基于CAN总线的船用阀门控制系统的设计

    本文首先介绍了船用阀门控制系统的总体结构，将微控制技术与CAN总线技术相结合应用到船用阀门控制系统中，与工业控制计算机构成控制系统。
    1 系统的总体结构
    本文提出的船用阀门控制系统采用了集中管理，分散控制的上、下位机两级控制的系统总体结构，如图1所示。

图1 基于CAN总线船用阀门控制系统总体结构图

    上位机可对下位机发送命令控制阀门进行相应的操作。另外，上位机提供操作方便的人机操作界面，能够实现系统中各个阀门的信息的采集和管理，便于控制系统的维护。下位机引入了微控制技术，既支持现场的操作，也支持上位机的远程控制。另外，下位机以微控制器为核心控制单元嵌入到船用阀门中。CAN节点主要由微控制器模块、数据采集与检测模块、通信功能模块、阀门电动执行机构模块组成。系统的上、下位机之间通过CAN总线技术进行通信。CAN总线通信协议简单，只包含数据链路层和物理层，信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8，传输时间短，受干扰的概率低。总线通信速率最高可1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/5Kbps，总线上可挂节点数最多可达110个，完全满足实际需要。
    2 硬件设计
    由前文所述可知，系统硬件的设计包括上位机硬件和下位机硬件设计。
    2.1 上位机系统
    上位机硬件系统由工业控制计算机和PCI－CAN总线接口卡组成。PC主机选用PCI7841适配卡，可直接将其安装在主板的PCI卡槽内。PCI7841适配卡集成了1路CAN通道，可以直接通过CAN总线与PC机进行数据通信。
    PCI7841适配卡产品提供了CANTools工具软件，可直接进行CAN总线的配置，发送和接收数据。另外还提供了DLL动态连接库、VC/VB例程编写自己的应用程序，方便开发CAN系统应用软件产品。
    2.2 下位机系统
    下位机系统的硬件设计主要是对单元控制器（即前面介绍的CAN节点）的设计与研究。下位机从结构上分为4个部分：微控制器模块、数据采集与检测模块、阀门电动执行机构、CAN通信模块。下面将一一介绍各个模块。图2给出了CAN节点的硬件框结构图。

图2 CAN节点硬件整体结构图

    1）微控器模块是整个下位机的核心部分，通过单片机协调各个模块的工作，完成下位机系统的控制。系统采用89C51型单片机，具有4K的闪烁存储器，128字节的内部RAM，32个I/O口线，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串口通信接口，片内振荡器及时钟振荡电路。这里，还包括复位电路、时钟电路和稳压源电路等基本电路的设计。
    2）数据采集、检测模块是下位机重要的输入输出模块，主要完成对电机电机电流、阀门开度的采集控制，电机堵转的处理。这里不详细介绍。
    3）阀门电动执行机构：船用阀门控制系统中被控对象是电液阀，控制目的要去实现阀门的开启和关闭，逻辑非常简单。因此，在系统中引入固定继电器SSR与电机相连，阀门的动作是通过电机的正反转带动液压流动来实现的。
    4）CAN通信模块是系统研究的重点部分，也是与上位机通信的核心部分。CAN通信接口方案有两种：采用带CAN控制器的微控制器和CAN收发器组成通信接口；采用独立CAN控制器和CAN收发器组成通信接口。系统采用第二种方案，使用Philips公司的独立CAN控制器SJA1000和CAN收发器82C250构成通信接口。为了防止干扰，CAN通信模块中加入光电隔离器6N137组成光电隔离电路，如图3所示。

图3 CAN通信结构图

    2.3 抗干扰设计
     在船用阀门控制系统中，下位机系统需要嵌入到阀门的腔体中，电磁干扰非常严重，系统中采用多种硬件抗干扰设计。
    1）在检测电机电流时，信号经过A/D转换连接光电耦合电路再与微控制器相连，目的是增强电路的抗干扰能力。
    2）CAN总线的两端加有两个120Ω的电阻，对于总线阻抗的匹配起着相当重要的作用。
    3）为了增强总线节点的抗干扰能力，SJA1000并不直接与82C250相接，而是通过光电耦合器6N137与AT82C250相接。实现了总线上各节点间的电气隔离，但是光耦电路用的2个电源必须完全隔离，方法是采用小功率电源隔离模块。虽然增加了接口电路的复杂性，但却提高了节点的稳定性和安全性。
    4）为了减少现场环境对CAN节点的干扰，现场安装时使用屏蔽双绞线。
    3 软件设计
    上面对船用阀门控制系统的硬件进行设计。一个系统能否正常可靠地运行，除了要求硬件电路正确合理地设计之外，很大程度上取决于功能完善的软件设计。这里，软件的设计同样包括上位机系统和下位机系统。
    3.1 上位机系统
    上位机软件的主要任务是对系统所有下位机控制系统的信息采集、处理与远程监控等。该系统使用VisualBasic6.0实现监控程序设计，它是一种开发图形用户界面的基于Basic的可视化程序设计语言。上位机经过PCI7841接口卡实现与下位机的通信，购买产品时厂家配套提供卡驱动程序、应用程序接口函数库，以及对接口函数库的说明和使用方法等。因此，涉及到通信层软件部分不需要编写，只要通过与接口函数的连接就能实现软件的通信功能。
    上位机首先对PCI7841适配卡及自身初始化，然后发送命令通知特定节点向CAN总线上发送数据，经适配卡转换后，再由上位机进行相应的处理。上位机采用定时轮循环方式向各个节点发送命令，采用中断方式接收数据。
    3.2 下位机系统
    下位机软件的主要任务是现场信息的采集、控制阀门、通信以及报警等。编程采用KeilC51，使程序模块化，容易移植。系统软件的设计思想是在系统上电后首先对AT89C51和SJA1000初始化，以确定工作频率、SJA1000的工作方式、波特率、输出特性等。下位机主程序流程图如图4所示。

图4 下位机主程序流程图

    在下位机的软件设计中，难点是CAN总线通信程序的设计。上位机向下位机发出数据请求或命令时，下位机直接进入CAN中断服务程序。下面给出了CAN中断服务程序如图5所示。

图5 CAN中断服务程序

    4 结束语
    基于CAN总线的船用阀门控制系统的设计，由于采用了微控制器技术和CAN总线技术，克服了传统船用阀门的缺点，实现了船用阀门控制的智能化与网络化。在课题研究过程中，掌握了CAN总线智能节点的设计，并在实践中得到了应用。
    参考文献
    [1]邵昱，陈棘，唐石青.船用阀门网络控制系统设计[J].上海造船，2006（3）：33－36
    [2]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，2008：61－98
    [3]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1996
    [4]温丹丽.基于CAN的液压驱动阀门智能控制系统[J].微计算机信息，2009（1）：50－53
    [5]周正干.基于CAN总线的阀门智能控制网络系统[J].自动化仪表，2004（5）：8－11
    [6]安振东，魏东.CAN总线智能阀门网络控制系统在污水处理中的应用[J].自动化技术与应用，2004（5）：37－40
    [7]温阳东，唐黎江，黄璐.基于CAN总线的油库阀门控制系统[J].工业控制计算机，2007（4）：36－40