關于CAN總線在電力設備中的應用樣例

摘 要：本文圍繞電力系統(tǒng)性能要求出發(fā)，基于現(xiàn)場總線CAN，在單片機技術基礎上，設計相應的軟件控制程序，以達到通訊網(wǎng)絡控制的能力。

關鍵詞：電力系統(tǒng)；CAN；單片機；通訊規(guī)約

中圖分類號：TM76

鑒于電力系統(tǒng)的連續(xù)性和供電可靠性的要求，在采用高品質的電力設備的同時，必須重視通訊網(wǎng)工作的可靠性研究。通訊網(wǎng)的設計應能使通訊負荷合理分配，保證不出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象和通訊負荷不過載，并采用分層分布式結構，使其組合靈活、維修調試方便，具有較強的擴展性能。

電力設備的通訊網(wǎng)絡是基于現(xiàn)場總線CAN（Controller Area Network）。通信媒介為屏蔽雙絞線，占用控制方式主要為主從問答，但允許事件、報警信息優(yōu)先發(fā)送，遵循ICE870-5-103通信規(guī)約。作為一種現(xiàn)場總線，CAN總線同時還是一種串行通信網(wǎng)絡，其不僅保密性非常高，還能夠對分布式控制或實時控制起到有效支持。

國內傳統(tǒng)的電力設備采用RS—485或者BITBUS作為通信方式一，其具有非常明顯的缺陷：很難將多主結構構成，具有十分繁忙的主節(jié)點任務，一旦有故障出現(xiàn)在主節(jié)點，就可能會導致系統(tǒng)癱瘓；數(shù)據(jù)傳輸效率低，靈活性極差，不適于實時性要求較高的場合，特別是當下端單元出現(xiàn)異?；蜻b信變位時，數(shù)據(jù)不能立即上傳；錯誤處理能力不強。

與上述通信方式相比，CAN具有以下特點：（1）可以多種方式進行工作，具有十分靈活的數(shù)據(jù)收發(fā)方式，能夠保證全局廣播、一點對多點、點對點等多種傳輸方式的實現(xiàn)，因而可將多機備份系統(tǒng)很快的構成；（2）可以采用不同的優(yōu)先級針對網(wǎng)絡上的節(jié)點（信息）進行劃分，硬件自動實現(xiàn)總線沖突仲裁，可以滿足不同的實時要求。即使具有很重的網(wǎng)絡負載，也不會因此而有網(wǎng)絡癱瘓的情況出現(xiàn)；（3）具有最高可達1MB/s（此時距離最長40m）的通信速率；（4）直接通信距離最遠可達10km（速率5KB/s以下）；（5）節(jié)點數(shù)實際可達110個；（6）采用短幀結構，且每幀信息都有CRC校驗、NRZ編碼/解碼方式，并采用位填充技術以及其他各種檢錯措施，因此其具有非常低的數(shù)據(jù)出錯率；（7）在具有嚴重錯誤的情況下，CAN節(jié)點能夠將總線自動關閉，并且將它與總線之間的聯(lián)系切斷，這樣就不會影響到總線上的其他操作；（8）采用雙絞線作為通信介質，無特殊要求。

總之，CAN總線具有較好的操作性、簡單的結構以及很高的可靠性等優(yōu)點，這樣就將傳統(tǒng)的工業(yè)總線的缺陷克服了，因此其屬于一種有效的解決方案。

1 硬件實現(xiàn)

在具有上述特點，CAN總線同時還具有靈活方便的編程方式以及較低的成本，故CAN總線在電力系統(tǒng)中有著很大的實用價值。

其中單片機采用AT89S52，選用SJA1000CAN作為控制器的芯片，其中片選信號為CS，單片機的相應管腳分別連接ALE、WR、RD，INTEL模式是MODE腳接高電平的特點，這樣就使復位的可靠性得到了保證，而其中的三態(tài)數(shù)據(jù)總路線就是AD0-AD7。選用PCA82C250作為CAN總線驅動器，為了能夠使總線節(jié)點的抗干擾能力得以有效增強，82C250的RXD、TXD與SJA1000與之間利用高速光耦6N137連接起來，這樣就使二者之間的電氣隔離得以實現(xiàn)了，同時還使節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性得到了保證。

2 軟件實現(xiàn)

