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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(jì)算機(jī)控制技術(shù)及電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，可用于對(duì)各種直流電源進(jìn)行考核試驗(yàn)。電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)相當(dāng)于整個(gè)功率模擬電子負(fù)載系統(tǒng)的綜合管理平臺(tái)，完成對(duì)整個(gè)電子負(fù)載系統(tǒng)的性能監(jiān)視和運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分運(yùn)行性能的監(jiān)測(cè)、故障報(bào)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(jī)組成。本文分別介紹各個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)實(shí)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(gè)電子負(fù)載模塊的控制單元，通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)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(jī)接收從各獨(dú)立的單元控制器傳遞上來(lái)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(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并可以按照一定規(guī)則進(jìn)行屏幕顯示。

監(jiān)控上位機(jī)的人機(jī)界面顯示可以做到直觀生動(dòng)，除了直接顯示數(shù)據(jù)、曲線以外，界面具有動(dòng)畫(huà)顯示等效果，可以直觀反映實(shí)際各模塊的工作狀態(tài)。操作人員可以通過(guò)操作臺(tái)方便地對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行遙控，只要通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤(pán)就可以使系統(tǒng)按照預(yù)期的設(shè)定動(dòng)作。如系統(tǒng)的啟動(dòng)、停機(jī)、緊急停機(jī)、狀態(tài)信息讀取等，并可以在線計(jì)算完成一定的實(shí)驗(yàn)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(shí)，監(jiān)控上位機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)報(bào)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(jì)

3.1 CAN總線簡(jiǎn)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(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN已廣泛應(yīng)用于汽車、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域。CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，而不分主從，通訊方式靈活。同時(shí)CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)對(duì)多點(diǎn)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(yàn)和其他檢錯(cuò)措施等特點(diǎn)使CAN總線與一般的通信總線相比，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。

3.2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

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(duì)電子負(fù)載模塊的整體監(jiān)控。監(jiān)控上位機(jī)確定整個(gè)系統(tǒng)的控制策略，然后通過(guò)上層CAN網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)到各個(gè)單元控制器。在此，監(jiān)控上位機(jī)并不直接與電子負(fù)載單元進(jìn)行通信。各個(gè)電子負(fù)載模塊及監(jiān)控上位機(jī)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(gè)電子負(fù)載單元的狀態(tài)信息和傳達(dá)上位機(jī)指令，通過(guò)單元控制器與各個(gè)電子負(fù)載單元直接進(jìn)行通信。各個(gè)電子負(fù)載單元及其對(duì)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(gè)監(jiān)控系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)通信的橋梁。

在整個(gè)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(yùn)算能力等特點(diǎn)。單元控制器采用的主控芯片也是TMS320LF2407,這樣可以實(shí)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(shí)現(xiàn)CAN總線接口。設(shè)計(jì)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(gè)產(chǎn)品，輸出轉(zhuǎn)換時(shí)間可編程，有助于設(shè)計(jì)人員減小電磁干擾從而提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。其接口設(shè)計(jì)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(guò)TMS320LF2407的內(nèi)置CAN控制器實(shí)現(xiàn)與下層CAN網(wǎng)絡(luò)的接口。對(duì)于上層CAN網(wǎng)絡(luò)的接口電路設(shè)計(jì)，采用擴(kuò)展一片CAN控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于TMS320LF2407沒(méi)有提供與SJA1000 CAN控制器的直接接口信號(hào)，設(shè)計(jì)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(shí)，地址有效；A0＝0時(shí)，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(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的邏輯組合。在地址有效期間不產(chǎn)生讀寫(xiě)信號(hào)，而是產(chǎn)生滿足CAN控制器的地址有效信號(hào)；在數(shù)據(jù)有效期間產(chǎn)生滿足CAN控制器的讀寫(xiě)邏輯信號(hào)時(shí)序。接口設(shè)計(jì)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(jì)

4.1 組態(tài)軟件簡(jiǎn)介

力控監(jiān)控組態(tài)軟件是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過(guò)程控制的專用軟件，最大的特點(diǎn)是能以靈活多樣的“組態(tài)方式”而不是編程方式來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開(kāi)發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，縮短了自動(dòng)化工程師的系統(tǒng)集成時(shí)間，大大提高了集成效率。力控監(jiān)控組態(tài)軟件是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)，可以方便的向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)流程圖如下：

    4.3 上層組態(tài)監(jiān)控界面功能實(shí)現(xiàn)

上層監(jiān)控界面主要功能包括系統(tǒng)安全管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示、指令控制、故障報(bào)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(duì)不同的用戶設(shè)置不同的操作權(quán)限，本設(shè)計(jì)中共設(shè)置了操作工級(jí)、班長(zhǎng)級(jí)、工程師級(jí)和系統(tǒng)管理員四個(gè)級(jí)別的用戶。其中操作工的級(jí)別最低而系統(tǒng)管理員的級(jí)別最高，高級(jí)別的用戶可以修改低級(jí)別用戶的屬性。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示是監(jiān)控界面的主要組成部分，設(shè)計(jì)中結(jié)合曲線實(shí)時(shí)顯示和動(dòng)畫(huà)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(shí)現(xiàn)操作員通過(guò)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(qǐng)求等。

    故障報(bào)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(bào)警都通過(guò)報(bào)警指示燈動(dòng)畫(huà)指示同時(shí)配合報(bào)警笛聲，報(bào)警效果更加直觀有效。同時(shí)當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)創(chuàng)建報(bào)警記錄。

    監(jiān)控界面中各種監(jiān)測(cè)量、指令值以及報(bào)警記錄都可以通過(guò)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(guò)與上位機(jī)相連的打印機(jī)進(jìn)行打印。

    4.3 組態(tài)監(jiān)控界面的驅(qū)動(dòng)   設(shè)計(jì)中監(jiān)控上位機(jī)采用了研華的610H系列工控機(jī)，通過(guò)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(méi)有相應(yīng)的CAN30B卡驅(qū)動(dòng)，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中開(kāi)發(fā)了適用CAN30B卡和組態(tài)軟件的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。

5 結(jié)論

    本文從CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和組態(tài)軟件功能設(shè)計(jì)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(jì)。本監(jiān)控系統(tǒng)主要用于電子負(fù)載模塊的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各部分性能的監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警和狀態(tài)控制。本監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際電子負(fù)載模塊監(jiān)控中，通過(guò)運(yùn)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(shí)時(shí)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(shū)，李崇，武漢理工大學(xué)，2002年11月

3．     力控用戶手冊(cè)，北京三維力控科技有限公司，1999