CAN現(xiàn)場總線在智能配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　本文為計算機機房開發(fā)的智能配電系統(tǒng)iPDS(Intelligent Power Distribution System)很好地滿足了以上要求,具有智能化和人性化兩大特點。本系統(tǒng)采用CAN總線進行數(shù)據(jù)的交互傳遞,很好地滿足了系統(tǒng)可靠性、實時性及成本方面的要求。

　　系統(tǒng)設(shè)計

　　本智能系統(tǒng)對機房內(nèi)各路電源的電流、漏電流、零地電壓、自動空氣斷路器的運行狀態(tài)等信息進行實時監(jiān)測、顯示,具有實時報警、詳細記錄等功能,并可以根據(jù)用戶要求靈活地配置各路監(jiān)測信息?？梢栽陲@示屏上查詢機房各路電源的使用情況,盡早發(fā)現(xiàn)和消除隱患,實時處理故障,進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)采集節(jié)點、LED顯示節(jié)點、觸摸屏等組成,具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 智能配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,功能完善,觸摸屏通過RS-485與數(shù)據(jù)處理單元相連,數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)采集節(jié)點和LED顯示節(jié)點都掛接在CAN總線上,各組成部分提供不同的功能：

　　1. 數(shù)據(jù)處理單元有兩個CPU,單片機AT89C58和P87C591,二者通過雙口RAM進行數(shù)據(jù)交換,其中AT89C58與觸摸屏通過RS-485通信,處理觸摸屏上的顯示和設(shè)置信息,P87C591處理CAN總線上的交互信息。

　　2. 觸摸屏是系統(tǒng)的主界面,用于設(shè)置系統(tǒng)的配置信息,顯示當前各路的電流、漏電流、零地電壓和自動空氣斷路器的狀態(tài)等,并可以查看歷史報警記錄。

　　3. 數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集各路模擬量和開關(guān)量信息,通過CAN總線傳輸,以供數(shù)據(jù)處理單元處理。

　　4. LED顯示節(jié)點主要顯示當前各路的模擬量和開關(guān)量的報警信息,便于用戶查看,使系統(tǒng)更加人性化。

　　CAN總線硬件設(shè)計

　　P87C591簡介

　　在系統(tǒng)中,采用Philips公司生產(chǎn)的P87C591單片機,該單片機是一個8位高性能微控制器,具有片內(nèi)CAN控制器,大大簡化了硬件電路的設(shè)計,提高了CAN接口的穩(wěn)定性。

　　P87C591采用了強大的80C51指令集,并集成了SJA1000 CAN控制器的PeliCAN功能。

　　P87C591連接的CAN節(jié)點電路設(shè)計比較簡單,所需的外部元件只是一個晶振加兩個電容驅(qū)動片內(nèi)震蕩器、一個連接到復(fù)位腳的電阻、電容。使用片內(nèi)上電復(fù)位電路以及一個收發(fā)器將P87C591連接到CAN總線上。

　　CAN總線通信過程及標識符的分配

　　本系統(tǒng)對實時性要求高,數(shù)據(jù)傳輸量大,數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集的信息應(yīng)快速上傳到數(shù)據(jù)處理單元,以便及時處理,數(shù)據(jù)處理單元將觸摸屏上的設(shè)置信息實時傳遞給數(shù)據(jù)采集單元;數(shù)據(jù)處理單元處理完采集的信息后,將當前的系統(tǒng)狀態(tài)及時地在LED顯示節(jié)點上顯示出來,并指揮繼電器動作。

　　整個CAN總線系統(tǒng)采用CAN2.0B通訊協(xié)議,采用標準幀格式、11位標識符來區(qū)分CAN總線上的節(jié)點。數(shù)據(jù)處理單元是CAN總線上最重要的節(jié)點,控制整個總線上數(shù)據(jù)的傳輸和處理,優(yōu)先級最高,其次是數(shù)據(jù)采集節(jié)點,它是數(shù)據(jù)的來源,實時采集傳遞數(shù)據(jù),再次是LED顯示節(jié)點。

　　考慮到系統(tǒng)的擴展問題,預(yù)留了一部分標識符,根據(jù)用戶要求可以增加、減少數(shù)據(jù)采集節(jié)點和LED顯示節(jié)點,而不影響系統(tǒng)的優(yōu)先級設(shè)計。

　　CAN總線軟件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)處理單元是CAN總線上優(yōu)先級最高的節(jié)點,控制著整個總線上的數(shù)據(jù)傳輸流程,其軟件設(shè)計主要包括兩大部分,即通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議和功能實現(xiàn)的流程和編碼。

　　軟件功能分析及系統(tǒng)初始化設(shè)計

　　P87C591主要完成數(shù)據(jù)的處理與傳輸,通過CAN總線接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集來的各路模擬量和開關(guān)量信息,整理后按協(xié)議存儲到雙口RAM中,并根據(jù)處理結(jié)果給LED顯示節(jié)點發(fā)送信息。主程序查詢雙口RAM中數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設(shè)置信息,實時地傳送信息給數(shù)據(jù)采集節(jié)點,并向其發(fā)送遠程幀,請求模擬量和開關(guān)量信息的傳送,這樣避免了多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點同時上傳采集的信息,有效地防止了接收溢出和數(shù)據(jù)丟失,接收到采集的各路信息后,處理并存儲到雙口RAM中、發(fā)送給LED節(jié)點。

