（电力系统及其自动化专业论文）数字保护装置通信技术研究.pdf

l l z $ q i 目r l t t e xi i 传送，可以方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。i i c 总线采用器 件地址的硬件设置方法，通过软件寻址，避免了器件的片选线寻址方 法。 4 本文研究了新型数字保护装置的开关量输入电路，m c u 通过 s p i 接口与芯片m c 3 3 8 8 4 或m c 3 3 9 9 3 的通信，从而获得开入量，与以 往的开入电路相比，利用一片m c 3 3 8 8 4 芯片就可接入1 2 路开关量， 采用s p i 接口，在节省p c b 板面积的同时，也大大减少了口线的使用。 更重要的是在抗干扰和温度适应方面，m c 3 3 8 8 4 芯片均有较以前开关 量输入电路有优势，这样开关量输入电路的可靠性有了明显的提高。 5 为解决远方通信，根据目前最新研究的技术，本文介绍的 m c 9 0 8 g p 3 2 具有同外部i n t e r n e t 通信的功能，这也是有待进一步 探索的课题。 总之，随着高性能，多功能，综合性强的单片机的不断研制，数 字保护装置也将会逐步地进行改善，紧跟国际先进水平，推动电力系 统的稳定发展。 关键词：数字保护，通信，c a n ，1 1 c ， s p i 太 i l z 大掌习| 竞生掌论文i i i a p p l i c a t i o no fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t od i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e s a b s t r a c t r e l a yp r o t e c t i o n i s v e r yi m p o r t a n t t o g u a r a n t e e t h e s e c u r i t y o f e l e c t r i c p o w e rs y s t e m ， s ot h e r e l i a b i l i t y ，r a p i d n e s s ，e c o n o m y a n d s e n s i t i v i t y o f r e l a yp r o t e c t i o n d e v i c e sh a v e l a r g e e f f e c t st ot h e d e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m w i t ht h ei m p r o v e m e n to fc o m p u t e r s ，t h e s t u d i e so f d i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e s b a s e do nm c uh a v eg i v e nt h e mb e t t e r s o l u t i o n i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ， d i g i t a lp r o t e c t i o n d e v i c e sa r ea l s o i m p r o v e d i n t h i s p a p e r , t h e c o m m u n i c a t i o n st h a ta r eu s e di nd i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c ea n dt h ep r o t o c o l t h e yf o l l o w e da r es t u d i e d a sak i n do f f i e l db u s t e c h n o l o g y , c a n ( c o n t r o l a r e an e t w o r k ) i sa p p l i e dt ot h ec o m m u n i c a t i o n so fd o u b l em c u ，w h i c h h a s h i g h e rr e l i a b i l i t y a n d s t r o n g t r a n s m i s s i o n a b i l i t y b e c a u s e t h e t r a n s m i s s i o nd a t aa r e g i v e n i n d i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e ，w e n e e dt o e s t a b l i s ht h ea d a p t e dt r a n s m i s s i o nr e g u l a t i o nb a s e do nt h es t a n d a r dc a n p r o t o c o l ，w h i c h i s v e r yi m p o r t a n t t o g u a r a n t e e t h ec