基于CAN總線的智能繼電器研究

摘要：為解決電氣系統(tǒng)中控制距離短，開(kāi)關(guān)響應(yīng)實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，一般智能節(jié)點(diǎn)容易受到外界干擾，系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)丟失等一些列問(wèn)題，結(jié)合微電子技術(shù)、微處理器的特點(diǎn)，以及CAN總線的優(yōu)勢(shì)，對(duì)以AT89C51和SJA1000為控制核心，采用模塊化編程設(shè)計(jì)的基于CAN總線的智能繼電器進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，能更進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制距離，有效檢測(cè)系統(tǒng)中的大電流，并及時(shí)通斷開(kāi)關(guān)，對(duì)突發(fā)性電源故障能進(jìn)行可靠檢測(cè)，并及時(shí)保存重要數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的抗干擾性，也可以接入CAN總線網(wǎng)絡(luò)，使得對(duì)繼電器的控制變得更為靈活。

關(guān)鍵詞：CAN總線；智能繼電器；微電子技術(shù)；模塊化編程

0 引言

過(guò)去的幾十年里，在很多電氣設(shè)備中，比如車(chē)輛、艦船、飛機(jī)等中的電氣用電設(shè)備，它們一直采用保險(xiǎn)絲盒斷路器等被動(dòng)防護(hù)裝置，致使無(wú)法故障預(yù)警，故障診斷起來(lái)也比較困難，嚴(yán)重影響了設(shè)備的整體性能；同時(shí)，由于總線類(lèi)設(shè)備能提供信息查詢(xún)、故障記錄、參數(shù)保護(hù)等功能。因此在一些底層器件中引入總線技術(shù)，能更方便用戶(hù)配置系統(tǒng)，就像設(shè)備中多了很多對(duì)眼睛，可以很好地把握設(shè)備的工作情況。所以研發(fā)具有預(yù)警和診斷功能的新器件勢(shì)在必行。

本文中主要是在繼電器中引入總線技術(shù)，使得繼電器具有總線通信功能。通過(guò)總線繼電器控制模塊可以將具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化功能的電器節(jié)點(diǎn)模塊有機(jī)的組合起來(lái)，構(gòu)成一種新的電氣負(fù)載管理系統(tǒng)，即針對(duì)系統(tǒng)發(fā)出的指令進(jìn)行邏輯切換和信息反饋，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、過(guò)載保護(hù)、狀態(tài)檢測(cè)及故障記錄等功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性。下面將結(jié)合總線智能繼電器的功能從5個(gè)方面來(lái)研究它的軟件設(shè)計(jì)：系統(tǒng)初始化、報(bào)文的收發(fā)處理、信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、看門(mén)狗程序的軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)保護(hù)等5部分。

1 系統(tǒng)的初始化

系統(tǒng)的初始化包括2部分：一部分是單片機(jī)初始化；另一部分是SJA1000的初始化。

1．1 單片機(jī)的初始化

文中使用的單片機(jī)是美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)，該款單片機(jī)的特點(diǎn)是低電壓、高性能、CMOS工藝、片內(nèi)含有4 KB可反復(fù)擦寫(xiě)只讀存儲(chǔ)器和128 B的隨機(jī)存儲(chǔ)器，兼容MCS-51指令集，片內(nèi)還含有8位的CPU和FLASH存儲(chǔ)單元，廣泛靈活運(yùn)用于各種控制領(lǐng)域。設(shè)計(jì)中使用該單片機(jī)完成和SJA1000的端口初始化、外部中斷設(shè)置、定時(shí)器設(shè)置。其中和SJA1000的端口初始化用來(lái)片選SJA1000，外部中斷0用來(lái)檢測(cè)電源故障，外部中斷1用來(lái)讀取SJA1000收到的報(bào)文，定時(shí)器0用來(lái)看門(mén)狗定期復(fù)位，定時(shí)器1用來(lái)記錄繼電器觸點(diǎn)接通時(shí)間。圖1是單片機(jī)初始化流程圖。

1．2 SJA1000的初始化

SJA1000是一款總線控制器，它的作用是為了保證總線控制器局域網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的可靠通信，這一功能的實(shí)現(xiàn)主要得益于該芯片上具有可編程的邏輯電路，并且還有和微處理器相連接的接口。它內(nèi)部由很多寄存器，微控制器通過(guò)對(duì)這些寄存器控制，可以設(shè)置它的工作方式、工作狀態(tài)、報(bào)文的收發(fā)格式。

SJA1000的初始化主要是完成一些寄存器的配置。要完成這些配置，該控制器必須處于復(fù)位模式下。它進(jìn)入復(fù)位模式的情況通常有3種：上電復(fù)位、硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。復(fù)位后，需要設(shè)置的寄存器通常有以下幾個(gè)：控制寄存器、模式寄存器、時(shí)鐘分頻寄存器、驗(yàn)收濾波器、中斷使能寄存器、總線定時(shí)器和輸出控制器。完成這些寄存器的配置后，就要退出復(fù)位模式，進(jìn)入工作模式。它的初始化流程圖如圖2所示。

