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1 引言：電子負載是一種電能反饋型的模擬負載，利用電力電子技術、計算機控制技術及電力系統自動化技術設計實現，可用于對各種直流電源進行考核試驗。電子負載監控系統相當于整個功率模擬電子負載系統的綜合管理平臺，完成對整個電子負載系統的性能監視和運行控制，實現系統各部分運行性能的監測、故障報警、狀態控制等功能。電子負載監控系統主要有單元控制器、CAN通信網絡和監控上位機組成。本文分別介紹各個部分的電路設計實現。

2 電子負載監控系統的整體結構

電子負載監控系統的整體結構如圖1所示。

   


    單元控制器是各個電子負載模塊的控制單元，通過CAN網絡與監控上位機進行通訊，實現對各個電子負載單元的信息采集和指令控制。

頂層監控上位機接收從各獨立的單元控制器傳遞上來的信息，按照既定的通訊規約將信息解釋為相應的數據，存入歷史數據庫和實時數據庫，并可以按照一定規則進行屏幕顯示。

監控上位機的人機界面顯示可以做到直觀生動，除了直接顯示數據、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。操作人員可以通過操作臺方便地對整個系統進行遙控，只要通過鼠標鍵盤就可以使系統按照預期的設定動作。如系統的啟動、停機、緊急停機、狀態信息讀取等，并可以在線計算完成一定的實驗所需負載容量，并可有選擇性地投切負載柜以及負載柜內部的負載單元模塊。同時，監控上位機還可以實現報警、打印和歷史資料查閱等功能。

3 基于CAN總線的監控網絡的設計

3.1 CAN總線簡介

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網絡，由于其高性能、高可靠性及獨特的設計，CAN已廣泛應用于汽車、數控機床等領域。CAN為多主方式工作，網絡上任一節點均可以在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送消息，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，可實現點對點、一點對對多點及全局廣播等工作方式。傳輸距離遠，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總線網絡接口設計

本監控系統的通訊網絡采用基于CAN 總線的兩層結構。上層CAN網絡主要負責對電子負載模塊的整體監控。監控上位機確定整個系統的控制策略，然后通過上層CAN網絡傳達到各個單元控制器。在此，監控上位機并不直接與電子負載單元進行通信。各個電子負載模塊及監控上位機構成上層CAN 網絡。下層CAN網絡主要負責收集各個電子負載單元的狀態信息和傳達上位機指令，通過單元控制器與各個電子負載單元直接進行通信。各個電子負載單元及其對應的單元控制器就構成了下層CAN網絡。單元控制器具有上下層雙向網絡通信接口，是整個監控系統CAN網絡通信的橋梁。

在整個電子負載系統中，電子負載單元選用了TI公司的TMS320LF2407作為主控芯片。它是一款內置CAN模塊的DSP芯片，具有內在的操作靈活性，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,這樣可以實現系統CAN網絡接口的一致性和方便性。TMS320LF2407的CAN模塊完全支持CAN2.0A/B協議，只需要采用一片CAN收發器即可方便實現CAN總線接口。設計中采用了TI公司推出的3.3V系列CAN收發器SN65HVD230D。SN65HVD230D是3.3V系列的第一個產品，輸出轉換時間可編程，有助于設計人員減小電磁干擾從而提高系統設計的可靠性。其接口設計如圖2所示：

單元控制器具有上下層CAN網絡的雙向接口，通過TMS320LF2407的內置CAN控制器實現與下層CAN網絡的接口。對于上層CAN網絡的接口電路設計，采用擴展一片CAN控制器SJA1000和收發器PCA82C250的方式來實現。由于TMS320LF2407沒有提供與SJA1000 CAN控制器的直接接口信號，設計中將TMS320LF2407的數據線改為適應CAN控制器的數據地址線。將TMS320LF2407的地址線A0作為地址數據選擇線。A0＝1時，地址有效；A0＝0時，數據有效。即用奇數地址選擇端口，用偶數地址傳送數據。采用邏輯轉換芯片GAL22V10B來實現信號的邏輯組合。在地址有效期間不產生讀寫信號，而是產生滿足CAN控制器的地址有效信號；在數據有效期間產生滿足CAN控制器的讀寫邏輯信號時序。接口設計如圖3所示：

4 基于組態軟件的上層監控界面的設計

4.1 組態軟件簡介

力控監控組態軟件是對現場生產數據進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“組態方式”而不是編程方式來進行系統集成，它提供了良好的用戶開發界面和簡捷的工程實現方法，縮短了自動化工程師的系統集成時間，大大提高了集成效率。力控監控組態軟件是在自動控制系統監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，來實現與“第三方”的軟、硬件系統進行集成。

4.2 電子負載監控界面組態軟件實現流程圖如下：

    4.3 上層組態監控界面功能實現

上層監控界面主要功能包括系統安全管理、實時數據采集顯示、指令控制、故障報警、數據打印輸出等。上層監控主界面如圖5所示：

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

實時數據采集顯示是監控界面的主要組成部分，設計中結合曲線實時顯示和動畫效果顯示，使監控界面顯示更加友好，直觀。

指令控制主要實現操作員通過監控界面發布控制指令的功能，指令包括負載單元的啟停、負載模塊的投切和數據采集請求等。

    故障報警功能是上層監控界面的重要組成部分，關系著系統工作的安全性。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。同時當報警發生時，系統將自動創建報警記錄。

    監控界面中各種監測量、指令值以及報警記錄都可以通過監控界面的數據打印輸出功能進行輸出。只要設定打印范圍，選擇打印輸出功能，數據就可直接通過與上位機相連的打印機進行打印。

    4.3 組態監控界面的驅動   設計中監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總線的監控網絡進行通信。力控監控組態軟件沒有相應的CAN30B卡驅動，所以在實際設計中開發了適用CAN30B卡和組態軟件的驅動，實現CAN網絡與上位機之間的數據交換。

5 結論

    本文從CAN網絡設計和組態軟件功能設計等方面介紹了基于CAN網絡和組態軟件的電子負載監控系統的設計。本監控系統主要用于電子負載模塊的監控，實現對系統各部分性能的監測、故障報警和狀態控制。本監控系統應用到實際電子負載模塊監控中，通過運行表明本系統能夠滿足電子負載系統的監控要求，并具有較高的數據實時性和信息可靠性。

參考文獻：

1．     現場總線CAN原理與應用技術，饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓，北京航空航天大學出版社，2003年6月

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

3．     力控用戶手冊，北京三維力控科技有限公司，1999