摘要：為解決電氣系統(tǒng)中控制距離短，開關(guān)響應(yīng)實時性不強，一般智能節(jié)點容易受到外界干擾，系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)丟失等一些列問題，結(jié)合微電子技術(shù)、微處理器的特點，以及CAN總線的優(yōu)勢，對以AT89C51和SJA1000為控制核心，采用模塊化編程設(shè)計的基于CAN總線的智能繼電器進行了研究。研究結(jié)果表明，能更進一步提高系統(tǒng)的控制距離，有效檢測系統(tǒng)中的大電流，并及時通斷開關(guān)，對突發(fā)性電源故障能進行可靠檢測，并及時保存重要數(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
過去的幾十年里，在很多電氣設(shè)備中，比如車輛、艦船、飛機等中的電氣用電設(shè)備，它們一直采用保險絲盒斷路器等被動防護裝置，致使無法故障預(yù)警，故障診斷起來也比較困難，嚴(yán)重影響了設(shè)備的整體性能；同時，由于總線類設(shè)備能提供信息查詢、故障記錄、參數(shù)保護等功能。因此在一些底層器件中引入總線技術(shù)，能更方便用戶配置系統(tǒng)，就像設(shè)備中多了很多對眼睛，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)點模塊有機的組合起來，構(gòu)成一種新的電氣負載管理系統(tǒng)，即針對系統(tǒng)發(fā)出的指令進行邏輯切換和信息反饋，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、過載保護、狀態(tài)檢測及故障記錄等功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、可維護性、可擴展性。下面將結(jié)合總線智能繼電器的功能從5個方面來研究它的軟件設(shè)計：系統(tǒng)初始化、報文的收發(fā)處理、信號的數(shù)據(jù)采集、看門狗程序的軟件設(shè)計及數(shù)據(jù)保護等5部分。
1 系統(tǒng)的初始化
系統(tǒng)的初始化包括2部分：一部分是單片機初始化；另一部分是SJA1000的初始化。
1．1 單片機的初始化
文中使用的單片機是美國Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51單片機，該款單片機的特點是低電壓、高性能、CMOS工藝、片內(nèi)含有4 KB可反復(fù)擦寫只讀存儲器和128 B的隨機存儲器，兼容MCS-51指令集，片內(nèi)還含有8位的CPU和FLASH存儲單元，廣泛靈活運用于各種控制領(lǐng)域。設(shè)計中使用該單片機完成和SJA1000的端口初始化、外部中斷設(shè)置、定時器設(shè)置。其中和SJA1000的端口初始化用來片選SJA1000，外部中斷0用來檢測電源故障，外部中斷1用來讀取SJA1000收到的報文，定時器0用來看門狗定期復(fù)位，定時器1用來記錄繼電器觸點接通時間。圖1是單片機初始化流程圖。
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，微控制器通過對這些寄存器控制，可以設(shè)置它的工作方式、工作狀態(tài)、報文的收發(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：控制寄存器、模式寄存器、時鐘分頻寄存器、驗收濾波器、中斷使能寄存器、總線定時器和輸出控制器。完成這些寄存器的配置后，就要退出復(fù)位模式，進入工作模式。它的初始化流程圖如圖2所示。
2 報文的收發(fā)處理
對SJA1000的操作通常有2種方案，一種是時序模擬模式；另一種便是用擴展RAM的模式來完成。該控制器通常有2種讀寫模式，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，因此文中采用擴展RAM的模式來實現(xiàn)總線的報文收發(fā)?？偩€繼電器的報文的處理包括2部分，即數(shù)據(jù)的接收處理，報文的發(fā)送處理。
2．1 報文的接收
報文的接收是由該控制器自動完成，文中要做的就是要把信息從接收緩存中讀出來，然后將讀出來的信息存放在數(shù)據(jù)存儲器中。一條數(shù)據(jù)報文能否被成功地接收由驗收濾波器模式控制位、驗收代碼寄存器、驗收代碼屏蔽寄存器、報文標(biāo)識符共同決定。只有通過驗收濾波器的過濾的報文才能被接收，否則是不能送到控制器接收緩沖區(qū)的。當(dāng)報文成功通過驗收濾波器并被送入接收緩沖中后，會置位接收緩沖區(qū)狀態(tài)位，如果這個時候使能接收中斷RIE，就會產(chǎn)生接收中斷，使得控制器的INT的電平發(fā)生變化，此時中斷微控制器。接下來微處理器的任務(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文；其次便是將接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀出來存放到數(shù)據(jù)存儲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文。需要注意的是處理接收報文的目的主要是為驅(qū)動繼電器做準(zhǔn)備。報文的接收處理流程圖如圖3所示。
2．2 報文的發(fā)送
