（电气工程专业论文）基于can总线技术的分布式测控保护单元的研究.pdf

t h ei 沁s e a r c ho fd i s t r i b u t e d m o n i t o r i n g a n d p r o t e c t i n gd e v i c e b a s e do nc a n b u s a b s t r a c t t h ea u t o m a t i o no fas u b s t a t i o ni sa ni n t e g r a t e dt e c h n o l o g yo f m a n yd i f f e r e n t s p e c i a l t i e s ， b a s e do n m i c r o c o m p u t e r n o t o n l y t h i sa u t o m a t i o na c h i e v e st h e f u l l s c a l e r e b u n d i n go fr e l a yp r o t e c t i o n ， c o n t r o lm a n n e r ， m e a s u “n gm e a n ， t h e m o d u l eo fc o m m u n i c a t i o na n d m a n a g e m e n t f o rt h et r a d i t i o n a ls u b s t a t i o n ，b u ta l s oi t b “n g sag r e a tc h a n g ei n t or u n n i n gm a n a g e m e n tf o re l e c t r i cp o w e rs y s t e mg r i d i n m yp a p e r ，i ti n t r o d u c e sa ni d i o g r a p h i ci m p l e m e n to fa ni n t e r f a c e0 fm a n m a c h i n e a n dac o m m u n i c a t i o no f p r o t e c t i n ga i l dm o n “o r i n gf u n c t i o n s ，a n di tc o n c i u d e st h e d e s i g n o fi n t e r f a c eo fc a n b u s ，c o m m u n i c a t i o n p r o g r a m ， l c dd i s p l a ya n d k e y b o a r d t h i sp a p e rp r e s e n t st e c h n o l o g ya n dd e s i g n sac o m m o nh a r d w a r ep l a t f b r m t oi m p l e m e n t p r o t e c t i n ga n dm o n i t o “n gf u n c t i o n s c o n s i d e r i n gt h es p e c i a ld e m a n d o fs u b s t a t i o n s b a y u n i ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fc a n 2 o b p r o t o c o l ，ah i g h e f - f e c t i v e ，r e l i a b l e ，a n dw e l lf u n c t i o n a lp r o t o c 0 1 sa r ef o r m u l a t e dt of u l f i l t h ed e m a n d o fr e a l t i m eo f s y s t e m k e y w o r d s ： e 1 e c t r i c l o c o m o t i v e ；f a u l t t o i e r a n tt e c h n i q u e ；c a n b u s ；l o g i c a l c o n t r o lu n i t ( l c u ) 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：搜拐勿美旅大亏欲 委员：砺蚜 沌亿 魏弓 导师：豆坪强 1j 俨苗、 i 铷磁蔚袭 焉，l 勃抟 ， 粼氧 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 插图清单 c a n 总线连接图7 c a n 控制器s j a l 0 0 0 在系统中的位置8 8 2 c 2 5 0 功能框图1 0 硬件总体框图1 1 下位机节点结构框图1 2 i d t 7 1 3 2 双端口r a m 结构图1 2 x 5 6 4 3 电路图1 4 e p l d 