引言
　　
　　過去的幾十年里，在很多電氣設備中，比如車輛、艦船、飛機等中的電氣用電設備，它們一直采用保險絲盒斷路器等被動防護裝置，致使無法故障預警，故障診斷起來也比較困難，嚴重影響了設備的整體性能；同時，由于總線類設備能提供信息查詢、故障記錄、參數保護等功能。因此在一些底層器件中引入總線技術，能更方便用戶配置系統，就像設備中多了很多對眼睛，可以很好地把握設備的工作情況。所以研發具有預警和診斷功能的新器件勢在必行。
　　
　　本文中主要是在繼電器中引入總線技術，使得繼電器具有總線通信功能。通過總線繼電器控制模塊可以將具有智能化、網絡化功能的電器節點模塊有機的組合起來，構成一種新的電氣負載管理系統，即針對系統發出的指令進行邏輯切換和信息反饋，以實現數據采集、過載保護、狀態檢測及故障記錄等功能，大大提高了系統的可靠性、可維護性、可擴展性。下面將結合總線智能繼電器的功能從5個方面來研究它的軟件設計：系統初始化、報文的收發處理、信號的數據采集、看門狗程序的軟件設計及數據保護等5部分。
　　
　　1、系統的初始化
　　
　　系統的初始化包括2部分：一部分是單片機初始化；另一部分是SJA1000的初始化。
　　
　　1．1單片機的初始化
　　
　　文中使用的單片機是美國Atmel公司生產的AT89C51單片機，該款單片機的特點是低電壓、高性能、CMOS工藝、片內含有4KB可反復擦寫只讀存儲器和128B的隨機存儲器，兼容MCS-51指令集，片內還含有8位的CPU和FLASH存儲單元，廣泛靈活運用于各種控制領域。設計中使用該單片機完成和SJA1000的端口初始化、外部中斷設置、定時器設置。其中和SJA1000的端口初始化用來片選SJA1000，外部中斷0用來檢測電源故障，外部中斷1用來讀取SJA1000收到的報文，定時器0用來看門狗定期復位，定時器1用來記錄繼電器觸點接通時間。圖1是單片機初始化流程圖。　　
　　1．2SJA1000的初始化
　　
　　SJA1000是一款總線控制器，它的作用是為了保證總線控制器局域網絡中的網絡層次結構中數據鏈路層和物理層的可靠通信，這一功能的實現主要得益于該芯片上具有可編程的邏輯電路，并且還有和微處理器相連接的接口。它內部由很多寄存器，微控制器通過對這些寄存器控制，可以設置它的工作方式、工作狀態、報文的收發格式。
　　
　　SJA1000的初始化主要是完成一些寄存器的配置。要完成這些配置，該控制器必須處于復位模式下。它進入復位模式的情況通常有3種：上電復位、硬件復位和軟件復位。復位后，需要設置的寄存器通常有以下幾個：控制寄存器、模式寄存器、時鐘分頻寄存器、驗收濾波器、中斷使能寄存器、總線定時器和輸出控制器。完成這些寄存器的配置后，就要退出復位模式，進入工作模式。它的初始化流程圖如圖2所示。
　　
　　2、報文的收發處理
　　
　　對SJA1000的操作通常有2種方案，一種是時序模擬模式；另一種便是用擴展RAM的模式來完成。該控制器通常有2種讀寫模式，一種是In模式；另一種是Motorola模式，由于它的管腳設置和普通的RAM管腳設置相似，因此文中采用擴展RAM的模式來實現總線的報文收發。總線繼電器的報文的處理包括2部分，即數據的接收處理，報文的發送處理。
　　
　　2．1報文的接收
　　
　　報文的接收是由該控制器自動完成，文中要做的就是要把信息從接收緩存中讀出來，然后將讀出來的信息存放在數據存儲器中。一條數據報文能否被成功地接收由驗收濾波器模式控制位、驗收代碼寄存器、驗收代碼屏蔽寄存器、報文標識符共同決定。只有通過驗收濾波器的過濾的報文才能被接收，否則是不能送到控制器接收緩沖區的。當報文成功通過驗收濾波器并被送入接收緩沖中后，會置位接收緩沖區狀態位，如果這個時候使能接收中斷RIE，就會產生接收中斷，使得控制器的INT的電平發生變化，此時中斷微控制器。接下來微處理器的任務大致由下面三步分組成，首先要監視控制器的狀態，確定一下是否有需要讀取的報文；其次便是將接收緩沖區中的數據讀出來存放到數據存儲器中并需要置位接收處理標志；zui后便是處理接收到的報文。需要注意的是處理接收報文的目的主要是為驅動繼電器做準備。報文的接收處理流程圖如圖3所示。
　　
　　2．2報文的發送
　　
