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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(jì)

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(cè)裝置輸入單片機(jī)的信號(hào)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換、顯示以及驅(qū)動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能,達(dá)到保護(hù)電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)目的。通信子模塊用于實(shí)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(cè)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(dú)立控制器SJA1000實(shí)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(chǔ)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(chǔ)單元、32個(gè)可編程I／O口線(xiàn)、3個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器以及8個(gè)中斷源,適用于較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場(chǎng)合。

    電機(jī)綜合保護(hù)器能對(duì)一臺(tái)風(fēng)機(jī)的4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的缺相、短路、過(guò)載、漏電故障進(jìn)行綜合保護(hù)。風(fēng)機(jī)共有兩臺(tái),一臺(tái)主風(fēng)機(jī),一臺(tái)備用風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)風(fēng)量等級(jí)共有4級(jí),每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速等級(jí)由4臺(tái)電機(jī)高、低速運(yùn)行的不同組合控制,其中3臺(tái)電機(jī)是雙速電機(jī),即高速和低速兩種運(yùn)行模式,另一臺(tái)電機(jī)是單速電機(jī)。風(fēng)速等級(jí)如表1所示。瓦斯?jié)舛炔煌?則啟動(dòng)不同的風(fēng)速等級(jí)。當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障或達(dá)到風(fēng)機(jī)倒換時(shí)間,則啟動(dòng)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(diǎn),本綜合保護(hù)器實(shí)現(xiàn)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(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(guò)濾器;64字節(jié)的接收FI-FO;可讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和錯(cuò)誤限制報(bào)警,以及只聽(tīng)方式等。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)SJA1000在復(fù)位模式或工作模式下對(duì)這些寄存器的讀寫(xiě)操作完成的。

二、通信子模塊設(shè)計(jì)

1 通信子模塊硬件設(shè)計(jì)

    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(duì)下位機(jī)的運(yùn)行狀況和故障信息等及時(shí)做出相應(yīng)的反映,保證井下風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。采用應(yīng)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(jī)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(qiáng)的可擴(kuò)展性和較好的通用性。SJA1000是應(yīng)用于汽車(chē)和一般工業(yè)環(huán)境的獨(dú)立CAN總線(xiàn)控制器,通常位于微處理器MCS51系列單片機(jī)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(duì)總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收能力,支持多達(dá)110個(gè)節(jié)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(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(xiàn)兩端的兩只124Ω的電阻對(duì)于匹配總線(xiàn)阻抗具有相當(dāng)重要的作用。若忽略不計(jì)。會(huì)使數(shù)據(jù)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(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(xiàn)兩端連接匹配電阻來(lái)消除長(zhǎng)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(jī)綜合保護(hù)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(yàn),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(shè)計(jì)中,應(yīng)注意電源電壓與地信號(hào)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(dòng)器及6N137一側(cè)供電,+5 VA用于為總線(xiàn)收發(fā)器PCA82C250及6N137另一側(cè)供電。與電源對(duì)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(shí)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(shí)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(qǐng)求,響應(yīng)中斷后通過(guò)CAN總線(xiàn)向上位機(jī)發(fā)送故障信息。同理,當(dāng)上位機(jī)查詢(xún)故障信息時(shí),可向下位機(jī)發(fā)送請(qǐng)求信息,下位機(jī)從CAN總線(xiàn)上接收?qǐng)?bào)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(xiàn)的通信要求制定相應(yīng)的通信協(xié)議。

2 通信軟件設(shè)計(jì)

    CAN總線(xiàn)通信的軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN的初始化程序、報(bào)文發(fā)送程序和報(bào)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(shí)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(xiàn)定時(shí)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(diǎn)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(dòng)方式,則OCR=0xAA。SJA1000初始化流程如圖3所示。 

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