基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1 引言

　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是繼直接數(shù)字控制（DDC）、集散控制系統(tǒng)（DCS）之后的一種新型的控制系統(tǒng)，是一種全開放、全數(shù)字、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，具有全分散性控的體系結(jié)構(gòu)[1]。其顯著特點(diǎn)是通過開放性總線把現(xiàn)場設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)，各智能設(shè)備能夠完成自動控制和運(yùn)行狀態(tài)的自行診斷，并且能夠通過總線實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 CAN（Controller Area Network）總線，又稱控制器局域網(wǎng)，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于其高性能、高可靠性、及獨(dú)特的設(shè)計(jì)和適宜的價(jià)格而廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制、智能樓宇、醫(yī)療器械、交通工具以及傳感器等領(lǐng)域，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。傳統(tǒng)的集散型控制系統(tǒng)（DCS）存在系統(tǒng)不開放、硬件投資大、布線復(fù)雜、維修不便的缺點(diǎn)，具有明顯的局限性。本文給出了一種基于CAN總線的智能節(jié)點(diǎn)軟硬件的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用于潛水電機(jī)分布式監(jiān)控系統(tǒng)中。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

圖1 分布式監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、PC-CAN適配卡、智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（n<110）、CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。分布在現(xiàn)場的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立對電機(jī)進(jìn)行智能控制和保護(hù);監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以通過CAN總線網(wǎng)和各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，從而實(shí)現(xiàn)潛水電泵機(jī)組的分散控制和集中監(jiān)管。

　　監(jiān)控系統(tǒng)中的控制節(jié)點(diǎn)由CAN控制器、CAN收發(fā)器和外圍電路（如：光耦隔離、I2C、LED顯示等）組成。監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以選用普通PC或工控機(jī) IPC 。PC-CAN適配卡用來完成CAN總線和監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，可以選用PCI總線適配卡、ISA總線適配卡或RS232串行通信適配器。各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之間通過屏蔽雙絞線互聯(lián)構(gòu)成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，總線兩端連接120Ω的阻抗匹配電阻，用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　目前，市場上有兩種CAN總線器件可以選擇：一種是片內(nèi)集成CAN的微控制器，如P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376等;另一種是獨(dú)立的CAN控制器，如控制Philips公司的SJA1000、82C200、, Intel公司的82526、以及Microchip公司的 MCP2510等，但是獨(dú)立的CAN控制芯片需要外接一個(gè)微處理器才能運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)中選用的是Philips公司的帶有在片CAN控制器的 P87C591微型控制器，這樣大大簡化了節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)，減少了程序的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.1監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成

　　監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)上采用了模塊化結(jié)構(gòu)，由微控制器、CAN通信模塊、傳感器組件、數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)控制模塊、LED顯示模塊、現(xiàn)場設(shè)置模塊組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)具體情況可以只選用其中的部分模塊。例如：可以去掉顯示模塊和現(xiàn)場設(shè)置模塊，利用監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置的功能。在單機(jī)運(yùn)行時(shí)，可以不使用CAN通信模塊。

圖2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

3.2監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的功能

　　監(jiān)控節(jié)點(diǎn)各個(gè)組成部分的功能如下：

　　（1）傳感器組件：用來檢測潛水電機(jī)的運(yùn)行狀況，包括：溫度傳感器、電流互感器、液位傳感器。分別用來檢測電機(jī)三相定子的溫度、三相主電流、和電泵腔內(nèi)的水位，可以有效的監(jiān)測潛水電機(jī)的過流、過熱、缺相、短路、滲漏等異常現(xiàn)象。

　　（2）數(shù)據(jù)采集模塊：將傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號并通過多路模擬開關(guān)送入微控制器，CPU得到電機(jī)定子溫度、電流、液位信息做出相應(yīng)的判斷，并送至不同的子程序進(jìn)行相應(yīng)的處理。

　　（3）電機(jī)控制模塊：CPU判斷電機(jī)定子溫度、電流、液位中的任一項(xiàng)值超出正常值范圍時(shí)，都會通過SSR（過零觸發(fā)型交流固態(tài)繼電器）觸發(fā)相應(yīng)的異常處理電路，使電機(jī)得到保護(hù)。

　　（4）LED顯示模塊：采用基于I2C總線的顯示技術(shù)，通過LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)行過程中定子的溫度和電流值。并可以在設(shè)置模式下顯示待定置參數(shù)的當(dāng)前值。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)非正常停機(jī)時(shí)發(fā)光二極管可以指示出故障的類型，方便檢查處理。

