基于CAN总线的高压开关柜状态监测单元通讯模块的设计.docx

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1、基于CAN总线的高压开关柜状态监测单元通讯模块的设计基于CAN总线的高压开关柜状态监测单元通讯模块的设计0导语：高压开关柜作为电力系统的关键设备，对它的运行状态进展在线监测具有重大的意义。摘要：高压开关柜作为电力系统的关键设备，对它的运行状态进展在线监测具有重大的意义。为了防止监测单元成为信息的孤岛，有必要使监测单元具有通讯才能。笔者在分析CAN协议的根底上，开发了基于CAN总线的高压开关柜状态在线监测单元的通讯模块，并给出了软硬件设计具体的流程。1.引言高压开关柜是电力系统的关键主设备之一，其运行状态对电力系统的可靠性具有重大影响。统计说明，20世纪90年代中国电力系统开关事故类型分布如下：

2、机械故障拒分、拒合、误动33.3%，绝缘故障37.3%，温升故障载流8.9%，其它20.5%1。因此，有必要对高压开关柜的机械、温升及绝缘状态施行在线监测，及时发现事故隐患，防止事故发生。现有高压开关柜监测单元的核心一般采用单片机MCU，其处理才能有限、存贮空间很小，只能对数据进展简单的处理和存放少量的历史数据2。为了存放大量的历史数据以便对已有的数据进展复杂的处理如寿命评估、故障诊断等，也为了对电力系统运行状态进展远程检测和诊断，有必要使监测单元具有通讯才能，把需要的数据上传给PC机。同时为了对分散的监测单元进展维护如单元是否正常工作，阈值下载等，监测单元也有必要具有通讯才能以使PC机可以实

3、时监控监测单元的工作情况以及对它们进展阈值的下载。CAN作为一种有效支持分布式通讯的现场总线，可以完成现场监测单元与治理设备之间的数字通讯，沟通现场监测单元和更高治理层网络之间的联络，真正做到“分散处理，集中治理。2.监测单元框架和通讯模块功能所研制现场监测单元，其微控制器选用16位高速单片机80C196KC，利用其丰富的外设接口，方便地进展现场的数据收集、处理和显示。监测单元的功能是进展在线的数据收集和数据处理，并提供现场的显示和与上位机通讯的接口。监测单元监测的主要内容有：母线温升：测量断路器三相进线和三相出线的电连接处温升；泄漏电流：测量三相环氧套管的泄漏电流；机械数据：通过对断路器分、

4、合闸线圈电流和动触头行程的测量并进展数据处理，得到动触头行程、分合闸时间、分合闸速度、平均分合闸时间和平均分合闸电流。通讯模块的主要功能就是当测量的这些数据异常时，主动上传异常的数据，当测量的数据正常时就等待PC机有恳求时上传这些数据。同时监测单元还通过通讯模块接收PC机的参数下载如阈值等，并对PC机的下载进展响应!答复下载成功与否信息。3.CAN总线3.1CAN总线简介CAN总线属于现场总线的范畴，它是一种具有很高保密性、有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络。符合ISO/OSI模型标准。通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或者光纤。通讯速率为5kb/s时，通讯间隔最长可为10km；通讯速率为

5、1Mb/s时，通讯最长间隔可达40m。CAN总线上节点数最多可以有110个，所以比拟适用于小型的测控网络。CAN总线具有以下特征：多主站根据优先权进展总线访问；无破坏性的基于优先权的仲裁；借助接收滤波的多地址帧传送；远程数据恳求；配置灵敏性；全系统数据相容性；错误检测和出错信令；发送期间假设丧失仲裁或者由于出错而遭破坏的帧可自动重新发送；暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离。CAN总线的标准主要有2.0A和2.0B。这两者的区别主要在于标识符位数的不同。CAN2.0A的标识符有11位，而CAN2.0B的标识符有29位，因此CAN2.0B对标识符定义具有更大的灵敏性。3.2监测单

6、元通讯模块对CAN2.0B标识符的定义CAN总线摒弃了地址的概念:而是用标识符来标识数据，使用位仲裁技术根据标识符的优先级标识符的值越小，优先级就越高对总线进展访问，这样在系统中增删节点就不会涉及到软件的修改。但在实际应用中为了实现点对点及点对多点的数据传送以及较长报文的传送，有必要在标识符中定义数据的源地址、目的地址以及帧序数3。对CAN2.0B29位标识符的定义为：bit28bit21为目的地址；bit20bit13为源地址；bit12bit5为帧序数。源地址和目的地址表示CAN帧从哪里来，到哪里去。bit4位称为更多CAN帧位，它是和帧序数配合使用来传送较长的数据的CAN每一帧最多传8个

7、有效字节。bit4为零表示当前的CAN帧是一个被分组打包的应用层报文的最后一段；为1那么表示应用层报文的分段未传完；当标志位为0，帧序数也为1时，表示报文没有被分段。bit3bit0用来区分同一源地址的不同数据，这是一个4位的计数器，取值范围是015。当发送一个新的数据时，计数器加1，溢出时重新开场计数。没有用到远程帧，远程帧的作用通过数据帧之间的应答来实现。3.3CAN应用层协议CAN总线协议对应于ISO/OSI模型的物理层和链路层，没有包括其他的层次。CAN的高层协议是在CAN现有的协议物理层和链路层上实现的。CAN作为一种小型的测控网络，不涉及到路由选择，同时为了减少层间转换的复杂性，一