o n s e c u t i o na n d v e r a c i t y o fd a t a i no u r p r o t e c t i o nd e v i c e ，c a n i su s e df o r t h e c o m m u n i c a t i o no fd o u b l em c u ，o n ei st h em a i np r o t e c t i o nm c u ，w h i c h g a t h e r st h ea n a l o gd a t a ，d r i v e st h es w i t c h - o u ta n ds w i t c h i nc i r c u i t ，t h e o t h e ri s m a n a g i n gm c u ，w h i c h t a k e s c h a r g e t h e p e r s o n - c o m p u t e r 1 4 $ _ 士目r $ i1 v d i a l o g u ea n dt h ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h eo u t s i d ed e v i c e s c a ni s t h e l i g a m e n to ft h e m ，s oi t sp r o t o c o li sv e r yi m p o r t a n t t ot h e p r o t e c t i o nd e v i c e t h ei n t e r i cb u s ( i i co r1 2 c ) i sat w o w i r e ，b i d i r e c t i o n a ls e r i a lb u s t h a tp r o v i d e sa s i m p l e ，e f f i c i e n tm e t h o d o fd a t ae x c h a n g eb e t w e e nd e v i c e s b e i n g at w o w i r ed e v i c e ，t h ei i cb u sm i n i m i z e st h en e e df o r l a r g e n u m b e r so fc o n n e c t i o n sb e t w e e nd e v i c e s ，a n de l i m i n a t e st h en e e df o ra n a d d r e s sd e c o d e r i i ci su s e dt oc o m m u n i c a t ew i t hc l o c kc h i pp c f 8 5 8 3 ， w h i c hc a nd i r e c t l ya t t a i na n dr e v i s et h ec l o c ki np c f 8 5 8 3a n dr e v i s et h e s o f t w a r ec l o c k i na d d i t i o n ，w es i m u l a t et h ei i cb u su s i n gt h eg e n e r a li o i n t e r f a c e s ，w h i c hg r e a t l ye x t e n dt h ea p p l y i n gr a n g eo fi i cb u s t h o s e d e v i c e st h a th a v en o ti i cb u sa r ea b l et oc o m m u n i c a t ew i t hs o m ec h i p s t h a ta r ev e r yn e e d e d s p ia n ds c ia r es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e st h a ta r ee x t e n s i v e l y a p p l i e d i n t h i s p a p e r , t h ec o m m u n i c a t i o no fm c ua n dm c 3 3 8 8 4i s i n t r o d u c e d a sas w i t c hm o n i t o ri n t e r f a c e ，m c 3 3 8 8 4c a np r o v i d et h e s w i t c h - o nc i r c u i tf o rt h ep r o t e c t i o ne q u i p m e n t c o m p a r e dw i t ht h eo l d s w i t c h o nc i r c u i t ，i th a sm a n ye x c e l l e n tf e a t u r e s u s i n gt h es p ii n t e r f a c e ， t h ea r e ao fp c ba n dt h ei n t e r f a c e so fm c ua r eb o t hs a v e d m o r e o v e r , m c 3 3 8 8 4h a st h ea d v a n t a g e si n t e m p e r a t u r ea n dd i s t u r b a n c er e s i s t i n g t h er e l i a b i l i t ya n de c o n o m yo ft h en e ws w i t c h o nc i r c u i ta l s oh a v eg r e a t i m p r o v e m e n t s c ii su s e dt oc o m m u n i c a t ew i t hm c 9 0 8 g p 3 2 ，w h i c h h a s t h es p e c i a lf u n c t i o nt oc o m m u n i c a t ew i t hi n t e m e tn e t w o r k t h i si sa n i m p o r t a n tr e s e a r c h ，i f i ti s s u c c e e d e d ，m a n y r e m o t ec o m m u n i c a t i o n p r o b l e m so f p r o t e c t i o ne q u i p m e n t w i l lb es o l v e d l z $ 女* l # t * xv _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 s ow i t ht h er e s e a r c ho fm c u w i t h h i g h p e r f o r m a n c e ， m u l t i f u n c t i o n a la n ds t r o n gi n t e g r a t i o n , d i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e sw i l lb e m f o r m e d g r a d u a l l y , w h i c h w i l lf o l l o wt h e i n t e r n a t i o n a la d v a n c e d t e c h n o l o g i e sa n dp r o m o t et h ei m p r o v e m e n to fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m k e y w o r d s ：d i g i t a lp r o t e c t i o n ，c a n ，l l c ，s p i 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 随着科学技术的不断发展，电力系统继电保护装置已发展成为 高集成度、高可靠性的数字保护装置”3 。数字继电保护装置以单片 机为核心，利用其特殊的智能化信息处理功能，对检测到的反映电 力系统运行状态的电气量进行分析和计算，根据结果来实现对输电 线路或电气元件的继电保护”3 。因此，为了使微机获取电力系统运 行的信息，必须配置反映电力系统运行的有关电气量运行状态的数 据采集系统，开关量输入电路和发出控制命令的开关量输出电路。 此外，还需要配置人机对话微型机系统，向数字继电保护装置送入 有关的计算和操作程序、继电保护整定值、输出有关纪录保护动作 的信息，便于技术人员进行事故分析和输入整定值校验”。 通常，数字继电保护装置的硬件电路由四个功能单元构成，即 数据采集系统，即模拟量输入系统；数据处理单元，即微机主系统： 数字量输入输出接口，即开关量输入输出系统；通信接口“3 。如图 l l 所示“：。近来，随着单片机的发展，各模块都有集中在片内的 趋势，使得单片机本身的功能更加强大，集成度也更高。目前a d 数据采集在片内也已达到1 0 位的精度，由于数字保护对数据精度 的要求，我们仍然使用外部a d ，外围的芯片以及通信方式也在不 停地改善，数字保护装置的结构正在浓缩、完善。但是无论怎样， 保护装置的基本结构是不变的。 一 图1 1 数字保护装置构成框图 f i g j id f g i t a ip r o t e c t i o nd e v i c ef r a m e m c u 部分般为实现保护功能的插件，它接收数据采集系统的 信号及有关的开关量信号，其输出控制一些继电器，发出跳闸命令 和信号。人机接口部分也由微型机实现，按键作为人机联系的输入 手段，可输入命令、地址、数据。雨打印机和液晶显示器，则作为 人机联系的输出设备，可打印和显示调试结果及故障后的报告。 计算机技术在不断地发展，数字保护开发人员也在不断地完善 和发展自己的装置产品! ，以达到与先进水平的接轨。我们知道现 有的许多数字保护装置还是采用的先前的许多技术，在科技日新月 异飞速发展的今天，早已有很多先进的技术与产品等着我们去应用 开发。本课题研究旨在对现行数字保护装置各个环节改进与创新。 