关键词：CAN总线 潜水电机 分布式系统 RS232总线
1.概述
潜水电机是潜水电泵的重要组成部分,广泛应用于农田灌溉，矿山排水，湖区水利，及其他工农业给排水领域。潜水电机工作环境复杂，加上某些潜水电机的制造工艺特殊等诸多方面原因，使其较一般的电机更容易发生故障，如过载，过热，渗水，漏水，短路缺相等。目前国内已有多家公司开发出针对个体潜水电机的智能电子保护装置，虽然可以达到保护电机的目的,但无法实现集中管理,有明显的局限性。本系统是基于CAN现场总线技术，实现了分散监控和集中管理功能。下面从系统的硬件结构、监控计算机软件的设计、系统的通信流程等几个方面来论述本系统的性能、结构及实现方法。
2.系统的硬件设计
2.1系统的整体结构
如图1所示，本电机监控系统是由位于监控中心的监控计算机、CAN/RS232转换卡，和位于潜水电机工作现场的控制节点构成。分布在现场的控制节点可以独立对电机实现监控保护功能，监控中心可以通过CAN网和各个节点之间通信，实现集中管理功能。从而形成了分散监控和集中管理于一体的分布式监控结构。
2.2控制节点结构
图2为控制节点结构图，硬件设计上采用了模块化结构，由微控制器、通信模块、传感器组、数据采集模块、强电控制模块、显示模块组成。根据具体情况可以只选用其中的一部分模块。例如：可以去掉显示模块和现场设置模块，利用监控计算机实现显示和参数设置的功能。在单机运行时，可以不用通信模块。下面简述各个组成部分的结构与功能。
传感器组：用来检测电机的运行情况，由铂电阻温度传感器、电流互感器、电极式液位传感器组成。分别用来检测电机三相定子的温度、三相主电流、和电机腔内的水位，从而可以有效的监测潜水电机的过流、过温、缺相、短路、渗漏等异常现象。铂电阻和电极式液位传感器的抗干扰性能力强，适合在恶劣环境下工作。
数据采集模块：以12位精度的A/D和多路模拟开关为核心，将传感器采集到的模拟信号转变为数字信号送入微控制器。
强电控制模块：定子温度、液位、电流中的任一项值超出正常范围时，都会触发相应的异常处理电路。
显示模块：采用的是基于I2C总线的显示技术，显示当前电机定子的三相温度和三相电流值。在设置模式下显示待设置参数的数值。
现场设置模块：采用的是基于8255的键盘和基于X25045的E2PROM，实现现场设定工作参数的功能。X25045存储了报警电流、停机电流、报警温度、停机温度、站地址等信息。这些参数都可以通过键盘设置。除了站地址外，其它的参数也可以通过监控计算机设置。另外X25045还用作看门狗，当系统出现故障时，在超时周期后复位系统。利用X25045低VCC检测电路，可以保护系统，使之免受低电压状况的影响。
2.3CAN/RS232接口卡结构
图3为CAN/RS232接口卡结构图，实现监控主机和CAN网络之间的通信。它将控制节点发送上来的数据转换成RS232协议格式送向主机，并将主机发送下来的数据转换成CAN协议格式送向控制节点。
3.监控计算机系统软件的设计
计算机系统软件完成对整个系统的管理功能、和部分监控功能。采用的是基于VC++的MFC窗口编程和基于API的RS232串口通信协议，提供了直观、易懂的图形界面。实现的功能有：1、显示各个节点工作情况；2、可以广播设置所有节点的工作参数，也可以设置某个具体节点；3、当电机出现异常时可以给出错误参考，方便维修；4、对于工作过程中新加入或退出的泵站，系统可以自动检测；5、可以把当天的工作情况记录到一个以日期命名的文件中，方便管理。
4.系统的通信流程
4.1 CAN总线概述
CAN现场总线是一种开放式实时系统，有3层网络结构——物理层、数据链路层和应用层。CAN总线是以报文为单位进行信息传送的，可采用多主机方式，网络上的任意节点都可以主动发送信息。废除了传统的地址编码，采用通信数据块进行编码。强大的总线仲裁功能保证了数据传输的可靠性，避免了总线冲突。CAN总线具有良好的可靠性、实时性、抗干扰能力。在5Kbps的通信速率下，理论上的通信距离可以达到10000米。由于这些优点，CAN已经广泛的应用在测控系统中。
4.2简述控制节点的通信流程
本系统的CAN总线通信硬件接口电路主要由单片机89C52和CAN控制器SJA1000、6N137高速光隔、CAN收发器82C250组成（参见图3）。89C52完成CAN协议的应用层功能，SJA1000完成物理层和数据链路层的功能。82C250提供了对总线差动发送和接受数据的功能，有效地提高了总线的抗干扰能力，实现了保护总线、降低射频干扰等功能。6N137隔离控制电路和收发器电路，进一步提高了系统的抗干扰能力。通信介质为带屏蔽的双绞线，在两个网络终端须加120的电阻作为线路匹配。
本系统中，CAN总线通信的软件部分由C51语言编写，应用CAN2.0A协议，主要由初始化、发送数据、接受数据三个部分组成。其中初始化部分是实现通信的关键，其步骤主要有：进入复位模式－>初始化验受代码寄存器（ACR）、屏蔽代码寄存器（AMR）、总线定时寄存器（BTR）、输出控制寄存器（OCR）－>清除复位模式－>初始化控制寄存器、命令寄存器。其中ACR、 AMR、 BTR、 OCR只能在复位模式下访问。发送数据和接受数据部分根据具体情况编写。
控制节点的通信流程如图4所示。
从图4可以看出系统采用了每个节点定时主动向监控计算机主动发送数据的方法。这是利用了CAN总线可以采用多主机方式通信的特点。由于实时监控功能是由各个控制节点完成，而监控计算机主要起到管理功能，所以采用了定时上传数据的方法，而没有实时上传所有传感器采集到的数据，从而减轻了总线负担。这也是分布式控制方法相对于集中控制方法的一个优点。
4.3简述CAN/232通信流程
图5为CAN/RS232转换卡的简要通信流程，应用以上通信流程快速准确的实现了CAN总线协议和RS232协议的转换。
5.总结
本系统经过现场调试，在20k的传输速率下，1500米的传输距离中可以保证数据的可靠性。很好的实现了对潜水电机的监控及管理功能。实验证明CAN总线具有优越的性能，且技术成熟，其应用前景广阔。
