智能斷路器的CAN 總線網(wǎng)絡節(jié)點設計

0 引言

近年來，智能脫扣器技術在國內(nèi)有了較快的發(fā)展。智能脫扣器的成功應用，使得斷路器的功能更加強大。目前，國內(nèi)外研究生產(chǎn)的智能脫扣器能顯示開關狀態(tài)、三相電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率等參數(shù)。而控制器局域網(wǎng)(CAN) 能有效支持具有高安全級的分布式實時控制，憑借其在噪聲環(huán)境中的可靠性及其故障狀態(tài)檢測，以及從故障狀態(tài)恢復的能力，被廣泛應用于工業(yè)控制等領域。因此，國內(nèi)外大都將比較成熟的CAN 現(xiàn)場總線技術應用在智能脫扣器的通信方面，實現(xiàn)上下位機的“四遙”功能，即遙測、遙控、遙信和遙調(diào)。上位機CAN 主要對下位機采集到的信號進行監(jiān)控、調(diào)度和管理。上位機作為一個特殊的CAN 節(jié)點，其設計相對復雜。本文將重點介紹上位機CAN 智能節(jié)點硬件和軟件的設計方案，以及如何把MCGS 與CAN 總線結合起來使用，即MCGS 如何操作CAN 總線接口卡。

1 設計原理

電網(wǎng)信號經(jīng)過下位機采集，A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)算法程序處理傳到上位機后，要能夠顯示到上位機上，這樣才能實現(xiàn)工作人員對各個斷路器工作狀態(tài)的監(jiān)控，并且通過上位機界面能夠?qū)崿F(xiàn)對下位機發(fā)送參數(shù)命令，實現(xiàn)對下位機的調(diào)控。該功能是依靠上位機這個特殊的CAN 節(jié)點實現(xiàn)的。

上位機CAN 節(jié)點設計的總體結構如圖1 所示。在CAN 總線網(wǎng)絡中，ARM 節(jié)點作為下位機來工作，它們采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，采集上來的數(shù)據(jù)需要傳到上位PC 機上進行進一步處理，通過監(jiān)控軟件監(jiān)控下位機節(jié)點的工作狀態(tài)。上位PC 機作為CAN 總線上一個比較特殊的節(jié)點，其設計相對復雜。上位機和下位機智能節(jié)點通信是以USBCAN卡為橋梁的，即利用CAN 卡的OPC 接口驅(qū)動軟件，解決CAN 總線與PC 之間的通信問題。通過調(diào)用CAN 卡的動態(tài)連接庫(. DLL)，利用自定義CAN 應用層協(xié)議實現(xiàn)與CAN 總線應用系統(tǒng)的連接;通過OPC 服務器連接的函數(shù)接口，調(diào)用動態(tài)連接庫來實現(xiàn)與監(jiān)控軟件的連接。因此，上位機設計主要是利用USBCAN 驅(qū)動程序，調(diào)用USBCAN接口卡所提供的動態(tài)鏈接庫，達到操作USBCAN接口卡的目的，利用CAN 卡的OPC 接口驅(qū)動軟件，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理人機界面設計。



圖1 軟件結構示意圖.

2 CAN 總線上位機節(jié)點的設計

2. 1 硬件電路設計

一般說來，計算機本身不帶CAN 接口，因此直接使用計算機和CAN 網(wǎng)絡是不能互連的。但是，許多工業(yè)用計算機在某些應用場合還是離不開CAN-bus，因此，就需要現(xiàn)有的計算機通信接口與CAN-bus 接口適配，于是CAN 接口卡就給計算機增加CAN-bus 接口功能。通俗意義上說，CAN通信適配卡加上計算機就組成一個特殊的CAN節(jié)點。本設計采用USBCAN-2A 型CAN 卡，主機通過USB 接口控制電路來訪問CAN 控制器，最終完成數(shù)據(jù)通信。計算機作為CAN 節(jié)點，接收來自下位機ARM 節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，將一些控制參數(shù)發(fā)送給下位機，并通過組態(tài)界面實現(xiàn)對下位機的監(jiān)控等功能。

USBCAN-2A 智能CAN 接口卡是與USB1. 1總線兼容的，帶有2 路CAN 接口的智能型CAN數(shù)據(jù)卡，符合CAN2. 0B 規(guī)范，兼容CAN2. 0A，符合ISO/IS 11898，其通信波特率可以通過編程任意設置，范圍在5 ～ 1 000 KB /s 之間。組成該CAN 卡的控制器是常用的PHILIPS SJA1000，收發(fā)器為PHILIPS PCA82C250。USBCAN-2A 接口卡上自帶電氣隔離模塊，使USBCAN-2A 接口卡避免由于地環(huán)流的損壞，增強系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

USBCAN-2A 卡提供了很多庫函數(shù)，PC 機通過對USBCAN-2A 接口庫函數(shù)的操作，實現(xiàn)對USBCAN-2A 接口卡的操作。上位機主要實現(xiàn)對CAN 卡的初始化和對CAN 的讀寫操作。

為了增強CAN 通信的可靠性，CAN 總線網(wǎng)絡的2 個端點通常要加入終端匹配電阻，終端匹配電阻的值由傳輸電纜的特性阻抗所決定。由于雙絞線的特性阻抗為120 Ω，因此CAN-bus 網(wǎng)絡采用直線拓撲結構時，總線的2 個終端需要安裝120 Ω 的終端電阻。CAN-bus 總線的連接如圖2所示。



圖2 CAN-bus 總線連接圖.

