摘 要：針對潛水電機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜、故障率高、影響參數(shù)多等特點，本文介紹了一種基于CAN總線的潛水電機(jī)分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案;給出了智能監(jiān)控節(jié)點的硬件電路、軟件軟初始化程序和通信流程。經(jīng)系統(tǒng)測試和實際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)安裝使用方便、工作可靠性較高，達(dá)到了設(shè)計要求，具有一定的參考和推廣價值。 關(guān)鍵詞：CAN總線;分布式系統(tǒng);智能節(jié)點;P87C591 Abstract: Countering the problems existing in the submersible motor, such as the complex condition of running, high malfunction ratio, many parameters influenced, This paper introduces the design of the distributed monitor system about the submersible motor based on CAN bus, and presents the hardware schematic circuits, software initial programs and communications flow of the intelligent monitor node. Practical using shows that this monitor system has the better control effect and is suitable for similar practical engineering. Keywords: CAN bus; distributed system; intelligent node; P87C591 1 引言 　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是繼直接數(shù)字控制（DDC）、集散控制系統(tǒng)（DCS）之后的一種新型的控制系統(tǒng)，是一種全開放、全數(shù)字、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，具有全分散性控的體系結(jié)構(gòu)[1]。其顯著特點是通過開放性總線把現(xiàn)場設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)，各智能設(shè)備能夠完成自動控制和運(yùn)行狀態(tài)的自行診斷，并且能夠通過總線實現(xiàn)設(shè)備之間的通信，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。CAN（Controller Area Network）總線，又稱控制器局域網(wǎng)，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于其高性能、高可靠性、及獨特的設(shè)計和適宜的價格而廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制、智能樓宇、醫(yī)療器械、交通工具以及傳感器等領(lǐng)域，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。傳統(tǒng)的集散型控制系統(tǒng)（DCS）存在系統(tǒng)不開放、硬件投資大、布線復(fù)雜、維修不便的缺點，具有明顯的局限性。本文給出了一種基于CAN總線的智能節(jié)點軟硬件的設(shè)計方案，應(yīng)用于潛水電機(jī)分布式監(jiān)控系統(tǒng)中。 2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計 [align=center] 圖1 分布式監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)[/align] 　　整個系統(tǒng)由監(jiān)控計算機(jī)、PC-CAN適配卡、智能監(jiān)控節(jié)點（n<110）、CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。分布在現(xiàn)場的監(jiān)控節(jié)點可以獨立對電機(jī)進(jìn)行智能控制和保護(hù);監(jiān)控計算機(jī)可以通過CAN總線網(wǎng)和各個控制節(jié)點之間進(jìn)行實時通信，從而實現(xiàn)潛水電泵機(jī)組的分散控制和集中監(jiān)管。 　　監(jiān)控系統(tǒng)中的控制節(jié)點由CAN控制器、CAN收發(fā)器和外圍電路（如：光耦隔離、I2C、LED顯示等）組成。監(jiān)控計算機(jī)可以選用普通PC或工控機(jī)IPC 。PC-CAN適配卡用來完成CAN總線和監(jiān)控計算機(jī)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，可以選用PCI總線適配卡、ISA總線適配卡或RS232串行通信適配器。