CAN總線在智能配電系統(tǒng)中的應用

引言
    目前，計算機機房的配電系統(tǒng)大都使用UPS，保證了機房的可靠供電。UPS系統(tǒng)的每一路電流都采用自動空氣斷路器進行過流保護，這種保護是有效的，但不是智能的，不能設置，不會報警，更沒有供電及故障報警信息的紀錄，與高可靠性的要求不相符，有進一步改造的必要和需求。本文為計算機機房開發(fā)的智能配電系統(tǒng)iPDS(Intelligent Power Distribution System)很好地滿足了以上要求，具有智能化和人性化兩大特點。本系統(tǒng)采用CAN總線進行數(shù)據(jù)的交互傳遞，很好地滿足了系統(tǒng)可靠性、實時性及成本方面的要求。

系統(tǒng)設計
    本智能系統(tǒng)對機房內(nèi)各路電源的電流、漏電流、零地電壓、自動空氣斷路器的運行狀態(tài)等信息進行實時監(jiān)測、顯示，具有實時報警、詳細記錄等功能，并可以根據(jù)用戶要求靈活地配置各路監(jiān)測信息?？梢栽陲@示屏上查詢機房各路電源的使用情況，盡早發(fā)現(xiàn)和消除隱患，實時處理故障，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

    本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)采集節(jié)點、LED顯示節(jié)點、觸摸屏等組成，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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圖1  智能配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，功能完善，觸摸屏通過RS-485與數(shù)據(jù)處理單元相連，數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)采集節(jié)點和LED顯示節(jié)點都掛接在CAN總線上，各組成部分提供不同的功能：
1. 數(shù)據(jù)處理單元有兩個CPU，單片機AT89C58和P87C591，二者通過雙口RAM進行數(shù)據(jù)交換，其中AT89C58與觸摸屏通過RS-485通信，處理觸摸屏上的顯示和設置信息，P87C591處理CAN總線上的交互信息。
2. 觸摸屏是系統(tǒng)的主界面，用于設置系統(tǒng)的配置信息，顯示當前各路的電流、漏電流、零地電壓和自動空氣斷路器的狀態(tài)等，并可以查看歷史報警記錄。
3. 數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集各路模擬量和開關(guān)量信息，通過CAN總線傳輸，以供數(shù)據(jù)處理單元處理。
4. LED顯示節(jié)點主要顯示當前各路的模擬量和開關(guān)量的報警信息，便于用戶查看，使系統(tǒng)更加人性化。

CAN總線硬件設計
P87C591簡介
     在系統(tǒng)中，采用Philips公司生產(chǎn)的P87C591單片機，該單片機是一個8位高性能微控制器，具有片內(nèi)CAN控制器，大大簡化了硬件電路的設計，提高了CAN接口的穩(wěn)定性。

     P87C591采用了強大的80C51指令集，并集成了SJA1000 CAN控制器的PeliCAN功能。

    P87C591連接的CAN節(jié)點電路設計比較簡單，所需的外部元件只是一個晶振加兩個電容驅(qū)動片內(nèi)震蕩器、一個連接到復位腳的電阻、電容。使用片內(nèi)上電復位電路以及一個收發(fā)器將P87C591連接到CAN總線上。

CAN總線通信過程及標識符的分配
    本系統(tǒng)對實時性要求高，數(shù)據(jù)傳輸量大，數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集的信息應快速上傳到數(shù)據(jù)處理單元，以便及時處理，數(shù)據(jù)處理單元將觸摸屏上的設置信息實時傳遞給數(shù)據(jù)采集單元；數(shù)據(jù)處理單元處理完采集的信息后，將當前的系統(tǒng)狀態(tài)及時地在LED顯示節(jié)點上顯示出來，并指揮繼電器動作。

     整個CAN總線系統(tǒng)采用CAN2.0B通訊協(xié)議，采用標準幀格式、11位標識符來區(qū)分CAN總線上的節(jié)點。數(shù)據(jù)處理單元是CAN總線上最重要的節(jié)點，控制整個總線上數(shù)據(jù)的傳輸和處理，優(yōu)先級最高，其次是數(shù)據(jù)采集節(jié)點，它是數(shù)據(jù)的來源，實時采集傳
遞數(shù)據(jù)，再次是LED顯示節(jié)點。

     考慮到系統(tǒng)的擴展問題，預留了一部分標識符，根據(jù)用戶要求可以增加、減少數(shù)據(jù)采集節(jié)點和LED顯示節(jié)點，而不影響系統(tǒng)的優(yōu)先級設計。

CAN總線軟件設計
     數(shù)據(jù)處理單元是CAN總線上優(yōu)先級最高的節(jié)點，控制著整個總線上的數(shù)據(jù)傳輸流程，其軟件設計主要包括兩大部分，即通信網(wǎng)絡的應用層協(xié)議和功能實現(xiàn)的流程和編碼。

