摘要：高壓開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對它的運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測具有重大的意義。為了避免監(jiān)測單元成為信息的孤島，有必要使監(jiān)測單元具有通訊能力。 筆者在分析CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于CAN總線的高壓開關(guān)柜狀態(tài)在線監(jiān)測單元的通訊模塊，并給出了軟硬件設(shè)計詳細的流程。 　　 　　1. 引言 　　高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵主設(shè)備之一，其運行狀態(tài)對電力系統(tǒng)的可靠性具有重大影響。 統(tǒng)計表明，20世紀90年代中國電力系統(tǒng)開關(guān)事故類型分布如下：機械故障（拒分、拒合、誤動）33.3%，絕緣故障37.3%，溫升故障（載流）8.9%，其它20.5%[1]。 因此，有必要對高壓開關(guān)柜的機械、溫升及絕緣狀態(tài)實施在線監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，防止事故發(fā)生。 　　現(xiàn)有高壓開關(guān)柜監(jiān)測單元的核心一般采用單片機（MCU），其處理能力有限、存貯空間很小，只能對數(shù)據(jù)進行簡單的處理和存放少量的歷史數(shù)據(jù)[2]。為了存放大量的歷史數(shù)據(jù)以便對已有的數(shù)據(jù)進行復(fù)雜的處理（如壽命評估、故障診斷等），也為了對電力系統(tǒng)運行狀態(tài)進行遠程檢測和診斷，有必要使監(jiān)測單元具有通訊能力，把需要的數(shù)據(jù)上傳給PC機。 同時為了對分散的監(jiān)測單元進行維護（如單元是否正常工作，閾值下載等），監(jiān)測單元也有必要具有通訊能力以使PC機能夠?qū)崟r監(jiān)控監(jiān)測單元的工作情況以及對它們進行閾值的下載。 　　CAN作為一種有效支持分布式通信的現(xiàn)場總線，能夠完成現(xiàn)場監(jiān)測單元與管理設(shè)備之間的數(shù)字通信，溝通現(xiàn)場監(jiān)測單元和更高管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，真正做到“分散處理，集中管理”。 　　 　　2. 監(jiān)測單元框架和通訊模塊功能 　　所研制現(xiàn)場監(jiān)測單元，其微控制器選用16位高速單片機80C196KC，利用其豐富的外設(shè)接口，方便地進行現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、處理和顯示。監(jiān)測單元的功能是進行在線的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，并提供現(xiàn)場的顯示和與上位機通信的接口。 　　監(jiān)測單元監(jiān)測的主要內(nèi)容有：①母線溫升：測量斷路器三相進線和三相出線的電連接處溫升；②泄漏電流：測量三相環(huán)氧套管的泄漏電流；③機械數(shù)據(jù)：通過對斷路器分、合閘線圈電流和動觸頭行程的測量并進行數(shù)據(jù)處理，得到動觸頭行程、分合閘時間、分合閘速度、平均分合閘時間和平均分合閘電流。通訊模塊的主要功能就是當測量的這些數(shù)據(jù)異常時，主動上傳異常的數(shù)據(jù)，當測量的數(shù)據(jù)正常時就等待PC機有請求時上傳這些數(shù)據(jù)。同時監(jiān)測單元還通過通訊模塊接收PC機的參數(shù)下載（如閾值等），并對PC機的下載進行響應(yīng)!回答下載成功與否信息。 　　 　　3. CAN總線 　　3.1 CAN總線簡介 　　CAN總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種具有很高保密性、有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。符合ISO/OSI模型規(guī)范。 通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。 通信速率為5kb/s時，通信距離最長可為10km；通信速率為1Mb/s時，通信最長距離可達40m。 CAN總線上節(jié)點數(shù)最多可以有110個，所以比較適用于小型的測控網(wǎng)絡(luò)。 　　