1  引言
隨著我國航運及造船業的的蓬勃發展,對船舶自動化、信息化水平的要求越來越高。但是,目前我國船舶配電網絡自動化監控水平卻較低。一些重要單元如配電開關柜等均是通過控制電纜將系統電壓、支路電流、開關狀態量傳送到集中監控臺,由集中監控臺統一實現保護控制功能[1]。不僅需要消耗大量電纜,給施工和維護帶來極大不便,并且所有數據采集、處理、保護控制都集中由監控臺完成。如果配電網絡的結構復雜,需要監控的單元很多,僅完成采集功能就將占用集中監控臺大量的硬件資源和軟件資源,如想有效地實施控制及保護將非常困難,控制任務較復雜時實時性較差。
網絡通訊技術的發展使得配電自動化技術得到了空前發展?，F場總線控制系統采用了智能現場設備,使得監控功能進一步下放,實現了徹底的分散控制。目前最常用的現場總線為CAN總線,CAN總線以可靠性高、成本低、應用靈活等諸多優點,已廣泛應用于智能通信網絡中,但收發器驅動能力的限制不適合遠距離數據傳輸及遠程控制。而以太網技術成熟、通信速度快、軟硬件產品豐富和外圍技術支持全面,可以利用網絡進行遠距離通信,但在工業控制中仍然存在部分問題尚未解決[2]。結合CAN總線與以太網自身的優缺點,本文研究了適用于船舶監控系統基于雙CAN總線與以太網的現場監控模塊,該模塊可安裝于配電開關柜內,能夠就近進行電流、電壓及開關狀態信息的采集,獨立進行數據處理,實現測量、保護、控制等功能。能夠通過冗余雙CAN總線與其他智能節點(包括監控臺)進行通信,并且通過以太網上傳重要數據給監控臺,協助監控臺完成監測和控制功能。作為配電網絡與監控網絡連接的紐帶,具有很好的開發應用前景。

2  現場監控模塊的功能分析與結構方案
船舶是一個特殊的應用環境,遠洋船舶經常連續幾個月航行在海洋中,這就要求在船舶上使用的自動化系統要求具有極高的可靠性,保證系統能夠長期可靠地運行[3]。由于船舶自動化系統中的設備性質、需要采集的數據類型和采集位置各有不同,通過對機艙設備的分析,歸納出船舶現場監控模塊的共同點如下:
1)  實時性高、可靠性好、體積小。
2)  具有多路開關量、模擬量輸入輸出。
3)  具有CAN接口,通過CAN總線傳輸當前各類信息給集中監控臺。在環境條件苛刻的機艙環境下,總線故障是CAN總線面臨的一種極大的威脅,本設備有兩路CAN接口,使用兩套總線,既可以設置不同速率或分別發送不同數據,減輕CAN總線負擔,也可以互為備份,提高系統可靠性。
4)  可以擴展以太網接口,當開關柜開關故障跳閘時能將電壓和電流實時波形傳送給集中監控臺。
現場監控模塊無論應用于交流配電柜或直流配電柜還是個別重要設備中,均可設計為統一的標準功能模塊結構,可以提高系統的通用化程度,提高系統的可維護性,設備維修只需要更換部分子模塊即可實現。
現場監控模塊采用標準機箱,前接線后母板,嵌入式安裝的結構方式。采用相同的數字處理板和母板,但根據應用場合不同采用不同的信號采集板,如應用在交流配電柜的模塊安裝交流信號采集板及繼電器板,應用在直流配電柜的模塊安裝直流信號采集板及繼電器板等。

3  現場監控模塊的硬件系統
在現場監控模塊中,大量的現場實時數據需要采集和處理,并及時、迅速地向集中監控臺傳輸,即向集中監控臺提供整個控制過程的具體數據,同時還要完成判斷處理并通過輸出模塊發送各種控制命令,考慮到其功能復雜程度,采用了DSP+FPGA雙控制器的硬件方案,其硬件結構原理參見圖1。