軟件功能分析及系統(tǒng)初始化設計
     P87C591主要完成數(shù)據(jù)的處理與傳輸，通過CAN總線接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集來的各路模擬量和開關(guān)量信息，整理后按協(xié)議存儲到雙口RAM中，并根據(jù)處理結(jié)果給LED顯示節(jié)點發(fā)送信息。主程序查詢雙口RAM中數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設置信息，實時地傳送信息給數(shù)據(jù)采集節(jié)點，并向其發(fā)送遠程幀，請求模擬量和開關(guān)量信息的傳送，這樣避免了多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點同時上傳采集的信息，有效地防止了接收溢出和數(shù)據(jù)丟失，接收到采集的各路信息后，處理并存儲到雙口RAM中、發(fā)送給LED節(jié)點。

    在程序設計中，初始化程序是系統(tǒng)設計工作中極為重要的部分，它是系統(tǒng)能否正常工作的前提。因此，初始化設計是一個重點，在系統(tǒng)初始化過程中要進行雙口RAM的初始化，打開看門狗，設置中斷優(yōu)先級，初始化CAN控制器和I/O口，打開總中斷等操作，以保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定地工作。

CAN通信程序設計
     CAN通信軟件主要由以下幾部分組成：初始化、接收處理、發(fā)送處理、中斷處理及錯誤處理。本文重點介紹初始化、發(fā)送、接收處理子程序及錯誤處理。

初始化子程序
    CAN控制器的初始化包括操作模式、驗收濾波器、總線定時及中斷的設置等。驗收濾波器的設置決定了本節(jié)點所接收的信息的格式。定時器用來設置CAN總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩偩€上各節(jié)點的波特率必須一致，否則就會導致數(shù)據(jù)傳輸錯誤。

發(fā)送程序
     發(fā)送子程序負責節(jié)點報文的發(fā)送。發(fā)送時用戶只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成一幀報文，送入CAN控制器的發(fā)送緩存區(qū)中，然后啟動發(fā)送命令即可。信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線是由CAN控制器自動完成的。本系統(tǒng)采用查詢的方式發(fā)送。

接收程序
     接收子程序負責節(jié)點報文的接收以及其它情況的處理，諸如對總線關(guān)閉、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。信息從CAN總線到CAN緩沖區(qū)是由CAN控制器自動完成的。接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息即可。考慮到實時性的要求，采用了如圖2所示的中斷方式。

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圖2 中斷接收流程圖

錯誤處理
     在CAN初始化中，打開了錯誤報警中斷使能和總線錯誤中斷使能，當錯誤計數(shù)器(發(fā)送錯誤計數(shù)器和接收錯誤計數(shù)器中的任何一個)計數(shù)值超過96時，說明總線被嚴重干擾，產(chǎn)生錯誤報警中斷；當發(fā)送錯誤計數(shù)器值超過255時，節(jié)點進入總線關(guān)閉狀態(tài)，CAN控制器將設置復位模式位為1(當前)并產(chǎn)生一個錯誤報警和總線錯誤中斷。錯誤報警中斷處理是清零所有錯誤計數(shù)器的值，維持CAN的運轉(zhuǎn)，但這樣做存在局限性：清零錯誤計數(shù)器只是將錯誤計數(shù)器簡單的清零，不能從根本上消除錯誤來源；由于錯誤報警中斷產(chǎn)生的條件為錯誤計數(shù)器的值超過96，而總線關(guān)閉中斷產(chǎn)生的條件為發(fā)送錯誤計數(shù)器的值超過255，因此，發(fā)送錯誤計數(shù)器引起的錯誤報警中斷可以屏蔽掉總線錯誤中斷。系統(tǒng)可能由于總響應錯誤報警中斷導致系統(tǒng)不能產(chǎn)生總線關(guān)閉，使CAN總線一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

    為了避免這種情況，只打開總線錯誤中斷使能，這樣，在總線發(fā)生嚴重錯誤的情況下，可馬上產(chǎn)生總線錯誤中斷，使錯誤得到及時處理?？偩€錯誤中斷的處理是復位該節(jié)點，重新初始化CAN控制器，這樣可以消除錯誤，給節(jié)點一個很好的初態(tài)。由于CAN總線兩條傳輸線之間的誤接觸，也易造成CAN總線關(guān)閉，使節(jié)點無法工作，在主程序中查詢狀態(tài)寄存器中當前CAN總線狀態(tài)，及時復位該節(jié)點，使節(jié)點正常工作。

    同時，為了更方便直觀地查看CAN總線的工作狀態(tài)，設計了一個指示燈，當總線正常地收發(fā)信息時，指示燈閃爍，一旦CAN總線關(guān)閉，節(jié)點不參與總線活動，指示燈不再閃爍(此時指示燈長亮或長滅)，當總線錯誤不能通過復位該節(jié)點解決時，可以通過查看指示燈的狀態(tài)(長亮或長滅)，及時地對不工作的節(jié)點進行修理維護。

結(jié)語
    運用CAN總線技術(shù)構(gòu)建智能配電系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性，系統(tǒng)價格低廉，安裝維護簡單，具有良好的升級、擴展能力。該系統(tǒng)已經(jīng)成功地裝配到經(jīng)貿(mào)、股票交易行業(yè)的機房中，運行可靠，實現(xiàn)了設計目標。

參考文獻
1 饒運濤．現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2003．20～166
2 Philips Semiconductors, P8xC591, Single-chip 8-bit microcontroller with CAN controller, DATA SHEET, 2000