中开关量输入电路图一l 5 e p l d 中开关量输出电路图1 6 外围芯片的片选电路图1 7 时钟电路1 9 电压形成电路2 0 有源滤波器硬件电路图2 1 a d 转换与多路开关电路图2 3 开关量输入电路2 4 开关量输出电路2 4 继电器控制输出电路2 5 人机接口界面原理图2 6 显示模块框图2 7 k s o l 0 8 b 操作流程图2 9 汉字字模示意圈3 0 初始化流程图 d s l 2 8 8 7 的初始化流程图 s j a l 0 0 0 初始化流程图 主程序流程图 电流速断原理逻辑图 过流定时限动作原理图 低压保护理逻辑图一 过压保护原理逻辑图 单相接地保护原理逻辑图 重合闸判别流程图 3 2 3 4 3 5 3 6 3 9 3 9 3 9 4 0 4 0 4 1 图5 1 l 图5 1 2 图5 13 图5 1 4 母联备自投流程图 变电站通信结构图 双滤波原理图 c a n 中断流程图， 4 2 4 3 4 4 4 9 表2 一l 表4 1 表4 2 表5 一l 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表格清单 r s 端选择的三种不同的工作方式 k s o l 0 8 b 指令集 k s o l 0 8 b 状态指示 数据类型编码 设备编码 事件记录应答编码 事件类型编码 保护整定类型帧定义 1 0 2 8 2 8 4 5 4 5 4 5 4 6 4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究上作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标击和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得金魍些友堂 或其他教育机构的学位或证书而使j 【 j 过的材料a 与我一同l 作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部l 、j 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅a 本人授权盒蟹些厶 ! 莲一司以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签彩幻翩签名甲晾 i 签字日期：沙降? 月咖 签字日期：叮年罗月嘶 学位论文作者毕业后去向 l 作单能： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本人在工程硕士的课程学习和撰写学位论文过程中，自始至终是在我的导 师温阳东教授的悉心指导下完成的。导师渊博的学识、严谨的治学、认真的态 度使我受益匪浅。在此衷心的感谢温阳东老师给予我的大力帮助并致以深深的 敬意。同时感谢我身边所有的老师和同学对我学业的指导和帮助。 同时论文工作得以顺利完成还要感谢合肥工业大学现场总线实验室的毕 锐、马力伟等同学在做课题过程中所提供的意见和关心，以及张晓艳老师在论 文整理成稿阶段给予的帮助和建议，在此深表谢意。 作者：董珂 2 0 0 5 年3 月 第一章概述 1 1 变电站综合自动化技术概况 变电站综合自动化随着我国电力行业的大规模发展，已经越来越成为电力 系统发展的新趋势。随着经济的发展，用电需求的增加，我国新建了大量的电 站。根据电网的要求变电站也大量进于亍了各种技术改造，以提高自动化水平。 近十几年来，我国变电站自动化技术也大幅发展，变电站综合自动化可以收集 大量数据和信息，利用计算机高速处理，可以方便的监视和控制变电站内各种 设备的运行和操作。从而实现高智能的少人或者无入值班的变电站管理。微机 技术的发展，特别是单片机的发展和总线技术越来越多的引入了变电站综合自 动化技术中，新的原理和新算法的微机保护装置的研究，对变电站综合自动化 系统的发展必将起到极大的推动作用。 1 1 1变电站综合自动化的基本概念 变电站自动化是应用控制技术、信息处理和通信技术，通过计算机软、硬 件系统或自动装罱代替人工进行各种运行作业，提高变电站运行、管理水平的 一种自动化系统。变电站自动化的范畴包括综合自动化技术、远动技术、继电 保护技术及变电站其他智能技术等【l 2 、3 】。 变电站综合自动化系统实现了电网变电站的现代化管理，使运行监控、正 常和事故操作、继电保护、变电站电压和无功功率自动化控制、事故和动态过 程的记录等功能由计算机完成，站内和站外的信息交换由通讯网实现，从而改 变了传统变电站控制室、保护室的主体结构和值班维护方式，成为当前技术发 展的必然趋势l “。 1 i 2 变电站综合自动化的发展状况 随着我国电力事业的迅猛发展，越来越多的微机监控系统应用于变电站 中。目前变电站自动化系统大致可分为两种基本情况： ( 1 ) 变电站常规二次设备( 系统) 。包括常规保护设备和远动设备( 系统) 、 站级s c a d a 系统或当地监控( 集控) 系统。 ( 2 ) 变电站综合自动化系统。其运行模式可为：有人值班、无人值班或 少人值班等多种管理模式之一。 