1)  A/D芯片 該系統采用AD7865作為A/D芯片,該芯片為高速14位A/D轉換器,同時采樣4個輸入通道,并具有4個采樣、保持放大器。其優點在于能夠真正實現多路信號的同步采樣,并保持各通道信號的相位關系。具有片內時鐘、讀寫允許邏輯、多種通道選擇方式以及內部精確的2.5V參考電壓,使得其與高速處理器的接口變得非常簡單。本系統共配置了4片AD7865,能同步采樣多達16路模擬量數據。
2)  電磁隔離 所有開關量的輸入輸出均采用電磁隔離技術,可有效提高抗干擾能力,本系統選擇了16片4路集成電磁隔離芯片ADUM1410,使得該模塊能同時完成多達32輸入,32路輸出的數據采集。
3)  FPGA 該系統以EP1C6PQ240作為系統的輔控制芯片,該芯片有5980個邏輯單元,嵌入式存儲塊有一列M4K塊,每個M4K塊可以組成各種存儲器,包括雙端口、單端口RAM、ROM和FIFO等,I/O單元包含一個雙向I/O緩沖器和三個寄存器,具有2個鎖相環和8個獨立系統時鐘,芯片管腳數為240個,可用管腳數為185個。FPGA主要完成數據輸入輸出控制及數據預處理功能。所有的開關量信號送入FPGA,所有的模擬量信號經A/D芯片轉換為數字信號后也送入FPGA,FPGA需要向A/D芯片提供控制信號來控制A/D芯片的讀寫,所有的數據由FPGA預處理后供DSP讀取。
4)  DSP 該系統以TMS320LF28335作為主控制芯片[4~5],該芯片為低功耗、高性能的32位芯片,其內部集成了多種功能模塊,不但包括多種通信接口,且同一種通信接口的數量不止一個,如SCI串口有3個,CAN口有2個,只需增加簡單的外圍器件即可實現擴展功能。DSP主要完成數據處理、邏輯控制及通訊功能。由于FPGA已將大量數據做了預處理,且本系統中DSP與FPGA的16位地址線和16位數據線均相連,采用并行數據傳輸,DSP只要通過簡單的指令即可快速讀取所需要的開關量和模擬量值,為狀態監控及故障診斷功能提供基礎。
5)  CAN通信 大多數嵌有CAN控制器的控制芯片只有一個CAN控制器,如果希望系統具有雙CAN接口,則需要外接一個CAN控制芯片,增加了硬件成本,電路結構更復雜[6~7]。
而本系統使用的DSP芯片中嵌有兩個CAN控制器,因此只要將兩個CAN控制器分別外接CAN驅動器就可以實現與兩條獨立的CAN總線連接。圖2以CANA為例顯示了TMS320LF28335的CAN通信接口電路,CANB的電路設計與此相同。CAN總線收發器82C250是驅動CAN控制器和物理總線間的接口,提供對總線的差動發送和接收功能。利用高速光耦6N137,實現收發信號的隔離和DSP與82C250之間的電平匹配。

6)  以太網通信 本系統選用了W5100作為以太網接入芯片[8]。W5100包含了TCP/IP、UDP等網絡協議和DLC、MAC以太網協議。它提供多種總線,包括兩種并行總線以及SPI串行總線等接口方式。內置16KB數據緩沖雙口RAM,可快速進行數據交換。圖3為以太網通信接口電路圖。

W5100供電電壓為3.3V和1.8V,其中1.8V可由芯片內部線性穩壓電源產生,外接濾波電路后供回芯片。L1、L2均為1μH的電感,C3、C4均為0.1μF的電容。根據 W5100的工作頻率要求,需在XTLP和XTLN引腳間接25MHz晶振及接地電容C1和C2,均為22pF。W5100的內部模擬電路需要在RSET_BG引腳與地之間外接精度為1%的電阻R4和R5,阻值分別為12k和300Ω。為了實現電氣隔離,消除部分諧波(根據結構的不同可以消除不同次的諧波),有效降低零地電壓,需要在W5100與外部接口之間接網絡變壓器。本系統網絡變壓器選11FB-05NL,網絡變壓器的RXPI與RXIN、TXOP與TXON各需要2個51Ω(精度為1%)的電阻和1個0.1μF的電容與特定端相連。DSP通過片選信號DSP_CS選中W5100芯片,通過直接總線模式讀(/WR)、寫(/RD)信號和數據(DATA)、地址(ADDR)總線可以簡單的將W5100看做一個外部存儲器來實施控制。

