1 問題的提出
    以前對(duì)井下電力負(fù)荷的監(jiān)控，只能靠模擬電表來指示?，F(xiàn)在可以采用計(jì)算機(jī)控制與管理，用模擬盤顯示井下負(fù)荷的動(dòng)態(tài)工作情況。可以借助CAN一232B智能型轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋和模擬盤控制器來實(shí)現(xiàn)這些。
    CAN一232B智能型轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋，用于PC或其他帶RS 232端口的設(shè)備與CAN設(shè)備之間的通訊CAN(Con—troller Area Network)是一種串行總線系統(tǒng)。CAN擁有高傳輸速度(高達(dá)1 Mb／s)和高可靠性，能以高性能和高品質(zhì)的方式實(shí)現(xiàn)高度可靠的監(jiān)控系統(tǒng)。為了能在通常的RS 232設(shè)備上使用CAN網(wǎng)絡(luò)，CAN一232B設(shè)計(jì)成將RS 232的串行幀重新打包為CAN擴(kuò)展幀，并通過CAN收發(fā)器發(fā)送到CAN總線上；反之，如果CAN一232B的收發(fā)器收到CAN總線上的數(shù)據(jù)幀，而且通過了驗(yàn)收碼校驗(yàn)，它就會(huì)把CAN幀拆包，并將其中的數(shù)據(jù)發(fā)到RS 232口上，因此它可以在CAN與RS 232之間精確地轉(zhuǎn)換信息。
    CAN一232B有2種工作模式：設(shè)置模式和工作模式。在設(shè)置模式下，用戶可對(duì)它的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。而在工作模式中，它完成上述的協(xié)議轉(zhuǎn)換。CAN一232B特別適合小流量的CAN—bus數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，最高可達(dá)300幀／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。
    CAN一232B采用表面安裝工藝，板上自帶光電隔離模塊，在控制電路和CAN電路之間實(shí)現(xiàn)完全電氣隔離。CAN一232B也采用防雷設(shè)計(jì)，每線提供600 W的抗雷擊承受力，加上獨(dú)立的DC／DC電源，這樣的三保險(xiǎn)設(shè)計(jì)使CAN一232B具有很強(qiáng)的抗干擾能力，大大提高系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

2 模擬盤控制器的功能
    電力監(jiān)控模擬盤設(shè)于地面變電所，主要用于低電壓等級(jí)供配電系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)與控制。在供電系統(tǒng)的每條配電回路中安裝1臺(tái)監(jiān)控器，通過CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)控制站及中央控制站共同形成一個(gè)供配電計(jì)算機(jī)監(jiān)控與管理系統(tǒng)。

 模擬盤控制器是電力監(jiān)控系統(tǒng)的顯示部分，在現(xiàn)場(chǎng)中的監(jiān)控器采集到回路的模擬量、開關(guān)量，并將這些數(shù)據(jù)根據(jù)CAN總線通訊協(xié)議轉(zhuǎn)化成可傳送的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送到CAN總線上。模擬盤控制器一直“掛”在CAN總線上，當(dāng)CAN總線上有數(shù)據(jù)時(shí)，模擬盤控制器利用接受中斷程序接收這些數(shù)據(jù)幀，并根據(jù)CAN總線的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)幀還原成相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送到自身所攜帶的指示燈或數(shù)字表上進(jìn)行顯示。當(dāng)調(diào)度端主機(jī)發(fā)出遙控合閘或遙控選線命令，模擬盤控制器根據(jù)CAN總線協(xié)議將命令轉(zhuǎn)化成可傳送的數(shù)據(jù)幀格式，利用發(fā)送中斷程序傳送到CAN總線上，現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)的開關(guān)接受到命令后進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

