基于CAN總線和Internet的分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

2  系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 
    系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主服務(wù)器裝有oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)來(lái)自工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。區(qū)域上位機(jī)裝有access數(shù)據(jù)庫(kù)，可暫時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)備份，數(shù)據(jù)庫(kù)定期清空。從分布工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)（即數(shù)字電表）采集到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)can總線傳到區(qū)域上位機(jī)，再由上位機(jī)通過(guò)internet傳到系統(tǒng)主服務(wù)器。在系統(tǒng)服務(wù)器上對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，運(yùn)用相應(yīng)算法得到處理結(jié)果。然后通過(guò)internet將控制命令傳到各相應(yīng)區(qū)域上位機(jī)，上位機(jī)再通過(guò)can總線將數(shù)據(jù)傳到各控制節(jié)點(diǎn)。在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備層是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心，只有確?？偩€設(shè)備之間可靠、準(zhǔn)確、完整的數(shù)據(jù)傳輸，上層網(wǎng)絡(luò)才能獲取信息以實(shí)現(xiàn)其監(jiān)控功能。因此，本文主要介紹現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信與控制。

3  基于can總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)
3.1 can總線簡(jiǎn)介
    can 總線是德國(guó)bosch 公司為解決現(xiàn)代車輛中的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。can 總線遵從iso/osi 模型，分為3 層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層。can通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接插件可方便的連接，傳輸速率可達(dá)1mbps（通信距離<40m）， 直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（通信速率<5kbps），同一段總線內(nèi)最多可接110個(gè)設(shè)備。目前，can是唯一取得國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。
3.2 can節(jié)點(diǎn)的劃分
    每個(gè)can總線分系統(tǒng)采用一主多從分布式結(jié)構(gòu)。主節(jié)點(diǎn)為can網(wǎng)關(guān)，從節(jié)點(diǎn)分?jǐn)?shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)兩種。can網(wǎng)關(guān)用于完成can總線與上位機(jī)pc之間通信；數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)用于采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，主要有：a相電壓、b相電壓、c相電壓、a相電流、b相電流、c相電流、頻率、功率因數(shù)、無(wú)功功率、有功功率以及采集時(shí)間等；控制節(jié)點(diǎn)主要完成上位機(jī)傳遞的控制命令。由分布廠區(qū)的各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)組成分布式監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)can網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)通信，上位機(jī)通過(guò)internet與系統(tǒng)主服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、信息處理和網(wǎng)絡(luò)化控制。圖2是一個(gè)can總線分系統(tǒng)的硬件節(jié)點(diǎn)圖。

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3.3 can通信協(xié)議的制定
    在can分系統(tǒng)里，報(bào)文結(jié)構(gòu)采用can 2.0b協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場(chǎng)組成：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、crc場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)尾。其中，仲裁場(chǎng)由11位標(biāo)識(shí)符（id28～id18）和rtr位組成，依次從id28～id18發(fā)送，并且高7位（id28～id22）不能全是“隱性”。
    根據(jù)can總線逐位仲裁原理和分布式監(jiān)控系統(tǒng)各部分的特點(diǎn)，將仲裁場(chǎng)的11位標(biāo)識(shí)符作以下設(shè)計(jì)。
    （1） id28～id26定義為優(yōu)先級(jí)?？梢?guī)定0～7個(gè)級(jí)別，具有最高優(yōu)先權(quán)的節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)相同優(yōu)先級(jí)別的報(bào)文同時(shí)發(fā)送時(shí)，繼續(xù)在仲裁域內(nèi)往后進(jìn)行逐位仲裁，直至有節(jié)點(diǎn)勝出為止。
    （2） id25～id24規(guī)定為高低速can的標(biāo)識(shí)。用來(lái)區(qū)分高速與低速can報(bào)文。其中00 表示高速，01表示低速。
    （3） id23～id18用于節(jié)點(diǎn)信號(hào)的分類，可留做具體組網(wǎng)時(shí)進(jìn)行分配。