对有人值班的变电站自动化系统，它的服务对象主要是所内值班人员及其 远方调度中心，而无人值班变电站的自动化系统，其服务对象主要是为远方调 度( 控制) 中心。随着经济、技术的发展，变电站设备的技术水平得到了大大提 高，主设备基本上具备了远方监视、控制的能力，变电站综合自动化系统亦达 到了实用化要求。 变电站运行管理模式从有人值班向无人值班的转变将成为一种趋势。其中 多主c p u 变电站综合自动化系统便是其中一种。它采用上、下位机结构，具 有监测、控制、远动、防误操作、操作票专家系统、事故分析专家系统等功能， 可实现画面实时数据显示、报表打印、与远方调度通信。其应用，有效地提高 了变电站安全运行水平，很大程度上减轻了值班人员的工作量，提供了快速、 准确的数据，使工作效率更高，减少了误操作现象。 国际大电网会议w g 3 4 0 3 工作组在研究变电站的数据流时，分析了变电站 自动化需完成的功能大概有6 3 种，归纳起来可分为以下几种功能组： 1 、控制、监视功能； 2 、自动控制功能： 3 、测量表计功能； 4 、继电保护功能； 5 、与继电保护有关功能： 6 、接口功能； 7 、系统功能。 结合我国的情况，具体来说，变电站综合自动化系统的基本功能体现在下 述5 个子系统； l 、监控子系统的功能监控系统应取代常规的测量系统，取代指针式仪表： 改变常规的操作机构和模拟盘，取代常规的告警、报警、中央信号、光字牌等； 取代常规的远动装置等等。总之，其功能应包括以下几部分内容：数据采集； 事件顺序记录s 0 e ；故障记录、故障录波和测距；操作控制功能；安全监视功 能；人机联系功能；打印功能；数据处理与记录功能；谐波分析与监视。 2 、微机保护子系统微机保护是综合自动化系统的关键环节，在很大程度 上影响整个系统的性能。 3 、电压、无功综合控制子系统变电站综合自动化系统必须具有保证安全、 可靠供电和提高电能质量的自动控制功能。电压和频率是电能的重要指标，因 此电压、无功综合控制也是变电站综合自动化系统的一个重要组成部分。 4 、电力系统的低频减负荷控制电力系统的频率是电能质量重要的指标之 一。电力系统正常运行时，必须维持频率在5 0 ( o 1 0 2 ) h z 的范围内。系 统频率偏移过大时，发电设备和用电设各都会受到不良的影响。轻则影响工农 业产品的质量和产量；重则损坏气轮机、水轮机等重要设备，甚至引起系统的 “频率崩溃”，致使大面积停电，造成巨大的经济损失。 s 、备用电源自投控制随着用户对供电质量和供电可靠性的要求臼益提 高，备用电源自动投入是保证配电系统连续可靠供电的重要措施。因此，备用 电源自投已成为变电站综合自动化系统的基本功能之一。 2 在变电站综合自动化系统中，其通信作为信息交换的枢纽，其可靠性是系 统正常工作的关键，必须在软硬件上周密设计以保证整个系统的可靠性、实时 性与灵活性。 1 2现场总线技术在变电站综合自动化中的应用 目前，在变电站综合自动化系统中，微机保护、微机监控和其他微机型的 自控装置间的通信，大多通过r s 4 2 2 4 8 5 通信接口相连，组成集散式的测控网 络，实现监控系统与微机保护和自动装置间的数据和状态信息的交换，这与变 电站原来的二次系统相比，已有了很大的优越性，可节约大量的连接电缆，接 线简单、可靠。然而，在变电站综合自动化系统中，采用r s 4 2 2 4 8 5 通信接口， 虽然可实现多个节点( 设备) 间的互连，但连接的节点数一般不能超过3 2 个， 在变电站规模稍大时，便满足不了综合自动化系统的要求。其次，采用 r s 4 2 2 4 8 5 通信接口，其通信方式多为查询方式，即由主计算机问，保护装置 或自控装置答，通信效率低，难以满足较高的实时性要求。再者，使用r s 4 2 2 4 8 5 通信接口，整个通信网上只能有个主节点对通信进行管理与控制，其余皆为 从节点，受主节点管理与控制，这样主节点便成为系统的瓶颈，一旦主节点出 现故障，整个系统的通信便无法进行。另外，对r s 4 2 2 4 8 5 接口的通信规约缺 乏统一标准，使不同厂家生产的设备很难互连，给用户带来不便。在变电站综 合自动化系统中，也有采用计算机局域网的如n o v e 儿网、t o k e nr i n g 网，但这 些局域网( l a n ) 适用于一般作数据处理的计算机网络，其传输容量大，但实 时性不高。基于上述原因，本论文提出了种基于现场总线的变电站综合自动 化系统的设计方案口“】。 基于c a n 总线的变电站综合自动化系统能实现对现场电气量采集和电气 设备( 如断路器等) 的状态监视、控制和调节，即遥测、遥信、遥控、遥调。 当发生事故时，可报警并迅速切除故障，从而保证变电站的正常运行与安全。 主要有以下几个部分组成：下位机各测控保护单元，包括电容器保护单元、主 变压器保护单元、主变后备保护单元和线路保护单元，每个单元都作为c a n 总线的一个节点挂接在总线上；上位机单元包括通信单元和主机监控单元( 当 地监控) ，通信单元的设计即通讯控制单元的设计。上位机单元也作为c a n 总 线的一个节点。 