電氣儀表CAN總線通信架構(gòu)及關鍵技術研究

孫 朕

（新鄉(xiāng)北方車輛儀表有限公司，新鄉(xiāng) 453000）

在電力工業(yè)應用中，電氣儀表數(shù)據(jù)作為電力系統(tǒng)分析的重要依據(jù)，因此其通信的便利性和傳輸速度成為研究的重要課題，傳統(tǒng)通信方式主要采用無線局域網(wǎng)絡（wireless local area networks，WLAN）路由方式進行傳輸，存在線路架設困難和通信速度慢的缺陷，為改善通信質(zhì)量[1]，本文通過分析控制器局域網(wǎng)絡（controller area network，CAN）總線的各項優(yōu)點，提出本課題的研究。

國外電力通信研究機構(gòu)通過分析調(diào)查儀表數(shù)據(jù)，根據(jù)需求提出設計方案，其中文獻[2]設計建筑設備管理系統(tǒng)（building management system，BMS）通信結(jié)構(gòu)，通過Sateflow 建模的方法建立儀表與基站的連接通道，采用高級加密標準（advanced encryption standard，AES） 算法最快編碼儀表數(shù)據(jù)傳輸信號，提高儀表數(shù)據(jù)傳輸速度。但這種方式通道建立方式復雜，需要多種機構(gòu)配合完成，便利性不足；國內(nèi)電力與通信研究部門通過調(diào)研國內(nèi)通信技術水平，根據(jù)電網(wǎng)儀表安裝規(guī)律研究，其中文獻[3]設計WLAN 輪詢通信系統(tǒng)，將數(shù)字信號處理（digital signal processing，DSP）+現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array，F(xiàn)PGA）芯片組成傳輸結(jié)構(gòu)，采用多址接入算法實現(xiàn)多儀表下的多通道傳輸，拓展了儀表數(shù)據(jù)的傳輸路徑，但這種方式對重要信息的傳輸速度較慢，延遲較大。

1 CAN 總線網(wǎng)絡系統(tǒng)設計

本文根據(jù)電力公司內(nèi)網(wǎng)儀表控制中心數(shù)據(jù)，將儀表數(shù)據(jù)通過CAN 總線的方式進行傳輸，根據(jù)局域化的儀表布置規(guī)律進行篩選，通過融合各種通信技術組成CAN 總線網(wǎng)絡系統(tǒng)[4]。CAN 總線網(wǎng)絡系統(tǒng)設計如圖1所示。

圖1 CAN 總線網(wǎng)絡系統(tǒng)設計Fig.1 System design of CAN Bus network

CAN 總線網(wǎng)絡系統(tǒng)運行以電力公司內(nèi)網(wǎng)為數(shù)據(jù)核心，通過延伸和組合的方式組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，內(nèi)網(wǎng)工作站從電力公司內(nèi)網(wǎng)中采集數(shù)據(jù)，根據(jù)內(nèi)網(wǎng)狀態(tài)進行調(diào)整和參數(shù)管理；視頻監(jiān)測工作站主要對內(nèi)網(wǎng)設備和運作方式進行視頻收集，將內(nèi)網(wǎng)設備之間的聯(lián)系和運行數(shù)據(jù)的規(guī)律通過視頻的方式顯示[5]；主站操作臺是內(nèi)網(wǎng)運作的核心位置，負責內(nèi)網(wǎng)的管理和電力設備的操作，將復雜的操作過程通過主站的方式進行管控，實現(xiàn)電力系統(tǒng)上的通信管理；而電力公司內(nèi)網(wǎng)主數(shù)據(jù)形式通過接入交換機和核心交換機完成采集和傳輸，核心交換機與內(nèi)網(wǎng)的200 MHz 專網(wǎng)相連，對其數(shù)據(jù)形態(tài)進行重新編制；接入交換機與內(nèi)網(wǎng)管理數(shù)據(jù)相連，通過連接正、反向網(wǎng)絡隔離器實現(xiàn)管理數(shù)據(jù)與設備參數(shù)的分割，保證電力公司內(nèi)網(wǎng)的同步管理，整個內(nèi)網(wǎng)同步過程受到2 個基站監(jiān)控設備的監(jiān)測[6]。電力內(nèi)網(wǎng)的2 M 專用以太網(wǎng)通過網(wǎng)絡交換機的形式輸入到采集控制器中，分別由用戶信息采集主站電臺捕捉，通過調(diào)節(jié)頻率使采集控制器與電臺保持統(tǒng)一調(diào)頻狀態(tài)，實現(xiàn)專用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的通信，進而由負荷管理終端統(tǒng)一管控電力內(nèi)網(wǎng)的儀表數(shù)據(jù)[7]。

