基于CAN总线的变压器监测终端软件设计Word文档格式.docx
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学院（系）：
学生姓名：
曾伟纳
学号：
94107045
指导教师（职称）：
乔建良（副教授）
评阅教师：
完成日期：
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
电子信息工程专业曾伟纳
【摘要】本文针对现代变压器监测系统的要求，首先讨论了本设计的产生、应用背景和设计要求，接着讨论了电网质量监测的集成系统的实现原理，设计了一种基于80C196KC和CPLD的监控装置，来完成弱电对强电的控制。
80C196KC是整个系统的核心即CPU部分。
本文详细分析了80C196KC的原理，阐述了利用80C196KC和各种外设芯片来实现数据存储、处理、显示和通讯，接着讨论了CAN总线，并分析了通过SJA1000控制器实现CAN通讯的原理、方式和过程。
【关键词】变压器监测终端；
CAN总线；
控制器；
通信系统
SoftwareDesignofTransformerMonitoringTerminal
BasedonCANBus
ElectronicInformationEngineeringSpecialtyZENGWei―na
Abstract:
Accordingtothemodernrequirementofmonitoringsystem，firstthisarticlediscussesthedesignproduction，applicationbackgroundanddesignrequirements；
andthenkicksaroundtheintegratedsystemofpowerqualitymonitoringtheimplementationprinciple；
atlastwedesignedakindofbasedon80C196KCandCPLDmonitoringdevice，tocompletethecontrolofelvtohigh.Thecoreofthewholesystemis80C196KCwhichisthatCPUpart.Thisarticleanalyzestheprincipleof80C196KCindetailfirstly，andthendescribesthatusing80C196KCandvariousperipheralschipstorealizethedatastorage，processing，displayandcommunications；
followingitdiscussestheCANbus；
andalsoanalyzestherealizationofCANcommunicationprinciple，waysandprocessthroughSJA1000controller.
Keywords:
Transformermonitoringterminal;
CANBus;
controller；
communicationsystem
1引言
随着社会经济的进步，越来越多的电子产品被用于实际生活。
电力市场的发展，使得电力系统对于电能质量的管理越来越受到重视，用户对于电力系统的供电可靠性的要求也越来越高。
世界各国纷纷制定了日益完善的电能质量标准，根据这些标准来判断电能质量的优劣。
在我国供电系统的设计中，对谐波、负荷电流水平和功率因数进行合理估算，是非常有必要的。
在这种情况下，配电自动化得到了蓬勃的发展，变压器监测终端（TTU）应运而生。
变压器监测终端主要用于采集一些电力网络参数如：
三相交流电压、电流等，将这些参数经过处理后反馈给控制站，然后控制站采取相应的措施以保证各种设备正常稳定地运行，并且和配电自动化主站进行通信，提供配电系统运行监视及控制所需的信息，执行主站发出的调节和控制配电设备的命令，接收上一级的校时命令、参数设置以及信息上传命令等。
TTU信息采集的特殊性决定了传输TTU信息的远动通信规约与传统输电网通信规约具有不同的特点。
在国外，很多国家都制定了有关电力信号采集和数据通讯的标准，最近我国也制定了相关的标准IEC6087C-5-101，这将大大提高通讯的标准化，有效的改善了装置的通用性[1]。
1.1国内外发展现状
1.1.1变压器监测终端的通信结构
变压器监测终端在配电自动化系统中的通信功能是将实时采集和存储的各种数据按照系统的要求，传送给通信单元或直接传送给主站；
并能接受对方发送的控制命令或其它信息。
目前大多数变压器监测终端没有直接和主站计算机系统通信的能力，需要专门的通信单元，在有些系统中，通信单元的功能由FIU承担，还有一些可直接与主站通信的TTU。
1.1.2存在的问题
传统的配变监测装置通信能力的提高是通过设计能连接采用不同通信标准系统的多种通信接口来实现的。
因此，目前在TTU中所采用的通信技术主要存在以下问题：
（1）大多数TTU的通信功能有限
RS-232C通信有效距离短（15m）；
RS-485总线为主从结构，主接点工作繁忙时影响系统性能和可靠性。
并且，由于其速率低，只能采用问答方式传输数据，传输效率低；
而现场总线也存在着标准难以统一和传输速度慢的问题。
此外，由于元器件的性能不能达到要求以及网络技术应用的原因，使得大多数TTU不能直接与主站进行通信，从而造成通信结构的层次增加，设备投入加大。
（2）通信方式和标准不统一，接口电路复杂
由于配电系统中不同通信层次所采用的通信方式不一样，以及各生产厂家所采用的通信标准往往不一致，导致TTU不是通用性不强，就是接口电路太多、太复杂，既浪费软硬件资源又降低了系统的可靠性。
