控制网

1 引言：电子负载是一种电能反馈型的模拟负载，利用电力电子技术、计算机控制技术及电力系统自动化技术设计实现，可用于对各种直流电源进行考核试验。电子负载监控系统相当于整个功率模拟电子负载系统的综合管理平台，完成对整个电子负载系统的性能监视和运行控制，实现系统各部分运行性能的监测、故障报警、状态控制等功能。电子负载监控系统主要有单元控制器、CAN通信网络和监控上位机组成。本文分别介绍各个部分的电路设计实现。

2 电子负载监控系统的整体结构

电子负载监控系统的整体结构如图1所示。

   


    单元控制器是各个电子负载模块的控制单元，通过CAN网络与监控上位机进行通讯，实现对各个电子负载单元的信息采集和指令控制。

顶层监控上位机接收从各独立的单元控制器传递上来的信息，按照既定的通讯规约将信息解释为相应的数据，存入历史数据库和实时数据库，并可以按照一定规则进行屏幕显示。

监控上位机的人机界面显示可以做到直观生动，除了直接显示数据、曲线以外，界面具有动画显示等效果，可以直观反映实际各模块的工作状态。操作人员可以通过操作台方便地对整个系统进行遥控，只要通过鼠标键盘就可以使系统按照预期的设定动作。如系统的启动、停机、紧急停机、状态信息读取等，并可以在线计算完成一定的实验所需负载容量，并可有选择性地投切负载柜以及负载柜内部的负载单元模块。同时，监控上位机还可以实现报警、打印和历史资料查阅等功能。

3 基于CAN总线的监控网络的设计

3.1 CAN总线简介

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网络，由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN已广泛应用于汽车、数控机床等领域。CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可以在任意时刻主动地向网络上其他节点发送消息，而不分主从，通讯方式灵活。同时CAN采用非破坏性总线仲裁技术，可实现点对点、一点对对多点及全局广播等工作方式。传输距离远，通信速率高以及每帧信息都采用CRC校验和其他检错措施等特点使CAN总线与一般的通信总线相比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

3.2 CAN总线网络接口设计

本监控系统的通讯网络采用基于CAN 总线的两层结构。上层CAN网络主要负责对电子负载模块的整体监控。监控上位机确定整个系统的控制策略，然后通过上层CAN网络传达到各个单元控制器。在此，监控上位机并不直接与电子负载单元进行通信。各个电子负载模块及监控上位机构成上层CAN 网络。下层CAN网络主要负责收集各个电子负载单元的状态信息和传达上位机指令，通过单元控制器与各个电子负载单元直接进行通信。各个电子负载单元及其对应的单元控制器就构成了下层CAN网络。单元控制器具有上下层双向网络通信接口，是整个监控系统CAN网络通信的桥梁。

在整个电子负载系统中，电子负载单元选用了TI公司的TMS320LF2407作为主控芯片。它是一款内置CAN模块的DSP芯片，具有内在的操作灵活性，高速的运算能力等特点。单元控制器采用的主控芯片也是TMS320LF2407,这样可以实现系统CAN网络接口的一致性和方便性。TMS320LF2407的CAN模块完全支持CAN2.0A/B协议，只需要采用一片CAN收发器即可方便实现CAN总线接口。设计中采用了TI公司推出的3.3V系列CAN收发器SN65HVD230D。SN65HVD230D是3.3V系列的第一个产品，输出转换时间可编程，有助于设计人员减小电磁干扰从而提高系统设计的可靠性。其接口设计如图2所示：

单元控制器具有上下层CAN网络的双向接口，通过TMS320LF2407的内置CAN控制器实现与下层CAN网络的接口。对于上层CAN网络的接口电路设计，采用扩展一片CAN控制器SJA1000和收发器PCA82C250的方式来实现。由于TMS320LF2407没有提供与SJA1000 CAN控制器的直接接口信号，设计中将TMS320LF2407的数据线改为适应CAN控制器的数据地址线。将TMS320LF2407的地址线A0作为地址数据选择线。A0＝1时，地址有效；A0＝0时，数据有效。即用奇数地址选择端口，用偶数地址传送数据。采用逻辑转换芯片GAL22V10B来实现信号的逻辑组合。在地址有效期间不产生读写信号，而是产生满足CAN控制器的地址有效信号；在数据有效期间产生满足CAN控制器的读写逻辑信号时序。接口设计如图3所示：

4 基于组态软件的上层监控界面的设计

4.1 组态软件简介

力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，缩短了自动化工程师的系统集成时间，大大提高了集成效率。力控监控组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台，可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软、硬件系统进行集成。

4.2 电子负载监控界面组态软件实现流程图如下：

    4.3 上层组态监控界面功能实现

上层监控界面主要功能包括系统安全管理、实时数据采集显示、指令控制、故障报警、数据打印输出等。上层监控主界面如图5所示：

    安全管理主要是针对不同的用户设置不同的操作权限，本设计中共设置了操作工级、班长级、工程师级和系统管理员四个级别的用户。其中操作工的级别最低而系统管理员的级别最高，高级别的用户可以修改低级别用户的属性。

实时数据采集显示是监控界面的主要组成部分，设计中结合曲线实时显示和动画效果显示，使监控界面显示更加友好，直观。

指令控制主要实现操作员通过监控界面发布控制指令的功能，指令包括负载单元的启停、负载模块的投切和数据采集请求等。

    故障报警功能是上层监控界面的重要组成部分，关系着系统工作的安全性。各种故障报警都通过报警指示灯动画指示同时配合报警笛声，报警效果更加直观有效。同时当报警发生时，系统将自动创建报警记录。

    监控界面中各种监测量、指令值以及报警记录都可以通过监控界面的数据打印输出功能进行输出。只要设定打印范围，选择打印输出功能，数据就可直接通过与上位机相连的打印机进行打印。

    4.3 组态监控界面的驱动   设计中监控上位机采用了研华的610H系列工控机，通过华控CAN30B卡与基于CAN总线的监控网络进行通信。力控监控组态软件没有相应的CAN30B卡驱动，所以在实际设计中开发了适用CAN30B卡和组态软件的驱动，实现CAN网络与上位机之间的数据交换。

5 结论

    本文从CAN网络设计和组态软件功能设计等方面介绍了基于CAN网络和组态软件的电子负载监控系统的设计。本监控系统主要用于电子负载模块的监控，实现对系统各部分性能的监测、故障报警和状态控制。本监控系统应用到实际电子负载模块监控中，通过运行表明本系统能够满足电子负载系统的监控要求，并具有较高的数据实时性和信息可靠性。

参考文献：

1．     现场总线CAN原理与应用技术，饶运涛，邹继军，郑勇芸，北京航空航天大学出版社，2003年6月

2．     CAN总线控制器与DSP的接口，廖传书，李崇，武汉理工大学，2002年11月

3．     力控用户手册，北京三维力控科技有限公司，1999