首先是单片机核心的升级，采用m o t o r r o l a 单片机的1 6 位9 1 2 系列芯片，它在片内部包含了标准的外围接口和1 6 位的中央处理 单元( c p u ) ，1 2 8 k 的f l a s he e p r o m ，8 k 的r a m ，2 k 的 e e p r o m ，两个异步串行口s c i ，一个串行外围接口s p i ，一个i i c 太原理工大掌硕士研究生掌 g r 性- z k6 - 接口，增强的定时器模块，两个8 通道1 0 位a d 转换模块，一个4 通道的脉宽调制p w m 模块，两个与兼容c a n 2 0 协议的网络接口 m s c a n l 2 以及包含系统资源映射、时钟发生、中断控制、总线管 理的多功能集成模块l i m 。x c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 具备完善的1 6 位数 据总线，同时它也可在窄模式下与8 位存储器接口。它内部所包含 的锁相环p l l 电路专门为m c u 在恶劣环境下稳定工作设计。1 6 根键盘唤醒i 0 口线，可将m c u 从停止模式或等待模式唤醒。由 于主m c u 的改变，其外围芯片我们同时寻求向更加可靠和经济的 方向发展。理论与实践证明这不但提高了数字继电保护装置的可靠 性，同时也提高了它的经济性。 1 2 新型数字保护装置概述 本课题研究所设计的数字保护装置采用双c p u 结构，在保护装 置中有两个m c u ，一个为主m c u ，负责基本的保护功能，进行模拟 量的采集，开关量的输入输出，保护计算等，另一个为管理m c u ， 负责人机对话功能，进行液晶显示，取时钟，与外界通信等。其间 通过c a n 即控制器局域网络进行通信”，数据采集采用a d 7 8 9 0 芯片， 开关量输入电路采用最新m o t o r o l a 的芯片m c 3 3 8 8 4 ，具有1 2 个开 关量输入监测接口。开关量输出电路采用芯片m c 3 3 2 9 1 ，可以直接 驱动继电器。电源芯片是m c 3 3 8 8 9 ，可以获得稳定的5 v 电源，并带 有一个c a n 接口。它们均通过s p i 同m c u 联系。另外采用l l c 总线 从时钟芯片p c f 8 5 8 3 中获取时钟，利用m o t o r o l a 的m c 9 0 8 g p 3 2 芯 片接口同因特网联接。采用u s b 接口代替原来的打印机输出。其基 本结构如图卜2 所示。 图1 2 新型数字保护装置构成框图 f i g 卜2n e wd i g it a l p r o t e c t o nd e v i c ef r a m e c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，由于其高性能，高可靠性 及独特的设计越来越受到人们的重视。最初c a n 是由德国的b o s c h 公司为汽车监测、控制系统而设计的。现代汽车越来越多地采用电 子装置控制，如发动机的定时、注油控制，加速、刹车控制及复杂 的抗锁定刹车系统等。由于这些控制需检测及交换大量数据，采用 硬接信号线的方式不但繁琐、昂贵，而且难以解决问题，采用c a n 总线这些问题便会很好地解决。由于c a n 总线本身的特点，其应用 范围已不再局限于汽车行业，而向过程控制等其他领域发展。c a n 属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术和独特的设计， 与一般的通信总线相比，c a n 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”1 ： c a n 为多主方式工作，网络上的任一节点均可在任意时刻主 动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且 无需站地址等节点信息。 a 4 $ h ，。l m ，8 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实 时要求，高优先级的数据最多可在1 3 4 微秒内得到传输。 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发 送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节 点不受影响地继续传输，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点以及全 局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。 c a n 的直接通信距离最远可达l o k m ：通信速率最高可达 l m b p s 。 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 l o 个；报文标识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准的报文标识 符几乎不受限制。 采用短帧结构，传输时问短，受干扰概率低，具有极好的 检错效果。 数字保护的输入开关量也就是那些从数字继电保护装置的外 部，通过接线端子排引入至微机的反映外部的信号，主要有保护屏 上的压板、连片、切换开关触点、操作继电器的触点等。这些开关 量在继电保护装置中的正确反映，对于保护装置的动作具有很重要 的作用。因此开关量输入电路的可靠性是保护研究人员必须考虑 的。 以往的开关量输入电路采用光电耦合器件，将开关量经光耦后 接入微机的并行接口。