4  現場監控模塊的軟件設計

現場監控模塊軟件主要以DSP完成監控功能,因此本文僅就DSP的軟件結構進行描述(FPGA部分略去)。其軟件結構采取的是模塊化設計,使用C++語言編寫。程序流程如圖4,主要完成的功能有信號檢測、數據處理、數據傳輸以及邏輯控制。因此按照功能分為以下三個模塊:數據處理模塊、狀態監控模塊、通信模塊。
數據處理模塊的主要功能為實時接收來自FPGA的電流、電壓量,通過計算轉換成相應的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數及頻率等工程信息,實時接收斷路器、隔離開關的分合位置信號。
狀態監控模塊的主要功能為通過實時監控采集的模擬量、開關量的數值和狀態,與模擬量所設上限、下限等限值比較,當測量值越限時向集中監控臺發出報警,并作相應處理。當發生故障開關跳閘時記錄設備動作的所有信息。
通信模塊主要功能為實現與集中監控臺建立聯系,對所有采集的信息數據進行匯總和綜合處理,并把各類信息上送給集中監控臺。其按功能又分為CAN通信模塊、以太網通信模塊兩個部分。
CAN通信模塊分為三個層次,硬件抽象層文件、功能函數層文件、應用程序接口層。
1)  硬件抽象層文件
CANREG.H定義了各CAN控制器的寄存器數據格式及讀寫訪問的方法。
2)  功能函數層文件
CANFUNC.C和CANFUNC.H包括CAN控制器各種控制功能的實現函數和CAN總線異常中斷處理函數。
3)  應用程序接口層的文件
CANA.H和CANA.C、CANB.H和CANB.C分別對應兩個不同CAN口,均包括如下3個函數。
①  初始化CAN控制器,包括使能CAN模塊,CAN時鐘設置、配置CAN管腳、初始化
CANMC寄存器、清除中斷標志位、使CAN控制器工作在標準方式、設置總線波特率、驗收過濾器等。
②  發送數據,使發送報文按協議打包或解析后在總線上傳輸,可通過本點把本設備檢測參數和狀態向CAN網絡上上位機發送,實現遠程網絡監控和管理。
③  接收數據,接收上位機發送的與本節點標識符相匹配的報文來對本節點檢測和運行控制。
在此模塊編程過程中需要特別注意兩點:
eCAN的控制寄存器要求以32位方式訪問。如果直接對控制寄存器的個別位進行操作,編譯器會把這種訪問變為16位的訪問方式,而16位的訪問方式可能會破壞控制寄存器的內容,尤其是對高16位中的位進行寫操作的時候。因此可以使用一個32位的臨時寄存器,先把欲操作的整個寄存器的內容讀入到臨時寄存器中,這個操作是32位的訪問方式。在臨時寄存器中對某些位進行操作,然后把值以32位寫的方式賦給eCAN控制寄存器。
使用匯編語言對某個寄存器的位操作多是采用間接的方式,例如要置位為1是通過把整個寄存器和一個特定的“或操作”實現的。而利用高級語言的特性,在頭文件中用結構體把寄存器的各個位封裝起來,然后用成員運算符(.)直接對某個位進行置位或清零的操作。這樣大大方便了位操作,還確保了其正確性,減少了人為失誤。(例如ECANShadow.CANTA.bit.TA0=1)
以太網通信模塊流程如圖5:

又分為6個子模塊:初始化模塊(主要功能為對W5100內部寄存器初始化包括設置數據緩沖區大小、網關、物理地址、子網掩碼、IP地址等)、創建socket模塊、網絡連接模塊、數據發送模塊、數據接收模塊、關閉socket模塊。其中socket是應用程序與網絡協議的接口,在用戶進程和網絡協議之間起到橋梁作用。

5  結束語
本文設計的現場監控模塊可應用于船舶配電網絡中的開關柜或重要設備中,是配電網絡與監控網絡聯系的重要樞紐,使配電網絡單元真正實現智能化,網絡化。配電單元內所有電壓、電流、開關狀態量等利用現場監控模塊就地采集及處理,節省了大量電纜,減輕了集中監控臺的控制負擔?，F場監控模塊具有雙冗余CAN及以太網等通信接口,使其與集中監控臺的通信變得便利而可靠,為整個監控系統采取靈活而簡便的網絡拓撲結構提供基礎,具有廣泛的應用前景。

參考文獻:
[1] 李勇.低壓配電開關柜智能監控單元設計[D].成都:成都理工大學,2010.
[2] 楊建.以太網與現場總線技術的比較[J].中國高新技術企業,2010,(22):75-76.
[3] 崔秀芳,喻方平,常勇.基于ARM的船舶現場監控模塊的設計[J].微計算機信息,2007,23(11):159,166-167.
[4] 蘇奎峰,呂強,鄧志東,湯霞等.TMS320x28xxx原理與開發[M].北京:電子工業出版社,2009.
[5] 樓曉春,何麗莉.基于DSP28335的電能質量監測儀器設計[J].杭州電子科技大學學報,2010,30(4):146-152.
[6] 周江春,韓華,屈衛東 基于雙CAN總線的船用動力裝置監測系統設計[J].柴油機,2004,(5):13-15,31.
[7] 王峰,周希鵬,榮溪超等 基于TMS320LF2407的雙CAN口同步通訊板設計[J].電子設計工程,2009,17(9):119-120,123.
[8] 鄒依依,郭燦新,黃成軍.W5100在DSP遠程以太網數據通信系統中的應用[J].工業控制計算機,2008,21(8):20-21,23.

作者簡介:周樑(1980-),女,工程師,研究方向:電力系統監控與測量。