基于CAN總線(xiàn)的閥門(mén)遠程控制系統
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主控制模塊是整個(gè)下位機的核心，由單片機的最小系統構成，協(xié)調其他四個(gè)模塊工作，完成下位機的控制功能?？紤]到閥門(mén)的運行信息采集點(diǎn)和故障信息采集點(diǎn)的數量和系統開(kāi)發(fā)的難易程度，本系統選擇了PHILIP公司MCS51系列單片機80C552，它具有256字節可讀寫(xiě)的RAM數據存儲器、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/計數器、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轉換器、2路脈沖寬度調制輸出、2個(gè)串行口（異步串行口和I2C總線(xiàn)口），還集成了看門(mén)狗定時(shí)器。
②電源監測模塊
閥門(mén)在工作過(guò)程中會(huì )因為某些原因出現主電源回路掉電的情況，用戶(hù)要求在這種情況下，下位機系統的監控部分仍能短期工作，并把這種故障及時(shí)上傳到上位機監控系統，以便操作人員及早發(fā)現、及時(shí)排除。為此，本文在下位機控制機中設計了電源監測模塊，實(shí)現對閥門(mén)供電情況的監測，并能實(shí)現主電源與備用電源間的切換，電路結構如圖5所示。由于主電源回路掉電時(shí)，備用電源僅為單片機系統供電，加之這時(shí)的單片機系統工作于節電運行方式，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(mǎn)足維修的需要。
這部分是下位機控制系統的輸入、輸出部分，主要完成閥門(mén)各種報警信號、開(kāi)度的采集，對閥門(mén)開(kāi)、關(guān)、停的控制等，其結構如圖6所示。在數據采集電路中，除了采集基本的運行狀態(tài)外，還增加了電機缺相、轉矩越限、電機過(guò)熱、熔斷器損壞、行程開(kāi)關(guān)到位、緊急制動(dòng)狀態(tài)等大量的信號采集點(diǎn)，提高了下位機的監控能力。閥門(mén)中的采集信號和控制信號多數為強電信號，為了使單片機系統免受影響，在電路中采用了隔離設計，增加了系統的可靠性。
④人機接口模塊
對閥門(mén)的運行除了可通過(guò)上位機遠程控制外，還保留了現場(chǎng)控制功能，這主要通過(guò)現場(chǎng)手操器完成，它是下位機中的人機接口模塊。手操器由鍵盤(pán)和數碼管顯示電路組成。在手操器的設計中采用了I2C總線(xiàn)技術(shù)，鍵盤(pán)電路采用了具有I2C接口的輸入輸出擴展芯片PCF8574，顯示電路采用了具有I2C接口的數碼管顯示驅動(dòng)芯片SAA1064，單片機80C552本身就集成有I2C總線(xiàn)接口，為系統的軟硬件設計提供了方便。手操器的硬件結構如圖7所示。另外，I2C總線(xiàn)支持帶電插拔，給手操器的使用帶來(lái)了極大的方便，使用者可以在不妨礙閥門(mén)正常工作的情況下，拆裝手操器。
⑤通信功能模塊
通信電路是下位機中的CAN總線(xiàn)接口部分，是提供閥門(mén)遠程控制功能的核心部分。它由CAN控制器SJA1000、CAN驅動(dòng)器82C250以及光電隔離電路構成，電路結構如圖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(mǎn)足不同使用的需要，在下位機中還設計了微動(dòng)開(kāi)關(guān)，用于設置不同的通信波特率和不同閥門(mén)的地址選擇。
3.2下位機軟件設計
下位機軟件用C51語(yǔ)言編寫(xiě)，程序的可讀性、可移植性大大提高。下位機軟件主要完成閥門(mén)的狀態(tài)和故障的采集、閥門(mén)開(kāi)度采集、執行開(kāi)關(guān)停閥門(mén)的動(dòng)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(xiàn)通信中斷服務(wù)程序。
①主程序的設計
下位機軟件的主要工作是采集閥門(mén)的信號、控制閥門(mén)運動(dòng)以及響應上位機的請求或命令。下位機系統初始化后進(jìn)入主程序循環(huán)，為了準確采集閥門(mén)開(kāi)度和避免誤報警，對輸入信號都進(jìn)行了簡(jiǎn)單的數字濾波，下位機對這些信號綜合分析后，根據開(kāi)度要求控制閥門(mén)的開(kāi)、關(guān)、停動(dòng)作。下位機具有現場(chǎng)控制、遠程控制兩種控制方式，可由現場(chǎng)開(kāi)關(guān)來(lái)區分，在這兩種控制方式下，下位機都可以根據上位機的要求進(jìn)行運行數據的上傳。所不同的是，在現場(chǎng)控制時(shí)，操作者在現場(chǎng)用手操器進(jìn)行控制，這時(shí)上位機對下位機只能監視，不能控制；遠程控制時(shí)，下位機通過(guò)分析上位機命令來(lái)對閥門(mén)進(jìn)行控制。下位機主程序軟件流程如圖9所示。
②CAN中斷服務(wù)程序的設計
當上位機向下位機發(fā)出數據請求或命令時(shí)，下位機就會(huì )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)行現場(chǎng)保護，然后讀取SJA1000的中斷寄存器，分析是哪種中斷并置相應的標志位，如果是接收中斷，則置接收數據標志并讀取數據，然后釋放緩存，最后恢復現場(chǎng)，中斷返回。CAN中斷服務(wù)程序如圖10所示。
由于下位機要嵌入到閥門(mén)電裝的腔體中，電磁干擾嚴重，在設計中采用了多種軟、硬件抗干擾設計，由于篇幅原因，不再一一詳述。
4結束語(yǔ)
本文提及的技術(shù)已經(jīng)在天津閥門(mén)公司生產(chǎn)的QT、OOM、SMC、ZA等系列電動(dòng)閥門(mén)中得到應用，使其成為具有遠程控制功能和故障診斷功能的電動(dòng)閥門(mén)。由這些閥門(mén)構成的遠程閥門(mén)控制系統已經(jīng)實(shí)際運行了近一年時(shí)間，運行情況良好，達到了設計要求，并通過(guò)了天津市科委組織的專(zhuān)家鑒定。目前，正在準備產(chǎn)品的中試，同時(shí)加緊應用層協(xié)議的規范化，力圖盡快推出滿(mǎn)足DEVICENET的電動(dòng)閥門(mén)產(chǎn)品。相信隨著(zhù)這類(lèi)產(chǎn)品的推向市場(chǎng)，必將推動(dòng)我國現場(chǎng)總線(xiàn)執行器的發(fā)展。
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