1 3 本论文的主要内容和系统总体设计 本课题研究主要为变电站综合自动化系统中微机保护，在测控网络的设计 中，针对传统测控网络存在的缺陷和现场总线控制系统的优点，因此应用c a n 总线组网。论文主要阐述了c a n 总线的接口设计和通讯软件的设计，以及应 用于保护、测控单元的人机接口部分的l c d 显示、键盘接口设计和人机界面 软件设计。c a n 总线与其他的几种现场总线相比，是最容易实现、价格最为低 廉的一种，但其性能并不比其他现场总线差，具有可靠性高、实时性强、扩展 方便、编程灵活等优点。因此选用c a n 总线组成变电站底层的测控网络。人 机接口部分改为l c d 显示，极大地提高了数据的直观性，方便具体数据的整 定和修改，比传统的数码管显示有了本质的提高。 整个测控、保护系统采用c a n 总线设计，完成的主要功能为： 16 位遥信开关量采集、装置遥信变位、事故遥信，包括所有断路器位置信 号，断路器控制回路断线信号，各种保护信号，故障录波信号； 1o 路模拟量遥测，包括变压器两侧的三相电流、三相电压、有功功率、有 功电能、无功功率及功率因素等； 保护方面主要为相电流速断保护、不平衡保护、高压侧接地( 零序) 保护、 高压侧过负荷保护和低压侧接地保护。 第二章c a n 总线在变电站综合自动化中的应用 2 1c a n 总线的特点 在变电站综合自动化系统中，使用现场总线作为底层的测控网络主要有以 下几个优点： ( 1 ) 互操作性好。具有现场总线接口的设备不仅在硬件上标准化，而且 在接口软件上也标准化。用户可优选不同厂家的产品，集成为一个比较理想的 自动化系统。c a nb u s 接口芯片支持8 位、1 6 位c p u ，总线插卡可插在任意 p c 机上，方便地构成物理量的变送器中，构成智能化仪表。 ( 2 ) 通信网络为开放式网络。c a nb u s 国际标准为i s 0 1 1 8 9 8 ，规范为 2 0p a r ta ，p a r tb 。以前，由于不同厂家生产的自动化设备通信协议不同， 要实现不同设备间的互连比较困难。而现场总线为开放式互连网络，所有技术 与标准全是公开的，所有制造商必须遵循，使所有用户可以组成不同制造商的 通信网络，既可与同层网络相连，也可与不同层网络互连。 ( 3 ) 成本降低、安装维护方便。由于现场总线完全采用数字通信，其控 制功能也可下放到现场。c a nb u s 可多主方式工作，网格上任意一点均可在 任意时刻主动地向网上其它主节点发送信息，而不分主从，可方便地构成( 容 错) 多机备份系统及分布式监测控制系统。各控制设备作为节点挂接在总线上， 这样既减少了占地面积，也节约了连接电缆。使成本大大降低、安装更方便、 可靠性高、抗干扰能力更强。 ( 4 ) c a nb u s 网络上节点( 信息) 可分成不同的优先级，能满足不同的 实时需要。 ( 5 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信 息时，优先级低的节点主动停止数据发送，优先级高的节点不受影响地继续传 送数据，有效地避免了总线冲突，节省了总线冲突裁决时间：更重要的是在网 络负载很重时也不会出现网络瘫痪的情况。 ( 6 ) c a n 可以点对点、一点对多点( 成组) 及全局广播几种方式传送和 接收数据。 ( 7 ) c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速度在5 k b p s 以下) ；最高通 信速率可达1 m b p s ( 距离在4 0 m 以下) 。 ( 8 ) c a n 采用短帧结构，每帧有效字节数为8 个。这样短的传输时间， 受干扰概率低，重新发送时间短，具有极好的检错效果。 ( 9 ) c a n 每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据出错率 低，可靠性高。 ( 1 0 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭总线的功能，切断它 与总线的联系，以使总线上的其它操作不受影响。 ( 1 1 ) 系统配置灵活，可扩展性好。因此，使用现场总线作为变电站底层 的测控网络，实现变电站内不同单元( 设备) 之问快速、可靠的数据交换，从 而实现遥测、遥信、遥控、遥调，最终达到变电站少人值守或无人值守的目的。 系统既要完成对变电站数据的测量、遥控以及主要设备的保护，又要可靠 快速的与当地或远方通信，下位机各微机保护单元采用由8 0 c 1 9 6 k c 为核心处 理器组成的应用系统。在测控网络的设计中，针对传统测控网络存在的缺陷和 现场总线控制系统的优点，因此应用c a n 总线组网。c a n 总线与其他的几种 现场总线相比，是最容易实现、价格最为低廉的一种，但其性能并不比其他现 场总线差，具有可靠性高、实时性强、扩展方便、编程灵活等优点，因此选用 c a n 总线组成变电站底层的测控网络。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) ，即控制器局域网，是国际上应用最为广 泛的现场总线之一。最早是在8 0 年代末由德国b o s c h 公司提出，应用于汽车 工业中。