这样，多少开关量将需多少个并行接口，而 且占用的面积也很大，光耦的易损坏也是令人头疼的一个问题。 m o t o r o l a 公司的m c 3 3 8 8 4 的出现使这一清况得到了较好的解决，它 m 4 二 $ 日j 。l 口x- ，- 是一种开关监测接口芯片，可以为电子开关和低电压微处理器提供 一种有效的接口。利用一片j d c 3 3 8 8 4 芯片就可接入1 2 路开关量， 采用s p i 接口，在节省p c b 板面积的同时，也大大减少了m c u 口线 的使用。更重要的是在抗干扰，温度适应方面，m c 3 3 8 8 4 芯片均有 较以前开关量输入电路有优势，这样开关量输入电路的可靠性有了 明显的提高。 ij c 总线作为近几年发展起来的串行接口总线，已经广泛地应 用到各个领域，其中在单片机技术中的应用，并且充分显示了它的 传输能量大，占用m c u 口线少，抗干扰能力强，可靠性高的特点。】。 在本课题研究中，运用t i c 总线与时钟芯片p c f 8 5 8 3 交换数据，达 到对时钟的校正和获取。另外，采取通用i o 口模拟i i c 的方法， 它大大地扩展了i i c 总线器件的适用范围，使这些器件的使用不受 系统中单片机必须带有i i c 总线接口的限制，因此，在许多单片机 应用系统中可将i i c 总线模拟传送技术作为系统的一种常规设计方 法。在一些进口的电器产品中，这种使用方法也较普通，它可避免 厂家在自己单片机系列中使用p h i l i p h s 的专利技术，又不妨碍使 用一些带i i c 接口的器件。 另外由于m c 6 8 h c 9 0 8 系列的研究，使装置与因特网直接相连成 为可能，因此我们已有具体的实施方案，只待进一步的研究和应用。 保护装置的发展与计算机技术、数学技术等各个领域的发展都 是紧紧相扣的，因此在以后的发展过程中，还会不断地改进和创新， 这也就需要我们不停地努力，适应社会发展的需要，紧跟科学技术 的先进水平，使我们的保护装置更加精确、快速地动作，让我们的 电力系统可靠性不断提高。 2 1 概述 第二章保护装置的串行通信技术 数字保护装置是一个控制系统，它由很多的器件组成，需要与外 界交流，从外界获得数据以及传送给外界数据，器件之间也需要互相 交流数据，因此通信技术的发展也影响着数字保护的发展。我们目前 的数字保护装置中用到的通信技术与通信接口有很多种，如现场总 线，l i c 总线，串行通信等各种方式。 串行通信方式包括异步通信和同步通信两种方式，在同步通信 中，每个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，占用 了譬问，所”f 在数据块传递时，为了提高速度，常去掉这些标志，采 用同步传送。由于数据块传递开始要用同步字符来指示，同时要求由 时钟来实现发送端与接收端之间的同步，故硬件较复杂。异步通信用 一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束。其每帧的格 式如下：在一帧格式中，先是一个起始位o ，然后是8 个数据位， 规定低位在前，高位在后，接下来是奇偶校验位( 可以省略) ，最后 是停止位1 。用这种格式表示字符，则字符可以一个接一个地传送。 在异步通讯中，c p u 与外设之间必须有两项规定，即字符格式和波特 率。字符格式的规定是双方能够在对同一种。和1 的串理解成同一种 意义。原则上字符格式可以由通讯的双方自由制定，但从通用、方便 的角度出发，一般还是使用一些标准为好，如采用a s c i i 标准。波特 率即数据传送的速率，其定义是每秒钟传送的二进制数位数。例如， 数据传送的速率是1 2 0 字符s ，而每个字符如上述规定包含1 0 数位， 则传送波特率为1 2 0 0 波特“。下面我们介绍一下目前装置中所用到 的串行通信接口。 2 2 新装置内部器件问的串行接口 m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 包括两个独立的串行通信子系统：串行通信接 口( s c i ) 、串行外围接口( s p i ) 。串行模块与通用i o 口复用端口 s 。s c i 是一种不归零的串行通信系统，它与标准的r s 一2 3 2 系统兼 容。s c i 系统有一种单线操作模式，在这种模式中，它允许没有使 用的口线作为通用i o 口使用。 m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 的串行通信接口是一种异步的不归零通信系统 ( 1 个开始位、8 位或9 位数据位、一位停止位) 。它使用内部独立的波 特率发生器、发送器和接收器。发送的数据格式可配置为8 位或9 位数 据( 其中有一位奇偶检验位) 。发送或接收的奇偶检验位可由硬件电 路产生。接收时奇偶检验位发生错误可由硬件设黄标志位。波特率发 生器是通过一个计数器模块产生波形，它可灵活的选择波特率。另外 接收器还具备唤醒功能、线路空闲检测功能、反馈环模式( 自测试) 和一系列的错误检测功能。使用发送数据( t x d ) 和接收数据( r x d ) 两根口线提供了对外接口“。 s p i # | 、围串行接口可用来与其它外围器件和微处理器进行同步通 讯。s p i 系统工作在主模式或从模式中。在多主机环境中，s p i 可进行 相互的信息处理和通信。