基于CAN总线的多路电源智能智能监控系统

0 引言

    邮电通信线路的供电电源的稳定性和可靠性对整个邮电通信起着关键作用。因此要求能对供电电源的运行状态进行实时监控，及时发现异常情况和事故隐患，在出现异常和故障时迅速进行诊断并予以修复。

1 CAN总线与485总线的比较

    1)485总线的特点

    相对于RS一232，RS一485半双工异步通信总线具有通信距离远、通信速率高、成本低等特点，是一种被广泛使用的数据通信总线。但485总线的波特率设置受到单片机的波特率设置的限制，在单片机使用24M晶振的情况下，也只可以设置到9600bps的波特率。485总线的容错和应用层的协议，可以自己通过软件来实现，比较灵活，但是编程的工作就变得复杂。因此在对速度要求高、数据传送量大的大型系统中，485总线在实时性和可靠性方面的性能就显得比较脆弱。

    2)CAN总线的特点

    CAN全称为Controller Area Network，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线主要具有以下的特点：

    (1)CAN总线通信最高波特率可高达lMbps(采用双绞线通讯距离40m)、最远通讯距离为10km(可达5kbps)。

    (2)CAN总线采用了短帧结构，每一帧为8个字节，传输时间短，受干扰概率低，每帧信息都有CRC校验和其他检错措施，保证了数据的出错率极低，从而提高了传送数据的可靠性。

    (3)和485总线一样，采用平衡传输，抗干扰能力强。

    (4)采用非破坏性总线仲裁，当有几个节点同时发送信息的时候，根据帧开始部分的标识符，进行逐位仲裁，优先级别高的信息会不受影响地继续发送，优先级别低的信息就会停止发送，从而保证重要信息的及时传送。

    (5)借助CAN控制器里面的接收滤波器，CAN总线能实现点对点，一点对多点以及全局广播等方式传送，无需专门的调度。

    由此可见，CAN总线具有传送数据实时性和可靠性高的优点，能应用于数据传送量大、数据传输的速度要求高的系统中。

2 电源智能监控系统的构成

    邮电通信线路的供电电源是±48V。监控系统对现场的温度、总电源和各通支路电源的电压和电流进行采集。本监控系统由位于监控中心的上位机(PC机)和现场多个智能节点组成。每一个智能节点可以采集64路的数据(电压、电流或温度)、具有现场的界面显示、键盘操作、报警和与上位机通信等功能。在正常的情况下，位于现场的各个智能节点每隔一段时间就要把当前64路的数据上传给上位机。当线路的电源出现故障时，无论当前正在进行什么操作，智能节点都会马上发送故障信息给上位机，并且在现场发出报警信号。由于电源的电压、电流和温度是通过分流器来采样取得的，而采用不同的分流器，则要进行不同的数值变换。所以在上下位机中都需要有一套相同的配置表，当其中一方的配置表有改动，就要通知另一方，进行及时更新。监控中心的计算机由RS一232串口接到通信适配器上，实现计算机与智能节点网络的传输。由于传输的数据量大，要求传输速度较快，并且对重要信息的传送的可靠性和实时性要求高，因此为了提高系统的可靠性和实时性，该系统的通信接口采用了CAN总线技术。整个系统的结构图如图1所示。

3 智能节点的硬件设计

    智能节点硬件框图见图2。由于智能节点在同一时间可能要进行很多动作，如数据的采集，与上位机的通信，界面的显示等，为了保证数据的正确采集和可靠传输，本系统采用双MCU结构，从MCU负责数据的采集、保存和报警功能。而主MCU负责数据的转发，现场的界面显示等功能。主、从MCU都采用AT89C55。其内部具有20K的EPROM，并且自带看门狗电路，简化了电路连接，提高了系统的抗干扰性。它具有双DPTR结构，从而使片外寻址的编程更加灵活和简化。

    ADC8016是逐次比较式16路8位A／D转换器。它包含有一个8位A／D转换器和16路的单端模拟信号多路转换开关。在一个智能节点中需要4块ADC8016对64路的数据进行转换。

