3.1 主控制器的硬件選型
主控制器選用MOTOROLA公司推出的高性價比DSP數(shù)字信號處理器DSP56F807，主控芯片的選擇取決于小水電測控裝置的功能要求。
小水電測控裝置采用多CPU的硬件模式，各主要功能模塊由獨(dú)立的控制芯片來完成。其中，很多功能的實(shí)現(xiàn)都要求有很高的實(shí)時性，例如其中準(zhǔn)同期功能的合閘時機(jī)捕捉、發(fā)電機(jī)保護(hù)的動作出口等等，并且裝置中的電量采集等需要用到傅氏算法，運(yùn)算量非常大，所以主控制器需要選用運(yùn)算速度快、抗干擾性能好的CPU芯片，而DSP56F807正是一款具有上述優(yōu)點(diǎn)的主控芯片。DSP56F807【4】具有多總線和流水線結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行速率快，并且DSP內(nèi)部有硬件乘法器，可以在一個指令周期內(nèi)完成乘法，運(yùn)算速度快。
裝置內(nèi)部的各CPU模塊采用CAN總線通訊，而DSP芯片上就集成了控制器局域網(wǎng)模塊CAN2.0A/B，因此不需要另外配置專門的CAN總線芯片，降低成本，簡化硬件電路，這也是主控制器選用DSP56F807的另一原因。通過DSP芯片自帶的CAN控制模塊MSCAN，在硬件上可以很方便地將CAN總線上的各節(jié)點(diǎn)互連，實(shí)現(xiàn)總線不出芯片。由于CAN控制器必須通過CAN驅(qū)動芯片才能與CAN總線相連，所以選用PHILIPS公司生產(chǎn)的CAN總線收發(fā)器82C250作為CAN驅(qū)動芯片，DSP與82C250的連線圖如圖2所示。
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3.2 CAN通訊的軟件實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)中，主要采用C語言編寫程序，而在少數(shù)需要直接和硬件打交道的地方采用匯編語言編寫程序。在編寫CAN的通訊程序時，有三個環(huán)節(jié)非常重要，即CAN模塊初始化、CAN接收數(shù)據(jù)和CAN發(fā)送數(shù)據(jù)。
（1） CAN模塊的初始化
在CAN控制器運(yùn)行時，首先必須對MSCAN模塊初始化，對它的一些內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，CAN模塊的初始化流程圖如圖3所示。
 
首先使MSCAN進(jìn)入軟件復(fù)位狀態(tài)，因?yàn)橹挥羞@樣才可以對MSCAN設(shè)置有關(guān)的寄存器進(jìn)行寫入，此時，MSCAN會退出所有的發(fā)送和接收操作，并失去總線同步。所以當(dāng)MSCAN設(shè)置完相關(guān)寄存器并退出軟件復(fù)位狀態(tài)后，要判斷MSCAN與總線是否同步，只有完成同步，MSCAN才能正常的接收發(fā)送數(shù)據(jù)幀。
（2） CAN模塊的數(shù)據(jù)接收
CAN接收數(shù)據(jù)幀時采用中斷機(jī)制，由于MSCAN初始化時設(shè)置接收中斷允許寄存器，允許接收緩沖區(qū)滿中斷，即在接收緩沖區(qū)滿時會觸發(fā)一個MSCAN接收中斷請求，CAN接收中斷流程圖如圖4所示。在接收中斷服務(wù)程序中，為了避免此時再發(fā)生中斷，在接收數(shù)據(jù)幀之前設(shè)置中斷允許寄存器，不允許接收緩沖區(qū)滿中斷，在接收數(shù)據(jù)幀之后，清除接收緩沖區(qū)滿標(biāo)志，并允許接收緩沖區(qū)滿中斷，便于下一次接收中斷的處理。

（3） CAN模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送
CAN發(fā)送數(shù)據(jù)幀時也采用中斷機(jī)制，但與接收中斷不同的是，由于MSCAN初始化時設(shè)置發(fā)送器控制寄存器CANTCR，不允許發(fā)送緩沖區(qū)空中斷，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時需要通過設(shè)置CANTCR允許發(fā)送緩沖區(qū)空中斷，從而啟動發(fā)送中斷，進(jìn)入發(fā)送中斷服務(wù)程序， CAN發(fā)送中斷流程圖如圖5所示。在中斷服務(wù)程序中，設(shè)置CANTCR不允許發(fā)送緩沖區(qū)空中斷，直到下一次啟動發(fā)送中斷。確定發(fā)送緩沖區(qū)為空時填寫發(fā)送緩沖數(shù)據(jù)寄存器并清除發(fā)送緩沖區(qū)空標(biāo)志，這樣MSCAN才能開始發(fā)送數(shù)據(jù)。
 