当允许系统的s p i 模块工作时，在s pr 模块中 配置为输入的引脚不受对应d d r s 位设置的影响均为输入；所有配置为 a j t z $ r l * m 镕x1 2 - 输出的引脚必须将对应的d d r s 位设置为1 。在s p i 模块中作为输出的引 脚只要对应的d d r s 位为0 ，则可用作通用的输入口。在s p i 系统中主机 的8 位数据寄存器与从机的8 位数据寄存器连接在一起，形成分布式的 1 6 位寄存器。当数据进行传送时，通过主机的s c k 时钟驱动这个1 6 位 的寄存器串行移动8 位，这样主从机之间的数据相互进行了交换。 儿c 总线是p h i l i p s 推出的芯片间串行传输总线，它以二根连线实 现了完善的全双工同步数据传送，可以方便地构成多机系统和外围器 件扩展系统。i i c 总线采用器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址， 避免了器件的片选线寻址方法。i i c 总线采用双向传输的时钟线s c l 和数据线s d a 配合传输数据内容。 2 3 装置中的网络通信接口 以往数字保护装置中常用的的网络通信接口是r s - 2 3 2 和r s - 4 8 5 的串行通信方式，随着现场总线的发展，由于其传输速度的加快和传 输距离的增长，c a n 总线已被越来越多的应用到保护装置中。 r s 一2 3 2 c 是电子工业协会( e i a ) 推荐的一种普及型异步通信总线 标准，目前已广泛应用到了计算机系统中外围设备与主机的连接中。 但是r s - - 2 3 2 c 应用于计算机系统时存在如下问题：( 1 ) 传送距离过近： 由于受负载电容容许值的限制，其传送距离一般不得超过1 5 m ( 2 ) 电平 偏移：由于信号地公用且通信双方的信号地需连结在起，r s - - 2 3 2 c 应用于长距离通信时信号地线上会存在较大的电流。使得电平发生偏 移，容易造成传输错误；( 3 ) 潜在的接地问题：r s 一2 3 2 c 总线有一个 信号地和一个屏蔽保护地，通信中，双方的信号地需连在一起，但是 m 4 z 女日，巴$ m x一1 3 一 屏蔽保护地却不一“定允许接在一起。同时d t e 的信号地与屏蔽保护 地之间又不一定绝缘，这就存在一个潜在的接地问题。使得系统的抗 干扰能力较差。r s 一2 3 2 是异步通信中应用最广泛的标准总线，它包括 了按位串行传输的电气和机械方面的规定，适用于数据终端设备和数 据通信设备之间的接口。r s 一2 3 2 c 标准的信号传输速率最高为2 0 k b p s ， 最大传输距离为3 0 m ，这种条件下才能可靠地进行数据传输“。 为了扩大串行通信的有效传输距离，提高通信传输速率，增强抗 干扰能力e i a 制定了r s 4 8 5 串行总线通信标准也叫双端接口电气标 准或平衡传输电气标准。r s 4 2 2 4 8 5 与r s 一2 3 2 c 的关键不同之处在 于将单端输入改为双端差分输入，信号地不再共用，通信双方的信号 地不再连在一起。r s 4 8 5 的优点在于：( 1 ) 采用双端差分输入。总线的 抗干扰能力强：( 2 ) 互连双方的信号地分立，两条信弓线形成回路， 避免了电平偏移，同时也避免了r s 一2 3 2 c 中的潜在接地问题；( 3 ) 输 出端采用双端平衡驱动，其信号放大倍数高。信号传输距离远。其缺 点在于传输过程中没有误码校验，容易造成传输错误。现场总线的出 现缓解了这些矛盾，使得网络数据的传输更加可靠和迅速”。 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分 散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多点、多站的通信系统， 其特点是可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快，系统安 全符合环境保护要求，且造价低廉、维护成本低。 现场总线技术的主要特点如下“： 完全代替4 2 0 m i 模拟信号，实现传输信号数字化，从而易 于现场布线，且降低了电缆安装和保养费用，增加了可靠性。 控制、报警、趋势分析等功能分散在现场仪表和装置中，简 1 4 i 掌 * ：l $ t * 二- 1 4 - 化了上层系统。 - 各厂家产品的交互操作和交换使用，给用户进行系统组织提 供了方便。 实现自动化仪表技术从模拟数字技术向全数字化技术的转 化，自动化系统从封闭式系统向开放式系统的转变。 现场总线对当今自动化技术带来的以下几个方面的变革： 用一对通信线连接多台数字仪表代表对信号线只能连接 台模拟仪表。 用多变量、双向、数字通信方式代替单变量、单向、模拟传 输方式。 用多功能的现场数字仪表代替单功能的现场模拟仪表。 用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站。 变革系统的信号标准、通信标准和系统标准。 变革系统的自动化系统的体系结构、设计方法和安装调试方 法。 c a n 控制器局域网络，从结构上看，它属于总线式通信网络， 以一种专门用于工业自动化领域的一种网络，其可靠性及性能高于 诸如r s 4 8 5 等陈旧的现场通信技术。