当时提出c a n 总线目的是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置 之间的通信，减少不断增加的信号线，于是设计了一种单一的网络总线，所有 外围器件都被挂接在总线，形成最初的c a n 总线控制网络。由于c a n 技术的 迅速发展和广泛运用，到1 9 9 3 年，c a n 已成为国际标准i s o l l 8 9 8 ( 高速应用) 和i s o l l 5 1 9 ( 低速应用) 。 c a n 是一种多主式的串行通信总线，基本设计规范要求具有较高的位速 率、抗电磁干扰性、很强的检错纠错能力。在由c a n 总线构成的单一网络中， 理论上可以挂接无数个节点，但在实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特 性所限制。例如当使用p h i l i p s 生产的c a n 收发器p c a 8 2 c 2 5 0 时，网络上允 许挂接1 l o 个节点。c a n 的传输速率可高达l m b i t ，s ，即使在传输距离达到l o k m 时，仍可提供5 k b i t s 的数据传输速率。这使得c a n 可应用于实时性很强的控 制系统中。 正由于c a n 的高可靠性和实时性，使得它与传统的普通网络相比( 如 r s 4 8 5 等) ，优越性显而易见。目前，已被广泛运用于汽车工业、航空工业、 工业控制等自动化领域。 6 2 2c a n 接口设计 2 2 1c a n 总线硬件设计 图2 1c a n 总线连接图 c a n 独立控制器负责完成c a n 总线通信协议的物理层和数据链路层的功 能，从c a n 总线接收数据和向c a n 总线发送数据，完成数据的组帧、解帧、 帧校验等工作。在本系统中，选用p h i l i p s 公司生产的独立c a n 总线控制器 s j a l 0 0 0 ，它易于微处理器相连，符合c a n 2 o b 协议，是p h i l i p s 公司早期生 产的p c a 8 2 c 2 0 0 ( 符合c a n 2 o a 协议) 的升级产品，并与之兼容。选用两片 p h i l i p s 公司生产的芯片p c a 8 2 c 2 5 0 作为c a n 总线驱动器，它的功能是提高 对总线的差动收发能力，又是c a n 独立控制器和物理总线之间的接口。为了 增强系统的抗干扰能力，在s j a l 0 0 0 与p c a 8 2 c 2 5 0 之间接两片光电耦合器件 6 n 1 3 7 。6 n 1 3 7 为高速光耦，可实现信号间的- 陕速隔离。需要注意的是：为了 防止总线上的干扰进入系统，实现完全隔离，两边的电源v c c 和v d d 必须分 开供电。本系统中采用多+ 5 v 的开关电源。 2 2 2 s j a l 0 0 0 c a n 控制器介绍 s j a l 0 0 0 是一种独立的c a n 控制器，主要用于移动目标和一般工业环境 中的区域网络控制。它是p h i l i p s 半导体p c a 8 2 c 2 0 0c a n 控制器的替代产品， c a n 控制器s j a l 0 0 0 在系统中的位置见图2 2 。 s j a l o o o 在软件和引脚上都与它的前一款p c a 8 2 c 2 0 0 独立控制器兼容。 在此基础上它增加了许多新的功能。主要特性有：扩展的接收缓冲器( 6 4 字 节、先进先出f i f o ) 、同时支持1 1 位和2 9 位识别码、p e i i c a n 模式扩展功 能、增强的温度适应4 0 + 1 2 5 等【7 1 8 l 。 传感器执行元件 m m i 弓 微控制器8 0 c 19 6 k b a 声 s j a l0 0 0 型璺要 c a n 总线i 图2 2e a n 控制器s j a l 0 0 0 在系统中的位置 s j a l o o o 可以工作在两种模式下：b a s i c c a n 模式( 与p c a 8 2 c 2 0 0 兼容) 和p e l i c a n 模式( 扩展特性) 。工作模式是通过时钟分频寄存器中的c a n 模式 位来选择，复位默认模式是b a s i c c a n 模式。在b a s i c c a n 模式下有1 1 位的标 识浮，在p e l i c a n 模式下有2 9 位的标识浮，并且有两种不同的帧格式即标准 帧和扩展帧。在每种帧格式下都有单和双两种验收滤波模式。通过使用双滤波 功能可以很方便的实现软件上的系统对时。扩展帧模式下，新增了可读写的错 误计数寄存器、可编程的错误警告数目限制寄存器、错误代码捕捉寄存器、发 送错误、接收错误计数器，可以对每个c a n 总线错误及仲裁丢失进行中断等。 这些新增寄存器为对c a n 的错误处理提供了有力的工具，对c a n 总线应用中 的甄别错误，提高可靠性作出了有益补充。 