8、般高层的协议只采用应用层。这样在应用时，CAN实际就有了三层协议。应用层的报文对于链路层来讲以为是数据，而真正需要传送的数据是封装在应用层报文中的。采用的应用层协议一般有标准例如DeviceNet，SDS等和自定义根据实际系统而定的两种。笔者根据实际情况自定义了应用层协议，应用层报文的具体定义这里不再详述。4.通讯模块的硬件实现监测单元局部通讯模块实现CAN协议的控制器选用SJA1000，它是PCA82C200的替换产品，同时支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，位速率可达1Mb/s。具有扩展的接收缓冲器、完善的错误检测机制、扩展的验收滤波器以及错误累计到一定时就脱离总线等特征。硬件的设计并

9、不复杂。可以将SJA1000和PCA82C250的应用文档上的典型电路移植到80C196KC微控制器上80C196KC采用8位数据总线形式，但在设计时还应该留意以下几点：SJA1000与外部ROM，RAM统一编址，微控制器对它的存取操纵就像对RAM操纵一样区别在于有的SJA1000存放器有的不可读，有的不可写。总线的连接电缆一般使用双绞线，对抗干扰要求较高可以使用屏蔽双绞线，或光纤。电缆线径与传输间隔、节点数目有关，传输间隔变长或者节点数目增加，电缆线径也要相应增加，同时终端匹配电阻一般为120。也要增大。SJA1000控制器RX1引脚要接0.5V，以便形成正确的电平逻辑。PCA82C250的

10、Vref引脚可提供0.5V的电压输出，因此在不加光隔的测试系统中，可直接将RX1引脚接Vref引脚，以简化电路设计。SJA1000有中断产生时，引脚INT产生的是一个高电平到低电平的跳变，文档中给出的是和80C51它的外中断0可以是下降沿或者低电平有效接口的，因此两个引脚可以直接相接。而80C196KC的EXTINT1引脚是上升沿有效，故在两个引脚之间要加一个反相器。5通讯模块的软件实现软件是通讯模块设计的核心，与一般使用高级语言编写的软件不同的是嵌入式系统的软件要和硬件直接打交道，是对硬件直接操纵，因此对硬件要纯熟把握才能编写出实用的代码。SJA1000控制器存放器数目诸多，幸运的是很多文章

11、对它们的用法都作了介绍，有的还给出了其详细的代码，笔者只简单介绍一下验收滤波存放器。使用验收滤波器，可以使监测单元只接收需要的帧，屏蔽不需要的。这里的应用是将验收滤波器配置成双滤波方式，即控制器只接收目的地址与监测单元地址相符的或与监测单元播送地址相符的帧，进而节约监测单元的资源。下面即以监测单元的发送为例，简述通讯模块软件的设计思路。当监测单元有数据发送时如绝缘数据，可通过以下步骤完成发送的全经过：将数据按应用层报文的格式进展封装。应用层报文相对链路层来讲是链路层的数据，在链路层把应用层的报文按照SJA1000的CAN帧的格式进展拆分。CAN每次只能传送8个有效字节，在拆分时按照上文的标识符

12、定义，将报文拆成有序的CAN帧，这样承受的一方就能按照标识符将一系列属于同一应用层报文的帧进展拆封。把已拆分好的CAN帧按照标识符定义的帧序数发送出去。发送一帧之前需要检查SJA1000控制器状态存放器SR的状态，这包括检查控制器发送状态，接收状态以及发送缓冲器锁定状态，当控制器处于空闲状态不在发送状态、不在接收状态并且发送缓冲器被释放，就将需发送的帧写入发送缓冲区并启动发送。发送下一帧重复执行以上经过即可。承受经过执行与发送经过相反的操纵，可以简述为：承受CAN帧；拆封CAN帧为应用层报文；解析报文得到数据。6.CAN控制器异常情况的处理SJA1000控制器在长期工作中，由于内在及外在的因素

13、不可防止的会产生错误，进而使控制器不能正常工作。为了控制器可以长期正常工作，使控制器从错误中恢复过来。控制器提供了相应的存放器来进展错误的分析和诊断，这包括接收发送错误计数器、错误报警限制存放器、错误代码捕捉存放器、仲裁丧失捕捉存放器以及状态存放器的几位。同时中断存放器的几位用来报告产生的错误，由程序对错误进展处理。这些存放用具体的定义可参阅相关文献。在实际应用时主要有两种从错误状态恢复到正常工作状态的方法。1有错误发生时，在中断效劳程序里根据中断存放器中断方式，中断使能存放器除唤醒和接收中断外均翻开的各位的状态，再结合相应的存放器即可以进展分析和诊断了。例如出现应答通道故障时那么会产生总线错

14、误中断，检查错误代码捕捉存放器，就可知道是产生了应答通道故障。该方法的优点是知道错误详细是什么而采取对应的措施，缺点是编程比拟费事，对协议和控制器都要特别熟悉。2控制器一有错误发生就重新初始化中断方式，中断使能存放器除唤醒和接收中断外均翻开，让控制器重新正常运行，该方法优点是简单易行，缺点是没有考虑到错误发生的原因，不能作进一步的分析和诊断。为了简化设计，笔者采取的是后一种方案。7.结语1CAN作为一种有效支持分布式通讯的现场总线，具有高的可靠性和实时性，同时又有简单、易用以及性价比高的优点，因此选择CAN作为监测单元通讯模块的解决方案。2在研究分析CAN协议的根底上，根据实际情况对CAN的标识符作了定义，且制定了应用层的协议，并给出了软硬件的设计思路以及异常情况的处理方法。3在实验室的调试运行说明，采用CAN总线作为高压开关柜监测单元通讯模块的解决方案获得了良好的效果。0