基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)智能節(jié)點設計

1 引言

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)是繼直接數字控制(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、全數字、多點通信的底層控制網絡，具有全分散性控的體系結構[1]。其顯著特點是通過開放性總線把現(xiàn)場設備連接成網絡，各智能設備能夠完成自動控制和運行狀態(tài)的自行診斷，并且能夠通過總線實現(xiàn)設備之間的通信，從而簡化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性。CAN(Controller Area Network)總線，又稱控制器局域網，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。由于其高性能、高可靠性、及獨特的設計和適宜的價格而廣泛應用于工業(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域，并已被公認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、布線復雜、維修不便的缺點，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)點軟硬件的設計方案，應用于潛水電機分布式監(jiān)控系統(tǒng)中。

2 系統(tǒng)整體方案設計

圖1 分布式監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

整個系統(tǒng)由監(jiān)控計算機、PC-CAN適配卡、智能監(jiān)控節(jié)點(n<110)、CAN總線網絡組成，其系統(tǒng)結構如圖1所示。分布在現(xiàn)場的監(jiān)控節(jié)點可以獨立對電機進行智能控制和保護;監(jiān)控計算機可以通過CAN總線網和各個控制節(jié)點之間進行實時通信，從而實現(xiàn)潛水電泵機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)控計算機可以選用普通PC或工控機IPC 。PC-CAN適配卡用來完成CAN總線和監(jiān)控計算機之間的協(xié)議轉換，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。各個控制節(jié)點之間通過屏蔽雙絞線互聯(lián)構成CAN總線網絡，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、增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 監(jiān)控節(jié)點的硬件設計

目前，市場上有兩種CAN總線器件可以選擇：一種是片內集成CAN的微控制器，如P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376 等;另一種是獨立的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，但是獨立的CAN控制芯片需要外接一個微處理器才能運行。本文設計中選用的是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)點的硬件電路設計，減少了程序的復雜程度，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.1監(jiān)控節(jié)點的構成

監(jiān)控節(jié)點硬件電路設計上采用了模塊化結構，由微控制器、CAN通信模塊、傳感器組件、數據采集模塊、電機控制模塊、LED顯示模塊、現(xiàn)場設置模塊組成，其整體結構如圖2所示。根據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)場設置模塊，利用監(jiān)控計算機實現(xiàn)數據顯示和參數設置的功能。在單機運行時，可以不使用CAN通信模塊。

圖2 監(jiān)控節(jié)點結構框圖

3.2監(jiān)控節(jié)點的功能

監(jiān)控節(jié)點各個組成部分的功能如下：

(1)傳感器組件：用來檢測潛水電機的運行狀況，包括：溫度傳感器、電流互感器、液位傳感器。分別用來檢測電機三相定子的溫度、三相主電流、和電泵腔內的水位，可以有效的監(jiān)測潛水電機的過流、過熱、缺相、短路、滲漏等異常現(xiàn)象。

(2)數據采集模塊：將傳感器采集到的模擬信號轉變?yōu)閿底中盘柌⑼ㄟ^多路模擬開關送入微控制器，CPU得到電機定子溫度、電流、液位信息做出相應的判斷，并送至不同的子程序進行相應的處理。

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

(4)LED顯示模塊：采用基于I2C總線的顯示技術，通過LED數碼管實時顯示電機運行過程中定子的溫度和電流值。并可以在設置模式下顯示待定置參數的當前值。當電機出現(xiàn)非正常停機時發(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CAN驅動器SJA1000、6N137高速光隔、CAN收發(fā)器 PCA82C250組成。P87C591完成CAN協(xié)議的應用層功能，SJA1000完成物理層和數據鏈路層的功能。PCA82C250提供了對總線差動發(fā)送和接受數據的功能，有效的提高了總線的抗干擾能力，實現(xiàn)了保護總線、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，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

(6)現(xiàn)場設置模塊：采用基于8255的鍵盤和基于X25045的E2PROM，實現(xiàn)節(jié)點工作參數現(xiàn)場設定能。X25045存儲報警電流、停機電流、報警溫度、停機溫度、節(jié)點地址、波特率等信息。這些參數都可以通過按鍵進行設置。除了節(jié)點地址外，其它的參數也可以通過監(jiān)控計算機設置。

4 監(jiān)控節(jié)點的軟件設計

4.1軟件設計的總體結構

與節(jié)點硬件設計相一致，軟件設計也遵循模塊化的設計原則，使控制軟件具有易讀、易擴展和易維護的優(yōu)點。通過C51語言編寫相應的軟件模塊實現(xiàn)上述監(jiān)控節(jié)點的各種功能。軟件的各功能模塊之間通過入口和出口參數相互聯(lián)系，組合靈活且方便，減少了調試時間，縮短了開發(fā)周期。監(jiān)控節(jié)點的軟件設計流程如圖 3所示。

圖3 監(jiān)控節(jié)點軟件設計流程圖

4.2監(jiān)控節(jié)點通信程序設計

監(jiān)控節(jié)點的通信采用CAN總線2.0A協(xié)議，通信模塊的軟件設計主要由初始化程序、發(fā)送程序、接收程序三部分組成。其中初始化程序是實現(xiàn)通信的關鍵，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行設置，包括：總線定時寄存器和輸出控制寄存器設置;接收驗收濾波寄存器和濾波屏蔽寄存器設置;設置發(fā)送數據幀類型(標準幀或擴展幀)、標識符、數據長度。初始化過程是在CAN控制器復位模式下完成的.[!--empirenews.page--]