基于CAN總線(xiàn)的分布式監控系統智能節點(diǎn)設計
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現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）是繼直接數字控制（DDC）、集散控制系統（DCS）之后的一種新型的控制系統，是一種全開(kāi)放、全數字、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò )，具有全分散性控的體系結構[1]。其顯著(zhù)特點(diǎn)是通過(guò)開(kāi)放性總線(xiàn)把現場(chǎng)設備連接成網(wǎng)絡(luò )，各智能設備能夠完成自動(dòng)控制和運行狀態(tài)的自行診斷，并且能夠通過(guò)總線(xiàn)實(shí)現設備之間的通信，從而簡(jiǎn)化了系統結構，提高了可靠性。CAN（ControllerAreaNetwork）總線(xiàn)，又稱(chēng)控制器局域網(wǎng)，是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。由于其高性能、高可靠性、及獨特的設計和適宜的價(jià)格而廣泛應用于工業(yè)現場(chǎng)控制、智能樓宇、醫療器械、交通工具以及傳感器等領(lǐng)域，并已被公認為幾種最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。傳統的集散型控制系統（DCS）存在系統不開(kāi)放、硬件投資大、布線(xiàn)復雜、維修不便的缺點(diǎn)，具有明顯的局限性。本文給出了一種基于CAN總線(xiàn)的智能節點(diǎn)軟硬件的設計方案，應用于潛水電機分布式監控系統中。
2系統整體方案設計
整個(gè)系統由監控計算機、PC-CAN適配卡、智能監控節點(diǎn)（n110）、CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )組成，其系統結構如圖1所示。分布在現場(chǎng)的監控節點(diǎn)可以獨立對電機進(jìn)行智能控制和保護;監控計算機可以通過(guò)CAN總線(xiàn)網(wǎng)和各個(gè)控制節點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，從而實(shí)現潛水電泵機組的分散控制和集中監管。
監控系統中的控制節點(diǎn)由CAN控制器、CAN收發(fā)器和外圍電路（如：光耦隔離、I2C、LED顯示等）組成。監控計算機可以選用普通PC或工控機IPC。PC-CAN適配卡用來(lái)完成CAN總線(xiàn)和監控計算機之間的協(xié)議轉換，可以選用PCI總線(xiàn)適配卡、ISA總線(xiàn)適配卡或RS232串行通信適配器。各個(gè)控制節點(diǎn)之間通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)互聯(lián)構成CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，總線(xiàn)兩端連接120Ω的阻抗匹配電阻，用來(lái)提高系統的穩定性、增強系統的抗干擾能力。
3監控節點(diǎn)的硬件設計
目前，市場(chǎng)上有兩種CAN總線(xiàn)器件可以選擇：一種是片內集成CAN的微控制器，如P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376等;另一種是獨立的CAN控制器，如控制Philips公司的SJA1000、82C200、,Intel公司的82526、以及Microchip公司的MCP2510等，但是獨立的CAN控制芯片需要外接一個(gè)微處理器才能運行。本文設計中選用的是Philips公司的帶有在片CAN控制器的P87C591微型控制器，這樣大大簡(jiǎn)化了節點(diǎn)的硬件電路設計，減少了程序的復雜程度，提高系統的可靠性。
3.1監控節點(diǎn)的構成
監控節點(diǎn)硬件電路設計上采用了模塊化結構，由微控制器、CAN通信模塊、傳感器組件、數據采集模塊、電機控制模塊、LED顯示模塊、現場(chǎng)設置模塊組成，其整體結構如圖2所示。根據具體情況可以只選用其中的部分模塊。例如：可以去掉顯示模塊和現場(chǎng)設置模塊，利用監控計算機實(shí)現數據顯示和參數設置的功能。在單機運行時(shí)，可以不使用CAN通信模塊。
3.2監控節點(diǎn)的功能
監控節點(diǎn)各個(gè)組成部分的功能如下：
?。?）傳感器組件：用來(lái)檢測潛水電機的運行狀況，包括：溫度傳感器、電流互感器、液位傳感器。分別用來(lái)檢測電機三相定子的溫度、三相主電流、和電泵腔內的水位，可以有效的監測潛水電機的過(guò)流、過(guò)熱、缺相、短路、滲漏等異?，F象。
?。?）數據采集模塊：將傳感器采集到的模擬信號轉變?yōu)閿底中盘柌⑼ㄟ^(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)送入微控制器，CPU得到電機定子溫度、電流、液位信息做出相應的判斷，并送至不同的子程序進(jìn)行相應的處理。
?。?）電機控制模塊：CPU判斷電機定子溫度、電流、液位中的任一項值超出正常值范圍時(shí)，都會(huì )通過(guò)SSR（過(guò)零觸發(fā)型交流固態(tài)繼電器）觸發(fā)相應的異常處理電路，使電機得到保護。
?。?）LED顯示模塊：采用基于I2C總線(xiàn)的顯示技術(shù)，通過(guò)LED數碼管實(shí)時(shí)顯示電機運行過(guò)程中定子的溫度和電流值。并可以在設置模式下顯示待定置參數的當前值。當電機出現非正常停機時(shí)發(fā)光二極管可以指示出故障的類(lèi)型，方便檢查處理。
?。?）CAN通信模塊：CAN總線(xiàn)通信接口電路主要由P87C591的片內CAN驅動(dòng)器SJA1000、6N137高速光隔、CAN收發(fā)器PCA82C250組成。P87C591完成CAN協(xié)議的應用層功能，SJA1000完成物理層和數據鏈路層的功能。PCA82C250提供了對總線(xiàn)差動(dòng)發(fā)送和接受數據的功能，有效的提高了總線(xiàn)的抗干擾能力，實(shí)現了保護總線(xiàn)、降低射頻干擾等功能。6N137隔離控制電路和收發(fā)器電路，能夠有效地抑制由總線(xiàn)引入的干擾，進(jìn)一步提高了系統的可靠性。
?。?）現場(chǎng)設置模塊：采用基于8255的鍵盤(pán)和基于X25045的E2PROM，實(shí)現節點(diǎn)工作參數現場(chǎng)設定能。X25045存儲報警電流、停機電流、報警溫度、停機溫度、節點(diǎn)地址、波特率等信息。這些參數都可以通過(guò)按鍵進(jìn)行設置。除了節點(diǎn)地址外，其它的參數也可以通過(guò)監控計算機設置。
4監控節點(diǎn)的軟件設計
4.1軟件設計的總體結構
與節點(diǎn)硬件設計相一致，軟件設計也遵循模塊化的設計原則，使控制軟件具有易讀、易擴展和易維護的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)C51語(yǔ)言編寫(xiě)相應的軟件模塊實(shí)現上述監控節點(diǎn)的各種功能。軟件的各功能模塊之間通過(guò)入口和出口參數相互聯(lián)系，組合靈活且方便，減少了調試時(shí)間，縮短了開(kāi)發(fā)周期。監控節點(diǎn)的軟件設計流程如圖3所示。
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