基于CAN總線的分布式監控系統智能節點設計

　　
　　整個系統由監控計算機、PC-CAN適配卡、智能監控節點（n110）、CAN總線網絡組成，其系統結構如圖1所示。分布在現場的監控節點可以獨立對電機進行智能控制和保護;監控計算機可以通過CAN總線網和各個控制節點之間進行實時通信，從而實現潛水電泵機組的分散控制和集中監管。
　　
　　監控系統中的控制節點由CAN控制器、CAN收發器和外圍電路（如：光耦隔離、I2C、LED顯示等）組成。監控計算機可以選用普通PC或工控機IPC。PC-CAN適配卡用來完成CAN總線和監控計算機之間的協議轉換，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。各個控制節點之間通過屏蔽雙絞線互聯構成CAN總線網絡，總線兩端連接120Ω的阻抗匹配電阻，用來提高系統的穩定性、增強系統的抗干擾能力。
　　
　　3監控節點的硬件設計
　　
　　目前，市場上有兩種CAN總線器件可以選擇：一種是片內集成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行。本文設計中選用的是Philips公司的帶有在片CAN控制器的P87C591微型控制器，這樣大大簡化了節點的硬件電路設計，減少了程序的復雜程度，提高系統的可靠性。
　　
　　3.1監控節點的構成
　　
　　監控節點硬件電路設計上采用了模塊化結構，由微控制器、CAN通信模塊、傳感器組件、數據采集模塊、電機控制模塊、LED顯示模塊、現場設置模塊組成，其整體結構如圖2所示。根據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場設置模塊，利用監控計算機實現數據顯示和參數設置的功能。在單機運行時，可以不使用CAN通信模塊。
　　

3.2監控節點的功能
　　
　　監控節點各個組成部分的功能如下：
　　
　　（1）傳感器組件：用來檢測潛水電機的運行狀況，包括：溫度傳感器、電流互感器、液位傳感器。分別用來檢測電機三相定子的溫度、三相主電流、和電泵腔內的水位，可以有效的監測潛水電機的過流、過熱、缺相、短路、滲漏等異常現象。
　　
　　（2）數據采集模塊：將傳感器采集到的模擬信號轉變為數字信號并通過多路模擬開關送入微控制器，CPU得到電機定子溫度、電流、液位信息做出相應的判斷，并送至不同的子程序進行相應的處理。
　　
　　（3）電機控制模塊：CPU判斷電機定子溫度、電流、液位中的任一項值超出正常值范圍時，都會通過SSR（過零觸發型交流固態繼電器）觸發相應的異常處理電路，使電機得到保護。
　　
　　（4）LED顯示模塊：采用基于I2C總線的顯示技術，通過LED數碼管實時顯示電機運行過程中定子的溫度和電流值。并可以在設置模式下顯示待定置參數的當前值。當電機出現非正常停機時發光二極管可以指示出故障的類型，方便檢查處理。
　　
　　（5）CAN通信模塊：CAN總線通信接口電路主要由P87C591的片內CAN驅動器SJA1000、6N137高速光隔、CAN收發器PCA82C250組成。P87C591完成CAN協議的應用層功能，SJA1000完成物理層和數據鏈路層的功能。PCA82C250提供了對總線差動發送和接受數據的功能，有效的提高了總線的抗干擾能力，實現了保護總線、降低射頻干擾等功能。6N137隔離控制電路和收發器電路，能夠有效地抑制由總線引入的干擾，進一步提高了系統的可靠性。
　　
　　（6）現場設置模塊：采用基于8255的鍵盤和基于X25045的E2PROM，實現節點工作參數現場設定能。X25045存儲報警電流、停機電流、報警溫度、停機溫度、節點地址、波特率等信息。這些參數都可以通過按鍵進行設置。除了節點地址外，其它的參數也可以通過監控計算機設置。
　　
　　4監控節點的軟件設計
　　
　　4.1軟件設計的總體結構
　　
　　與節點硬件設計相一致，軟件設計也遵循模塊化的設計原則，使控制軟件具有易讀、易擴展和易維護的優點。通過C51語言編寫相應的軟件模塊實現上述監控節點的各種功能。軟件的各功能模塊之間通過入口和出口參數相互聯系，組合靈活且方便，減少了調試時間，縮短了開發周期。監控節點的軟件設計流程如圖3所示。