各個控制節(jié)點之間通過屏蔽雙絞線互聯(lián)構(gòu)成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，總線兩端連接120Ω的阻抗匹配電阻，用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。 3 監(jiān)控節(jié)點的硬件設(shè)計 　　目前，市場上有兩種CAN總線器件可以選擇：一種是片內(nèi)集成CAN的微控制器，如P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376等;另一種是獨立的CAN控制器，如控制Philips公司的SJA1000、82C200、, Intel公司的82526、以及Microchip公司的MCP2510等，但是獨立的CAN控制芯片需要外接一個微處理器才能運(yùn)行。本文設(shè)計中選用的是Philips公司的帶有在片CAN控制器的P87C591微型控制器，這樣大大簡化了節(jié)點的硬件電路設(shè)計，減少了程序的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的可靠性。 3.1監(jiān)控節(jié)點的構(gòu)成 　　監(jiān)控節(jié)點硬件電路設(shè)計上采用了模塊化結(jié)構(gòu)，由微控制器、CAN通信模塊、傳感器組件、數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)控制模塊、LED顯示模塊、現(xiàn)場設(shè)置模塊組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)具體情況可以只選用其中的部分模塊。例如：可以去掉顯示模塊和現(xiàn)場設(shè)置模塊，利用監(jiān)控計算機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置的功能。在單機(jī)運(yùn)行時，可以不使用CAN通信模塊。 [align=center] 圖2 監(jiān)控節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖[/align] 3.2監(jiān)控節(jié)點的功能 　　監(jiān)控節(jié)點各個組成部分的功能如下： 　?。?）傳感器組件：用來檢測潛水電機(jī)的運(yùn)行狀況，包括：溫度傳感器、電流互感器、液位傳感器。分別用來檢測電機(jī)三相定子的溫度、三相主電流、和電泵腔內(nèi)的水位，可以有效的監(jiān)測潛水電機(jī)的過流、過熱、缺相、短路、滲漏等異常現(xiàn)象。 　?。?）數(shù)據(jù)采集模塊：將傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號并通過多路模擬開關(guān)送入微控制器，CPU得到電機(jī)定子溫度、電流、液位信息做出相應(yīng)的判斷，并送至不同的子程序進(jìn)行相應(yīng)的處理。 　?。?）電機(jī)控制模塊：CPU判斷電機(jī)定子溫度、電流、液位中的任一項值超出正常值范圍時，都會通過SSR（過零觸發(fā)型交流固態(tài)繼電器）觸發(fā)相應(yīng)的異常處理電路，使電機(jī)得到保護(hù)。 　　（4）LED顯示模塊：采用基于I2C總線的顯示技術(shù)，通過LED數(shù)碼管實時顯示電機(jī)運(yùn)行過程中定子的溫度和電流值。并可以在設(shè)置模式下顯示待定置參數(shù)的當(dāng)前值。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)非正常停機(jī)時發(fā)光二極管可以指示出故障的類型，方便檢查處理。 　?。?）CAN通信模塊：CAN總線通信接口電路主要由P87C591的片內(nèi)CAN驅(qū)動器SJA1000、6N137高速光隔、CAN收發(fā)器PCA82C250組成。P87C591完成CAN協(xié)議的應(yīng)用層功能，SJA1000完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。PCA82C250提供了對總線差動發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的功能，有效的提高了總線的抗干擾能力，實現(xiàn)了保護(hù)總線、降低射頻干擾等功能。6N137隔離控制電路和收發(fā)器電路，能夠有效地抑制由總線引入的干擾，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。 　?。?）現(xiàn)場設(shè)置模塊：采用基于8255的鍵盤和基于X25045的E2PROM，實現(xiàn)節(jié)點工作參數(shù)現(xiàn)場設(shè)定能。X25045存儲報警電流、停機(jī)電流、報警溫度、停機(jī)溫度、節(jié)點地址、波特率等信息。這些參數(shù)都可以通過按鍵進(jìn)行設(shè)置。除了節(jié)點地址外，其它的參數(shù)也可以通過監(jiān)控計算機(jī)設(shè)置。 4 監(jiān)控節(jié)點的軟件設(shè)計 4.1軟件設(shè)計的總體結(jié)構(gòu) 　　與節(jié)點硬件設(shè)計相一致，軟件設(shè)計也遵循模塊化的設(shè)計原則，使控制軟件具有易讀、易擴(kuò)展和易維護(hù)的優(yōu)點。