基于can总线的三轴磁场监测系统设计

基于CAN总线的三轴磁场监测系统设计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CANCONTROLLERAREANETWORK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。1CAN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RS485无法比拟的。11CAN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130S，在这种情况下，CAN信息帧的最长阻塞时间为130S。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103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。12CAN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11013，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。21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CAN协议引擎用来为器件及其运行进行配置的控制逻辑和SRAM寄存器SPI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120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。22三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SENLSENL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SENL作磁探头。二、采用专用IC11096实现三轴数据采集PNI11096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。PNI11096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。在设计中，采用3VDC供电，RB取43电阻，01UF电容作用是稳定供电源，100K电阻为下拉电阻。PNI11096在MSP430F169MCU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。3CAN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