基于CAN總線的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的設(shè)計(jì)-中國(guó)電氣傳動(dòng)網(wǎng)歡.doc

基于CAN總線的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的設(shè)計(jì)王小進(jìn) 趙喜軍 肖文華中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第712研究所摘要：提出了一種基于CAN總線的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線和嵌入式技術(shù)給出了微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的軟硬件設(shè)計(jì)，對(duì)提高變電站綜合自動(dòng)化水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：CAN 微機(jī)保護(hù) 通信 任務(wù)Design of Microprocessor Protection and Control Device Based on CAN BusWang Xiaojin Zhao Xijun Xiao WenhuaAbstract: This paper gives a design method of microprocessor-based protection and control device .It also gives the hardware and software of the device in detail based on CAN bus and embedded system. To improve the automation of electric system of transformer substation, it is necessary and useful.Keywords: CAN microprocessor-based protection communications task1 引言 分層分散式結(jié)構(gòu)是變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)今后發(fā)展的一個(gè)重要方向，而位于系統(tǒng)間隔層的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置是構(gòu)成這種結(jié)構(gòu)的最基本的單元。微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置集狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)保護(hù)功能于一體，是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。因此對(duì)變電站測(cè)控保護(hù)單元通信的實(shí)時(shí)性、可靠性、靈活性提出了更高的要求。CAN（Controller Area Network）總線，又稱控制器局域網(wǎng)，是一種有效支持分布控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。其具有以下的特性：1）CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求；2）CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)的退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)；3）CAN只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)；4）CAN直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（傳輸率5kb/s以下），通信速率最高可達(dá)1Mb/s（此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m）；5）CAN總線通信格式采用短幀格式，每幀字節(jié)最多為8個(gè)，可滿足變電站控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的要求。同時(shí)，8B也不會(huì)占用過長(zhǎng)的總線時(shí)間，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性；6）CAN的每幀信息都有CRC檢驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，每幀信息出錯(cuò)率極低，適合在變電站這種高電壓、大電流、強(qiáng)電磁波的惡劣環(huán)境下工作；7）CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活；8）CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。鑒于CAN總線的優(yōu)良性能，將CAN總線技術(shù)引入變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，是勢(shì)在必行的。因此，本文提出一種基于CAN總線的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置，給出了裝置的硬件和軟件設(shè)計(jì)。2 微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的硬件平臺(tái)硬件構(gòu)成框圖如圖1所示。2.1 模擬量/互感器模塊微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的模擬量/互感器模塊是交流采樣插件，采用小型精密電流電壓互感器， 圖1 微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置硬件構(gòu)成框圖包括對(duì)電流、電壓模擬量隔離核調(diào)整。2.2 繼電器板該裝置由分、合繼電器，保持繼電器，信號(hào)繼電器組成。本裝置的繼電器板分兩種：一種具有防跳功能，裝置內(nèi)部有防跳繼電器，可取代老式微機(jī)保護(hù)所用的外部防跳操作箱，并予留有外接分合閘及就地/遙控切換功能。一種不帶有防跳繼電器，以滿足很多自帶防躍功能的斷路器使用。信號(hào)繼電器之一用于裝置故障告警，由該信號(hào)繼電器的常閉觸點(diǎn)控制整個(gè)跳合閘出口的正電源，一旦CPU發(fā)現(xiàn)有裝置故障，閉鎖所有跳合閘出口，即不允許裝置帶故障運(yùn)行于跳閘。2.3 主板 主板由單片機(jī)（選用32位單片機(jī)，型號(hào)為AT91M40800）、現(xiàn)場(chǎng)可編程器件、高精度A/D采樣器件合多路開關(guān)（選用MAX125CEAX）、光電隔離輸入輸出接口、定值存儲(chǔ)器、跳合閘邏輯電路、一階有源低通濾波器和高精度運(yùn)算放大器（選用OP497）、電流限幅保護(hù)、模擬通道接口、硬件看門狗、光電隔離通信接口等組成。