1、作者： Pan Hongliang僅供個人學習基于 CAN 總線的微機保護測控裝置的設計王小進 趙喜軍 肖文華中國船舶重工集團公司第 712 研究所摘要： 提出了一種基于 CAN 總線的微機保護測控裝置的設計方法，結合現場總線和嵌入式技術給出了微機保護測控裝置的軟硬件設計，對提高變電站綜合自動化水平具有重要的現實意義。關鍵詞： CAN 微機保護 通信 任務Design of Microprocessor Protection and Control Device Based on CAN BusWang XiaojinZhao XijunXiao WenhuaAbstract: This pa

2、per 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 CANbus and embedded system. To improve theautomation of electric system of transformer substation, it is necessary and useful.Keywords: CAN microp

3、rocessor-based protection1 引言分層分散式結構是變電站綜合自動化系統今 后發展的一個重要方向，而位于系統間隔層的微 機保護測控裝置是構成這種結構的最基本的單元。 微機保護測控裝置集狀態監視、數據采集和實時 保護功能于一體， 是整個自動化系統工作的基礎。 因此對變電站測控保護單元通信的實時性、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，是一種有效支持分布控制或實時 控制的串行通信網絡。其具有以下的特性：1 )CAN 為多主方式工作， 網絡上的節點信息分成不 同的優先級， 可以滿足不同的實時要求

4、； 2)CAN 采用非破壞總線仲裁技術，當多個節點同時向總 線發送信息時，優先級較低的節點會主動的退出 發送，而最高優先級的節點可不受影響的繼續傳 輸數據； 3) CAN 只需通過報文濾波即可實現點 對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接communications task收數據；4 )CAN直接通信距離最遠可達 10km (傳 輸率 5kb/s 以下)，通信速率最高可達 1Mb/s (此 時通信距離最長為 40m)； 5) CAN 總線通信格式 采用短幀格式，每幀字節最多為 8 個，可滿足變 電站控制命令、工作狀態及測試數據的要求。同 時，8B也不會占用過長的總線時間，從而保證了通信的

5、實時性； 6) CAN 的每幀信息都有 CRC 檢 驗及其他檢錯措施，每幀信息出錯率極低，適合 在變電站這種高電壓、大電流、強電磁波的惡劣 環境下工作； 7) CAN 的通信介質可為雙絞線、 同軸電纜或光纖，選擇靈活； 8) CAN 節點在錯 誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節點的操作不受影響。鑒于 CAN 總線的優良性能，將 CAN 總線技術引入變電站綜合自動化系統中，是勢在必行的。因此，本文提出一種基于CAN總線的微機保護測控裝置，給出了裝置的硬件和軟件設計。2 微機保護測控裝置的硬件平臺硬件構成框圖如圖 1 所示。交流采樣插件，采用小型精密電流電壓互感器，2.1 模擬量

6、 /互感器模塊 微機保護測控裝置的模擬量 /互感器模塊是微機保護測控裝置硬件構成框圖圖1 包括對電流、電壓模擬量隔離核調整。2.2 繼電器板該裝置由分、合繼電器，保持繼電器，信號繼電 器組成。本裝置的繼電器板分兩種：一種具有防跳功 能，裝置內部有防跳繼電器，可取代老式微機保護所 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。信號繼電器之一用于裝置 故障告警，由該信號繼電器的常閉觸點控制整個跳合 閘出口的正電源，一旦CPU發現有裝置故障，閉鎖所 有跳合閘出口，即不允許裝置帶故障運行于跳閘。2.3 主板主板由單片機（選

7、用 32 位單片機，型號為 AT91M40800 ）、現場可編程器件、 高精度 A/D 采 樣器件合多路開關（選用 MAX125CEAX ）、光電 隔離輸入輸出接口、定值存儲器、跳合閘邏輯電 路、一階有源低通濾波器和高精度運算放大器 （選 用OP497）、電流限幅保護、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）240X128大屏幕圖形液晶顯示器 LCD，用于顯示操作菜單、 各種運行數據、 參數、波形及狀態。2）7 個 LED 工作狀態指示燈，分別為：運行、 通訊、分閘、 合閘、 告警、 故障、 及控制回路斷線。3）8 個操作控鈕

