基于CAN總線的多路電源智能智能監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

??? 郵電通信線路的供電電源的穩(wěn)定性和可靠性對整個郵電通信起著關(guān)鍵作用。因此要求能對供電電源的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)異常情況和事故隱患，在出現(xiàn)異常和故障時迅速進行診斷并予以修復(fù)。

1 CAN總線與485總線的比較

??? 1)485總線的特點

??? 相對于RS一232，RS一485半雙工異步通信總線具有通信距離遠(yuǎn)、通信速率高、成本低等特點，是一種被廣泛使用的數(shù)據(jù)通信總線。但485總線的波特率設(shè)置受到單片機的波特率設(shè)置的限制，在單片機使用24M晶振的情況下，也只可以設(shè)置到9600bps的波特率。485總線的容錯和應(yīng)用層的協(xié)議，可以自己通過軟件來實現(xiàn)，比較靈活，但是編程的工作就變得復(fù)雜。因此在對速度要求高、數(shù)據(jù)傳送量大的大型系統(tǒng)中，485總線在實時性和可靠性方面的性能就顯得比較脆弱。

??? 2)CAN總線的特點

??? CAN全稱為Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線主要具有以下的特點：

??? (1)CAN總線通信最高波特率可高達(dá)lMbps(采用雙絞線通訊距離40m)、最遠(yuǎn)通訊距離為10km(可達(dá)5kbps)。

??? (2)CAN總線采用了短幀結(jié)構(gòu)，每一幀為8個字節(jié)，傳輸時間短，受干擾概率低，每幀信息都有CRC校驗和其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)的出錯率極低，從而提高了傳送數(shù)據(jù)的可靠性。

??? (3)和485總線一樣，采用平衡傳輸，抗干擾能力強。

??? (4)采用非破壞性總線仲裁，當(dāng)有幾個節(jié)點同時發(fā)送信息的時候，根據(jù)幀開始部分的標(biāo)識符，進行逐位仲裁，優(yōu)先級別高的信息會不受影響地繼續(xù)發(fā)送，優(yōu)先級別低的信息就會停止發(fā)送，從而保證重要信息的及時傳送。

??? (5)借助CAN控制器里面的接收濾波器，CAN總線能實現(xiàn)點對點，一點對多點以及全局廣播等方式傳送，無需專門的調(diào)度。

??? 由此可見，CAN總線具有傳送數(shù)據(jù)實時性和可靠性高的優(yōu)點，能應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳送量大、數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫蟾叩南到y(tǒng)中。

2 電源智能監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

??? 郵電通信線路的供電電源是±48V。監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)場的溫度、總電源和各通支路電源的電壓和電流進行采集。本監(jiān)控系統(tǒng)由位于監(jiān)控中心的上位機(PC機)和現(xiàn)場多個智能節(jié)點組成。每一個智能節(jié)點可以采集64路的數(shù)據(jù)(電壓、電流或溫度)、具有現(xiàn)場的界面顯示、鍵盤操作、報警和與上位機通信等功能。在正常的情況下，位于現(xiàn)場的各個智能節(jié)點每隔一段時間就要把當(dāng)前64路的數(shù)據(jù)上傳給上位機。當(dāng)線路的電源出現(xiàn)故障時，無論當(dāng)前正在進行什么操作，智能節(jié)點都會馬上發(fā)送故障信息給上位機，并且在現(xiàn)場發(fā)出報警信號。由于電源的電壓、電流和溫度是通過分流器來采樣取得的，而采用不同的分流器，則要進行不同的數(shù)值變換。所以在上下位機中都需要有一套相同的配置表，當(dāng)其中一方的配置表有改動，就要通知另一方，進行及時更新。監(jiān)控中心的計算機由RS一232串口接到通信適配器上，實現(xiàn)計算機與智能節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的傳輸。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，要求傳輸速度較快，并且對重要信息的傳送的可靠性和實時性要求高，因此為了提高系統(tǒng)的可靠性和實時性，該系統(tǒng)的通信接口采用了CAN總線技術(shù)。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 智能節(jié)點的硬件設(shè)計

??? 智能節(jié)點硬件框圖見圖2。由于智能節(jié)點在同一時間可能要進行很多動作，如數(shù)據(jù)的采集，與上位機的通信，界面的顯示等，為了保證數(shù)據(jù)的正確采集和可靠傳輸，本系統(tǒng)采用雙MCU結(jié)構(gòu)，從MCU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、保存和報警功能。而主MCU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，現(xiàn)場的界面顯示等功能。主、從MCU都采用AT89C55。其內(nèi)部具有20K的EPROM，并且自帶看門狗電路，簡化了電路連接，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。它具有雙DPTR結(jié)構(gòu)，從而使片外尋址的編程更加靈活和簡化。

??? ADC8016是逐次比較式16路8位A／D轉(zhuǎn)換器。它包含有一個8位A／D轉(zhuǎn)換器和16路的單端模擬信號多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。在一個智能節(jié)點中需要4塊ADC8016對64路的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。

??? 由于電壓、電流和溫度信號是通過分流器變換成電壓量之后才進行采集的。由于分流器變換出來的電壓量是毫伏級的，而ADC8016的輸入范圍是0～5V，所以由分流器變換出來的電壓量要通過信號放大電路之后才進入AD轉(zhuǎn)換器。信號放大電路由兩級的運算放大器構(gòu)成，從而提高了系統(tǒng)的精度。

