基于CAN總線的智能饋線終端的研究

1?? 前言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力用戶對(duì)供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化是配電系統(tǒng)提高供電可靠性的最有效手段。在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，饋線自動(dòng)化是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。而作為饋線自動(dòng)化系統(tǒng)中核心設(shè)備的饋線終端則成為配電自動(dòng)化系統(tǒng)成功實(shí)施的關(guān)鍵。
饋線終端簡(jiǎn)稱FTU(Feeder Terminal Unit)，它主要用來(lái)監(jiān)控柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān)，重合器等一次設(shè)備。向配電主站/子站提供配電系統(tǒng)運(yùn)行工況和提供各種參數(shù)：包括開(kāi)關(guān)狀態(tài)，電能參數(shù)，相間和接地故障及故障時(shí)的參數(shù)信息，并執(zhí)行配電主站/子站對(duì)配電設(shè)備的控制及調(diào)節(jié)指令。
CAN總線作為具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，主要為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的開(kāi)放式總線，具有可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，組網(wǎng)靈活，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。在饋線自動(dòng)化系統(tǒng)中采用CAN總線通信方式，有著廣闊的前景。之所以采用CAN總線，這主要是由饋電自動(dòng)化通信特點(diǎn)和性能要求所決定的。在饋線自動(dòng)化系統(tǒng)中，饋線終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，通信節(jié)點(diǎn)分散，通信距離短和數(shù)據(jù)量小，且工作環(huán)境比較惡劣；這就要求通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活，變更方便，能容納各種不同的通信介質(zhì)，易于構(gòu)成大型網(wǎng)絡(luò)，從而便于網(wǎng)絡(luò)管理；同時(shí)要求網(wǎng)絡(luò)通信具有較高的可靠性與實(shí)時(shí)性。主要用于低層設(shè)備通信的CAN總線完全可以適用于這一場(chǎng)合。
本文所介紹的饋線終端主要用于鐵路道口，完成對(duì)用于給鐵路道口信號(hào)燈供電的饋電線路的監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。依照CAN總線的特點(diǎn)，我們將配電子站和各個(gè)FTU均作為總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)屏蔽雙絞線連接成一個(gè)總線型的局域網(wǎng)。饋線終端的工作原理是在正常運(yùn)行狀態(tài)下，F(xiàn)TU監(jiān)測(cè)饋電線路的運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)CAN總線向配電子站上傳各種運(yùn)行參數(shù)；接收配電子站的命令，實(shí)現(xiàn)線路開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)方合閘和分閘操作以優(yōu)化配網(wǎng)。而當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)TU及時(shí)向配電子站發(fā)送報(bào)警信號(hào)。配電子站在接收?qǐng)?bào)警信號(hào)后，對(duì)相應(yīng)故障現(xiàn)象進(jìn)行判斷，隔離饋線故障區(qū)段以及恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)域的供電，從而達(dá)到減小停電面積和縮短停電時(shí)間的目的。饋線終端可依照配電子站的請(qǐng)求，工作在實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控兩種工

作狀態(tài)：在實(shí)時(shí)檢測(cè)的工作狀態(tài)下饋線終端實(shí)時(shí)向配電子站發(fā)送饋電線路的運(yùn)行參數(shù)；而工作在監(jiān)控狀態(tài)下的饋線終端定時(shí)向配電子站發(fā)送相關(guān)參數(shù)。該FTU除了具有傳統(tǒng)的三遙功能外，還具有故障錄波、越限主動(dòng)報(bào)警、SOE（事件順序記錄）等功能。
2?? 智能饋線終端的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文所介紹的FTU是一個(gè)基于SOC型單片機(jī)設(shè)計(jì)的全數(shù)字控制單元。整個(gè)裝置分為主控部分，模擬電信號(hào)量采集和調(diào)理部分，開(kāi)關(guān)量輸入輸出控制部分，CAN總線通信部分，液晶顯示人機(jī)接口部分等模塊。其原理框圖如圖2所示。

??????????????????????????????????????? 圖2
主控部分[2]
主控部分采用C8051F040（以下簡(jiǎn)稱F040）單片機(jī)，F(xiàn)040單片機(jī)是CYGNAL公司推出的完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型微控制器。它在一塊芯片上集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集所需的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件，同時(shí)，它的運(yùn)行速度也較普通的單片機(jī)有了極大的提高，由于采用了流水線技術(shù)，它的速度可達(dá)到普通單片機(jī)的10倍,用戶可根據(jù)實(shí)際的需要通過(guò)對(duì)片內(nèi)相應(yīng)寄存器及交叉開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)單配置即可構(gòu)建出一個(gè)完整的測(cè)控系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)小體積、低功耗、低成本、高可靠性、高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提供了很大的方便。

