基于CAN總線的變電站通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

尹江紅++鄭立玲

摘要：在基于CAN總線的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，智能單元節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的通信以及智能單元節(jié)點(diǎn)之間的通信是系統(tǒng)通信的核心，而CAN接口單元在整個(gè)通信中起到上傳下達(dá)的作用，是核心中的關(guān)鍵。提出一種CAN總線單元設(shè)計(jì)方案，該方案中使用89C52作為微處理器，SJA1000作為通信控制器，82C250作為收發(fā)器。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；變電站；CAN總線；變電站綜合自動(dòng)化；

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）07-0260-02

Design of CAN bus Communication Adapter for Transformer Station

YIN Jiang-hong， ZHENG Li-ling

（Guangxi Hydraulic and Electric Polytechnic， Nanning 530023， China）

Abstract： In substation automation systems based on CAN bus， the core if between PC and node andbetween nodes. The CAN-bus plays the role in the overall upload issued communications， Command of PC is transmitted to nodes and Data of nodes is transmitted to PC by CAN-bus. a CAN bus unit design scheme is proposed in the paper， which uses 89C52 as microprocessor，SJA1000 works as communication controller and 82C250 as transceivers.

Key words： field bus； substation； CAN-bus； substation automation

CAN（controller area network） 是近年來興起的一種先進(jìn)工業(yè)控制技術(shù)， 其具有多主工作方式、傳輸速度快、距離遠(yuǎn)、自動(dòng)解決總線競(jìng)爭(zhēng)、糾錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在對(duì)數(shù)據(jù)傳輸保密性及可靠性要求高的場(chǎng)合。將CAN總線應(yīng)用到變電站綜合自動(dòng)化中，完全能滿足其對(duì)監(jiān)控、保護(hù)之間的通訊的可靠性和準(zhǔn)確性的要求，且運(yùn)用CAN總線技術(shù)性能價(jià)格比高，安裝維護(hù)簡潔方便，能創(chuàng)造很好的經(jīng)濟(jì)效益，因而CAN總線在電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1基于CAN總線的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由站控層、間隔層和過程層構(gòu)成；針對(duì)現(xiàn)在的變電站系統(tǒng)間隔層裝置多、大量的智能單元裝置需要通過網(wǎng)絡(luò)相互通信，在間隔層和過程之間采用CAN總線通信進(jìn)行連接。站控層提供站內(nèi)運(yùn)行的人機(jī)聯(lián)系界面，實(shí)現(xiàn)管理控制過程層、間隔層設(shè)備等功能，其由保護(hù)故障信息子站、遠(yuǎn)動(dòng)通信裝置、操作員站、主機(jī)和其他各種功能站構(gòu)成；間隔層在站控層及網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，仍能獨(dú)立完成間隔層設(shè)備的就地監(jiān)控功能，其主要由測(cè)控、計(jì)量、錄波、保護(hù)、相量測(cè)量等若干個(gè)二次子系統(tǒng)組成；過程層采集實(shí)時(shí)運(yùn)行電氣量、監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、執(zhí)行控制命令等，其主要由智能終端、合并單元、互感器等構(gòu)成，根據(jù)變電站內(nèi)部電氣設(shè)備的不同，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的過程層可分為變壓器監(jiān)測(cè)終端、斷路器GIS監(jiān)測(cè)終端以及容性設(shè)備和避雷器監(jiān)測(cè)終端三個(gè)部分，每個(gè)終端對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)單元（變壓器監(jiān)測(cè)單元、斷路器GIS監(jiān)測(cè)單元和容性設(shè)備及避雷器監(jiān)測(cè)單元），這些監(jiān)測(cè)單元可以使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備方便地連接到CAN總線上，同時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，打包處理采集得到的數(shù)據(jù)，然后通過CAN通信控制器SJA1000將打包處理過的數(shù)字信號(hào)發(fā)送到CAN總線。

2 CAN總線單元設(shè)計(jì)

2.1 CAN接口單元總體設(shè)計(jì)

CAN總線接口單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送和接收，接口單元包括看門狗電路、微處理器、總線收發(fā)器、輸入輸出設(shè)備和CAN通信控制器等；微處理器完成數(shù)據(jù)的處理，CAN通信控制器完成CAN的通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，CAN總線收發(fā)器增大通信距離、降低射頻干擾（RFI）、提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力和實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等，看門狗電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的監(jiān)控和復(fù)位作用；CAN總線接口單元設(shè)計(jì)是按照CAN總線物理層協(xié)議選擇總線介質(zhì)，設(shè)計(jì)布線方案，連接成CAN網(wǎng)絡(luò)，主要是CAN總線收發(fā)器與物理總線之間和CAN通信控制器與微處理器之間的接口電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的CAN接口單元如圖2所示。

