尹江紅++鄭立玲

摘要：在基于CAN總線的變電站綜合自動化系統(tǒng)中，智能單元節(jié)點與上位機之間的通信以及智能單元節(jié)點之間的通信是系統(tǒng)通信的核心，而CAN接口單元在整個通信中起到上傳下達的作用，是核心中的關(guān)鍵。提出一種CAN總線單元設(shè)計方案，該方案中使用89C52作為微處理器，SJA1000作為通信控制器，82C250作為收發(fā)器。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；變電站；CAN總線；變電站綜合自動化；

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）07-0260-02

Design of CAN bus Communication Adapter for Transformer Station

YIN Jiang-hong， ZHENG Li-ling

（Guangxi Hydraulic and Electric Polytechnic， Nanning 530023， China）

Abstract： In substation automation systems based on CAN bus， the core if between PC and node andbetween nodes. The CAN-bus plays the role in the overall upload issued communications， Command of PC is transmitted to nodes and Data of nodes is transmitted to PC by CAN-bus. a CAN bus unit design scheme is proposed in the paper， which uses 89C52 as microprocessor，SJA1000 works as communication controller and 82C250 as transceivers.

Key words： field bus； substation； CAN-bus； substation automation

CAN（controller area network） 是近年來興起的一種先進工業(yè)控制技術(shù)， 其具有多主工作方式、傳輸速度快、距離遠、自動解決總線競爭、糾錯能力強等特點，在對數(shù)據(jù)傳輸保密性及可靠性要求高的場合。將CAN總線應(yīng)用到變電站綜合自動化中，完全能滿足其對監(jiān)控、保護之間的通訊的可靠性和準(zhǔn)確性的要求，且運用CAN總線技術(shù)性能價格比高，安裝維護簡潔方便，能創(chuàng)造很好的經(jīng)濟效益，因而CAN總線在電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1基于CAN總線的變電站綜合自動化系統(tǒng)

變電站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由站控層、間隔層和過程層構(gòu)成；針對現(xiàn)在的變電站系統(tǒng)間隔層裝置多、大量的智能單元裝置需要通過網(wǎng)絡(luò)相互通信，在間隔層和過程之間采用CAN總線通信進行連接。站控層提供站內(nèi)運行的人機聯(lián)系界面，實現(xiàn)管理控制過程層、間隔層設(shè)備等功能，其由保護故障信息子站、遠動通信裝置、操作員站、主機和其他各種功能站構(gòu)成；間隔層在站控層及網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設(shè)備的就地監(jiān)控功能，其主要由測控、計量、錄波、保護、相量測量等若干個二次子系統(tǒng)組成；過程層采集實時運行電氣量、監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)、執(zhí)行控制命令等，其主要由智能終端、合并單元、互感器等構(gòu)成，根據(jù)變電站內(nèi)部電氣設(shè)備的不同，監(jiān)測系統(tǒng)的過程層可分為變壓器監(jiān)測終端、斷路器GIS監(jiān)測終端以及容性設(shè)備和避雷器監(jiān)測終端三個部分，每個終端對應(yīng)的監(jiān)測單元（變壓器監(jiān)測單元、斷路器GIS監(jiān)測單元和容性設(shè)備及避雷器監(jiān)測單元），這些監(jiān)測單元可以使現(xiàn)場設(shè)備方便地連接到CAN總線上，同時監(jiān)測現(xiàn)場的設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，打包處理采集得到的數(shù)據(jù)，然后通過CAN通信控制器SJA1000將打包處理過的數(shù)字信號發(fā)送到CAN總線。

2 CAN總線單元設(shè)計

2.1 CAN接口單元總體設(shè)計

CAN總線接口單元實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送和接收，接口單元包括看門狗電路、微處理器、總線收發(fā)器、輸入輸出設(shè)備和CAN通信控制器等；微處理器完成數(shù)據(jù)的處理，CAN通信控制器完成CAN的通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，CAN總線收發(fā)器增大通信距離、降低射頻干擾（RFI）、提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力和實現(xiàn)熱防護等，看門狗電路實現(xiàn)對電路的監(jiān)控和復(fù)位作用；CAN總線接口單元設(shè)計是按照CAN總線物理層協(xié)議選擇總線介質(zhì)，設(shè)計布線方案，連接成CAN網(wǎng)絡(luò)，主要是CAN總線收發(fā)器與物理總線之間和CAN通信控制器與微處理器之間的接口電路設(shè)計，設(shè)計的CAN接口單元如圖2所示。

