智能斷路器的CAN 總線網絡節點設計

0 引言

近年來，智能脫扣器技術在國內有了較快的發展。智能脫扣器的成功應用，使得斷路器的功能更加強大。目前，國內外研究生產的智能脫扣器能顯示開關狀態、三相電流、電壓、功率因數、有功功率等參數。而控制器局域網(CAN) 能有效支持具有高安全級的分布式實時控制，憑借其在噪聲環境中的可靠性及其故障狀態檢測，以及從故障狀態恢復的能力，被廣泛應用于工業控制等領域。因此，國內外大都將比較成熟的CAN 現場總線技術應用在智能脫扣器的通信方面，實現上下位機的“四遙”功能，即遙測、遙控、遙信和遙調。上位機CAN 主要對下位機采集到的信號進行監控、調度和管理。上位機作為一個特殊的CAN 節點，其設計相對復雜。本文將重點介紹上位機CAN 智能節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

電網信號經過下位機采集，A/D 轉換和數據算法程序處理傳到上位機后，要能夠顯示到上位機上，這樣才能實現工作人員對各個斷路器工作狀態的監控，并且通過上位機界面能夠實現對下位機發送參數命令，實現對下位機的調控。該功能是依靠上位機這個特殊的CAN 節點實現的。

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



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 網絡是不能互連的。但是，許多工業用計算機在某些應用場合還是離不開CAN-bus，因此，就需要現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，最終完成數據通信。計算機作為CAN 節點，接收來自下位機ARM 節點采集的數據，將一些控制參數發送給下位機，并通過組態界面實現對下位機的監控等功能。

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數據卡，符合CAN2. 0B 規范，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流的損壞，增強系統在惡劣環境中使用的可靠性。

USBCAN-2A 卡提供了很多庫函數，PC 機通過對USBCAN-2A 接口庫函數的操作，實現對USBCAN-2A 接口卡的操作。上位機主要實現對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 接口卡內部沒有集成120 Ω 終端電阻，當USBCAN-2A 接口卡位于CAN-bus 網絡的一個端點上時，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 位于網絡終端時的連接方法.