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電機(jī)綜合保護(hù)器的組成及通信子模塊設(shè)計

一、電機(jī)綜合保護(hù)器的基本組成

電機(jī)綜合保護(hù)器由兩大模塊組成：保護(hù)子模塊和通信子模塊。

    保護(hù)子模塊主要是根據(jù)各傳感器和外部檢測裝置輸入單片機(jī)的信號進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換、顯示以及驅(qū)動控制,實現(xiàn)相應(yīng)功能,達(dá)到保護(hù)電動機(jī)和風(fēng)機(jī)目的。通信子模塊用于實現(xiàn)井下電機(jī)綜合保護(hù)器與地面上位機(jī)通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的通信。

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

1 保護(hù)子模塊概述

    電機(jī)綜合保護(hù)器保護(hù)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(jī),內(nèi)含8 KB EPROM和256字節(jié)RAM;采用高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn);與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容;內(nèi)置通用8位CPU和Flash存儲單元、32個可編程I／O口線、3個16位定時／計數(shù)器以及8個中斷源,適用于較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場合。

    電機(jī)綜合保護(hù)器能對一臺風(fēng)機(jī)的4個驅(qū)動電機(jī)的缺相、短路、過載、漏電故障進(jìn)行綜合保護(hù)。風(fēng)機(jī)共有兩臺,一臺主風(fēng)機(jī),一臺備用風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)風(fēng)量等級共有4級,每臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)速等級由4臺電機(jī)高、低速運行的不同組合控制,其中3臺電機(jī)是雙速電機(jī),即高速和低速兩種運行模式,另一臺電機(jī)是單速電機(jī)。風(fēng)速等級如表1所示。瓦斯?jié)舛炔煌?則啟動不同的風(fēng)速等級。當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障或達(dá)到風(fēng)機(jī)倒換時間,則啟動備用風(fēng)機(jī)。根據(jù)保護(hù)器的要求及其在井下工作的特點,本綜合保護(hù)器實現(xiàn)的主要功能見圖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(chǔ)上增加了新的功能：標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并且這兩種幀格式都具有單／雙接收過濾器;64字節(jié)的接收FI-FO;可讀寫訪問的錯誤計數(shù)器和錯誤限制報警,以及只聽方式等。在系統(tǒng)設(shè)計中,SJA000的內(nèi)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(shù)據(jù)的交換都是通過SJA1000在復(fù)位模式或工作模式下對這些寄存器的讀寫操作完成的。

二、通信子模塊設(shè)計

1 通信子模塊硬件設(shè)計

    通信子模塊用于完成電機(jī)保護(hù)器和上位監(jiān)控機(jī)之間的信息傳送,對下位機(jī)的運行狀況和故障信息等及時做出相應(yīng)的反映,保證井下風(fēng)機(jī)正常運行。采用應(yīng)用最廣泛的CAN總線進(jìn)行通信。CAN總線接口模塊以AT89C52單片機(jī)作為處理核心器件,PC82C250為總線收發(fā)器,采用SJA1000作為總線控制器。整個模塊有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和較好的通用性。SJA1000是應(yīng)用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨立CAN總線控制器,通常位于微處理器MCS51系列單片機(jī)和CAN總線接口器件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控制器和物理總線之間接口,可提供對總線的差動發(fā)送和接收能力,支持多達(dá)110個節(jié)點相連接。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(tǒng)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(gòu)成的隔離電路。

    CAN總線兩端的兩只124Ω的電阻對于匹配總線阻抗具有相當(dāng)重要的作用。若忽略不計。會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低。甚至無法通信。由于CAN總線利用雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)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,但必須在雙絞線兩端連接匹配電阻來消除長距離線反射所引起的干擾。匹配電阻R與雙絞線特性阻抗Z的關(guān)系為： 
R=Z／2 (1) 電機(jī)綜合保護(hù)器中雙絞線特性阻抗為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)過實驗,一般取值介于20Ω和200 kΩ之間,使用雙絞線作為總線。

    在總線接口模塊設(shè)計中,應(yīng)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(qū)動器及6N137一側(cè)供電,+5 VA用于為總線收發(fā)器PCA82C250及6N137另一側(cè)供電。與電源對應(yīng),有2組不同的地,AGND和單片機(jī)地。采用電源隔離模塊實現(xiàn)電源的完全隔離,否則光電耦合失去隔離作用。本綜合保護(hù)器采用B0505S-1W電源隔離模塊實現(xiàn)電源隔離。

    一旦有故障產(chǎn)生,則向上位機(jī)發(fā)送故障信息的中斷請求,響應(yīng)中斷后通過CAN總線向上位機(jī)發(fā)送故障信息。同理,當(dāng)上位機(jī)查詢故障信息時,可向下位機(jī)發(fā)送請求信息,下位機(jī)從CAN總線上接收報文后,則按要求將所要信息傳送到上位機(jī)。根據(jù)具體要傳送的數(shù)據(jù)信息和CAN總線的通信要求制定相應(yīng)的通信協(xié)議。

2 通信軟件設(shè)計

    CAN總線通信的軟件設(shè)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(fù)位模式下進(jìn)行,所作的工作主要是設(shè)置時鐘分頻寄存器CDR、認(rèn)可碼寄存器ACR與認(rèn)可碼屏蔽寄存器AMR、總線定時寄存器BTR0和BTR1、輸出控制寄存器OCR。

    根據(jù)課題要求,可以得出初始化后各寄存器所賦初值：CDR為0x08H;應(yīng)用系統(tǒng)節(jié)點只接收ID(標(biāo)志符)高八位為"10101010"的消息,認(rèn)可碼屏蔽寄存器不屏蔽,所以ACR=0xaaH,AMR=0x00H;系統(tǒng)中晶體頻率為16 MHz,波特率預(yù)設(shè)值BRP=9,算出系統(tǒng)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(qū)動方式,則OCR=0xAA。SJA1000初始化流程如圖3所示。 

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