1、基于CAN總線的高壓開關柜狀態(tài)監(jiān)測單元通訊模塊的設計    摘要：高壓開關柜作為電力系統(tǒng)的關鍵設備，對它的運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測具有重大的意義。為了避免監(jiān)測單元成為信息的孤島，有必要使監(jiān)測單元具有通訊能力。筆者在分析CAN協(xié)議的基礎上，開發(fā)了基于CAN總線的高壓開關柜狀態(tài)在線監(jiān)測單元的通訊模塊，并給出了軟硬件設計詳細的流程。1.引言高壓開關柜是電力系統(tǒng)的關鍵主設備之一，其運行狀態(tài)對電力系統(tǒng)的可靠性具有重大影響。統(tǒng)計表明，20世紀90年代中國電力系統(tǒng)開關事故類型分布如下：摘要：高壓開關柜作為電力系統(tǒng)的關鍵設備，對它的運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測具有重大的意義。為了避

2、免監(jiān)測單元成為信息的孤島，有必要使監(jiān)測單元具有通訊能力。 筆者在分析CAN協(xié)議的基礎上，開發(fā)了基于CAN總線的高壓開關柜狀態(tài)在線監(jiān)測單元的通訊模塊，并給出了軟硬件設計詳細的流程。1. 引言高壓開關柜是電力系統(tǒng)的關鍵主設備之一，其運行狀態(tài)對電力系統(tǒng)的可靠性具有重大影響。 統(tǒng)計表明，20世紀90年代中國電力系統(tǒng)開關事故類型分布如下：機械故障（拒分、拒合、誤動）33.3%，絕緣故障37.3%，溫升故障（載流）8.9%，其它20.5%1。 因此，有必要對高壓開關柜的機械、溫升及絕緣狀態(tài)實施在線監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，防止事故發(fā)生。現(xiàn)有高壓開關柜監(jiān)測單元的核心一般

3、采用單片機（MCU），其處理能力有限、存貯空間很小，只能對數(shù)據(jù)進行簡單的處理和存放少量的歷史數(shù)據(jù)2。為了存放大量的歷史數(shù)據(jù)以便對已有的數(shù)據(jù)進行復雜的處理（如壽命評估、故障診斷等），也為了對電力系統(tǒng)運行狀態(tài)進行遠程檢測和診斷，有必要使監(jiān)測單元具有通訊能力，把需要的數(shù)據(jù)上傳給PC機。 同時為了對分散的監(jiān)測單元進行維護（如單元是否正常工作，閾值下載等），監(jiān)測單元也有必要具有通訊能力以使PC機能夠實時監(jiān)控監(jiān)測單元的工作情況以及對它們進行閾值的下載。CAN作為一種有效支持分布式通信的現(xiàn)場總線，能夠完成現(xiàn)場監(jiān)測單元與管理設備之間的數(shù)字通信，溝通現(xiàn)場監(jiān)測單元和更高管理層網(wǎng)絡之間的聯(lián)系，真正做到“分

4、散處理，集中管理”。2. 監(jiān)測單元框架和通訊模塊功能所研制現(xiàn)場監(jiān)測單元，其微控制器選用16位高速單片機80C196KC，利用其豐富的外設接口，方便地進行現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、處理和顯示。監(jiān)測單元的功能是進行在線的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，并提供現(xiàn)場的顯示和與上位機通信的接口。監(jiān)測單元監(jiān)測的主要內(nèi)容有：母線溫升：測量斷路器三相進線和三相出線的電連接處溫升；泄漏電流：測量三相環(huán)氧套管的泄漏電流；機械數(shù)據(jù)：通過對斷路器分、合閘線圈電流和動觸頭行程的測量并進行數(shù)據(jù)處理，得到動觸頭行程、分合閘時間、分合閘速度、平均分合閘時間和平均分合閘電流。通訊模塊的主要功能就是當測量的這些數(shù)據(jù)異常時，主動上傳異常的數(shù)據(jù)

