ＣＡＮ總線在地面變電所模擬盤(pán)中的應(yīng)用

摘 要：結(jié)合應(yīng)用于電力監(jiān)控的模擬盤(pán)控制器的設(shè)計(jì)，構(gòu)建基于CAN總線的分布式模擬盤(pán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)平臺(tái)，采用基于CAN總線的高性能處理器P8xC592分析設(shè)計(jì)模擬盤(pán)控制器的硬件電路，同時(shí)根據(jù)CAN總線通信協(xié)議的特點(diǎn)對(duì)模擬盤(pán)控制器軟件進(jìn)行整體應(yīng)用設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：電力監(jiān)控；CAN總線;模擬盤(pán)控制器;硬軟件設(shè)計(jì)

Application of CAN in the Simulation of Ground Transformer Substation

LI Delang

(hengzhou Coal Senior Tednnical School，Xinzheng，451150，China)

Abstract：A controller of simulation applied in electric power monitoring system is designed，a distributed control system platform of simulation controller based on CAN bus is built.The paper analyses and designs the hardware circuit of controllel of simulation adopting high-performancemicroprocessor P8xC592 based on CAN bus.According to the characteristics of CAN bus communication protocol designs the software of the simulation controller at the same time.

eywords：electric power monitoring;CAN bus;controller of simulation design;hardware and software design

1 問(wèn)題的提出

以前對(duì)井下電力負(fù)荷的監(jiān)控，只能靠模擬電表來(lái)指示。現(xiàn)在可以采用計(jì)算機(jī)控制與管理，用模擬盤(pán)顯示井下負(fù)荷的動(dòng)態(tài)工作情況。可以借助CAN-232B智能型轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋和模擬盤(pán)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)這些。

CAN-232B智能型轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋，用于PC或其他帶RS 232端口的設(shè)備與CAN設(shè)備之間的通訊CAN（Controller Area Network）是一種串行總線系統(tǒng)。CAN擁有高傳輸速度（高達(dá)1 Mb/s）和高可靠性，能以高性能和高品質(zhì)的方式實(shí)現(xiàn)高度可靠的監(jiān)控系統(tǒng)。為了能在通常的RS 232設(shè)備上使用CAN網(wǎng)絡(luò)，CAN-232B設(shè)計(jì)成將RS 232的串行幀重新打包為CAN擴(kuò)展幀，并通過(guò)CAN收發(fā)器發(fā)送到CAN總線上；反之，如果CAN-232B的收發(fā)器收到CAN總線上的數(shù)據(jù)幀，而且通過(guò)了驗(yàn)收碼校驗(yàn)，它就會(huì)把CAN幀拆包，并將其中的數(shù)據(jù)發(fā)到RS 232口上，因此它可以在CAN與RS 232之間精確地轉(zhuǎn)換信息。 

CAN-232B有2種工作模式：設(shè)置模式和工作模式。在設(shè)置模式下，用戶可對(duì)它的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。而在工作模式中，它完成上述的協(xié)議轉(zhuǎn)換。CAN-232B特別適合小流量的CAN-bus數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，最高可達(dá)300幀／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。 

CAN-232B采用表面安裝工藝，板上自帶光電隔離模塊，在控制電路和CAN電路之間實(shí)現(xiàn)完全電氣隔離。CAN-232B也采用防雷設(shè)計(jì)，每線提供600 W的抗雷擊承受力，加上獨(dú)立的DC／DC電源，這樣的三保險(xiǎn)設(shè)計(jì)使CAN-232B具有很強(qiáng)的抗干擾能力，大大提高系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

2 模擬盤(pán)控制器的功能

電力監(jiān)控模擬盤(pán)設(shè)于地面變電所，主要用于低電壓等級(jí)供配電系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)與控制。在供電系統(tǒng)的每條配電回路中安裝1臺(tái)監(jiān)控器，通過(guò)CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)控制站及中央控制站共同形成一個(gè)供配電計(jì)算機(jī)監(jiān)控與管理系統(tǒng)。