1.1.3变压器监测终端通信技术的发展
通信系统是建设配电自动化系统的关键技术，采用什么样的通信方式、通信结构很大程度上决定了系统的优劣。
未来的通信技术应该是根据配电自动化系统的实际需要，在保证可靠性及功能要求的基础上，尽量注意开放性及可扩充性，并且所选择的网络应具有一定的技术先进性和通用性，尽量向国际标准靠拢。
应采用规范化、符合国际标准的通信协议和规约。
21世纪配网自动化的一个主要特征就是全面实现由局部的自动化到全网的自动化，即互联网络化。
特别是嵌入式以太网微处理器的发展为配变监测终端采用嵌入式以太网通信技术提供了条件，可以很方便的实现各TTU之间、TTU与主站或其他智能设备之间的信息共享[2]。
2CAN总线概述
2.1CAN总线的产生与发展
控制器局部网（CAN－CONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。
控制器局部网将在我国迅速普及推广。
由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。
为此，1991年9月PHILIPSSEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范（VERSION2.0）。
该技术规范包括A和B两部分。
2.0A给出了曾在CAN技术规范版本中定义的CAN报文格式，能提供11位地址；
而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式，提供29位地址。
此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具--数字信息交换--高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路[3]。
2.2CAN总线技术介绍
2.2.1位仲裁
要对数据进行实时处理,就必须将数据快速传送,这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。
在几个站同时需要发送数据时,要求快速地进行总线分配。
CAN总线以报文为单位进行数据传送,报文的优先级结合在11位标识符中,具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。
这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。
总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。
2.2.2CAN的报文格式
在总线中传送的报文,每帧由7部分组成。
CAN协议支持两种报文格式,其唯一的不同是标识符（ID）长度不同,标准格式为11位,扩展格式为29位。
在标准格式中,报文起始位称为帧起始（SOF）,然后是由11位标识符和远程发送请求位（RTR）组成的仲裁场。
RTR位标明是数据帧还是请求帧,在请求帧中没有数据字节。
控制场包括标识符扩展位（IDE）,指出是标准格式还是扩展格式。
它还包括一个保留位（ro）,为将来扩展使用。
它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度（DLC）。
数据场范围为0～8个字节,其后有一个检测数据错误的循环冗余检查（CRC）。
2.2.3数据错误检测
不同于其它总线,CAN协议不能使用应答信息。
事实上,它可以将发生的任何错误用信号发出。
CAN协议可使用五种检查错误的方法,其中前三种是基于报文内容检查。
（1）循环冗余检查（CRC）
在一帧报文中加入冗余位可保证报文正确。
接收站通过CRC可判断报文是否有错。
（2）帧检查
通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性,用于检查格式上的错误。
（3）应答错误
被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。
如果发送站未收到应答,那么表明接收站发现帧中有错误。
CAN协议也可通过位检查的方法探测错误。
（4）总线检测
有时,CAN中的一个节点可监测自己发出的信号。
因此,发送报文的站可以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。
（5）位填充
一帧报文中的每一位都由不归零码表示,可保证位编码的最大效率。
然而,如果在一帧报文中有太多相同电平的位,就有可能失去同步。
为保证同步,同步沿用位填充产生。
在五个连续相等位后,发送站自动插入一个与之互补的补码位;
接收时,这个填充位被自动丢掉。
例如,五个连续的低电平位后,CAN自动插入一个高电平位。
CAN通过这种编码规则检查错误,如果在一帧报文中有6个相同位,CAN就知道发生了错误。
但这种方法存在一个问题,即一个发生错误的站将导致所有数据被终止,其中也包括正确的数据。
因此,如果不采取自监测措施,总线系统应采用模块化设计[4]。
2.3CAN总线性能特点
2.3.1CAN总线特点
CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。
通信速率可达1MBPS。
它的特点主要有以下几个方面：
（1）完成对通信数据的成帧处理
（2）使网络内的节点个数在理论上不受限制
（3）可在各节点之间实现自由通信
（4）通信速度
（5）结构简单
2.3.2CAN总线优势
CAN属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。
