基于CAN总线的变电站监控系统

引 言
控制局域网CAN(Control Area Network)属于现场总线范畴，是一种有效支持分布式控制的串行通信网络[1、2]。相比于传统的RS-422/485总线，CAN总线有以下优越性:
a.多主方式工作，网络上任一节点任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活;
b.数据帧中的数据最多为8个字节，这样不仅可满足工控领域中传送控制命令、工作状态和测量数据的一般要求，而且保证了通信的实时性;
c.CAN网络上的节点信息分为不同等级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在140μs内得到传输;
d.采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而高优先级的节点可不受影响地传输数据;
e.CAN的直接通信距离最远可达l0km(速率5kbit/s以下)，通信速率最高可达lMbit/s(通信距离40m以下);
f.CAN节点在自身发生严重错误的情况下具有自动关闭功能，从而保证网络上其他节点的操作不受影响;
g.CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的，不过，其模型结构只有3层，即只取OSI底层的物理层、数据链路层和应用层。
由于CAN的数据结构简单，又是范围较小的局域网，因此不需要其他中间层，应用层数据直接取自数据链路层或直接向链路层写数据。结构层次少，有利于系统中实时控制信号的传递。
因为对变电站自动化系统的通信可靠性提出了更高的要求:高度的实时性、有效性、抗干扰性，所以研制了基于CAN总线的变电站监控系统。
一、基于CAN总线的变电站监控系统
1.1 系统的总体结构
系统由上位机、通信适配卡、智能终端以及相关软件组成，其系统结构如图1所示。该系统可实现交流数据的采集、处理、控制，对变电站监测监控。本系统的关键硬件是智能终端和通信适配卡的设计。


1.2 智能终端设计
智能终端主要是一个数据采集模块，安装在现场，直接和设备相连，完成测量、通信和控制功能，其原理结构如图2所示。


该智能终端使用的数据采集模块可采集交流数据，它是以单片机C805lF040为核心，对一路馈线电量进行交流数据采集，经过算法运算处理后得到所需参数，通过其CAN口将数据传送到上位机，进行监控。从互感器输出的三相电压、三相电流转换成合适的电压直接送至采样保持器S/H，再送至C805lF040的模拟输入端，经多路选择开关，A/D转换器，送至CPU处理后由CAN口送至上位机。每周期采样64个点，采用均方根值法，和傅里叶算法比较后选其优者。
1.3 CAN通信适配卡设计
CAN通信适配卡插在上位机的扩展槽上，实现智能终端与上位机之间的高速数据交换。主要由双口RAM、嵌入式微处理器80C188,CAN通信控制器SJAl000,CAN收发器82C250、数据缓存器等组成，其硬件原理结构图如图3所示。该适配卡的CAN总线网络通信功能由嵌入式微处理器80C188和CAN控制器SJAl000完成具体的报文发迭和接收控制任务。该适配卡上的高速双口RAM在PC机和适配卡上的CPU之间建立起双向的数据交换通道，可实现PC机与CAN控制器之间的数据传送。适配卡上带有光电隔离，能避免PC机由于环流造成的
损坏，增强了系统在现场环境中使用的可靠性，提高了抗干扰能力。


二、软件设计
软件设计的关键是CAN通信软件的程序设计。CAN通信软件设计的一层结构模型为:网络物理层、数据链路层和应用层。网络物理层和数据链路层的功能由CAN接口器件完成，包括硬件电路和通信协议两部分。CAN通信协议规定了四种不同用处的网络通信帧，即数据帧、远程帧、错误指示帧和超载帧。CAN通信协议的实现，包括各种通信帧的组织和发送，均是由集成在SJAl000通信控制器中的电路实现的。因此，系统软件开发的重点在应用层软件的设计上，主要包括初始化、发送、接收三大部分程序。
2.1 初始化程序
初始化程序主要是通过对CAN控制器SJAl000控制段中的寄存器写入控制字，进行初始化，从而确定SJAl000的工作方式。其流程图如图4所示。


2.2 发送程序
发送程序是把需要发送的信息帧送至SJA1000的发送缓冲区，并且启动发送命令。信息从SJAl000的发送缓冲区到CAN总线的过程则由SJA1000自动完成。程序流程如图5所示。


2.3 接收程序
接收程序是从SJA1000的接收缓冲区读取要接收的信息，释放接收缓冲区，并对接收的信息进行处理。信息从CAN总线到SJA1000接收缓冲区也是SJA1000控制器自动完成的。程序流程如图6所示。


三、结语
采用基于CAN总线的变电监测监控系统，既可避免使用大量电缆将TV，TA二次侧电参数传送至中控室；又可减少线损造成的误差，提高测量精度；还可取代中控室，使之节约占地面积与基建投资。该系统与传统的变电站监测监控系统相比，具有如下特点：
a.前端智能单元可安装于TA或TV端子箱内，对所采集的数据就地处理，数字化传送；
b.网络由两根双绞线组网，故障率低，通信波特率高；
c.解决了传统监测系统中TV，TA到中控室间的压降问题，测量精度高；
d.抗干扰能力强，能在户外恶劣条件下运行；
e.结构简单，体积小，安装、维修方便。