基于CAN总线的嵌入式控制系统

第26卷第9期电网技术V ol. 26 No. 9

2002年9月 Power System Technology Sep. 2002 文章编号：1000-3673 (2002) 09-0033-04

基于CAN总线的嵌入式控制系统　

张晓军, 解大, 苏建设, 陈陈

（上海交通大学电力学院，上海　200030）　

　

EMBEDDED CONTROL SYSTEM BASED ON CAN BUS IN

SUBSTATION AUTOMATION

ZHANG Xiao-jun, XIE Da, SU Jian-she, CHEN Chen

(Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China)

ABSTRACT: As a new control system, Fieldbus Control System (FCS) is used widely in power system, especially in Distribution Management System (DMS) and substation automation. In this paper the CAN (Control Area Network) bus and the industry standard embedded bus PC/104 are presented. An embedded control system based on CAN bus for substation automation is designed and put into operation in dynamic simulation laboratory, the results of the experiment are satisfactory.

KEY WORDS: substation automation; Controlled Area Network (CAN); embedded system; fieldbus; PC/104

摘要：现场总线控制系统作为新一代控制系统在电力系统尤其是在配电网自动化和变电站自动化中得到了广泛的应用。文中介绍了现场总线中一种很有影响的控制局域网络（Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ，　ＣＡＮ）总线技术，同时介绍了嵌入式计算机的工业标准ＰＣ／１０４总线，设计出可用于变电站监控的基于ＣＡＮ总线的嵌入式控制系统，并已在动态模拟实验室中投入运行，取得了满意效果。　

关键词：变电站监控；ＣＡＮ总线；嵌入式系统；现场总线；ＰＣ／１０４总线

中图分类号：TM 63；文献标识码：A

1 引言

现场总线是应用于生产现场的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系统。它具有如下功能：①系统的开放性；②互操作性与互用性；③现场设备的智能化与功能自治性；

④系统结构的高度分散性；⑤对现场环境的适应性。因此，现场总线成为当今自动化领域技术发展的热点之一，被称为自动化领域的计算机局域网[1]。

自20世纪80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示优势，控制局域网络(Control Area Network, CAN)总线就是其中的佼佼者。CAN最早由德国BOSCH 公司推出，原先用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。由于其具有高性能、高可靠性的优点及独特的设计，因此其应用范围已向过程工业、机械工业、机器人、传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准，并被公认为几种最有前途的现场总线之一[2]。

要将现场总线应用于工业，需要与之相适应的控制模块。工业控制标准PC/104总线由于其具有体积小、堆叠式总线扩展方式、功耗小、可靠性高、容易开发等优点而已成为嵌入式系统的主要成员[3]。对于嵌入式控制系统，必须具有在恶劣的工业环境里长期可靠工作的能力。

配电自动化和变电站自动化是电力系统发展的2个重要方向。所谓配电自动化，是指利用现代先进的电子技术、计算机网络、通信技术，实现对配电网正常运行时的控制、检测和故障时的快速处理，以及配电的生产管理、设备管理的自动化等。而变电站自动化是将变电站中的微机保护、微机监控等装置通过计算机网络和现代通信技术集成为一体化的自动化系统[4]。在变电站监控系统中利用CAN现场总线技术可以实现数据采集和处理、报表生成和打印、机组顺序控制、功率调节、语音报警、远动等功能，为提高变电站的自动化水平、少人值守甚至无人值守、安全经济运行等提供了一个全新的解决方案[5~8]。

本文设计了一个基于CAN现场总线技术的嵌入式控制系统。它配有多种与外部实际设备连接的

DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2002.09.008

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接口，可以应用于配电网综合自动化、变电站在线监控等领域。CAN的控制器采用的是Philips半导体公司的SJA1000，嵌入式接口采用的是现行工业标准PC/104总线。

2基于CAN总线技术的变电站监控系统

图1为一110/35kV的变电站监控系统示意图。数据采集/监控模块采用现行工业标准PC/104嵌入式局部总线，将数据采集模块和监控模块嵌入在一块专用的应用板上，使用方便灵活。现场总线采用CAN总线技术。CAN属于总线式串行通信网络。由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，基于CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下：

线

图1 110/35kV变电站监控系统

Fig . 1 Supervision and control system of 110/35kV

transformer substation

1）CAN为多主方式工作。网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其它节点发送信息。

2）CAN采用非破坏性总线仲裁技术。网络上的节点信息按不同的实时要求分成不同优先级。

３）CAN的直接通信距离最远可达10km(速率小于5kb/s)，速率最高可达1Mb s(40m以内)。

４）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。

５）CAN采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。

６）CAN节点在错误严重的情况下有自动关闭输出功能，使总线上其它节点的操作不受影响。

正因为CAN总线具有突出优点，所以使其在变电站监控中可以保证数据采集传输的实时性，满足在线监控的要求。当需要检测的数据量很多，超过了CAN总线的最大节点数时，则可以将其分成子网，中间用网桥/路由器相连，扩展也很方便。监控模块不仅提供CAN总线接口，同时也提供RS422/485接口，通信十分灵活。整个监控系统可以实现电量监视、故障录波、计量等功能。

3 嵌入式控制系统的设计

3. 1 CAN总线控制器SJA1000

CAN控制器主要由实现CAN总线协议部分和与微控制器接口部分电路组成。本文采用Philips 半导体公司生产的CAN总线控制器SJA1000。它在管脚和电气特性上与PCA82C200完全兼容。作为CAN总线独立的控制器，SJA1000可以用在汽车业和一般工业环境。它有2种工作模式：基本模式和扩展模式。当工作在基本模式时，它与PCA82C200没有区别。扩展模式是它的新模式，在此模式下可支持CAN 2.0B标准，功能得到进一步加强[9]。

