采用雙CAN模塊的DS80C390芯片實(shí)現(xiàn)分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

CAN總線的全稱是ControllerAreaNetworkBus，簡稱控制器局部網(wǎng)總線，它是現(xiàn)場總線的一種，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用兩級總線式結(jié)構(gòu)，兩級總線之間采用轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行連接，這種結(jié)構(gòu)比環(huán)型結(jié)構(gòu)信息吞吐率低，并且無源抽頭連接，通信介質(zhì)用雙絞線，系統(tǒng)可靠性高。經(jīng)過二十年的發(fā)展，CAN總線憑借其卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線具有高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，它的特點(diǎn)如下：（1）方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)，可以多主方式工作，而不分主從，通信方式靈活。（2）通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km，通信速率最高可達(dá)1Mbps？40m，網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)可分成不同的優(yōu)先等級，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。（3）每幀信息都有CRC效驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)的出錯(cuò)率極低。

本文以美國Dallas公司的內(nèi)部帶2個(gè)獨(dú)立CAN模塊的DS80C390芯片為核心設(shè)計(jì)一種雙CAN總線分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)，并在電力系統(tǒng)同步靜止補(bǔ)償器（STATCOM）上得到應(yīng)用。

2、智能雙CAN總線節(jié)點(diǎn)

美國Dallas公司的高檔單片機(jī)DS80C390是內(nèi)置雙CAN模塊的嵌入式高速微處理器芯片：每個(gè)機(jī)器周期僅包含4個(gè)時(shí)鐘周期，比8051單片機(jī)快四倍;支持最大晶振頻率為40MHz，單指令周期100ns;與80C52兼容且與8051指令兼容;有4個(gè)8位I？O端口、3個(gè)16位定時(shí)器、256字節(jié)RAM、4kB內(nèi)部靜態(tài)SRAM、16個(gè)中斷源其中有6個(gè)外部中斷源;具有雙串行口、雙CAN口和雙數(shù)據(jù)指針。

采用DS80C390單片機(jī)作為核心的智能CAN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由DS80C390單片機(jī)、8255、A/D轉(zhuǎn)換以及PCA82C250CAN收發(fā)器組成。外部程序存儲器選用Atmel公司的AT49F010芯片，最快讀時(shí)間45ns，擦除周期時(shí)間10s;數(shù)據(jù)存儲器選用HY628100SOP，該芯片是一種高速CMOS靜態(tài)RAM;A？D轉(zhuǎn)換器ADS7864是德州儀器（TI）公司Burr-Brown產(chǎn)品部最新推出的快速6通道全差分輸入的雙12位A？D轉(zhuǎn)換器，它能以500kHz的采樣率同時(shí)進(jìn)行六通道信號采樣。時(shí)鐘芯片選擇DS12887，可以用來直接代替IBMPC上的時(shí)鐘日歷芯片;CAN收發(fā)器接口電路是用PHILIP公司生產(chǎn)的PCA82C250實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，以滿足CAN的通信要求，并可以調(diào)整轉(zhuǎn)換速度和防止出現(xiàn)大的干擾，負(fù)責(zé)將總線節(jié)點(diǎn)連接到總線上。

智能雙CAN節(jié)點(diǎn)功能主要包含如下：讀取撥碼開關(guān)的值，并以此數(shù)據(jù)作為ID的一部分，進(jìn)行ID的設(shè)定;啟動(dòng)A？D轉(zhuǎn)換，每個(gè)轉(zhuǎn)換通道在交流每周波采集1000點(diǎn)，即每20Ls轉(zhuǎn)換一次，數(shù)據(jù)存放在外部數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)中，當(dāng)上位機(jī)召喚數(shù)據(jù)時(shí)，由CAN發(fā)送出去;啟動(dòng)日歷時(shí)鐘，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，記錄下故障時(shí)間，并產(chǎn)生外部中斷申請？INT0或？INT1。

3 、分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)

DS80C390片內(nèi)集成有2個(gè)CAN接口模塊，可靠性較高，適合用來實(shí)現(xiàn)雙CAN線分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)。電力系統(tǒng)靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）分層分布式監(jiān)測系統(tǒng)的電路原理框圖如圖2所示，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)分為調(diào)度層、站控層和間隔層。

3.1 調(diào)度層

調(diào)度層包括上級調(diào)度計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)動(dòng)工作站計(jì)算機(jī)等，可以通過調(diào)制解調(diào)器撥號或通過以太網(wǎng)與站控層的中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行通信。調(diào)度層的監(jiān)視畫面是由站控層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)布的。調(diào)度層是監(jiān)測系統(tǒng)的管理層。

3.2 站控層

站控層包括1臺中央監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（WebServ2er），WEB服務(wù)器是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的核心，完成系統(tǒng)的所有監(jiān)測功能并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到調(diào)度層。站控層的WEB服務(wù)器包括PC2CAN卡和網(wǎng)卡等，通過PC2CAN卡總線與就地監(jiān)控的CAN節(jié)點(diǎn)通信，完成對裝置進(jìn)行封鎖脈沖和跳閘操作、封鎖故障指示、水冷報(bào)警和故障指示以及語音報(bào)警等;采集靜止同步補(bǔ)償器的輸出電壓和系統(tǒng)電壓;站控層通過網(wǎng)卡和調(diào)度層的計(jì)算機(jī)連網(wǎng)。

3.3 間隔層

間隔層共設(shè)置40個(gè)底層監(jiān)測雙CAN節(jié)點(diǎn)（雙CAN單元），每個(gè)底層監(jiān)測CAN節(jié)點(diǎn)用跳線設(shè)置本單元號，用數(shù)碼管顯示設(shè)置的單元號。雙CAN節(jié)點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行3路模擬量錄波，接收到封鎖或跳閘信號時(shí)，繼續(xù)錄波2周期后存儲前后2周期錄波數(shù)據(jù)，發(fā)送到站控層的集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)WEB服務(wù)器。CAN節(jié)點(diǎn)平時(shí)定期發(fā)送2周期數(shù)據(jù)及輸入量狀態(tài)到站控層的集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)WEB服務(wù)器。

4 、軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)監(jiān)控程序是采用KeilC51開發(fā)的，在KeiluVision7.0上調(diào)試通過。CAN節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，在DS80C390的初始化中，初始化內(nèi)部寄存器，確定存儲器的分配情況。其設(shè)置如下：

SAEQU 1

IDM DQU 2

CMA EQU 1

P4CNT5-3 EQU 100B

P4CNT2-0 EQU 100B

P5CNT3-0 EQU 100B

程序采用中斷方式，各程序初始化后，根據(jù)不同的中斷調(diào)度到相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，在中斷服務(wù)程序中，單片機(jī)將把記錄的信息通過CAN發(fā)送出去，即實(shí)現(xiàn)故障錄波功能。系統(tǒng)軟件可利用串口在線升級。

5、結(jié)論

本文研制了DS80C390雙CAN總線分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)，并在電力系統(tǒng)靜止同步補(bǔ)償器中應(yīng)用，滿足了電力系統(tǒng)中各控制對象分布廣，實(shí)時(shí)性要求高的要求，極大地提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性和抗干擾性。