變電站現(xiàn)場總線適配卡設(shè)計(jì)分析

1、    變電站現(xiàn)場總線適配卡設(shè)計(jì)分析    孟繁江摘要:本文提出一種新的適配卡設(shè)計(jì)方案，采用isa接口，使用89c52微處理器，sja1000作為通信控制器，并利用雙口ram作為pc機(jī)與控制器之間的數(shù)據(jù)交換通道，使用epld器件作為雙口ram的控制和中斷信號(hào)處理。最后簡要闡述了適配卡的軟件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：局域控制網(wǎng) 總線適配卡 設(shè)計(jì)1 概述現(xiàn)場總線技術(shù)將專用的微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表中，使它們各自都具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用可進(jìn)行簡單連接的雙絞線作為總線，把多個(gè)測量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在現(xiàn)場的多個(gè)微機(jī)化測量控制設(shè)備

2、之間以及現(xiàn)場儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成適應(yīng)各種實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。目前，在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中can總線已有少量應(yīng)用，其中的通信適配卡多為非智能型的，即在卡上未采用微處理器。本文所介紹的適配卡采用89c52作為微控制器，將大大減少pc主機(jī)的通信負(fù)擔(dān)。且在設(shè)計(jì)中使用最新的epld器件作為雙口ram的邏輯控制和中斷信號(hào)控制，使得電路比較簡單，而且具有很好的可擴(kuò)展性。2 現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)can現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)：can總線是到目前為止唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線；can為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上的任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)的向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從；在報(bào)文標(biāo)識(shí)

3、符上，can上的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)最多可在134s內(nèi)得到傳輸；a.數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，適配卡把總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息轉(zhuǎn)發(fā)給pc機(jī)，并將pc機(jī)的命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)節(jié)點(diǎn)；b.用于完成can總線上用戶的部分監(jiān)控和管理任務(wù)。3 適配卡的結(jié)構(gòu)這里研制的can適配卡由isa接口、雙口ram、微控制器89c52、can通信控制器sja1000、can收發(fā)器82c250、數(shù)據(jù)緩存器、地址譯碼與控制邏輯和中斷信號(hào)控制邏輯等部分組成。3.1 雙口ram及控制電路 pc機(jī)與can控制器之間要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，必須在pc機(jī)和適配卡上的微處理器之間建立雙向的數(shù)據(jù)通道。這里采用共用外部數(shù)據(jù)存

4、儲(chǔ)器的方法。集成雙口ram是一種性能優(yōu)良的快速通信器件，適用于多cpu分布式系統(tǒng)及高速數(shù)字系統(tǒng)中，它有兩路完全獨(dú)立的端口，每個(gè)端口都有完整的地址和數(shù)據(jù)控制線，這里采用idt7006雙口ram。對(duì)于雙口ram的應(yīng)用，一個(gè)很重要的問題就是必須避免兩個(gè)端口的爭用，兩邊同時(shí)讀/寫同一地址單元。但只要遵循一定的通信規(guī)則，使用合理的控制邏輯電路是可以避免爭用現(xiàn)象的。這里采用可編程邏輯器件epm7128s來實(shí)現(xiàn)。epn171285是一種典型的epld器件，采用了先進(jìn)的cmoseeprom技術(shù)，內(nèi)含2500個(gè)邏輯門和128個(gè)宏單元，可以在pcb板上直接對(duì)芯片進(jìn)行編程。在該適配卡中，epm7128s主要完成數(shù)據(jù)

5、總線的驅(qū)動(dòng)、中斷信號(hào)處理以及共享存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)緩沖器的地址譯碼。適配卡上的雙口ram使用內(nèi)存映像的方式直接映射到主機(jī)內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)適配卡與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換。內(nèi)存映象法是將適配卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址配置于pc機(jī)的主存儲(chǔ)器的高端，pc機(jī)可以采用寫主存儲(chǔ)器的方式將數(shù)據(jù)直接寫在適配卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，pc機(jī)不訪問適配卡的微控制器時(shí)就可以讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。3.2 微控制器電路 微控制器采用atmel公司的89c52，它與mcs51系列完全兼容，帶有8k字節(jié)的系統(tǒng)可編程flash和256b的片內(nèi)ram。它主要承擔(dān)節(jié)點(diǎn)與pc機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信和協(xié)調(diào)管理工作。電保護(hù)電路，可防止因適配卡掉電引起的測量數(shù)據(jù)丟失。由于適配卡