2 2 3s j a l o o o 的具体电路 s j a l 0 0 0 的t x o 和r x 0 并不是直接与8 2 c 2 5 0 的t x d 和r x d 相连，而是 通过高速光耦6 n 1 3 7 与8 2 c 2 5 0 相连，这样就实现了总线和各c a n 节点问的 电气隔离，增强了c a n 总线节点的抗干扰能力。光耦所采用的电源采用了小 功率电源隔离模块p s 2 0 0 d c 5 h 5 s r ，该模块可提供多个+ 5 v 电源，从而实现了 真正意义上的电气隔离，这样提高了节点的稳定性和安全性。 s j a l o o o 的t x l 脚悬空，r x l 脚的电位必须在o 5 v c c 以上，否则不能形 成c a n 协议要求的电平逻辑( 见图2 1 ) 。另外8 0 c 1 9 6 k c 与s j a l0 0 0 内部都 有自己的晶振，为了让两者同步并防止芯片内部的晶振受到干扰，则在s j a l o o o 的引脚x t a l l 外接了一个1 2 m h z 外部晶振，x t a l 2 脚悬空。8 0 c 1 9 6 k c 的时 s 钟输入引脚x t a l l 则接收来自s j a l o o o 的c l k 0 u t 引脚输出的时钟信号，则 两者同步。8 0 c 1 9 6 k c 的x t a l 2 引脚也悬空。 s j a l o o o 的m o d e 引脚设为高，则为i n t e l 模式。s j a l 0 0 0 的r d 、阡傻、 4 l e 分别与8 0 c 1 9 6 k c 相应的引脚相连。c s 连接到e p l d 芯片e p m 7 1 2 8 s ， c p u 通过这个地址对s j a l o o o 执行相应的读写操作。由于c a n 控制器是低电 平触发中断，而c p u 中断系统采用的是上升沿触发，一旦有被允许的中断产 生，s j a l o o o 的引脚，丁上就会产生一个从低电平到低电平的跳变。因此，c a n 控制器中断信号通过个逻辑非门与c p u 的外部中断引脚p o 7 相连。 8 0 c 1 9 6 k c 的总线宽度是可以选择的，这里与s j a l o o o 相连，所以使用8 位数据总线方式，直接与s j a l 0 0 0 的8 位地址数据复用线相连。s j a 】0 0 0 的 a d 0 a d 7 连接到8 0 c 1 9 6 k c 的p 0 口。 采用p c a 8 2 c 2 5 0 作为c a n 控制器与c a n 总线的物理接口。它最高速度 可达1 m b p s 。具有降低总线的射频干扰、热防护，保护总线的能力。可驱动总 线使1 】o 个节点与之相连。r s 脚接电阻表示收发器工作在斜率控制方式，上升 和下降的斜率由电阻值决定，电阻大小可根据总线通讯速度适当调整，一般在 1 6 k 一1 4 0 k 之间。若r s 脚直接接地，则为高速方式。为减少干扰，应使用双绞 屏蔽线。8 2 c 2 5 0 的引脚c a n h 、c a n l 两端要接1 2 0 欧的匹配电阻，以减少长 线干扰，增强抗干扰能力。在c a n h 、c a n l 与地之间并联了两个3 0 d f 的小 电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外在 两根c a n 总线输入端与地之间分别接了一个防雷击管，当两输入端与地之间 出现瞬变干扰时，通过防雷击管的放电可起到一定的保护作用。瞬变干扰是电 磁兼容领域中主要的一种干扰方式，特别是雷击浪涌波，由于持续时间短，脉 冲幅值高，能量大，给电子电气设备的正常运行带来极大的威胁。 2 2 4 c a n 总线收发接口电路8 2 c 2 s o 简介 8 2 c 2 5 0 是c a n 控制器与物理总线之间的接口，可以提供对总线的差动发 送和接收功能9 、28 1 。8 2 c 2 5 0 的主要特性如下： 与i s 0 d i s i1 8 9 8 标准全兼容 高速性( 最高可达l m b p s ) 具有抗外部环境的瞬闻干扰保护总线的能力 降低射频干扰的斜率控制 热保护 总线与电源及地之间的短路保护 低电流待机方式 掉电自动关闭输出 可支持多达儿0 个节点相连接 9 8 2 c 2 5 0 的功能框图如图2 3 所示 图2 38 z c 2 5 0 功能框图 8 2 c 2 5 0 驱动电路内部具有限流电路，可防止发送输出级对电源、地或负 载短路。虽然短路出现时功耗增加，但不致使输出级损坏。 若结温超过大约1 6 0 时，两个发送器输出端极限电流将减小，由于发送 器是功耗的主要部分，因而限制了芯片的温升。器件的所有其他部分将继续工 作。8 2 c 2 5 0 采用双线差分驱动，有助于抑制在恶劣环境下的瞬变干扰。 引脚r s ( 8 ) 可用于选择三种不同的工作方式：高速、斜率控制和待机。 表2 一lr s 端选择的三种不同的工作方式 r s 提供条件 上作方式风上的电压或电流 v r s o 7 5 v c c待机方式 k 1 0ua 1 0ua i 目 2 0 0 m a斜率控制 0 4 v c c v r s 0 3v c c高速方式 t 酷 5 0 0 pa 在高速工作方式下，发送器输出晶体管以尽可能快的速度启闭，在这种方 式下不采取任何措施限制上升和下降频率，此时，建议采用屏蔽电缆以避免射 频干扰问题的出现。