電纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

時(shí) 翔 趙生傳 陳志勇 武志剛

（1.青島供電公司，山東 青島 266002；2.山東電力集團(tuán)公司，濟(jì)南 250001）

“十一五”期間，我國(guó)經(jīng)濟(jì)保持了持續(xù)的快速發(fā)展，我國(guó)電力工業(yè)也得到了高速發(fā)展，基本完成了高效環(huán)保電能傳輸體系的建設(shè)，其中輸配電線路作為這個(gè)體系的脈絡(luò)，對(duì)保持電能傳輸?shù)目煽啃院桶踩跃哂兄匾饔肹1]。輸配電線路從結(jié)構(gòu)上可分為架空型和電纜型，其中電纜型線路主要是敷設(shè)在架空線路難以穿越的地區(qū)，如城市的中心城區(qū)等，與架空線路相比，電纜線路具有不受氣候與環(huán)境影響，不占用地表土地面積，不會(huì)造成電磁干擾等特點(diǎn)，因此在城市現(xiàn)代化加快現(xiàn)代化建設(shè)的今天，電纜線路在城市輸配電中的應(yīng)用越來越廣泛。作為電纜線路的通道，電纜溝的建設(shè)速度也呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)[2]。電纜及其溝道在使用過程中存在著許多問題，如運(yùn)行維護(hù)不方便，電纜溝道由于密封導(dǎo)致通風(fēng)不暢，溝道內(nèi)可能積聚甲烷等可燃?xì)怏w，對(duì)溝道的安全造成嚴(yán)重威脅，同時(shí)在負(fù)荷較大時(shí)電纜局部會(huì)出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象，容易導(dǎo)致電纜發(fā)生著火的事故，因此，對(duì)電纜及其溝道進(jìn)行安全管理不僅關(guān)系到電纜本身的安全運(yùn)行，而且也會(huì)直接影響城市居民供電可靠性和電能質(zhì)量。這樣就需要一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)完成對(duì)電力電纜的監(jiān)測(cè)和管理，這個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要的是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如何在惡劣的電纜及溝道環(huán)境中保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾允且豁?xiàng)重要的研究課題，本文進(jìn)行了電纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

在構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的過程中，將其分為以下三個(gè)子系統(tǒng)分別進(jìn)行分析，即：信息采集子系統(tǒng)、編碼通信子系統(tǒng)及信息處理子系統(tǒng)，基于以上三個(gè)子系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖1所示。

1）信息采集子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要由電纜溝道的傳感設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集功能。

圖1 電力電纜溝道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2）編碼通信子系統(tǒng)。編碼通信子系統(tǒng)主要是由A/D轉(zhuǎn)換模塊、通信電纜及上位嵌入通信控制機(jī)等組成的，它的作用是對(duì)開關(guān)信號(hào)量按照給定的規(guī)則進(jìn)行編碼，并依照CAN總線協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容將其發(fā)送至上位通信機(jī)中，上位通信機(jī)支持10M以太網(wǎng)絡(luò)及A/D轉(zhuǎn)換等功能，采用LCP2292工業(yè)級(jí)控制器，包含了CAN協(xié)議。

3）信息處理子系統(tǒng)。信息處理子系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)收集的信息整合和存儲(chǔ)收集的信息，并依照上一級(jí)系統(tǒng)的技術(shù)要求對(duì)其進(jìn)行校核，其中校核的主要依據(jù)是地理信息系統(tǒng)，并以Web方式將其傳輸?shù)缴霞?jí)的管理系統(tǒng)中，完成系統(tǒng)的維護(hù)及管理，這一子系統(tǒng)主要是由GIS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及管理機(jī)等構(gòu)成的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 接收數(shù)據(jù)過程分析

利用CAN總線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收的過程如下：

首先利用上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其次判斷IP鏈路是否暢通，如果IP鏈路暢通，則數(shù)據(jù)打包后通過以太網(wǎng)將其上傳至服務(wù)器，若IP鏈路不暢通，則將數(shù)據(jù)暫存于電子盤中；上位機(jī)是具有人機(jī)交互功能的，通過液晶可以顯示溝道的數(shù)據(jù)信息，但此時(shí)必須通過鍵盤來對(duì)上位機(jī)的參數(shù)進(jìn)行配置，另外為了使系統(tǒng)升級(jí)方便，額外增加了一篇Nor型的FLASH以作擴(kuò)展之用，這樣就確定了CAN數(shù)據(jù)接收機(jī)上位機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)使用的控制器芯片是LPC2292，該組芯片共有4組電源作為輸入端，其輸入電壓幅值分別為3.3V、1.8V、3.3V和1.8V。上位機(jī)的輸入端不要求具有A/D功能，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)字電源和模擬電源都是獨(dú)立的，另外由于液晶顯示和網(wǎng)卡的芯片都需要 5V的電源作為支撐，因此末級(jí)只需要提供 3組電源。電源芯片選為為 SIPEX半導(dǎo)體的SPX1117芯片，該芯片的輸電電壓是可調(diào)的，因此可以選擇多組輸出，同時(shí)選用 SP708S芯片為復(fù)位芯片。

