基于CAN总线的电力直流电源监控系统的设计

第1期2008年2月工矿自动化IndustryandMineAutomationNo.1Feb.2008文章编号:1671--251X(200801--0093--03基于CAN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545006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S3C44BoX的嵌入式系统组成系统的中央监控模块,并通过CAN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;CAN总线;S3C4480X中图分类号:TM76;TP273文献标识码:B0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16位80C196KC单片机,使用RS232或RS485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L1]。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CAN总线将各控制节点现场采集的直流电源信息和数据快速、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口￣3]。通过移植实时操作系统uC/OS-II和嵌入式图形系统uC/GUI,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。l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。CAN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[4]。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;充电收稿日期:2007一07—21机则实时在线监测蓄电池组GB的电压和电流是否。一:苎兰项目:广西科学基金项目‘0481018’'广西工学院科学研严格按照电池充电曲线运行,无须人工干预便能实究基金项目(061414。…’…。。…’。”…。。作者简介.李克俭(1962一。女,高级工程师,主要研究方向为电现电池均充、浮充及均浮充的自动转换,使电池处于力系统监视与控制。最佳工作状态,延长电池寿命。充电机对蓄电池组3结语参考文献: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GSM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。[1]韩冰,李芬华.GPRS技术在数据采集与监控系统中的应用[J].电子技术,2003(8:26~29.[23赵志伟.GPRS技术及网络建设综述[J].移动通信,2002(6:23~28.[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,1996.万方数据・94・工矿自动化2008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KM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。cAN总线匝驷l#节点控制器ll2#节点挣制器l……I删节点控制器l肉j馥蚋寞煎螺一”融皂力塞魂螺j.-1cBl#电力直流电源:圭匦孕甲匝翠;:I旦塑卜_叫皇里塑墼茎量卜_上—————L———叫鉴丛I_….…….一…一一.………一图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S3C44BOX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CAN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。一!!竺竺I.卧S3C4480X目I徽f触摸屏控制器lADS7843I■雨酮陌蕊-1MCP2510r-i。6‘N‘。37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[5],嵌入式系统的硬件设计扩展了2MB的FLASHRoM和8MB的SDRAM。液晶显示器采用STN—LCD显示器,触摸屏控制器则选用12位/8位精度的触摸屏控制专用控制器ADS7843,它们共同构成中央监视模块的人机接口。ADS7843的/PENIRQ引脚与￥3C4480X的PG5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CAN控制器MCP2510、高速光耦6N137和收发器TJAl050共同组成中央监控模块的CAN总线接口,CAN控制器MCP2510的/INT引脚接至S3C4480X的PG6(EINT6引脚,采用中断方式进行CAN总线的数据通信。CAN总线控制器MCP2510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±∑设置总线波特率图3CAN总线控制器MCP2510的初始化程序流程图中央监控模块的软件系统由uC/OS-II实时多任务操作系统、图形界面以及用户程序等模块组成。uC/0孓II具有内核小巧、源代码公开、代码结构清晰、实时性好等特点[6],属于抢占式内核,可以管理60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CAN总线通信中断服务任务,优先级设定为PRIO10;触摸屏处理任务,优先级设为PRIO12;显示任务,优先级为PRl015;窗口消息任务,优先级为PRIO16。图形界面设计采用体积较小的嵌入式图形系统uC/GUI,它可为任何使用LCD图形显示的应用系统提供高效的、独立于处理器和LCD控制器的图形用户接口,适用于单任务或多任务系统环境。uC/GUI嵌人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,LCD驱动层包含所有对LCD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2D图形库扩展的、占用很少RAM容量的窗口管理体系。S3C4480X控制器内置STN—LCD液晶控制器,在设计uC/GUI的LCD驱动程序时,需根据LCD的尺寸和像素信息初始化S3C44BOX内部的液晶控制器,并编写包括画点、画线和填充区等LCD驱动的底层函数。触摸屏的驱动则需根据ADS7843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uC/GUI的接口。uC/GUl在S3C44BOX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uC/GUI的底层LCD驱动程序和移植uC/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uC/GUI系统中的LCDconf.h和GUIconf.h两个配置文件进行正确设置。其中LCDconf.h配置文件用来配置LCD的显示尺寸、一|薹一~—同万方数据2008年第1期李克俭等:基于CAN总线的电力直流电源监控系统的设计・95・每像素的位数、总线宽度以及像素的RGB值等信息。利用文件GUIconf.h可实现对uC/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GUlconf.h配置文件。3节点控制器由89C51单片机组成的节点控制器包括CAN总线接口、人机接口、D/A、A/D模块以及故障报警模块。其中CAN总线接口由CAN控制器SJAl000、高速光耦6N137和CAN收发器82250组成口]。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CAN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CAN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。1人机接口}."_|SJAIoooH雯霜H麟l阿蓑}89C5l1xs04sI1故障、报警I图4节点控制器的原理图利用单片机89C51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LCD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LCD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X5045的EEPROM中,X5045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/INTl实现被转换后数据信息的读取。CAN总线的通信程序采用外部中断/INT0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CAN总线设计了一种电力直流电源监控系统。该监控系统由S3C4480X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CAN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监控,从而实现整个电力系统的自动化管理和增强整个电力系统的工作性能。该系统具有功能强、结构开放灵活、实时性强、可靠性高等优点,不仅具备处理各种电力直流电源工作情况的能力,而且可根据不同的现场情况与用户要求进行相应的功能扩展。参考文献:[11李欣,李若琼,董海鹰.基于ARM嵌入式现场模块的牵引变电所综合自动化系统网络通讯的研究[J].高压电器,2006(1;21~24.[2]邱爱兵,陈三宝.CAN总线技术在变电站综合自动化系统的应用口].自动化技术与应用,2005,24(11:66~68.[3]荣相,徐向成.CAN总线在煤矿井下电力监控