模擬盤(pán)控制器是電力監(jiān)控系統(tǒng)的顯示部分，在現(xiàn)場(chǎng)中的監(jiān)控器采集到回路的模擬量、開(kāi)關(guān)量，并將這些數(shù)據(jù)根據(jù)CAN總線通訊協(xié)議轉(zhuǎn)化成可傳送的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送到CAN總線上。模擬盤(pán)控制器一直“掛”在CAN總線上，當(dāng)CAN總線上有數(shù)據(jù)時(shí)，模擬盤(pán)控制器利用接受中斷程序接收這些數(shù)據(jù)幀，并根據(jù)CAN總線的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)幀還原成相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送到自身所攜帶的指示燈或數(shù)字表上進(jìn)行顯示。當(dāng)調(diào)度端主機(jī)發(fā)出遙控合閘或遙控選線命令，模擬盤(pán)控制器根據(jù)CAN總線協(xié)議將命令轉(zhuǎn)化成可傳送的數(shù)據(jù)幀格式，利用發(fā)送中斷程序傳送到CAN總線上，現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)接受到命令后進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

3 模擬盤(pán)控制器的硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

模擬盤(pán)控制器的硬件電路主要由：P8XC592單片機(jī)、1232看門(mén)狗、RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264、ROM程序存儲(chǔ)器27C256、CAN控制器接口PC：82C250，RS 485通訊、光電耦合器6N137、光隔等構(gòu)成。

P8XC592單片機(jī)為整個(gè)硬件電路的核心，由Philips公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的，適用于自動(dòng)和通用工業(yè)應(yīng)用的8位高性能微控制器。它在80C51標(biāo)準(zhǔn)特性基礎(chǔ)上增加了一些重要的硬件功能，如與內(nèi)部RAM進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳送的CAN控制器；具有總線故障管理功能的l Mb/s CAN控制器；與標(biāo)準(zhǔn)80C5l兼容的全雙工UART等。

P8xC592共有68個(gè)管腳，其中P0~P3與80C51相同，并行I／O口P4的功能與P1，P2和P3相同。P5口主要用作A／D變換器的模擬量輸入端。P0～P3還可完成下列功能：P0為擴(kuò)展P8XC592標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器和外部設(shè)備提供用作分時(shí)復(fù)用的低8位地址和數(shù)據(jù)總線；P1可作為外部中斷請(qǐng)求輸入端、外部計(jì)數(shù)器輸入端、外部計(jì)數(shù)器復(fù)位輸入端和CAN接口的CTX0和CTXl輸出端；P2當(dāng)擴(kuò)展P8XC592標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器和外部設(shè)備提供用作分時(shí)，提供高8位地址；P3引腳可分別進(jìn)行配置以提供外部中斷請(qǐng)求輸入端、計(jì)數(shù)器輸入端、串行口UART的接收輸入端和發(fā)送輸出端以及外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀和寫(xiě)控制信號(hào)。

本設(shè)計(jì)利用P0，P2口作為外部存儲(chǔ)器的高、低位輸出端，P1.0端為模擬盤(pán)控制器的外部巡檢操作端，P1.1為閃光解除操作端口，P3.0，P3.1，P3.2為RS 485通訊操作端口，P3.3用于看門(mén)狗復(fù)位，P3.4，P3.5用于P0輸出高低位的選通，P3.6，P3.7用于控制外部存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)。在程序設(shè)計(jì)中采用外部存儲(chǔ)單元，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264，程序存儲(chǔ)器27C256。采用74HCl73進(jìn)行數(shù)據(jù)的高、低位的位選。

3.2 硬件電路的抗干擾設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，P80C592芯片的CTX0和CRX 0并不直接與82C250的TXD和RXD相連，而設(shè)計(jì)為通過(guò)高速光耦6N 137后與82C250相連，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電器隔離。光耦部分電路所采用的2個(gè)電源完全隔離，這樣可以提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性，否則采用光耦就失去了意義。