CAN總線具有以下特征：多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進行總線訪問；無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁；借助接收濾波的多地址幀傳送；遠程數(shù)據(jù)請求；配置靈活性；全系統(tǒng)數(shù)據(jù)相容性；錯誤檢測和出錯信令；發(fā)送期間若丟失仲裁或由于出錯而遭破壞的幀可自動重新發(fā)送；暫時錯誤和永久性故障節(jié)點的判別以及故障節(jié)點的自動脫離。 　　CAN總線的規(guī)范主要有2.0A和2.0B。這兩者的區(qū)別主要在于標識符位數(shù)的不同。CAN2.0A的標識符有11位，而CAN2.0B的標識符有29位，因此CAN2.0B對標識符定義具有更大的靈活性。 　　3.2 監(jiān)測單元通訊模塊對CAN2.0B標識符的定義 　　CAN總線摒棄了地址的概念: 而是用標識符來標識數(shù)據(jù)，使用位仲裁技術(shù)根據(jù)標識符的優(yōu)先級（標識符的值越小，優(yōu)先級就越高）對總線進行訪問，這樣在系統(tǒng)中增刪節(jié)點就不會涉及到軟件的修改。但在實際應(yīng)用中為了實現(xiàn)點對點及點對多點的數(shù)據(jù)傳送以及較長報文的傳送，有必要在標識符中定義數(shù)據(jù)的源地址、目的地址以及幀序數(shù)[3]。 　　對CAN2.0B 29位標識符的定義為：bit28~bit21為目的地址；bit20~bit13為源地址；bit12~bit5為幀序數(shù)。源地址和目的地址表示CAN幀從哪里來，到哪里去。bit4位稱為更多CAN幀位，它是和幀序數(shù)配合使用來傳送較長的數(shù)據(jù)的（CAN每一幀最多傳8個有效字節(jié)）。bit4為零表示當前的CAN幀是一個被分組打包的應(yīng)用層報文的最后一段；為1則表示應(yīng)用層報文的分段未傳完；當標志位為0，幀序數(shù)也為1時，表示報文沒有被分段。bit3~bit0用來區(qū)分同一源地址的不同數(shù)據(jù)，這是一個4位的計數(shù)器，取值范圍是0~15。當發(fā)送一個新的數(shù)據(jù)時，計數(shù)器加1，溢出時重新開始計數(shù)。沒有用到遠程幀，遠程幀的作用通過數(shù)據(jù)幀之間的應(yīng)答來實現(xiàn)。 　　3.3 CAN應(yīng)用層協(xié)議 　　CAN總線協(xié)議對應(yīng)于ISO/OSI模型的物理層和鏈路層，沒有包括其他的層次。CAN的高層協(xié)議是在CAN現(xiàn)有的協(xié)議（物理層和鏈路層）上實現(xiàn)的。CAN作為一種小型的測控網(wǎng)絡(luò)， 不涉及到路由選擇，同時為了減少層間轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性，一般高層的協(xié)議只采用應(yīng)用層。這樣在應(yīng)用時，CAN實際就有了三層協(xié)議。應(yīng)用層的報文對于鏈路層來講認為是數(shù)據(jù)，而真正需要傳送的數(shù)據(jù)是封裝在應(yīng)用層報文中的。采用的應(yīng)用層協(xié)議一般有標準（例如DeviceNet，SDS等）和自定義（根據(jù)實際系統(tǒng)而定）的兩種。 筆者根據(jù)實際情況自定義了應(yīng)用層協(xié)議， 應(yīng)用層報文的詳細定義這里不再詳述。 　　 　　4. 通訊模塊的硬件實現(xiàn) 　　監(jiān)測單元部分通訊模塊實現(xiàn)CAN協(xié)議的控制器選用SJA1000，它是PCA82C200的替代產(chǎn)品，同時支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議，位速率可達1Mb/s。具有擴展的接收緩沖器、完善的錯誤檢測機制、擴展的驗收濾波器以及錯誤累計到一定時就脫離總線等特征。 　　硬件的設(shè)計并不復(fù)雜。可以將SJA1000和PCA82C250的應(yīng)用文檔上的典型電路移植到80C196KC微控制器上（80C196KC采用8位數(shù)據(jù)總線模式），但在設(shè)計時還應(yīng)該注意以下幾點：①SJA1000與外部ROM，RAM統(tǒng)一編址，微控制器對它的存取操作就像對RAM操作一樣（區(qū)別在于有的SJA1000寄存器有的不可讀，有的不可寫）。②總線的連接電纜一般使用雙絞線，對抗干擾要求較高可以使用屏蔽雙絞線，或者光纖。電纜線徑與傳輸距離、節(jié)點數(shù)目有關(guān)，傳輸距離變長或節(jié)點數(shù)目增加，電纜線徑也要相應(yīng)增加，同時終端匹配電阻（一 　　般為120Ω）。也要增大。③SJA1000控制器RX1引腳要接0.5V，以便形成正確的電平邏輯。 PCA82C250的Vref引腳可提供0.5V的電壓輸出，因此在不加光隔的測試系統(tǒng)中，可直接將RX1引腳接Vref引腳，以簡化電路設(shè)計。