2.2 CAN模塊介紹

基于 CAN總線的控制系統(tǒng)是將所有控制裝置都在CAN的物理總線上進(jìn)行掛接，以此來接受微處理器的控制，且在CAN總線和微處理器之間需要連接CAN控制器、驅(qū)動(dòng)器及光電耦合器等[4]。如果將CAN控制器和微處理器集成在一塊芯片上，則會(huì)將應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的可靠性也有較大的提高。

本系統(tǒng)所采用的微控制器LPC2292包含了兩個(gè)CAN模塊，同時(shí)支持多個(gè) CAN總線的傳輸。LPC2292有兩個(gè) CAN控制器，每個(gè)總線的波特率在1Mb/s以上，符合CAN的規(guī)范。CAN控制器的引腳配置也是非常簡(jiǎn)單的，輸入來自 CAN的收發(fā)器；其中Tx1和Tx2作為串行的輸出端，輸出到CAN的收發(fā)器中，序號(hào)1、2分別代表了第1、2個(gè)CAN控制器，其與獨(dú)立的CAN控制器相比具有類似的結(jié)構(gòu)，只是其訪問字節(jié)由原來的 8bit變?yōu)榱爽F(xiàn)在的32bit。

2.3 CAN接口電路設(shè)計(jì)

根據(jù)CAN控制模塊的引腳功能，設(shè)計(jì)的CAN接口電路如圖2所示，其中CTM 8250D的TXD和RXD分別與控制器的引腳TD2和RD2相連，且上位機(jī)與下位機(jī)的接口電路是一致的，在總線的兩端同時(shí)需要連接一個(gè)120Ω的終端電阻。

圖2 CAN接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件分析

3.1 CAN通信數(shù)據(jù)采集任務(wù)設(shè)計(jì)

通過CAN總線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送是嵌入式上位機(jī)的主要任務(wù)，即完成上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集功能[5]。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件部分主要是通過 ReadCANRcvCyBuf( )接收數(shù)據(jù)函數(shù)和CANSendData( )發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)完成上述功能的，這樣就簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集功能。由于 ReadCANRcvCyBuf( )函數(shù)是以中斷方式進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的，所以本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的方案的核心思想是：初始化信號(hào)量CANRecvSem為1，將FullCan函數(shù)庫(kù)中的函數(shù)進(jìn)行中斷處理，當(dāng)完成中斷的產(chǎn)生后通過發(fā)送信號(hào)量CANRecvSem進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，中斷處理函數(shù)CANIntPrg( )的流程圖如圖3所示。

圖3 中斷處理函數(shù)CANIntPrg( )的流程圖

完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)后即接收下位機(jī)傳感器的數(shù)據(jù)，整個(gè)處理流程如圖4 所示。

圖4 處理過程流程圖

3.2 嵌入式上位機(jī)多任務(wù)控制軟件設(shè)計(jì)

嵌入式上位機(jī)在電力電纜溝道測(cè)試系統(tǒng)是起關(guān)鍵作用的裝置，它主要通過CAN總線來實(shí)現(xiàn)接收下位機(jī)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后經(jīng)過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到通信服務(wù)器中，同時(shí)將各個(gè)下位機(jī)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)顯示在液晶顯示屏上，并通過鍵盤模塊完成參數(shù)的設(shè)置。本設(shè)計(jì)是采取將上位機(jī)的應(yīng)用程序劃分為5個(gè)μC/OS-II任務(wù)，包括：數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)、數(shù)據(jù)打包任務(wù)、鍵盤掃描任務(wù)及液晶顯示任務(wù)等，通過設(shè)定各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了以嵌入式上位機(jī)為核心技術(shù)的電纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合了嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)及CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，完成了電力電纜溝道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸與控制。

[1]劉平原,賀景亮,王洪新.交聯(lián)聚乙烯電纜在線監(jiān)測(cè)方法的探討[J].高電壓技術(shù), 2001, 27(4): 26-27.

[2]嚴(yán)璋.電氣絕緣在線檢測(cè)技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社, 2002.

[3]朱海鋼,馮江,羅俊華. XLPE電力電纜局部放電高頻監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究[J].高電壓技術(shù), 2004, 30(4).

[4]孫新,胡官陽(yáng). 高速電纜遙測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)方案[J].測(cè)井技術(shù), 1996, (6)20: 449-453.

[5]劉江虹,徐曉東.微型計(jì)算機(jī)中的串行通信總線技術(shù)[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2005, 36(3): 328-332.