基于CAN总线的小水电多功能自动化装置的研发

1、    基于CAN总线的小水电多功能自动化装置的研发摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大器-电容(OTAC)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为126 MHz，阻带抑制率大于35 dB，带内波纹小于05 dB，采用18 V电源，TSMC 018m CMOS工艺库仿真，功耗小于21 mW，频响曲线接近理想状态。关键词：Butte1引言目前我国众多小水电站的自动化水平落后，机电设备陈旧老化，安全事故频

2、繁，自动控制系统的运行需要多人值班，进行设备的维护及事故处理，严重影响小水电的经济效益。近几年，多数小水电站要求进行自动化设备的技术改造，提高测控技术水平，降低事故率，提出尽可能少人值班或无人值班的要求。总线技术的发展及应用，为解决以上问题带来方便。采用高速现场总线技术CAN总线，可将小水电站多种测控系统的功能要求进行模块化多功能集中设计，构成基于CAN总线的小水电多功能一体测控装置。2小水电站测控系统的特点及CAN总线的确定2.1小水电站测控系统的特点小水电站的测控系统主要有发电机组保护、转速测控、温度巡检、综合测控、同期控制、顺序控制、人机对话、通讯等。小水电站自动化与大水电站比较，其自动

3、测控要求相对简单，如果直接套用大水电站自动控制方案及设备配置，则会造成模式复杂、成本高、设备占用空间大、功能浪费严重等问题。针对小水电站自动测控系统的特点，将所需的多种不同测控系统进行模块式一体化设计，功能模块间采用总线技术连接，一体机独立运作，简化安装及操作，将是最佳方案。2.2 CAN总线的特点和通信协议目前应用比较广泛的几种现场总线有CAN、HART、Profibus、Lonworks等。而在这些总线中， CAN总线以其极高的性能、可靠性及其独特的设计越来越受到人们的重视，成为最有前途的现场总线之一。CAN（Control Area Network）即控制局域网络，是一种具有高可靠性、有

4、效支持分布式控制或实时控制的现场总线网络,最初由德国Bosch公司推出，为解决汽车中传感器与执行装置之间的数据交换而开发的，特别适合工业过程监控设备的互联，其应用范围已遍及工业控制自动化、汽车自动化、机械工业、楼宇自动化等领域。（1） CAN总线的有关特点与其他现场总线相比，针对多功能测控装置的研发要求，CAN总线具有独特的设计思想：【1】【2】s 多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。这一特点使装置内部的各模块节点都可以主动发送信息，并且没有时间限制，通讯的实时性好。s 采用非破坏性总线仲裁技术，从而大大节省了

5、总线冲突仲裁时间。这一特点使装置内部的各模块节点的通讯快速可靠。s 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送数据。根据这一特点，装置内部的各模块节点的通讯方式可以多样化，比如，对时可以采用广播的方式。s CAN 网上的节点数目前可达 110 个；报文标识符可达 2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。因此，采用CAN2.0B标准可以解决各模块节点通讯时报文量大的问题。s 采用短帧数据格式，传输时间短，抗干扰能力强，检错效果好。s 每帧信息都有CRC校验，数据通信的可靠性强。s 

6、;通信节点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能,脱离网络，而不会影响其他节点的操作。（2） CAN总线的通信协议CAN总线的报文传送由4种不同类型的帧表示和控制：【3】数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。数据帧和远程帧可使用标准帧格式和扩展帧格式。数据帧自一个发送节点携带数据至一个或多个接收节点，它由帧起始、仲裁场、控制场、数据场、校验场、应答场和帧结束组成。标准帧的仲裁场由11位标识符和远程发送请求位RTR组成。扩展帧的仲裁场由29位标识符和替代远程请求SRR位、标志位IDE和远程发送请求位RTR组成。远程帧没有数据场，由帧起始、仲裁场、控制场、CRC 场、应答场、帧结束组成。CAN 网络上的

7、一个接收节点可以通过向网络上发一个远程帧来启动数据传输，用标识符寻址数据发送源节点，且置相应帧的 RTR 位为“1”。标识符作为报文的名称，在仲裁期间，它首先被送到总线。在接收器的验收判断中和仲裁过程确定访问优先权中都要用到。远程发送请求位（RTR）用来确定是发送远程帧还是数据帧，当RTR为高电平时，CAN控制器发送远程帧，为低电平时则发送数据帧。3 CAN总线在小水电多功能自动化装置中的应用采用CAN总线开发集多种功能于一体的自动测控装置，可提高我国小水电综合自动化的水平。开发的测控装置采用面向对象的设计思想和按功能模块设计的方法，可以实现机组保护、转速测控、温度巡检、电量采集、非电量采集、

8、同期控制、顺序控制、人机交互和通讯等功能。在装置内部设置七个CPU模块，分别用于综合测控、自动准同期、面板显示、通讯管理、PLC顺控、光字牌显示与语音报警、发变组保护。各模块采用高速现场总线CAN相连，完成生产过程控制、设备状态监测、设备参数整定、运行参数监视、装置自诊断故障显示等功能，各CPU模块的CAN通讯结构图如图1所示。3.1 主控制器的硬件选型主控制器选用MOTOROLA公司推出的高性价比DSP数字信号处理器DSP56F807，主控芯片的选择取决于小水电测控装置的功能要求。小水电测控装置采用多CPU的硬件模式，各主要功能模块由独立的控制芯片来完成。其中，很多功能的实现都要求有很高的实

9、时性，例如其中准同期功能的合闸时机捕捉、发电机保护的动作出口等等，并且装置中的电量采集等需要用到傅氏算法，运算量非常大，所以主控制器需要选用运算速度快、抗干扰性能好的CPU芯片，而DSP56F807正是一款具有上述优点的主控芯片。DSP56F807【4】具有多总线和流水线结构，指令的执行速率快，并且DSP内部有硬件乘法器，可以在一个指令周期内完成乘法，运算速度快。装置内部的各CPU模块采用CAN总线通讯，而DSP芯片上就集成了控制器局域网模块CAN2.0A/B，因此不需要另外配置专门的CAN总线芯片，降低成本，简化硬件电路，这也是主控制器选用DSP56F807的另一原因。通过DSP芯片自带的CAN控制模块MSCAN，在硬件上可以很方便地将CAN总线上的各节点互连，实现总线不出芯片。由于CAN控制器必须通过CAN驱动芯片才能与CAN总线相连，所以选用PHILIPS公司生产的CAN总线收发器82C250作为CAN驱动芯片，DSP与82C250的连线图