1  引言
               
　　近幾年，風力發電產業開始進入一個高速增長期[1]，而隨著風電的火熱，風力發電控制技術也得到了快速的發展。本文所設計的風力發電控制系統采用模塊化設計，應用于1兆瓦風力發電控制。設計包括了主控制器模塊、i/o模塊、電網測量模塊和變槳驅動模塊，各模塊間通過can總線連接進行通訊。
               
　　由于傳統的can網絡沒有統一的全局時鐘，本質上是以事件觸發為基礎的總線系統，會經常存在總線時序混亂、報文發送沖突導致發送延遲等弊端，影響系統的實時性[2]。盡管事件觸發can在報文發送失敗后提供自動重發功能，但是發送的延時會導致報文幀發送的確切時間難以預料，從而導致can網絡報文發送周期的抖動。所以報文發送時倘若發生傳輸錯誤，報文的重傳會加重can總線的負擔，很可能造成某報文幀因重傳的延時而錯過其有效時間[3]，實時性大打折扣。而采用時間觸發的ttcan協議，保證任何時候總線上只有一條信息傳輸，能有效地避免沖突造成的總線仲裁，避免報文重傳，在具有較多節點且通訊量較大的can總線通訊中，能更好地控制通訊周期，提高系統的實時性。本論文設計采用基于ttcan的can總線通信方式來實現分布式風力發電控制系統各模塊間的數據通信。同時結合冗余措施，旨在提高控制系統的實時性和可靠性。
           
2  系統結構
               
　　圖1為本控制系統總體結構圖，系統包括cpu模塊、變槳伺服卡模塊、3個i/o模塊和電網測量模塊一共6個模塊節點。系統選用infineon公司xc164cs單片機來完成總線架構。xc164cs所具有的twincan模塊包括兩個全功能can節點，與外擴can芯片相比在保證速度和穩定性的同時也為軟件編程提供了方便。兩個全can節點中的每一個都能接收和發送帶11位標識符的標準幀和帶29位標識符的擴展幀。兩個can節點共享twincan模塊的資源，目的是優化can總線通信處理以及使cpu負荷最小[4]。全can功能與fifo結構的靈活組合可滿足復雜嵌入式系統的實時要求。同時它具備禁止重發功能，所以利用各個模塊xc164cs單片機的twincan模塊可以很方便地組建控制系統各模塊間雙冗余的ttcan通信網絡。

            圖1  風力發電控制器系統總體框圖
           

3  ttcan原理與實現
               
　　ttcan是在傳統can的基礎上融入時間觸發機制，任何動作都是由一個時間(全局同步)系列決定的[5]，它將通訊周期分割成若干時間片，同時分配給各個節點，形成一個調度時刻表，總線上各個節點嚴格遵照該時刻表在各自的時間片中進行can數據收發[6]，如圖2所示，當系統時鐘到達3ms和6ms時，發送報文a；到達5ms和9ms時，分別接收報文b和發送報文c。網絡內所有的報文活動都安排在一個這樣的周期性的時刻表內，得到了系統信息陣，來控制所有節點正常有序的進行通訊。從而保證任何時刻總線上只有一條數據傳輸，避免總線仲裁，確保了系統實時性，所以ttcan的設計實際上是制定能滿足系統控制周期的can節點調度時刻表[7]。

            圖2  ttcan時刻調度表
           

　　在ttcan網絡中，節點的同步是靠所謂的參照報文維持的，如圖3，它由一個特殊的節點定期發送，這就是時間主機(主節點)。參照報文也是一個can數據幀，其特征在于它的標識符。有效的參照報文同時被所有節點識別。兩個參照報文之間的時間構成了can傳輸的基本周期，基本周期又由很多時間窗組成，在每個時間窗中可進行特定的報文操作[8]。每一個有效參照報文啟動了一個新的基本循環，并且引起了每一個節點的循環時間復位，于是另一個基本循環重新開始，也就是說，ttcan的時間觸發通信是基于參照報文的周期通信[9]。

            圖3  ttcan基本循環
               

　　針對1mw風力發電控制系統，系統包括包含cpu模塊在內的6個節點，對每個節點進行編號，在一個通訊周期中，每個節點報文收發都有其具體執行的時刻，各節點嚴格按照該時刻表進行調度執行相關操作，從而確保cpu模塊與系統其他各節點之間快速順暢地進行can通訊。
               