　　在程序設(shè)計中,初始化程序是系統(tǒng)設(shè)計工作中極為重要的部分,它是系統(tǒng)能否正常工作的前提。因此,初始化設(shè)計是一個重點,在系統(tǒng)初始化過程中要進行雙口RAM的初始化,打開看門狗,設(shè)置中斷優(yōu)先級,初始化CAN控制器和I/O口,打開總中斷等操作,以保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定地工作。

　　CAN通信程序設(shè)計

　　CAN通信軟件主要由以下幾部分組成：初始化、接收處理、發(fā)送處理、中斷處理及錯誤處理。本文重點介紹初始化、發(fā)送、接收處理子程序及錯誤處理。

　　初始化子程序

　　CAN控制器的初始化包括操作模式、驗收濾波器、總線定時及中斷的設(shè)置等。驗收濾波器的設(shè)置決定了本節(jié)點所接收的信息的格式。定時器用來設(shè)置CAN總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?總線上各節(jié)點的波特率必須一致,否則就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤。

　　發(fā)送程序

　　發(fā)送子程序負責(zé)節(jié)點報文的發(fā)送。發(fā)送時用戶只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成一幀報文,送入CAN控制器的發(fā)送緩存區(qū)中,然后啟動發(fā)送命令即可。信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線是由CAN控制器自動完成的。本系統(tǒng)采用查詢的方式發(fā)送。

　　接收程序

　　接收子程序負責(zé)節(jié)點報文的接收以及其它情況的處理,諸如對總線關(guān)閉、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。信息從CAN總線到CAN緩沖區(qū)是由CAN控制器自動完成的。接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息即可?？紤]到實時性的要求,采用了如圖2所示的中斷方式。

　　圖2 中斷接收流程圖

　　錯誤處理

　　在CAN初始化中,打開了錯誤報警中斷使能和總線錯誤中斷使能,當錯誤計數(shù)器(發(fā)送錯誤計數(shù)器和接收錯誤計數(shù)器中的任何一個)計數(shù)值超過96時,說明總線被嚴重干擾,產(chǎn)生錯誤報警中斷;當發(fā)送錯誤計數(shù)器值超過255時,節(jié)點進入總線關(guān)閉狀態(tài),CAN控制器將設(shè)置復(fù)位模式位為1(當前)并產(chǎn)生一個錯誤報警和總線錯誤中斷。

　　錯誤報警中斷處理是清零所有錯誤計數(shù)器的值,維持CAN的運轉(zhuǎn),但這樣做存在局限性：清零錯誤計數(shù)器只是將錯誤計數(shù)器簡單的清零,不能從根本上消除錯誤來源;由于錯誤報警中斷產(chǎn)生的條件為錯誤計數(shù)器的值超過96,而總線關(guān)閉中斷產(chǎn)生的條件為發(fā)送錯誤計數(shù)器的值超過255,因此,發(fā)送錯誤計數(shù)器引起的錯誤報警中斷可以屏蔽掉總線錯誤中斷。系統(tǒng)可能由于總響應(yīng)錯誤報警中斷導(dǎo)致系統(tǒng)不能產(chǎn)生總線關(guān)閉,使CAN總線一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

　　為了避免這種情況,只打開總線錯誤中斷使能,這樣,在總線發(fā)生嚴重錯誤的情況下,可馬上產(chǎn)生總線錯誤中斷,使錯誤得到及時處理?？偩€錯誤中斷的處理是復(fù)位該節(jié)點,重新初始化CAN控制器,這樣可以消除錯誤,給節(jié)點一個很好的初態(tài)。由于CAN總線兩條傳輸線之間的誤接觸,也易造成CAN總線關(guān)閉,使節(jié)點無法工作,在主程序中查詢狀態(tài)寄存器中當前CAN總線狀態(tài),及時復(fù)位該節(jié)點,使節(jié)點正常工作。

　　同時,為了更方便直觀地查看CAN總線的工作狀態(tài),設(shè)計了一個指示燈,當總線正常地收發(fā)信息時,指示燈閃爍,一旦CAN總線關(guān)閉,節(jié)點不參與總線活動,指示燈不再閃爍(此時指示燈長亮或長滅),當總線錯誤不能通過復(fù)位該節(jié)點解決時,可以通過查看指示燈的狀態(tài)(長亮或長滅),及時地對不工作的節(jié)點進行修理維護。

　　結(jié)語

　　運用CAN總線技術(shù)構(gòu)建智能配電系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性,系統(tǒng)價格低廉,安裝維護簡單,具有良好的升級、擴展能力。該系統(tǒng)已經(jīng)成功地裝配到經(jīng)貿(mào)、股票交易行業(yè)的機房中,運行可靠,實現(xiàn)了設(shè)計目標。

　　參考文獻

　　1 饒運濤.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2003.20～166

　　2 Philips Semiconductors, P8xC591, Single-chip 8-bit microcontroller with CAN controller, DATA SHEET, 2000