技術頻道

      基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)智能節(jié)點設計

      1 引言

        現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)是繼直接數(shù)字控制(DDC)、集散控制系統(tǒng)(DCS)之后的一種新型的控制系統(tǒng),是一種全開放、全數(shù)字、多點通信的底層控制網(wǎng)絡,具有全分散性控的體系結構[1]。其顯著特點是通過開放性總線把現(xiàn)場設備連接成網(wǎng)絡,各智能設備能夠完成自動控制和運行狀態(tài)的自行診斷,并且能夠通過總線實現(xiàn)設備之間的通信,從而簡化了系統(tǒng)結構,提高了可靠性。 CAN(Controller Area Network)總線,又稱控制器局域網(wǎng),是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡。由于其高性能、高可靠性、及獨特的設計和適宜的價格而廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場控制、智能樓宇、醫(yī)療器械、交通工具以及傳感器等領域,并已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。傳統(tǒng)的集散型控制系統(tǒng)(DCS)存在系統(tǒng)不開放、硬件投資大、布線復雜、維修不便的缺點,具有明顯的局限性。本文給出了一種基于CAN總線的智能節(jié)點軟硬件的設計方案,應用于潛水電機分布式監(jiān)控系統(tǒng)中。

      2 系統(tǒng)整體方案設計


      圖1 分布式監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

        整個系統(tǒng)由監(jiān)控計算機、PC-CAN適配卡、智能監(jiān)控節(jié)點(n<110)、CAN總線網(wǎng)絡組成,其系統(tǒng)結構如圖1所示。分布在現(xiàn)場的監(jiān)控節(jié)點可以獨立對電機進行智能控制和保護;監(jiān)控計算機可以通過CAN總線網(wǎng)和各個控制節(jié)點之間進行實時通信,從而實現(xiàn)潛水電泵機組的分散控制和集中監(jiān)管。

        監(jiān)控系統(tǒng)中的控制節(jié)點由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(jiān)控計算機可以選用普通PC或工控機 IPC 。PC-CAN適配卡用來完成CAN總線和監(jiān)控計算機之間的協(xié)議轉換,可以選用PCI總線適配卡、ISA總線適配卡或RS232串行通信適配器。各個控制節(jié)點之間通過屏蔽雙絞線互聯(lián)構成CAN總線網(wǎng)絡,總線兩端連接120Ω的阻抗匹配電阻,用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

      3 監(jiān)控節(jié)點的硬件設計

        目前,市場上有兩種CAN總線器件可以選擇: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,這樣大大簡化了節(jié)點的硬件電路設計,減少了程序的復雜程度,提高系統(tǒng)的可靠性。

      3.1監(jiān)控節(jié)點的構成

        監(jiān)控節(jié)點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(shù)據(jù)采集模塊、電機控制模塊、LED顯示模塊、現(xiàn)場設置模塊組成,其整體結構如圖2所示。根據(jù)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(xiàn)場設置模塊,利用監(jiān)控計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設置的功能。在單機運行時,可以不使用CAN通信模塊。


      圖2 監(jiān)控節(jié)點結構框圖

      3.2監(jiān)控節(jié)點的功能

        監(jiān)控節(jié)點各個組成部分的功能如下:

        (1)傳感器組件:用來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(jiān)測潛水電機的過流、過熱、缺相、短路、滲漏等異常現(xiàn)象。

        (2)數(shù)據(jù)采集模塊:將傳感器采集到的模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號并通過多路模擬開關送入微控制器,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行相應的處理。

        (3)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,都會通過SSR(過零觸發(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。

        (4)LED顯示模塊:采用基于I2C總線的顯示技術,通過LED數(shù)碼管實時顯示電機運行過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(shù)的當前值。當電機出現(xiàn)非正常停機時發(fā)光二極管可以指示出故障的類型,方便檢查處理。

        (5)CAN通信模塊:CAN總線通信接口電路主要由P87C591的片內CAN驅動器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(shù)據(jù)鏈路層的功能。PCA82C250提供了對總線差動發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的功能,有效的提高了總線的抗干擾能力,實現(xiàn)了保護總線、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引入的干擾,進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

        (6)現(xiàn)場設置模塊:采用基于8255的鍵盤和基于X25045的E2PROM,實現(xiàn)節(jié)點工作參數(shù)現(xiàn)場設定能。X25045存儲報警電流、停機電流、報警溫度、停機溫度、節(jié)點地址、波特率等信息。這些參數(shù)都可以通過按鍵進行設置。除了節(jié)點地址外,其它的參數(shù)也可以通過監(jiān)控計算機設置。

      4 監(jiān)控節(jié)點的軟件設計

      4.1軟件設計的總體結構

        與節(jié)點硬件設計相一致,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。通過C51語言編寫相應的軟件模塊實現(xiàn)上述監(jiān)控節(jié)點的各種功能。軟件的各功能模塊之間通過入口和出口參數(shù)相互聯(lián)系,組合靈活且方便,減少了調試時間,縮短了開發(fā)周期。監(jiān)控節(jié)點的軟件設計流程如圖3所示。


