山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院（山東濟(jì)南250101) 姚慶梅 趙 琦 孔建飛

山東電力集團(tuán)公司（山東 濟(jì)南250001) 曹麗霞

0 引言

在變電站系統(tǒng)中，通信管理機(jī)收集各測量、繼電保護(hù)下位機(jī)(或稱前端機(jī))的數(shù)據(jù)，對它們進(jìn)行處理后傳送到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)和通過RTU(Remote Terminal Unit遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng))送到遠(yuǎn)方調(diào)度控制中心，同時也把SCADA和RTU的命令、數(shù)據(jù)等分發(fā)給各下位機(jī)。通信管理機(jī)起著上下聯(lián)絡(luò)的作用，它是變電站綜合自動化系統(tǒng)信息管理和流通的中樞，且具有通用接口，可以滿足不同廠商IED(Intelligent Electronic Device)裝置進(jìn)行互聯(lián)，因此通信接口的設(shè)計也就顯得尤為重要。

1 方案選擇

在目前通信管理機(jī)的設(shè)計中，大部分使用工業(yè)控制計算機(jī)，安裝特定軟件來實現(xiàn)。本文整體方案采用ARM7處理器，開發(fā)相應(yīng)軟件，以嵌入式方式實現(xiàn)。同前述方案相比，具有成本較低、可靠性較高的優(yōu)點(diǎn)，且采用專用方案實現(xiàn)，所以在接口上可以實現(xiàn)多樣化；如果能夠采用合適的開發(fā)工具，這種方案軟件的可維護(hù)性也是比較好的。通信管理機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 通信管理機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

本文主要介紹CAN總線接口及RS232總線接口電路的設(shè)計及軟件實現(xiàn)，采用模塊化設(shè)計思想，即把每種通信接口都作為一個模塊進(jìn)行設(shè)計，便于檢修及系統(tǒng)升級。設(shè)計中，通信管理機(jī)通過CAN總線使用CAN規(guī)約與下位機(jī)保護(hù)裝置通信，通過RS232總線使用CDT(Cycle Distance Transmission)循環(huán)式遠(yuǎn)動規(guī)約(以下簡稱CDT規(guī)約)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信。

2 接口電路硬件設(shè)計

2.1 CAN總線接口設(shè)計

CAN總線是一種用于控制與測試儀器之間數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信多主總線系統(tǒng)?？偩€上最多可連110個節(jié)點(diǎn)，通信速率可達(dá)1Mbps。CAN協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼可由11位(CAN2.0A協(xié)議)或29位(CAN2.0B協(xié)議)二進(jìn)制數(shù)組成。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN總線的這種極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連[1]。

圖2 CAN接口電路連接圖

CAN接口電路利用CAN規(guī)約實現(xiàn)了通信管理機(jī)和下位機(jī)保護(hù)裝置的可靠通信。通信管理機(jī)接收保護(hù)裝置上傳的數(shù)據(jù)，并把上位機(jī)的命令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給保護(hù)裝置，從而控制各個保護(hù)裝置的動作。CAN接口電路連接圖如圖2所示。

其中CPU采用ARM7微處理器LPC2292芯片。該芯片包含2個CAN模塊，可同時支持多個CAN總線的操作，使器件可用作設(shè)計中多個CAN總線的路由器。因此該部分不再使用CAN控制器，而是通過CPU內(nèi)部的CAN控制器及CAN收發(fā)器PCA82C250連接到CAN總線上。從CPU接出的TD和RD并不是直接與PCA82C250的TXD和RXD相連，而是分別通過高速光耦6N137后與PCA82C250相連，這樣可很好地實現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。

PCA82C250與CAN總線的接口部分采用了一定的安全和抗干擾措施。CANH和CANL引腳各通過一個5歐的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)PCA82C250免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個30pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾并具有一定的防電磁輻射的能力。由于CAN總線采用的是總線形式，節(jié)省了大量信號線的使用，加之CAN總線成熟、通用的協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和及時性。其中CAN口的接收和發(fā)送端口連接到CPU內(nèi)部控制器。