　　而在1mw風力發電控制系統can通訊中，系統各節點報文在一個基本周期內收發所用時刻表參照圖4。

            圖4  1mw can通訊調度時刻
           

    
　　每次通訊周期控制在20ms，也就是說每個基本循環的周期為20ms，其中節點0對應cpu模塊，節點1對應變槳伺服卡，節點2對應i/o模塊1，節點3對應i/o模塊2，節點4對應i/o模塊3，節點5對應電網測量模塊，在一個通訊周期中，每個節點報文收發都有其具體執行的時刻，各節點嚴格按照該時刻表進行調度執行相關操作。如圖6，cpu模塊在每個查詢周期最后會向總線上各節點廣播一個時鐘同步數據幀，通知各從節點復位計數，為下一個周期做時鐘同步。總線上的每個從節點只有當收到這個時鐘同步幀時，才會重新將它的時間計數清零，同時在他的中斷發送時刻到來時進行發送，如果收不到該時鐘同步幀，從模塊不會將數據發送至cpu模塊。于是這樣就建立了總線的全局時間[10]，從而確保cpu模塊與系統其它各節點之間快速順暢地進行can通訊。同時做為從模塊，如果收到的時鐘同步幀是由a通道傳來，則其發送數據也選擇a通道，如果收到的同步幀是由b通道傳來，則其發送數據選擇b通道。也就是說這個時鐘同步幀對從節點而言還有發送使能的功效，并且同時利用這個時鐘同步幀來完成冗余過程中的通道切換。
           
4  冗余設計
               
　　cpu模塊與各從模塊間采用雙can通信，can a和can b都配置成8 fifo接收和8fifo發送模式。系統采用冷冗余的方式進行can故障處理，正常情況下各模塊均使用can a總線通訊，當在發現cana通道故障的情況下，才去激活系統的canb通道，使系統繼續正常運行。設計思路如圖5流程圖所示，當系統自行判斷到系統中任一模塊的某個can通道通訊已經出錯或中斷時，進行報警并集體同時切換總線通道，保證系統同樣正常的進行通訊。

            圖5  冗余流程
               

　　而要實現冗余，can通道的故障判斷尤為重要。由于風力發電控制系統中，cpu模塊充當著控制器的核心，系統所有的采集輸入都在這里匯集，經過控制流程后又由它產生控制輸出。于是在can網絡中，cpu模塊同時充當著主節點的角色。所以系統設計在cpu模塊中進行can總線故障判斷處理。具體判斷流程如下：cpu模塊中預設定時器中斷(暫設1ms)，對每個從節點都做時間計數，當每次收到從節點傳來的數據幀時，對相應節點的計數清零。也就是說，這個計數就是距上次正確收到該從節點傳來數據的延時(單位為ms)。當程序判斷這個計數超過一定值(暫定100ms)，認為通信超時，該從節點的can通訊已經出錯或中斷，此時整個控制系統需要切換總線通道，激活canb，重新建立通訊，并進行報警。如下面流程圖6所示。

            圖6  can故障判斷流程圖 
  

         
5  實驗結果分析
               
　　基于本方案所設計的這種通訊方式，當can節點發送數據時，在其待發送的數據幀最后補加上兩個字節的crc校驗碼，區別于twincan模塊自身所帶的crc容錯機制，補加的crc校驗是為了防止can傳輸多幀數據過程中出現數據丟幀的現象。于是，cpu模塊每次都將接收完成的數據進行crc判斷，以此驗證收到的該幀數據是否出錯。cpu模塊程序設計使其對它收到的每個從節點傳來的數據幀進行一個計數，每正確收到1幀，計數加1。設查詢時刻為t，can通訊周期為t，則t時刻計數值cnt=t/t。以通訊周期20ms為例，每隔1秒鐘，cpu模塊應收到的每個從節點所傳來的數據幀數cnt=50，即為32h，于是，我們每隔1秒鐘將這些計數通過串口發出來，就可以監視這些計數，以此驗證ttcan通訊周期長度，以及can總線切換機制。具體數據參見附表。
            附表 監視結果表

　　附表中為20ms通訊周期下，系統上電運行10min的一個情況，據表分析，系統上電時，延時1秒鐘開始can通訊，正常情況下，每秒鐘包含50個通訊周期，故應正常收發數據50幀，t時刻計數值則剛好滿足cnt=(t-1)*50，相鄰兩秒之間計數基本相差32h。但偶爾會出現前后兩秒相差31h的情況，這種情況出現的原因則是因為在該發送時刻，該節點該次數據暫未接收完成所致。
               
　　系統上電1min后，嘗試切斷總線上id號為1的節點，會發現該節點計數相對其他正常節點少5，則分析推斷該節點can通訊停頓了100ms后又重新建立，而此刻，系統已經完成can通道切換，轉用canb運行。
           
6  結束語
               
　　實驗效果表明，基于冗余ttcan的模塊化風力發電控制系統各模塊間的通信總線，相對于過去常用的查詢返回can通信方式，更具效率且更為可靠。它的應用，對于提高整個控制系統的可靠性和實時性極具意義。