其模型结构只有三层，即只取 o s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质 为双绞线，通信速率最高可达1 m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达 l o k m 5 k b p s 。c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数 为8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时， 具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上其他 节点和通信不受影响，具有较强的干扰能力“。 太原理工j t 牛硕士研，0 生字位霄二一1 3 一 在硬件上c a n 是通过p c a 8 2 c 2 5 0 作为接口和驱动芯片的，也就是说 它是c a n 协议控制器和物理总线的接口。最初是用来在汽车中作为高 速传输而用到的。器件可提供对总线的差动发送和接收功能。它的传 输“i s o d i s l l 8 9 8 ”标准完全兼容。在它的连接上至少可以有1 1 0 个 节点n 6 1 。 对于c a n 控制器及带有c a n 总线接口的器件，8 2 c 2 5 0 并不是必须使 用的器件，但是由于它可以带n 0 各节点，并能以1 m b p s 的速率工作于 恶劣电气环境下。而且还可方便地在c a n 控制器与收发器之间建立光 电隔离，以实现总线上各节点间的电气隔离“。 p c a 8 2 c 2 5 0 的内部结构如图2 一l 所示。 图2 - 1p c a 8 2 c 2 50 结构框图 f i g 2 1 p c a 8 2 c 2 5 0f r a m e l l z 掌m 究 # t p x- 1 6 一 因为在本保护装置中，c a n 是用来作为两个c p u 之间的通讯的， 一个为管理板c p u ，专门负责人机对话，与外界的通讯，一个作为 主保护c p u ，进行模拟量的采集，开关量的输入输出，而c a n 就是 两个c p u 之间的联系纽带，因此在装置研究中，c a n 需要提供的网 络通信是非常重要的，它需要为主保护m c u 提供初始数据，修改数 据，定值，又需要为管理板提供故障报告，显示数据等，所以c a n 的正确传输对于保护装置的正常运行非常关键，所以说c a n 通信规 约也就关系到数据传输的正确与条理，是我们研究的主要内容。关 于c a n 的具体协议和保护装置中的应用，我们将在第三章予以详细 的介绍。 2 4 小结 由于串行通信技术的发展，数字保护装置也在改进其通信方 式，将尽可能的增加其可靠性，s p i 通常是保护装置中的m c u 外 围器件的接口，s c i 同外部的网络或者打印机接口，c a n 作为通信 网络接口，它们在保护装置中都有重要的作用，因此合理的利用这 些串行通信接口对于保护装置的开发是很有意义的。 3 1 概述 第三章关于c a n 的网络通信规约 c a n 是控制局域网络( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 的简称，最早是 由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之问的数 据通信。c a n 的信号传输采用短帧结构，每帧的有效字节数为8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低，当节点严重错误时，具有 自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节 点和通信不受影响，具有较强的抗干扰能力“。其总线规范现已被 i s o 国际标准组织制订为国际标准，目前所遵从的是c a n 2 0 a b 标准。由于得到了m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p ，s i e m e n s ，n e c 等公司 的支持，广泛应用于离散控制区域。在c a n 的技术规范中，规定 了c a n 分为数据链路层和物理层两层，用户在设计通信软件时， 必须先根据需求设计合适的c a n 总线通信协议“，才能完成数据 准确可靠的传输。在我们应用中，用的是m o t o r o l a 公司的c a n 协议，但是对我们具体的数据传输还有定的限制，所以我们必须 在此基础上根据需求设计适合自己应用的c a n 总线通信规约。 3 2c a n 的帧结构和功能位 在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器。该 单元在总线空闲或丢失仲裁前恒为发送器。如果一个单元不是报文 发送器，并且总线不处于空闲状态，则该单元为接收器。 l l r * * x 1 8 - 对于报文发送器和接收器，报文的实际有效时刻是不同的。对 于发送器而言，如果直到帧结束末尾一直未出错，则对于发送报文 有效。如果报文受损，将允许按照优先权顺序自动重发送。为了能 同其他报文进行总线访问竞争，总线一旦空闲，重发送立即开始。 对于接收器而言，如果直到帧结束的最后一位一直未出错，则对于 接收器报文有效。 3 2 1 c a n 的数据帧结构 c a n 数据帧是携带数据由发送器至接收器的帧，是c a n 的4 种帧格式之一，这4 种帧格式分别是数据帧、远程帧、出错帧和超 载帧，其中数据帧结构如表3 1 所示。 