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1 CAN總線技術(shù)及其特點(diǎn)
在傳統(tǒng)的變電站監(jiān)測系統(tǒng)中，一般采用BITBUS總線和RS-485總線，但在實(shí)際應(yīng)用中都有以下缺陷：
a. BITBUS總線和RS-485總線上只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，無法構(gòu)成多主系統(tǒng)，一旦主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就不能正常運(yùn)行，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的可靠性較差。
b. BITBUS總線和RS-485總線的抗干擾能力較差，不適應(yīng)在高電磁環(huán)境下運(yùn)行，而且其錯(cuò)誤處理能力也很差。
c. 數(shù)據(jù)通信方式是命令響應(yīng)式，下端節(jié)點(diǎn)只有在收到主節(jié)點(diǎn)的命令以后，才能響應(yīng)，從而造成數(shù)據(jù)不能及時(shí)上傳，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差，不適用于開關(guān)柜在線檢測這種要求實(shí)時(shí)性很高的系統(tǒng)中。
本文采用了目前在工業(yè)測控系統(tǒng)中常用的控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN。CAN 總線采用差分驅(qū)動(dòng)，可適用于高噪聲干擾的環(huán)境且具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，目前已形成國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898規(guī)范［1］。其價(jià)格低廉，可靠性高，結(jié)構(gòu)靈活，為最有前途的現(xiàn)場總線之一。
CAN采用了OSI/ISO模型全部7層中的2層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，用戶可以這2層為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際需要開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用層通信協(xié)議［1］。CAN 的主要特點(diǎn)如下：
a. 可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向總線上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，因而可以構(gòu)成多主機(jī)系統(tǒng)。
b. 當(dāng)CAN 節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點(diǎn)及通信不受影響，故具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
c. 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線上發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間，避免了總線沖突。
d. 總線上的節(jié)點(diǎn)信息可以分成不同的優(yōu)先級，以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。
e. 可以用點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
f. CAN 的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km，此時(shí)傳輸速率只能達(dá)到5kbit/s；最高通信速率可達(dá)到1Mbit/s，此時(shí)最大傳輸距離為40m；CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。
g. CAN 采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀信息含有8個(gè)字節(jié)，并有CRC校驗(yàn)等檢錯(cuò)措施，傳輸時(shí)間短，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低。
h. 通信介質(zhì)采用雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。
總之，采用CAN 總線實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高，用戶接口簡單，非常適用于變電所中構(gòu)成高壓開關(guān)柜故障在線檢測系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
高壓開關(guān)柜在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
整個(gè)系統(tǒng)通過CAN總線將各采集單元模塊和監(jiān)控計(jì)算機(jī)單元連成分布式結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)和各個(gè)檢測單元模塊分別有自己的ID標(biāo)志，且保證各自的ID不重復(fù)。由數(shù)據(jù)采集單元模塊采集開關(guān)柜的各種信號(hào)參數(shù)，通過CAN總線送至系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)單元，建立起全變電站高壓開關(guān)柜的數(shù)據(jù)庫，計(jì)算機(jī)對整個(gè)CAN 總線系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視管理，具有系統(tǒng)參數(shù)（如傳輸速率、節(jié)點(diǎn)地址等）設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、本機(jī)狀態(tài)查詢、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)查詢、中斷狀態(tài)查詢等功能。系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)單元采用工業(yè)控制機(jī)配CAN 總線通信接口卡組成，它接收數(shù)據(jù)采集單元模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理得出高壓開關(guān)柜的各個(gè)參數(shù)的值，根據(jù)各種參數(shù)及其波形等相關(guān)性質(zhì)，從而具體分析得出高壓開關(guān)柜的工作狀態(tài)。CAN 總線通信接口卡使工控機(jī)能方便地連接到CAN 總線上，它由CAN 接口電路及其與計(jì)算機(jī)串口的連接電路組成，確保數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地在CAN 總線和計(jì)算機(jī)之間流通。