USBCAN-2A 接口卡內(nèi)部沒有集成120 Ω 終端電阻，當USBCAN-2A 接口卡位于CAN-bus 網(wǎng)絡的一個端點上時，需要在外部端子上安裝120 Ω終端電阻，連接方法如圖3 所示。



圖3 USBCAN-2A 位于網(wǎng)絡終端時的連接方法.[!--empirenews.page--]

2. 2 軟件部分設計

上位機的軟件設計可以通過調(diào)用CAN 卡的動態(tài)連接庫(. DLL)，利用自定義CAN 應用層協(xié)議實現(xiàn)與CAN 總線應用系統(tǒng)的連接，USBCAN-2A 智能CAN 接口卡支持Win9x /Me、Win2000 /XP 等操作系統(tǒng)，也支持Linux2. 4、Linux2. 6 版版本的操作系統(tǒng)。USBCAN-2A 提供了統(tǒng)一的應用程序編程接口，便于用戶進行應用程序開發(fā)。支持VC、VB、Delphi 和C + + Builder 等開發(fā)。本設計采用MCGS 組態(tài)軟件實現(xiàn)對智能CAN 卡的操作控制。一般來說，MCGS 訪問接口卡都是通過MCGS 系統(tǒng)中已有的相應設備構件來進行的，這些設備構件主要由MCGS 開發(fā)商預先開發(fā)，但也可由最終用戶根據(jù)MCGS 技術規(guī)范自行開發(fā)。對于USB-2A 型智能CAN 接口卡，MCGS 系統(tǒng)沒有提供可以直接調(diào)用的相應設備構件。要成功地使MCGS 能訪問USB-2A 型接口卡，通常的辦法是由開發(fā)商或用戶自己開發(fā)USB-2A 型的設備構件，但這將花費大量的時間，且有一定的難度。為解決這一問題，我們采用了OPC 服務器技術。

MCGS 支持OPC 協(xié)議，它可以用作OPC 客戶端與OPC 服務器接*換數(shù)據(jù);同時USBCAN-2A 型CAN 接口卡也可以被OPC 服務器所支持，用作OPC 服務器的數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)接收體，由OPC 服務器自動與其交換數(shù)據(jù)。能采用的OPC服務器有很多種，周立功公司開發(fā)的ZOPC_Server就是一款很好OPC 服務器軟件，它支持ZLGCAN 系列接口卡和MCGS 組態(tài)軟件。MCGS、ZOPC_Server 與USBCAN-2A 型有機協(xié)調(diào)工作，就完全能很好地解決MCGS 與USBCAN-2A 之間的接口問題，使用戶程序能有效地訪問CAN 總線網(wǎng)絡。它們之間的關系示意圖如圖4 所示。



圖4 MCGS、ZOPC － Server 和USB-2A 關系示意圖.

本設計通過ZOPC_Server 服務器，與CAN 網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信。ZOPC_Server 是一個OPC 服務器軟件，只要在一臺PC 機上插上USBCAN-2A 接口卡，再運行本服務器軟件，并在服務器軟件中進行一些相關配置以后，就可以使用任何一種支持OPC 協(xié)議的客戶端軟件(比如組態(tài)軟件:組態(tài)王、MCGS 和INTOUCH 等)來連接到該服務器。

在服務器中，對于每個CAN 設備的每路CAN，都固定有2 個通道，分別為In_CANData 和Out_CANData。對于輸入通道In_CANData，服務器把從CAN 網(wǎng)絡接收到的數(shù)據(jù)存放到此數(shù)據(jù)項中，客戶端只能讀取它的數(shù)據(jù);而對于輸出通道Out_CANData，客戶端把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入到此數(shù)據(jù)項中，服務器再把此數(shù)據(jù)項中的數(shù)據(jù)提取出來發(fā)送到CAN 網(wǎng)絡，客戶端不能讀取此數(shù)據(jù)項的數(shù)據(jù)。它們的存儲格式都為字符串形式。2 個數(shù)據(jù)項In_CANData 和Out _CANData，其長度都為30 Byte，前14 Byte 為幀信息，后16 Byte 為CAN數(shù)據(jù)。

