基于CAN总线的智能脱扣器及其通信设计
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现场总线 通用低压电器篇(2 o 0 7 5)基 于 C AN总线 的智能脱 扣器 及 其 通 信 设 计 张 益 星(湖南工程学院,湖南 湘潭4 1 1 1 0 1)摘要:针 对智能脱扣器的工作特点,提 出了一种 采用 C A N总线技术 的设 计 策略,分析了系统的组成和 C A N总线的接 口原理,详细阐述了系统的程序设计方 法,重点给出了脱扣器的通信程序。设计出的脱扣器具有结构灵活、可靠性高、通 信能力强、智能化程度高等特点,且保护功能更加完善,脱扣器性能大大提高,满 足了供配电系统的实时性要求,说明了这是一种先进的控制技术。关键词:C A N总线;智能脱扣器;系统组成:通信程序 张益 星(1 9 6 4 一),男,讲师,主 要研究 方向为现 场总 线 与 计 算机应用。中图分类号:T M 5 6 1:T P 3 9 3 0 3 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 1 5 5 3 1(2 0 0 7)0 5-0 0 3 1-0 4 De s i g n o f I n t e l l i g e nt Re l e a s e a nd I t s Co mmun i c a t i o n Ba s e d o n CAN Bu s ZHANG Y i x i n g(H u n a n I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g,X i a n g t a n 4 1 1 1 0 1,C h i n a)Ab s t r a c t:Ac c o r d i n g t o t h e w o r k c h a r a c t e r i s t i c s o f i n t e l l i g e n t r e l e a s e,a n e w d e s i g n me t h o d u s i n g C AN b u s w a s p r e s e n t e d,T h e p r i n c i p l e o f t h e s y s t e m a n d t h e i n t e rf a c e o f t h e n e t wo r k w e r e i n t r o d u c e d,t h e d e s i g n o f p r o g r a m w a s d i s c u s s e d i n d e t a i l a n d t h e c o mmu n i c a t i o n p r o gra ms we r e g i v e n e mp h a t i c a l l y T h e r e l e a s e i n t e gra t e d s p e c i a l t y o f f l e x i b l e a n d h i g h r e l i a b i l i t y,c o mmu n i c a t i o n a b i l i t y w h i c h w i t h h i g h p e rfo r ma n c e a n d p e rf e c t f u n c t i o n,I t i s a n a d v a n c e d c o n t r o l t e c h n o l o g y,w h i c h i s a c c o r d a n c e w i t h t h e r e q u e s t o f p o w e r s u p p l y s y s t e m Ke y wo r d s:CAN bu s;i n t e l l i g e n t r e l e a s e;s y s t e m c o n s t i t u t i o n;c o mmun i c a t i o n p r o g r a m 0 引 言 智能化电器是将 电子技术、计算机技术等应 用于电器控制与保护而形成的电器产品。