通过将引脚8 接地可选择高速工作方式。 对于较低速度或较短总线长度，可用非屏蔽双绞线或平行线作总线。为降 低射频干扰，应限制上升和下降斜率。上升和下降斜率可通过有引脚8 至地连 接的电阻进行控制。斜率正比于引脚8 上的电流输出。 若引脚8 接高电平，则电路进入低电平待机方式，在这种方式下，发送器 被关闭，而接收器转至低电流。若检测到显性位，r x d 将转至低电平，微控制 器应通过引脚8 将收发器变为正常方式对此条件做出反应。 1 0 第三章保护、测控单元的硬件设计 本保护测控单元采用插件式结构，方便于系统的维护和功能的实现。整个 装置由电源插件、输入输出插件、保护测控c p u 插件、信号插件以及人机对 话插件构成。其硬件总体结构如图： 图3 一l 硬件总体框图 3 1电源部分 电源插件把外部提供的交流电源转换为保护装置所需电压。输入为 a c 2 2 0 v ，经抗干扰滤波回路后，进入电源变换模块。输出为+ 5 v ，1 5 v 和+ 2 4 v 。 三组电压均不共地，且采用浮地方式，同外壳不相连。+ 5 v 电压用于装置数字 回路，】5 v 用于模拟量回路，+ 2 4 v 电压用于继电器驱动及脉冲等的f 电源 输入使用。 3 2c p u 为了提高系统的运行速度，减轻单个c p u 运行负荷，每个单元均采用双 c p u 结构，一片c p u 完成模拟量采集并处理、开关量输入输出和人机接口功 能。另一片c p u 与c a n 总线接口通信。应用双口r a m 完成两c p u 之间的数 据交换。 主c p u 系统由8 0 c 1 9 6 k c 、具有看门狗及e 2 p r o m 功能的x 5 6 4 3 、 r a m 6 2 2 5 6 、e p r o m 2 7 2 5 6 以及e p l d 等组成i l o l 。 m c s 9 61 6 位单片机是一种在工业界应用广泛的嵌入式控制器，由于它的 高性能的寄存器寄存器结构，可以很好地运用于实时控制应用、1 ”。c p u 操 作直接面向内存所有数据寄存器，消除了某些单片机只用累加器作运算的瓶颈 效应，因而运算速度和数据吞吐能力大大提高【”】。8 0 c 1 9 6 k c 是第二种 c h m 0 s 1 9 6 系列单片机。它有1 6 k br o m 型和1 6 k bo t p r o m 型两种，带有 5 1 2 b 寄存器r a m 。它的主频可运行到2 0 m h z 。8 0 c 1 9 6 k c 用高速输入输出 ( h s i o ) 结构进行事件控制，它有三个由硬件产生的p w m 发生器，有8 位和 1 0 位可编程采集和转换时间的a d 变换；有外设事务服务器( p t s ) ；全双工 位串口( s i o ) 、看门狗定时器和4 个输入输出口并与其他外设共同复用。 c p u l 与c p u 2 之间的数据交换通过双口r a m 实现，双口r a m 采用美国 i d t 公司生产的i d t 7 1 3 2 1 52 6 2 7 1 。 图3 2 下位机节点结构框图 双口r a m 器件i d t 7 1 3 2 将2 k 8 位r a m 、地址锁存及选址线路、双端 口读写操作控制器、双口优先裁决逻辑、数据输入，输出缓冲器等逻辑电路集 成于一个芯片上，芯片分为左和右两个端口，两个微处理器可以从左和右两个 方面在任何时间随机对2 k r a m 进行读写操作。由于片内的优先裁决逻辑保证 不会产生混乱和冲突，用它可以使系统的通讯接口更简单、速度更高、调试更 方便、功能更强大。它的内部结构如图3 3 所示。 i d t 7 1 3 2 中的b 嬲y 忙标志用来解决对同一单元进行同时读写操作竞争的 控制，当一个c p u 对一个单元读写时，则禁止另一个c p u 从另一个端口读写 操作。日吣y = 0 ，表示对该端口操作无效。丽个端口对不同单元的读写操作则 是允许的。 c e 鼻口毒拜牲s r w 冉诚写信号筑- 砸为糟：乜使柏恼号 h 聃= y 垮忙i 声饼每 。 为- 址舟号l ，( 产1 f 1 i 。为赣量 。嘲伯号 圈3 3i d t 7 1 3 2 双端口r a m 结构图 1 2 对芯片进行读写操作的优先裁决有三种工作方式： l 、非竞争读写操作控制。这种方式的特点是，左右两个端口的曰吣，= 1 ， 即不存在部分冲突的情况； 2 、在面有效( 置低) 之前装入地址信息，左右口优先裁决取决于c e 。 若左端口c e l 有效先于右端口，则优先裁决逻辑发出占嬲y r = 0 ，占硼y l = l ， 表明左端口允许操作，右端口不允许操作。反之，若右端口允许操作则左端口 不允许操作。如果两端口的c e 同时有效，则仲裁逻辑保证左端口优先操作。 3 、在地址装入以前c e 有效，左、右优先裁决取决于装入地址的有效的先 后，若左端口装入地址信息有效优先于右端口，裁决逻辑给出b w ，r = o ， 口吣y l = 1 ，即左端口允许操作，右端口不允许操作。反之，若右端口允许操作 则左端口不允许操作。如果两端口地址同时有效，则仲裁逻辑保证左端口优先 操作。 