　　報文的發送負責將待發數據發到總線上。*屏蔽相關中斷，避免收到的數據對發送的影響；第二要對和報文發送相關的數據寄存器進行設置，確定通信的目標節點，同時準備好要發送的數據；第三在發送之前要對SJA1000發送緩沖區是否有待發送的數據進行檢查，如果沒有待發送的數據或者正在發送的數據，則可以將準備好的數據發送到控制器發送緩沖區做好發送準備，否則新的報文是不能寫入發送緩沖區的；第四就是把要發送的報文寫入控制器發送緩沖區，準備發送；第五就是置位發送請求標志位，之后控制器會自動完成報文的發送。信息的發送流程圖如圖4所示。　　
　　3、電流信號的數據采集
　　
　　系統電流信號的采集，文中采用的是美國國家半導體生產的8位分辨率、雙通道A／D轉換芯片。文中之所以使用該款芯片，主要是考慮到它的體積較小、兼容性強、性價比高，更為重要的是它的數據是串行輸出，節約了單片機的管腳資源。
　　
　　一般情況下，和單片通信的管腳由以下4個：片選端CS、時鐘輸入端CLK、數據輸出端DO、模式選擇輸入端DI。通過對時序圖的分析發現，DI和DO不是始終同時有效，因此在設計電路時，可以將此二管腳并接到一起作為一個管腳連接到單片機上。ADC轉換流程大致如下。首先是使能選中芯片，即要拉低片選CS，并且要保持該電平到轉換完畢，因為當CS置位的時候，該芯片是不能使用的；其次是要發送一個起始信號，這就需要在*個時鐘的下降沿到來之前拉高DI；再次是要輸入通道選擇控制字進行轉換通道選擇，通道控制的選擇需要在接下來第2、3個脈沖下降沿來臨之前輸入兩位數據文中先后對DI輸入1，0；zui后是從DO端輸出AD轉換結果，即在先在第4時鐘下降沿到第11個時鐘下降沿之間的每一個下降沿都會輸出A／D轉換結果，高位在前，共8位，接下來在從第11個時鐘下降沿到第19個時鐘下降沿的每個時鐘下降沿又一次輸出和之前相反的數據，也是8位，只是這個時候是低位在前；zui后便是拉高CS，禁止使能A／D轉換，對該2個8位數據進行比對，將轉換結果送到數據寄存器中。圖5是ADC轉換的流程圖。　　
　　4、看門狗MAX813L
　　
　　在單片機構成的系統當中，單片機的工作往往會受到來自外界干擾，導致程序陷入死循環，進而使得單片機無法正常工作，單片機的手動復位又有其局限性，為此文中采用專門監測單片機運行狀態的芯片MAX813L。該芯片不僅能實現系統復位，還可以監測電源狀態，當出現掉電或者低壓等情況時保護重要數據。
　　
　　4．1系統復位
　　
　　當系統受到某些干擾的影響，使得系統程序跑飛，當該芯片的看門狗信號輸入端WDI在超過1．6s時間內得不到清除定時器的脈沖時，看門狗輸出管腳WDO將由高電平變為低電平，根據圖6會發現，復位輸入端MR會被拉低成低電平，當這個低電平保持時間在140ms以上時，復位信號輸出端RST會復位信號，從而復位CPU。根據前面分析，系統的正常運行需要zui多以1．6s的時間間隔給看門狗輸入端輸入脈沖。文中使用定時器0的工作方式1每隔50ms給看門狗芯片一個清定時器脈沖。喂狗的實現代碼如圖7所示。　　
　　4．2電源監視
　　
　　當電源故障輸入管腳的電位低于1．25V時，電源故障輸出端的電平會由高變低，導致微處理器P32管腳的電平發生變化，進而觸發外部中斷0，執行中斷服務程序，即凍結寄存器的內容，保存RAM中的數據，激活掉電模式，進入掉電工作狀態。要想退出掉電模式，系統必須復位。電源監視的部分代碼如圖8所示。　　
　　5、狀態參數保護
　　
　　智能繼電器在信號處理的過程中，有很多參數需要存儲，而且需要在外部供電掉電的情況下，能夠繼續保持到下次外部供電恢復。一般的參數存儲方法是使用靜態RAM外加鉻鎳電池及外加輔助電路，但是該種方法存在很多弊端。因此，文中采用AT24C02來實現數據保護。這主要得益于它體積小、使用靈活，而且不會因為系統掉電、干擾等原因丟失數據，有效地保存各種參數。圖8的參考代碼可以實現根據負載電流的過流情況發送不同的控制指令并及時保存保存此時的負載電流。
　　
　　6、結語
　　
　　本文設計的CAN總線智能繼電器除了具備普通繼電器的接通和關斷功能以外，還具有如下功能：現場總線通信功能，即改變傳統系統中點對點控制方式，通過總線指令實現繼電器的通斷，減輕設備總量；負載電流檢測功能，即實時監測繼電器負載電流狀況，并且是可查詢的；負載電流過載保護和短路跳閘功能，并且跳閘閾值可以離線設置；繼電器的觸點通斷狀態實時監測功能，即可有效防止異常通斷的發生；歷史工作記錄查詢功能，即可以查詢諸如過載電流、短路情況、觸點狀態、觸點接通時間等狀態參數，并且掉電后，不丟失這些數據。