彭 磊，李春菊

（湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101）

0 引 言

近年來，智能電網(wǎng)已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，低壓電器的“智能化”和“可通信”也將朝著智能電網(wǎng)的方向發(fā)展，并將成為智能電網(wǎng)的低壓用戶端產(chǎn)業(yè)［1］.由于智能電網(wǎng)的低壓用戶端需要具有可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效等特點(diǎn)，所以構(gòu)造智能電網(wǎng)，就必定離不開作為電網(wǎng)基礎(chǔ)的低壓配電系統(tǒng)與低壓電器元件的智能化和可通信，而在這其中起到控制與保護(hù)作用的核心器件，如萬(wàn)能式斷路器、塑殼斷路器等，它們的智能化和可通信就自然成為了低壓電器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì).

“十二五”期間，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)以及低壓電器生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，以智能化、模塊化、可通信為主要特征的新一代低壓電器必將成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品［2］.

1 基于CAN總線的低壓斷路器智能控制器系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 CAN總線的特點(diǎn)

CAN總線是唯一成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，其通信協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式.CAN總線的主要特性有：①成本低廉；②數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)長(zhǎng)達(dá)10km）；③數(shù)據(jù)傳輸速率高（最高達(dá)1 Mbit／s）；④無破壞性的基于優(yōu)先級(jí)的諸位仲裁；⑤借助于驗(yàn)收濾波器的多地址幀傳遞；⑥發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)；⑦脫離總線的節(jié)點(diǎn)不影響總線的正常工作.基于其優(yōu)越的特性，CAN總線已成為國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的總線之一［3］.

1.2 系統(tǒng)總體框圖

該低壓斷路器智能控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)，集成了測(cè)量、顯示、控制、保護(hù)、CAN通信等功能.總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 基于CAN總線的低壓斷路器智能控制器總體結(jié)構(gòu)框圖

1.3 智能控制器簡(jiǎn)介

本文所設(shè)計(jì)的低壓斷路器智能控制器其功能簡(jiǎn)要概括如下：

（1）三段電流保護(hù)

該功能包括過載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)、短路瞬時(shí)動(dòng)作三段保護(hù)特性.過載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)整定范圍為1.05～1.3倍的額定電流.為了使電網(wǎng)中的保護(hù)功能匹配，過載長(zhǎng)延時(shí)的時(shí)間調(diào)整范圍為15～480s，短路短延時(shí)保護(hù)整定范圍為1.3～10倍的額定電流，其時(shí)間調(diào)整范圍為0.1～0.4s.主開關(guān)與各級(jí)分支開關(guān)之間保護(hù)的配合，可以通過這些時(shí)間的調(diào)整得以實(shí)現(xiàn).由此以來，系統(tǒng)的可靠性將得到進(jìn)一步的提高，而系統(tǒng)的故障范圍則可以進(jìn)一步縮?。?］.

（2）通訊功能

作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本較低的網(wǎng)絡(luò)通信控制方式，CAN通信協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式.CAN協(xié)議規(guī)范中關(guān)于層的定義域開房系統(tǒng)互連模型一致，設(shè)備中的每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通信，實(shí)際的通信發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物理層的物理介質(zhì)互連.CAN的規(guī)范定義了模型的最下面兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層.應(yīng)用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合工業(yè)控制領(lǐng)域的任何方案.因此，可以實(shí)現(xiàn)智能控制器的遙控、遙測(cè)、遙調(diào)等功能.

（3）顯示及故障記憶功能

在斷路器運(yùn)行時(shí)，適時(shí)顯示主電路電流、動(dòng)作時(shí)間、分?jǐn)啻螖?shù).故障發(fā)生時(shí)，能將故障信息進(jìn)行存儲(chǔ)，如故障電流值、故障時(shí)間、故障類型等.這樣將有助于在故障分析時(shí)做出正確的判斷，從而可大大縮短線路維修的時(shí)間.

2 CAN總線的節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

CAN總線節(jié)點(diǎn)硬件電路由CAN收發(fā)器、CAN控制器、單片機(jī)以及功能電路組成.其節(jié)點(diǎn)接口電路如圖2所示.其中CAN控制器是該系統(tǒng)的核心元件，集成了CAN規(guī)范中數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能，能夠自動(dòng)完成CAN總線協(xié)議的解析.在本次設(shè)計(jì)中，選用的CAN控制器是由NXP公司生產(chǎn)的SJA1000.它是一種獨(dú)立控制器，用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制；它是PHILIPS半導(dǎo)體PCA82C200CAN控制器BasicCAN的替代產(chǎn)品，而且增加了一種新的工作模式PeliCAN，這種模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議.在電路設(shè)計(jì)中，SJA1000相當(dāng)于單片機(jī)的外部RAM，其中的 連接單片機(jī)的P3.2引腳，這樣可以讓單片機(jī)及時(shí)檢測(cè)和響應(yīng)SJA1000發(fā)生的各種中斷異常，而和 分別連接單片機(jī)的P3.7和P3.6引腳.當(dāng)SJA1000在接收這些信號(hào)后，就會(huì)在其接口管路邏輯的控制下實(shí)現(xiàn)單片機(jī)請(qǐng)求的各種功能.