2.2單片機系統(tǒng)

ATMEL公司89C52單片機價格便宜，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，設(shè)計選擇微處理器89C52作為節(jié)點控制器，其承擔(dān)對CAN控制器進行初始化和CAN的收發(fā)控制任務(wù)；設(shè)計中改進了單片機的復(fù)位信號和時鐘的設(shè)計，從而減少了簡易復(fù)位電路（以往由電阻、電容組成）造成的延時長、不精確等不良影響和避免出現(xiàn)時鐘信號的沖突。

2.3 SJA1000控制電路設(shè)計

考慮到SJA1000支持CAN 2.0A/B規(guī)約，選取PHILIPS公司的SJA1000 CAN控制器，SJA1000總線控制器是CAN總線接口控制板的核心器件，其擔(dān)負著報文的發(fā)送、接收、過濾等工作，通過它實現(xiàn)上位機與現(xiàn)場微處理器之間的數(shù)據(jù)通信；考慮到國內(nèi)市場上PHILIPS的產(chǎn)品型號比較多，購買82C250比較方便，并且82C250可以支持110個CAN節(jié)點，選擇82C250作為收發(fā)器。

SJA1000作為本接口電路中的控制部分，89C52的P0口與SJA1000的AD0～AD7連接，89C52的P2.7口連接CS引腳，當(dāng)CS引腳為低電平，89C52選中SJA1000；SJA1000的RD、WR、ALE分別與89C52的對應(yīng)引腳相連；89C52的INT0接SJA1000的INT引腳，單片機可以通過中斷方式問SJA1000。

由于電阻可起到一定的限流作用，在82C250的CANH和CANL引腳與CAN總線之間接一個5歐姆的電阻，保護82C250免受過流的沖擊；為了濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的作用，在CANH和CANL與地之間各并聯(lián)30pF電容；CAN總線轉(zhuǎn)232串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能是通過串口芯片MAX232實現(xiàn)，通過按鍵及LED燈顯示電路用于向CAN總線上發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，以及顯示接受到的數(shù)據(jù)狀態(tài)。

由于變電站現(xiàn)場具有干擾大、測量多、分布廣等特點，在控制器和驅(qū)動器之間加入光電隔離器進行隔離， 把SJA1000的TX0和RX0引腳通過高速光耦6N137與82C250的引腳TXD和RXD相連，從而增強通信接口的抗干擾能力。

3軟件設(shè)計

AT89C52與CAN總線各節(jié)點要實時、高效地完成數(shù)據(jù)通信，軟件的設(shè)計至關(guān)重要。通信單元采用模塊化程序設(shè)計方法，采用C語言開發(fā)程序，設(shè)計包括AT89C52通信程序、CAN總線出錯處理程序、CAN接收程序、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送、CAN節(jié)點初始化程序以及計算機串口通信程序等。AT89C52芯片的片外寄存器使用SJA1000的內(nèi)部寄存器， SJA1000和AT89C52之間通過SJA1000在工作模式下或復(fù)位模式對這些寄存器的讀寫完成的狀態(tài)、控制和數(shù)據(jù)的交換。根據(jù)CAN總線通信的特點，數(shù)據(jù)的校驗、發(fā)送、接收、拆包、解碼、編碼以及打包均由硬件完成，因此， CAN總線通信程序主要包含初始化程序、接收子程序和發(fā)送子程序。

3.1 SJA1000的初始化

在初始化CAN內(nèi)部寄存器時，注意設(shè)置收、發(fā)雙方同步，且各節(jié)點的位速率一致。數(shù)據(jù)的接收主要有中斷和查詢接收兩種方式，為提高通信的實時性和保證接收緩存器不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象，采用中斷接收方式， SJA1000的初始化流程如圖3所示。