2.2單片機(jī)系統(tǒng)

ATMEL公司89C52單片機(jī)價(jià)格便宜，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，設(shè)計(jì)選擇微處理器89C52作為節(jié)點(diǎn)控制器，其承擔(dān)對(duì)CAN控制器進(jìn)行初始化和CAN的收發(fā)控制任務(wù)；設(shè)計(jì)中改進(jìn)了單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，從而減少了簡易復(fù)位電路（以往由電阻、電容組成）造成的延時(shí)長、不精確等不良影響和避免出現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的沖突。

2.3 SJA1000控制電路設(shè)計(jì)

考慮到SJA1000支持CAN 2.0A/B規(guī)約，選取PHILIPS公司的SJA1000 CAN控制器，SJA1000總線控制器是CAN總線接口控制板的核心器件，其擔(dān)負(fù)著報(bào)文的發(fā)送、接收、過濾等工作，通過它實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)微處理器之間的數(shù)據(jù)通信；考慮到國內(nèi)市場(chǎng)上PHILIPS的產(chǎn)品型號(hào)比較多，購買82C250比較方便，并且82C250可以支持110個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，選擇82C250作為收發(fā)器。

SJA1000作為本接口電路中的控制部分，89C52的P0口與SJA1000的AD0～AD7連接，89C52的P2.7口連接CS引腳，當(dāng)CS引腳為低電平，89C52選中SJA1000；SJA1000的RD、WR、ALE分別與89C52的對(duì)應(yīng)引腳相連；89C52的INT0接SJA1000的INT引腳，單片機(jī)可以通過中斷方式問SJA1000。

由于電阻可起到一定的限流作用，在82C250的CANH和CANL引腳與CAN總線之間接一個(gè)5歐姆的電阻，保護(hù)82C250免受過流的沖擊；為了濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的作用，在CANH和CANL與地之間各并聯(lián)30pF電容；CAN總線轉(zhuǎn)232串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能是通過串口芯片MAX232實(shí)現(xiàn)，通過按鍵及LED燈顯示電路用于向CAN總線上發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，以及顯示接受到的數(shù)據(jù)狀態(tài)。

由于變電站現(xiàn)場(chǎng)具有干擾大、測(cè)量多、分布廣等特點(diǎn)，在控制器和驅(qū)動(dòng)器之間加入光電隔離器進(jìn)行隔離， 把SJA1000的TX0和RX0引腳通過高速光耦6N137與82C250的引腳TXD和RXD相連，從而增強(qiáng)通信接口的抗干擾能力。

3軟件設(shè)計(jì)

AT89C52與CAN總線各節(jié)點(diǎn)要實(shí)時(shí)、高效地完成數(shù)據(jù)通信，軟件的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。通信單元采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，采用C語言開發(fā)程序，設(shè)計(jì)包括AT89C52通信程序、CAN總線出錯(cuò)處理程序、CAN接收程序、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送、CAN節(jié)點(diǎn)初始化程序以及計(jì)算機(jī)串口通信程序等。AT89C52芯片的片外寄存器使用SJA1000的內(nèi)部寄存器， SJA1000和AT89C52之間通過SJA1000在工作模式下或復(fù)位模式對(duì)這些寄存器的讀寫完成的狀態(tài)、控制和數(shù)據(jù)的交換。根據(jù)CAN總線通信的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、發(fā)送、接收、拆包、解碼、編碼以及打包均由硬件完成，因此， CAN總線通信程序主要包含初始化程序、接收子程序和發(fā)送子程序。

3.1 SJA1000的初始化

在初始化CAN內(nèi)部寄存器時(shí)，注意設(shè)置收、發(fā)雙方同步，且各節(jié)點(diǎn)的位速率一致。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(shí)性和保證接收緩存器不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象，采用中斷接收方式， SJA1000的初始化流程如圖3所示。

SJA1000在上電或硬復(fù)位后，主控制器運(yùn)行其復(fù)位子程序，對(duì)其進(jìn)行初始化以便進(jìn)行通信，由于組態(tài)的寄存器只有在復(fù)位模式（Reset Mode）下，才能被寫入，因此，在設(shè)置SJA1000寄存器前，主控制器首先讀R/R（Reset mode/Request）標(biāo)志來確認(rèn)SJA1000是否處于復(fù)位方式，然后通過發(fā)出一個(gè)有效的復(fù)位脈沖給CAN控制器SJA1000管腳（Pin17），使其進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)（Reset Mode），進(jìn)入復(fù)位模式后，需要設(shè)置各個(gè)寄存器的運(yùn)行方式。

