现场总线作业 CAN论文.docx

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现场总线作业CAN论文

基于CAN总线的变电站监控系统的设计

摘要

现场总线是自动化领域的计算机网络，是当今自动化领域技术发展的热点之一。

它以总线为纽带，将现场设备连接起来成为一个能够相互交换信息的控制网络，是一种双向串行多节点数字通信的系统。

CAN总线是现场总线的一种，它最初被应用于汽车的控制系统中。

由于其卓越的性能，CAN总线的应用范围已不再局限于汽车工业，被广泛应用到自动控制、楼宇自动化、医学设备等各个工业控制领域。

本文介绍了现场总线及其特点，然后以CAN总线为重点，说明了CAN总线的特点及工作原理。

接着分析了CAN总线在电气控制领域的应用，以在变电站监控系统中的应用为重点，根据变电站监控系统通信网络的特点和要求提出自己的设计思想。

关键字：

现场总线、CAN总线、控制系统、变压器

第一章现场总线介绍

现场总线是应用于现场智能设备之间的一种通信总线，广泛应用于制造工业自动控制和过程工业自动控制领域。

按现场应用的不同要求和规模，现场总线可分为执行器传感器现场总线、设备现场总线和全服务现场总线。

按照国际电工委员会IEC/SC65C的定义，安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。

现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的网络，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

这种网络是用作现场控制系统的、直接与所有受控（设备）节点串行相连的通信网络。

现场总线网络既是一个开放的通信网络，又是一个全分布式控制系统。

它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本的控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控制、管理一体化的综合自动化功能。

因此，现场总线是一项集嵌入式系统、控制、计算机、数字通信、网络技术为一体的综合技术。

现场总线的优点：

1节约硬件数量和投资。

安装在现场的现场总线仪表具有一表多能的特色。

②节约宿主费用和维护费用。

通常现场总线系统采用双绞线实施通信，在一对双绞线上可以挂接多台现场总线设备，因此，安装用的电缆、桥架、接线端子等费用大大下降。

此外相应的设计工作量也大大减少。

③增强数据传输能力。

采用现场总线，可传输各种类型的数据，可进行双向传输，速率加快，多个设备可同时获得信息，使系统和设备间、设备与设备间的传输瞬时完成，大大提高数据能力。

④提高安全性。

设备状态信息和故预警信息为设备运行状态的评估提供了条件，使故障未发生时就能得以消除；故障发生时能及时对故障定位，及时处理；故障发生后，提供的故障信息便于对故障的分析，从而提高系统安全性。

图1-1现场总线控制控制系统FCS示意图

第二章CAN总线知识

CAN意为控制器局域网络,是目前比较流行的一种现场总线,最早用于汽车内部检测部件与执行部件间的数据通信。

由于本身的特点,其应用范围已不再局限于汽车工业,而向过程控制、机械工业、纺织工业、机器人、数控机床、医疗器械、智能建筑等领域发展。

CAN已经形成国际标准,并已经被公认为几种最有效的现场总线之一。

CAN总线目前主要有两种技术规范:

即CAN2.0PartA和CAN2.0PartB。

2.1CAN总线的特点

a）采用多主站工作方式,节点之间不分主从,依据优先级进行总线访问,通信方式灵活。

b）采用非破坏性总线仲裁技术,当多个节点同时向总线发送信息时,按优先级发送。

c）借助接收滤波的多地址帧传送。

d）远程数据请求。

CAN的直线通信距离最远可达10km（速率5Kbps以下）通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。

e）全系统数据兼容,系统灵活。

不关闭总线即可任意挂接或拆除节点。

f）通信介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活。

现场布线和安装简单,易于维护,经济性好。

g）严格的错误检测和界定。

CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能,以使总线上其它节点的操作不受影响。

h）CAN总线上的节点数主要取决于总线驱动电路,在CAN2.0B标准中,其报文标识符几乎不受限制。

总之,CAN总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点。

2.2CAN的工作原理

当CAN总线上的一个节点（站）发送数据时,它以报文形式广播给网络中所有节点。

对每个节点来说,无论数据是否是发给自己的,都对其进行接收。

每组报文开头的11位字符为标识符,定义了报文的优先级,这种报文格式称为面向内容的编址方案。

在同一系统中标识符是唯一的,不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。

当几个站同时竞争总线读取时,这种配置十分重要。

一个站要向其它站发送数据时,该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片,并处于准备状态;当它收到总线分配时,转为发送报文状态。

CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出,这时网上的其它站处于接收状态。

每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测,判断这些报文是否是发给自己的,以确定是否接收它。

由于CAN总线是一种面向内容的编址方案,因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。

我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。

当所提供的新站是纯数据接收设备时,数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。

它允许分布过程同步化,即总线上控制器需要测量数据时,可由网上获得,而无须每个控制器都有自己独立的传感器。

2.3通信模型

CAN遵从OSI模型，只采用了OSI参考模型全部七层中的的两层，即物理层和数据链路层。

物理层分为物理层信号、物理媒体连接与介质从属接口三部分，完成电气连接、定时、同步、位编码解码等功能；数据链路层分为：

逻辑链路控制子层与媒体访问控制子层两部分。

结构图如下所示。

图2-1CAN总线的分层结构

第三章CAN总线在变电站监控系统中的应用

3.1变电站监控系统通信网络的特点和要求

变电站通信网络的要求

数据通信在变电站自动系统中具有十分重要的特性，经济、可靠的数据通信是系统的技术核心。

由于变电站的特殊环境和对自动系统的要求，使变电站自动控制系统内的数据网络具有以下特点和要求。

3.1.1快速的实时响应能力：

变电站自动化系统的数据网络要及时地传输现场的实时运行信息和操作控制信息，根据信息做出相应的操作。

因此，对实时性要求很高。

3.1.2高可靠性：

电力系统是连续运行的，通信网络也必须连续运行，通信网络的故障和非正常工作会影响整个变电站自动控制系统的运行。

系统设计不合理会造成设备和人身事故、造成很大的损失，因此变电站自动化系统的通信系统必须保证有很高的可靠性。

3.1.3优良的电磁兼容性能：

变电站是一个具有强电磁干扰的环境，存在电源、雷击、跳闸等强电磁干扰和地电位差干扰，通信环境恶劣，数据通信网络须注意采取相应的措施消除这些干扰。

3.2变电站监控系统的总体结构

变电站监控系统体系结构采用对象划分设计，每一个单元的保护、计量、控制等智能装置都挂接于总线上。

每一个一次设备对应于一个二次设备，该二次设备集保护、测量和控制功能于一体，在保证继电保护相对独立性的前提下集测量和控制于一体。

系统的监控主机和远动主机也同样挂接在总线上。

这种结构的系统利用了分布式控制系统功能分散的优势，又拥有CAN总线实时性好、性能价格比高的优点，满足了变电站提高自动控制系统性能需要，是今后变电站自动化系统发展的方向。

系统由上位机、通信适配卡、智能终端以及相关软件组成，使用CAN总线对变电站高压线路的底层测控系统的数据通信网络进行了设计。

其系统结构如图所示。

该系统可实现交流数据的采集、处理、控制，对变电站监测监控。

本系统的关键硬件是智能终端和通信适配卡的设计。

图3-1系统的总体框图

在系统中，每一组线路（高压进线或者馈线）对应一个测控单元，从而构成变电站的测控网络，此外还可以把变电站中其它单元的测控保护装置也一起挂在CAN总线的网络中。

而变电站层的监控主机（可以是一台，也可以是多台）也同时连接在系统的网络上，他们之间的通信可以是点对点的通信，也可以是点对多点的方式。

CAN通信线路使用双绞线。

总线的每个末端均接有抑制信号反射的终端电阻R，当通信介质为双绞线时，一般取R=100～120。

在实际组网的时候，应根据现场的情况决定图中的3个参数。

节点分支长度D应小于0.3m；相邻节点的距离S和不加中继的可靠通信距离L取决于总线的通信速率，速率越高，其值越小。

整个系统通过CAN总线将各测控单元连成分布式结构的现场控制网络，网络中各个测控单元分别有自己的ID标志，且保证各自的ID不重复。

由测控单元负责采集线路及线路上开关的各种信号参数，通过CAN总线送至系统监控机单元，建立起全变电站线路的数据库，计算机对整个CAN总线系统进行监视管理，具有系统参数（如传输速率、节点地址等）设置、数据发送、数据接收、本机状态查询、节点状态查询、中断状态查询等功能。

系统监控机单元采用工业控制机配CAN总线通信接口卡组成，它接收测控单元发来的数据，经计算机进行相应的计算处理得出各组线路的各个参数的值，根据各种参数及其波形等相关性质，从而具体分析得出各线路的工作状态。

