基于CAN總線的閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)
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主控制模塊是整個(gè)下位機(jī)的核心，由單片機(jī)的最小系統(tǒng)構(gòu)成，協(xié)調(diào)其他四個(gè)模塊工作，完成下位機(jī)的控制功能?？紤]到閥門的運(yùn)行信息采集點(diǎn)和故障信息采集點(diǎn)的數(shù)量和系統(tǒng)開發(fā)的難易程度，本系統(tǒng)選擇了PHILIP公司MCS51系列單片機(jī)80C552，它具有256字節(jié)可讀寫的RAM數(shù)據(jù)存儲器、5個(gè)8位I/O口、1個(gè)8位輸入口、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)配置捕捉/比較模塊的16位定時(shí)器、15個(gè)中斷源、2個(gè)中斷優(yōu)先級、8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器、2路脈沖寬度調(diào)制輸出、2個(gè)串行口（異步串行口和I2C總線口），還集成了看門狗定時(shí)器。
②電源監(jiān)測模塊
閥門在工作過程中會因?yàn)槟承┰虺霈F(xiàn)主電源回路掉電的情況，用戶要求在這種情況下，下位機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控部分仍能短期工作，并把這種故障及時(shí)上傳到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以便操作人員及早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)排除。為此，本文在下位機(jī)控制機(jī)中設(shè)計(jì)了電源監(jiān)測模塊，實(shí)現(xiàn)對閥門供電情況的監(jiān)測，并能實(shí)現(xiàn)主電源與備用電源間的切換，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于主電源回路掉電時(shí)，備用電源僅為單片機(jī)系統(tǒng)供電，加之這時(shí)的單片機(jī)系統(tǒng)工作于節(jié)電運(yùn)行方式，功耗較低，所以備用電源采用普通干電池或充電電池。實(shí)驗(yàn)證明，在主電源回路掉電的情況下，備用電源可以工作12h以上，完全可以滿足維修的需要。
這部分是下位機(jī)控制系統(tǒng)的輸入、輸出部分，主要完成閥門各種報(bào)警信號、開度的采集，對閥門開、關(guān)、停的控制等，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。在數(shù)據(jù)采集電路中，除了采集基本的運(yùn)行狀態(tài)外，還增加了電機(jī)缺相、轉(zhuǎn)矩越限、電機(jī)過熱、熔斷器損壞、行程開關(guān)到位、緊急制動狀態(tài)等大量的信號采集點(diǎn)，提高了下位機(jī)的監(jiān)控能力。閥門中的采集信號和控制信號多數(shù)為強(qiáng)電信號，為了使單片機(jī)系統(tǒng)免受影響，在電路中采用了隔離設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的可靠性。
④人機(jī)接口模塊
對閥門的運(yùn)行除了可通過上位機(jī)遠(yuǎn)程控制外，還保留了現(xiàn)場控制功能，這主要通過現(xiàn)場手操器完成，它是下位機(jī)中的人機(jī)接口模塊。手操器由鍵盤和數(shù)碼管顯示電路組成。在手操器的設(shè)計(jì)中采用了I2C總線技術(shù)，鍵盤電路采用了具有I2C接口的輸入輸出擴(kuò)展芯片PCF8574，顯示電路采用了具有I2C接口的數(shù)碼管顯示驅(qū)動芯片SAA1064，單片機(jī)80C552本身就集成有I2C總線接口，為系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)提供了方便。手操器的硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。另外，I2C總線支持帶電插拔，給手操器的使用帶來了極大的方便，使用者可以在不妨礙閥門正常工作的情況下，拆裝手操器。
⑤通信功能模塊
通信電路是下位機(jī)中的CAN總線接口部分，是提供閥門遠(yuǎn)程控制功能的核心部分。它由CAN控制器SJA1000、CAN驅(qū)動器82C250以及光電隔離電路構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。由于光電隔離的需要，模塊使用了DC-DC電源模塊。為了提高通信模塊的通用性，滿足不同使用的需要，在下位機(jī)中還設(shè)計(jì)了微動開關(guān)，用于設(shè)置不同的通信波特率和不同閥門的地址選擇。
3.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
下位機(jī)軟件用C51語言編寫，程序的可讀性、可移植性大大提高。下位機(jī)軟件主要完成閥門的狀態(tài)和故障的采集、閥門開度采集、執(zhí)行開關(guān)停閥門的動作和通信功能。由于篇幅的關(guān)系，下面僅介紹主控制程序和CAN總線通信中斷服務(wù)程序。
①主程序的設(shè)計(jì)
下位機(jī)軟件的主要工作是采集閥門的信號、控制閥門運(yùn)動以及響應(yīng)上位機(jī)的請求或命令。下位機(jī)系統(tǒng)初始化后進(jìn)入主程序循環(huán)，為了準(zhǔn)確采集閥門開度和避免誤報(bào)警，對輸入信號都進(jìn)行了簡單的數(shù)字濾波，下位機(jī)對這些信號綜合分析后，根據(jù)開度要求控制閥門的開、關(guān)、停動作。下位機(jī)具有現(xiàn)場控制、遠(yuǎn)程控制兩種控制方式，可由現(xiàn)場開關(guān)來區(qū)分，在這兩種控制方式下，下位機(jī)都可以根據(jù)上位機(jī)的要求進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)的上傳。所不同的是，在現(xiàn)場控制時(shí)，操作者在現(xiàn)場用手操器進(jìn)行控制，這時(shí)上位機(jī)對下位機(jī)只能監(jiān)視，不能控制；遠(yuǎn)程控制時(shí)，下位機(jī)通過分析上位機(jī)命令來對閥門進(jìn)行控制。下位機(jī)主程序軟件流程如圖9所示。
②CAN中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)
當(dāng)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)請求或命令時(shí)，下位機(jī)就會進(jìn)入CAN中斷服務(wù)程序。在進(jìn)入CAN中斷服務(wù)程序后，首先進(jìn)行現(xiàn)場保護(hù)，然后讀取SJA1000的中斷寄存器，分析是哪種中斷并置相應(yīng)的標(biāo)志位，如果是接收中斷，則置接收數(shù)據(jù)標(biāo)志并讀取數(shù)據(jù)，然后釋放緩存，最后恢復(fù)現(xiàn)場，中斷返回。CAN中斷服務(wù)程序如圖10所示。
由于下位機(jī)要嵌入到閥門電裝的腔體中，電磁干擾嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)中采用了多種軟、硬件抗干擾設(shè)計(jì)，由于篇幅原因，不再一一詳述。
4結(jié)束語
本文提及的技術(shù)已經(jīng)在天津閥門公司生產(chǎn)的QT、OOM、SMC、ZA等系列電動閥門中得到應(yīng)用，使其成為具有遠(yuǎn)程控制功能和故障診斷功能的電動閥門。由這些閥門構(gòu)成的遠(yuǎn)程閥門控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際運(yùn)行了近一年時(shí)間，運(yùn)行情況良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并通過了天津市科委組織的專家鑒定。目前，正在準(zhǔn)備產(chǎn)品的中試，同時(shí)加緊應(yīng)用層協(xié)議的規(guī)范化，力圖盡快推出滿足DEVICENET的電動閥門產(chǎn)品。相信隨著這類產(chǎn)品的推向市場，必將推動我國現(xiàn)場總線執(zhí)行器的發(fā)展。
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