CAN總線在智能配電系統中的應用

引言
??????本文為計算機機房開發的智能配電系統iPDS(Intelligent Power Distribution System)很好地滿足了以上要求，具有智能化和人性化兩大特點。本系統采用CAN總線進行數據的交互傳遞，很好地滿足了系統可靠性、實時性及成本方面的要求。UPS系統的每一路電流都采用自動空氣斷路器進行過流保護，這種保護是有效的，但不是智能的，不能設置，不會報警，更沒有供電及故障報警信息的紀錄，與高可靠性的要求不相符，有進一步改造的必要和需求。

系統設計
??? 本智能系統對機房內各路電源的電流、漏電流、零地電壓、自動空氣斷路器的運行狀態等信息進行實時監測、顯示，具有實時報警、詳細記錄等功能，并可以根據用戶要求靈活地配置各路監測信息。可以在顯示屏上查詢機房各路電源的使用情況，盡早發現和消除隱患，實時處理故障，進一步提高了系統的可靠性。

??? 本系統由數據處理單元、數據采集節點、LED顯示節點、觸摸屏等組成，具體系統結構如圖1所示。

圖1? 智能配電系統結構圖

??? 整個系統結構復雜，功能完善，觸摸屏通過RS-485與數據處理單元相連，數據處理單元、數據采集節點和LED顯示節點都掛接在CAN總線上，各組成部分提供不同的功能：
1. 數據處理單元有兩個CPU，單片機AT89C58和P87C591，二者通過雙口RAM進行數據交換，其中AT89C58與觸摸屏通過RS-485通信，處理觸摸屏上的顯示和設置信息，P87C591處理CAN總線上的交互信息。
2. 觸摸屏是系統的主界面，用于設置系統的配置信息，顯示當前各路的電流、漏電流、零地電壓和自動空氣斷路器的狀態等，并可以查看歷史報警記錄。
3. 數據采集節點采集各路模擬量和開關量信息，通過CAN總線傳輸，以供數據處理單元處理。
4. LED顯示節點主要顯示當前各路的模擬量和開關量的報警信息，便于用戶查看，使系統更加人性化。

CAN總線硬件設計
P87C591簡介
???? 在系統中，采用Philips公司生產的P87C591單片機，該單片機是一個8位高性能微控制器，具有片內CAN控制器，大大簡化了硬件電路的設計，提高了CAN接口的穩定性。

???? P87C591采用了強大的80C51指令集，并集成了SJA1000 CAN控制器的PeliCAN功能。

??? P87C591連接的CAN節點電路設計比較簡單，所需的外部元件只是一個晶振加兩個電容驅動片內震蕩器、一個連接到復位腳的電阻、電容。使用片內上電復位電路以及一個收發器將P87C591連接到CAN總線上。

CAN總線通信過程及標識符的分配
??? 本系統對實時性要求高，數據傳輸量大，數據采集節點采集的信息應快速上傳到數據處理單元，以便及時處理，數據處理單元將觸摸屏上的設置信息實時傳遞給數據采集單元；數據處理單元處理完采集的信息后，將當前的系統狀態及時地在LED顯示節點上顯示出來，并指揮繼電器動作。

???? 整個CAN總線系統采用CAN2.0B通訊協議，采用標準幀格式、11位標識符來區分CAN總線上的節點。數據處理單元是CAN總線上最重要的節點，控制整個總線上數據的傳輸和處理，優先級最高，其次是數據采集節點，它是數據的來源，實時采集傳
遞數據，再次是LED顯示節點。

???? 考慮到系統的擴展問題，預留了一部分標識符，根據用戶要求可以增加、減少數據采集節點和LED顯示節點，而不影響系統的優先級設計。

CAN總線軟件設計
???? 數據處理單元是CAN總線上優先級最高的節點，控制著整個總線上的數據傳輸流程，其軟件設計主要包括兩大部分，即通信網絡的應用層協議和功能實現的流程和編碼。

軟件功能分析及系統初始化設計
???? P87C591主要完成數據的處理與傳輸，通過CAN總線接收數據采集節點采集來的各路模擬量和開關量信息，整理后按協議存儲到雙口RAM中，并根據處理結果給LED顯示節點發送信息。主程序查詢雙口RAM中數據采集節點的設置信息，實時地傳送信息給數據采集節點，并向其發送遠程幀，請求模擬量和開關量信息的傳送，這樣避免了多個數據采集節點同時上傳采集的信息，有效地防止了接收溢出和數據丟失，接收到采集的各路信息后，處理并存儲到雙口RAM中、發送給LED節點。

