变电站自动化系统中基于CAN总线的数据通信翟永昌，李永丽（天津大学电力及自动化工程系，天津300072）

1引言
　　变电站自动化系统用于实现对变电站内设备和进出供电线路的监视，控制，保护，开关闭锁，远方信息交换。随着计算机软硬件及网络技术的发展，现在一般的变电站自动化系统都实现了分散分布式的结构，将整个系统分为变电站层和间隔层。变电站层包括综合操作屏、应用主机、实现软件开发和管理的工程师主机、全站性的监控、通讯、远动主机；间隔层一般按断路器间隔进行划分，每个间隔层设备实现一个断路器的功能。
　　间隔层有很多保护测控装置，怎样实现这些测控装置与变电站层的各主机的通讯，保证数据传输的速率与质量，增强抗干扰能力，就成为通讯模块需要集中解决的问题。CAN总线能满足这些条件，实际运行中也被大量的使用。现场运行表明CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网）总线符合变电站自动化系统的数据通讯的要求。
　　如图1所示，基于CAN总线的间隔层与变电站层的数据通讯系统组织原理图。其中从保护测控装置到PC（PersonalComputer，个人计算机）机的数据传输由数据通信模块实现，主要包括三部分：RS－485／CAN转换，CAN总线，CAN到PC机的通讯。　　下面针对数据通讯系统分别介绍各部分的设计方案和工作原理。
2RS－／CAN的转换
　　间隔层的测控设备一般都留有485口，既可以保证数据通讯的质量和距离，又方便于测控设备微控制器的开发。要使系统的CAN总线正常工作，首先需要进行RS－485（串行接口链接标准）与CAN总线的数据转换。
　　图2为RS－485／CAN转换设计方案示意图。图中：DS96176为RS－485的总线收发器；
SJA1000为CAN控制器；
6N137为光电隔离；
82C250为CAN总线收发器。
　　这样，在微控制器中加载适当的数据收发和转化程序，就可以实现RS－485／CAN的转换。
3CAN总线
　　现场总线的种类很多。CAN总线由于传输速度快，可靠性高等特点，为变电站自动化系统广泛采用。
CAN总线的主要特点：
　　（1）CAN为多主方式工作。网络上任一节点、任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活；
　　（2）CAN采用短帧结构。数据帧中的数据最多为8个字节，这样不仅满足了控制领域中传送控制命令、工作状态和测量数据的一般要求，而且保证了通信的实时性。CAN网络上的节点信息分为不同等级，可满足不同的实时要求。高优先级的数据最多可在134μs内得到传输；
　　（3）CAN采用非破坏性总线总裁技术，当多个节点同时发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而高优先级的节点可不受影响地传输数据。CAN的直接通信距离最远可达10km（速率5kb／s以下）；通信速率最高可达1Mb／s（通信距离40m以下）。CAN节点在自身发生严重错误的情况下具有自动关闭功能，从而保证网络上其他节点的操作不受影响。
　　目前变电站层大多采用工业PC机，为实现PC机与CAN总线的连接，就需要设计它们之间的通信方案。
4CAN总线与上位机（PC机）通信方案设计　　
　　CAN总线与PC机的通讯方案主要有三种。CAN总线通过232口与PC机通讯；CAN总线通过PCI总线与PC机通讯；CAN总线通过USB（Uni－versalSerialBus，通用串行总线）口与PC机通讯。下面分别介绍他们的设计方案及优缺点。
4．1　CAN总线通过口与PC机通讯
（1）RS－232特点
　　RS－232适合于相对慢的数据速率（20kb／s）和短距离内（典型的50ft）进行单端数据传输。抗噪声干扰的能力差，尤其是共模噪声固有的耦合到信号系统中，影响了传输距离和质量。
（2）设计方案
　　如图3所示，硬件上主要由CAN收发器、CAN控制器、单片机、电平转换组成。CAN总线收发器82C250接到CAN总线上，收发器将数据传给CAN控制器SJA1000，CAN控制器通过地址／数据总线并行发给8051，在8051内转换为串行数据，经其串口传到MAX232，TTL电平经MAX232转换为RS－232电平，数据就与PC机的COM口建立了通讯。（3）评价
　　由于RS－232不能很好的满足变电站数据传输速率和距离的要求，且抗干扰能力较差，这样的方案在现场运行中存在很大的局限性。
4．2　CAN总线通过PCI总线与PC机通讯
　　（1）PCI（PeripheralcomponentInterface，外围部件接口）总线的特点
　　1）地址／数据复用的32位／64位总线，引脚数目较少；
2）33MHz／66MHz总线时钟；
　　3）132MB／s（33MHz／32位）—528MB／s（66MHz／64位）的总线带宽；
4）PCI—PCI桥系统扩展功能；
5）PlugandPlay功能。
PCI局部总线的全多主能力允许PCI总线的主设备能对等地访问总线上的任何主设备或从设备。另外，PCI配置空间规范保证了系统资源的自动配置，极大地提高了系统的易用性。
（2）CAN总线与PCI总线接口的硬件设计
　　这里选用S5933作为总线控制芯片。设计方案如图4所示。　　80C51将接收到的数据传到双口RAM，通过中断控制逻辑，协调微控制器与PCI总线控制芯片S5933的读写操作，S5933最终与PCI总线插槽连接起来，从而实现了总线转换。
（3）评价
　　国内市场上已经有CAN／PCI接口卡，直接插在机箱内，使用比较方便。同理ISA（IndustryStandardArchitecture，工业标准结构）数据采集卡的使用类似于PCI。某些计算机可能没有空闲的插槽去安装接口卡，或者象笔记本电脑那样，根本就不支持PCI或ISA总线接口，这就需要下面所说的USB口。
4．3　CAN总线通过USB口与PC机通讯
　　（1）USB与传统的外围接口相比，主要有以下一些特点：
1）速度快。USB2．0把速率提高到480Mbps，并且多个高速外设可同时运行；
　　2）支持热插拔和即插即用。采用USB接口的外设可以随时接入和拔离系统，USB主机能够动态地识别设备的状态，自动给接入的设备分配地址和配置参数。无需用户干预USB设备，也不涉及IRQ（中断请求）冲突等问题；
　　3）易扩展。USB采用的是易于扩展的树状结构，通过使用USBHub的扩展，可连接多达127个外设；
　　4）独立供电。USB的每个端口可以输出最大达5V的电压和500mA的电流；
　　5）支持多媒体。USB提供了对电话的两路数据支持，支持异步及等时数据传输。
（2）硬件设计方案
　　如图5所示为CAN／USB转换设计方案示意图。　　PDIUSBD12是性价比很高的USB器件。它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口。
　　80C51微控制器将收到的CAN总线的数据发给USB接口的控制芯片PDIUSBD12，后者将数据经光电隔离通过USB电缆接到PC机的USB接口。
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