④SJA1000有中斷產(chǎn)生時，引腳INT產(chǎn)生的是一個高電平到低電平的跳變，文檔中給出的是和80C51（它的外中斷0可以是下降沿或低電平有效）接口的，因此兩個引腳可以直接相接。而80C196KC的EXTINT1引腳是上升沿有效，故在兩個引腳之間要加一個反相器。 　　 　　5 通訊模塊的軟件實現(xiàn) 　　軟件是通訊模塊設(shè)計的核心，與一般使用高級語言編寫的軟件不同的是嵌入式系統(tǒng)的軟件要和硬件直接打交道，是對硬件直接操作，因此對硬件要熟練掌握才能編寫出實用的代碼。 　　SJA1000控制器寄存器數(shù)量眾多，幸運的是許多文章對它們的用法都作了介紹，有的還給出了其具體的代碼，筆者只簡單介紹一下驗收濾波寄存器。使用驗收濾波器，可以使監(jiān)測單元只接收需要的幀，屏蔽不需要的。這里的應(yīng)用是將驗收濾波器配置成雙濾波方式，即控制器只接收目的地址與監(jiān)測單元地址相符的或者與監(jiān)測單元廣播地址相符的幀，從而節(jié)約監(jiān)測單元的資源。 　　下面即以監(jiān)測單元的發(fā)送為例，簡述通訊模塊軟件的設(shè)計思路。當監(jiān)測單元有數(shù)據(jù)發(fā)送時（如絕緣數(shù)據(jù)），可通過下列步驟完成發(fā)送的全過程：①將數(shù)據(jù)按應(yīng)用層報文的格式進行封裝。 ②應(yīng)用層報文相對鏈路層來講是鏈路層的數(shù)據(jù)，在鏈路層把應(yīng)用層的報文按照SJA1000的CAN幀的格式進行拆分。CAN每次只能傳送8個有效字節(jié)，在拆分時按照上文的標識符定義，將報文拆成有序的CAN幀，這樣接受的一方就能按照標識符將一系列屬于同一應(yīng)用層報文的幀進行拆封。③把已拆分好的CAN幀按照標識符定義的幀序數(shù)發(fā)送出去。發(fā)送一幀之前需要檢查SJA1000控制器狀態(tài)寄存器（SR）的狀態(tài)，這包括檢查控制器發(fā)送狀態(tài)，接收狀態(tài)以及發(fā)送緩沖器鎖定狀態(tài)，當控制器處于空閑狀態(tài)（不在發(fā)送狀態(tài)、不在接收狀態(tài)并且發(fā)送緩沖器被釋放），就將需發(fā)送的幀寫入發(fā)送緩沖區(qū)并啟動發(fā)送。發(fā)送下一幀重復(fù)執(zhí)行以上過程即可。 　　接受過程執(zhí)行與發(fā)送過程相反的操作，可以簡述為：接受CAN幀；拆封CAN幀為應(yīng)用層報文；解析報文得到數(shù)據(jù)。 　　6. CAN控制器異常情況的處理 　　SJA1000控制器在長期工作中，由于內(nèi)在及外在的因素不可避免的會產(chǎn)生錯誤，從而使控制器不能正常工作。為了控制器能夠長期正常工作，使控制器從錯誤中恢復(fù)過來。控制器提供了相應(yīng)的寄存器來進行錯誤的分析和診斷，這包括接收（發(fā)送）錯誤計數(shù)器、錯誤報警限制寄存器、錯誤代碼捕捉寄存器、仲裁丟失捕捉寄存器以及狀態(tài)寄存器的幾位。同時中斷寄存器的幾位用來報告產(chǎn)生的錯誤，由程序?qū)﹀e誤進行處理。這些寄存器具體的定義可參閱相關(guān)文獻。 　　在實際應(yīng)用時主要有兩種從錯誤狀態(tài)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)的方法。 　?。?）有錯誤發(fā)生時，在中斷服務(wù)程序里根據(jù)中斷寄存器（中斷方式，中斷使能寄存器除喚醒和接收中斷外均打開）的各位的狀態(tài)，再結(jié)合相應(yīng)的寄存器即可以進行分析和診斷了。 例如出現(xiàn)應(yīng)答通道故障時則會產(chǎn)生總線錯誤中斷，檢查錯誤代碼捕捉寄存器，就可知道是產(chǎn)生了應(yīng)答通道故障。該方法的優(yōu)點是知道錯誤具體是什么而采取對應(yīng)的措施，缺點是編程比較麻煩，對協(xié)議和控制器都要十分熟悉。 　?。?）控制器一有錯誤發(fā)生就重新初始化（中斷方式，中斷使能寄存器除喚醒和接收中斷外均打開），讓控制器重新正常運行，該方法優(yōu)點是簡單易行，缺點是沒有考慮到錯誤發(fā)生的原因，不能作進一步的分析和診斷。 　　為了簡化設(shè)計，筆者采取的是后一種方案。 　　 　　7. 結(jié)語 　　（1）CAN作為一種有效支持分布式通信的現(xiàn)場總線，具有高的可靠性和實時性，同時又有簡單、易用以及性價比高的優(yōu)點，因此選擇CAN作為監(jiān)測單元通訊模塊的解決方案。 　?。?）在研究分析CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況對CAN的標識符作了定義，且制定了應(yīng)用層的協(xié)議，并給出了軟硬件的設(shè)計思路以及異常情況的處理方法。 　　（3）在實驗室的調(diào)試運行表明，采用CAN總線作為高壓開關(guān)柜監(jiān)測單元通訊模塊的解決方案取得了良好的效果。