SJA1000在上電或硬復(fù)位后，主控制器運行其復(fù)位子程序，對其進行初始化以便進行通信，由于組態(tài)的寄存器只有在復(fù)位模式（Reset Mode）下，才能被寫入，因此，在設(shè)置SJA1000寄存器前，主控制器首先讀R/R（Reset mode/Request）標(biāo)志來確認SJA1000是否處于復(fù)位方式，然后通過發(fā)出一個有效的復(fù)位脈沖給CAN控制器SJA1000管腳（Pin17），使其進入復(fù)位狀態(tài)（Reset Mode），進入復(fù)位模式后，需要設(shè)置各個寄存器的運行方式。

3.2 SJA1000的報文發(fā)送

報文的發(fā)送是CAN控制器SJA1000依據(jù)CAN協(xié)議規(guī)范自動進行，發(fā)送過程既可以采用查詢方式，也可以采用中斷方式，系統(tǒng)采用中斷方式報文發(fā)送，在傳輸一個新報文到SJA1000發(fā)送緩沖器之前，首先檢查狀態(tài)寄存器的發(fā)送緩沖器狀態(tài)標(biāo)志，確定是否可以將一個新的報文寫入發(fā)送緩沖器，只有TS=0且TBS=1，才可以將新報文寫到發(fā)送緩沖器，并將發(fā)送請求標(biāo)志置1（TR=1），使SJA1000啟動發(fā)送一旦報文開始發(fā)送，發(fā)送緩沖器則馬上寫閉鎖；若不滿足TS=0且TBS=1，說明有報文正在發(fā)送， 則主控制器將設(shè)置一個暫存標(biāo)志，并將新報文保存到臨時存儲器中，當(dāng)正在發(fā)送的報文發(fā)送成功結(jié)束，CAN控制器會產(chǎn)生一個發(fā)送中斷，在對應(yīng)的中斷服務(wù)程序檢查是否有暫存的報文要發(fā)送，一個正在等待發(fā)送的報文會從臨時存儲器復(fù)制到發(fā)送緩沖器中，暫存標(biāo)志被消除，置位TR，啟動發(fā)送。

3.3 SJA1000的報文接收

接收報文是CAN控制器依據(jù)CAN協(xié)議規(guī)范自動進行，接收報文既可由查詢狀態(tài)寄存器標(biāo)志來完成，也可中斷控制，系統(tǒng)采用中斷方式報文接收，在接收緩沖存儲器中存放接收報文，由接收中斷和狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)RBS確定一個報文是否可以傳送給主控制器，主控制器通過讀取SJA1000狀態(tài)寄存器，檢查接收緩沖器狀態(tài)標(biāo)志RBS，若RBS=1，則表示SJA1000的RXFIFO中得到一個或多個報文，主控制器將第一個報文（存放在接收緩沖器中）讀到本地報文存儲器，當(dāng)主控制器的本地報文存儲器足夠大，主控制器可以檢查是否有更多信息報文，然后集中處理接收到的報文，最后置位命令寄存器的RRB位，釋放RXFIFO內(nèi)存空間。

4結(jié)束語

變電站綜合自動化系統(tǒng)是一個對安全性、可靠性要求非常高的系統(tǒng)， 其間隔層裝置多、大量的智能單元裝置需要通過網(wǎng)絡(luò)相互通信，基于此，設(shè)計了一種高可靠性、高實時性的基于CAN 總線通信網(wǎng)絡(luò)的變電站自動化系統(tǒng)，在節(jié)約電纜的同時使間隔層間信息可充分共享，有效解決了變電站綜合自動化系統(tǒng)中的通信問題。CAN總線在變電站綜合自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用表明：CAN總線網(wǎng)絡(luò)具有相當(dāng)高的實時性、抗干擾性和擴展性，能夠滿足變電站綜合自動化中各種設(shè)備及不同檢測參量具有不同優(yōu)先級的需要，達到了變電站自動化的需求。

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