      圖3 監(jiān)控節(jié)點軟件設計流程圖

      4.2監(jiān)控節(jié)點通信程序設計

        監(jiān)控節(jié)點的通信采用CAN總線2.0A協(xié)議,通信模塊的軟件設計主要由初始化程序、發(fā)送程序、接收程序三部分組成。其中初始化程序是實現(xiàn)通信的關鍵,它主要用來完成CAN控制器工作方式的選擇,即對P87C591中CAN控制器控制段中的寄存器進行設置,包括:總線定時寄存器和輸出控制寄存器設置;接收驗收濾波寄存器和濾波屏蔽寄存器設置;設置發(fā)送數(shù)據(jù)幀類型(標準幀或擴展幀)、標識符、數(shù)據(jù)長度。初始化過程是在CAN控制器復位模式下完成的,監(jiān)控節(jié)點通信的初始化程序流程如圖4所示。


      圖4 CAN初始化程序流程圖

        監(jiān)控節(jié)點與CAN總線之間的數(shù)據(jù)交換是通過發(fā)送程序和接收程序實現(xiàn)的。發(fā)送程序流程如圖5所示,從圖5中可以看出系統(tǒng)的每個節(jié)點采用定時中斷的方式主動向監(jiān)控計算機發(fā)送數(shù)據(jù)。這是利用了CAN總線可以采用多主機方式通信的特點。由于實時監(jiān)控功能是由各個控制節(jié)點完成,而監(jiān)控計算機主要用來實現(xiàn)管理功能,所以采用了定時上傳數(shù)據(jù)的方法,而沒有實時上傳所有傳感器采集到的數(shù)據(jù),從而減輕了總線負擔。這也是分布式控制方法相對于集中控制方法的一個優(yōu)點。圖 6為接收程序流程圖,接收緩沖區(qū)用來存放CAN總線上發(fā)來的數(shù)據(jù),CPU讀取數(shù)據(jù)后接收緩沖區(qū)將被清空,等待接收新的數(shù)據(jù)。


      圖5 發(fā)送程序流程圖


      圖6 接收程序流程圖

      5 結束語

        本文設計的基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)智能節(jié)點經(jīng)過現(xiàn)場調試,可以對潛水電機運行過程中出現(xiàn)的過流、過熱、短路、滲漏情況做出處理,對電機起到了保護作用;節(jié)點與上位計算機之間的數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠;可以通過現(xiàn)場設置模塊修改節(jié)點的參數(shù)。實驗表明了節(jié)點的適用性和可靠性,開發(fā)過程中所提出的技術方案和實現(xiàn)方法可以在分布式監(jiān)控系統(tǒng)及工業(yè)底層監(jiān)控網(wǎng)絡的現(xiàn)場智能節(jié)點設計中推廣應用。

        本文作者創(chuàng)新點: 設計了一種基于P87C591的智能監(jiān)控節(jié)點,在軟/硬件設計中均采用了模塊化的結構,具有高度的靈活性和廣泛的適用性。

      參考文獻:

        [1] 陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術及其應用[M]. 北京:清華大學出版社,1999.

        [2] 饒運濤,鄒繼軍,鄭勇蕓. 現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2003.

        [3] 楊 飛,鄭貴林. 基于CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)設計[J],微計算機信息(嵌入式與SOC),2005年第21卷第7期:34-36

        [4] 蔣建文,林 勇,韓江洪. CAN總線通信協(xié)議的分析和實現(xiàn)[J],計算機工程,2002年第2期:219-221

        [5] 李 貌,秦霆鎬,閆世曉. MCP2515在CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點的應用[J],微計算機信息(嵌入式與SOC),2005年第21卷第7期:37-39

        [6] 馮 歷,潘松峰,趙正德,張秀虹. 基于CAN總線測控網(wǎng)絡系統(tǒng)研究[J],計算機測量與控制,2004年第2期:117-119

      文章版權歸西部工控xbgk所有,未經(jīng)許可不得轉載。

      主站蜘蛛池模板: 国产精品一区二区在线观看| 中文字幕日韩一区二区不卡| 精品一区二区无码AV| 日韩精品成人一区二区三区| 午夜影院一区二区| 精品一区二区三区色花堂| 成人无码AV一区二区| 久久精品国产AV一区二区三区| 蜜桃视频一区二区| 国产91大片精品一区在线观看| 国产在线精品一区免费香蕉| 国产a久久精品一区二区三区| 国产成人精品第一区二区| 国产精品一区二区av| 一区二区国产在线播放| 香蕉久久ac一区二区三区| 精品国产AV一区二区三区| 无码国产精品一区二区免费16| 青娱乐国产官网极品一区| 国产精品久久久久久一区二区三区| 一区高清大胆人体| 久久久精品人妻一区亚美研究所| 制服中文字幕一区二区| 国产美女露脸口爆吞精一区二区| 国产无人区一区二区三区| 国产一区二区三区播放心情潘金莲| 午夜性色一区二区三区免费不卡视频 | 国产一区二区内射最近更新| 精品免费久久久久国产一区| 免费人妻精品一区二区三区| 国产一区二区在线观看视频| 国产微拍精品一区二区| 国产伦一区二区三区免费| 国产SUV精品一区二区88| 国产乱码精品一区二区三区中| 亚洲美女视频一区二区三区| 亚洲国产欧美一区二区三区| 国产成人精品一区二三区| 人妻免费一区二区三区最新| 无码乱人伦一区二区亚洲| 亚洲av永久无码一区二区三区 |