通過C51語言編寫相應(yīng)的軟件模塊實現(xiàn)上述監(jiān)控節(jié)點的各種功能。軟件的各功能模塊之間通過入口和出口參數(shù)相互聯(lián)系，組合靈活且方便，減少了調(diào)試時間，縮短了開發(fā)周期。監(jiān)控節(jié)點的軟件設(shè)計流程如圖3所示。 [align=center] 圖3 監(jiān)控節(jié)點軟件設(shè)計流程圖[/align] 4.2監(jiān)控節(jié)點通信程序設(shè)計 　　監(jiān)控節(jié)點的通信采用CAN總線2.0A協(xié)議，通信模塊的軟件設(shè)計主要由初始化程序、發(fā)送程序、接收程序三部分組成。其中初始化程序是實現(xiàn)通信的關(guān)鍵，它主要用來完成CAN控制器工作方式的選擇，即對P87C591中CAN控制器控制段中的寄存器進(jìn)行設(shè)置，包括：總線定時寄存器和輸出控制寄存器設(shè)置;接收驗收濾波寄存器和濾波屏蔽寄存器設(shè)置;設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)幀類型（標(biāo)準(zhǔn)幀或擴(kuò)展幀）、標(biāo)識符、數(shù)據(jù)長度。初始化過程是在CAN控制器復(fù)位模式下完成的，監(jiān)控節(jié)點通信的初始化程序流程如圖4所示。 [align=center] 圖4 CAN初始化程序流程圖[/align] 　　監(jiān)控節(jié)點與CAN總線之間的數(shù)據(jù)交換是通過發(fā)送程序和接收程序?qū)崿F(xiàn)的。發(fā)送程序流程如圖5所示，從圖5中可以看出系統(tǒng)的每個節(jié)點采用定時中斷的方式主動向監(jiān)控計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。這是利用了CAN總線可以采用多主機(jī)方式通信的特點。由于實時監(jiān)控功能是由各個控制節(jié)點完成，而監(jiān)控計算機(jī)主要用來實現(xiàn)管理功能，所以采用了定時上傳數(shù)據(jù)的方法，而沒有實時上傳所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)，從而減輕了總線負(fù)擔(dān)。這也是分布式控制方法相對于集中控制方法的一個優(yōu)點。圖6為接收程序流程圖，接收緩沖區(qū)用來存放CAN總線上發(fā)來的數(shù)據(jù)，CPU讀取數(shù)據(jù)后接收緩沖區(qū)將被清空，等待接收新的數(shù)據(jù)。 [align=center] 圖5 發(fā)送程序流程圖 圖6 接收程序流程圖[/align] 5　結(jié)束語 　　本文設(shè)計的基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)智能節(jié)點經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，可以對潛水電機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的過流、過熱、短路、滲漏情況做出處理，對電機(jī)起到了保護(hù)作用;節(jié)點與上位計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠;可以通過現(xiàn)場設(shè)置模塊修改節(jié)點的參數(shù)。實驗表明了節(jié)點的適用性和可靠性，開發(fā)過程中所提出的技術(shù)方案和實現(xiàn)方法可以在分布式監(jiān)控系統(tǒng)及工業(yè)底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場智能節(jié)點設(shè)計中推廣應(yīng)用。 　　本文作者創(chuàng)新點: 設(shè)計了一種基于P87C591的智能監(jiān)控節(jié)點，在軟/硬件設(shè)計中均采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，具有高度的靈活性和廣泛的適用性。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,1999. 　　[2] 饒運(yùn)濤,鄒繼軍,鄭勇蕓. 現(xiàn)場總線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. 　　[3] 楊 飛，鄭貴林. 基于CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]，微計算機(jī)信息（嵌入式與SOC），2005年第21卷第7期:34-36 　　[4] 蔣建文，林 勇，韓江洪. CAN總線通信協(xié)議的分析和實現(xiàn)[J],計算機(jī)工程，2002年第2期:219-221 　　[5] 李 貌，秦霆鎬，閆世曉. MCP2515在CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點的應(yīng)用[J]，微計算機(jī)信息（嵌入式與SOC），2005年第21卷第7期:37-39 　　[6] 馮 歷，潘松峰，趙正德，張秀虹. 基于CAN總線測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究[J]，計算機(jī)測量與控制，2004年第2期:117-119