基于CAN总线的微机保护测控装置的设计-中国电气传动网欢.docx

基于CAN总线的微机保护测控装置的设计

王小进 赵喜军 肖文华
中国船舶重工集团公司第712研究所

摘要：提出了一种基于CAN总线的微机保护测控装置的设计方法，结合现场总线和嵌入式技术给出了微机保护测控装置的软硬件设计，对提高变电站综合自动化水平具有重要的现实意义。
关键词：CAN 微机保护 通信 任务

Design of Microprocessor Protection and Control Device Based on CAN Bus

Wang Xiaojin Zhao Xijun Xiao Wenhua

Abstract: 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 task

1 引言
分层分散式结构是变电站综合自动化系统今后发展的一个重要方向，而位于系统间隔层的微机保护测控装置是构成这种结构的最基本的单元。微机保护测控装置集状态监视、数据采集和实时保护功能于一体，是整个自动化系统工作的基础。因此对变电站测控保护单元通信的实时性、可靠性、灵活性提出了更高的要求。
CAN（Controller Area Network）总线，又称控制器局域网，是一种有效支持分布控制或实时控制的串行通信网络。其具有以下的特性：1）CAN为多主方式工作，网络上的节点信息分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求；2）CAN采用非破坏总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动的退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据；3）CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据；4）CAN直接通信距离最远可达10km（传输率5kb/s以下），通信速率最高可达1Mb/s（此时通信距离最长为40m）；5）CAN总线通信格式采用短帧格式，每帧字节最多为8个，可满足变电站控制命令、工作状态及测试数据的要求。同时，8B也不会占用过长的总线时间，从而保证了通信的实时性；6）CAN的每帧信息都有CRC检验及其他检错措施，每帧信息出错率极低，适合在变电站这种高电压、大电流、强电磁波的恶劣环境下工作；7）CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活；8）CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。
鉴于CAN总线的优良性能，将CAN总线技术引入变电站综合自动化系统中，是势在必行的。因此，本文提出一种基于CAN总线的微机保护测控装置，给出了装置的硬件和软件设计。
2 微机保护测控装置的硬件平台
硬件构成框图如图1所示。
2.1 模拟量/互感器模块
微机保护测控装置的模拟量/互感器模块是交流采样插件，采用小型精密电流电压互感器，

