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1 引言：電子負(fù)載是一種電能反饋型的模擬負(fù)載，利用電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)及電力系統(tǒng)自動化技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)，可用于對各種直流電源進(jìn)行考核試驗。電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)相當(dāng)于整個功率模擬電子負(fù)載系統(tǒng)的綜合管理平臺，完成對整個電子負(fù)載系統(tǒng)的性能監(jiān)視和運行控制，實現(xiàn)系統(tǒng)各部分運行性能的監(jiān)測、故障報警、狀態(tài)控制等功能。電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)主要有單元控制器、CAN通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控上位機組成。本文分別介紹各個部分的電路設(shè)計實現(xiàn)。

2 電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

   


    單元控制器是各個電子負(fù)載模塊的控制單元，通過CAN網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控上位機進(jìn)行通訊，實現(xiàn)對各個電子負(fù)載單元的信息采集和指令控制。

頂層監(jiān)控上位機接收從各獨立的單元控制器傳遞上來的信息，按照既定的通訊規(guī)約將信息解釋為相應(yīng)的數(shù)據(jù)，存入歷史數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫，并可以按照一定規(guī)則進(jìn)行屏幕顯示。

監(jiān)控上位機的人機界面顯示可以做到直觀生動，除了直接顯示數(shù)據(jù)、曲線以外，界面具有動畫顯示等效果，可以直觀反映實際各模塊的工作狀態(tài)。操作人員可以通過操作臺方便地對整個系統(tǒng)進(jìn)行遙控，只要通過鼠標(biāo)鍵盤就可以使系統(tǒng)按照預(yù)期的設(shè)定動作。如系統(tǒng)的啟動、停機、緊急停機、狀態(tài)信息讀取等，并可以在線計算完成一定的實驗所需負(fù)載容量，并可有選擇性地投切負(fù)載柜以及負(fù)載柜內(nèi)部的負(fù)載單元模塊。同時，監(jiān)控上位機還可以實現(xiàn)報警、打印和歷史資料查閱等功能。

3 基于CAN總線的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

3.1 CAN總線簡介

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，由于其高性能、高可靠性及獨特的設(shè)計，CAN已廣泛應(yīng)用于汽車、數(shù)控機床等領(lǐng)域。CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送消息，而不分主從，通訊方式靈活。同時CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，可實現(xiàn)點對點、一點對對多點及全局廣播等工作方式。傳輸距離遠(yuǎn)，通信速率高以及每幀信息都采用CRC校驗和其他檢錯措施等特點使CAN總線與一般的通信總線相比，具有突出的可靠性、實時性和靈活性。

3.2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)采用基于CAN 總線的兩層結(jié)構(gòu)。上層CAN網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)對電子負(fù)載模塊的整體監(jiān)控。監(jiān)控上位機確定整個系統(tǒng)的控制策略，然后通過上層CAN網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)到各個單元控制器。在此，監(jiān)控上位機并不直接與電子負(fù)載單元進(jìn)行通信。各個電子負(fù)載模塊及監(jiān)控上位機構(gòu)成上層CAN 網(wǎng)絡(luò)。下層CAN網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)收集各個電子負(fù)載單元的狀態(tài)信息和傳達(dá)上位機指令，通過單元控制器與各個電子負(fù)載單元直接進(jìn)行通信。各個電子負(fù)載單元及其對應(yīng)的單元控制器就構(gòu)成了下層CAN網(wǎng)絡(luò)。單元控制器具有上下層雙向網(wǎng)絡(luò)通信接口，是整個監(jiān)控系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)通信的橋梁。

在整個電子負(fù)載系統(tǒng)中，電子負(fù)載單元選用了TI公司的TMS320LF2407作為主控芯片。它是一款內(nèi)置CAN模塊的DSP芯片，具有內(nèi)在的操作靈活性，高速的運算能力等特點。單元控制器采用的主控芯片也是TMS320LF2407,這樣可以實現(xiàn)系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)接口的一致性和方便性。TMS320LF2407的CAN模塊完全支持CAN2.0A/B協(xié)議，只需要采用一片CAN收發(fā)器即可方便實現(xiàn)CAN總線接口。設(shè)計中采用了TI公司推出的3.3V系列CAN收發(fā)器SN65HVD230D。SN65HVD230D是3.3V系列的第一個產(chǎn)品，輸出轉(zhuǎn)換時間可編程，有助于設(shè)計人員減小電磁干擾從而提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。其接口設(shè)計如圖2所示：