3. 2基于CAN总线的嵌入式控制系统原理

基于CAN总线的嵌入式控制系统的整个模块如图2所示。

图2基于CAN总线的嵌入式控制模块原理图Fig . 2 Diagram of embedded module based on CAN bus PC/104提供了一个非常紧凑的与标准台式PC 或PC/AT结构完全兼容的层叠栈接模块。它将台式PC机的全部功能重新包装于一个格式标准统一、稳定可靠、灵活且符合嵌入式系统尺寸的标准模块中，与PC兼容，用于嵌入式系统设计以替代传统的嵌入式微处理器十分适宜[10]。通过PC/104总线，微处理器能够非常方便地和系统通信。当然，为了增加局部总线的驱动能力，可以在微处理器和PC104总线之间增加数据/地址驱动电路。为了系统的扩充能力，增加了地址译码电路，译出的地址0300H~031FH以备将来的I/O外设使用。为满足大量数据交换的要求，特增加了8kb的RAM以扩展内存。为保持内存地址的连续性，将RAM的内存地址设为4000H~5FFFH。为了提高本控制模块的安全性和抗干扰能力，采用了光电耦合器件以构成光电

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隔离电路。同时为了增加有效的传输距离，采用了Philips公司的高性能CAN总线收发器82C250,它具有高速性（最高可达1Mb/s）、能抗瞬间干扰、保护总线、支持多达110个节点的连接等优点。另外，设计了CAN地址选择电路，以确保CAN总线节点在整个系统中的唯一地址。CAN控制器和总线上设备的交互与其控制段、发送缓冲层、接收缓冲层密切相关，其验收码寄存器的验收码位(AC.7~AC.0)和报文标识符的最高8位(ID.10~ID.3)必须等于由验收屏蔽位(AM.7~AM.0)屏蔽的那些位。若满足下列等式，则予以验收：

[(ID.10~ID.3)=(AC.7~AC.0)] ＯＲ　(AM.7~AM.0)=11111111B 本控制模块的内存分配情况如表1所示。

表1控制模块内存分配表

Tab. 1Memory allocation of control module

设备内存地址

I/O设备0300H~031FH

静态读写存储器RAM4000H~5FFFH

总线控制器SJA1000 8000H~801FH

将设计好的PC/104模块作为一独立的控制系统插入专用的应用板，同样的模块可以有若干个，以层叠的方式嵌入同一块应用板，既可以完成类似的功能，也可以完成完全不同的其它功能(如数据采集转换等)，充分体现了嵌入式总线灵活方便的优点。

3.3基于CAN总线的嵌入式控制系统的软件[9]

软件采用汇编语言编写，具体的流程如图3~图6所示。

图3通用程序流程

Fig. 3 General program flow

图3为整个流程图。CAN总线在收发信息时有2种方式：中断方式和查询方式。图4为查询方式发送信息时的流程。图5为采用中断方式接收信息时的流程。在实际应用中可以根据情况选择其中的一种。图6为初始化SJA1000的流程。

Fig. 4 Flow diagram “transmission of a message”

图) Fig. 5 Flow diagram “reception of a message”

图6 SJA1000初始化流程图

Fig. 6 Flow diagram of “initialization of SJA1000”

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4 现场运行结果

本文所设计的监控系统可以实现电量监控、故障录波、计量等多种功能。它已经在上海交通大学动态模拟实验室投入运行。图7为通过基于CAN 总线的控制系统采集到的可控串联补偿（TCSC）调制模式下的各支路电流实测结果。图8为在同等条件下由录波器得到的结果。由图看出，CAN总线嵌入式控制系统具有良好的实时性，完全可以满足实时监控的需求。

图7 控制系统监控结果

Fig. 7

Results of control system monitor

图8 录波器输出结果

Fig. 8 Results of waveform recorder output

5结语

CAN总线技术在电厂、变电站、电力系统中有广阔的应用前景，能在可靠性、高精度、经济性等多方面获得最大的效益；以工业标准PC/104 为代表的嵌入式控制系统具有突出的优点，十分适合于工业环境的要求。将二者相结合，可为配电自动化和变电站自动化提供一全新的解决方案。本文设计的基于CAN总线的嵌入式控制系统已经在上海交大动模实验室投入运行，效果良好。可以预见，基于总线技术的嵌入式控制系统在电力系统的自动控制领域将有很好的发展前景。

参考文献

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[4] 赵祖康，徐石明，变电站自动化综述[J]．电力自动化设备，2000，

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[5] 李庆军，赵黎明，戴文晶．浅谈CAN总线技术及其在电站监控中

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[9] Philips Data Sheet：SJA1000 Stand-lone CAN Controller，2000，(4)：

1-68．

[10] 徐昕，陈明，唐修俊，等. 基于PC/104总线标准的嵌入式数字遥

控系统设计[J]．工业仪表与自动化装置，2000，(3)：27-29．

收稿日期：２００１－０８－０９； 改回日期：２００１－０９－２９。　

作者简介：　

张晓军（１９７７－），男，硕士研究生，从事可控串联补偿方面的机理研究；　

解 大　（１９６９－），男，博士，讲师，从事电力系统ＦＡＣＴＳ研究和电力系统仿真；　

苏建设（１９７１－），男，博士研究生，从事电力系统ＦＡＣＴＳ研究和电力系统仿真；　

陈 陈　（１９３８－），女，教授，博士生导师，研究方向为电力系统稳定及控制。　

（编辑查仁柏）

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