基于CAN總線的多路電源智能智能監控系統

0 引言

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

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、通信速率高、成本低等特點，是一種被廣泛使用的數據通信總線。但485總線的波特率設置受到單片機的波特率設置的限制，在單片機使用24M晶振的情況下，也只可以設置到9600bps的波特率。485總線的容錯和應用層的協議，可以自己通過軟件來實現，比較靈活，但是編程的工作就變得復雜。因此在對速度要求高、數據傳送量大的大型系統中，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，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。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lMbps(采用雙絞線通訊距離40m)、最遠通訊距離為10km(可達5kbps)。

??? (2)CAN總線采用了短幀結構，每一幀為8個字節，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，保證了數據的出錯率極低，從而提高了傳送數據的可靠性。

??? (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，當有幾個節點同時發送信息的時候，根據幀開始部分的標識符，進行逐位仲裁，優先級別高的信息會不受影響地繼續發送，優先級別低的信息就會停止發送，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，無需專門的調度。

??? 由此可見，CAN總線具有傳送數據實時性和可靠性高的優點，能應用于數據傳送量大、數據傳輸的速度要求高的系統中。

2 電源智能監控系統的構成

??? 郵電通信線路的供電電源是±48V。監控系統對現場的溫度、總電源和各通支路電源的電壓和電流進行采集。本監控系統由位于監控中心的上位機(PC機)和現場多個智能節點組成。每一個智能節點可以采集64路的數據(電壓、電流或溫度)、具有現場的界面顯示、鍵盤操作、報警和與上位機通信等功能。在正常的情況下，位于現場的各個智能節點每隔一段時間就要把當前64路的數據上傳給上位機。當線路的電源出現故障時，無論當前正在進行什么操作，智能節點都會馬上發送故障信息給上位機，并且在現場發出報警信號。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，則要進行不同的數值變換。所以在上下位機中都需要有一套相同的配置表，當其中一方的配置表有改動，就要通知另一方，進行及時更新。監控中心的計算機由RS一232串口接到通信適配器上，實現計算機與智能節點網絡的傳輸。由于傳輸的數據量大，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，因此為了提高系統的可靠性和實時性，該系統的通信接口采用了CAN總線技術。整個系統的結構圖如圖1所示。

3 智能節點的硬件設計

??? 智能節點硬件框圖見圖2。由于智能節點在同一時間可能要進行很多動作，如數據的采集，與上位機的通信，界面的顯示等，為了保證數據的正確采集和可靠傳輸，本系統采用雙MCU結構，從MCU負責數據的采集、保存和報警功能。而主MCU負責數據的轉發，現場的界面顯示等功能。主、從MCU都采用AT89C55。其內部具有20K的EPROM，并且自帶看門狗電路，簡化了電路連接，提高了系統的抗干擾性。它具有雙DPTR結構，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轉換器。它包含有一個8位A／D轉換器和16路的單端模擬信號多路轉換開關。在一個智能節點中需要4塊ADC8016對64路的數據進行轉換。

??? 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轉換器。信號放大電路由兩級的運算放大器構成，從而提高了系統的精度。

??? 為了提高系統的抗干擾能力，在數據采集芯片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速度太慢，由ADC出來的數據是傳送不到采集MCU那邊的。因此我們采用了快速光耦6N137。而現場報警的功能是通過蜂鳴器來實現。

??? 主、從MCU之間的數據、信息的傳遞是通過雙口RAM(CY7C007)來實現的。從MCU采集到的數據儲存到雙口RAM中，主MCU在適當時候從雙口RAM中取出數據，并對數據進行發送。為了保證采集的數據不因下位機掉電或其他故障而丟失，主MCU在數據發送之前，先把數據存放在掉電非易失存儲器里。在CY7C007中地址最高的兩個字節7FFE、7FFF和兩邊的INTL、INTR引腳可作為左右兩邊的控制信號來用。當左邊向7FFE寫數據時，右邊的INTR引腳會變低，當右邊向7FFE讀數據時，INTR引腳復位，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。而本系統中，就是根據CY7C007這一特點，把CY7C007的INTR引腳連到主MCU的INT0引腳。當從MCU檢測到有故障時，就向雙口RAM的7FFE寫數據，從而向主MCU發出報警信號，讓MCU馬上進入中斷，進行相應的處理。

??? 液晶顯示屏和鍵盤實現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控制協議的集成器件。只要對它內部的各種寄存器的值進行初始化，便能實現不同的通信功能，這簡化了軟件程序的編寫，使開發者能更集中于通信控制策略的研究。

??? 收發器82C250作為SJAl000和CAN總線的接口，能提供差動發送和差動接收，滿足CAN2．0協議的要求，并提高了系統通信的抗干擾性能。通過對腳8(RS)的不同連接可以實現三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機。本系統中采用斜率控制，以降低射頻干擾。

4 監控中心的管理軟件

??? 電源監控硬件系統的規劃設計要保證系統工作的可靠性、穩定性，它反映了系統的基本性能。而系統的管理軟件是面向用戶的，它應充分發揮協調硬件的技術能力，同時要盡可能易于操作，提供所需的信息，方便管理。監控室的管理軟件采用中文版Visual Basic語言編寫。監控軟件的主體功能如圖3所示。它具有CAN通信進程，配置表的設置，電壓電流值的換算，當前數據值顯示，故障信息顯示，故障前后數據曲線圖顯示，時鐘同步等功能。

??? 通信進程是完成數據進出的核心功能。它要接收或發送配置表，使上下位機的配置表一致；接收故障信息；完成正常數據傳送的握手協議；發送對時幀，使各節點時鐘同步。

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

??? 通過觀察接收數據的變化，可以遠程監控現場的通信電源工作情況，及時發現出現故障的位置和類型。當出現故障時，可以調用故障出現前后的數據，畫出曲線，通過觀察曲線，可以對故障進行分析。

??? 監控室的上位機每隔12個小時就會把當前的時間發送給智能節點，智能節點一旦發現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，保證數據采集的同時陛。

5 結束語

??? 該多路電源智能監控系統已在某郵電通信公司中使用。經過調試和運行，證明該多路電源智能監控系統采用CAN總線技術能夠達到很好的實時性和可靠性的要求。