在CAN 總線網(wǎng)絡設計過程中，CAN 總線分化為230 MHz 和2 M 專用以太網(wǎng)2 種通信方式，將電力內(nèi)網(wǎng)電氣儀表數(shù)據(jù)通過不同交換機的方式完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸，一定程度上避免了電力資源的浪費，而多信道的通信方式加快了儀表數(shù)據(jù)通信速度，便于通信技術的搭載[8]。

2 關鍵技術

在電氣儀表通信架構(gòu)的建設過程中，通過在CAN總線上搭載各項技術完成儀表數(shù)據(jù)的通信傳輸，關鍵技術在于：

（1）采用MCP 狀態(tài)估計技術組建電氣儀表采集和傳輸?shù)倪壿嬯P系，使傳輸過程更為簡潔通暢。

（2）采用嵌入式板卡技術對CAN 總線通信方式進行設計，信號轉(zhuǎn)換速度更快，基站強度更高，完成電氣儀表位置的全面覆蓋。

（3）采用差分正交相移鍵控（differential quadrature phase shift keying，DQPSK）算法對電氣儀表不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進行分析，找到最為快捷的通信方式，從而提高通信速度。

2.1 MCP 狀態(tài)估計

內(nèi)容整合商（master content provider，MCP）狀態(tài)估計主要對電氣儀表數(shù)據(jù)采集和邏輯順序進行設計，通過邏輯編輯的方式得到最為準確的儀表數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MCP 狀態(tài)估計結(jié)構(gòu)Fig.2 MCP state estimation structure

MCP 研究結(jié)構(gòu)主線路為CANH 和CANL，分別表示總線通信的高階傳輸和低階傳輸方式，通過在兩條主線路中架設通信模塊和節(jié)點控制器完成電氣儀表數(shù)據(jù)的傳輸[9]。儀表與線路的邏輯控制主要由SPI 組成截斷線路，將節(jié)點控制器和MCP 主通信模塊進行分割，通過CAN 協(xié)議控制器完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，然后由TX 和RX 組成雙向線路，將MCP 協(xié)議控制和SJA 收發(fā)器相連接，由收發(fā)器負責電氣儀表數(shù)據(jù)的聯(lián)合發(fā)送，即完成電氣儀表的狀態(tài)估計[10]。MCP 狀態(tài)估計數(shù)據(jù)的傳輸需要建立相應的邏輯通信，據(jù)此建立MCP 狀態(tài)估計邏輯，如圖3所示。

圖3 MCP 狀態(tài)估計邏輯圖Fig.3 Logical diagram of MCP state estimation

MCP 狀態(tài)估計邏輯設計服務于SJA1050 的讀寫內(nèi)部芯片，F(xiàn)PGA 完成邏輯儀表的狀態(tài)輸入，SJA1050 為高速收發(fā)器。通過讀寫操作為電氣儀表數(shù)據(jù)組建地址序列，依據(jù)收發(fā)器時序規(guī)則完成地址序列的編寫，而SJA1050 通信地址的時序傳輸通道為數(shù)據(jù)通信單元。MCP 狀態(tài)估計設計方式由各類狀態(tài)機觸發(fā)并進行狀態(tài)采集，主要地址數(shù)據(jù)為MCP 狀態(tài)采集的電氣儀表信號，將其作為邏輯輸入，而通信方式為寫入地址序列，通信模塊主接收方式通過標志欄和觸發(fā)信號完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[11]。邏輯順序由各類信號完成控制，通過上升沿和下降沿的配合完成通信的邏輯排列，邏輯信號擁有隨時占用狀態(tài)機位置的權利，通過占用輸出為完成儀表數(shù)據(jù)的編碼，得到SJA1050 通信接口相吻合的時序。在邏輯通信的編排和傳輸過程中SJA1050 收發(fā)器時鐘頻率為30 MHz，符合IN-TEL 通信過程的下一周期的首發(fā)頻率，即完成邏輯上的傳輸循環(huán)[12]。

MCP 狀態(tài)估計技術以通信模塊為核心，由2 條不同高度線路作為傳輸體系，將電氣儀表所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過邏輯時序的方式進行通信。邏輯通信過程以SJA1050 觸發(fā)器為核心結(jié)構(gòu)，通過觸發(fā)上升沿和下降沿的方式使邏輯編排方式簡單化，從而完成電氣儀表數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮喕^程。

2.2 嵌入式板卡通信設計

為加強CAN 總線通信系統(tǒng)的覆蓋范圍，通過設計嵌入式板卡結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)覆蓋面，主要采用NI公司設計的硬件系統(tǒng)建立高速傳輸?shù)腃AN 通信通道，通過嵌入式組建通信模板，達到電氣儀表布置范圍的最高信號覆蓋，使電氣儀表數(shù)據(jù)得到充分收錄，為后續(xù)的CAN 通信提供數(shù)據(jù)信號支持，嵌入式板卡通信設計如圖4所示。