随着智 能电器应用领域的不断扩大,其控制功能不断完 善,从 以前的简单保护到各种保护、测量、监控 与 状态检测以及电器 的互联通信;智能电器所应用 的技术也在不断提高,保护 电器从 电磁式发展到 集成电路、微处理器以及专用集成电路,整个系统 的集成度越来越 高,2 1。在智能 电器 中,脱扣器 是最重要 的核心部件,它对被保 护线路进行各种 电参数的检测,在符合预定条件时发出信号,使断 路器动作。断路器的性能很大程度上取决于脱扣 器的性能,智能脱扣器使 断路器具有更强大的功 能,使其能与工控机、P L C等通信,能提供 开关状 态、三相电流、电压、功率 因数、有功功率 等参数;在通信方面,目前都采用较先进 的现场总线技术,使断路器具有遥测、遥控、遥信和遥调 等功能,这 对于变电、配电和供 电 自动化及无人值守等有很 重要的意义 J。本 文提 出一种应用 C A N总线 的 新型智能脱扣器的设计方法,设计出的脱扣器不 仅具有三段保护的基本功能,而且还具有功率计 算、能量累积、电力质量监控及不同节点间相互通 信等功能。1 脱扣器的硬件设计 智能断路器在供配电系统 中的主要作用是对 线路中的过载、短路、接地等故障进行保护。脱扣 器通过检测单元取得主线路 的电流、电压信号,经 逻辑控制单元分析判断后,确定是否发出信号,控 制断路器的动作。其逻辑控制单元 由高性能的微 处理器及外围电路组成,检测单元 由铁芯 电流互 感器、空心电流互感器、电压互感器和信号处理电 路组成,通过外 接 C A N收发器 P C A 8 2 C 2 5 0,实现 C A N总线上 的不 同节 点之间或节点与上位机之 间的通信。智能脱扣器的结构如图 1 所示。31 维普资讯 http:/ 通用低压电器篇(2 o o 7 5)现场总线 I 圭 皇 塑 皇 堕 卜 _ 1工 作 D A=L叫 复位控制 _ 。模块控制器 和C AN控制器 断路器 状态检测 时 钟 键 盘 CAN 收 发器 图 1 智能脱扣器的结构框图 工作时,智能脱 扣器通过各种互感器将主线 路的电压、电流信号转换成模拟电路可处理的电 平信号,信号处理单元则对这些信号进行滤波和 采样,采样信号经多路开关(图 1中未给出)转换 成数字信号;C P U根据这些信号进行逻辑运算与 处理,运算结果与整定值 比较后输 出符合 预设保 护特性的逻辑电平信号,这些信号经放大后可直 接驱动断路器的执行机构,使断路器动作。各种 故障保护的动作电流和时间整定值通过键盘设 定,并 预先存储在 E P R O M 中,并可 以在应用 中 随时修改。此外,当产生特大短路电流时,特殊设计的模 拟 电路 在无 C P U干预的情况下立 即控制执行单 元,使断路器动作。在脱扣器通电到其 电子 电路 稳定工作这段时间内,如果产生短路电流,另一个 模拟 电路也可控制执行单元,使断路器动作。图 1中 选 用 A 9 C 5 1作 为 模 块 控 制 器,S J A 1 0 0 0作为 C A N控 制器。C A N控 制器执行完 整的C A N协议,完成通信功能,它包括信息缓存 和接收滤波。C A N控制器与总线之 间需 要一个 接 口C A N收发器,本文选用 P C A 8 2 C 2 5 0。它 提供对总线的差动发送 和接 收能力,最高传输速 率可达 1 M b s,具有抗 瞬间干扰、保护 总线 的能 力,并可通过引脚 8的接地电阻控制脉冲斜率,降 低射频干扰。C A N收发器将来 自C A N控制器 的 逻辑电平信号转换为总线上的物理电平;反之,再 把总线上的物理电平信号转换为 C A N控制器能 接收的逻辑电平信号 j。一3 2 一 CAN 现场 总线 智能脱扣器作为 C A N节点,通过接 口适配卡 实现与上位机(P C机)的高速数据交换。C A N接 口适配卡原理如图 2所示。扩 展 槽 量 双口R AM控 制 中断请求 乏 复位电 S J Al o 0 0 锁存器 图 2 C A N接 口适配卡原理 图 适 配 卡 由 双 口 R A M、C P U、C A N 控 制 器 S J A 1 0 0 0、C A N总线收发器 8 2 C 2 5 0、光电隔离器件 6 N 1 3 7等组 成。8 2 C 2 5 0通过 6 N1 3 7与 S J A 1 0 0 0 连接,可进一步提高 S J A 1 0 0 0的总线驱动能力和 抗 干 扰 能 力。A 9 C 5 1的 外 部 晶 振 频 率 由 S J A1 0 0 0所决定,保证 了 A 9 C 5 1与 S J A 1 0 0 0时 序同步。