單元控制器具有上下層CAN網(wǎng)絡(luò)的雙向接口，通過TMS320LF2407的內(nèi)置CAN控制器實現(xiàn)與下層CAN網(wǎng)絡(luò)的接口。對于上層CAN網(wǎng)絡(luò)的接口電路設(shè)計，采用擴展一片CAN控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250的方式來實現(xiàn)。由于TMS320LF2407沒有提供與SJA1000 CAN控制器的直接接口信號，設(shè)計中將TMS320LF2407的數(shù)據(jù)線改為適應(yīng)CAN控制器的數(shù)據(jù)地址線。將TMS320LF2407的地址線A0作為地址數(shù)據(jù)選擇線。A0＝1時，地址有效；A0＝0時，數(shù)據(jù)有效。即用奇數(shù)地址選擇端口，用偶數(shù)地址傳送數(shù)據(jù)。采用邏輯轉(zhuǎn)換芯片GAL22V10B來實現(xiàn)信號的邏輯組合。在地址有效期間不產(chǎn)生讀寫信號，而是產(chǎn)生滿足CAN控制器的地址有效信號；在數(shù)據(jù)有效期間產(chǎn)生滿足CAN控制器的讀寫邏輯信號時序。接口設(shè)計如圖3所示：

4 基于組態(tài)軟件的上層監(jiān)控界面的設(shè)計

4.1 組態(tài)軟件簡介

力控監(jiān)控組態(tài)軟件是對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過程控制的專用軟件，最大的特點是能以靈活多樣的“組態(tài)方式”而不是編程方式來進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法，縮短了自動化工程師的系統(tǒng)集成時間，大大提高了集成效率。力控監(jiān)控組態(tài)軟件是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺，可以方便的向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，來實現(xiàn)與“第三方”的軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行集成。

4.2 電子負(fù)載監(jiān)控界面組態(tài)軟件實現(xiàn)流程圖如下：

    4.3 上層組態(tài)監(jiān)控界面功能實現(xiàn)

上層監(jiān)控界面主要功能包括系統(tǒng)安全管理、實時數(shù)據(jù)采集顯示、指令控制、故障報警、數(shù)據(jù)打印輸出等。上層監(jiān)控主界面如圖5所示：

    安全管理主要是針對不同的用戶設(shè)置不同的操作權(quán)限，本設(shè)計中共設(shè)置了操作工級、班長級、工程師級和系統(tǒng)管理員四個級別的用戶。其中操作工的級別最低而系統(tǒng)管理員的級別最高，高級別的用戶可以修改低級別用戶的屬性。

實時數(shù)據(jù)采集顯示是監(jiān)控界面的主要組成部分，設(shè)計中結(jié)合曲線實時顯示和動畫效果顯示，使監(jiān)控界面顯示更加友好，直觀。

指令控制主要實現(xiàn)操作員通過監(jiān)控界面發(fā)布控制指令的功能，指令包括負(fù)載單元的啟停、負(fù)載模塊的投切和數(shù)據(jù)采集請求等。

    故障報警功能是上層監(jiān)控界面的重要組成部分，關(guān)系著系統(tǒng)工作的安全性。各種故障報警都通過報警指示燈動畫指示同時配合報警笛聲，報警效果更加直觀有效。同時當(dāng)報警發(fā)生時，系統(tǒng)將自動創(chuàng)建報警記錄。

    監(jiān)控界面中各種監(jiān)測量、指令值以及報警記錄都可以通過監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)打印輸出功能進(jìn)行輸出。只要設(shè)定打印范圍，選擇打印輸出功能，數(shù)據(jù)就可直接通過與上位機相連的打印機進(jìn)行打印。

    4.3 組態(tài)監(jiān)控界面的驅(qū)動   設(shè)計中監(jiān)控上位機采用了研華的610H系列工控機，通過華控CAN30B卡與基于CAN總線的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。力控監(jiān)控組態(tài)軟件沒有相應(yīng)的CAN30B卡驅(qū)動，所以在實際設(shè)計中開發(fā)了適用CAN30B卡和組態(tài)軟件的驅(qū)動，實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)與上位機之間的數(shù)據(jù)交換。

5 結(jié)論

    本文從CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和組態(tài)軟件功能設(shè)計等方面介紹了基于CAN網(wǎng)絡(luò)和組態(tài)軟件的電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。本監(jiān)控系統(tǒng)主要用于電子負(fù)載模塊的監(jiān)控，實現(xiàn)對系統(tǒng)各部分性能的監(jiān)測、故障報警和狀態(tài)控制。本監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到實際電子負(fù)載模塊監(jiān)控中，通過運行表明本系統(tǒng)能夠滿足電子負(fù)載系統(tǒng)的監(jiān)控要求，并具有較高的數(shù)據(jù)實時性和信息可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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2．     CAN總線控制器與DSP的接口，廖傳書，李崇，武漢理工大學(xué)，2002年11月

3．     力控用戶手冊，北京三維力控科技有限公司，1999