DeviceNet是20世紀90年代中期發展起來的一種現場總線,物理層和數據鏈路層采用CAN技術,是一種應用于底層工業設備互聯的總線。它具有效率高、成本低和可靠性高的優點,目前已成為工業自動化領域的標準網絡之一。將DeviceNet總線接口集成到控制器'>控制器中,實現控制器'>控制器與控制網絡通信,是控制器發展的一個重要趨勢。現在國內生產的低壓斷路器'>斷路器控制器與控制網絡通信一般采用自定義協議,存在通信可靠性低、互換性差等缺點,鑒于此,本文設計了一種基于DeviceNet協議的新型低壓斷路器'>斷路器智能'>智能控制器。
1智能'>智能控制器功能
該低壓斷路器智能控制器主要實現2個功能:一是采樣線路的電流、電壓信號,并對信號處理后輸出相應的保護動作;二是實現與DeviceNet網絡節點之間的通信。因此,按功能分析,智能控制器包括2個部分:控制模塊和通信模塊。控制模塊主要實現信號采集、保護判斷、保護動作等功能。通信模塊即DeviceNet通信接口,主要完成與DeviceNet網絡節點之間顯性報文和I/O報文的交換。該控制器是一個從設備,它與外部交互的數據有2種:一種是從DeviceNet網絡上接收的數據,該數據必須是針對本設備的,不是針對本設備的數據不接收;一種是本設備根據請求向DeviceNet網絡上發送的數據,該數據必須符合DeviceNet協議,這也是最后產品測試的主要部分[1]。
2硬件設計
該智能控制器硬件主要由DSP及外圍電路構成的最小系統、控制模塊和通信模塊3個部分組成,如圖1所示。
2.1DSP及外圍電路構成的最小系統
DSP及外圍電路構成的最小系統有電源電路、復位電路、JTAG仿真電路、時鐘電路。DSP選用TMS320LF2407,它是一款高性能的定點16位DSP芯片,時鐘頻率最高可達40MHz,從而提高了控制器的實時控制能力;片內有高達32KB的FLASH程序存儲器、高達1.5KB的數據/程序RAM、544B的雙口RAM和2KB的單口RAM,可以不用外擴存儲器;內置看門狗定時器模塊、16通道10位A/D轉換器(最小轉換時間為500ns)、控制器局域網絡(CAN)模塊,完全支持CAN2.0B[2]。
2.2控制模塊
控制模塊由信號采樣調理電路、鍵盤電路、液晶顯示電路、輸出控制脫扣器電路等組成。
(1)信號采樣調理電路
信號采樣調理電路主要通過電壓、電流互感器采樣斷路器所在線路的電壓和電流信號,送到TMS320IF2407的A/D口,如圖2所示,由于TMS320IF2407的工作電壓是0～3.3V,因此需要對采樣信號進行預處理。電壓和電流采樣信號為6路模擬量,包括線路的3個線電流和3個線電壓。
LM324設計成運算放大器,調節放大倍數可以調節輸入信號的幅值;同時加入基準電壓,通過調節電位器可以調節輸入信號的零點,從而可得到比較理想的輸入信號。信號在接入TMS320LF2407之前應進行電容濾波和二極管限壓。
(2)鍵盤電路
鍵盤電路除實現電流、電壓等參數設置外,同時還可對DeviceNet節點地址和通信波特率進行設置。節點地址范圍是0～63MACID,通信波特率為125kbit/s、250kbit/s、500kbit/s三種。
(3)液晶顯示電路
液晶顯示電路采用液晶顯示模塊OCMJ4X8C實現,它是128×64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊,可顯示漢字及圖形,內置8192個中文漢字(16×16點陣)、128個字符(8×16點陣)、64×256點陣顯示RAM(GDRAM)及ST7920控制器'>控制器。
(4)輸出控制脫扣器電路
輸出控制脫扣器電路如圖3所示,其作用是出現故障時,控制器'>控制器輸出控制信號驅動脫扣器動作,切除故障電路。控制原理是每2ms采樣一次線路的電流和電壓,根據采樣值判斷保護是否動作,若出現斷相、短路和漏電故障,則立即切斷電路;若出現過流、過壓和欠壓故障,將采樣的電流值和電壓值與設定值比較,從而得出延時時間值,延時時間到則保護動作。在開關量輸出通道中,為防止現場強電磁干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到測控系統,一般采用光電隔離技術,可以有效地隔離電信號,提高抗干擾性。
2.3通信模塊
TMS320LF2407芯片內置CAN控制器模塊,外圍電路只需連接收發器即可。CAN控制器模塊是一個完全的CAN控制器,是一個16位的外設模塊,有以下特性1)完全支持CAN2.0B協議;(2)有6個郵箱;(3)當發送時出現錯誤或仲裁時丟失數據,CAN控制器有自動重發功能;(4)總線錯誤診斷功能。
筆者在設計硬件電路時將CAN控制器的2個引腳CANRXD和CANTXD通過高速光電耦合器6N137接到收發器PCA82C250上,即可實現向上位機發送和接收數據的功能。CAN接口電路如圖4所示。
3軟件設計
智能'>智能控制器'>控制器軟件主要由控制程序和通信接口程序組成。控制程序實現數據采集、液晶顯示、輸出控制、鍵盤操作和狀態指示。
通信程序則完成與其它DeviceNet節點的通信。軟件采用模塊化設計,單個功能獨立調試,全部完成后放在一起聯調,具有設計明確、調試方便的優點。
3.1控制程序設計