本設計使用的監(jiān)控軟件為MCGS 組態(tài)軟件，通過對組態(tài)軟件的簡單設置，將ZOPC_Server 添加到MCGS 組態(tài)軟件中去，就可以在組態(tài)軟件中使用服務器中的數(shù)據(jù)了。ZOPC_Server 的輸入通道In_CANData 接收到的CAN 數(shù)據(jù)是字符串形式的，而且接收的數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議最后16 Byte 的數(shù)據(jù)為采集的電網(wǎng)信號大小，通過MCGS 組態(tài)軟件中的系統(tǒng)函數(shù)，編寫腳本函數(shù)，首先將數(shù)據(jù)進行解包處理，截取后16 Byte 的數(shù)據(jù)，然后將這16 Byte的十六進制字符串形式的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)，并將這個數(shù)據(jù)放到一個定義的變量里。

對CAN 網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)時，用戶程序需把具體的幀信息和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按Out_CANData 的格式組合成一個字符串，用戶程序?qū)τ诮邮盏降臄?shù)據(jù)(In_CANData 格式)也需進行拆分，識別出幀信息和接收到的有用數(shù)據(jù)供程序使用。

2. 3 組態(tài)界面的設計

組態(tài)界面的設計主要包括了主界面的設計、數(shù)據(jù)顯示界面的設計等，其中主界面包括實時的電網(wǎng)信號值的顯示，報警信號的顯示界面，報警上、下限修改輸入窗口和下位機電網(wǎng)參數(shù)修改窗口。

2. 3. 1 主開機界面設計

實時電網(wǎng)信號值顯示畫面框如圖5 所示。通過該窗口，操作人員可以很容易看到電網(wǎng)信號的當前數(shù)據(jù)值。


圖5 實時電網(wǎng)信號值顯示畫面框.

本設計的智能脫扣器可以適用于不同的斷路器中，而不同的應用場合需要的脫扣參數(shù)是不同的，這就要求能夠隨時修改下位機的脫口參數(shù)，來實現(xiàn)對下位機的調(diào)控，圖6 為修改脫扣器脫扣參數(shù)窗口。

主界面中，通過設計報警信號顯示畫面，可以觀察在何時出現(xiàn)怎樣的故障報警，隨時供操作人員修改高、低報警值限。當電壓、電流信號出現(xiàn)故障時，指示燈能給出故障指示。在對數(shù)據(jù)對象進行報警定義時，已經(jīng)選擇報警產(chǎn)生時“自動保存產(chǎn)生的報警信息”，可以使用“報警信息瀏覽”構件，瀏覽數(shù)據(jù)庫中保存下來的報警信息。


圖6 修改脫扣器脫扣參數(shù)窗口.[!--empirenews.page--]

通過主界面的設計，能夠方便地讀出實時電網(wǎng)信號值。通過電網(wǎng)參數(shù)修改窗口，能夠方便地控制ARM 下位機節(jié)點發(fā)出脫扣信號的值。通過報警修改輸入窗口，則可以方便操作者隨時修改報警上、下限值。

2. 3. 2 數(shù)據(jù)顯示界面設計

數(shù)據(jù)顯示窗口包括了實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的報表值顯示，實時曲線、歷史曲線的顯示，方便工作人員對數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

實時數(shù)據(jù)報表值顯示窗口如圖7 所示。實時報表是對瞬時量的反映，用于將當前時間的數(shù)據(jù)變量按一定報告格式( 用戶組態(tài)) 顯示和打印出來。實時報表可以通過MCGS 系統(tǒng)的自由表格構件來組態(tài)顯示實時數(shù)據(jù)報表。



圖7 實時數(shù)據(jù)報表值顯示窗口.

歷史數(shù)據(jù)報表值顯示窗口如圖8 所示。歷史報表用于從歷史數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)記錄，并以一定的格式顯示歷史數(shù)據(jù)。



圖8 歷史數(shù)據(jù)報表值顯示窗口.

實時曲線窗口是用曲線顯示電網(wǎng)數(shù)據(jù)對象數(shù)值的動畫圖形，像筆繪記錄儀一樣實時記錄數(shù)據(jù)對象值的變化情況。實時曲線窗口如圖9 所示，顯示了實時的A 相電壓和電流值。


圖9 實時曲線窗口.

本設計還包括了歷史曲線的設計，能方便操作人員對歷史曲線進行查詢。

通過組態(tài)界面的設計，工作人員還能隨時查詢報警數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等，并可以方便地將這些數(shù)據(jù)導入Excel 表中進行打印。

3 結語

將USBCAN-2A 型CAN 接口卡應用在智能斷路器CAN 通信設計上，很好地實現(xiàn)了計算機和CAN 網(wǎng)絡互連，就能將上位機看作一個CAN 智能節(jié)點，接收來自下位機CAN 節(jié)點采集的電網(wǎng)信號，同時能夠發(fā)送脫扣參數(shù)給下位機。而MCGS系統(tǒng)本身的一些局限性，用在通信方面不多，但通過合理的設計方案和編寫用戶程序，可以很好地用在CAN 總線工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)上，實現(xiàn)組態(tài)對CAN 接口卡的操作。組態(tài)界面的設計，使得操作人員對電網(wǎng)信號的監(jiān)控更方便。