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電機綜合保護器的組成及通信子模塊設計

一、電機綜合保護器的基本組成

電機綜合保護器由兩大模塊組成：保護子模塊和通信子模塊。

    保護子模塊主要是根據各傳感器和外部檢測裝置輸入單片機的信號進(jìn)行處理、轉換、顯示以及驅動(dòng)控制,實(shí)現相應功能,達到保護電動(dòng)機和風(fēng)機目的。通信子模塊用于實(shí)現井下電機綜合保護器與地面上位機通風(fēng)監控系統的通信。

    保護子模塊采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89C52單片機作為核心控制器,調控處理各種檢測信息,并完成與CAN總線(xiàn)的接口。通信子模塊采用Philips公司生產(chǎn)的CAN獨立控制器SJA1000實(shí)現信息通訊。 

1 保護子模塊概述

    電機綜合保護器保護子模塊由微處理器和外圍I／O接口電路組成。

    微處理器的核心器件AT89C52是一款低壓、高性能CMOS 8位單片機,內含8 KB EPROM和256字節RAM;采用高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn);與標準MCS-51指令系統及8052產(chǎn)品引腳兼容;內置通用8位CPU和Flash存儲單元、32個(gè)可編程I／O口線(xiàn)、3個(gè)16位定時(shí)／計數器以及8個(gè)中斷源,適用于較為復雜的控制應用場(chǎng)合。

    電機綜合保護器能對一臺風(fēng)機的4個(gè)驅動(dòng)電機的缺相、短路、過(guò)載、漏電故障進(jìn)行綜合保護。風(fēng)機共有兩臺,一臺主風(fēng)機,一臺備用風(fēng)機。風(fēng)機風(fēng)量等級共有4級,每臺風(fēng)機的風(fēng)速等級由4臺電機高、低速運行的不同組合控制,其中3臺電機是雙速電機,即高速和低速兩種運行模式,另一臺電機是單速電機。風(fēng)速等級如表1所示。瓦斯濃度不同,則啟動(dòng)不同的風(fēng)速等級。當電機發(fā)生故障或達到風(fēng)機倒換時(shí)間,則啟動(dòng)備用風(fēng)機。根據保護器的要求及其在井下工作的特點(diǎn),本綜合保護器實(shí)現的主要功能見(jiàn)圖1。 
 
2 通信子模塊概述

    通信子模塊采用的控制器是SJA1000 CAN總線(xiàn)控制器。SJA1000支持CAN2.0B通信協(xié)議,它與僅支持CAN2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件上和軟件上完全兼容,并在其基礎上增加了新的功能：標準幀數據結構和擴展幀數據結構,并且這兩種幀格式都具有單／雙接收過(guò)濾器;64字節的接收FI-FO;可讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的錯誤計數器和錯誤限制報警,以及只聽(tīng)方式等。在系統設計中,SJA000的內部寄存器作為AT89C52的片外寄存器,AT89C52和SJA1000之間狀態(tài)、控制和數據的交換都是通過(guò)SJA1000在復位模式或工作模式下對這些寄存器的讀寫(xiě)操作完成的。

二、通信子模塊設計

1 通信子模塊硬件設計

    通信子模塊用于完成電機保護器和上位監控機之間的信息傳送,對下位機的運行狀況和故障信息等及時(shí)做出相應的反映,保證井下風(fēng)機正常運行。采用應用最廣泛的CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。CAN總線(xiàn)接口模塊以AT89C52單片機作為處理核心器件,PC82C250為總線(xiàn)收發(fā)器,采用SJA1000作為總線(xiàn)控制器。整個(gè)模塊有較強的可擴展性和較好的通用性。SJA1000是應用于汽車(chē)和一般工業(yè)環(huán)境的獨立CAN總線(xiàn)控制器,通常位于微處理器MCS51系列單片機和CAN總線(xiàn)接口器件PC82C250之間,具有CAN通信協(xié)議所要求的全部特性。其接口電路如圖2所示。

 
    PCA82C250是Philips公司的CAN控制器和物理總線(xiàn)之間接口,可提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收能力,支持多達110個(gè)節點(diǎn)相連接。它具有三種不同的工作方式：高速、備用和斜率控制,一般采用斜率控制方式。

    為了進(jìn)一步提高系統的抗干擾性,在控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250之間增加了由高速隔離器件6N137構成的隔離電路。

    CAN總線(xiàn)兩端的兩只124Ω的電阻對于匹配總線(xiàn)阻抗具有相當重要的作用。若忽略不計。會(huì )使數據通信的抗干擾性及可靠性大大降低。甚至無(wú)法通信。由于CAN總線(xiàn)利用雙絞線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸,也受外界干擾。因此可充分利用接收器的高共模抑制性能提高通信的抗干擾性,但必須在雙絞線(xiàn)兩端連接匹配電阻來(lái)消除長(cháng)距離線(xiàn)反射所引起的干擾。匹配電阻R與雙絞線(xiàn)特性阻抗Z的關(guān)系為： 
R=Z／2 (1) 電機綜合保護器中雙絞線(xiàn)特性阻抗為248Ω左右,所以R為124Ω。

    PCA82C250的8引腳RS與地之間的電阻為斜率電阻。在波特率較低的情況下,一般采用斜率控制方式,上升及下降的斜率取決于阻值,經(jīng)過(guò)實(shí)驗,一般取值介于20Ω和200 kΩ之間,使用雙絞線(xiàn)作為總線(xiàn)。

    在總線(xiàn)接口模塊設計中,應注意電源電壓與地信號之間的隔離。圖2給出的接口電路采用了2種不同電源+5 V和+5 VA,其中,+5 V用于為SJA1000輸出驅動(dòng)器及6N137一側供電,+5 VA用于為總線(xiàn)收發(fā)器PCA82C250及6N137另一側供電。與電源對應,有2組不同的地,AGND和單片機地。采用電源隔離模塊實(shí)現電源的完全隔離,否則光電耦合失去隔離作用。本綜合保護器采用B0505S-1W電源隔離模塊實(shí)現電源隔離。

    一旦有故障產(chǎn)生,則向上位機發(fā)送故障信息的中斷請求,響應中斷后通過(guò)CAN總線(xiàn)向上位機發(fā)送故障信息。同理,當上位機查詢(xún)故障信息時(shí),可向下位機發(fā)送請求信息,下位機從CAN總線(xiàn)上接收報文后,則按要求將所要信息傳送到上位機。根據具體要傳送的數據信息和CAN總線(xiàn)的通信要求制定相應的通信協(xié)議。

2 通信軟件設計

    CAN總線(xiàn)通信的軟件設計主要包括CAN的初始化程序、報文發(fā)送程序和報文接收程序等。在Basic CAN模式下,CAN初始化必須在復位模式下進(jìn)行,所作的工作主要是設置時(shí)鐘分頻寄存器CDR、認可碼寄存器ACR與認可碼屏蔽寄存器AMR、總線(xiàn)定時(shí)寄存器BTR0和BTR1、輸出控制寄存器OCR。

    根據課題要求,可以得出初始化后各寄存器所賦初值：CDR為0x08H;應用系統節點(diǎn)只接收ID(標志符)高八位為"10101010"的消息,認可碼屏蔽寄存器不屏蔽,所以ACR=0xaaH,AMR=0x00H;系統中晶體頻率為16 MHz,波特率預設值BRP=9,算出系統波特率為100 kb／s,BTRO=0C9H,BTR1=0A3H;位序流在正常輸出模式下輸出,采用上拉驅動(dòng)方式,則OCR=0xAA。SJA1000初始化流程如圖3所示。 

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