智能斷路器的CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計

0 引言

近年來(lái)，智能脫扣器技術(shù)在國內有了較快的發(fā)展。智能脫扣器的成功應用，使得斷路器的功能更加強大。目前，國內外研究生產(chǎn)的智能脫扣器能顯示開(kāi)關(guān)狀態(tài)、三相電流、電壓、功率因數、有功功率等參數。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(shí)時(shí)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，被廣泛應用于工業(yè)控制等領(lǐng)域。因此，國內外大都將比較成熟的CAN 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用在智能脫扣器的通信方面，實(shí)現上下位機的“四遙”功能，即遙測、遙控、遙信和遙調。上位機CAN 主要對下位機采集到的信號進(jìn)行監控、調度和管理。上位機作為一個(gè)特殊的CAN 節點(diǎn)，其設計相對復雜。本文將重點(diǎn)介紹上位機CAN 智能節點(diǎn)硬件和軟件的設計方案，以及如何把MCGS 與CAN 總線(xiàn)結合起來(lái)使用，即MCGS 如何操作CAN 總線(xiàn)接口卡。

1 設計原理

電網(wǎng)信號經(jīng)過(guò)下位機采集，A/D 轉換和數據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(shí)現工作人員對各個(gè)斷路器工作狀態(tài)的監控，并且通過(guò)上位機界面能夠實(shí)現對下位機發(fā)送參數命令，實(shí)現對下位機的調控。該功能是依靠上位機這個(gè)特殊的CAN 節點(diǎn)實(shí)現的。

上位機CAN 節點(diǎn)設計的總體結構如圖1 所示。在CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，ARM 節點(diǎn)作為下位機來(lái)工作，它們采集現場(chǎng)的數據，采集上來(lái)的數據需要傳到上位PC 機上進(jìn)行進(jìn)一步處理，通過(guò)監控軟件監控下位機節點(diǎn)的工作狀態(tài)。上位PC 機作為CAN 總線(xiàn)上一個(gè)比較特殊的節點(diǎn)，其設計相對復雜。上位機和下位機智能節點(diǎn)通信是以USBCAN卡為橋梁的，即利用CAN 卡的OPC 接口驅動(dòng)軟件，解決CAN 總線(xiàn)與PC 之間的通信問(wèn)題。通過(guò)調用CAN 卡的動(dòng)態(tài)連接庫(. DLL)，利用自定義CAN 應用層協(xié)議實(shí)現與CAN 總線(xiàn)應用系統的連接;通過(guò)OPC 服務(wù)器連接的函數接口，調用動(dòng)態(tài)連接庫來(lái)實(shí)現與監控軟件的連接。因此，上位機設計主要是利用USBCAN 驅動(dòng)程序，調用USBCAN接口卡所提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫，達到操作USBCAN接口卡的目的，利用CAN 卡的OPC 接口驅動(dòng)軟件，來(lái)實(shí)現數據管理人機界面設計。



圖1 軟件結構示意圖.

2 CAN 總線(xiàn)上位機節點(diǎn)的設計

2. 1 硬件電路設計

一般說(shuō)來(lái)，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)用計算機在某些應用場(chǎng)合還是離不開(kāi)CAN-bus，因此，就需要現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(shuō)，CAN通信適配卡加上計算機就組成一個(gè)特殊的CAN節點(diǎn)。本設計采用USBCAN-2A 型CAN 卡，主機通過(guò)USB 接口控制電路來(lái)訪(fǎng)問(wèn)CAN 控制器，最終完成數據通信。計算機作為CAN 節點(diǎn)，接收來(lái)自下位機ARM 節點(diǎn)采集的數據，將一些控制參數發(fā)送給下位機，并通過(guò)組態(tài)界面實(shí)現對下位機的監控等功能。

USBCAN-2A 智能CAN 接口卡是與USB1. 1總線(xiàn)兼容的，帶有2 路CAN 接口的智能型CAN數據卡，符合CAN2. 0B 規范，兼容CAN2. 0A，符合ISO/IS 11898，其通信波特率可以通過(guò)編程任意設置，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，增強系統在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

USBCAN-2A 卡提供了很多庫函數，PC 機通過(guò)對USBCAN-2A 接口庫函數的操作，實(shí)現對USBCAN-2A 接口卡的操作。上位機主要實(shí)現對CAN 卡的初始化和對CAN 的讀寫(xiě)操作。

為了增強CAN 通信的可靠性，CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的2 個(gè)端點(diǎn)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(xiàn)的特性阻抗為120 Ω，因此CAN-bus 網(wǎng)絡(luò )采用直線(xiàn)拓撲結構時(shí)，總線(xiàn)的2 個(gè)終端需要安裝120 Ω 的終端電阻。CAN-bus 總線(xiàn)的連接如圖2所示。



圖2 CAN-bus 總線(xiàn)連接圖.

USBCAN-2A 接口卡內部沒(méi)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(gè)端點(diǎn)上時(shí)，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(shí)的連接方法.