8、 ,分別為：合閘、分閘、方向鍵（J ffJ）、確認、取消。4）一個 3 位鎖，用于設置本裝置以下 3 種工作模式：遙控、本地和設置。2.5 通信接口模塊硬件平臺設置了現場總線 CAN 接口，作為 用本裝置構成變電站綜合自動化系統時的控制網 絡接口。另外還有調試用的 RS232 串行接口。CAN 控制器與現場總線之間加有光電隔離 環節，提高通信的抗干擾能力，使得多個通信模 塊能組成一個獨立的通信網絡，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計上，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、弱電系統浮地、強弱 電信

9、號走線分離、磁屏蔽、單點接地、雙絞線、 PCB 板內合理分塊布線等措施；2) 提高敏感設備的電磁敏感度 去耦電容、多層印制板、電磁波屏蔽、邏輯與 5V 系統總線不外引，各 CPU 間通訊采用雙絞線等措施；3) 機箱采用防銹鋁板，采用 2.5mm 的薄板， 成形后再作導電氧化處理。 機箱前后兩面開口， 其 余各面用型材料螺釘安裝而成， 組裝容易， 接縫嚴 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和工頻磁場干擾試驗；4) 在主板上設計有一級 WATCHDOG 。這樣， 當程序受到干擾飛掉時，可以由 WATCHDOG 對 CPU 進行復位，重新運行程序；5) 各電路印制板

10、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。圖24 微機保護測控裝置的軟件設計3 CAN 通信的硬件設計CAN 屬于現場總線的范疇，是一種有效支 持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，其協 議是建立在國際標準組織的開放系統互連模型基 礎上的，其模型結構只有 3 層，只取 OSI 底層的 物理層、數據鏈路層和頂層的應用層。其信號傳 輸介質為雙絞線。 通信速率最高可達 1Mb/s/40m ， 直接傳輸距離最遠可達 10Km/5b/s 。可掛接設備 最多可達 110 個。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 發器與

11、物理總線之間的接口電路。電路設計如圖 2 所示。用 Philips 獨立 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 CAN 總線節點的抗 干擾能力， SJA1000 的 TX0 和 RX0 通過采用高 速光耦 6N137 實現收發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。CAN 通信接口電路 時性等高要求，軟件采用了嵌入式實時操作系統 的設計思想。該設計思想的核心就是將保護、測 量、通訊、顯示等功能劃分為優先級不同的任務，微機保護測控裝置為了變電站綜合自動化系 統對測量的準確性

12、、動作的可靠性、安全性、實 本裝置采用嵌入式操作系統 uC/OS-II ，該操作系 統具有易移性，多任務，高穩定性和可靠性，適 合小系統開發等特點。根據裝置的功能可以劃分為以下幾個任務：A/D 采樣任務、 通訊任務、 保護任務、 計量任務、 鍵盤響應任務、液晶顯示任務等，主要任務的優 先級分配如下：圖 3 CAN 通信程序框圖1）保護任務： 處于最高級別類的任務， 電流 保護和電壓保護的判斷；2）顯示任務： 處于最低級別類的任務， LCD 的顯示和 LED 的顯示；3）測量任務： 較高優先級的任務， 完成測量 計算的功能；4）通訊任務： 較高優先級任務， 完成與上位 機的通訊。對實時性要求很高

13、的任務， 采用中斷方式實現。 這些任務的優先級以上順序排列，他們從等 待態到就緒態的狀態轉換由時鐘設定，其它狀態 轉換則由 uC/OS-II 任務調度算法程序完成。CAN 通信程序功能框圖如圖 3 所示。基于本文設計方法的微機保護測控裝置實現 了對變電站測控保護單元通信的實時性、 可靠性、 靈活性等要求。 CAN 現場總線技術和嵌入式技術 在變電站綜合自動化領域的應用，將大大促進變 電站綜合自動化的進程。參考文獻1 鄔寬明 . CAN 總線原理和應用系統設計 M. 北京： 北京 航空航天大學出版社， 20002 邵貝貝 . 嵌入式實時操作系統 Uc/OS-II（ 第二版 ）M. 北 京：北京航

14、空航天大學出版社， 20033 王東光 .微機保護裝置的通信系統研究J. 湖南工程學院學報， 2006（3）:53 - 574 黨杰，劉滌塵 .基于 CAN 總線的通信設計與應用 J. 控制工程 ,2005， 12（1）:81-83版權申明本文部分內容，包括文字、圖片、以及設計等在網上搜集整理。版權為潘宏亮個人所有This article in eludes someparts, in cludi ng text, pictures, and desig n. Copyright is Pan Hon glia ng's pers onal own ership.用戶可將本文的內容或服

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