中压开关柜在线监测系统中双总线结构通信单元的设计

3 6 2006 年第 11 期优化设计 引言要对开关柜运行状态进行远程检测和诊断， 监测系统必须具有通信能力。 要真正做到在线监测就必须保证通信系统传送数据的实时性和可靠性。另外， 在保证数据正确传输的基础上还要尽量降低硬件成本， 在软件设计方面进行模块化编程， 以便于后期的维护和升级。目前多数在线监测系统都是利用集散控制的思想， 上位机进行数据的集中管理和存储， 下位机实现实时的采集和控制， 上下位机间的数据传输和交换通过 485 总线完成。 由于 485 总线本身存在着很多的局限性， 使得单独使用 485 总线在此监测系统中并不能满足通信要求。笔者提出使用 线和 485 总线相结合的双总线通信方案。线不仅通信可靠性高， 还有主动召唤上位机的功能， 可弥补 485 总线的不足。 该双总线方案不仅能满足通信速度和通信量的要求， 更提高了系统的稳定性以及系统的升级能力。2 基于双总线的通信方案监测系统因监测参数多、 数据量大， 须具备较强的与上位机通信的功能。 在综合考虑了 硬件资源和系统功能划分等因素后， 提出一种线和 485 总线相结合的双总线结构的通信方案。 线负责少量故障数据的主动上传并保证其实时性， 而 485 总线负责传送上位机大量的请求数据， 如故障波形数据等， 保证了通信的可靠性。控制器局域网络 (， 是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信总线， 它具有较高的位速率以及高抗电磁干扰能力 ； 能够检测出任何总线错误， 被认为是最有前途的现场总线之一。 笔者利用内嵌 块的 制器 成信网络。 虽然故障数据一般数据量比较小， 最多只有几十个字节， 但却要求及时送入上位机。 于传送小的数据量和主动上传有很好的优势， 完全可以实现这样的功能。 485 总线以其支持多节点远距离通信和高接收灵敏度以及连线简单等优点在控制领域得到了广泛应用。 485 总线是一个多引出线接口，这个接口可以有多个驱动器和接收器，可以实现一台 多台单片机之间的串行通信， 其最长传输距离可达 12 完全能满足变电站的现场需要。但 线每帧传送的数据量最多只有 8 个字节， 若有大量数据需要传输时， 就要将数据分成很多帧传送， 对其性能产生较大的影响， 同时对软件的要求也比较高， 增加了工作量。 而 485 接口对每次传送的数据量没有什么要求， 完全取决于自定义协议的设计， 这样传送大量数据时比较容易处理。综上所述， 这两种总线配合使用，既保证了突发故障数据 ( 突发故障数据的数据量比较小 ) 的实时上传， 又可以减少软件的复杂性以及工作量。中压开关柜在线监测系统中双总线结构通信单元的设计郭媛媛 荣命哲 王小华 徐铁军（西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 陕西西安 710049 ）重点介绍一套开关柜在线监测系统中通信单元的设计。 通信作为沟通设备层开关柜在线监测装置 （下位机） 和管理主机 （上位机） 的桥梁起着重要作用。为了达到有效进行分布式监测的目的并且综合考虑装置成本、 实现难易程度、 开发周期等因素， 提出采用 485 总线和 线相结合的双总线的通信方案， 线完成故障数据的主动上传从而保证其实时性， 而 485总线负责传送上位机请求数据， 保证了通讯的高效性和实时性。3 72006 年第 11 期优化设计 通信单元的硬件设计该监测系统采用双 构， 即单片机协同工作完成数据的采集处理和显示。 根据 单片机的硬件特点， 通信方面的主要功能概述如下 ： 利用 部集成的 制器实现数据的主动上传功能。 单片机的通用串行总线扩展成 485 总线完成上位机召唤上传的功能。 由于主动上传的时候， 不需要进入通信中断， 主动上传是当下位机监测数据出现异常的时候才进行的， 此时 采集和计算任务都已经结束， 不会对 功能实现造成影响。 单片机处理的都是一些实时性要求不是太高的任务， 当上位机发出通信要求时， 单片机也能及时地响应。 可以看出， 采用双总线的形式兼顾了实时性和高效性两个方面，使下位机的功能划分更加明确， 因为将任务拆分， 单片机和 自承担的任务量相对少了， 两条总线互为补充， 对系统稳定性也有好处。下位机通信单元硬件的设计 485 采用的平衡差分传输技术， 通过两根传输线上的电平差来显示传送的信号， 因此采用 平标准的 口要通过专门的电平转换电路才能与 485 总线相连， 采用专用集成芯片 现该功能。用于 485 通信的半双工收发器， 每个器件均包括一个发送器和一个接收器。 有的限斜率特征， 可减少 及由于使用不恰当的终端电缆而引起的反射， 因而可使其传输速率达到 250 接口的电路原理图如图 1 所示。 