4  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4.1 can總線節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)
    can總線硬件節(jié)點(diǎn)分主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)兩種。主節(jié)點(diǎn)為can網(wǎng)關(guān)，從節(jié)點(diǎn)分?jǐn)?shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)兩種。由于can網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理量相對(duì)較大，采用ti公司內(nèi)置can驅(qū)動(dòng)器的dsp處理器tms320lf2407。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)只需采集和處理與本節(jié)點(diǎn)相關(guān)的信息，故采用microchip公司的單片機(jī)pic16f876和can控制器mcp2510。pic單片機(jī)處理速度快，成本低，且具有極強(qiáng)的抗干擾能力，適合用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)做數(shù)據(jù)采集和控制。主從節(jié)點(diǎn)硬件電路原理圖如圖3和圖4所示。

4.2 internet通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
    internet節(jié)點(diǎn)使用普通的工控機(jī)，工控機(jī)可通過(guò)以太網(wǎng)卡與其它上位機(jī)和系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行通信，在此不做詳細(xì)介紹。

5  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件分為主程序、數(shù)據(jù)采集和處理、輸出控制和顯示、can總線通信等程序。數(shù)據(jù)采集又分為開(kāi)關(guān)量掃描、模擬量采集、脈沖量采集等程序。can總線通信程序包括can初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等。
5.1 can節(jié)點(diǎn)主程序
    系統(tǒng)主程序主要包括微處理器初始化，can控制器初始化，數(shù)據(jù)的采集與處理和輸出控制和顯示等部分。系統(tǒng)主程序流程圖見(jiàn)圖5。

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5.2 can總線通信程序
    can總線通信程序包括can初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收等。
    初始化can控制器的操作包括: 硬件使能、軟件復(fù)位、設(shè)置報(bào)警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置驗(yàn)收濾波器工作方式、設(shè)置工作模式并啟動(dòng)can等。在初始化過(guò)程中要注意數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備和數(shù)據(jù)接收設(shè)備的波特率應(yīng)相同，否則設(shè)備之間無(wú)法進(jìn)行通信。
      can初始化完成后，進(jìn)入數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送階段。為保證發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性,采用查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)；同時(shí)為保證接收數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程圖如圖6所示。

      發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成符合can協(xié)議的幀格式后寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并自動(dòng)發(fā)送。在寫發(fā)送緩沖區(qū)前必須查詢其狀態(tài)，只有在有空閑的發(fā)送緩沖區(qū)時(shí)才將數(shù)據(jù)寫入。啟動(dòng)發(fā)送成功后，通過(guò)查詢can狀態(tài)寄存器或配置發(fā)送成功中斷來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。
采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，在初始化程序中必須使能接收中斷。在中斷服務(wù)子程序中，讀取can中斷允許寄存器，判斷是否有接收中斷標(biāo)志，有則讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。為防止接收緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)溢出，可開(kāi)辟一個(gè)循環(huán)接收數(shù)據(jù)隊(duì)列來(lái)暫時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，主程序則通過(guò)查詢?cè)撽?duì)列來(lái)獲得總線數(shù)據(jù)。

6  測(cè)試結(jié)果 
    系統(tǒng)安裝調(diào)試后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，無(wú)異?，F(xiàn)象。圖7是系統(tǒng)主服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)，其中ady表示a相電壓，adl表示a相電流，plv表示頻率，wg表示無(wú)功功率，yg表示有功功率，cjsj表示采集時(shí)間。

7  結(jié)束語(yǔ)
    本文采用can總線傳輸技術(shù)解決鞍鋼集團(tuán)大孤山選礦廠數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)各部件之間的信號(hào)傳輸問(wèn)題?；赾an總線的采礦廠數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的傳輸線束，同時(shí)大大的提高了系統(tǒng)的可靠性和傳輸響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，也為企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、成本核算、過(guò)程優(yōu)化以及建立mes信息管理系統(tǒng)奠定了物理基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)（略）