CAN总线通信接口卡使监控机能方便地连接到CAN总线上，它由CAN接口电路及其与计算机内部总线的连接电路组成，确保数据能准确地在CAN总线和计算机之间流通。

3.3智能终端设计

智能终端主要是一个数据采集块，安装在现场，直接和设备相连，完成测量、通信和控制功能，其原理结构如图所示。

图3-2智能终端结构框图

该智能终端使用的数据采集模块可采集交流数据，它是以单片机C8051IF040为核心，对一路馈线电量进行交流数据采集，经过算法运算处理后得到所需参数，通过其CAN口将数据传到上位机，进行监控。

从互感器输出的三相电压、三相电流转换成合适的电压直接送到采用保持器S/H，再送至C8051IF040的模拟输入端，经多路选择开关，A/D转换器，送至CPU处理后由CAN口送至上位机。

每周期采样64个点，采用均方根值法和傅里叶算法比较后选其优者。

3.4CAN通信适配卡设计

CAN通信适配卡插在上位机的扩展槽上，实现智能终端与上位机之间的高速数据交换。

主要由双口RAM，嵌入式处理器80C188，CAN通信控制器SJA1000，CAN收发器82C250，数据缓冲器等组成，其硬件原理结构图如图所示。

该适配卡的CAN纵向网络通信功能由嵌入式微处理器80C188和CAN控制器SJA1000完成具体的报文发送和接收控制任务。

该适配卡上的高速双口RAM在PC机和适配卡上的CPU之间建立起双向的数据交换通道，可实现PC机与CAN控制器之间的数据传送。

适配卡上带有光电隔离，能避免PC机由于环流造成的损坏，增强了系统在现场环境中使用的可靠性，提高了抗干扰能力。

图3-3CAN通信适配卡原理结构图

3.5软件设计

软件设计的关键是CAN通信软件的程序设计。

CAN通信软件设计的一层结构模型为网络物理层、数据链路层和应用层。

网络物理层和数据链路层的功能由CAN接口器件完成，包括硬件电路和通信协议两部分。

CAN通信协议规定了四种不同用处的网络通信帧，即数据帧、远程帧、错误指示帧和超载帧。

CAN通讯信协议的实现，包括各种通信协议的组织和发送，均是由基成在SJA1000通信控制器中的电路实现的。

因此，系统软件开发的重点在应用层软件的设计上，主要包括初始化、发送、接收三大部分程序。

3.5.1初始化程序

初始化程序主要是通过对CAN控制器SJA1000控制段中的寄存器写入控制字，进行初始化，从而确定SJA1000的工作方式。

SJA1000是PhiliPs生产的一种独立的CAN控制器，用于移动目标和一般工业环境中的局域网络控制（CAN），是一种比较先进的控制器。

其流程图如图所示。

3-4初始化程序流程图

3.5.2发送程序

发送程序是把需要发送的信息帧送至SJA1000的发送缓冲区，并且启动发送命令。

信息从SJA1000的发送缓冲区到CAN总线的过程则由SJA1000自动完成。

程序流程如图所示。

图3-5发送程序流程图

3.5.3接收程序

接收程序是从SJA1000的接收缓冲区读取要接收的信息，释放接收缓冲区，并对接收的信息精心处理。

信息从CAN总线到SJA1000接收缓冲区也是SJA1000控制器自动完成的。

程序流程如图所示。

图3-6接收程序流程图

总结

CAN总线作为数字式串行通信技术，以其可靠性、实时性和灵活性等特点，受到广泛的关注，其应用的领域越来越广。

也相应推出了CAN总线协议的配套器件。

本文以变电站监控系统的设计介绍了CAN总线的应用、原理和特点等知识。

这种结构的系统利用了分布式控制系统功能分散的优势，又拥有CAN总线实时性好、性能价格比高的优点，满足了变电站提高自动控制系统性能需要，是今后变电站自动化系统发展的方向。

参考文献

【1】王慧锋、何衍庆编著，现场总线控制系统原理及应用.化学工业出版社.2006年.1-6页；

【2】张强，基于CAN总线的变电站监控系统.2007年.2-4页；

【3】邹继军、郑勇芸编著，现场总线CAN原理与应用技术.北京航空航天大学出版社.2003年.14-18页、39-42页；

【4】张春花，CAN总线简介及其应用研究.2004年.15-16页；

【5】陈敬谦，基于CAN总线的变电站测控系统设计.2005年.51-60页。