CAN總線在智能配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言
    目前，計(jì)算機(jī)機(jī)房的配電系統(tǒng)大都使用UPS，保證了機(jī)房的可靠供電。UPS系統(tǒng)的每一路電流都采用自動(dòng)空氣斷路器進(jìn)行過流保護(hù)，這種保護(hù)是有效的，但不是智能的，不能設(shè)置，不會(huì)報(bào)警，更沒有供電及故障報(bào)警信息的紀(jì)錄，與高可靠性的要求不相符，有進(jìn)一步改造的必要和需求。本文為計(jì)算機(jī)機(jī)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(diǎn)。本系統(tǒng)采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互傳遞，很好地滿足了系統(tǒng)可靠性、實(shí)時(shí)性及成本方面的要求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本智能系統(tǒng)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)各路電源的電流、漏電流、零地電壓、自動(dòng)空氣斷路器的運(yùn)行狀態(tài)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示，具有實(shí)時(shí)報(bào)警、詳細(xì)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(cè)信息?？梢栽陲@示屏上查詢機(jī)房各路電源的使用情況，盡早發(fā)現(xiàn)和消除隱患，實(shí)時(shí)處理故障，進(jìn)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(diǎn)、LED顯示節(jié)點(diǎn)、觸摸屏等組成，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  智能配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)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(diǎn)和LED顯示節(jié)點(diǎn)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(gè)CPU，單片機(jī)AT89C58和P87C591，二者通過雙口RAM進(jìn)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(shè)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(shè)置系統(tǒng)的配置信息，顯示當(dāng)前各路的電流、漏電流、零地電壓和自動(dòng)空氣斷路器的狀態(tài)等，并可以查看歷史報(bào)警記錄。
3. 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)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(diǎn)主要顯示當(dāng)前各路的模擬量和開關(guān)量的報(bào)警信息，便于用戶查看，使系統(tǒng)更加人性化。

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

     P87C591采用了強(qiáng)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(diǎn)電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，所需的外部元件只是一個(gè)晶振加兩個(gè)電容驅(qū)動(dòng)片內(nèi)震蕩器、一個(gè)連接到復(fù)位腳的電阻、電容。使用片內(nèi)上電復(fù)位電路以及一個(gè)收發(fā)器將P87C591連接到CAN總線上。

CAN總線通信過程及標(biāo)識(shí)符的分配
    本系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，數(shù)據(jù)傳輸量大，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集的信息應(yīng)快速上傳到數(shù)據(jù)處理單元，以便及時(shí)處理，數(shù)據(jù)處理單元將觸摸屏上的設(shè)置信息實(shí)時(shí)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(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)及時(shí)地在LED顯示節(jié)點(diǎn)上顯示出來，并指揮繼電器動(dòng)作。

     整個(gè)CAN總線系統(tǒng)采用CAN2.0B通訊協(xié)議，采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式、11位標(biāo)識(shí)符來區(qū)分CAN總線上的節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理單元是CAN總線上最重要的節(jié)點(diǎn)，控制整個(gè)總線上數(shù)據(jù)的傳輸和處理，優(yōu)先級(jí)最高，其次是數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，它是數(shù)據(jù)的來源，實(shí)時(shí)采集傳
遞數(shù)據(jù)，再次是LED顯示節(jié)點(diǎn)。

     考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展問題，預(yù)留了一部分標(biāo)識(shí)符，根據(jù)用戶要求可以增加、減少數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和LED顯示節(jié)點(diǎn)，而不影響系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)。

CAN總線軟件設(shè)計(jì)
     數(shù)據(jù)處理單元是CAN總線上優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)，控制著整個(gè)總線上的數(shù)據(jù)傳輸流程，其軟件設(shè)計(jì)主要包括兩大部分，即通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議和功能實(shí)現(xiàn)的流程和編碼。

軟件功能分析及系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)
     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(diǎn)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(chǔ)到雙口RAM中，并根據(jù)處理結(jié)果給LED顯示節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。主程序查詢雙口RAM中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)置信息，實(shí)時(shí)地傳送信息給數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，并向其發(fā)送遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求模擬量和開關(guān)量信息的傳送，這樣避免了多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)同時(shí)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(chǔ)到雙口RAM中、發(fā)送給LED節(jié)點(diǎn)。