3 模擬盤控制器的硬件設(shè)計(jì)
3．1 硬件電路設(shè)計(jì)
    模擬盤控制器的硬件電路主要由：P8XC592單片機(jī)、1232看門狗、RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264、ROM程序存儲(chǔ)器27C256、CAN控制器接口PC：82C250，RS 485通訊、光電耦合器6N137、光隔等構(gòu)成。
    P8XC592單片機(jī)為整個(gè)硬件電路的核心，由Philips公司開發(fā)生產(chǎn)的，適用于自動(dòng)和通用工業(yè)應(yīng)用的8位高性能微控制器。它在80C5l標(biāo)準(zhǔn)特性基礎(chǔ)上增加了一些重要的硬件功能，如與內(nèi)部RAM進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳送的CAN控制器；具有總線故障管理功能的l Mb／s CAN控制器；與標(biāo)準(zhǔn)80C51兼容的全雙工UART等。
    P8xC592共有68個(gè)管腳，其中P0～P3與80C51相同，并行I／0口P4的功能與P1，P2和P3相同。P5口主要用作A／D變換器的模擬量輸入端。P0～P3還可完成下列功能：PO為擴(kuò)展P8XC592標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器和外部設(shè)備提供用作分時(shí)復(fù)用的低8位地址和數(shù)據(jù)總線；P1可作為外部中斷請(qǐng)求輸入端、外部計(jì)數(shù)器輸入端、外部計(jì)數(shù)器復(fù)位輸入端和CAN接口的CTX0和CTXl輸出端；P2當(dāng)擴(kuò)展P8XC592標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器和外部設(shè)備提供用作分時(shí)，提供高8位地址；P3引腳可分別進(jìn)行配置以提供外部中斷請(qǐng)求輸入端、計(jì)數(shù)器輸入端、串行口UART的接收輸入端和發(fā)送輸出端以及外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀和寫控制信號(hào)。
    本設(shè)計(jì)利用P0，P2口作為外部存儲(chǔ)器的高、低位輸出端，P1．O端為模擬盤控制器的外部巡檢操作端，P1．1為閃光解除操作端口，P3．O，P3．1，P3．2為RS 485通訊操作端口，P3．3用于看門狗復(fù)位，P3．4，P3．5用于P0輸出高低位的選通，P3．6，P3．7用于控制外部存儲(chǔ)器的讀寫。在程序設(shè)計(jì)中采用外部存儲(chǔ)單元，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264，程序存儲(chǔ)器27C256。采用74HCl73進(jìn)行數(shù)據(jù)的高、低位的位選。
3．2 硬件電路的抗干擾設(shè)計(jì)
    為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，P80C592芯片的CTX0和CRX 0并不直接與82C250的TXD和RXT相連，而設(shè)計(jì)為通過高速光耦6N 137后與82C250相連．這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電器隔離。光耦部分電路所采用的2個(gè)電源完全隔離，這樣可以提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性，否則采用光耦就失去了意義。
    82C250與CAN總線的接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過1個(gè)5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)82C250免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)2個(gè)30 pF的小電容，起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。
    另外芯片P80C592并不直接與輸出電路相連。它們之間被光隔相隔離。當(dāng)外界電路因干擾或者發(fā)生故障導(dǎo)致電路運(yùn)行參數(shù)突變時(shí)，芯片會(huì)因光隔的存在而免受影響，從而保證芯片P80C592的安全運(yùn)行。以上的各種措施使單片機(jī)P80C592完全與外界相隔離，在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的環(huán)境中運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
4 模擬盤控制器的軟件設(shè)計(jì)
4．1 模擬盤控制器主程序設(shè)計(jì)
    在電力監(jiān)控系統(tǒng)中，每個(gè)監(jiān)控器監(jiān)控一個(gè)開關(guān)狀態(tài)，監(jiān)控器通過CAN總線與模擬盤控制器相連，模擬盤控制器自身攜帶16個(gè)指示燈，并通過RS 485通訊卡與一個(gè)數(shù)字表頭相連(見圖1)。16個(gè)指示燈與監(jiān)控器監(jiān)控的16個(gè)開關(guān)狀態(tài)相映射，通過指示燈不同狀態(tài)來折射開關(guān)量的狀態(tài)：本文定義了指示燈顯示的3種狀態(tài)：紅色、紅快閃、紅慢閃。其中指示燈為紅色代表開關(guān)為正常的工作狀態(tài)；指示燈為紅快閃，表示開關(guān)為事故跳閘一——報(bào)警狀態(tài)；指示燈紅慢閃為巡檢狀態(tài)；數(shù)字表頭則用來顯示監(jiān)控器采集到的模擬量值。在模擬盤控制器的軟件設(shè)計(jì)中，通過定時(shí)器來操作指示燈的閃爍快慢，根據(jù)模擬盤通信協(xié)議對(duì)P4口各端口進(jìn)行相應(yīng)的置位、復(fù)位，實(shí)現(xiàn)指示燈的現(xiàn)實(shí)操作。