82C250與CAN總線的接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過(guò)1個(gè)5 Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)82C250免受過(guò)流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)2個(gè)30 pF的小電容，起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。

另外芯片P80C592并不直接與輸出電路相連。它們之間被光隔相隔離。當(dāng)外界電路因干擾或者發(fā)生故障導(dǎo)致電路運(yùn)行參數(shù)突變時(shí)，芯片會(huì)因光隔的存在而免受影響，從而保證芯片P80C592的安全運(yùn)行。

以上的各種措施使單片機(jī)P80C592完全與外界相隔離，在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的環(huán)境中運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

4 模擬盤(pán)控制器的軟件設(shè)計(jì)

4.1 模擬盤(pán)控制器主程序設(shè)計(jì)

在電力監(jiān)控系統(tǒng)中，每個(gè)監(jiān)控器監(jiān)控一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，監(jiān)控器通過(guò)CAN總線與模擬盤(pán)控制器相連，模擬盤(pán)控制器自身攜帶16個(gè)指示燈，并通過(guò)RS 485通訊卡與一個(gè)數(shù)字表頭相連(見(jiàn)圖1。16個(gè)指示燈與監(jiān)控器監(jiān)控的16個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)相映射，通過(guò)指示燈不同狀態(tài)來(lái)折射開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)：本文定義了指示燈顯示的3種狀態(tài)：紅色、紅快閃、紅慢閃。其中指示燈為紅色代表開(kāi)關(guān)為正常的工作狀態(tài)；指示燈為紅快閃，表示開(kāi)關(guān)為事故跳閘——報(bào)警狀態(tài)；指示燈紅慢閃為巡檢狀態(tài)；數(shù)字表頭則用來(lái)顯示監(jiān)控器采集到的模擬量值。在模擬盤(pán)控制器的軟件設(shè)計(jì)中，通過(guò)定時(shí)器來(lái)操作指示燈的閃爍快慢，根據(jù)模擬盤(pán)通信協(xié)議對(duì)P4口各端口進(jìn)行相應(yīng)的置位、復(fù)位，實(shí)現(xiàn)指示燈的現(xiàn)實(shí)操作。

4.1.1 初始化

初始化包括：有關(guān)的RAM單元清零、定時(shí)中斷初始化、CAN總線初始化、RS 485通訊初始化。

在中斷初始化時(shí)，要注意對(duì)中斷允許寄存器IEN0、IENl的置位，尤其是IEN0.7總允許／禁止中斷控制的置位；通過(guò)對(duì)中斷優(yōu)先級(jí)特出功能寄存器IP0，IPl來(lái)設(shè)定各中斷源的優(yōu)先級(jí)。

4.1.2 巡檢操作

實(shí)際操作系統(tǒng)中，設(shè)備常時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)老化、反映不靈敏的情況。為了防止模擬盤(pán)控制器硬件電路以及指示燈本身的故障而導(dǎo)致顯示狀態(tài)不能緊跟開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化，本文設(shè)計(jì)了巡檢操作，由P8XC592單片機(jī)的P1.0來(lái)控制。操作員置位P1.0時(shí)，軟件程序?qū)4口所有的位以8 s為周期進(jìn)行置位、復(fù)位操作(見(jiàn)圖3，模擬盤(pán)控制器開(kāi)始巡檢操作，模擬盤(pán)控制器的16路指示燈同時(shí)出現(xiàn)“紅慢閃”狀態(tài)，如果有1路或幾路指示燈不進(jìn)行“紅慢閃”，則說(shuō)明相對(duì)應(yīng)的指示燈出故障，操作員可有針對(duì)性的排除故障；操作員復(fù)位P1.0時(shí)，程序進(jìn)入到下一步操作——事故報(bào)警操作。