2.2 RS232總線接口設(shè)計

RS232總線是目前最常用的一種串行通信接口。RS232通信接口實現(xiàn)了通信管理機(jī)和PC上位機(jī)的通信。該部分的通信使用了CDT規(guī)約，通信管理機(jī)把收集到的保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)通過CDT規(guī)約發(fā)送給PC機(jī)。該部分電路連接圖如圖3所示。如果要使用UART0與RS232接口的設(shè)備進(jìn)行基本的通信，那就需要一個RS232轉(zhuǎn)換器將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平。該部分使用的MAX3232芯片可以連接PC機(jī)的串口和主控制芯片，它可以接兩路串口，在調(diào)試過程中只使用一路串口。

圖3 RS232接口電路連接圖

3 軟件設(shè)計

通信管理機(jī)的開發(fā)主要采用ads1.2軟件進(jìn)行編程，并移植了!COS操作系統(tǒng)，該設(shè)計整體采用了模塊化設(shè)計的思想。CAN模塊和UART模塊分別作為一個單獨(dú)的模塊進(jìn)行編程，在本文軟件設(shè)計中，主要介紹了CAN規(guī)約和CAN模塊的通信以及串口模塊CDT規(guī)約的通信實現(xiàn)過程。

3.1 串口模塊電路通信設(shè)計

RS232接口使用CDT通信規(guī)約。本規(guī)約采用可變幀長度、多種幀類別循環(huán)傳送和變位遙信優(yōu)先傳送，重要遙測更新循環(huán)時間較短，區(qū)分循環(huán)量、隨機(jī)量和插入量采用不同形式傳送信息，以滿足電網(wǎng)調(diào)度安全監(jiān)控系統(tǒng)對遠(yuǎn)動信息的實時性和可靠性的要求。

3.1.1 CDT規(guī)約

CDT的報文是按幀來傳送的，每個幀都以同步字開頭，并有控制字，除少數(shù)幀外均有信息字。幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 幀結(jié)構(gòu)

幀類別在上行信息中有重要遙測、次要遙測、一般遙測、遙信狀態(tài)、電能脈沖記數(shù)值和事件順序記錄，并由不同的代碼來表示。重要遙測安排在A幀傳送，循環(huán)時間不大于3s；次要遙測安排在B幀傳送，循環(huán)時間一般不大于6s；一般遙測安排在C幀傳送，循環(huán)時間不大于20s；遙信狀態(tài)信息在D1幀定時傳送；遙脈信息在D2幀定時傳送。因此，傳送A、B、C、D1及D2幀要采用固定循環(huán)傳送。

變位遙信、子站工作狀態(tài)變化信息插入傳送，要求在1s內(nèi)送到主站。變位遙信最先傳送，如果本幀不夠，則插入下一個遙信幀。SOE幀可以在每幀前插入，每幀長度為6，一個變位SOE信息字80H、81H連傳三遍。

CDT規(guī)約采用CRC(冗余循環(huán))校驗，在信息碼后隨信息一起發(fā)出，在接收端用同樣方法產(chǎn)生循環(huán)冗余校驗碼，最后將這兩個校驗碼比較，若一致，則信息無誤；不一致則有差錯，要求發(fā)送端再傳輸。關(guān)于信息字的詳細(xì)內(nèi)容可參考CDT規(guī)約文獻(xiàn)，此處不再贅述。

3.1.2 CDT規(guī)約通信的實現(xiàn)

RS232接口利用CDT規(guī)約實現(xiàn)了通信管理機(jī)和后臺遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)的通信。當(dāng)通信管理機(jī)將數(shù)據(jù)上行傳送到后臺時，通信管理機(jī)將所發(fā)送的信息進(jìn)行編碼按規(guī)約傳送給上位機(jī)系統(tǒng)；當(dāng)后臺裝置將命令下行發(fā)送給通信管理機(jī)時，此時通信管理機(jī)對收到的信息解碼后再傳遞給保護(hù)裝置等，使其動作。因此，在該部分的軟件設(shè)計中，要分別考慮上行命令傳送和下行命令傳送程序的編寫。