3.3 裝置內(nèi)部各CPU模塊的CAN通訊
裝置內(nèi)部各CPU模塊CAN通訊的信息量很大，所以通訊協(xié)議使用CAN 2.0B擴(kuò)展模式，報文標(biāo)識符幾乎不受限制，此時仲裁場的標(biāo)識符有29位。
在CAN的規(guī)范中，只定義了數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，而沒有定義有關(guān)發(fā)送和接收的結(jié)構(gòu)信息，所以在編寫通訊程序時，首先需要給數(shù)據(jù)幀的不同位賦以特定的含義，其中包含數(shù)據(jù)傳輸所需要的所有信息，包括傳輸源地址、目標(biāo)地址、幀類型、傳輸字節(jié)數(shù)、傳輸信息體等等。由于CAN協(xié)議規(guī)定，每幀最多傳送8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以，為了盡可能使8個字節(jié)中的數(shù)據(jù)都為傳輸信息體，較好的解決辦法就是將其他的信息包含在29位標(biāo)識符中。本設(shè)計(jì)中，CAN通訊的數(shù)據(jù)幀格式定義如表1所示。

其中，前4個字節(jié)是擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀的仲裁場和控制場，后8個字節(jié)是數(shù)據(jù)場。
表1在設(shè)計(jì)中：
PRI：優(yōu)先級。1為低優(yōu)先級，0為高優(yōu)先級，剩余的優(yōu)先級由源地址決定，低地址優(yōu)先級高，該功能可有效支持緊急信息傳送如報警等。
Source Address：發(fā)送數(shù)據(jù)的源地址。
Type：幀類型，包括單幀、多幀、點(diǎn)對點(diǎn)傳送、廣播傳送。
SRR：在數(shù)據(jù)幀中，SRR必須為“顯性”電平，而在遠(yuǎn)程幀中，SRR必須為“隱性”電平。
IDE：屬于仲裁場，為“隱性”電平。
DLC：表示要發(fā)送的字節(jié)數(shù)，等于字節(jié)數(shù)減1。由于每幀最多發(fā)送8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，故DLC最大為7。
Data index：索引字節(jié)。單幀沒有索引字節(jié)，所以該字節(jié)為空；多幀數(shù)據(jù)時Data index表示發(fā)送數(shù)據(jù)幀的幀序號。
Destination Address：發(fā)送數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址。
RTR：定義本幀信息為數(shù)據(jù)幀還是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)幀請求位。
Data length (L), Data length (H)：多幀信息包的長度，只有在傳輸多幀數(shù)據(jù)的第一幀時填充，其他幀不填充，而可以填充要傳輸?shù)男畔Ⅲw。
6 bytes data：要傳輸?shù)男畔Ⅲw。
遵循上述約定的CAN協(xié)議，各CPU模塊之間的通訊快速可靠，抗干擾性強(qiáng)，傳輸波特率達(dá)到500kbps,達(dá)到了研發(fā)的性能指標(biāo)要求。
4 小結(jié)
為了實(shí)現(xiàn)小型水電站提出的少人值班、無人值班的要求，提高水電站的自動化水平，集發(fā)電機(jī)測控保護(hù)、勵磁調(diào)節(jié)、同期并列、順控、遠(yuǎn)程通訊、人機(jī)交互等多功能于一體的組合智能裝置是一個經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)方案，必將成為小水電綜合自動化未來發(fā)展的趨勢。此研發(fā)的多功能測控裝置采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际浇Y(jié)構(gòu)，各CPU模塊采用CAN總線相連，各模塊之間的數(shù)據(jù)交互快速可靠、抗干擾性強(qiáng)，在外觀上這些功能模塊都在一個機(jī)箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝使用。實(shí)際應(yīng)用中，既可以在現(xiàn)場獨(dú)立運(yùn)行和操作，又可以在多機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行時根據(jù)需要配置上位機(jī)，構(gòu)成水電站監(jiān)控系統(tǒng)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。