??模擬信號(hào)采集與調(diào)理部分
電網(wǎng)中的電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流首先經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)一次PT和CT變換成為0-100V和0-5A的交流電量，然后再經(jīng)過(guò)特制的二次PT和CT變換成為0-5V的電壓信號(hào)，接著通過(guò)調(diào)理電路調(diào)理成ADC可接受的測(cè)量范圍，調(diào)理后的交流信號(hào)通過(guò)一級(jí)電壓跟隨和二階有源低通濾波器，以消除高次諧波和噪聲信號(hào)送入ADC進(jìn)行測(cè)量。鐵路應(yīng)用的場(chǎng)合需要對(duì)兩回線（貫通和自閉）的三相電壓和三相電流進(jìn)行同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，共需12路交流通道，為保證交流電壓電流信號(hào)的同時(shí)采樣，提高采樣精度，我們選用MAXIAM(美信)公司生產(chǎn)的兩片MAX125來(lái)完成此項(xiàng)工作

?開(kāi)關(guān)量輸入輸出控制部分
F040共有P0~P7共8組64個(gè)端口，且每個(gè)端口都是可位尋址的。有了這樣充足的端口，我們可以很方便地連接相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量而不需外擴(kuò)端口。端口并不直接與相關(guān)的開(kāi)關(guān)直接相連，而是通過(guò)相應(yīng)的光耦，這樣做的目的是為了防止電網(wǎng)串入的瞬時(shí)干擾。F040定時(shí)對(duì)開(kāi)入開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，并將相應(yīng)的值經(jīng)由CAN總線傳入配電子站，即可實(shí)現(xiàn)遙信功能。接收配電子站發(fā)出的開(kāi)出開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)控制相應(yīng)開(kāi)關(guān)的開(kāi)合，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的遙控功能。
??測(cè)頻部分
利用F040內(nèi)部的硬件資源我們可以很方便地對(duì)交流工頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。具體實(shí)現(xiàn)方法為取一路交流電信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的限幅處理后，送入F040片內(nèi)的電壓比較器后，得到方波信號(hào)。F040片內(nèi)的電壓比較器可以調(diào)整回差電壓，通過(guò)對(duì)回差電壓的調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)遲滯電壓的比較功能，用于消除輸入信號(hào)在過(guò)零點(diǎn)可能出現(xiàn)的抖動(dòng)現(xiàn)象。電壓比較器輸出的方波信號(hào)連接到F040的片內(nèi)PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列）的一個(gè)捕獲/比較單元，捕獲/比較單元工作在上跳沿捕獲方式，每次檢測(cè)到上跳沿將引起一個(gè)中斷，同時(shí)產(chǎn)生一次捕獲，將此時(shí)PCA計(jì)數(shù)器的值送入該捕獲/比較單元的捕獲寄存器中。我們?cè)谥袛喾?wù)子程序計(jì)算兩次捕獲的PCA0計(jì)數(shù)值之差即對(duì)應(yīng)交流工頻的周期。PCA計(jì)數(shù)器選擇與定時(shí)采樣計(jì)數(shù)器相同的時(shí)基，所以只需將此計(jì)數(shù)值除以采樣次數(shù)就可作為定時(shí)采樣計(jì)數(shù)器的重裝值用于下一次交流采樣。
??CAN總線通訊部分
F040中內(nèi)置CAN總線協(xié)議控制器，只要外接總線驅(qū)動(dòng)芯片和適當(dāng)?shù)目垢蓴_電路就可以很方便地建立一個(gè)CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中采用PHILIP公司的TJA1050T CAN總線驅(qū)動(dòng)器。CAN總線通信硬件原理圖如圖3所示。
圖中F040 的CAN信號(hào)接收引腳RX和發(fā)送引腳TX并不直接連接到TJA1050T的RXD和TXD端，而是經(jīng)由高速光耦6N137進(jìn)行連接，這樣做的目的是為了實(shí)現(xiàn)CAN總線各節(jié)點(diǎn)的電氣隔離。為了實(shí)現(xiàn)真正意義上完全的電氣隔離，光耦部分的VA和VB必須通過(guò)DC-DC模塊或者是帶有多個(gè)隔離輸出的開(kāi)關(guān)電源模塊進(jìn)行隔離。為防止過(guò)流沖擊，TJA1050T的CANH和CANL引腳各通過(guò)一個(gè)5Ω的電阻連接到總線上。并在CANH和CANL腳與地之間并聯(lián)2個(gè)30P的電容， 用于濾除總線上高頻干擾。而防雷擊管D1和D2可以起到發(fā)生瞬變干擾時(shí)的保護(hù)作用。[1]
TJA1050T的8腳連接到F040的一個(gè)端口用于模式選擇，TJA1050T有兩種工作模式用于選擇，高速模式和靜音模式。TJA1050T正常工作在高速模式，而在靜音模式下，TJA1050T的發(fā)送器被禁能，執(zhí)行只聽(tīng)功能，可用于防止由于CAN控制器失控而造成的網(wǎng)絡(luò)阻塞。