6、的工作環(huán)境干擾很嚴(yán)重，使得電路調(diào)試比較復(fù)雜且故障率也較高，本卡設(shè)計(jì)了三種復(fù)位方式。一種為上電復(fù)位方式，即在pc機(jī)通電時(shí)，同時(shí)對(duì)適配卡也進(jìn)行復(fù)位；第二種為在調(diào)試時(shí)出現(xiàn)故障，使用手動(dòng)復(fù)位鍵進(jìn)行復(fù)位；第三種方式為軟件復(fù)位，這種方法是使用初始化模塊中的軟件指令對(duì)適配卡進(jìn)行復(fù)位。3.3 通信控制器 can通信控制器采用philips公司的sja1000，它是一種獨(dú)立的can控制器，主要應(yīng)用于移動(dòng)目標(biāo)和一般的工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域控制。在本適配卡中sja1000主要完成具體的報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。sja1000的基本特點(diǎn)有：具有擴(kuò)展的64字節(jié)接受緩沖器，先進(jìn)先出（fifo）；支持can2.0a和can2.0b協(xié)議

7、；支持11位和29位的標(biāo)識(shí)碼；通信速率可達(dá)1mbps；24mhz時(shí)鐘頻率；可與不同的微處理器接口；可編程的can輸出驅(qū)動(dòng)器配置；可工作于basiccan和pelican兩種狀態(tài)。can控制器的內(nèi)部采用模塊結(jié)構(gòu)，由七個(gè)部分組成：接口管理邏輯（iml）用于解釋來自cpu的命令，控制can寄存器的尋址，向主控制器提供中斷信息和狀態(tài)信息；發(fā)送緩沖器（txb）是cpu與bsp之間的接口，緩沖器可以存儲(chǔ)有13個(gè)字節(jié)的一條完整的報(bào)文；接收緩沖器（rxb）是接收濾波器和cpu之間的接口，用于存儲(chǔ)從can總線上接收并被確認(rèn)的信息；驗(yàn)收濾波器（acf），用于對(duì)接收到的標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行驗(yàn)收，以決定是否接收下這條報(bào)文；位流

8、處理器(bsp)是一個(gè)在發(fā)送緩沖器、rxfifo和can總線之間控制數(shù)據(jù)流的隊(duì)列發(fā)生器，它還執(zhí)行總線上的錯(cuò)誤檢測、仲裁、填充和錯(cuò)誤處理；位時(shí)序邏輯（btl），用于監(jiān)視串行的can總線和位時(shí)序；錯(cuò)誤管理邏輯（eml），用于限制傳輸層模塊的錯(cuò)誤。3.4 輔助電路 can控制器sja1000并不能直接與總線相連，還要通過總線驅(qū)動(dòng)器才能接于總線上。本適配卡采用82c250總線驅(qū)動(dòng)器，為了增強(qiáng)can總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，sja1000的tx0和tx1通過高速光耦6n137后與82c250相連，使得總線上的各節(jié)點(diǎn)具有很好的電氣隔離。4 can通訊適配卡的軟件設(shè)計(jì)適配卡主要承擔(dān)上位機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)

9、。軟件設(shè)計(jì)包含兩部分：一部分是上位機(jī)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，該程序采用vb6.0開發(fā)，用于完成上位機(jī)和雙口ram之間的通信，主要包括上位機(jī)向適配卡上的雙口ram發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)命令、請(qǐng)求數(shù)據(jù)命令、請(qǐng)求狀態(tài)命令和接收數(shù)據(jù)等。另一部分是適配卡上的微處理器的程序設(shè)計(jì)，使用keilc編寫，下位機(jī)上的程序負(fù)責(zé)微處理器與雙口ram以及微處理器與sja1000之間的通信。其軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是向can控制器轉(zhuǎn)發(fā)來自pc機(jī)的命令，并由sja1000進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)到can節(jié)點(diǎn)，并將由控制器接受的來自節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息送到雙口ram。同時(shí)在程序開發(fā)中還包含對(duì)89c52的初始化，雙口ram的初始化以及sja1000的初始化。sja1000初始化主要是指設(shè)置模式、總線時(shí)序、中斷使能、屏蔽碼和id信號(hào)，這些設(shè)置是通過對(duì)芯片的內(nèi)部寄存器賦值來實(shí)現(xiàn)的，