图 2中 8 2 C 2 5 0和 S J A 1 0 0 0可完成物理 层和数据链路 层 的工作,应 用层 由 A 9 C 5 1提 供。A T 8 9 C 5 1主要 承担节点 与上位 机之间 的数 据交换和协调管理工作,S J A 1 0 0 0实现具体的数 据发送和接收控制任务。适配卡上有 2 K B双 口 高速 R A M,采用内存映像的方式直接映像到主机 内存空间,卡上数据存储器就能被 P c机和微控 一 维普资讯 http:/ 现场总线 通用低压电器篇(2 0 o 7 5)制器直接访 问,实现高速数据交换。6 N 1 3 7是为 了防止电压差过大而损坏电路板 J。需要特别指 出的是,C A N总线利 用双绞线、采用差动发送和接收 的信号传输 方式,具体有 高 速、斜率控制和待机 3种不同的工作方式,根据实 际情况选择。在进行数据传输 时,总线受外界干 扰的程度相同,因此,可以充分利用接收器的高共 模抑制性能提 高通信 的抗干扰能力。为此,必须 在双绞线两端连接匹配电阻 r 来消除长线反射所 引起的干扰。r 与双绞线阻抗 z的关系为 z 本系统中,双绞线特性阻抗约为 2 4 8 Q,因此 必须在两端各 自连接 1个 1 2 4 Q左右的电阻,否 则系统 总线将无法进行正常的数据通信。2 系统程序设计 C A N总线的 3层结构模型包括物理层、数据 链路层 和应用层。C A N通信协议 的一 个最大特 点是废除了传统的地址编码,代之以对通信数据 块进行编 码,C A N总线 面 向数据 而不 是面 向节 点。其优点是,可使 网络内的节点个数在理论上 不受限制,加入或减少 设备不影响系统 的工作。本系统软件设计时,遵循模块化设计思想,采用结 构化程序设计方案,使程序具有 良好 的模块性、可 修改性和可移植性。软件设计主要包括 主程序、中断程序以及适配卡程序 的设计,中断程序包括:故障中断、键盘 中断、定时器 中断和通信 中断等。其中故障中断指检测信号超越 比较电路所设置报 警或保护动作 限值时所产生的中断。系统主程序 流程如图 3所示。2 1 通信程序的设计 通信软件由 3部分组成:初始化程序、发送程 序和接收程序。其中,初始化程序设计较 困难,它 对 C A N总线器件进行初始化。初始化 的过程就 是对 C A N总线器件的关 键控制 寄存器进行编程 的过程,之后,可 以根据 系统 的要求随时发送数 据。下面是用 c语言编写的初始化程序模块:CANi n i();$C A N总线 的初始化子模块$CAN_s e n d();C A N总线的数据发送模块 v o i d CANr e e i n t(v o i d)i n t e r r u p t 0 u s i n g 1$C A N总 线的数据接收模块 图3 主程序流程 EX0=L OW;CRCAN=0 x l;Va r l=CRCAN;Wh i l e(V a r l 0 x 1)=O】(0)CRCAN=Oxl;Va r l=CRCAN;判断 C A N是否进入初始化状态 ACRCAN=0 x 7;AMRCAN=0 x f 8;BTR0_CAN=O】(0:BTR1一CAN=0 x l e;OCRC AN=O x f a;CRC A N=O】(0 1 a;$设置 C A N总线的各寄存器$Wh i l e(V a r l 0 x 1)!=O】(0)CRCAN=0 xl e;Va r l=CRCAN;判断 C A N是否进入运行状态 C MR-CAN=0 x 4;EX0=HI GH;只有当 C R控制寄存器的复位请求位被设为 高时,才可对 C A N控制器进行初始化设置,而主 控制器必须在确定 C A N控制器 已经进入初始化 复位状态时,才能对其他的 C A N控制寄存器进行 写入操作。A C R和 A MR寄存 器分别是 C A N控制器 的 接收码和接收屏蔽寄存器,它们共同完成 C A N系 统的验收滤波设 置。当节点的 C A N接收缓冲器 处于空状态,并且所接收的报文标识符满足以下 一3 3 维普资讯 http:/ 通用低压电器篇(2 o o 7 5)现场总线 条件:A MR的所有 8位均设 置为不相关,即 A MR =O x F F;A MR被设置为相关位 的位置上,接 收报 文标识符与 A C R相同。这样,该节点才可以完整 地接收整条报文信息,否则,信息不能被接收。