口的发送端 (与 驱动器输入端(连接， 接收端 (与接收器的输出端 (连接。 由于 485 是半双工通信， 发送和接收共用一个物理通道， 任意时刻只能有一个节点处于发送状态而其余的处于接收状态， 这在硬件设计上就体现在 驱动器输入使能端 (和接收器输入使能端 (均与 相接， 由制 487 处于接收状态还是发送状态， 具体实现在后面的软件设计中再进行说明。 R 为 120 的终端匹配电阻。下位机监测装置主控单元选用的具有内置的制器模块， 它是一个完全的制器， 但是还需要外加总线收发器才能工作， 另外为了防止在通信的长线传输过程中串入的干扰信号对成破坏， 在总线收发器和 发器选用的 此器件对总线提供差动发送能力并对制器提供差动接收能力。内置 制器通过 两个引脚 ( 接收数据引脚和发送数据引脚 )与外置的收发器连接， 在实际的电路设计时应注意到 电的器件， 而 5V 供电的器件，它们之间不能直接相连， 需要进行电平转换。 用原理如图 2所示， 图中 两个引脚 ( 串行数据输出线 串行数据输入线 连接到收发器， 收发器通过有差动发送和接收功能的两个总线终端 接到总线电缆。 电阻 R 于模式控制， 选择合适的外接电阻可使系统处理高速或者低速工作方式， 该处电阻为 30k ( 波特率 80。 R 为120 的终端匹配电阻。 上位机通信单元的硬件设计上位机 需提供 485 和 两种总线的接口， 为了提高开发效率、缩短开发时间， 选取实现这两种总线接口的集成器件。 232 到 485 的电平转换芯片选取的是 232/ 485 无源转换器。 该转换器的支持远程通信 ( 大于 3和多机通信 (128 接点 ) ， 全双工、 半双工通用， 无需外供电源 ； 且使用方法简单， 只需通过跳线即可实现全双工方式和半双工方式的切换。 笔者使用的是它的半双工的工作方式。 选用一种单路 。 线数据收发由和接口控制电路来访问 制器， 最终完成数据通信。 为了提高系统的抗干扰能力， 在 制器和发器增加了隔离电路， 隔离电路采用光电隔离技术， 本卡自带 C 转换模块， 无需外接电源。 为方便维护和使用， 本卡还有指示电路， 指示电源和通信状况。4 下位机通信单元软件设计过内置 块给上位机主动上传机械特征值、 越限温升数据和绝缘泄漏电流数据。 每一种数据的O B 485 A 485I 用原理图 发器接口原理图( 下转第 65 页 )6 52006 年第 11 期自动控制要在 觉得受到了约束， 设计的习惯也要改变， 会感到不适应， 设计速度反而变慢。 有时由于网络或系统设置的问题使软件使用速度较慢， 也会引起设计师的不满。 这与计观念的改变需要一个过程及设计师对软件使用不熟练有关， 也和系统配置不合理有关。 有时由于使用不熟练和系统配置不合理的关系， 一个简单的流程走几天也走不完也是可能的。 所以， 推广时的阻力比较大。 所以， 在实施 ， 一定要有领导层支持， 强力推行， 一方面做好设计师的工作， 使设计师接受新的设计观念， 另一方面， 积极出面协调解决系统使用中遇到的问题。 设计师使用熟练后， 操作速度自然会快， 系统速度问题解决了， 软件使用速度也会提高， 这样才能顺利推广，走上正轨后 优势就会显现。如果领导不坚持， 设计师就不用， 久而久之， 项目就半途而废了， 造成投资和精力的浪费。4 结束语顺利实施， 一是主动适应新的设计环境 ； 二是需要软件公司提供完善的服务 ； 三是领导层的坚决推行，全体人员一定要有推行到底的决心 。 一旦顺利实施， 必将提高设计效率， 为企业提供更强的市场竞争力。 的基本流程。 当有新的数据时， 通信任务中就使用以上两种通信方式实现数据与 共享以及给上位机的上传。该监测系统为一对多的方式。 上位机通过 485 总线和多台下位机实现主从式通信， 上位机和每一台下位机都有一个地址来标识它在网络中的唯一性。 当上位机向某一个下位机发出请求即要点对点通信时， 这就涉及到多机通信的问题， 485 作为串行通信的一个接口标准并不提供相应机开始接收到报文？ 信流程制， 可由通用异步收发器 (实现。 笔者选用的有 51 内核的 用 串行通信接口， 它提供实现多机通信的工作方式。 具体程序流程如图 4 所示。 上位机通信单元的软件设计上位机管理软件是通信技术、 数据库技术及人机界面技术的结合， 它不仅要完成数据传输、 存贮、 处理和显示 ； 同时还需要对监测单元上传上的开始把数据封装成报文把报文拆分成相关联的 发送 还有 块发送数据基本流程数据进行复杂的处理和保存， 以备以后的分析之用， 这就要利用 强大运算能力和海量的存储容量。 该系统的上位机管理软件正是适应了这种需求， 还可使操作人员不必到达现场， 就可以对监测对象进行监测， 进行参数的下载设定。5 结束语采用 485 总线和 线相结合的双总线通信方案， 实现了两种总线的优