    在程序設(shè)計(jì)中，初始化程序是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)是一個(gè)重點(diǎn)，在系統(tǒng)初始化過程中要進(jìn)行雙口RAM的初始化，打開看門狗，設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，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(shè)計(jì)
     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(cuò)誤處理。本文重點(diǎn)介紹初始化、發(fā)送、接收處理子程序及錯(cuò)誤處理。

初始化子程序
    CAN控制器的初始化包括操作模式、驗(yàn)收濾波器、總線定時(shí)及中斷的設(shè)置等。驗(yàn)收濾波器的設(shè)置決定了本節(jié)點(diǎn)所接收的信息的格式。定時(shí)器用來設(shè)置CAN總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩偩€上各節(jié)點(diǎn)的波特率必須一致，否則就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。

發(fā)送程序
     發(fā)送子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的發(fā)送。發(fā)送時(shí)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(bào)文，送入CAN控制器的發(fā)送緩存區(qū)中，然后啟動(dòng)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(dòng)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(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收以及其它情況的處理，諸如對(duì)總線關(guān)閉、錯(cuò)誤報(bào)警、接收溢出等情況進(jìn)行處理。信息從CAN總線到CAN緩沖區(qū)是由CAN控制器自動(dòng)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?？紤]到實(shí)時(shí)性的要求，采用了如圖2所示的中斷方式。

圖2 中斷接收流程圖

錯(cuò)誤處理
     在CAN初始化中，打開了錯(cuò)誤報(bào)警中斷使能和總線錯(cuò)誤中斷使能，當(dāng)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器(發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器中的任何一個(gè))計(jì)數(shù)值超過96時(shí)，說明總線被嚴(yán)重干擾，產(chǎn)生錯(cuò)誤報(bào)警中斷；當(dāng)發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器值超過255時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)，CAN控制器將設(shè)置復(fù)位模式位為1(當(dāng)前)并產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤報(bào)警和總線錯(cuò)誤中斷。錯(cuò)誤報(bào)警中斷處理是清零所有錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值，維持CAN的運(yùn)轉(zhuǎn)，但這樣做存在局限性：清零錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器只是將錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器簡(jiǎn)單的清零，不能從根本上消除錯(cuò)誤來源；由于錯(cuò)誤報(bào)警中斷產(chǎn)生的條件為錯(cuò)誤計(jì)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(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值超過255，因此，發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器引起的錯(cuò)誤報(bào)警中斷可以屏蔽掉總線錯(cuò)誤中斷。系統(tǒng)可能由于總響應(yīng)錯(cuò)誤報(bào)警中斷導(dǎo)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(cuò)誤中斷使能，這樣，在總線發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，可馬上產(chǎn)生總線錯(cuò)誤中斷，使錯(cuò)誤得到及時(shí)處理。總線錯(cuò)誤中斷的處理是復(fù)位該節(jié)點(diǎn)，重新初始化CAN控制器，這樣可以消除錯(cuò)誤，給節(jié)點(diǎn)一個(gè)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(diǎn)無法工作，在主程序中查詢狀態(tài)寄存器中當(dāng)前CAN總線狀態(tài)，及時(shí)復(fù)位該節(jié)點(diǎn)，使節(jié)點(diǎn)正常工作。

    同時(shí)，為了更方便直觀地查看CAN總線的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一個(gè)指示燈，當(dāng)總線正常地收發(fā)信息時(shí)，指示燈閃爍，一旦CAN總線關(guān)閉，節(jié)點(diǎn)不參與總線活動(dòng)，指示燈不再閃爍(此時(shí)指示燈長(zhǎng)亮或長(zhǎng)滅)，當(dāng)總線錯(cuò)誤不能通過復(fù)位該節(jié)點(diǎn)解決時(shí)，可以通過查看指示燈的狀態(tài)(長(zhǎng)亮或長(zhǎng)滅)，及時(shí)地對(duì)不工作的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修理維護(hù)。

結(jié)語
    運(yùn)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(shí)時(shí)性，系統(tǒng)價(jià)格低廉，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，具有良好的升級(jí)、擴(kuò)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(jī)房中，運(yùn)行可靠，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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