基于CAN总线的电工实验指导系统设计

引 言

在生产现场控制系统中，智能设备与常规电气设备的安装、调试与维护需要相当数量的电气技术人员，如何高效、批量、规范地培养高级电气操作人员是教仪厂商急需解决的问题。它要求设备具备通信功能，让教师能掌握训练过程的动态指标，从而了解学员的实际实验情况，可对实验过程进行控制，实现分类指导。

本文通过对CAN(控制器局域网)协议及其应用的研究，利用CAN通信控制器、CAN收发器以及增强型微控制器等元器件，研制并开发一种基于CAN总线的应用系统--电工实验指导系统，在电工实验室开出网络化实验教学课程，从而改变常规教学方法的不足，让学生更加自主、灵活地完成其实验任务，并可根据自己的情况进行扩展实验，为建立开放性实验实训设施基地打下良好的基础，还能使学员体会到网络实验的实际价值，了解CAN总线控制技术的基本知识。

1 CAN总线网络通信层的模型与协议

针对不同的应用领域可选择不同的应用规范，对于一般的应用电感式传感器领域，采用"命令-响应"模式的通信协议，就可以实现可靠而有效的"主-从"式通信网络。如果需要进行大量数据交换或通信方式灵活的CAN网络，则可采用一些标准的多主通信协议，如HilonB协议，或者采用CAN2.0协议中远程帧定义。在汽车电子产品领域，通常参考或直接采用J1939等标准规范。在电力通信设计领域，则常采用DeviceNETV2.0规范，该规范己被我国采纳国家标准。在智能楼宇通信领域，一般使用Modbus协议或延用RS-485模式的"主-从"协议。

本系统在建立实际CAN总线通信网络时，使用CAN底层硬件来实现对物理层、数据链路层的控制。应用CAN2.0A/B协议规定的通信检错等机制保证CAN总线通信网络的可靠性，建立了用户协议层的通信协议，并对网络上的通信数据流进行解释与管理。其用户协议层(应用层)通信协议由数据帧和远程帧格式定义来实现，属于"主-从"式结构。

2 硬件系统的组成与模块硬件的设计

基于现场总线的电工实验指导系统的硬件主要由主机、接口卡、智能节点差模电感器(从机)组成。主机中有应用程序和数据库等文件;接口卡是CAN实现通信的桥梁，同时，在网络中它也作为一个节点;智能节点由基于现场总线、单片机技术的数据采集与传输模块电感器生产以及实际操作接线装置等组成。节点能够在计算机的控制下对学生的电工实验进行智能指导。

2.1 数据采集与传输模块的设计

数据采集与传输模块可分为5个主要部分，即：由单片机AT89S52组成的主机部分;由SJA1000、PCA82C250、光电隔离电路等组成的CAN总线控制及接口部分;由+5V基准电压源、驱动三极管、LED指示灯、数码管组成的电源与显示部分;采用4片8255作为I/O口的扩展，并与操作工位后端接口等电路组成的数据转换与采集部分;实际操作工位。

AT89S52单片机作为主机，负责对SJA1000进行初始化，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信，实施对实验数据的采集，采用P1口控制动电感器生产态扫描显示与指导实验相关的数据等。选用74L,S373作为地址锁存器，用74LS138对8255、SJA1000进行片选。

2.1.1 CAN总线控制及接口部分

在从机的运行过程中，由于主控CPU需完成多项工作任务，在要求具有一定的灵活性的同时，还需使系统具有一定的可扩展性，因此，从机中的CAN控制器选用Philips公司的SJA1000。选用PCA82C250作为CAN总线的收发器，它也是CAN协议控制器与物理层之问的接口，具有抗瞬变、抗射频和抗电磁干扰的性插件电感器能，内部的限流电路具有电路短路时对传送输出级进行保护的功能。在节点(工位机)与介质之间加入光耦电路，即SJA1000的TX0和RX0并不是直接与82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦6N137后与82C250相连。6N137为高速光隔器件，作为外线路与系统之问的隔离，并采用两个完全隔离电源VCC和VDD分别对光耦两部分电路供电，从而达到信号之间的完全隔离，这样可有效地提高系统的抗干扰能力和内部系统的安全性。SJA1000的ADO～AD7连接到AT89S52的P0口，CS连接到74LS138的Y4端口，Y4为0时CPU片外存储器地址可选中SJA1000，CPU通过这些地址可对SJA1000执行相应的读写操作，SJA1000的RD、WR、ALE分别与AT89S52的对应引脚相连，可将INT接AT89S52的INT0或INT1。AT89S52可通过中断或查询方式访问SJA1000，也可将INT接AT89S52的其他端口，采用查询方式访问SJA1000。接口电路如图1所示。1

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