【论文-控制设计】基于CAN总线的电力直流电源监控系统的设计.pdf

第 1期 2 0 08年 2月 工 矿 自 动 化 I nd us t r y a n d M i ne Au t o ma t i on NO I Fe b 2 0 0 8 文章编 号 ： 1 6 7 1 2 5 1 X( 2 0 0 8 ) 0 1 0 0 9 3 0 3 基于C A N 总线的电力直流电源监控系统的设计* 李克俭 ， 陈 文辉 ， 高 远 ( 广 西工学 院电子 信息 与控制 工 程系 ， 广西 柳 州 5 4 5 0 0 6 ) 摘 要 ： 介 绍 了 一 种 基 于 CAN 总 线 的 电 力 直 流 电 源 监 控 系统 的 设 计 及 其 工 作 原 理 。该 设 计 基 于 S 3 C 4 4 B O X 的嵌入 式 系统组 成 系统 的 中央监 控模 块 ， 并通 过 C AN 总线 与 由单 片机 系统 组成 的各 直流 电源 的 现 场控 制 节点通 信 ， 以达到 对各 直流 电源的 集 中监控 ， 从 而 实现整 个 电力 系统管理 的 自动化 。 关 键词 ： 电力直流 电源 ；监 控 系统 ；嵌入 式 系统 ；( AN 总 线 ；$ 3 C4 4 B 0 X 中图分 类号 ： T M7 6 ； T P 2 7 3 文献标 识码 ： B 0 引 言 电力直流 电 源作 为合 闸 、 控制 、 继 电保 护等 重要 装 置 的供 电 电源 ， 在 发 电厂 、 变 电站 、 大 中 型厂 矿 企 业 等供 电系统 中 占有 重 要 地 位 ， 其 可靠 与 否将 直 接 影 响到 电力系 统 的安全运 行 ，随着 电力 系 统 自动 化 程度 的提 高 ， 其 在线 监控技 术倍 受关 注 。 目前 ， 国内 主要 采 用 8位 或 l 6位 8 0 C 1 9 6 K C 单 片 机 ， 使 用 R S 2 3 2 或 RS 4 8 5接 口标 准 的 串行 总 线 和 数据 采 集 电路 构成监 控 系统 ， 然 而 这 样 的监 控 系 统 存 在 数据 处理能力 、 多任务调度能力不强和系统资源利用率 不高 等缺点 ， 不 利 于监 控 系 统 的智 能 化 改 进 ， 而且 监控 系统 的设 备也 存 在兼 容 性 差 、 功 能 装 置 重 复 配 置 、 控 制 电缆重 复 敷设 、 投 资大 、 不 利 于 维 修 调试 等 诸多 不足 。本文 介绍 一种 电力 直流 电源 监控 系 统 的设计 ， 它 以嵌 入式技 术 为 核 心 ， 利用 C AN 总 线将 各 控 制节 点 现场 采 集 的直 流 电源 信息 和 数据 快 速 、 收 稿 日期 ： 2 0 0 7 0 7 2 1 *基 金 项 目 ： 广 西 科学 基 金项 日( 0 4 8 1 0 1 8) 广 西 工 学 院 科 学 研 究 基 金 项 目( 0 6 1 4 】 4 ) 作者简介 ： 李克俭( 1 9 6 2 一) ， 女， 高级 程师 ， 主要研究方向为电 力 系 统 视 与控 制 。 准确 、 实时地 上 传到 中央监 控模 块 ， 同时 中央监 控模 块也 可 以将 向各 控制 节点 下达 的控 制指令 准确 无误 地 发送 到各 直流 电源 ， 从 而实现 集监 控 、 调控 、 保 护 、 通 信 于一体 的 自动化 监 控系 统 。通 过移 植 实时 操 作 系统 u ( ( ) S I I 和嵌 入 式 图形 系统 u G U1 ， 实 现 了中央监 控模块 的软 件 设 计 结构 化 ， 方 便 了管 理 和维护 。 1 系统 工作 原理 图 1是 基 于 CAN 总线 的 电力 直流 电源监 控 系 统 的组成 图 ， 通过节 点 控 制器 。 采 用 CAN 总线 完 成 中央监控 模块 和各 电力 直 流 电 源 的数 据 通 信 ， 构 成 一 个快 速 、 稳 定 、 可 靠 的 自动 化 系 统 。