由于CAN總線多數(shù)用在電磁環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，并且物理電纜的長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)幾公里.因此，CAN總線上的電信號(hào)通常會(huì)疊加很多干擾信號(hào)，如尖峰脈沖、共模干擾等.這些無用的信號(hào)對(duì)CAN節(jié)點(diǎn)來說是有害的，輕則干擾正常的數(shù)據(jù)，重則損壞設(shè)備.為了避免這些危害，在本設(shè)計(jì)中采用了如下措施：

（1）CAN收發(fā)器選用CTM8251，其電壓隔離為DC2500V，總線波特率應(yīng)用范圍為5kbps～1Mbps.它采用全灌封工藝，內(nèi)部集成了CAN總線所必須的收發(fā)電路，不需要外接任何元器件，完成電器隔離；它可以將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且具有DC功能；它符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，因此它可以和其他遵循該標(biāo)準(zhǔn)的CAN收發(fā)器互相操作；

（2）在總線上并入一個(gè)120Ω的終端電阻，以此來改善總線信號(hào)的質(zhì)量；

（3）選用CAN總線專用的共模電感EPCOS B82793，其可抑制傳輸線上的共模干擾，令傳輸線上的數(shù)據(jù)信號(hào)可暢通無阻地通過.

而選用的單片機(jī)則是當(dāng)前8051單片機(jī)中性能最高的DS89C450.它具有重新設(shè)計(jì)的處理器內(nèi)核，在相同的晶振頻率下，執(zhí)行指令的速度是最初的8051的12倍.在運(yùn)行于每兆赫每秒百萬(wàn)指令（MIPS）的速度下，它能夠在33MHz的最高晶振頻率下，達(dá)到33MIPS的運(yùn)行速度，指令周期時(shí)間最低至30ns.對(duì)于EMI敏感的應(yīng)用，當(dāng)CPU不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，DS89C450可以禁止ALE信號(hào)［5］.

圖2 硬件節(jié)點(diǎn)接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

CAN總線驅(qū)動(dòng)程序主要由四部分組成：SJA1000的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及中斷處理.CAN總線主程序流程圖如圖3所示.

圖3 主程序流程圖

3.1 SJA1000初始化流程

CAN控制器SJA1000在啟動(dòng)時(shí)，必須由主控制器先對(duì)其進(jìn)行初始化配置，才能正常工作.這些配置主要包括輸出引腳選擇，濾波參數(shù)設(shè)置、工作模式設(shè)置以及通信波特率設(shè)置等.系統(tǒng)的初始化應(yīng)在復(fù)位模式下進(jìn)行，配置完成后必須退出復(fù)位模式，SJA1000才能正常工作.SJA1000初始化流程圖如圖4所示.

圖4 SJA1000初始化流程圖

3.2 發(fā)送數(shù)據(jù)流程

在發(fā)送CAN報(bào)文之前，需要確定已經(jīng)初始化SJA1000參數(shù).通過讀取狀態(tài)寄存器SR，測(cè)試SR.2和SR.3是否都為1.若都為1，填充報(bào)文到發(fā)送緩沖區(qū)，并設(shè)置發(fā)送模式，SJA1000將啟動(dòng)發(fā)送過程；若不同時(shí)為1，表明上一次發(fā)送還未完成，需要等待發(fā)送完成，或終止發(fā)送.CAN發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)程序流程圖如圖5所示.

圖5 發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

3.3 接收數(shù)據(jù)流程

在SJA1000工作期間，為了確認(rèn)CAN總線是否接收到CAN報(bào)文，可以通過查詢狀態(tài)寄存器來獲取接收緩沖區(qū)的相關(guān)信息.當(dāng)接收緩沖區(qū)不為空時(shí)，通過軟件查詢報(bào)文信息寄存器可以將接收緩沖區(qū)中當(dāng)前報(bào)文窗口的報(bào)文信息獲取，并根據(jù)該報(bào)文的信息將整個(gè)報(bào)文完整讀出，最后在釋放該報(bào)文在接收緩沖區(qū)占有的空間.其程序流程圖如圖6所示.

圖6 接收數(shù)據(jù)流程圖

3.4 中斷處理流程

當(dāng)SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)有鎖定變?yōu)獒尫徘襎IE置位時(shí)，產(chǎn)生中斷.在使用中斷功能的時(shí)候，必須首先對(duì)SJA1000進(jìn)行中斷的初始化.其流程圖如圖7所示.

圖7 中斷程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合CAN總線和低壓斷路器智能控制器的技術(shù)要求，以DS89C450為核心，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的低壓斷路器智能控制器，并對(duì)此智能控制器的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)方法做了詳細(xì)的介紹.

［1］崔芮華，耿麗愷.基于LPC2294的CAN總線技術(shù)在智能脫扣器控制方面的研究［J］.低壓電器，2011（1）：41－44.

［2］劉青松，王瑞明，胡 軍.總線式低壓斷路器新型智能控制器的研制［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009（2）：45－47.

［3］鐃運(yùn)濤，鄒繼軍，王進(jìn)宏，鄭勇蕓.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)（第2版）［M］.北京：航空航天大學(xué)出版社，2007.

［4］李 果.基于GSM通信的智能脫扣器系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.低壓電器，2012（7）：19－22.

［5］周立功.LPC900系列Flash單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)（上冊(cè)）［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.