较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言,基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：
（1）网络各节点之间的数据通信实时性强
CAN控制器工作于多主方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。
（2）缩短了开发周期
CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。
这就保证不会在出现在RS-485网络中的现象,即当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。
（3）已形成国际标准的现场总线
与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。
这些也是目前CAN总线应用于众多领域,具有强劲的市场竞争力的重要原因。
（4）最有前途的现场总线之一
与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视。
同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。
CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一[5]。
2.4CAN总线模块
CAN总线模块由一个CAN总线控制器SJA1000和一个CAN收发器PCA82C250组成,它们共同构成一个CAN节点。
模块的电源由接口挂箱上的接口插座提供。
2.4.1芯片简介
SJA1000是Philips公司推出的一种独立CAN总线控制器，用于移动目标和工业环境中的区域网络控制。
它全面兼容CAN2.0B协议，同时支持11位和29位标识码，位速率可达1Mbits/S。
SJA1000有两种工作模式，分别为BasicCAN模式和PeliCAN模式。
PeliCAN模式在BasicCAN模式的基础上进行了功能的扩展，本文的介绍和应用程序都是基于PeliCAN模式。
和51系列单片机一样，SJA1000有自己的数据、地址总线，并且是分时复用的，ALE是地址锁存信号。
SJA1000与微处理器的接口非常简单，微处理器以访问外部存储器的方式来访问SJA1000。
由于SJA1000的内部寄存器分布在连续的地址内，所以完全可以把SJA1000当作外部RAM。
PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线间的接口，它主要是为汽车中高速通讯应用而设计。
此器件对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力，完全符合“ISO11898”标准。
这是全世界使用最广泛的CAN收发器。
PCA82C250可以提供对总线数据的差动发送能力和对通信总线数据的差动接收能力。
其引脚8较为特殊，该引脚用于选择电路自身的工作方式：
高速、斜率控制和待机。
该脚接地时，PCA82C250工作于高速通信方式；
接一个定阻值的电阻器后再接地，用于控制发送数据脉冲的上升和下降斜率（斜率正比于引脚8上的电流值），用以减少射频干扰；
该脚接高电平时，电路进入低电流待机状态。
在这种方式下，发送器被关闭，接收器转至低电流工作，但接收器仍可对CAN总线上的“显性”位做出。
如果PCA82C250处于通信总线的网络终端，在总线上需要加一个120Ω左右的匹配电阻[6]。
2.4.2模块的使用说明
模块上的RESET、INT、TX0、RX0插孔分别对应于SJA1000芯片上的相应引脚。
模块上带有上电复位电路，也可通过RESET插孔进行手动复位，只需在RESET上加上负脉冲。
注意：
SJA1000为低电平复位。
JUMP4跳线为SJA1000提供片选信号，分别对应于接口总线的LCS0∽LCS3。
模块上提供两个RJ45接口和一组“CANH、CANL”插孔接口，这三组接口是完全一致的。
对于近距离CAN模块之间的通讯，可将各模块的“CANH、CANL”插孔用导线连接；
对于远距离CAN模块之间的通讯，则可用双绞线连接各RJ45接口。
每个CAN模块上都有一组终端电阻接口，即“A、B”插孔。
当总线上只有两个CAN节点时，终端电阻可不接。
3变压器监测终端的设计概述
3.1变压器监测终端的技术指标
随着电力电子设备的广泛应用，供电质量和供电可靠性越来越受到重视，电压、电流、谐波、负荷电流水平和功率因数等参数是衡量电能质量的重要参数。
变压器监测终端通过采集这些参数，计算并且判断电能质量的优劣，同时与监测主站进行通讯，接收主站下达的各种命令，传送主站所需的各种参数，达到实时监控的目的。
3.2变压器监测终端的设计概述
变压器监测终端由两大核心部分组成，一是高速数字信号处理器TMS320F206，一是INTEL的工业级CPU芯片80C196KC。
DSP负责数据的采集及处理，而80C196KC负责数据的存贮处理及通讯。
两部分通过双口RAM进行数据的交换和通讯。
参见图1。
图1TTU系统框图
变压器监测终端前端首先把经过CT、PT三相电压、电流，转换为标称值为100V和5A的电压、电流，再把该信号经过传感器转换为跟随式的标称值为5V的电压信号（此处采用西南自动化研究所的WB系列传感器）。
信号经过过零比较器生成频率相同的方波，以利于测频和实现缺相检测。
同时六路信号通过四阶巴特渥斯低通滤波器和采样保持器滤波采样，由DSP控制多路切换开关来选择六路信号分别进入A/D转换器MAX120。
