摘  要：变电站中的数据通信是影响整个系统性能的重要因素，因而对数据通信模块的正确合理地研究、设计就变得非常重要。本文简要介绍了变电站自动化系统中基于CAN总线的数据通信模块及其通讯原理，介绍了各组成部分的设计方案，比较了他们的优缺点。在满足数据通讯要求的前提下，本着节省资源，方便现场，提高设备的兼容性，方便硬件扩展和升级的原则，为数据通信模块的设计提供参考。

关键词：CAN总线；数据通信；通用串行总线USB；即插即用

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（Controller Area Network，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。
2 RS－／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。
3 CAN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10 km（速率5 kb／s以下）；通信速率最高可达1 Mb／s（通信距离40 m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。
4 CAN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（20 kb／s）和短距离内（典型的50 ft）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）33 MHz／66 MHz总线时钟；
　　3）132 MB／s（33 MHz／32位）—528 MB／s（66 MHz／64位）的总线带宽；
    4）PCI—PCI桥系统扩展功能；
    5）Plug and Play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（IndustryStandard Architecture，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480 Mbps，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5 V的电压和500 mA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。
    （3）软件设计
　　软件设计包括两部分：一部分为80C51微控制器的软件设计，包括与间隔层设备间的CAN总线数据传输及与上位机USB口的数据通信；另一部分为PC上位机软件的设计。
　　这部分上位机的软件较为复杂，若采用面向对象的语言编写软件，可使用Active X控件实现数据通讯。对于微控制器和上位机的软件设计，考虑到将来间隔层设备结构的变化及硬件升级的需要，程序设计分为两层：底层负责数据的接收和发送；上层负责数据帧的打包、解包、协议的解释。
    （4）评价
　　使用USB接口可以方便现场，即插即用，有利于PC机的维护和升级，满足变电站数据通讯的要求。
    （5）改进建议
　　为了充分利用原有的上位机RS－232通讯接口，充分利用原有的基于RS－232的软件，节省资源。同时为了将来硬件升级的需要，提高设备的兼容性，可以设计一种集RS－232、USB两种方案于一身的通讯模块，就是将上面3．1，3．3结合起来，通讯模块与上位机有两个接口即RS－232和USB。
    采用这种方式的好处在于，一方面可保护原有的软件开发投入，并使已开发成功的针对RS—232外设的应用软件不加修改可继续使用；另一方面充分利用了USB总线的高传输速率和即插即用的特性。
5 结论
　　数据通信模块在变电站自动化中占有很重要的角色，保证数据通讯的速度、质量、抗干扰能力，成为实际运行中力求做到的目标。本文分析了基于CAN总线的变电站自动化系统中的数据通信模块，介绍了各组成部分的设计方案。USB接口的改进可以节省资源，方便现场使用，做到即插即用，有利于工业PC机的升级。整个数据通信模块满足了上位机和测控保护设备的数据通讯的要求，较好的实现了主机与间隔层设备的通讯。

参考文献

1　邬宽明．CAN总线原理与应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1996
2　阳宪惠．现场总线技术及其应用．北京：清华大学出版社，1999
3　Philips Semiconductors．PDIUSBD12 Specification．1999