ＳＣＡＤＡ系統中ＣＡＮ總線節點機的設計

摘要：給出SCADA系統中CAN總線節點機的硬件、軟件設計。

關鍵詞：SCADA系統；RTU；CAN總線節點機；DSP

引言

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)數據采集與監視控制系統是以微型計算機為核心，綜合利用計算機技術、通信技術、控制技術等技術以完成遙控、遙測、遙信、遙調的一種控制系統，在電氣化鐵道上也稱為遠動系統。

一個SCADA系統可分為三大部分：調度端，通道，多個遠方終端單元(RTU)。其中RTU接受調度端的命令去控制現場的各個被控對象和對現場被控對象進行數據監測并將數據送往調度端。

目前現場總線控制技術得到廣泛的重視，而CAN總線技術以其高速、可靠、價廉以及簡單應用在現場控制系統中更是得到廣泛應用。我們在開發電氣化鐵道SCADA系統時，在RTU子系統中采用基于CAN總線的分布式控制系統。圖1是基于CAN總線RTU子系統的體系結構圖。工控機作為RTU子系統的主控機，由插在ISA槽中的CAN卡和下位CAN節點機進行通信，下位CAN節點機可以分布在現場。

硬件設計

圖2是RTU的交流采樣(遙測)cAN總線節點機框圖。CAN節點機以TI公司的TMS320F240 DSP為處理器，ADC芯片采用14位的MAXl25，CAN協議控制器采用SJAl000，雙CAN口。

信號調理電路

在電力系統交流采樣中，上萬伏的電壓和幾百安的電流先經一級電力互感器變換成100V的交流電壓和5A的交流電流。這樣交流采樣節點機的輸入量是100V的交流電壓和5A的交流電流，不能直接進行A／D轉換，因而在測量時還要引入一級互感器，利用互感器將電網的二次高壓和大電流變換成0到5V或一5V到+5V的電壓送入A／D轉換器，具體電路見圖3。

圖中畫出了電流和電壓互感器電路，電壓互感器的原邊100V(有效值)電壓轉換成2mA電流輸入，副邊輸出2mA電流經精密運放OP07轉換成-3．5V至+3．5V的電壓量(幅值范圍為一5V至+5V)。電流互感器的原邊輸入5A的電流，副邊輸出2mA的電流經運放轉換成－3．5V至+3．5V的電壓量。

Rll，R12、R13，R21、R22的值可以通過以上給出的電流、電壓值計算出來，R11=1 00V／2mA，R12+R13=R21+R22=3．5V／2mA

A／D轉換電路

AID轉換器采用MAXl25 ADC芯片，它和TMS320F240的接口電路如下圖4。MAXl25的數據、控制寄存器配置成DSP的I／O端口，圖中MAXl25的端口號為0X04。DSP通過outport(port，Value)和inport(port，variable)I／O指令訪問MAX 1 25。DSP通過SPISTE啟動MAXl25進行轉換，MAXl25轉換完成向DSP申請中斷，DSP在中斷程序中讀取轉換結果。

DSP和CAN協議控制器的接口電路

CAN協議控制器選用SJAl000。TMS320F240的地址總線和數據總線是獨立的，而SJAl000的地址數據總線是分時復用的，兩者不能直接接口。我們利用DSP的I／O引腳產生讀寫信號，也即用軟件模擬讀寫時序。因為TMS320F24X系列DSP有較充分的I／O口，所以這種方法實現比較容易。具體的接口電路見圖5。

CAN總線的收發電路

圖6是收發電路圖。cAN協議控制器用的是SJAl000，光耦用高速度的6N137，收發器用82C250。CAN協議實現了物理層和數據鏈路層的功能，編程時只需在應用層將數據組織成報文發送到SJAl000并啟動發送，SJAl000會自動將報文發往CAN總線；當SJAl000從CAN總線接收到報文時，用戶也只須在應用層采用中斷或查詢方式從SJAl000讀取報文。

軟件設計

程序可以劃分為5大模塊：

·初始化模塊：完成DSP和CAN協議控制器的初始化、全局變量的初始化。

·采樣中斷程序：涉及到兩個中斷，一是定時觸發采樣中斷；二是MAXl25轉換結束中斷，在這個中斷服務程序中讀取轉換結果，采樣數據存放到采樣數據緩沖區Acq Buffer[]。

·數據處理程序：該模塊從采樣數據緩沖區Acq_Buffer[]取數據進行處理，完成電流、電壓、功率、功率因素、基波含量及諧波的計算。將結果存放到計算結果緩沖區Result_Buffer[]。

·CAN接收中斷程序：接收上位機的命令，并置相應的標志，供主程序查詢執行。

·CAN總線通信程序：交流采樣CAN節點機和上位機通過cAN總線和工控機中的CAN卡進行通信，通信模塊程序從計算結果緩沖區Result_Buffer[]取出數據傳送到上位機。

整個程序采用DSP的c語言編寫，CAN，總線通信協議采用DeviceNet協議。

結語

本文以遙測節點為例闡述了SCADA系統中CAN總線智能節點機的硬件、軟件設計技術。該節點機的處理器采用工業控制用TMS320F240 DSP。采用CAN總線和上位機通信，通信協議采用DeviceNet協議。筆者所設計的CAN節點機已投入電氣化鐵道遠動系統的實際使用。