??? 為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在數(shù)據(jù)采集芯片ADC0816和AT87C55之間加入光耦隔離。要注意的是，這里要采用快速光耦，因為如果采用光耦的開關(guān)速度太慢，由ADC出來的數(shù)據(jù)是傳送不到采集MCU那邊的。因此我們采用了快速光耦6N137。而現(xiàn)場報警的功能是通過蜂鳴器來實現(xiàn)。

??? 主、從MCU之間的數(shù)據(jù)、信息的傳遞是通過雙口RAM(CY7C007)來實現(xiàn)的。從MCU采集到的數(shù)據(jù)儲存到雙口RAM中，主MCU在適當(dāng)時候從雙口RAM中取出數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行發(fā)送。為了保證采集的數(shù)據(jù)不因下位機掉電或其他故障而丟失，主MCU在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，先把數(shù)據(jù)存放在掉電非易失存儲器里。在CY7C007中地址最高的兩個字節(jié)7FFE、7FFF和兩邊的INTL、INTR引腳可作為左右兩邊的控制信號來用。當(dāng)左邊向7FFE寫數(shù)據(jù)時，右邊的INTR引腳會變低，當(dāng)右邊向7FFE讀數(shù)據(jù)時，INTR引腳復(fù)位，而INTR引腳是低電平有效的。對7FFF做類似的操作時，INTL引腳也會有同樣的功能。而本系統(tǒng)中，就是根據(jù)CY7C007這一特點，把CY7C007的INTR引腳連到主MCU的INT0引腳。當(dāng)從MCU檢測到有故障時，就向雙口RAM的7FFE寫數(shù)據(jù)，從而向主MCU發(fā)出報警信號，讓MCU馬上進入中斷，進行相應(yīng)的處理。

??? 液晶顯示屏和鍵盤實現(xiàn)下位機的人機交換功能。通過鍵盤操作可以修改配置表，主動將更新的配置表上傳，向上位機索取最新的配置表等功能。并且與液晶顯示屏配合，進行各種顯示界面的更換。

??? CAN控制器SJAl000是一個帶有CAN2．0控制協(xié)議的集成器件。只要對它內(nèi)部的各種寄存器的值進行初始化，便能實現(xiàn)不同的通信功能，這簡化了軟件程序的編寫，使開發(fā)者能更集中于通信控制策略的研究。

??? 收發(fā)器82C250作為SJAl000和CAN總線的接口，能提供差動發(fā)送和差動接收，滿足CAN2．0協(xié)議的要求，并提高了系統(tǒng)通信的抗干擾性能。通過對腳8(RS)的不同連接可以實現(xiàn)三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機。本系統(tǒng)中采用斜率控制，以降低射頻干擾。

4 監(jiān)控中心的管理軟件

??? 電源監(jiān)控硬件系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計要保證系統(tǒng)工作的可靠性、穩(wěn)定性，它反映了系統(tǒng)的基本性能。而系統(tǒng)的管理軟件是面向用戶的，它應(yīng)充分發(fā)揮協(xié)調(diào)硬件的技術(shù)能力，同時要盡可能易于操作，提供所需的信息，方便管理。監(jiān)控室的管理軟件采用中文版Visual Basic語言編寫。監(jiān)控軟件的主體功能如圖3所示。它具有CAN通信進程，配置表的設(shè)置，電壓電流值的換算，當(dāng)前數(shù)據(jù)值顯示，故障信息顯示，故障前后數(shù)據(jù)曲線圖顯示，時鐘同步等功能。

??? 通信進程是完成數(shù)據(jù)進出的核心功能。它要接收或發(fā)送配置表，使上下位機的配置表一致；接收故障信息；完成正常數(shù)據(jù)傳送的握手協(xié)議；發(fā)送對時幀，使各節(jié)點時鐘同步。

??? 為了避免其他人隨便改動配置表的信息，在進入配置表設(shè)置之前必須進行密碼認(rèn)證。而配置表的設(shè)置用于分流器類型的設(shè)定，定義標(biāo)識地址上節(jié)點的數(shù)據(jù)鏈接指向，包括該節(jié)點監(jiān)控的是哪一個位置的數(shù)據(jù)，該路采集的是總電源、支路電源還是溫度的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)是通過分流器變換之后才進行采集的，并且上傳來的數(shù)據(jù)是十六進制的，所以在上位機要對接收到的數(shù)據(jù)進行一定的換算。

??? 通過觀察接收數(shù)據(jù)的變化，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場的通信電源工作情況，及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的位置和類型。當(dāng)出現(xiàn)故障時，可以調(diào)用故障出現(xiàn)前后的數(shù)據(jù)，畫出曲線，通過觀察曲線，可以對故障進行分析。

??? 監(jiān)控室的上位機每隔12個小時就會把當(dāng)前的時間發(fā)送給智能節(jié)點，智能節(jié)點一旦發(fā)現(xiàn)本身的時鐘和上位機的時鐘的差值超過允許范圍，就對本身的時鐘進行修改，保證數(shù)據(jù)采集的同時陛。

5 結(jié)束語

??? 該多路電源智能監(jiān)控系統(tǒng)已在某郵電通信公司中使用。經(jīng)過調(diào)試和運行，證明該多路電源智能監(jiān)控系統(tǒng)采用CAN總線技術(shù)能夠達(dá)到很好的實時性和可靠性的要求。