    由于电压、电流和温度信号是通过分流器变换成电压量之后才进行采集的。由于分流器变换出来的电压量是毫伏级的，而ADC8016的输入范围是0～5V，所以由分流器变换出来的电压量要通过信号放大电路之后才进入AD转换器。信号放大电路由两级的运算放大器构成，从而提高了系统的精度。

    为了提高系统的抗干扰能力，在数据采集芯片ADC0816和AT87C55之间加入光耦隔离。要注意的是，这里要采用快速光耦，因为如果采用光耦的开关速度太慢，由ADC出来的数据是传送不到采集MCU那边的。因此我们采用了快速光耦6N137。而现场报警的功能是通过蜂鸣器来实现。

    主、从MCU之间的数据、信息的传递是通过双口RAM(CY7C007)来实现的。从MCU采集到的数据储存到双口RAM中，主MCU在适当时候从双口RAM中取出数据，并对数据进行发送。为了保证采集的数据不因下位机掉电或其他故障而丢失，主MCU在数据发送之前，先把数据存放在掉电非易失存储器里。在CY7C007中地址最高的两个字节7FFE、7FFF和两边的INTL、INTR引脚可作为左右两边的控制信号来用。当左边向7FFE写数据时，右边的INTR引脚会变低，当右边向7FFE读数据时，INTR引脚复位，而INTR引脚是低电平有效的。对7FFF做类似的操作时，INTL引脚也会有同样的功能。而本系统中，就是根据CY7C007这一特点，把CY7C007的INTR引脚连到主MCU的INT0引脚。当从MCU检测到有故障时，就向双口RAM的7FFE写数据，从而向主MCU发出报警信号，让MCU马上进入中断，进行相应的处理。

    液晶显示屏和键盘实现下位机的人机交换功能。通过键盘操作可以修改配置表，主动将更新的配置表上传，向上位机索取最新的配置表等功能。并且与液晶显示屏配合，进行各种显示界面的更换。

    CAN控制器SJAl000是一个带有CAN2．0控制协议的集成器件。只要对它内部的各种寄存器的值进行初始化，便能实现不同的通信功能，这简化了软件程序的编写，使开发者能更集中于通信控制策略的研究。

    收发器82C250作为SJAl000和CAN总线的接口，能提供差动发送和差动接收，满足CAN2．0协议的要求，并提高了系统通信的抗干扰性能。通过对脚8(RS)的不同连接可以实现三种不同的工作方式：高速、斜率控制和待机。本系统中采用斜率控制，以降低射频干扰。

4 监控中心的管理软件

    电源监控硬件系统的规划设计要保证系统工作的可靠性、稳定性，它反映了系统的基本性能。而系统的管理软件是面向用户的，它应充分发挥协调硬件的技术能力，同时要尽可能易于操作，提供所需的信息，方便管理。监控室的管理软件采用中文版Visual Basic语言编写。监控软件的主体功能如图3所示。它具有CAN通信进程，配置表的设置，电压电流值的换算，当前数据值显示，故障信息显示，故障前后数据曲线图显示，时钟同步等功能。

    通信进程是完成数据进出的核心功能。它要接收或发送配置表，使上下位机的配置表一致；接收故障信息；完成正常数据传送的握手协议；发送对时帧，使各节点时钟同步。

    为了避免其他人随便改动配置表的信息，在进入配置表设置之前必须进行密码认证。而配置表的设置用于分流器类型的设定，定义标识地址上节点的数据链接指向，包括该节点监控的是哪一个位置的数据，该路采集的是总电源、支路电源还是温度的数据。由于数据是通过分流器变换之后才进行采集的，并且上传来的数据是十六进制的，所以在上位机要对接收到的数据进行一定的换算。

    通过观察接收数据的变化，可以远程监控现场的通信电源工作情况，及时发现出现故障的位置和类型。当出现故障时，可以调用故障出现前后的数据，画出曲线，通过观察曲线，可以对故障进行分析。

    监控室的上位机每隔12个小时就会把当前的时间发送给智能节点，智能节点一旦发现本身的时钟和上位机的时钟的差值超过允许范围，就对本身的时钟进行修改，保证数据采集的同时陛。

5 结束语

    该多路电源智能监控系统已在某邮电通信公司中使用。经过调试和运行，证明该多路电源智能监控系统采用CAN总线技术能够达到很好的实时性和可靠性的要求。