CAN總線在變電站高壓開關(guān)柜在線檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：針對我國變電站目前大多采用基于BITBUS總線和RS-485總線構(gòu)建的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所存在的缺點(diǎn)，介紹了一種利用CAN總線的高壓開關(guān)柜在線檢測系統(tǒng)，能更好地完善變電站監(jiān)控系統(tǒng)的功能，提出了其主要硬件和軟件的設(shè)計方案和實(shí)施并介紹了應(yīng)用效果。

關(guān)鍵字：在線檢測系統(tǒng)CAN總線現(xiàn)場總線由于電子信息技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)在高壓開關(guān)柜功能智能化系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，使高壓開關(guān)柜的在線檢測系統(tǒng)形成了一個分布式的監(jiān)測系統(tǒng)，并使整個系統(tǒng)較傳統(tǒng)的集中監(jiān)測系統(tǒng)性能增強(qiáng)，功能更為完善。

1CAN總線技術(shù)及其特點(diǎn)

在傳統(tǒng)的變電站監(jiān)測系統(tǒng)中，一般采用BITBUS總線和RS-485總線，但在實(shí)際應(yīng)用中都有以下缺陷：

a.BITBUS總線和RS-485總線上只能有一個主節(jié)點(diǎn)，無法構(gòu)成多主系統(tǒng)，一旦主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就不能正常運(yùn)行，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的可靠性較差。

b.BITBUS總線和RS-485總線的抗干擾能力較差，不適應(yīng)在高電磁環(huán)境下運(yùn)行，而且其錯誤處理能力也很差。

c.數(shù)據(jù)通信方式是命令響應(yīng)式，下端節(jié)點(diǎn)只有在收到主節(jié)點(diǎn)的命令以后，才能響應(yīng)，從而造成數(shù)據(jù)不能及時上傳，導(dǎo)致整個系統(tǒng)實(shí)時性較差，不適用于開關(guān)柜在線檢測這種要求實(shí)時性很高的系統(tǒng)中。

本文采用了目前在工業(yè)測控系統(tǒng)中常用的控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN。CAN總線采用差分驅(qū)動，可適用于高噪聲干擾的環(huán)境且具有較強(qiáng)的糾錯能力，目前已形成國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898規(guī)范［1］。其價格低廉，可靠性高，結(jié)構(gòu)靈活，為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

CAN采用了OSI/ISO模型全部7層中的2層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，用戶可以這2層為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際需要開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用層通信協(xié)議［1］。CAN的主要特點(diǎn)如下：

a.可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可以在任意時刻主動地向總線上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，因而可以構(gòu)成多主機(jī)系統(tǒng)。

b.當(dāng)CAN節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯誤時，具有自動關(guān)閉輸出的功能，切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點(diǎn)及通信不受影響，故具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

c.采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)2個節(jié)點(diǎn)同時向總線上發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了總線沖突仲裁時間，避免了總線沖突。

d.總線上的節(jié)點(diǎn)信息可以分成不同的優(yōu)先級，以滿足不同的實(shí)時要求。

e.可以用點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

f.CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km，此時傳輸速率只能達(dá)到5kbit/s；最高通信速率可達(dá)到1Mbit/s，此時最大傳輸距離為40m；CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個。

g.CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀信息含有8個字節(jié)，并有CRC校驗(yàn)等檢錯措施，傳輸時間短，保證了數(shù)據(jù)出錯率低。

h.通信介質(zhì)采用雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

總之，采用CAN總線實(shí)時性強(qiáng)、可靠性高，用戶接口簡單，非常適用于變電所中構(gòu)成高壓開關(guān)柜故障在線檢測系統(tǒng)。

2系統(tǒng)總體設(shè)計方案

高壓開關(guān)柜在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個系統(tǒng)通過CAN總線將各采集單元模塊和監(jiān)控計算機(jī)單元連成分布式結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中計算機(jī)和各個檢測單元模塊分別有自己的ID標(biāo)志，且保證各自的ID不重復(fù)。由數(shù)據(jù)采集單元模塊采集開關(guān)柜的各種信號參數(shù)，通過CAN總線送至系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)單元，建立起全變電站高壓開關(guān)柜的數(shù)據(jù)庫，計算機(jī)對整個CAN總線系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視管理，具有系統(tǒng)參數(shù)（如傳輸速率、節(jié)點(diǎn)地址等）設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、本機(jī)狀態(tài)查詢、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)查詢、中斷狀態(tài)查詢等功能。系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)單元采用工業(yè)控制機(jī)配CAN總線通信接口卡組成，它接收數(shù)據(jù)采集單元模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計算處理得出高壓開關(guān)柜的各個參數(shù)的值，根據(jù)各種參數(shù)及其波形等相關(guān)性質(zhì)，從而具體分析得出高壓開關(guān)柜的工作狀態(tài)。CAN總線通信接口卡使工控機(jī)能方便地連接到CAN總線上，它由CAN接口電路及其與計算機(jī)串口的連接電路組成，確保數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地在CAN總線和計算機(jī)之間流通。