圖4 嵌入式板卡通信設計Fig.4 Communication design of embedded board

嵌入式板卡通信設計采用微控＋CAN 集控方式和收發(fā)器板卡聯(lián)合建造方案。CAN9853 采用兩路通信模式保證傳輸信道的高速性，融入sbRIO 板卡結(jié)構(gòu)，達到提高通信覆蓋面的目的[13]。在板卡通信設計過程中，2 條主要信道CAN0 和CAN1 并行連接，0信道負責儀表數(shù)據(jù)的對外輸送，1 信道負責對內(nèi)系統(tǒng)的接收過程，兩種信道控制方式為集成控制，降低了儀表內(nèi)部空間壓力。而通信過程的編程程序均采用簇狀傳輸模式，遵循CAN 通信規(guī)則，分別設立0 和1 傳輸幀，并建立無符號的標識程序。簇狀通信程序?qū)x表數(shù)據(jù)分為數(shù)據(jù)和遠程指令2 種形式，分別通過集成芯片的I/O 口進行讀取和寫入操作，而轉(zhuǎn)換程序則通過while 程序完成，并在各結(jié)構(gòu)中建立循環(huán)程序，使通信過程達到每秒一次的傳輸頻率[14]。

嵌入式板卡通信結(jié)構(gòu)以sbRIO 為主控中心，以隔離電源作為供能裝置，利用2 組CAN 控制器和收發(fā)器搭建出電氣儀表數(shù)據(jù)收集的廣泛覆蓋面，并預留擴展節(jié)點，可以根據(jù)儀表數(shù)量進行擴展，在2 組設備之間設計Reg5 V 外部電源，以供給信號轉(zhuǎn)換的能量，保證板卡通信結(jié)構(gòu)的順利運行[15]。

2.3 DQPSK 算法

差分正交相移鍵控（differential quadrature phase shift keying，DQPSK）算法主要通過發(fā)送端源碼推算信號傳輸速度，根據(jù)原數(shù)據(jù)編碼，將信號映射到傳輸速度最快的信道中，主要運算方式為差分運算和正交相移運算方式，完成電氣儀表數(shù)據(jù)分化和數(shù)據(jù)通信的正交相快速通信[16]。

首先對電氣儀表數(shù)據(jù)進行歸納，將儀表上顯示數(shù)據(jù)組建為矩陣形式，即：

式中：ψ 表示電氣儀表顯示數(shù)據(jù)矩陣；? 表示數(shù)據(jù)通信相位序列；K 表示建立的CAN 信道長度；N 表示電氣儀表布置的數(shù)量。

將電氣儀表數(shù)據(jù)矩陣進行傅里葉變換，推算出矩陣數(shù)據(jù)的變化波形，從而找到最佳的通信陣列[17]。

式中：sf表示電氣儀表數(shù)據(jù)波形顯示；k 表示傳輸最快的信道長度；DFT 表示離散傅里葉變換函數(shù)；s（n）表示儀表數(shù)據(jù)傳輸變化規(guī)律；e 表示數(shù)據(jù)通信速度歸納系數(shù)。

對儀表數(shù)據(jù)通信規(guī)律進行分化，根據(jù)不同信道傳輸規(guī)律不同劃定傳輸路線，細分規(guī)則為

對選擇出的信道進行傳輸速度的驗證，驗證方式通過正交相移進行測算：

通過不同波段的信道傳輸波動，取最高數(shù)值，得到該信道數(shù)據(jù)通信速度為式中：表示最高波段信道函數(shù)；Ap表示信道傳輸?shù)碾姎鈨x表數(shù)據(jù)量；vp表示信道傳輸速度。

通過DQPSK 算法得到通信中多個信道的傳輸速度，從中選出傳輸速度最快的波段，將儀表數(shù)據(jù)中占比最高的數(shù)據(jù)提前進行傳輸，從而提高通信平均速度，使電氣儀表數(shù)據(jù)更為快捷地與控制臺雙向?qū)覽18]。

3 試驗與分析

為了驗證本研究CAN 總線通信架構(gòu)的傳輸速度與可靠性，針對臺區(qū)電表進行實例測試，本文融合了多項通信技術，根據(jù)儀表通信數(shù)據(jù)的需求，對通信系統(tǒng)進行改進，通過記錄實驗仿真結(jié)果，將數(shù)據(jù)整理成圖表形式完成研究分析。實驗過程在Intel i9 9600KF 計算機，4.0 GHz CPU 和64+256 GB內(nèi)存雙核PC 機運行?，F(xiàn)場實驗環(huán)境設置，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法進行記錄，對直通式標準儀表進行采集，通信模式為CAN 總線通信模式，計算機運算速度達到25 億次，算法程序運算誤差＜1.0%。在此環(huán)境下進行實驗，參數(shù)配置如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)與配置軟件Tab.1 Environment parameters and configuration software