3?? 智能饋線終端的軟件設(shè)計(jì)
?鑒于該裝置功能復(fù)雜，軟件編制方法采用 C51和匯編混合編程，首先在系統(tǒng)中移植μC/OS-II，然后在此基礎(chǔ)上分別編制各個(gè)相關(guān)的任務(wù)，通過(guò)這樣可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，可靠性，降低程序設(shè)計(jì)的難度，提高程序的可維護(hù)性。軟件部分主要包括兩大部分：一是μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核的移植，二是各相關(guān)任務(wù)的編制。
??μC/OS-II在 C8051F單片機(jī)上的移植
μC/OS-II是一個(gè)完整的，可移植，固化、裁減的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II大部分是用ANSI C 進(jìn)行編制的，只有少部分與CPU密切相關(guān)的部分是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的，至今UC/OS-II已在超過(guò)40種不同架構(gòu)的微處理器上運(yùn)行。[3]
?μCOS-II在C8051F上的移植主要是三個(gè)與CPU架構(gòu)有關(guān)的文件進(jìn)行重寫(xiě)，它們分別是匯編文件OS_CPU_A.ASM、C語(yǔ)言文件 OS_CPU_C.C和頭文件OS_CPU.H。
另外要注意的一個(gè)問(wèn)題是函數(shù)的可重入性問(wèn)題，由于單片機(jī)內(nèi)部堆?？臻g有限，C51為函數(shù)調(diào)用提供的是一種壓縮棧，每個(gè)函數(shù)被給定一個(gè)空間用于存放局部變量。函數(shù)中的每個(gè)變量都放在這個(gè)空間的固定位置，當(dāng)遞歸調(diào)用這個(gè)函數(shù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致變量被覆蓋。為保證所有函數(shù)的可重入性，必須使用reentrant關(guān)鍵字指定所有相關(guān)的系統(tǒng)函數(shù)。
??相關(guān)任務(wù)的編制
饋線終端主要包括以下幾個(gè)任務(wù)，它們分別是A/D定時(shí)采樣任務(wù)，該任務(wù)具有最高的優(yōu)先級(jí)，該任務(wù)主要完成數(shù)據(jù)的采集、采樣通道的切換等功能。CAN通信任務(wù)，該任務(wù)具有第二高的優(yōu)先級(jí)，該任務(wù)主要完成采樣數(shù)據(jù)及相關(guān)報(bào)警信號(hào)的上傳以及配電子站發(fā)過(guò)來(lái)的相應(yīng)命令報(bào)文的解析處理。電參數(shù)計(jì)算任務(wù)，該任務(wù)具有第三高優(yōu)先級(jí)，該任務(wù)主要完成電力參數(shù)的計(jì)算功能。LCD顯示子任務(wù)，該任務(wù)主要完成相關(guān)電力參數(shù)在LCD屏上的顯示，該任務(wù)具有最低的優(yōu)先級(jí)。
??CAN總線通信報(bào)文的格式
CAN總線通信采用具有29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀，標(biāo)識(shí)符的內(nèi)容包括當(dāng)前信號(hào)的種類代碼，(包括報(bào)警信號(hào)，電參數(shù)信號(hào)，故障錄波信號(hào)，開(kāi)關(guān)量參數(shù)信號(hào)以及控制信號(hào)等), 配電子站的地址，F(xiàn)TU的地址等。配電子站發(fā)送控制信號(hào)的格式為，使用數(shù)據(jù)域的第一個(gè)字節(jié)判斷控制信號(hào)的種類，控制信號(hào)的種類主要有開(kāi)出開(kāi)關(guān)量的控制信號(hào)，請(qǐng)求獲取開(kāi)入開(kāi)關(guān)量的控制信號(hào)，請(qǐng)求實(shí)時(shí)獲取電參數(shù)的控制信號(hào)，以及對(duì)時(shí)信號(hào)等，根據(jù)控制信號(hào)的種類確定其它幾個(gè)數(shù)據(jù)的意義，例如如果是對(duì)時(shí)信號(hào)，則后6個(gè)字節(jié)依次為當(dāng)前時(shí)間的年，月，日，時(shí)，分，秒。
4?? 結(jié)語(yǔ)
?運(yùn)用CAN總線技術(shù)開(kāi)發(fā)的智能饋線終端單元，可以極大提高配電自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性，實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)性價(jià)比高，安裝維護(hù)簡(jiǎn)潔方便，具有較廣闊的應(yīng)用前景。