4．1．1 初始化
    初始化包括：有關(guān)的RAM單元清零、定時(shí)中斷初始化、CAN總線初始化、RS 485通訊初始化。
    在中斷初始化時(shí)，要注意對(duì)中斷允許寄存器IEN0、IENl的置位，尤其是IEN0．7總允許／禁止中斷控制的置位；通過對(duì)中斷優(yōu)先級(jí)特出功能寄存器IP0，IPl來設(shè)定各中斷源的優(yōu)先級(jí)。
4．1．2 巡檢操作
    實(shí)際操作系統(tǒng)中，設(shè)備常時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)老化、反映不靈敏的情況。為了防止模擬盤控制器硬件電路以及指示燈本身的故障而導(dǎo)致顯示狀態(tài)不能緊跟開關(guān)狀態(tài)變化，本文設(shè)計(jì)了巡檢操作，由P8XC592單片機(jī)的P1．0來控制。操作員置位P1．O時(shí)，軟件程序?qū)4口所有的位以8 s為周期進(jìn)行置位、復(fù)位操作(見圖3)，模擬盤控制器開始巡檢操作，模擬盤控制器的16路指示燈同時(shí)出現(xiàn)“紅慢閃”狀態(tài)，如果有1路或幾路指示燈不進(jìn)行“紅慢閃”，則說明相對(duì)應(yīng)的指示燈出故障，操作員可有針對(duì)性的排除故障；操作員復(fù)位P1．0時(shí)，程序進(jìn)入到下一步操作——事故報(bào)警操作。

4．1．3 事故閃爍、解除
    在實(shí)際操作中開關(guān)由于事故出現(xiàn)跳閘，監(jiān)控器監(jiān)測(cè)到后將信息通過CAN總線傳送到模擬盤控制器上。模擬盤控制器根據(jù)通訊協(xié)議判斷出那個(gè)開關(guān)量跳閘，然后對(duì)P4口的相應(yīng)位以1 s為周期進(jìn)行置位、復(fù)位操作，指示燈相應(yīng)的位則進(jìn)行“紅快閃”。且指示燈的快閃狀態(tài)持續(xù)到事故跳閘處理。
    操作員根據(jù)模擬盤上的指示處理相應(yīng)的跳閘事故后，給模擬盤發(fā)出解除命令，指示燈的事故閃爍停止，進(jìn)入常態(tài)工作。
4．2 模擬盤通信協(xié)議及其中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)
4．2．1 模擬盤通信協(xié)議
    CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過長(zhǎng)，從而保證通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng))的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。基于CAN總線通信協(xié)議制訂了模擬盤控制器的通信協(xié)議。
    傳輸數(shù)據(jù)由2數(shù)據(jù)幀組成：在IDl中，D7～D4為傳輸數(shù)據(jù)的幀號(hào)；幀號(hào)代表傳輸數(shù)據(jù)為何種命令；監(jiān)控器的站號(hào)由IDl中的D3～DO和ID2中的D7～D5共7位128種組合；可對(duì)應(yīng)128個(gè)監(jiān)控器監(jiān)測(cè)的開關(guān)狀態(tài)；ID2中的D4表示是否為遠(yuǎn)程幀ID2中的D3～DO表示數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

    此協(xié)議首先充分利用了CAN通信協(xié)議自身的特點(diǎn)，在幀格式的ID號(hào)中體現(xiàn)發(fā)送的運(yùn)行數(shù)據(jù)量的幀號(hào)和監(jiān)控器的站號(hào)。幀號(hào)代表傳輸數(shù)據(jù)的類型，根據(jù)CAN總線的仲裁(CAN總線本身的ID號(hào)越小，優(yōu)先權(quán)越大)，可以將重要類型的數(shù)據(jù)規(guī)定為幀號(hào)較小，這樣就可保證重要數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)高于其他類型的數(shù)據(jù)，程序就會(huì)優(yōu)先處理這些數(shù)據(jù)。又可利用仲裁，將重要的監(jiān)控器排列的站號(hào)排列得較小，這樣又可保證程序優(yōu)先處理重要的監(jiān)控器監(jiān)控的開關(guān)狀態(tài)。
4．2．2 CAN中斷服務(wù)程序
    模擬盤控制器通過中斷服務(wù)程序來受CAN總線上的數(shù)據(jù)，也是利用中斷服務(wù)程序向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。如果有發(fā)送中斷或接收中斷請(qǐng)求，運(yùn)行程序就會(huì)進(jìn)入CAN中斷服務(wù)程序，入棧保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)后，判斷中斷為何種中斷(發(fā)送中斷、接收中斷)。并根據(jù)CAN總線的通信協(xié)議將要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式或?qū)⒔邮盏臄?shù)據(jù)幀還原，然后發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，最后出棧進(jìn)入主運(yùn)行程序繼續(xù)運(yùn)行。

5 結(jié) 語
    本文采用國際上目前應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一CAN總線微處理器技術(shù)，進(jìn)行模擬盤控制器的硬、軟件設(shè)計(jì)。通過與監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的模擬盤控制器能夠很好地實(shí)現(xiàn)規(guī)定的功能和技術(shù)要求。本方案在煤礦地面變電所應(yīng)用表明，對(duì)煤礦井下用電情況的監(jiān)視得到明顯地改善。