基于CAN总线的高压开关柜状态监测单元通讯模块的设计

　　1. 引言
　　高压开关柜是电力系统的关键主设备之一，其运行状态对电力系统的可靠性具有重大影响。 统计表明，20世纪90年代中国电力系统开关事故类型分布如下：机械故障（拒分、拒合、误动）33.3%，绝缘故障37.3%，温升故障（载流）8.9%，其它20.5%[1>。 因此，有必要对高压开关柜的机械、温升及绝缘状态实施在线监测，及时发现事故隐患，防止事故发生。
　　现有高压开关柜监测单元的核心一般采用单片机（MCU），其处理能力有限、存贮空间很小，只能对数据进行简单的处理和存放少量的历史数据[2>。为了存放大量的历史数据以便对已有的数据进行复杂的处理（如寿命评估、故障诊断等），也为了对电力系统运行状态进行远程检测和诊断，有必要使监测单元具有通讯能力，把需要的数据上传给PC机。 同时为了对分散的监测单元进行维护（如单元是否正常工作，阈值下载等），监测单元也有必要具有通讯能力以使PC机能够实时监控监测单元的工作情况以及对它们进行阈值的下载。
　　CAN作为一种有效支持分布式通信的现场总线，能够完成现场监测单元与管理设备之间的数字通信，沟通现场监测单元和更高管理层网络之间的联系，真正做到“分散处理，集中管理”。
　　
　　2. 监测单元框架和通讯模块功能
　　所研制现场监测单元，其微控制器选用16位高速单片机80C196KC，利用其丰富的外设接口，方便地进行现场的数据采集、处理和显示。监测单元的功能是进行在线的数据采集和数据处理，并提供现场的显示和与上位机通信的接口。
　　监测单元监测的主要内容有：①母线温升：测量断路器三相进线和三相出线的电连接处温升；②泄漏电流：测量三相环氧套管的泄漏电流；③机械数据：通过对断路器分、合闸线圈电流和动触头行程的测量并进行数据处理，得到动触头行程、分合闸时间、分合闸速度、平均分合闸时间和平均分合闸电流。通讯模块的主要功能就是当测量的这些数据异常时，主动上传异常的数据，当测量的数据正常时就等待PC机有请求时上传这些数据。同时监测单元还通过通讯模块接收PC机的参数下载（如阈值等），并对PC机的下载进行响应!回答下载成功与否信息。
　　
　　3. CAN总线
　　3.1 CAN总线简介
　　CAN总线属于现场总线的范畴，它是一种具有很高保密性、有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。符合ISO/OSI模型规范。 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。 通信速率为5kb/s时，通信距离最长可为10km；通信速率为1Mb/s时，通信最长距离可达40m。 CAN总线上节点数最多可以有110个，所以比较适用于小型的测控网络。
　　CAN总线具有以下特征：多主站依据优先权进行总线访问；无破坏性的基于优先权的仲裁；借助接收滤波的多地址帧传送；远程数据请求；配置灵活性；全系统数据相容性；错误检测和出错信令；发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重新发送；暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离。
　　CAN总线的规范主要有2.0A和2.0B。这两者的区别主要在于标识符位数的不同。CAN2.0A的标识符有11位，而CAN2.0B的标识符有29位，因此CAN2.0B对标识符定义具有更大的灵活性。
　　3.2 监测单元通讯模块对CAN2.0B标识符的定义
　　CAN总线摒弃了地址的概念: 而是用标识符来标识数据，使用位仲裁技术根据标识符的优先级（标识符的值越小，优先级就越高）对总线进行访问，这样在系统中增删节点就不会涉及到软件的修改。但在实际应用中为了实现点对点及点对多点的数据传送以及较长报文的传送，有必要在标识符中定义数据的源地址、目的地址以及帧序数[3>。
　　对CAN2.0B 29位标识符的定义为：bit28~bit21为目的地址；bit20~bit13为源地址；bit12~bit5为帧序数。源地址和目的地址表示CAN帧从哪里来，到哪里去。bit4位称为更多CAN帧位，它是和帧序数配合使用来传送较长的数据的（CAN每一帧最多传8个有效字节）。bit4为零表示当前的CAN帧是一个被分组打包的应用层报文的最后一段；为1则表示应用层报文的分段未传完；当标志位为0，帧序数也为1时，表示报文没有被分段。bit3~bit0用来区分同一源地址的不同数据，这是一个4位的计数器，取值范围是0~15。当发送一个新的数据时，计数器加1，溢出时重新开始计数。没有用到远程帧，远程帧的作用通过数据帧之间的应答来实现。