2 報(bào)文的收發(fā)處理

對(duì)SJA1000的操作通常有2種方案，一種是時(shí)序模擬模式；另一種便是用擴(kuò)展RAM的模式來(lái)完成。該控制器通常有2種讀寫(xiě)模式，一種是Intel模式；另一種是Motorola模式，由于它的管腳設(shè)置和普通的RAM管腳設(shè)置相似，因此文中采用擴(kuò)展RAM的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)總線的報(bào)文收發(fā)。總線繼電器的報(bào)文的處理包括2部分，即數(shù)據(jù)的接收處理，報(bào)文的發(fā)送處理。

2．1 報(bào)文的接收

報(bào)文的接收是由該控制器自動(dòng)完成，文中要做的就是要把信息從接收緩存中讀出來(lái)，然后將讀出來(lái)的信息存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。一條數(shù)據(jù)報(bào)文能否被成功地接收由驗(yàn)收濾波器模式控制位、驗(yàn)收代碼寄存器、驗(yàn)收代碼屏蔽寄存器、報(bào)文標(biāo)識(shí)符共同決定。只有通過(guò)驗(yàn)收濾波器的過(guò)濾的報(bào)文才能被接收，否則是不能送到控制器接收緩沖區(qū)的。當(dāng)報(bào)文成功通過(guò)驗(yàn)收濾波器并被送入接收緩沖中后，會(huì)置位接收緩沖區(qū)狀態(tài)位，如果這個(gè)時(shí)候使能接收中斷RIE，就會(huì)產(chǎn)生接收中斷，使得控制器的INT的電平發(fā)生變化，此時(shí)中斷微控制器。接下來(lái)微處理器的任務(wù)大致由下面三步分組成，首先要監(jiān)視控制器的狀態(tài)，確定一下是否有需要讀取的報(bào)文；其次便是將接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀出來(lái)存放到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中并需要置位接收處理標(biāo)志；最后便是處理接收到的報(bào)文。需要注意的是處理接收?qǐng)?bào)文的目的主要是為驅(qū)動(dòng)繼電器做準(zhǔn)備。報(bào)文的接收處理流程圖如圖3所示。

2．2 報(bào)文的發(fā)送

報(bào)文的發(fā)送負(fù)責(zé)將待發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)到總線上。第一屏蔽相關(guān)中斷，避免收到的數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)送的影響；第二要對(duì)和報(bào)文發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行設(shè)置，確定通信的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)準(zhǔn)備好要發(fā)送的數(shù)據(jù)；第三在發(fā)送之前要對(duì)SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)是否有待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，如果沒(méi)有待發(fā)送的數(shù)據(jù)或者正在發(fā)送的數(shù)據(jù)，則可以將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器發(fā)送緩沖區(qū)做好發(fā)送準(zhǔn)備，否則新的報(bào)文是不能寫(xiě)入發(fā)送緩沖區(qū)的；第四就是把要發(fā)送的報(bào)文寫(xiě)入控制器發(fā)送緩沖區(qū)，準(zhǔn)備發(fā)送；第五就是置位發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志位，之后控制器會(huì)自動(dòng)完成報(bào)文的發(fā)送。信息的發(fā)送流程圖如圖4所示。

3 電流信號(hào)的數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)電流信號(hào)的采集，文中采用的是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體生產(chǎn)的8位分辨率、雙通道A／D轉(zhuǎn)換芯片。文中之所以使用該款芯片，主要是考慮到它的體積較小、兼容性強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高，更為重要的是它的數(shù)據(jù)是串行輸出，節(jié)約了單片機(jī)的管腳資源。

一般情況下，和單片通信的管腳由以下4個(gè)：片選端CS、時(shí)鐘輸入端CLK、數(shù)據(jù)輸出端DO、模式選擇輸入端DI。通過(guò)對(duì)時(shí)序圖的分析發(fā)現(xiàn)，DI和DO不是始終同時(shí)有效，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，可以將此二管腳并接到一起作為一個(gè)管腳連接到單片機(jī)上。ADC轉(zhuǎn)換流程大致如下。首先是使能選中芯片，即要拉低片選CS，并且要保持該電平到轉(zhuǎn)換完畢，因?yàn)楫?dāng)CS置位的時(shí)候，該芯片是不能使用的；其次是要發(fā)送一個(gè)起始信號(hào)，這就需要在第一個(gè)時(shí)鐘的下降沿到來(lái)之前拉高DI；再次是要輸入通道選擇控制字進(jìn)行轉(zhuǎn)換通道選擇，通道控制的選擇需要在接下來(lái)第2、3個(gè)脈沖下降沿來(lái)臨之前輸入兩位數(shù)據(jù)文中先后對(duì)DI輸入1，0；最后是從DO端輸出AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，即在先在第4時(shí)鐘下降沿到第11個(gè)時(shí)鐘下降沿之間的每一個(gè)下降沿都會(huì)輸出A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，高位在前，共8位，接下來(lái)在從第11個(gè)時(shí)鐘下降沿到第19個(gè)時(shí)鐘下降沿的每個(gè)時(shí)鐘下降沿又一次