5、，當測量的數(shù)據(jù)正常時就等待PC機有請求時上傳這些數(shù)據(jù)。同時監(jiān)測單元還通過通訊模塊接收PC機的參數(shù)下載（如閾值等），并對PC機的下載進行響應!回答下載成功與否信息。3. CAN總線3.1 CAN總線簡介CAN總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種具有很高保密性、有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡。符合ISO/OSI模型規(guī)范。 通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。 通信速率為5kb/s時，通信距離最長可為10km；通信速率為1Mb/s時，通信最長距離可達40m。 CAN總線上節(jié)點數(shù)最多可以有110個，所以比較適用于小型的測控網(wǎng)絡。CAN總線具有

6、以下特征：多主站依據(jù)優(yōu)先權進行總線訪問；無破壞性的基于優(yōu)先權的仲裁；借助接收濾波計數(shù)器，取值范圍是015。當發(fā)送一個新的數(shù)據(jù)時，計數(shù)器加1，溢出時重新開始計數(shù)。沒有用到遠程幀，遠程幀的作用通過數(shù)據(jù)幀之間的應答來實現(xiàn)。3.3 CAN應用層協(xié)議CAN總線協(xié)議對應于ISO/OSI模型的物理層和鏈路層，沒有包括其他的層次。CAN的高層協(xié)議是在CAN現(xiàn)有的協(xié)議（物理層和鏈路層）上實現(xiàn)的。CAN作為一種小型的測控網(wǎng)絡， 不涉及到路由選擇，同時為了減少層間轉換的復雜性，一般高層的協(xié)議只采用應用層。這樣在應用時，CAN實際就有了三層協(xié)議。應用層的報文對于鏈路層來講認為是數(shù)據(jù)，而真正需要傳送

7、的數(shù)據(jù)是封裝在應用層報文中的。采用的應用層協(xié)議一般有標準（例如DeviceNet，SDS等）和自定義（根據(jù)實際系統(tǒng)而定）的兩種。 筆者根據(jù)實際情況自定義了應用層協(xié)議， 應用層報文的詳細定義這里不再詳述。4. 通訊模塊的硬件實現(xiàn)監(jiān)測單元部分通訊模塊實現(xiàn)CAN協(xié)議的控制器選用SJA1000，它是PCA82C200濾波器以及錯誤累計到一定時就脫離總線等特征。硬件的設計并不復雜?？梢詫JA1000和PCA82C250的應用文檔上的典型電路移植到80C196KC微控制器上（80C196KC采用8位數(shù)據(jù)總線模式），但在設計時還應該注意以下幾點：SJA1000與外部ROM，R

8、AM統(tǒng)一編址，微控制器對它的存取操作就像對RAM操作一樣（區(qū)別在于有的SJA1000寄存器有的不可讀，有的不可寫）。總線的連接電纜一般使用雙絞線，對抗干擾要求較高可以使用屏蔽雙絞線，或者光纖。電纜線徑與傳輸距離、節(jié)點數(shù)目有關，傳輸距離變長或節(jié)點數(shù)目增加，電纜線徑也要相應增加，同時終端匹配電阻（一般為120）。也要增大。SJA1000控制器RX1引腳要接0.5V，以便形成正確的電平邏輯。 PCA82C250的Vref引腳可提供0.5V的電壓輸出，因此在不加光隔的測試系統(tǒng)中，可直接將RX1引腳接Vref引腳，以簡化電路設計。SJA1000有中斷產(chǎn)生時，引腳INT產(chǎn)生的是一個高電平到低電平

9、的跳變，文檔中給出的是和80C51（它的外中斷0可以是下降沿或低電平有效）接口的，因此兩個引腳可以直接相接。而80C196KC的EXTINT1引腳是上升沿有效，故在兩個引腳之間要加一個反相器。5 通訊模塊的軟件實現(xiàn)軟件是通訊模塊設計的核心，與一般使用高級語言編寫的軟件不同的是嵌入式系統(tǒng)的軟件要和硬件直接打交道，是對硬件直接操作，因此對硬件要熟練掌握才能編寫出實用的代碼。SJA1000控制器寄存器數(shù)量眾多，幸運的是許多文章對它們的用法都作了介紹，有的還給出了其具體的代碼，筆者只簡單介紹一下驗收濾波寄存器。使用驗收濾波器，可以使監(jiān)測單元只接收需要的幀，屏蔽不需要的。這里的應用是將驗收濾波