在此模块中，i d t 7 1 3 2 两边的b u s y 信号分别接至8 0 c 1 9 6 k c 的r e a d y 引脚，因为8 0 c 1 9 6 是支持插入等待时序的c p u ，当b u s y 信号有效时，8 0 c 1 9 6 处于等待状态，不需要任何的软件支持。由电路可知i d t 7 13 2 在两c p u 中的 地址存储范围都为1 0 0 0 h 1 7 f f h 。 由于c p u l 需要完成大量的数据采集和处理工作，8 0 c 1 9 6 k c 虽然具有片 内r a m ( o o h f f h ) ，但不能满足数据存储的容量需求。因此在电路中选用一 片6 2 6 4 ，外部扩展8 k b 的r a m ，地址范围为c 0 0 0 f f f f h 。c p u l 和c p u 2 都选用片2 7 2 5 6 ( 容量为3 2 k b ) 作为外部程序存储器扩展芯片，在两c p u 中的地址范围都为4 0 0 0 h 一7 f f f h 。 3 3 看门狗电路 程序运行时，程序有可能跑飞。为此，需要一种监视器，提供某种状态使 c p u 重新回到用户的程序。这种监视器即“看门狗”。实现其功能的途径有四： 利用地址译码；利用用户程序；利用定时器代替可触发单稳；设计高性能的“看 门狗”。 这里c p u 采用专用的x 5 6 4 3 芯片作看门狗电路，输出口p 2 5 与x 5 6 4 3 的 c 百肋，相连，p 2 4 、p 2 6 作为输入口通过s i 和s o 引脚与x 5 6 4 3 进行数据传 输，p 2 7 接s c k 引脚以控制串行总线的时序。在主程序中每隔一些指令就安 排一条喂狗指令，确保c p u 在正常工作时不致于复位。当程序出错时系统不 能正常运行而超出一定时间后，该电路即产生复位信号使c p u 复位，程序重 新开始运行。 图3 4x 5 6 4 3 电踌图 x 5 6 4 3 芯片简介 x 5 6 4 3 提供了四种通用的功能：电源复位控制，看门狗定时器，电压监视 和串行e e p r o m ，减少了电路板的尺寸，增加了系统的稳定性。 x 5 6 4 3 提供了一个独立的c p u 保护机制。当c p u 不能在有效时间内重置 定时器时，就会触发r e s e t 信号。这个时间间隔是由用户可以选择的。低电 压保护功能可以在系统供电电压v c c 低于设定的门槛电压时使r e s e t 信号有 效，直到v c c 恢复正常值并保持稳定。存储器部分是一个c m o s 串行e e p r o m 队列，容量为6 4 k b i t s ，通过串行外围接口( s p i ) 可以方便的与许多提供s p i 接口的微处理器相连。s p i 接口由四根控制线组成：片选( c s ) ，时钟线( s c k ) ， 数据输入线( s i ) 和数据输出线( s o ) 。c p u 通过控制片选线控制选择串行存 储器，然后使用时钟线和数据线进行数据传送。x 5 6 4 3 包含一个8 位的指令寄 存器，通信时数据在s c k 信号的上升沿被锁入s i 端，通过执行读指令( r s d r ) 和写指令( w r s r ) 完成对e e p r o m 的读写操作，整个过程中c s 端必须保持 低电平。x 5 6 4 3 芯片提供一个专门的写保护功能( w p 引脚为低、w p e n 位为 高时) ，可以对e e p r o m 的l ，4 、1 2 、或全部进行写保护。它拥有最小1 0 0 0 ，0 0 0 次的编程擦除周期，可保存数据达1 0 0 年以上。这些都使系统的可靠性大大提 高，本设计利用x 5 6 4 3 存放各种保护整定值、增益变换系数和系统操作许可口 令，由于8 0 c 1 9 6 k c 没有s p i 接口，所以采用软件模拟的方法实现s p i 协议。 3 4e p l d 可擦可编程逻辑器件( e p l d ) ，是一种多用途、高密度的可重复编程的门 阵列，具有设计灵活、简便、效率高等优点。它可以将多种功能的逻辑电路模 1 4 块集中在一个芯片上实现，极大的提高了系统工作的可靠性，同时又降低了成 本，减少了实际电路板的空间。用户可以根据设计中出现的问题随时调整、改 变电路结构，这些只要通过对e p l d 芯片重新编程就可以实现。本系统选用的 是a l l l e r a 公司生产的m a x 7 0 0 0 系列型号为e p m 7 1 2 8 s 的芯片，该公司同时 提供了相应的编程、开发工具m a x p l u s 2 软件包。m a x p l u s 2 允许用户使用 两种开发方式，一种是图形方式，一种是语言编程方式。图形编程方式直观、 简便，适合于不太复杂的结构中使用。 本系统中，e p l d 芯片完成的主要功能包括以下几个部分： ( 1 ) 1 6 路开关量信号与e p l d 输入脚相连，在内部分作两组，一组8 个 信号。每一组分别由三态门控制是否输出，三态门的使能端受一个双四一二译 码器7 4 l s l 3 9 制约，8 0 1 9 6 单片机对相应的地址操作取得开关量； ( 2 )