 f 电平。同样的道理，m a x 2 3 2 c e p e 也 可以将a t 8 9 s 5 2 的1 几电平转换成t w e i a - 2 3 2 f 电平。这样就解决了电平匹配 问题。 串口通信硬件电路如下： 基fc a n 总线的船舶电站自动控制装置的设计 图2 9 串口通信电路 f i g 2 9c i r c u i to fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n 2 5 2 控制屏电路 a t 8 9 s 5 2 对y m l 2 8 6 4 的控制都是通过i o 口进行的，控制屏接口电路如图所 不： 2 5 3 键盘接口电路 图2 1 0 控制屏接口电路 f i g 2 1 0c i r c u i to f c o n t r o ls c r e e ni n t e r f a c e 本系统采用4 x 4 矩阵式键盘，其硬件电路原理图如下图所示。p 1 0 p 1 3 代表 键盘的列，p 1 4 p 1 7 代表行，这样通过扫描p 11 3 的电平的改变情况，可以判断出 第2 章船舶电站自动控制装置的硬件设计 具体哪个按键被按下。 辩p b 图2 1 1 键盘电路原理图 f i g 2 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fk e y b o a r dc i r c u i t 2 6 c a n 通信模块 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片和c a n 总线接口的总线收发器采用德州仪器公司生产的 专用芯片s n 6 5 h v d 2 3 0 ，该器件以其较高的通讯速率、良好的抗电磁干扰能力可 实现高可靠性串行通信，因而在实际应用中具有极高的应用价值。但是，随着集 成技术的不断发展，为了节省功耗，缩小电路体积，些新型c a n 总线控制器的 逻辑电平均采用i m ，就需要与之相适应的总线收发器。t i 公司生产的 s n 6 5 h v d 2 3 0 型电路很好地解决了这个问题旧叫。 s n 6 5 h v d 2 3 0 的主要特点如下： ( 1 ) 完全兼容i s o l l 8 9 8 标准； ( 2 ) 高输入阻抗，允许1 2 0 个节点； ( 3 ) 低电流等待模式； ( 4 ) 信号传输速率最高可达； ( 5 ) 具有抗瞬间干扰，保护总线的功能； ( 6 ) 斜率控制，降低射频干扰( r f i ) ； ( 7 ) 差分接收器，具有抗宽范围的共模干扰，电磁干扰( e m i ) 能力。 基于c a n 总线的船舶电站自动控制装置的设计 s n 6 5 h v d 2 3 0 具有高速，斜率和等待控制3 种不同的工作模式。其工作模式 控制可通过r s 控制引脚来实现。有端口r s 通过跳线和一端接地的斜率电阻器连 接，用硬件方式可实现3 种工作模式的选择，其中斜率电阻器为o 1 0 0 k 的电位 器。v r s 为加在r s 引脚上的电压。其工作模式选择如下： 表2 2c a n 收发器工作模式 t a b 2 2w o r k i n gp a t l e mo fc a nt r a n s c e i v e r v r s 工作模式 v r s 0 7 5 v c c 等待模式 1 0 k 到1 0 0 k 接地斜率控制模式 v r s l v 高速模式 本文采用了斜率控制模式，在这种模式下可以减少因电平快速上升而引起的 电磁干扰。 s n 6 5 h v d 2 3 0 采用正逻辑控制方式，有接收和发送两种方式，具体控制逻辑 如下： 2 3c a n 收发器的控制逻辑 t a b 2 3c o n t r o ll o g i co fc a nt r a n s c e i v e r 发 送 接收 输入 i t s 输出总线输出 状态 差分输入 r s r d c a n hc a n l l 显性 v l n 0 9 v xl v r s 1 2 v hl 隐性 x hzz 0 5 v v i d o 9 v o p e n zz 隐性 v i d 0 5 v xh x v r s 0 7 5 v “ 隐性 o p e n xh zz 其中z 代表高阻态。? 表示未定状态，x 表示无关 第2 章船舶电站自动控制装置的硬件设计 s n 6 5 h v d 2 3 0 采用3 3 v 供电，可以直接与d s p 连接，并提供对总线的差动 发送和接收功能，c a n 总线之间需要使用一个合适的终端电阻连接。c a n 总线接 口部分的电路原理如图5 所示： r 1 6 山卜1f _ 仁= = ) _ r sv c c 廿m c a n h r ：a n t x c a n e d ：a n r v r e f 6 n d d s p 2 4 0 7 图2 1 2c a n 收发器接1 3 电路 f i g 2 1 2 i n t e r f a c ec i r c u i to fc a nt r a n s c e i v e r 2 7 电源模块 在本文中d s p 2 4 0 7 和c a n 收发器采用3 3 v 电压，其他器件都是采用+ 5 v 的 电压。所以设计了把外部的交流2 4 v 电压转化成+ 5 v 和+ 3 3 v 的稳定直流电源。 交流2 4 v 经过电容滤波和电阻限流后，采用输出电压固定的三端集成稳压器l 7 8 0 5 进行稳压。l 7 8 0 5 的特点是将调整器，取样放大器等环节集于一体，内部包含减流 式保护电路，过热保护电路，基本可以防止任何情况的过载。经7 8 0 5 稳压后电源 输出稳定的+ 5 v 直流电压。当输出稳定的+ 5 v 电压后，再通过芯片a m s l l l 7 3 3 可以把+ 5 v 电压转化为3 3 v 电压。 