DSP同时控制A/D的采集，且把采集后的数据进行公式计算和FFT运算，以实现对各种参数的检测，并把频率、电压、电流、有功功率、无功功率和谐波存入双口RAM并置位标志位。
变压器监测终端后端发现标志位后，从双口RAM中读出数据，进行各种判断，并将需要的数据存贮于掉电保护的SRAM中，而程序存贮于32K的EPROM中。
一旦上电，80C196KC单片机将自动的从EPROM中读取程序，进行操作。
系统时钟由可编程万年历时钟芯片DS12887提供，同时由控制中心精确对时。
它的各项控制由可编程逻辑器件CPLD（XC95108）完成。
如果判断读出的数据值越限，单片机就控制相应的输出继电器动作，进行外部电容器的投切及报警信息的发送。
如果值没有越限，继续定时发出信号，控制DSP部分开始采集及进行校验。
终端与主站通过RS232、RS485和CAN总线传送信息，RS232主要做为当地调试接口，RS485和CAN用于远程通讯，它们都采用IEC6087C-5-101通讯规约。
终端响应主站以101通讯规约发送的控制命令及各项设置命令，并按照一定的格式把主站需要的数据发送给主站。
系统配有键盘输入和LCD显示，调试人员可以在现场通过键盘输入命令，直接进行控制并从LCD读出所需数据。
系统的电源部分采用开关电源模块，使装置能在较宽的电压范围内正常工作[7]。
3.3数据的存储、处理、显示及通讯的实现
3.3.180C196KC的体系结构和硬件描述
由于变压器监测终端的数据存贮、处理及通讯都是由80C196KC来完成的，这里，首先来了解80C196KC的原理。
80C196KC嵌入了时钟发生器，I/O口，A/D转换器，PWM，串行口，定时/计数器，监视定时器，高速输入/输出器、还有外设事务服务器PTS等外设。
80C196KC具有一个逻辑上完全统一的寄存器空间，可寻址范围为64KB，其中0000H～01FFH单元和1FFFH～2080H单元是有专门用途的，所有其他单元可用于放置程序、数据或由按存贮器映射的外部设备占用。
复位时，程序将从2080H单元开始执行。
见图2。
图280C196KC存贮器布局
00H～1FFH单元包含寄存器阵列、专用寄存器和256字节的附加RAM。
其中，00H～017H是专用寄存器区，除了P3和P4外，其他所有的片外设装置都由这些专用寄存器控制。
018H～0FFH是附加的寄存器阵列，可由RALU直接访问。
100H～1FFH是附加的256字节的RAM，由于采用了“垂直寄存器窗”结构，可以把512字节中的任何一个部分映射到00H～0FFH空间中的顶部，因而CPU就可以对他们直接寻址，即把被映射的部分当作寄存器来使用，使得通用寄存器数增加了256个字节，大大方便了程序的设计。
进行切换时，只要写窗口选择寄存器就可以。
由于芯片是有内部ROM/EPROM的，当芯片引脚/EA接至高电平时，则指令和数据都从内部ROM/EPROM中读取，否则，CPU将从内部RAM或外部存贮器读取数据，从外部存贮器读取指令[8]。
3.3.2定时监测的实现
由于整个系统需要定时采集数据，记录越限值的出现时间，统计总的掉电时间等，因此，全局的时钟信号是必须的。
DS12887实时时钟芯片能够满足系统的上述需要。
它是一款带有128字节的不掉电RAM的实时时钟芯片。
即使在没有电源的情况下，它内置的电池可以保证它正常工作10年。
128RAM中，有14个字节是时钟和控制寄存器，另114个字节作为通用寄存器使用。
DS12887支持Intel和Motorola两种总线方式，MOT管脚是总线选择端，接地时选择Intel总线方式。
它能够正确地进行时分秒年月日以及闰年、闰月的计算。
不掉电RAM保证了当系统掉电时，芯片能够记录下掉电的时间，这样可以对系统掉电时间进行分析和研究。
AD7～AD0是时分复用的信号，直接与单片机的引脚相连。
ALE信号提供给DS12887作为锁存信号，读写线分别连接DS和AS管脚。
/IRQ是中断输出信号，每秒产生一个中断，上拉后接至单片机的中断输入管脚[9]。
芯片的硬件连接如图3。
图3DS12887的硬件连接
使用芯片时，首先要对芯片进行初始化，打开振荡器并进行各项设置，读取时钟时，首先读取A寄存器的值，判断最高位，当UIP＝1时，读取时间，否则表示现在正在进行刷新。
80C196KC在系统配置方面提供了一些可选性，它可以有选择的定义总线控制信号，并在运行中选取外部总线的宽度，还提供了几种就绪控制的方式，所有这些可供选择的信息都贮存在一个所谓芯片配置寄存器CCR（CHIPCONFIGURATIONREGISTER）内。
CCR是一个特殊的专用寄存器，它并不属于内部RAM中的专用寄存器，在存贮器空间中，有一个特殊的单元配置字节（CCB），它的地址是2018h，事先应加以编程，当系统复位且只有复位时，CCB的内容被自动的装载到CCR中，装载后，CCR的值不能再改变。
若存贮器选择信号/EA=0，由外部寄存器访问CCB。
若/EA=1，由内部ROM/EPROM访问CCB。
若/EA接至+12.5v，即在编程时，CCR由另外一个称为编程芯片配置字节PCCB的单元来装载，这个字节不是存贮器映射单元，而是一个独立的EPROM单元[10][11]。
当选通138译码器时，MA14-MA12这3根地址线进行译码，产生时钟、CAN控制器、8255、LCD显示器的选通信号。
程序如下：
process（sel138en）
begin
if（sel138en='
0'
）then
casemaselis
wh
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