3硬件電路設(shè)計

由于計算機(jī)串口是標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，發(fā)出的數(shù)據(jù)信號是以字節(jié)為單位進(jìn)行傳送，而CAN總線信號是以幀為單位進(jìn)行傳送的，因此要想在計算機(jī)串口與CAN總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，就必須有CAN總線通信接口卡，此卡的作用就是把計算機(jī)串口發(fā)出的信號和CAN總線發(fā)出的信號進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使每一方都能識別對方發(fā)送來的信號，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流通。

本文CAN總線通信接口卡硬件電路設(shè)計如圖2所示，圖中省略了振蕩電路和復(fù)位電路。

3.1CAN接口電路［2］

3.1.1CAN控制器的選?、?/p>

采用SJA1000芯片，它支持CAN2.0B通信協(xié)議，它與僅支持CAN2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件和軟件上完全兼容，并在其基礎(chǔ)上增加了新功能：標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這兩種幀格式都有單2雙接收過濾器；64byte的接收FIFO；可讀寫訪問的錯誤計數(shù)器和錯誤限制報警及只聽方式等。

3.1.2CAN收發(fā)器①

PCA82C250是Philips公司的CAN控制器和物理總線間的接口，可提供對總線的差動發(fā)送和接收

能力。它有三種不同的工作方式：高速、備用和斜率控制。一般采用斜率控制方式。硬件電路中使用PCA82C250是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線等作用。

3.1.3光電隔離

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250之間增加了由高速隔離器件6N137構(gòu)成的隔離電路。

3.1.4單片機(jī)的選取②

裝置選用AT89C51為處理器，它是ATMEL公司8位單片機(jī)，與MCS51完全兼容，內(nèi)部集成有4kbit/s的閃速E2PROM，工作頻率最高可達(dá)20MHz。

3.1.5電平轉(zhuǎn)換芯片的選取

在CAN接口電路中，AT89C51芯片使用的是TTL電平，而從計算機(jī)串口輸出的是RS-232電平，因此要想計算機(jī)串口與單片機(jī)連接，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAXIM公司生產(chǎn)的MAX202芯片是在缺少±12V電源時進(jìn)行RS-232/TTL雙向電平轉(zhuǎn)換芯片，它的供電電源是單+5V，電平轉(zhuǎn)換的速度的最大值不小于120kbit/s。為了使計算機(jī)的電源與CAN接口電路的電源互不受干擾，還在MAX202與AT89C51之間采用光電耦合器，以達(dá)到電源隔離的目的。

3.1.6數(shù)據(jù)采集單元電路

采集單元電路一般由微處理器外加顯示鍵盤電路、模擬量輸入電路、開關(guān)量輸入/輸出電路、CAN總線通信接口電路、實(shí)時時鐘電路等組成。

4軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用C語言開發(fā)軟件。CAN總線各節(jié)點(diǎn)與AT89C51要有效、實(shí)時地完成數(shù)據(jù)通信，軟件的設(shè)計是關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。

軟件設(shè)計主要包括計算機(jī)串口通信程序、AT89C51通信程序、CAN節(jié)點(diǎn)初始化程序、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送、接收程序以及CAN總線出錯處理程序等。CAN控制器SJA1000的內(nèi)部寄存器作為AT89C51芯片的片外寄存器，AT89C51和SJA1000之間進(jìn)行狀態(tài)、控制和數(shù)據(jù)的交換都是通過SJA1000在復(fù)位模式或工作模式下對這些寄存器的讀寫完成的。

在初始化CAN內(nèi)部寄存器時，注意使得各節(jié)點(diǎn)的位速率必須一致，而且收、發(fā)雙方必須同步。數(shù)據(jù)的接收主要有中斷和查詢接收兩種方式。為提高通信的實(shí)時性，采用中斷接收方式，而且這樣也可保證接收緩存器不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。下面給出SJA1000工作在BasicCAN模式下的初始化流程圖（圖3）及數(shù)據(jù)接收的源程序。

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