本設計試驗對電氣儀表數(shù)據(jù)的通信結(jié)構(gòu)進行研究，根據(jù)Proteus 仿真軟件對實際工作過程進行仿真演示，電氣儀表通信架構(gòu)仿真圖如圖5所示。

圖5 電氣儀表通信架構(gòu)仿真圖Fig.5 Electrical instrument communication architecture simulation diagram

根據(jù)DQPSK 算法中的式（4）推算儀表數(shù)據(jù)傳輸速度。同時，以文獻[2]所采用的BMS 通信結(jié)構(gòu)與文獻[3]所采用的WLAN 輪詢通信形成參照對比，將實驗結(jié)果匯總數(shù)據(jù)表，最終顯示CAN 總線通信實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 CAN 總線通信實驗數(shù)據(jù)表Tab.2 CAN Bus communication experiment data

通過表2數(shù)據(jù)分析，本設計CAN 總線通信架構(gòu)儀表電能最高為2860.5 kWh，數(shù)據(jù)通信總量為932.1 GB，傳輸速度為9.4 MB/s；文獻[1]采用的BMS通信結(jié)構(gòu)儀表電能最高為2629.4 kWh，數(shù)據(jù)通信總量為729.8 GB，傳輸速度為7.8 MB/s；文獻[2]設計的WLAN 輪詢通信儀表電能最高為2486.6 kWh，數(shù)據(jù)通信總量為665.4 GB，傳輸速度為6.5 MB/s。由此看出本研究電氣儀表通信模式具有較高可行性。

通過對比各設計方案的儀表通信總量和傳輸速度，進一步完成對比實驗，根據(jù)Proteus 軟件實現(xiàn)電氣儀表通信系統(tǒng)運行的仿真，對比結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 CAN 總線通信數(shù)據(jù)量Fig.6 Data volume of CAN Bus communication

圖7 通信傳輸速度曲線Fig.7 Communication transmission speed curve

從圖6與圖7中看出，3 種通信方式數(shù)據(jù)總量存在差異，隨著電表電能變換而變化，本研究數(shù)據(jù)通信量遠高于其他2 種系統(tǒng)，對標準電表數(shù)據(jù)通信的環(huán)境下，本研究最高通信量為932.1 GB。圖7結(jié)果顯示3 種通信模式在電氣儀表電能為2400 kWh 時，本設計數(shù)據(jù)傳輸速度為8.5 MB/s，最高為9.4 MB/s；文獻[1]采用的BMS 通信結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸速度為7.2 MB/s，最高為7.8 MB/s；文獻[2]設計的WLAN 輪詢通信本設計數(shù)據(jù)傳輸速度為6.0 MB/s，最高為6.5 MB/s。從整體變化曲線來看，本設計優(yōu)于其他2 種方案。

綜上所述，本設計方案對電氣儀表數(shù)據(jù)的通信研究具有明顯效果，根據(jù)實驗表明本研究通信數(shù)據(jù)總量和數(shù)據(jù)傳輸速度均為最佳，體現(xiàn)出本設計CAN總線通信方案的優(yōu)越性。

4 結(jié)語

本文對電氣儀表數(shù)據(jù)通信進行研究，通過分析儀表數(shù)據(jù)通信總量、傳輸速度與儀表電能關系完成方案設計，主要技術研究如下：

（1）對電氣儀表進行MCP 狀態(tài)估計，使系統(tǒng)得到準確的儀表電能，并分析電能對通信狀態(tài)的影響。

（2）利用嵌入式板卡通信技術加強CAN 總線的通信力度，同時提高通信覆蓋面，使單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更多。

（3）采用DQPSK 算法細分信道傳輸速度，并提取最佳的信道，將阻塞的數(shù)據(jù)通過捷徑信道進行傳輸，一定程度上提高了傳輸速度。

通過對本設計數(shù)據(jù)通信過程進行測試，將實驗結(jié)果匯總為CAN 總線通信實驗數(shù)據(jù)表，發(fā)現(xiàn)本研究通信數(shù)據(jù)總量和數(shù)據(jù)傳輸速度均為最佳，通過仿真對比分析，表明本設計方案具有明顯優(yōu)勢。但是本研究在實驗過程中仍存在問題，電氣儀表型號問題導致讀取數(shù)據(jù)偏差，通信數(shù)據(jù)總量較低時造成信道浪費等問題仍待解決。