控制程序主要包括主循環程序、A/D采樣中斷程序2個部分。主循環程序以循環掃描的方式實現通信處理、保護算法、濾波算法、有效值計算、LCD顯示、鍵盤處理等功能,其流程如圖5所示,系統初始化后,首先進行上電MACID檢測,進入主循環,然后進行鍵盤操作判斷,再執行其它的功能程序。為了保證A/D采樣的實時性,A/D采樣程序采用定時器中斷的方法實現。定時器中斷程序采用事件管理器A中的定時器2,定時器2定時時間到就觸發A/D采樣,設置A/D的采樣間隔為2ms。程序除了實現A/D采樣和轉換外,還能實現斷相、短路和漏電瞬動保護[3]。A/D采樣中斷程序如圖6所示。
3.2通信接口程序設計
根據該智能'>智能控制器'>控制器的I/O數據應用特點和DeviceNet協議要求,確定通信接口的DeviceNet設備屬于DeviceNetGroup2Only從設備,采用Predefine的通信連接,支持I/O輪詢報文和顯性報文。因為是一個從設備,除了進行上電MACID檢測外,它不會主動向網絡上發送數據,而只會根據接收的數據請求發送相應的數據響應。由于主設備發送的請求是無法預知的,提高軟件執行效率的最好方法就是采用事件驅動方式,事件由外部中斷或程序內部產生。通信程序主要由2個部分組成:一是收發網絡上的數據,二是處理接收的數據并發送響應數據[4]。
(1)智能控制器的對象模型eviceNet協議采用對象的概念和面向對象的方法組織設備內外部的數據信息和通信功能。其中標識對象、路由器對象和DeviceNet對象是每個DevcieNet設備都必須包括的對象。下面的連接對象、組合對象和斷路器'>斷路器應用對象是針對本設備設計的對象。連接對象包括2個實例:顯性報文連接對象和I/O輪詢連接對象。斷路器'>斷路器應用對象提供斷路器專有的信息接口,完成斷路器的控制功能。組合對象包括2個對象實例:輸入組合對象負責將來自斷路器應用對象的數據打包、處理并封裝,供I/O輪詢連接對象使用;輸出組合對象將來自I/O輪詢連接對象要向斷路器應用對象發送的數據解包、處理并封裝,供應用對象使用。
采用的對象模型如圖7所示。
(2)報文的接收:采用CAN通信中斷方式。CAN控制器'>控制器的每個郵箱都有標識符,根據標識符給郵箱分配某一類報文。本文中0～3號郵箱分別接收顯性報文、輪詢I/O報文、非連接顯性報文和重復檢測報文。郵箱5處理公共數據報文發送。CAN接收中斷程序流程如圖8所示。
CAN接收中斷程序是當發生CAN通信中斷時將郵箱接收的報文存入一個臨時緩沖區,置位相應的接收標志位。該緩沖區作為上層協議處理和下層數據收發的接口。每一種報文的接收處理程序將緩沖區的數據拷貝到相應的報文接收緩沖區,并置位相應的報文接收標志位。對于分段報文,當所有的報文接收完畢后,置位相應的報文接收標志。主程序中查詢該報文接收標志位,當該報文接收標志位置1時進行相應的報文處理。
(3)報文的處理
顯性報文主要用于節點配置時主站讀取和設置斷路器'>斷路器控制器'>控制器從站的電壓、電流等對象實例屬性。所以對顯性報文的處理過程是收到顯性報文后,首先讀取路徑并路由到目的地,讀取相應的服務代碼,如果支持則采取相應的動作(設置屬性、讀取屬性或復位),并將響應數據放到發送緩沖區,置位請求發送標志位;如果不支持,就將錯誤代碼和附加代碼放到發送緩沖區,置位請求發送標志位。對I/O報文的處理:如果輪詢還未建立,智能'>智能控制器節點將不接收主站發送來的輪詢命令;如果輪詢處于已建立狀態,智能'>智能控制器節點將接收該輪詢命令,并將它作為一個觸發事件,然后將組合對象實例的數據屬性值作為輪詢響應數據發送出去。
(4)報文的發送
報文的發送主要用于發送響應數據。報文的發送過程是主程序檢測郵箱5(郵箱5為發送郵箱)鎖存標志位是否為0,如果為0,將數據從發送緩沖區轉移到郵箱5;當轉移完畢后,置位郵箱5的鎖存標志位并設置數據長度,當發送的數據大于8B時,要執行分段發送;然后請求發送報文,發送完畢后將發送請求標志位清0[5]。
4一致性檢測
在完成以上的設計工作后,該智能控制器需要通過ODVA的協議兼容性測試,以確保產品的協議完整性、互操作性和互換性。首先搭建一致性測試平臺,測試平臺主要有1套SST公司DeviceNet調試環境、2臺計算機、DeviceNet接口卡———5136-DN,測試軟件是ODVA提供的A15版本。協議的一致性測試結果可以看最終生成的log文件,因為測試過程中日志文件記錄了報文的交換信息,圖9為一致性測試結果圖。從圖9可以看出,該智能控制器通過了DeviceNet一致性軟件測試。
本文在網絡互操作性測試中互連的DeviceNet設備有5個,測試結果如下1)將該智能控制器連接到網絡中,測試過程一切正常。(2)設置2個智能控制器的MACID相同,將它們接入控制網絡,發現后接入的控制器網絡指示燈變成紅色,表明發生網絡沖突。(3)將智能控制器和其它DeviceNet設備接入網絡,測試一段時間,沒有發生異常情況。
5結語
DeviceNet總線在工業生產中的應用越來越廣泛,開發具有DeviceNet總線接口的控制器有很好的通用性。本文介紹的基于DeviceNet協議的新型低壓斷路器'>斷路器智能控制器不僅實現了斷相、短路和漏電故障的瞬時保護,還實現了DeviceNet總線通信。實驗運行結果表明,該智能控制器具有保護功能完善、性能可靠和操作方便等特點,有很大的市場推廣價值。
滬公網安備31010802001143號