??? 在程序設計中，初始化程序是系統設計工作中極為重要的部分，它是系統能否正常工作的前提。因此，初始化設計是一個重點，在系統初始化過程中要進行雙口RAM的初始化，打開看門狗，設置中斷優先級，初始化CAN控制器和I/O口，打開總中斷等操作，以保證系統正常穩定地工作。

CAN通信程序設計
???? CAN通信軟件主要由以下幾部分組成：初始化、接收處理、發送處理、中斷處理及錯誤處理。本文重點介紹初始化、發送、接收處理子程序及錯誤處理。

初始化子程序
??? CAN控制器的初始化包括操作模式、驗收濾波器、總線定時及中斷的設置等。驗收濾波器的設置決定了本節點所接收的信息的格式。定時器用來設置CAN總線上數據傳輸的波特率，總線上各節點的波特率必須一致，否則就會導致數據傳輸錯誤。

發送程序
???? 發送子程序負責節點報文的發送。發送時用戶只需將待發送的數據按特定格式組合成一幀報文，送入CAN控制器的發送緩存區中，然后啟動發送命令即可。信息從CAN控制器發送到CAN總線是由CAN控制器自動完成的。本系統采用查詢的方式發送。

接收程序
???? 接收子程序負責節點報文的接收以及其它情況的處理，諸如對總線關閉、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。信息從CAN總線到CAN緩沖區是由CAN控制器自動完成的。接收程序只需從接收緩沖區讀取要接收的信息即可。考慮到實時性的要求，采用了如圖2所示的中斷方式。

圖2 中斷接收流程圖

錯誤處理
???? 在CAN初始化中，打開了錯誤報警中斷使能和總線錯誤中斷使能，當錯誤計數器(發送錯誤計數器和接收錯誤計數器中的任何一個)計數值超過96時，說明總線被嚴重干擾，產生錯誤報警中斷；當發送錯誤計數器值超過255時，節點進入總線關閉狀態，CAN控制器將設置復位模式位為1(當前)并產生一個錯誤報警和總線錯誤中斷。錯誤報警中斷處理是清零所有錯誤計數器的值，維持CAN的運轉，但這樣做存在局限性：清零錯誤計數器只是將錯誤計數器簡單的清零，不能從根本上消除錯誤來源；由于錯誤報警中斷產生的條件為錯誤計數器的值超過96，而總線關閉中斷產生的條件為發送錯誤計數器的值超過255，因此，發送錯誤計數器引起的錯誤報警中斷可以屏蔽掉總線錯誤中斷。系統可能由于總響應錯誤報警中斷導致系統不能產生總線關閉，使CAN總線一直處于不穩定狀態。

??? 為了避免這種情況，只打開總線錯誤中斷使能，這樣，在總線發生嚴重錯誤的情況下，可馬上產生總線錯誤中斷，使錯誤得到及時處理。總線錯誤中斷的處理是復位該節點，重新初始化CAN控制器，這樣可以消除錯誤，給節點一個很好的初態。由于CAN總線兩條傳輸線之間的誤接觸，也易造成CAN總線關閉，使節點無法工作，在主程序中查詢狀態寄存器中當前CAN總線狀態，及時復位該節點，使節點正常工作。

??? 同時，為了更方便直觀地查看CAN總線的工作狀態，設計了一個指示燈，當總線正常地收發信息時，指示燈閃爍，一旦CAN總線關閉，節點不參與總線活動，指示燈不再閃爍(此時指示燈長亮或長滅)，當總線錯誤不能通過復位該節點解決時，可以通過查看指示燈的狀態(長亮或長滅)，及時地對不工作的節點進行修理維護。

結語
??? 運用CAN總線技術構建智能配電系統，提高了系統的穩定性和實時性，系統價格低廉，安裝維護簡單，具有良好的升級、擴展能力。該系統已經成功地裝配到經貿、股票交易行業的機房中，運行可靠，實現了設計目標。

參考文獻
1 饒運濤．現場總線CAN原理與應用技術[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2003．20～166
2 Philips Semiconductors, P8xC591, Single-chip 8-bit microcontroller with CAN controller, DATA SHEET, 2000