報文的發(fā)送負責(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)對發(fā)送的影響；第二要對和報文發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器進行設(shè)置，確定通信的目標(biāo)節(jié)點，同時準(zhǔn)備好要發(fā)送的數(shù)據(jù)；第三在發(fā)送之前要對SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)是否有待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行檢查，如果沒有待發(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，否則新的報文是不能寫入發(fā)送緩沖區(qū)的；第四就是把要發(fā)送的報文寫入控制器發(fā)送緩沖區(qū)，準(zhǔn)備發(fā)送；第五就是置位發(fā)送請求標(biāo)志位，之后控制器會自動完成報文的發(fā)送。信息的發(fā)送流程圖如圖4所示。
3 電流信號的數(shù)據(jù)采集
系統(tǒng)電流信號的采集，文中采用的是美國國家半導(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、性價比高，更為重要的是它的數(shù)據(jù)是串行輸出，節(jié)約了單片機的管腳資源。
一般情況下，和單片通信的管腳由以下4個：片選端CS、時鐘輸入端CLK、數(shù)據(jù)輸出端DO、模式選擇輸入端DI。通過對時序圖的分析發(fā)現(xiàn)，DI和DO不是始終同時有效，因此在設(shè)計電路時，可以將此二管腳并接到一起作為一個管腳連接到單片機上。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，因為當(dāng)CS置位的時候，該芯片是不能使用的；其次是要發(fā)送一個起始信號，這就需要在第一個時鐘的下降沿到來之前拉高DI；再次是要輸入通道選擇控制字進行轉(zhuǎn)換通道選擇，通道控制的選擇需要在接下來第2、3個脈沖下降沿來臨之前輸入兩位數(shù)據(jù)文中先后對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時鐘下降沿到第11個時鐘下降沿之間的每一個下降沿都會輸出A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，高位在前，共8位，接下來在從第11個時鐘下降沿到第19個時鐘下降沿的每個時鐘下降沿又一次
輸出和之前相反的數(shù)據(jù)，也是8位，只是這個時候是低位在前；最后便是拉高CS，禁止使能A／D轉(zhuǎn)換，對該2個8位數(shù)據(jù)進行比對，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 看門狗MAX813L
在單片機構(gòu)成的系統(tǒng)當(dāng)中，單片機的工作往往會受到來自外界干擾，導(dǎo)致程序陷入死循環(huán)，進而使得單片機無法正常工作，單片機的手動復(fù)位又有其局限性，為此文中采用專門監(jiān)測單片機運行狀態(tài)的芯片MAX813L。該芯片不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位，還可以監(jiān)測電源狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)掉電或者低壓等情況時保護重要數(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)該芯片的看門狗信號輸入端WDI在超過1．6 s時間內(nèi)得不到清除定時器的脈沖時，看門狗輸出管腳WDO將由高電平變?yōu)榈碗娖?，根?jù)圖6會發(fā)現(xiàn)，復(fù)位輸入端MR會被拉低成低電平，當(dāng)這個低電平保持時間在140 ms以上時，復(fù)位信號輸出端RST會復(fù)位信號，從而復(fù)位CPU。根據(jù)前面分析，系統(tǒng)的正常運行需要最多以1．6 s的時間間隔給看門狗輸入端輸入脈沖。文中使用定時器0的工作方式1每隔50 ms給看門狗芯片一個清定時器脈沖。喂狗的實現(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，電源故障輸出端的電平會由高變低，導(dǎo)致微處理器P32管腳的電平發(fā)生變化，進而觸發(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
智能繼電器在信號處理的過程中，有很多參數(shù)需要存儲，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來實現(xiàn)數(shù)據(jù)保護。這主要得益于它體積小、使用靈活，而且不會因為系統(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的參考代碼可以實現(xiàn)根據(jù)負載電流的過流情況發(fā)送不同的控制指令并及時保存保存此時的負載電流。
6 結(jié)語
本文設(shè)計的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)場總線通信功能，即改變傳統(tǒng)系統(tǒng)中點對點控制方式，通過總線指令實現(xiàn)繼電器的通斷，減輕設(shè)備總量；負載電流檢測功能，即實時監(jiān)測繼電器負載電流狀況，并且是可查詢的；負載電流過載保護和短路跳閘功能，并且跳閘閾值可以離線設(shè)置；繼電器的觸點通斷狀態(tài)實時監(jiān)測功能，即可有效防止異常通斷的發(fā)生；歷史工作記錄查詢功能，即可以查詢諸如過載電流、短路情況、觸點狀態(tài)、觸點接通時間等狀態(tài)參數(shù)，并且掉電后，不丟失這些數(shù)據(jù)。
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