表3 - 1 数据帧结构 帧 帧 起仲裁场控制场数据场c r c 场a c k 场 结 始 束 数据帧的主要结构有”： ( 1 ) 帧起始，标志数据帧的开始，由一个显性位组 成。在总线空闲时发送，在总线上会产生同步作用。 ( 2 ) 仲裁场，由标识符和远程帧发送请求位( r t r ) 组成，标识符分为标准格式和扩展格式，扩展格式为 i d 2 8 一i d 0 ，标准格式为i d l 0 i d 0 ，前七位不能全为隐性位。 标识符用于提供关于传送报文和总线访问的优先权信息，其 数值越小，优先权越高，发生冲突时优先发送。 ( 3 )控制场，由6 位组成，前两位保留，为显性， 后四位为数据长度为，只能是o 一8 的范围变化。 ( 4 ) 数据场，由被发送数据组成，数目由为控制场 中决定的0 8 个字节，第一个字节的最高位首先被发送。 ( 5 )c r c 场，包括c r c ( 循环冗余码校验) 序列( 1 5 位) 和c r c 界定符( 一个隐位) ，用于帧校验。 ( 6 )a c k 场，由应答间隙和应答界定符组成，共两 位。 ( 7 )帧结束，由7 位隐性位组成，此期间无位填充。 3 2 2c a n 数据传输。 在c a n 规范中，只规定了帧的结构，没有定义有关发送和接 收的信息，这就需要设计者赋予数据帧以不同的含义，其中包含数 据传输所需要的信息。最简单的方法就是在数据帧标识符中实现。 在m s c a n l 2 中，规定发送和接收缓冲格式如表3 - 2 ： 表3 - 2 发送和接收缓冲格式 标识符寄存器( 4 个8 位) 数据内容( 8 个8 位) 数据长度( 1 个8 位) 我4 1 j 女d 道c a n 系统中传输报文的内容由其标识符i d 命名。 太1 4 - t _ 掌女日究生掌m 饨- 文 2 0 一 i d 并不指出报文的目的，但描述数据的含义，以便网络中的所有 节点可能借助报文滤波决定该数据是否使他们激活。 这与初始化过程中的控制寄存器是配套的。即标识符接收寄存 器和屏蔽寄存器。结构如表3 - 3 ： 袁3 - 3 控制寄存器 标识符接收寄存器( 8 个8 位) 屏蔽寄存器( 8 个8 位) 标识符接收控制寄存器( 1 个8 位) 3 2 3 标识符 由c a n 协议我们知道标识符是用来描述数据的含义的，有标 准标识符格式和扩展格式。标准格式的标识符为“位，扩展格式 为2 9 位，从标识符可以区分我们所传输的数据类型的含义，并不 是数据的地址，这样传输就是不受限制的，可以实现一主发送，多 从接收的功能。c a n 还有其特殊的报文滤波功能o “，这是由标识符 来实现的。标识符滤波寄存器中可以是标识符的全部，也可以是其 中一部分。在c a n 应用中，可以有3 2 位滤波，1 6 位滤波以及8 位滤波，在本装置中，由于其它的c a n 接口可能是不能修改的， 只是单纯的作为从器件，为了可以识别较多的功能，在标识符接收 寄存器中存入8 个相关的标识符，采用8 个标识符滤波的结构，则 相应的屏蔽寄存器均不忽略，这样可以识别8 项任务。其中需要注 意的是初始化过程中在8 个标识符接收寄存器中将这8 项任务预先 理z 掌 究生掌镕文- 2 1 - 写入。这样标识符的结构，扩展格式如表3 - 4 ： 表3 - 4 扩展格式i d i d 2 8i d 27i d 2 61 d 2 5i d 2 4i d 23i d 2 2i d 2 1 分类的标识符 i d 20i d l9i d l8s r r ( 1 )i d e ( 1 )i d l7i d l6i d l5 i d l4i d l3i d l2i d l li d l0i d 0 9i d 0 8i d 0 7 i d 0 6i d 0 5i d 0 4i d 0 3i d 0 2i d 0 1i d 0 0r t r 标准格式如表3 - 5 表3 - 5 标准格式i d i d l0i d 0 9i d 0 8i d 0 7i d 0 6i d 0 5i d 0 4i d 0 3 分类的标识符 i d 0 2i d 0 1i d 0 0r t ri d e ( 0 ) 在我们应用过程中，主要是进行两个c p u 之间数据的传输， 即管理板与主板之间数据的传输。其中数据类型主要有报告、时钟、 实时运行数据、调试、定值等。 我们把标识符作为传输哪一类数据的分类，其分类如表3 - 6 ： 表3 - 6 传送数据分类 【任务i d ( 0 x )任务 i d ( 0 x ) i 报告 5 0时钟5 2 传送定值 5 l实时运行数据5 3 修改定值 5 5调试5 4 由于各大类下还有许多小类，所以还需要进一步分类，如果 在标识符中进行所有数据的定义，则进行标识符辨识的过程会很 复杂，而且每次均要进行初始化的过程，所以将数据内容的第一 个字节作为小的分类。其结构如表3 7 所示 最3 7c a n 传送格式 标识符寄存器( 4 个8 住) ( 小分类) ( 1 个8 位) 数据内容( 7 个8 住) 数据长度( 1 个8 位) 数据内容为要传输的数据内容，如果多个数据传输和单个数 据传输怎样分类，报告中的时间和具体的内容是什么，怎样进行 传输，这都是我们必须关心的问题。目前的考虑是将标识符中定 义的时候就分为多帧传输还是单帧传输，由具体的程序判断进行 控制。 太1 4 z # * l # m 。x- 2 j 一 传输长度可以由数据长度进行确定，为内容长度加1 ，这样统 一，可以节省一个字节