3 硬件電路設(shè)計(jì)
由于計(jì)算機(jī)串口是標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)是以字節(jié)為單位進(jìn)行傳送，而CAN 總線信號(hào)是以幀為單位進(jìn)行傳送的，因此要想在計(jì)算機(jī)串口與CAN 總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，就必須有CAN總線通信接口卡，此卡的作用就是把計(jì)算機(jī)串口發(fā)出的信號(hào)和CAN 總線發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使每一方都能識(shí)別對方發(fā)送來的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流通。
本文CAN 總線通信接口卡硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示，圖中省略了振蕩電路和復(fù)位電路。
screen.width*0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width*0.7; this.style.cursor=’hand’; this.alt=’點(diǎn)擊在新窗口瀏覽圖片\nCTRL+Mouse 滾輪可放大/縮小’;}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open(this.src);}" src="http://info.tgnet.cn/Info/Images/2006/07/03/20060703406785613548386199.gif" onload="if(this.width>screen.width*0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width*0.7; this.alt=’點(diǎn)擊在新窗口瀏覽圖片\nCTRL+Mouse 滾輪可放大/縮小’;}" border=0>3.1 CAN 接口電路［2］
3.1.1 CAN 控制器的選�、�
采用SJA1000芯片，它支持CAN2.0B通信協(xié)議，它與僅支持CAN2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件和軟件上完全兼容，并在其基礎(chǔ)上增加了新功能：標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這兩種幀格式都有單2 雙接收過濾器；64byte的接收FIFO；可讀寫訪問的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和錯(cuò)誤限制報(bào)警及只聽方式等。
3.1.2 CAN 收發(fā)器①
PCA82C250是Philips公司的CAN控制器和物理總線間的接口，可提供對總線的差動(dòng)發(fā)送和接收
能力。它有三種不同的工作方式：高速、備用和斜率控制。一般采用斜率控制方式。硬件電路中使用PCA82C250是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線等作用。
3.1.3 光電隔離
為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250之間增加了由高速隔離器件6N137構(gòu)成的隔離電路。
3.1.4 單片機(jī)的選�、�
裝置選用AT89C51為處理器，它是ATMEL公司8位單片機(jī)，與MCS51完
在傳統(tǒng)的變電站監(jiān)測系統(tǒng)中，一般采用BITBUS總線和RS-485總線，但在實(shí)際應(yīng)用中都有以下缺陷：
a. BITBUS總線和RS-485總線上只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，無法構(gòu)成多主系統(tǒng)，一旦主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就不能正常運(yùn)行，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的可靠性較差。
b. BITBUS總線和RS-485總線的抗干擾能力較差，不適應(yīng)在高電磁環(huán)境下運(yùn)行，而且其錯(cuò)誤處理能力也很差。
c. 數(shù)據(jù)通信方式是命令響應(yīng)式，下端節(jié)點(diǎn)只有在收到主節(jié)點(diǎn)的命令以后，才能響應(yīng)，從而造成數(shù)據(jù)不能及時(shí)上傳，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差，不適用于開關(guān)柜在線檢測這種要求實(shí)時(shí)性很高的系統(tǒng)中。
本文采用了目前在工業(yè)測控系統(tǒng)中常用的控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN。CAN 總線采用差分驅(qū)動(dòng)，可適用于高噪聲干擾的環(huán)境且具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，目前已形成國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898規(guī)范［1］。其價(jià)格低廉，可靠性高，結(jié)構(gòu)靈活，為最有前途的現(xiàn)場總線之一。
CAN采用了OSI/ISO模型全部7層中的2層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，用戶可以這2層為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際需要開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用層通信協(xié)議［1］。CAN 的主要特點(diǎn)如下：
a. 可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向總線上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，因而可以構(gòu)成多主機(jī)系統(tǒng)。
b. 當(dāng)CAN 節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點(diǎn)及通信不受影響，故具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