4.1.3 事故閃爍、解除

在實(shí)際操作中開(kāi)關(guān)由于事故出現(xiàn)跳閘，監(jiān)控器監(jiān)測(cè)到后將信息通過(guò)CAN總線傳送到模擬盤(pán)控制器上。模擬盤(pán)控制器根據(jù)通訊協(xié)議判斷出那個(gè)開(kāi)關(guān)量跳閘，然后對(duì)P4口的相應(yīng)位以1 s為周期進(jìn)行置位、復(fù)位操作，指示燈相應(yīng)的位則進(jìn)行“紅快閃”。且指示燈的快閃狀態(tài)持續(xù)到事故跳閘處理。

操作員根據(jù)模擬盤(pán)上的指示處理相應(yīng)的跳閘事故后，給模擬盤(pán)發(fā)出解除命令，指示燈的事故閃爍停止，進(jìn)入常態(tài)工作。

4.2 模擬盤(pán)通信協(xié)議及其中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

4.2.1 模擬盤(pán)通信協(xié)議

CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

基于CAN總線通信協(xié)議制訂了模擬盤(pán)控制器的通信協(xié)議。

傳輸數(shù)據(jù)由2數(shù)據(jù)幀組成：在IDl中，D7～D4為傳輸數(shù)據(jù)的幀號(hào)；幀號(hào)代表傳輸數(shù)據(jù)為何種命令；監(jiān)控器的站號(hào)由IDl中的D3~D0和ID2中的D7~D5共7位128種組合；可對(duì)應(yīng)128個(gè)監(jiān)控器監(jiān)測(cè)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)；ID2中的D4表示是否為遠(yuǎn)程幀 ID2中的D3~D0表示數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

此協(xié)議首先充分利用了CAN通信協(xié)議自身的特點(diǎn)，在幀格式的ID號(hào)中體現(xiàn)發(fā)送的運(yùn)行數(shù)據(jù)量的幀號(hào)和監(jiān)控器的站號(hào)。幀號(hào)代表傳輸數(shù)據(jù)的類型，根據(jù)CAN總線的仲裁(CAN總線本身的ID號(hào)越小，優(yōu)先權(quán)越大，可以將重要類型的數(shù)據(jù)規(guī)定為幀號(hào)較小，這樣就可保證重要數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)高于其他類型的數(shù)據(jù)，程序就會(huì)優(yōu)先處理這些數(shù)據(jù)。又可利用仲裁，將重要的監(jiān)控器排列的站號(hào)排列得較小，這樣又可保證程序優(yōu)先處理重要的監(jiān)控器監(jiān)控的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

4.2.2 CAN中斷服務(wù)程序

模擬盤(pán)控制器通過(guò)中斷服務(wù)程序來(lái)受CAN總線上的數(shù)據(jù)，也是利用中斷服務(wù)程序向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。如果有發(fā)送中斷或接收中斷請(qǐng)求，運(yùn)行程序就會(huì)進(jìn)入CAN中斷服務(wù)程序，入棧保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)后，判斷中斷為何種中斷(發(fā)送中斷、接收中斷。并根據(jù)CAN總線的通信協(xié)議將要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式或?qū)⒔邮盏臄?shù)據(jù)幀還原，然后發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，最后出棧進(jìn)入主運(yùn)行程序繼續(xù)運(yùn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用國(guó)際上目前應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一CAN總線微處理器技術(shù)，進(jìn)行模擬盤(pán)控制器的硬、軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)與監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的模擬盤(pán)控制器能夠很好地實(shí)現(xiàn)規(guī)定的功能和技術(shù)要求。本方案在煤礦地面變電所應(yīng)用表明，對(duì)煤礦井下用電情況的監(jiān)視得到明顯地改善。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.

［2］張友德.飛利浦80C51系列單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)[].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1992.

［3］陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

［4］佚名.CAN-232B是智能型RS 232總線CAN轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋說(shuō)明書(shū)[EB/OL].http://www.link-max.com