C AN 总 线 属 于现 场 总线 的范畴 ， 是一 种 有 效 支 持 分 布式 控 制 或 实 时控制 的 串行通信 网络 。虚线 框 内为 电力 直 流 电源 的原 理方 框 图 ， 在交 流 电源正 常供 电状 态下 ， 将 开关 Q 合 上 ， 由蓄 电池 组 GB 向合 闸母 线 HM 供 电， 给高压 断 路器直 流操作 机构 提 供合 闸 电源 ； 充 电 机则 实时 在线监 测蓄 电池 组 GB的电压 和 电流 是 否 严格 按照 电池 充 电 曲线 运行 ， 无 须人 工 干 预 便 能 实 现 电池均 充 、 浮充及均 浮 充 的 自动转 换 ， 使 电池 处 于 最 佳工作 状 态 ， 延 长 电池 寿 命 。充 电机 对 蓄 电池 组 3 结语 该软件 已经在煤矿应用 ， 运行稳定 ， 使用状况 良 好 ， 受到 了用 户 的好评 。由于通 信 速率 的影 响 ， 通 过 GS M 实 现煤 矿安 全 的远 程 监控 还 主要 应 用 在 数 据 传输 上 。随着 无线 通 信 技 术 的发 展 、 无线 通 信 速 率 的提 高 ， 无线 图象传输 、 语 音对 话也 将更 多地 应用 到 煤矿 中去 。 参 考文献 ： 1 韩 冰 李芬华 GP R S技术 在 数据 采集 与监 控 系统 中的应用I- J 电子技术 ， 2 0 0 3 ( 8 ) ： 2 6 2 9 2 赵志伟 GP R S技 术及 网络 建 设综 述 I- J 移 动通 信 ， 2 0 02( 6)： 2 3 28 3 煤炭工业部安全司 矿井 安全 监控 原理 与应 用 M 徐州 ： 中国矿业大学 出版社 1 9 9 6 维普资讯 9 4 工 矿 自动 化 2 0 0 8年 2月 GB充电时， 其输出电压高于控制 回路的额定电压， 所 以充 电机需 要先 通 过 电 压调 整 装 置 降压 ， 然 后 向 控制母线 K M 提供高 压断路器直流操作机构的正 常分 闸、 故 障分 闸、 保 护 、 照 明等 直流 电源 。控制 母 线上设 有 电压监 测 、 绝 缘 监测 和 闪光装 置 。当交 流 电源 发生故 障停 止 供 电时 ， 蓄 电池 组 GB通过 电压 调整装 置继续 向控制母 线 KM 供 电 ， 从 而保 证控 制 母线 KM 的不 间断供 电 。 图 1 电力直流电源监控 系统的组成 图 2中央监控 模块 系统 的中央监 控模块 是 由基于 S 3 C 4 4 B O X控制 器 的嵌 入 式系统 组成 的 ， 如 图 2所 示 ， 其 主要 功能是 监视电力系统 中各直流电源的工作 参数和工作状 态 ， 并通过液晶触摸屏设置各直流电源的工作参数， 经 C AN总 线控 制 现 场 的 节 点 控 制 器 ， 控 制直 流 电 源运 行到 所设置 的状 态 。 S 3 C 4 4 B0 X 线 图 2 中 央监 控 模 块 结 构 图 为 了满足 中央 监 控模 块 中图形 界 面 、 实 时 操作 系统和用户程序对存储器的要求 ， 嵌入式系统的 硬件设 计 扩 展 了 2 MB 的 F L AS H R OM 和 8 MB 的 S D RAM。液 晶显示器 采用 S T NL C D 显示 器 ， 触摸屏控制器则选用 1 2 位 8位精度 的触摸屏控制 专用控 制器 AD S 7 8 4 3 ， 它们共 同构成 中央 监视 模块 的 人 机 接 口。 A DS 7 8 4 3 的 P E NI R Q 引 脚 与 S 3 C 4 4 B 0 X 的 P G 5引脚 相连 ， 采用 软 件查 询 的方 式 采集触摸 屏 的动作和位置信 息。