2.4 鍵盤/顯示模塊 裝置前面板有以下四部分組成： 1) 240128大屏幕圖形液晶顯示器LCD，用于顯示操作菜單、各種運(yùn)行數(shù)據(jù)、參數(shù)、波形及狀態(tài)。 2) 7個(gè)LED 工作狀態(tài)指示燈，分別為：運(yùn)行、通訊、分閘、合閘、告警、故障、及控制回路斷線。 3) 8個(gè)操作控鈕,分別為：合閘、分閘、方向鍵（ ）、確認(rèn)、取消。 4) 一個(gè)3位鎖，用于設(shè)置本裝置以下3種工作模式：遙控、本地和設(shè)置。2.5 通信接口模塊 硬件平臺(tái)設(shè)置了現(xiàn)場(chǎng)總線CAN接口，作為用本裝置構(gòu)成變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)的控制網(wǎng)絡(luò)接口。另外還有調(diào)試用的RS232串行接口。 CAN控制器與現(xiàn)場(chǎng)總線之間加有光電隔離環(huán)節(jié)，提高通信的抗干擾能力，使得多個(gè)通信模塊能組成一個(gè)獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)，而與其他電路沒有任何電氣連接，提高可靠性。2.6 抗干擾措施 在硬件設(shè)計(jì)上，采用了如下抗干擾措施：1) 電源濾波、旁路/退耦電容、輔助變流器/變壓器電屏蔽、光電隔離、弱電系統(tǒng)浮地、強(qiáng)弱電信號(hào)走線分離、磁屏蔽、單點(diǎn)接地、雙絞線、PCB板內(nèi)合理分塊布線等措施；2) 提高敏感設(shè)備的電磁敏感度去耦電容、多層印制板、電磁波屏蔽、邏輯與5V系統(tǒng)總線不外引，各CPU間通訊采用雙絞線等措施；3) 機(jī)箱采用防銹鋁板，采用2.5mm的薄板，成形后再作導(dǎo)電氧化處理。機(jī)箱前后兩面開口，其余各面用型材料螺釘安裝而成，組裝容易，接縫嚴(yán)密，可防止孔縫泄漏，接地良好，裝置就能順利通過靜電放電干擾試驗(yàn)和工頻磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)；4) 在主板上設(shè)計(jì)有一級(jí)WATCHDOG。這樣，當(dāng)程序受到干擾飛掉時(shí)，可以由WATCHDOG對(duì)CPU進(jìn)行復(fù)位，重新運(yùn)行程序；5) 各電路印制板與主板之間安裝和取出方便，印制板的屏蔽和間距良好的解決了電磁干擾問題。3 CAN通信的硬件設(shè)計(jì)CAN屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，其協(xié)議是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線。通信速率最高可達(dá)1Mb/s/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10Km/5b/s?？蓲旖釉O(shè)備最多可達(dá)110個(gè)。CAN通信模塊的硬件電路主要包括：CAN通信控制器與微處理器之間，以及CAN總線收發(fā)器與物理總線之間的接口電路。電路設(shè)計(jì)如圖2所示。用Philips獨(dú)立CAN控制器SJA1000作為通信控制器，使用Philips的82C251作為CAN控制器接口芯片，為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0通過采用高速光耦6N137實(shí)現(xiàn)收發(fā)器與控制器之間的電氣隔離，滿足在最高速率1Mb/s下的電氣響應(yīng)。圖2 CAN通信接口電路4 微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的軟件設(shè)計(jì)微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置為了變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性、動(dòng)作的可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性等高要求，軟件采用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。該設(shè)計(jì)思想的核心就是將保護(hù)、測(cè)量、通訊、顯示等功能劃分為優(yōu)先級(jí)不同的任務(wù)，并按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)的不同來決定執(zhí)行任務(wù)的次序。本裝置采用嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-II，該操作系統(tǒng)具有易移性，多任務(wù)，高穩(wěn)定性和可靠性，適合小系統(tǒng)開發(fā)等特點(diǎn)。根據(jù)裝置的功能可以劃分為以下幾個(gè)任務(wù)：A/D采樣任務(wù)、通訊任務(wù)、保護(hù)任務(wù)、計(jì)量任務(wù)、鍵盤響應(yīng)任務(wù)、液晶顯示任務(wù)等，主要任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配如下：圖3 CAN通信程序框圖1）保護(hù)任務(wù)：處于最高級(jí)別類的任務(wù)，電流保護(hù)和電壓保護(hù)的判斷；2）顯示任務(wù)：處于最低級(jí)別類的任務(wù)，LCD的顯示和LED的顯示；3）測(cè)量任務(wù)：較高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，完成測(cè)量計(jì)算的功能；4）通訊任務(wù)：較高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，完成與上位機(jī)的通訊。對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的任務(wù)，采用中斷方式實(shí)現(xiàn)。這些任務(wù)的優(yōu)先級(jí)以上順序排列，他們從等待態(tài)到就緒態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換由時(shí)鐘設(shè)定，其它狀態(tài)轉(zhuǎn)換則由uC/OS-II任務(wù)調(diào)度算法程序完成。CAN通信程序功能框圖如圖3所示。5 結(jié)論基于本文設(shè)計(jì)方法的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站測(cè)控保護(hù)單元通信的實(shí)時(shí)性、可靠性、靈活性等要求。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和嵌入式技術(shù)在變電站綜合自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用，將大大促進(jìn)變電站綜合自動(dòng)化的進(jìn)