上行命令需要編碼信息。設(shè)計中，我們指定一個數(shù)組用于存儲各種幀類別的組態(tài)方式，軟件實現(xiàn)過程中，定義一個15個字節(jié)的緩沖區(qū)來代替數(shù)組，關(guān)于CDT幀的傳送方式已經(jīng)在前面描述，在實現(xiàn)過程中將按其方式發(fā)送，CDT規(guī)約上行傳送數(shù)據(jù)流程圖見圖5。

圖5 CDT規(guī)約上行傳送數(shù)據(jù)流程圖

圖6 CDT規(guī)約下行命令流程圖

下行命令需要解碼信息。按CDT規(guī)約接收數(shù)據(jù)的程序流程圖如圖6所示。

3.2 CAN接口軟件設(shè)計

CAN接口利用CAN規(guī)約實現(xiàn)了通信管理機(jī)和下位機(jī)保護(hù)裝置的通信。CAN規(guī)約是通信管理機(jī)與保護(hù)裝置進(jìn)行一問一答式的數(shù)據(jù)傳送規(guī)約。

3.2.1 CAN規(guī)約

CAN規(guī)約將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層由CAN控制器和CAN總線收發(fā)器實現(xiàn)，應(yīng)用層由軟件實現(xiàn)[2]。發(fā)送時，應(yīng)用層的事務(wù)處理子層將信息內(nèi)容填寫好后交由網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動層，加上CAN報文標(biāo)識符和CAN幀格式信息發(fā)往CAN總線。接收時網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動子層將接收的信息內(nèi)容轉(zhuǎn)交事務(wù)處理子層。

3.2.2 CAN規(guī)約通信的實現(xiàn)

CAN口通信的軟件流程主要包括三個模塊：CAN控制器的初始化，發(fā)送報文，接收報文。正常的通信即從總線上發(fā)送數(shù)據(jù)和從總線上接收數(shù)據(jù)，但在正常通信之前必須對CAN控制器進(jìn)行初始化，以便讓控制器的工作方式、總線波特率等各個功能與實際的工作相符。

報文發(fā)送稱查詢方式，報文傳輸由CAN控制器完成。CAN控制器必須將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成一幀報文傳輸?shù)桨l(fā)送緩沖器，然后啟動CAN控制器發(fā)送即可，但是否發(fā)送成功還應(yīng)配合發(fā)送中斷來判斷。報文發(fā)送流程圖如圖7所示。

報文接收也稱為中斷方式，CAN總線上的節(jié)點(diǎn)成功接受到報文后，回送確認(rèn)報文，發(fā)送節(jié)點(diǎn)如果在規(guī)定時間內(nèi)沒有接受到確認(rèn)報文，重發(fā)報文，確保通信成功[1]。報文接受流程圖如圖8所示。

圖7 報文發(fā)送流程圖

圖8 報文接收流程圖

! 結(jié)論

通信管理機(jī)接口電路的設(shè)計，成功地實現(xiàn)了通信功能。從現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果看，RS232接口實現(xiàn)了通信管理機(jī)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠通信，通信管理機(jī)可以正確接收上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送來的報文數(shù)據(jù)，同時也可以正確的把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位PC機(jī)。CAN接口的設(shè)計實現(xiàn)了通信管理機(jī)與保護(hù)裝置的問答式數(shù)據(jù)傳輸，通過報文過濾實現(xiàn)了點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)的通信且無須調(diào)度，還具有傳輸時間短，抗干擾效果好的特點(diǎn)，從而滿足了變電站自動化系統(tǒng)中安全可靠的系統(tǒng)要求。

[1]曹海歐，鄭建勇.基于CAN總線變電站綜合自動化通信系統(tǒng)的研究[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2002，(6):24～25

[2]周立功.ARM與嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程 [M].廣東：廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司出版