10、器配置成雙濾波方式，即控制器只接收目的地址與監(jiān)測單元地址相符的或者與監(jiān)測單元廣播地址相符的幀，從而節(jié)約監(jiān)測單元的資源。下面即以監(jiān)測單元的發(fā)送為例，簡述通訊模塊軟件的設計思路。當監(jiān)測單元有數(shù)據(jù)發(fā)送時（如絕緣數(shù)據(jù)），可通過下列步驟完成發(fā)送的全過程：將數(shù)據(jù)按應用層報文的格式進行封裝。 應用層報文相對鏈路層來講是鏈路層的數(shù)據(jù)，在鏈路層把應用層的報文按照SJA1000的CAN幀的格式進行拆分。CAN每次只能傳送8個有效字節(jié)，在拆分時按照上文的標識符定義，將報文拆成有序的CAN幀，這樣接受的一方就能按照標識符將一系列屬于同一應用層報文的幀進行拆封。把已拆分好的CAN幀按照標識符定義的幀序數(shù)發(fā)送出

11、去。發(fā)送一幀之前需要檢查SJA1000控制器狀態(tài)寄存器（SR）的狀態(tài)，這包括檢查控制器發(fā)送狀態(tài)，接收狀態(tài)以及發(fā)送緩沖器鎖定狀態(tài)，當控制器處于空閑狀態(tài)（不在發(fā)送狀態(tài)、不在接收狀態(tài)并且發(fā)送緩沖器被釋放），就將需發(fā)送的幀寫入發(fā)送緩沖區(qū)并啟動發(fā)送。發(fā)送下一幀重復執(zhí)行以上過程即可。接受過程執(zhí)行與發(fā)送過程相反的操作，可以簡述為：接受CAN幀；拆封CAN幀為應用層報文；解析報文得到數(shù)據(jù)。6. CAN控制器異常情況的處理SJA1000控制器在長期工作中，由于內(nèi)在及外在的因素不可避免的會產(chǎn)生錯誤，從而使控制器不能正常工作。為了控制器能夠長期正常工作，使控制器從錯誤中恢復過來?？刂破魈峁┝讼鄳募拇嫫鱽?/p>

12、進行錯誤的分析和診斷，這包括接收（發(fā)送）錯誤計數(shù)器、錯誤報警限制寄存器、錯誤代碼捕捉寄存器、仲裁丟失捕捉寄存器以及狀態(tài)寄存器的幾位。同時中斷寄存器的幾位用來報告產(chǎn)生的錯誤，由程序對錯誤進行處理。這些寄存器具體的定義可參閱相關文獻。在實際應用時主要有兩種從錯誤狀態(tài)恢復到正常工作狀態(tài)的方法。（1）有錯誤發(fā)生時，在中斷服務程序里根據(jù)中斷寄存器（中斷方式，中斷使能寄存器除喚醒和接收中斷外均打開）的各位的狀態(tài)，再結合相應的寄存器即可以進行分析和診斷了。 例如出現(xiàn)應答通道故障時則會產(chǎn)生總線錯誤中斷，檢查錯誤代碼捕捉寄存器，就可知道是產(chǎn)生了應答通道故障。該方法的優(yōu)點是知道錯誤具體是什么而采取對應的措施，缺點是編程比較麻煩，對協(xié)議和控制器都要十分熟悉。（2）控制器一有錯誤發(fā)生就重新初始化（中斷方式，中斷使能寄存器除喚醒和接收中斷外均打開），讓控制器重新正常運行，該方法優(yōu)點是簡單易行，缺點是沒有考慮到錯誤發(fā)生的原因，不能作進一步的分析和診斷。為了簡化設計，筆者采取的是后一種方案。7. 結語（1）CA