初探CAN总线网络监控系统|网络监控系统

　　摘要:CAN(eontroller Area Network)即控制器局域网,主要用于各种设备监控及控制的一种网络。本文介绍基于CAN总线设计的网络系统,监控下位机的高频高压开关电源。
　　关键词:CAN总线网络监控
　　
　　一、CAN总线与其他总线性能比较
　　1、CAN总线与DCS、PLC控制系统性能比较。CAN总线是一种全数字化、全分散、全透明、标准化、规格化的总线,不同传感器和不同设备都可以与之相连接。改变了过去那种封闭的、集中式的、不灵活的控制体系,由于开放性导致网络中设备的增多从而形成远比PLC(可编程序逻辑控制器)和分布式控制系统DCS功能更为强大的控制系统。
　　2、CAN现场总线与RS-485总线比较。CAN现场总线监控系统比目前RS-485为主的控制系统有以下几个主要优势:(1)误码率比RS-485总线在强噪音环境下的安全性高。CAN总线发送回收电平都相校验,每帧有响应位。有硬化CRC校验比RS485的奇偶校验要可靠的多,还有插入位校验,使总线在短路或断路时很快检测出来,CAN总线也有报文格式校验和报文响应校验。因此CAN总线上各个节点能够检测到总线每帧上五个以下随机分布错误和小于十五个突发错误及任何奇数个数错误。误码率比RS485总线小几个数量级。同时通讯出错可以精确定位。(2)系统具有良好的故障隔离能力。按照CAN2.0规范,在任意时刻CANH端的电平只能是高电平和悬浮状态,而CANL端的电平则只能是低电平和悬浮状态。CAN的这种电平特性,使得即使多个节点同时向总线发送数据,也不会使总线呈现像RS-485总线那样的短路状态,从而就不会把单个节点的故障“传染”给总线上的其它节点。另外,CAN总线的节点在错误严重时能够及时的关闭与总线的连接,保护各节点。使总线在有节点损坏时,不会导致整个总线停止工作。(3)CAN网络具备良好的可靠性设计。CAN总线工作方式,可以主从,也可以多主,在多主时网络中的任意节点在任意时刻均可向总线发送数据,这就保证了基于CAN总线可以构成多主结构或冗余结构的系统,从而可使系统具有良好的可靠性。利用RS-485只能构成主从式结构的通信网络,系统的总体可靠性较低。
　　二、系统整体方案设计
　　1、CAN网络结构形式。网络监控系统通常由三部分组成:上层是用于监控的上位机;中间层是负责网络通信的通信协议和硬件设备(分别对应于网络通信的应用层、数据链路层、物理层和传输媒介);下层是实际进行现场控制的下位机。在本系统中,上层采用通用Pc机,并配置监控软件;中间层由CAN卡和DSP中的CAN模块完成实际的数据传输和纠错功能;下层的LF2407ADsP芯片根据上位机传递的数据控制开关电源的运行。其网络结构如图一所示,通信协议层次结构如图二所示。上位机发送的命令或数据经由CAN卡传递到网络上,下位机根据发送的命令或数据中的下位机编号进行辨识,接收对应于本台下位机的命令或数据。发送数据或命令的节点成为总线主站。当多台下位机同时对上位机发送数据时,CAN网络采用基于竞争的仲裁,只让具有最高优先权帧的节点变为总线主站,保证了网络的协调工作。通信双方采用40KbPs的通信速率和双绞线进行通信,要尽量使CAN网络接线的拓扑结构接近单总线结构,以避免电缆反射波。同时为了抗信号线上的回波干扰,要在通信线两端加土120欧的匹配阻抗。在此通信速率下,通信距离最长可达到l.SKm。降低通信速率,还可以获得更远的通信距离来适应现场控制的要求。
　　2、上位机网络接口。本系统上位机使用一块ADLink公司生产的PCI_7841双端口隔离CAN卡。此CAN卡具有两个独立的CAN网络接口,CAN卡上带有的sJA1000芯片完全兼容CANZ.oA/B协议。ADLink公司提供的cAN卡驱动程序中包含了7841.dil、Pci7841.h和tyPedef.h三个文件。在这三个文件中用C语言封装了对于CAN卡的所有操作。因而上位机监控软件采用VC十+语言编写,可充分发挥CAN卡的功能。将这三个文件添加到用VC++所建立的项目中,就可以在用户编写的程序中调用相关的函数对CAN卡进行操作。cAN卡提供了CansendMsgO和CanR-cvMsgO这两个发送和接受函数,使得用户可以以一个包为单位接收/发送数据。
　　3、下位机硬件设计。下位机通信部分硬件设计如图(略可向作者索取),采用的TMs320LF2407DSP芯片的供电电压为+3.3v,因而其cAN模块输出电压也为+3.3V。而CAN驱动器PCA82C250电压要求为十SV,因而使用光隔6N136进行电压变换。PCA82C25O通过Rs引脚选择工作模式,将其通过30K电阻接地,使其工作于斜率控制模式。由于使用的是双纹线作为通信介质,为降低射频干扰,所以应限制上升和下降斜率。双绞线上信号由CANH和CANL组成,通过这两根线上电压差动比较来表明所发送的0/1信号。PCA82C25O提供了对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力,完成了信号的发送和接收转换。
　　三、系统软件设计
　　系统软件设计包括传感器网络节点的数据采集与处理、通信、控制软件设计和上位机管理软件设计。网络节点软件采用C语言编程,该部分软件主要由数据采集子程序、通信子程序和控制子程序3个部分组成。数据采集子程序检测各项物理参数(温度、烟雾、光)的变化、并通过算法进行简单处理;控制子程序比较简单,主要是分析、处理上位机传送过来的控制指令,控制可控电磁阀;通信子程序负责节点与上位机的通信。上位机管理软件采用Visual C++编写,主要完成传感器网络各节点的状态显示、数据采集、向节点发送控制指令、显示动态实时数据和历史曲线图、对历史数据进行保存和打印报表等。
　　四、监控软件开发流程中的重点
　　需求分析:在开发监控软件之前要先了解行业和用户的需求,行业的标准包括ITU建议和相关行业制定的标准和规范。由于监控软件的特殊性,不同的工程有不同的用户,其需求自然就不同,所以最好和尽量多的用户多次交流具体的需求。这样我们才可以设计一个便于以后根据不同的用户来定制我们的产品的方案。
　　系统设计:对监控软件的系统分析一般采用先针对功能模块的具体设计思想,通常,安全管理和日志管理的模块是通用的,一般要能有软件的用户登录功能,能进行用户的添加,删除和用户对系统的操作权限的分配管理。日志管理要能准确的的记录用户对软件的操作情况,要能设置条件对日志数据库进行查询,呈现。
　　配置管理要能配置整个系统的设备等监控对象。故障和性能要能用报表和图形等方式来表示。
　　系统设计的关键是如何设计各种数据结构和制定数据库的表结构。对数据的采集,存储显得相当重要。
　　软件的界面是系统设计很重要的一部分,要考虑界面的布局,要求能的做到使用方便,从用户的角度出发进行设计,当然也要考虑能否实现。等界面设计好了要明确需要做那些中间控件,每一个控件要完成那些具体的属性和方法以及事件,接口如何定义。
　　
　　参考文献:
　　[1]C8051F04x Data Sheet.The Silicon Laboratories, Inc,2004.
　　[2]邬宽明.CAN总线原理与应用技术.北京:北京航空航天大学出版社,1996:80-153.