图1 微机保护测控装置硬件构成框图
包括对电流、电压模拟量隔离核调整。
2.2 继电器板
该装置由分、合继电器，保持继电器，信号继电器组成。本装置的继电器板分两种：一种具有防跳功能，装置内部有防跳继电器，可取代老式微机保护所用的外部防跳操作箱，并予留有外接分合闸及就地/遥控切换功能。一种不带有防跳继电器，以满足很多自带防跃功能的断路器使用。信号继电器之一用于装置故障告警，由该信号继电器的常闭触点控制整个跳合闸出口的正电源，一旦CPU发现有装置故障，闭锁所有跳合闸出口，即不允许装置带故障运行于跳闸。
2.3 主板
主板由单片机（选用32位单片机，型号为AT91M40800）、现场可编程器件、高精度A/D采样器件合多路开关（选用MAX125CEAX）、光电隔离输入输出接口、定值存储器、跳合闸逻辑电路、一阶有源低通滤波器和高精度运算放大器（选用OP497）、电流限幅保护、模拟通道接口、硬件看门狗、光电隔离通信接口等组成。
2.4 键盘/显示模块
装置前面板有以下四部分组成：
1) 240×128大屏幕图形液晶显示器LCD，用于显示操作菜单、各种运行数据、参数、波形及状态。
2) 7个LED 工作状态指示灯，分别为：运行、通讯、分闸、合闸、告警、故障、及控制回路断线。
3) 8个操作控钮,分别为：合闸、分闸、方向键（← →↑↓）、确认、取消。
4) 一个3位锁，用于设置本装置以下3种工作模式：遥控、本地和设置。
2.5 通信接口模块
硬件平台设置了现场总线CAN接口，作为用本装置构成变电站综合自动化系统时的控制网络接口。另外还有调试用的RS232串行接口。
CAN控制器与现场总线之间加有光电隔离环节，提高通信的抗干扰能力，使得多个通信模块能组成一个独立的通信网络，而与其他电路没有任何电气连接，提高可靠性。
2.6 抗干扰措施
在硬件设计上，采用了如下抗干扰措施：
1) 电源滤波、旁路/退耦电容、辅助变流器/变压器电屏蔽、光电隔离、弱电系统浮地、强弱电信号走线分离、磁屏蔽、单点接地、双绞线、PCB板内合理分块布线等措施；
2) 提高敏感设备的电磁敏感度
去耦电容、多层印制板、电磁波屏蔽、逻辑与5V系统总线不外引，各CPU间通讯采用双绞线等措施；
3) 机箱采用防锈铝板，采用2.5mm的薄板，成形后再作导电氧化处理。机箱前后两面开口，其余各面用型材料螺钉安装而成，组装容易，接缝严密，可防止孔缝泄漏，接地良好，装置就能顺利通过静电放电干扰试验和工频磁场干扰试验；
4) 在主板上设计有一级WATCHDOG。这样，当程序受到干扰飞掉时，可以由WATCHDOG对CPU进行复位，重新运行程序；
5) 各电路印制板与主板之间安装和取出方便，印制板的屏蔽和间距良好的解决了电磁干扰问题。
3 CAN通信的硬件设计
CAN属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，其协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1Mb/s/40m，直接传输距离最远可达10Km/5b/s。可挂接设备最多可达110个。
CAN通信模块的硬件电路主要包括：CAN通信控制器与微处理器之间，以及CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路。电路设计如图2所示。用Philips独立CAN控制器SJA1000作为通信控制器，使用Philips的82C251作为CAN控制器接口芯片，为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0通过采用高速光耦6N137实现收发器与控制器之间的电气隔离，满足在最高速率1Mb/s下的电气响应。

图2 CAN通信接口电路
4 微机保护测控装置的软件设计
微机保护测控装置为了变电站综合自动化系统对测量的准确性、动作的可靠性、安全性、实时性等高要求，软件采用了嵌入式实时操作系统的设计思想。该设计思想的核心就是将保护、测量、通讯、显示等功能划分为优先级不同的任务，并按照任务优先级的不同来决定执行任务的次序。本装置采用嵌入式操作系统uC/OS-II，该操作系统具有易移性，多任务，高稳定性和可靠性，适合小系统开发等特点。
根据装置的功能可以划分为以下几个任务：A/D采样任务、通讯任务、保护任务、计量任务、键盘响应任务、液晶显示任务等，主要任务的优先级分配如下：

图3 CAN通信程序框图
1）保护任务：处于最高级别类的任务，电流保护和电压保护的判断；
2）显示任务：处于最低级别类的任务，LCD的显示和LED的显示；
3）测量任务：较高优先级的任务，完成测量计算的功能；
4）通讯任务：较高优先级任务，完成与上位机的通讯。
对实时性要求很高的任务，采用中断方式实现。
这些任务的优先级以上顺序排列，他们从等待态到就绪态的状态转换由时钟设定，其它状态转换则由uC/OS-II任务调度算法程序完成。
CAN通信程序功能框图如图3所示。
5 结论
基于本文设计方法的微机保护测控装置实现了对变电站测控保护单元通信的实时性、可靠性、灵活性等要求。CAN现场总线技术和嵌入式技术在变电站综合自动化领域的应用，将大大促进变电站综合自动化的进程。
参考文献
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2 邵贝贝.嵌入式实时操作系统Uc/OS-II(第二版)[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003
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4 党杰，刘涤尘.基于CAN总线的通信设计与应用[J].控制工程,2005，12(1):81-83