由 c AN控制 器 MC P 2 5 1 0 、 高 速 光 耦 6 N1 3 7和 收 发 器 T J A1 0 5 0共 同组成 中央监 控模 块 的 C AN 总 线接 口， C AN 控 制 器 MC P 2 5 1 0的 1 NT 引脚 接 至 $ 3 C 4 4 B 0 X 的 P G6 ( E I NT6 ) 引 脚 ， 采 用 中断 方式 进 行 C AN 总 线 的 数 据 通信 。 C AN 总 线 控 制 器 MC P 2 5 1 0的初 始 化 程 序 包 括 设 置总线 波特 率 、 设 置 滤波 器 、 设 置 中断 等过 程 。 其程 序流程 如 图 3所 示 。 开始 设置 为复位状态 l 下=l_ i 设置总线波特率I 设置 I D过滤器 二二二 设置为正常状态 1一 清空接 收缓冲 区 开放中断 - 一 I返回 1 图 3 CAN 总 线 控 制 器 MCP 2 5 1 0的初 始化 程 序 流 程 图 中央监控 模 块 的 软件 系统 由 u C OS I I 实 时 多 任务操作系统 、 图形界面以及用户程序等模块组成。 u C OS I I 具有 内核 小 巧 、 源 代 码 公 开 、 代 码 结 构 清 晰 、 实 时性 好 等 特点 ， 属 于抢 占式 内 核 ， 可 以管 理 6 O多个任 务 ， 是 一个稳 定 可靠 的内核 。中 央监 控模 块软件系统中的任务主要划分为 C AN总线通信中 断服务 任 务 ， 优 先 级 设定 为 P R I O 1 0 ；触 摸 屏处 理 任 务 ， 优 先 级 设 为 P R I O 1 2 ； 显 示 任 务 ， 优 先 级 为 P R I O 1 5 ； 窗 口消息任 务 ， 优 先级 为 P RI O 1 6 。 图形界 面设计 采用 体积 较小 的嵌 入式 图形 系统 u C GUI， 它可 为任何 使用 L C D图形显 示 的应 用 系 统提供高效的、 独立于处理器和 I C D控制器的图形 用 户 接 口 ， 适 用 于 单 任 务 或 多 任 务 系统 环 境 。u C GU1 嵌 入 式 图形 系统 的设 计架 构 是模 块 化 的 ， 不 同 的模 块 又包 含 不 同 的 层 ， L C D 驱 动 层 包 含 所 有 对 L C D的具体 图形操作 ， 且它是 由标准 C代码 编写 的 ， 不 仅可 以实 现非常 好 的 、 允许 处理 灰度 的颜 色管 理 ， 而 且还 提供 一个 可进 行 2 D 图形 库 扩展 的 、 占用 很少 RAM 容量 的 窗 口管 理 体 系 。S 3 C 4 4 B O X控 制 器 内置 S TN I C D 液 晶 控 制 器 ， 在 设 计 u C GUI 的 L C D驱 动程 序 时 ， 需根 据 L C D 的 尺 寸 和像 素 信 息初始化 S 3 C 4 4 B O X内部 的液晶控制 器， 并编写包 括画点 、 画线和填充区等 L C D驱动的底层函数 。触 摸 屏 的驱动则 需根 据 AD S 7 8 4 3的时序 ， 编写 出相 应 的读取 x 轴和 y轴数据 的子程序 ， 并做好与 u C GUI的接 口。 u C G UI 在 S 3 C 4 4 B O X系 统 中的移 植过 程包 括 初 始化 液 晶控 制 器 和液 晶显 示 器 、 编 写 u C GUI 的 底 层 L C D驱 动程 序 和移 植 u C GUI内核 文件 。首 先 根据 硬件 系统 中液 晶控 制 器 、 液 晶显 示 器 及 触摸 屏 等硬 件信息 ， 对 u C G UI 系统 中的 L C D c o n f h和 GUI c o n f h两 个配 置 文 件 进 行 正 确 设 置。其 中 L C D c o n f h配置 文 件 用 来 配 置 L C D 的显 示 尺 寸 、 维普资讯 2 0 0 8年 第 1 期 李克俭 等 ： 基 于 C AN 总线 的 电力直 流 电源监控 系统的设 计 9 5 每像素的位数、 总线 宽度 以及像素 的 RG B值 等信 息 。