c. 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線上發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間，避免了總線沖突。
d. 總線上的節(jié)點(diǎn)信息可以分成不同的優(yōu)先級，以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。
e. 可以用點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
f. CAN 的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km，此時(shí)傳輸速率只能達(dá)到5kbit/s；最高通信速率可達(dá)到1Mbit/s，此時(shí)最大傳輸距離為40m；CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。
g. CAN 采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀信息含有8個(gè)字節(jié)，并有CRC校驗(yàn)等檢錯(cuò)措施，傳輸時(shí)間短，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低。
h. 通信介質(zhì)采用雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。
總之，采用CAN 總線實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高，用戶接口簡單，非常適用于變電所中構(gòu)成高壓開關(guān)柜故障在線檢測系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
高壓開關(guān)柜在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
整個(gè)系統(tǒng)通過CAN總線將各采集單元模塊和監(jiān)控計(jì)算機(jī)單元連成分布式結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)和各個(gè)檢測單元模塊分別有自己的ID標(biāo)志，且保證各自的ID不重復(fù)。由數(shù)據(jù)采集單元模塊采集開關(guān)柜的各種信號(hào)參數(shù)，通過CAN總線送至系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)單元，建立起全變電站高壓開關(guān)柜的數(shù)據(jù)庫，計(jì)算機(jī)對整個(gè)CAN 總線系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視管理，具有系統(tǒng)參數(shù)（如傳輸速率、節(jié)點(diǎn)地址等）設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、本機(jī)狀態(tài)查詢、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)查詢、中斷狀態(tài)查詢等功能。系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)單元采用工業(yè)控制機(jī)配CAN 總線通信接口卡組成，它接收數(shù)據(jù)采集單元模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理得出高壓開關(guān)柜的各個(gè)參數(shù)的值，根據(jù)各種參數(shù)及其波形等相關(guān)性質(zhì)，從而具體分析得出高壓開關(guān)柜的工作狀態(tài)。CAN 總線通信接口卡使工控機(jī)能方便地連接到CAN 總線上，它由CAN 接口電路及其與計(jì)算機(jī)串口的連接電路組成，確保數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地在CAN 總線和計(jì)算機(jī)之間流通。
3 硬件電路設(shè)計(jì)
由于計(jì)算機(jī)串口是標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)是以字節(jié)為單位進(jìn)行傳送，而CAN 總線信號(hào)是以幀為單位進(jìn)行傳送的，因此要想在計(jì)算機(jī)串口與CAN 總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，就必須有CAN總線通信接口卡，此卡的作用就是把計(jì)算機(jī)串口發(fā)出的信號(hào)和CAN 總線發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使每一方都能識(shí)別對方發(fā)送來的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流通。
本文CAN 總線通信接口卡硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示，圖中省略了振蕩電路和復(fù)位電路。
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3.1.1 CAN 控制器的選�、�
采用SJA1000芯片，它支持CAN2.0B通信協(xié)議，它與僅支持CAN2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件和軟件上完全兼容，并在其基礎(chǔ)上增加了新功能：標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這兩種幀格式都有單2 雙接收過濾器；64byte的接收FIFO；可讀寫訪問的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和錯(cuò)誤限制報(bào)警及只聽方式等。
3.1.2 CAN 收發(fā)器①
PCA82C250是Philips公司的CAN控制器和物理總線間的接口，可提供對總線的差動(dòng)發(fā)送和接收
能力。它有三種不同的工作方式：高速、備用和斜率控制。一般采用斜率控制方式。硬件電路中使用PCA82C250是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線等作用。
3.1.3 光電隔離
為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250之間增加了由高速隔離器件6N137構(gòu)成的隔離電路。
3.1.4 單片機(jī)的選�、�
裝置選用AT89C51為處理器，它是ATMEL公司8位單片機(jī)，與MCS51完