B T R。和 B T R。是 总线 时序 寄存 器,通 过对 B T R 进行设置,可确定波特率预分频器的分频数 和同步跳转宽度;对 B T R 进行设置,可确定位周 期的宽度、采样点的位置、每个采样点采集数据 的 次数。通过对这两个寄存器进行设置,可惟一确 定采样波特率和同步跳转宽度。通过对输出控制 寄存器 O C R写入控制字,可 以控制输 出寄存器的 驱动方式。上述寄存器是 C A N通信的主要功能寄存器,在完成 了对这几个功能寄存器 的设置后,需要对 C R寄存器进行清除复位标 志位,以便 C A N控制 器进入正常的收发状态。2 2 适配卡程序的设计 适配卡程序设计 主要包括两部分:P c机 端应用程序接 口函数,主要包括按 C A N报文格式 向适配卡上 的双 口 R A M 写入控制命令,请求控 制单元发送数据命令。在双 口 R A M 引起 的中断 服务程序中,读取双 口 R A M 中由 A T 8 9 C 5 1转发 的控制单元发送 的数据并进行处理。双 口 R A M 向 P C机发出 的中断请求,是 由单片机将接收的 数据写入双 口 R A M后,再 由双 口 R A M片 内地址 单元触发的。适配卡上单片机端的程序设计,分为 主 程 序、I N T。和 I N T。中断 服 务程 序。在 I N T 中断服务程序 中,首先读取双 口 R A M 中的 数据,然后再将数据转发 给 S J A I O 0 0,其流程 图如 图 4所示。I N T n中断请求是 由 S J A1 0 0 0发送 或 接收完一帧信息,或接收数据超载,或产生错误 中 断后产生的。3 结 语 C A N总线是一种全分散、全数字化、智能、双 向多节点且多主的通信系统,以其高可靠性、高性 能等优点,获得广泛应用。它可以多主方式工作,读取双 口 R AM 中内容 存于内部 R AM 中 N 一 Y 式J 叵 写 入 发 送 缓 冲 区 I L=启动发送命令 图 4 I N T 中断服务程序流程 网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上的 其他节点发送信息,且部分主从,从而构成多主机 系统。它采用非破坏性总线仲裁方式避免冲突,任一节点均以报文为单位进行数据传递,广播给 网络上所有节点,而每一报文都有惟一 的旧标识,更重要的是在 网络负载很重 的情况下,也不会出 现网络瘫痪现象。在完成 仲裁 的同时,也开始报 文的发送,提高了效率,通信的实时性得到了保 证。采用这种总线技术设计的智能脱扣器不仅功 能可靠、实时性好、可实现远程通信、电磁兼容性 强,而且体积小、易实现,具有较广阔的应用前景。【参 考 文 献】1 邬宽明 C A N总线原理和应用系统设计 M 北京:北京航空航天大学 出版社,1 9 9 6 2 杨青 C A N现场总线的智能脱扣器简述 J 机床电 器,2 0 0 5(2):5 _ 7 3 王富东 智能化断路器的开发 J 低压电器,2 0 0 0 (2):1 3-1 7 4 P h i l i p s S e m i c o n d u c t o r s D a t a S h e e t P C A 8 2 C 2 5 0 z 1 99 4 5 P h i l i p s S e m i c o n d u c t o rs C A N S p e c i f i c a t i o n V e rs i o n 2 0,P a r t s A a n d B Z 1 9 9 2 6 J O HN K E,D I E T MA Y E R K D e t e r mi n a t i o n o f B i t T i mi n g P a r a me t e rs f o r t h e CAN C o n t r o l l e r S J A 1 0 0 0,A p p l i c a t i o n N o t e A N 9 7 0 4 6 R P h i l i p s S e m i c o n d u c t o r s,1 9 9 7 收稿 日期:2 0 0 6-0 3-2 9 欢 迎 订 阅 欢 迎 投 稿 欢 迎 评 刊 欢 迎 刊 登 广 告 -3 4-维普资讯 http:/
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