智能斷路器的CAN 總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

0 引言

近年來，智能脫扣器技術(shù)在國內(nèi)有了較快的發(fā)展。智能脫扣器的成功應(yīng)用，使得斷路器的功能更加強大。目前，國內(nèi)外研究生產(chǎn)的智能脫扣器能顯示開關(guān)狀態(tài)、三相電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率等參數(shù)。而控制器局域網(wǎng)(CAN) 能有效支持具有高安全級的分布式實時控制，憑借其在噪聲環(huán)境中的可靠性及其故障狀態(tài)檢測，以及從故障狀態(tài)恢復的能力，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等領(lǐng)域。因此，國內(nèi)外大都將比較成熟的CAN 現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用在智能脫扣器的通信方面，實現(xiàn)上下位機的“四遙”功能，即遙測、遙控、遙信和遙調(diào)。上位機CAN 主要對下位機采集到的信號進行監(jiān)控、調(diào)度和管理。上位機作為一個特殊的CAN 節(jié)點，其設(shè)計相對復雜。本文將重點介紹上位機CAN 智能節(jié)點硬件和軟件的設(shè)計方案，以及如何把MCGS 與CAN 總線結(jié)合起來使用，即MCGS 如何操作CAN 總線接口卡。

1 設(shè)計原理

電網(wǎng)信號經(jīng)過下位機采集，A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)算法程序處理傳到上位機后，要能夠顯示到上位機上，這樣才能實現(xiàn)工作人員對各個斷路器工作狀態(tài)的監(jiān)控，并且通過上位機界面能夠?qū)崿F(xiàn)對下位機發(fā)送參數(shù)命令，實現(xiàn)對下位機的調(diào)控。該功能是依靠上位機這個特殊的CAN 節(jié)點實現(xiàn)的。

上位機CAN 節(jié)點設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中，ARM 節(jié)點作為下位機來工作，它們采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，采集上來的數(shù)據(jù)需要傳到上位PC 機上進行進一步處理，通過監(jiān)控軟件監(jiān)控下位機節(jié)點的工作狀態(tài)。上位PC 機作為CAN 總線上一個比較特殊的節(jié)點，其設(shè)計相對復雜。上位機和下位機智能節(jié)點通信是以USBCAN卡為橋梁的，即利用CAN 卡的OPC 接口驅(qū)動軟件，解決CAN 總線與PC 之間的通信問題。通過調(diào)用CAN 卡的動態(tài)連接庫(. DLL)，利用自定義CAN 應(yīng)用層協(xié)議實現(xiàn)與CAN 總線應(yīng)用系統(tǒng)的連接;通過OPC 服務(wù)器連接的函數(shù)接口，調(diào)用動態(tài)連接庫來實現(xiàn)與監(jiān)控軟件的連接。因此，上位機設(shè)計主要是利用USBCAN 驅(qū)動程序，調(diào)用USBCAN接口卡所提供的動態(tài)鏈接庫，達到操作USBCAN接口卡的目的，利用CAN 卡的OPC 接口驅(qū)動軟件，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理人機界面設(shè)計。



圖1 軟件結(jié)構(gòu)示意圖.

2 CAN 總線上位機節(jié)點的設(shè)計

2. 1 硬件電路設(shè)計

一般說來，計算機本身不帶CAN 接口，因此直接使用計算機和CAN 網(wǎng)絡(luò)是不能互連的。但是，許多工業(yè)用計算機在某些應(yīng)用場合還是離不開CAN-bus，因此，就需要現(xiàn)有的計算機通信接口與CAN-bus 接口適配，于是CAN 接口卡就給計算機增加CAN-bus 接口功能。通俗意義上說，CAN通信適配卡加上計算機就組成一個特殊的CAN節(jié)點。本設(shè)計采用USBCAN-2A 型CAN 卡，主機通過USB 接口控制電路來訪問CAN 控制器，最終完成數(shù)據(jù)通信。計算機作為CAN 節(jié)點，接收來自下位機ARM 節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，將一些控制參數(shù)發(fā)送給下位機，并通過組態(tài)界面實現(xiàn)對下位機的監(jiān)控等功能。

USBCAN-2A 智能CAN 接口卡是與USB1. 1總線兼容的，帶有2 路CAN 接口的智能型CAN數(shù)據(jù)卡，符合CAN2. 0B 規(guī)范，兼容CAN2. 0A，符合ISO/IS 11898，其通信波特率可以通過編程任意設(shè)置，范圍在5 ～ 1 000 KB /s 之間。組成該CAN 卡的控制器是常用的PHILIPS SJA1000，收發(fā)器為PHILIPS PCA82C250。USBCAN-2A 接口卡上自帶電氣隔離模塊，使USBCAN-2A 接口卡避免由于地環(huán)流的損壞，增強系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

USBCAN-2A 卡提供了很多庫函數(shù)，PC 機通過對USBCAN-2A 接口庫函數(shù)的操作，實現(xiàn)對USBCAN-2A 接口卡的操作。上位機主要實現(xiàn)對CAN 卡的初始化和對CAN 的讀寫操作。

為了增強CAN 通信的可靠性，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的2 個端點通常要加入終端匹配電阻，終端匹配電阻的值由傳輸電纜的特性阻抗所決定。由于雙絞線的特性阻抗為120 Ω，因此CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)采用直線拓撲結(jié)構(gòu)時，總線的2 個終端需要安裝120 Ω 的終端電阻。CAN-bus 總線的連接如圖2所示。



圖2 CAN-bus 總線連接圖.

USBCAN-2A 接口卡內(nèi)部沒有集成120 Ω 終端電阻，當USBCAN-2A 接口卡位于CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)的一個端點上時，需要在外部端子上安裝120 Ω終端電阻，連接方法如圖3 所示。



圖3 USBCAN-2A 位于網(wǎng)絡(luò)終端時的連接方法.