3.2 SJA1000的報(bào)文發(fā)送

報(bào)文的發(fā)送是CAN控制器SJA1000依據(jù)CAN協(xié)議規(guī)范自動(dòng)進(jìn)行，發(fā)送過程既可以采用查詢方式，也可以采用中斷方式，系統(tǒng)采用中斷方式報(bào)文發(fā)送，在傳輸一個(gè)新報(bào)文到SJA1000發(fā)送緩沖器之前，首先檢查狀態(tài)寄存器的發(fā)送緩沖器狀態(tài)標(biāo)志，確定是否可以將一個(gè)新的報(bào)文寫入發(fā)送緩沖器，只有TS=0且TBS=1，才可以將新報(bào)文寫到發(fā)送緩沖器，并將發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志置1（TR=1），使SJA1000啟動(dòng)發(fā)送一旦報(bào)文開始發(fā)送，發(fā)送緩沖器則馬上寫閉鎖；若不滿足TS=0且TBS=1，說明有報(bào)文正在發(fā)送， 則主控制器將設(shè)置一個(gè)暫存標(biāo)志，并將新報(bào)文保存到臨時(shí)存儲(chǔ)器中，當(dāng)正在發(fā)送的報(bào)文發(fā)送成功結(jié)束，CAN控制器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)發(fā)送中斷，在對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序檢查是否有暫存的報(bào)文要發(fā)送，一個(gè)正在等待發(fā)送的報(bào)文會(huì)從臨時(shí)存儲(chǔ)器復(fù)制到發(fā)送緩沖器中，暫存標(biāo)志被消除，置位TR，啟動(dòng)發(fā)送。

3.3 SJA1000的報(bào)文接收

接收?qǐng)?bào)文是CAN控制器依據(jù)CAN協(xié)議規(guī)范自動(dòng)進(jìn)行，接收?qǐng)?bào)文既可由查詢狀態(tài)寄存器標(biāo)志來完成，也可中斷控制，系統(tǒng)采用中斷方式報(bào)文接收，在接收緩沖存儲(chǔ)器中存放接收?qǐng)?bào)文，由接收中斷和狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)RBS確定一個(gè)報(bào)文是否可以傳送給主控制器，主控制器通過讀取SJA1000狀態(tài)寄存器，檢查接收緩沖器狀態(tài)標(biāo)志RBS，若RBS=1，則表示SJA1000的RXFIFO中得到一個(gè)或多個(gè)報(bào)文，主控制器將第一個(gè)報(bào)文（存放在接收緩沖器中）讀到本地報(bào)文存儲(chǔ)器，當(dāng)主控制器的本地報(bào)文存儲(chǔ)器足夠大，主控制器可以檢查是否有更多信息報(bào)文，然后集中處理接收到的報(bào)文，最后置位命令寄存器的RRB位，釋放RXFIFO內(nèi)存空間。

4結(jié)束語

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)安全性、可靠性要求非常高的系統(tǒng)， 其間隔層裝置多、大量的智能單元裝置需要通過網(wǎng)絡(luò)相互通信，基于此，設(shè)計(jì)了一種高可靠性、高實(shí)時(shí)性的基于CAN 總線通信網(wǎng)絡(luò)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，在節(jié)約電纜的同時(shí)使間隔層間信息可充分共享，有效解決了變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的通信問題。CAN總線在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用表明：CAN總線網(wǎng)絡(luò)具有相當(dāng)高的實(shí)時(shí)性、抗干擾性和擴(kuò)展性，能夠滿足變電站綜合自動(dòng)化中各種設(shè)備及不同檢測(cè)參量具有不同優(yōu)先級(jí)的需要，達(dá)到了變電站自動(dòng)化的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 代愛妮. 基于CAN總線的變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012（9）.

[2] 連衛(wèi)東. CAN總線在煤礦變電站溫度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)計(jì)[J]. 煤礦機(jī)械，2012（10）.

[3] 劉志強(qiáng). 基于CAN-bus總線的變電站智能照明控制系統(tǒng)[J]. 電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2014（4）.

[4] 吳戰(zhàn)偉. 基于CAN總線的智能變電站變送器[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2014（8）.