利用 文 件 GUI c o n f h可实 现 对 u C GUI功 能 模块 启 用 停 止 的配 置 ， 该 文件 关 于 窗 口管 理 、 存储 器 支持 、 触摸屏 支持 、 防锯 齿处 理等 功 能在默 认设 置 中被 屏蔽 。中央监控 模块 监控 软件 的设 计包 含有 窗 口管理 、 存 储器 支持 和触 摸屏 支持 等功 能 的应 用 ， 所 以需修 改 GUI c o n f h配置文 件 。 3节点控 制器 由 8 9 C 5 1单 片机 组成 的节 点 控制 器包 括 C AN 总线 接 口 、 人 机 接 口 、 D A、 A D 模块 以及故 障报警 模 块 。 其 中 C AN 总 线 接 口 由 C AN 控 制 器 S J A1 0 0 0 、 高 速 光 耦 6 N1 3 7和 C AN 收 发 器 8 2 2 5 0 组成l 7 j 。节 点控 制器 的原理 如 图 4所示 。节点 控制 器既 可 以实现对 系统 中直流 电源 参 数 的 现 场控 制 ， 完成 直流 电源工 作 参数 和状 态 信 息 的采 集 、 显 示 和 报警 ， 并通 过 C AN 总 线 向 中央 监 控 模 块 发 送 这 些 工作参 数和 状态 信 息 ， 由中 央监 控 模 块 集 中监控 系 统 中各 个 直 流 电 流 的工 作 状 态 ， 同 时 也 可 以 通 过 C AN 总线 接收 来 自中央监 控模 块 的控制 信 息 ， 经节 点控制 器控制 直 流 电源 运行 到 由中 央监控 模块设 定 的工作 状态 。 光 耦I H I收 C 发 A 器 故障 、报 CAN 图 4节 点 控 制 器 的 腺 理 图 利用 单片 机 8 9 C 5 1 控 制 A D模 块 采 集 充 电 机 主回路 电压 、 电流信 息 ， 并 在人 机接 口上 实时显 示 主 回路 的 电压 、 电 流参 数 ； 通 过 D A 模 块 控 制触 发 电 路 ， 调 节充 电机 主 回路 整 流元件 的触 发角 ， 从 而调 节 直流 电源 的电 压 、 电 流值 。人 机 接 口 由键 盘 和单 色 L C D组成 ， 节点 控制 器通 过键 盘 设 定直 流 电源所 需 的工作 电压 、 电流 参 数 ， 而单 片机 通 过 D A 模 块 的 调节控 制使得 充 电机 主 回路 工 作 到设 置 状 态 ， 并 通 过 L C D显 示充 电 电压 、 电 流 的实 时值 和设 置值 ， 以 及直流电源的故障报警信息； 其中电压 、 电流的设置 值存储 于 X 5 0 4 5的 E E P R OM 中， X5 0 4 5的看 门狗 定时 器和 电源 电压监 控 功能 可 以有效地 提 高系统 的 抗 干扰能 力 。 单片机系统 的软件设计 中各功能软件模块都 采 用 中断触发 的方式 ， 即通 过 中断 服 务 程序 完 成 节 点控 制 器各模 块 的功 能 。 比如 ： A D模 块 一方 面 采 用 定时 器 T1中断定 时启 动 A D转 换 器 ， 实现 定 时 采集 直 流 电源 参 数 的功 能 ， 另 一 方 面通 过外 部 中断 I NT1 实现 被 转 换 后 数 据 信 息 的读 取 。C AN 总线 的通信程序采 用外部 中断 I N T0方式实现数据 的 接 收和发 送 ， 而 定 时 器 TO中 断则 实 现 人 机 接 口的 定 时刷新 。中断触 发方 式 的程序 结构 可 以提 高系统 的实时性 能 。 4 结 语 本文 基 于 C AN 总线 设计 了一 种 电力 直流 电源 监控 系统 。该 监控 系统 由 S 3 C 4 4 B O X嵌 入式 系统组 成 中央监 控模 块 。系统 中各直 流 电源 的现场控 制节 点 由单片 机系 统组 成 。 中央监 控 模 块通 过 C AN 总 线与各直流电源的现场控 制节点进行高速、 可靠 的 信息通信 ， 能对各直流电源进行集中