智能斷路器的CAN 總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

0 引言

近年來(lái)，智能脫扣器技術(shù)在國(guó)內(nèi)有了較快的發(fā)展。智能脫扣器的成功應(yīng)用，使得斷路器的功能更加強(qiáng)大。目前，國(guó)內(nèi)外研究生產(chǎn)的智能脫扣器能顯示開關(guān)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(jí)的分布式實(shí)時(shí)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(cè)，以及從故障狀態(tài)恢復(fù)的能力，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等領(lǐng)域。因此，國(guó)內(nèi)外大都將比較成熟的CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用在智能脫扣器的通信方面，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的“四遙”功能，即遙測(cè)、遙控、遙信和遙調(diào)。上位機(jī)CAN 主要對(duì)下位機(jī)采集到的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)度和管理。上位機(jī)作為一個(gè)特殊的CAN 節(jié)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。本文將重點(diǎn)介紹上位機(jī)CAN 智能節(jié)點(diǎn)硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案，以及如何把MCGS 與CAN 總線結(jié)合起來(lái)使用，即MCGS 如何操作CAN 總線接口卡。

1 設(shè)計(jì)原理

電網(wǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)下位機(jī)采集，A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)算法程序處理傳到上位機(jī)后，要能夠顯示到上位機(jī)上，這樣才能實(shí)現(xiàn)工作人員對(duì)各個(gè)斷路器工作狀態(tài)的監(jiān)控，并且通過(guò)上位機(jī)界面能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)下位機(jī)發(fā)送參數(shù)命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的調(diào)控。該功能是依靠上位機(jī)這個(gè)特殊的CAN 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。

上位機(jī)CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中，ARM 節(jié)點(diǎn)作為下位機(jī)來(lái)工作，它們采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，采集上來(lái)的數(shù)據(jù)需要傳到上位PC 機(jī)上進(jìn)行進(jìn)一步處理，通過(guò)監(jiān)控軟件監(jiān)控下位機(jī)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。上位PC 機(jī)作為CAN 總線上一個(gè)比較特殊的節(jié)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。上位機(jī)和下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)通信是以USBCAN卡為橋梁的，即利用CAN 卡的OPC 接口驅(qū)動(dòng)軟件，解決CAN 總線與PC 之間的通信問(wèn)題。通過(guò)調(diào)用CAN 卡的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)(. DLL)，利用自定義CAN 應(yīng)用層協(xié)議實(shí)現(xiàn)與CAN 總線應(yīng)用系統(tǒng)的連接;通過(guò)OPC 服務(wù)器連接的函數(shù)接口，調(diào)用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控軟件的連接。因此，上位機(jī)設(shè)計(jì)主要是利用USBCAN 驅(qū)動(dòng)程序，調(diào)用USBCAN接口卡所提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，達(dá)到操作USBCAN接口卡的目的，利用CAN 卡的OPC 接口驅(qū)動(dòng)軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理人機(jī)界面設(shè)計(jì)。



圖1 軟件結(jié)構(gòu)示意圖.

2 CAN 總線上位機(jī)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

2. 1 硬件電路設(shè)計(jì)

一般說(shuō)來(lái)，計(jì)算機(jī)本身不帶CAN 接口，因此直接使用計(jì)算機(jī)和CAN 網(wǎng)絡(luò)是不能互連的。但是，許多工業(yè)用計(jì)算機(jī)在某些應(yīng)用場(chǎng)合還是離不開CAN-bus，因此，就需要現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)通信接口與CAN-bus 接口適配，于是CAN 接口卡就給計(jì)算機(jī)增加CAN-bus 接口功能。通俗意義上說(shuō)，CAN通信適配卡加上計(jì)算機(jī)就組成一個(gè)特殊的CAN節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用USBCAN-2A 型CAN 卡，主機(jī)通過(guò)USB 接口控制電路來(lái)訪問(wèn)CAN 控制器，最終完成數(shù)據(jù)通信。計(jì)算機(jī)作為CAN 節(jié)點(diǎn)，接收來(lái)自下位機(jī)ARM 節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，將一些控制參數(shù)發(fā)送給下位機(jī)，并通過(guò)組態(tài)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)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(guò)編程任意設(shè)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(qiáng)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(kù)函數(shù)，PC 機(jī)通過(guò)對(duì)USBCAN-2A 接口庫(kù)函數(shù)的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)USBCAN-2A 接口卡的操作。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN 卡的初始化和對(duì)CAN 的讀寫操作。

為了增強(qiáng)CAN 通信的可靠性，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的2 個(gè)端點(diǎn)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(luò)采用直線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，總線的2 個(gè)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(méi)有集成120 Ω 終端電阻，當(dāng)USBCAN-2A 接口卡位于CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)端點(diǎn)上時(shí)，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(luò)終端時(shí)的連接方法.