稳压电源电路图如下所示： 图2 1 3稳压电源 f i g 2 1 3v o l t a g e s t a b i l i z e de l e c t r i c a ls o u r 基于c a n 总线的船舶电站自动控制装置的设计 2 8 监控机的c a n 接口卡 2 8 1p c i 5 1 2 1 卡的特性“” p c i 5 1 2 1 智能c a n 接口卡是具有p c i 接口的高性b b c a n 总线通讯适配卡， 它使p c 机方便地连接到。悄总线上，实现c a n 2 0 b 协议的数据通讯。 p c i 5 1 2 1 卡支持w i n 9 8 m e 、w i n 2 0 0 0 x p 操作系统，支持一机多卡。 p c i - 5 1 2 1 卡采用d b 9 针型插座，符合d e v i c e n e t 和c a n o p e n 标准。 p c i 一5 1 2 1 卡自带光电隔离模块，使p c 机避免了由于地环流造成的损坏， 增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。 p c i - 5 1 2 1 卡直接插在p c 机的扩展槽上，p c 机自动为其分配内存地址和硬 件中断号，并将其作为标准内存进行读写，对数据的发送和接收方式比较灵活， 既可以采用查询方式、也可以采用中断方式。 p c i - 5 1 2 1 卡提供功能强大的接口函数库文件，用户可以对其捆绑自由发 放相应的驱动程序及应用程序文件。 2 8 2 硬件参数 ( 1 ) 外观 图2 1 4p c i 一5 1 2 1 智能c a n 接口卡 f i g 2 14 p c i - 5 1 2 1i n t e r f a c e 第2 章船舶电站自动控制装置的硬件设计 ( 2 ) 参数 p c 接口：3 2 位3 3 mp c i 数据总线，p c i 2 1 兼容，即插即用 板载数据存储器： 8 k bd u a lp o r tr a m c a n 控制器：p h i u p ss j a l 0 0 0 t c a n 收发器：p h i l i p sp c a 8 2 c 2 5 0 数据传送速率：c a n 通讯速率可编程范围在5 k b i 怕一1 m b i t s 内 c a n 协议：c a n2 0 b 规范( p e l i c a n ) ，兼容c a n2 0 a 规范 最高帧流量：每通道4 0 0 0 帧秒 光电隔离耐压：1 0 0 0 v d c 工作环境温度：0 * c 7 0 物理尺寸： 标准p c i ( 短卡1 3 0 m m 9 0 m m ) 注：p c i 5 1 2 1 智能c a n 接口卡具体性能指标与使用的计算机硬件配置及操 作系统紧密相关。 ( 2 ) d b 9 针型插座引脚定义 p c i 5 1 2 1 系列智能c a n 接口卡最多具有4 个c a n 通道，分别通过c z i 、c z 2 、 c z 3 、c z 4 与实际的c a n 网络进行连接。c z l 、c z 2 、c z 3 、c z 4 均为d b 9 针型插座 管脚信号定义如表5 1 所示。此管脚定义符合d e v i c e n e t 和c a n o p e n 标准。 表2 4c a n 连接器一d b 9 针型插座 t a b 2 4c a nl i n k e r - d b 9p i ns o c k e t 引脚号信号 功能 2 c a nl c a n _ l 信号线 7c a nhc a nh 信号线 3 、6g n d参考地 5 c a n s h i e l d 屏蔽线 1 、4 、8 、9 空未用 用户可以通过选 的d b 9 _ o p e n 5 转换器将c z l 、c z 2 、c z 3 、c z 4 的信号连接 基于c a n 总线的船舶电站自动控制装置的设计 至5 引脚的d e v i c e n e t 或c a n 0 p e n 网络。下面以连接至c a n o p e n 网络为例，介绍 o p e n 5 插座的输出信号，如下图所示。 c a nh 瓣蔽缝 c a n _ l 织移p ms # 2 0 7 c 臼也e i a 9 3 5 a , 娃犍融制 翁移p m8 # 2 9 7 c 鬣煎p m8 t , 4 2 6 c 图2 1 5d b 9 _ o p e n 5 连接器 f i g 2 1 5d b 9 _ o p e n 5l i n k e r 2 9 总结 本章具体介绍船舶电站自动控制装置的数据采集模块，包括电压，电流，频 率，相位差的信采集电路；并对继电器控制输出的硬件进行了设计；还设计了控 制屏系统以及它与船舶电站自动控制装置的串口通信的硬件电路；介绍了c a n 收 发器的特性，并以此设计了c a n 通讯的接口电路：还对监控机的c a n 接口卡进 行了说明。 第3 章c a n 总线技术及高层协议 第3 章c a n 总线技术及高层协议 3 1 简介 c a n 是控制器局部网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 的简称，是一种主要用于各种 设备检测及控制的网络。c a n 最初由德国b o s c h 公司为汽车的监测，控制系统而 设计的，具有独特的设计思想，良好的功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能 力强。c a n 总线采用的是一种多主方式串行通信协议，在有效支持分布式实时控 制的同时能保证高度的数据完整性，通信速度最高可达1 m b s ，通信距离可长达 1 0 k i n 。c a n 通信格式采用短帧格式，每帧字节数最多为8 个。信息根据优先级的 不同传送到多主方式串行总线上，采用总线仲裁计数和错误检测机制来保证数据 的完整性。通信介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤。 c a n 总线