　　（5）CAN通信模塊：CAN總線通信接口電路主要由P87C591的片內(nèi)CAN驅(qū)動器SJA1000、6N137高速光隔、CAN收發(fā)器 PCA82C250組成。P87C591完成CAN協(xié)議的應(yīng)用層功能，SJA1000完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。PCA82C250提供了對總線差動發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的功能，有效的提高了總線的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)總線、降低射頻干擾等功能。6N137隔離控制電路和收發(fā)器電路，能夠有效地抑制由總線引入的干擾，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　（6）現(xiàn)場設(shè)置模塊：采用基于8255的鍵盤和基于X25045的E2PROM，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)工作參數(shù)現(xiàn)場設(shè)定能。X25045存儲報(bào)警電流、停機(jī)電流、報(bào)警溫度、停機(jī)溫度、節(jié)點(diǎn)地址、波特率等信息。這些參數(shù)都可以通過按鍵進(jìn)行設(shè)置。除了節(jié)點(diǎn)地址外，其它的參數(shù)也可以通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)設(shè)置。

4 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

4.1軟件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)

　　與節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)相一致，軟件設(shè)計(jì)也遵循模塊化的設(shè)計(jì)原則，使控制軟件具有易讀、易擴(kuò)展和易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。通過C51語言編寫相應(yīng)的軟件模塊實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的各種功能。軟件的各功能模塊之間通過入口和出口參數(shù)相互聯(lián)系，組合靈活且方便，減少了調(diào)試時(shí)間，縮短了開發(fā)周期。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.2監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通信程序設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的通信采用CAN總線2.0A協(xié)議，通信模塊的軟件設(shè)計(jì)主要由初始化程序、發(fā)送程序、接收程序三部分組成。其中初始化程序是實(shí)現(xiàn)通信的關(guān)鍵，它主要用來完成CAN控制器工作方式的選擇，即對P87C591中CAN控制器控制段中的寄存器進(jìn)行設(shè)置，包括：總線定時(shí)寄存器和輸出控制寄存器設(shè)置;接收驗(yàn)收濾波寄存器和濾波屏蔽寄存器設(shè)置;設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)幀類型（標(biāo)準(zhǔn)幀或擴(kuò)展幀）、標(biāo)識符、數(shù)據(jù)長度。初始化過程是在CAN控制器復(fù)位模式下完成的，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通信的初始化程序流程如圖4所示。

圖4 CAN初始化程序流程圖

　　監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與CAN總線之間的數(shù)據(jù)交換是通過發(fā)送程序和接收程序?qū)崿F(xiàn)的。發(fā)送程序流程如圖5所示，從圖5中可以看出系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用定時(shí)中斷的方式主動向監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。這是利用了CAN總線可以采用多主機(jī)方式通信的特點(diǎn)。由于實(shí)時(shí)監(jiān)控功能是由各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)完成，而監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要用來實(shí)現(xiàn)管理功能，所以采用了定時(shí)上傳數(shù)據(jù)的方法，而沒有實(shí)時(shí)上傳所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)，從而減輕了總線負(fù)擔(dān)。這也是分布式控制方法相對于集中控制方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。圖 6為接收程序流程圖，接收緩沖區(qū)用來存放CAN總線上發(fā)來的數(shù)據(jù)，CPU讀取數(shù)據(jù)后接收緩沖區(qū)將被清空，等待接收新的數(shù)據(jù)。

圖5 發(fā)送程序流程圖


圖6 接收程序流程圖

5　結(jié)束語

　　本文設(shè)計(jì)的基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，可以對潛水電機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的過流、過熱、短路、滲漏情況做出處理，對電機(jī)起到了保護(hù)作用;節(jié)點(diǎn)與上位計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠;可以通過現(xiàn)場設(shè)置模塊修改節(jié)點(diǎn)的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明了節(jié)點(diǎn)的適用性和可靠性，開發(fā)過程中所提出的技術(shù)方案和實(shí)現(xiàn)方法可以在分布式監(jiān)控系統(tǒng)及工業(yè)底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 設(shè)計(jì)了一種基于P87C591的智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，在軟/硬件設(shè)計(jì)中均采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，具有高度的靈活性和廣泛的適用性。

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