摘 要：針對(duì)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(diǎn)，本文介紹了一種基于CAN總線(xiàn)的潛水電機(jī)分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案;給出了智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的硬件電路、軟件軟初始化程序和通信流程。經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)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(jì)要求，具有一定的參考和推廣價(jià)值。 關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn);分布式系統(tǒng);智能節(jié)點(diǎn);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(chǎng)總線(xiàn)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(kāi)放、全數(shù)字、多點(diǎn)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(diǎn)是通過(guò)開(kāi)放性總線(xiàn)把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)，各智能設(shè)備能夠完成自動(dòng)控制和運(yùn)行狀態(tài)的自行診斷，并且能夠通過(guò)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)，又稱(chēng)控制器局域網(wǎng)，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)。由于其高性能、高可靠性、及獨(dú)特的設(shè)計(jì)和適宜的價(jià)格而廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線(xiàn)之一。傳統(tǒng)的集散型控制系統(tǒng)（DCS）存在系統(tǒng)不開(kāi)放、硬件投資大、布線(xiàn)復(fù)雜、維修不便的缺點(diǎn)，具有明顯的局限性。本文給出了一種基于CAN總線(xiàn)的智能節(jié)點(diǎn)軟硬件的設(shè)計(jì)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(jì) [align=center] 圖1 分布式監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)[/align] 　　整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、PC-CAN適配卡、智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（n<110）、CAN總線(xiàn)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(chǎng)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立對(duì)電機(jī)進(jìn)行智能控制和保護(hù);監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以通過(guò)CAN總線(xiàn)網(wǎng)和各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，從而實(shí)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(diǎn)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(jì)算機(jī)可以選用普通PC或工控機(jī)IPC 。PC-CAN適配卡用來(lái)完成CAN總線(xiàn)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，可以選用PCI總線(xiàn)適配卡、ISA總線(xiàn)適配卡或RS232串行通信適配器。各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)互聯(lián)構(gòu)成CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，總線(xiàn)兩端連接120Ω的阻抗匹配電阻，用來(lái)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(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 　　目前，市場(chǎng)上有兩種CAN總線(xiàn)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(dú)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(dú)立的CAN控制芯片需要外接一個(gè)微處理器才能運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)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(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)，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(diǎn)的構(gòu)成 　　監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)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(chǎng)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(chǎng)設(shè)置模塊，利用監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)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(shí)，可以不使用CAN通信模塊。 [align=center] 圖2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖[/align] 3.2監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的功能 　　監(jiān)控節(jié)點(diǎn)各個(gè)組成部分的功能如下： 　�。�1）傳感器組件：用來(lái)檢測(cè)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(lái)檢測(cè)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(cè)潛水電機(jī)的過(guò)流、過(guò)熱、缺相、短路、滲漏等異常現(xiàn)象。 　�。�2）數(shù)據(jù)采集模塊：將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并通過(guò)多路模擬開(kāi)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。 　�。�3）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(xiàng)值超出正常值范圍時(shí)，都會(huì)通過(guò)SSR（過(guò)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(xiàn)的顯示技術(shù)，通過(guò)LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)行過(guò)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(shí)發(fā)光二極管可以指示出故障的類(lèi)型，方便檢查處理。 　　（5）CAN通信模塊：CAN總線(xiàn)通信接口電路主要由P87C591的片內(nèi)CAN驅(qū)動(dòng)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(duì)總線(xiàn)差動(dòng)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的功能，有效的提高了總線(xiàn)的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)總線(xiàn)、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(xiàn)引入的干擾，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。 　　（6）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置模塊：采用基于8255的鍵盤(pán)和基于X25045的E2PROM，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)工作參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定能。X25045存儲(chǔ)報(bào)警電流、停機(jī)電流、報(bào)警溫度、停機(jī)溫度、節(jié)點(diǎn)地址、波特率等信息。這些參數(shù)都可以通過(guò)按鍵進(jìn)行設(shè)置。除了節(jié)點(diǎn)地址外，其它的參數(shù)也可以通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)設(shè)置。 4 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) 4.1軟件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu) 　　與節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)相一致，軟件設(shè)計(jì)也遵循模塊化的設(shè)計(jì)原則，使控制軟件具有易讀、易擴(kuò)展和易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)C51語(yǔ)言編寫(xiě)相應(yīng)的軟件模塊實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的各種功能。軟件的各功能模塊之間通過(guò)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(shí)間，縮短了開(kāi)發(fā)周期。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。 [align=center] 圖3 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖[/align] 4.2監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通信程序設(shè)計(jì) 　　監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的通信采用CAN總線(xiàn)2.0A協(xié)議，通信模塊的軟件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)通信的關(guān)鍵，它主要用來(lái)完成CAN控制器工作方式的選擇，即對(duì)P87C591中CAN控制器控制段中的寄存器進(jìn)行設(shè)置，包括：總線(xiàn)定時(shí)寄存器和輸出控制寄存器設(shè)置;接收驗(yàn)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(lèi)型（標(biāo)準(zhǔn)幀或擴(kuò)展幀）、標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。初始化過(guò)程是在CAN控制器復(fù)位模式下完成的，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)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(diǎn)與CAN總線(xiàn)之間的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)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(gè)節(jié)點(diǎn)采用定時(shí)中斷的方式主動(dòng)向監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。這是利用了CAN總線(xiàn)可以采用多主機(jī)方式通信的特點(diǎn)。由于實(shí)時(shí)監(jiān)控功能是由各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)完成，而監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)管理功能，所以采用了定時(shí)上傳數(shù)據(jù)的方法，而沒(méi)有實(shí)時(shí)上傳所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)，從而減輕了總線(xiàn)負(fù)擔(dān)。這也是分布式控制方法相對(duì)于集中控制方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。圖6為接收程序流程圖，接收緩沖區(qū)用來(lái)存放CAN總線(xiàn)上發(fā)來(lái)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(yǔ) 　　本文設(shè)計(jì)的基于CAN總線(xiàn)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，可以對(duì)潛水電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)流、過(guò)熱、短路、滲漏情況做出處理，對(duì)電機(jī)起到了保護(hù)作用;節(jié)點(diǎn)與上位計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠;可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置模塊修改節(jié)點(diǎn)的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明了節(jié)點(diǎn)的適用性和可靠性，開(kāi)發(fā)過(guò)程中所提出的技術(shù)方案和實(shí)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(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 設(shè)計(jì)了一種基于P87C591的智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，在軟/硬件設(shè)計(jì)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(yáng)憲惠. 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，微計(jì)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. 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