輸出和之前相反的數(shù)據(jù)，也是8位，只是這個(gè)時(shí)候是低位在前；最后便是拉高CS，禁止使能A／D轉(zhuǎn)換，對(duì)該2個(gè)8位數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送到數(shù)據(jù)寄存器中。圖5是ADC轉(zhuǎn)換的流程圖。

4 看門(mén)狗MAX813L

在單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)當(dāng)中，單片機(jī)的工作往往會(huì)受到來(lái)自外界干擾，導(dǎo)致程序陷入死循環(huán)，進(jìn)而使得單片機(jī)無(wú)法正常工作，單片機(jī)的手動(dòng)復(fù)位又有其局限性，為此文中采用專(zhuān)門(mén)監(jiān)測(cè)單片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的芯片MAX813L。該芯片不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位，還可以監(jiān)測(cè)電源狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)掉電或者低壓等情況時(shí)保護(hù)重要數(shù)據(jù)。

4．1 系統(tǒng)復(fù)位

當(dāng)系統(tǒng)受到某些干擾的影響，使得系統(tǒng)程序跑飛，當(dāng)該芯片的看門(mén)狗信號(hào)輸入端WDI在超過(guò)1．6 s時(shí)間內(nèi)得不到清除定時(shí)器的脈沖時(shí)，看門(mén)狗輸出管腳WDO將由高電平變?yōu)榈碗娖剑鶕?jù)圖6會(huì)發(fā)現(xiàn)，復(fù)位輸入端MR會(huì)被拉低成低電平，當(dāng)這個(gè)低電平保持時(shí)間在140 ms以上時(shí)，復(fù)位信號(hào)輸出端RST會(huì)復(fù)位信號(hào)，從而復(fù)位CPU。根據(jù)前面分析，系統(tǒng)的正常運(yùn)行需要最多以1．6 s的時(shí)間間隔給看門(mén)狗輸入端輸入脈沖。文中使用定時(shí)器0的工作方式1每隔50 ms給看門(mén)狗芯片一個(gè)清定時(shí)器脈沖。喂狗的實(shí)現(xiàn)代碼如圖7所示。

4．2 電源監(jiān)視

當(dāng)電源故障輸入管腳的電位低于1．25 V時(shí)，電源故障輸出端的電平會(huì)由高變低，導(dǎo)致微處理器P32管腳的電平發(fā)生變化，進(jìn)而觸發(fā)外部中斷0，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，即凍結(jié)寄存器的內(nèi)容，保存RAM中的數(shù)據(jù)，激活掉電模式，進(jìn)入掉電工作狀態(tài)。要想退出掉電模式，系統(tǒng)必須復(fù)位。電源監(jiān)視的部分代碼如圖8所示。

5 狀態(tài)參數(shù)保護(hù)

智能繼電器在信號(hào)處理的過(guò)程中，有很多參數(shù)需要存儲(chǔ)，而且需要在外部供電掉電的情況下，能夠繼續(xù)保持到下次外部供電恢復(fù)。一般的參數(shù)存儲(chǔ)方法是使用靜態(tài)RAM外加鉻鎳電池及外加輔助電路，但是該種方法存在很多弊端。因此，文中采用AT24C02來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)。這主要得益于它體積小、使用靈活，而且不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)掉電、干擾等原因丟失數(shù)據(jù)，有效地保存各種參數(shù)。圖8的參考代碼可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)負(fù)載電流的過(guò)流情況發(fā)送不同的控制指令并及時(shí)保存保存此時(shí)的負(fù)載電流。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的CAN總線智能繼電器除了具備普通繼電器的接通和關(guān)斷功能以外，還具有如下功能：現(xiàn)場(chǎng)總線通信功能，即改變傳統(tǒng)系統(tǒng)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制方式，通過(guò)總線指令實(shí)現(xiàn)繼電器的通斷，減輕設(shè)備總量；負(fù)載電流檢測(cè)功能，即實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繼電器負(fù)載電流狀況，并且是可查詢(xún)的；負(fù)載電流過(guò)載保護(hù)和短路跳閘功能，并且跳閘閾值可以離線設(shè)置；繼電器的觸點(diǎn)通斷狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，即可有效防止異常通斷的發(fā)生；歷史工作記錄查詢(xún)功能，即可以查詢(xún)諸如過(guò)載電流、短路情況、觸點(diǎn)狀態(tài)、觸點(diǎn)接通時(shí)間等狀態(tài)參數(shù)，并且掉電后，不丟失這些數(shù)據(jù)。