只有在復位模式下才可以實施SAJ1000的初始化，其初始化的內容主要包括中斷允許寄存器的設置、總線定時寄存器的設置、工作方式的設置、波特率參數(shù)設置、接收濾波的設置、接收代碼寄存器ACR的設置、接收屏蔽寄存器設置等內容，在將SJA1000的初始化工作完成以后，就能夠恢復為工作狀態(tài)，從而能夠實現(xiàn)正常的通信任務。

節(jié)點報文的發(fā)送是由數(shù)據(jù)的發(fā)送子程序負責的，在具體的發(fā)送過程中只需要按特定的格式將待發(fā)送的數(shù)據(jù)組合成一幀，在SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)送入報文，接下來將SJA1000啟動，就可以完成發(fā)送，采用查詢方式針對數(shù)據(jù)進行接收，其軟件操作需要對報警接收溢出以及總線脫離錯誤等情況進行充分的考慮

由于上位主機沒有CAN接口，必須為其配備轉換接口，目前常見的接口格式有利用PCI和ISA插槽設計的內插式接口卡，這種CAN卡一般需要一個MCU、一片雙口RAM、一個CAN控制器和一個CAN總線收發(fā)器，MCU能從CAN總線中讀取數(shù)據(jù)，然后放在雙中RAM中，計算機通過上位機軟件讀取數(shù)據(jù)；也可以通過計算機的外圍接口設計外接式的CAN卡，這種外圍接口包括串行通訊接口、并行通訊接口及USB接口?？紤]到串行通訊的使用較為簡單且應用廣泛、經濟實用，選用了以串口作為接口的方法

實際調試時，出于經濟考慮，自制了CAN/RS232轉換器，其結構為CAN-MCU-RS232，也就是利用單片機及SJA1000將CAN格式的數(shù)據(jù)接收到之后，把其轉換為RS232格式的數(shù)據(jù)通過串口與主機通信，其中MCU選用的是AT89C51，與SJA1000的接口及軟硬件部分均與人機板CAN電路相同，不再重復說明。

3 通訊規(guī)約實現(xiàn)

采用MODBUS通訊協(xié)議CAN通信與自動化系統(tǒng)的連接方式。應用層協(xié)議為MODBUS（RTU方式），能夠通過對上述通信媒介的利用實現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)。采用直接內存訪問的模式作為MODBUS的運行方式，其基本協(xié)議針對其中內存訪問的具體細節(jié)進行了合理的定義，須提供內存地址表就可以實現(xiàn)各應用程序或系統(tǒng)互連。

其功能報文樣例介紹如下：

連續(xù)讀n個字（功能碼03H）

下行：

通信地址（BYTE）：01H～F7H

功能碼（BYTE）：03H

起始地址（WORD）：0000H～FFFFH（先高字節(jié)后低字節(jié)）

讀的字數(shù)（WORD）：0001H～007DH（先高字節(jié)后低字節(jié)）

校驗碼（WORD）：以上所有字節(jié)的CRC16校驗和（先低字節(jié)后高字節(jié)）

上行：

通信地址（BYTE）：01H～F7H

功能碼（BYTE）：03H

數(shù)據(jù)長度（BYTE）：01H～FAH

數(shù)據(jù)內容（WORD）：讀到的具體數(shù)據(jù)（先高字節(jié)后低字節(jié)）

數(shù)據(jù)內容（WORD）：讀到的具體數(shù)據(jù)（先高字節(jié)后低字節(jié)）

......

數(shù)據(jù)內容（WORD）：讀到的具體數(shù)據(jù)（先高字節(jié)后低字節(jié)）

校驗碼（WORD）：以上所有字節(jié)的CRC16校驗和（先低字節(jié)后高字節(jié)）

為了簡化通訊規(guī)約的復雜度，本文只簡述了應用MODBUS規(guī)約的03H和10H兩個功能碼，其他詳細的情況可進一步研究實驗。

參考文獻：

[1]桑波.電力監(jiān)控傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].內蒙古大學，2012.

[2]程英凱，樊超.基于CAN總線的電力參數(shù)測量系統(tǒng)設計[J].科技信息，2010（03）：716-717.

作者簡介：王微（1982.10-），女，助理講師，研究方向：電工技術及其發(fā)展研究等。

作者單位：海南省技師學院，海口 570203