基于CAN總線的電力直流電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

第1期2008年2月工礦自動化IndustryandMineAutomationNo.1Feb.2008文章編號:1671--251X(200801--0093--03基于CAN總線的電力直流電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計*李克儉,陳文輝,高遠(廣西工學(xué)院電子信息與控制工程系,廣西柳州545006摘要:介紹了一種基于CAN總線的電力直流電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及其工作原理。該設(shè)計基于S3C44BoX的嵌入式系統(tǒng)組成系統(tǒng)的中央監(jiān)控模塊,并通過CAN總線與由單片機系統(tǒng)組成的各直流電源的現(xiàn)場控制節(jié)點通信,以達到對各直流電源的集中監(jiān)控,從而實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)管理的自動化。關(guān)鍵詞:電力直流電源;監(jiān)控系統(tǒng);嵌入式系統(tǒng);CAN總線;S3C4480X中圖分類號:TM76;TP273文獻標(biāo)識碼:B0引言電力直流電源作為合閘、控制、繼電保護等重要裝置的供電電源,在發(fā)電廠、變電站、大中型廠礦企業(yè)等供電系統(tǒng)中占有重要地位,其可靠與否將直接影響到電力系統(tǒng)的安全運行,隨著電力系統(tǒng)自動化程度的提高,其在線監(jiān)控技術(shù)倍受關(guān)注。目前,國內(nèi)主要采用8位或16位80C196KC單片機,使用RS232或RS485接口標(biāo)準(zhǔn)的串行總線和數(shù)據(jù)采集電路構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng),然而這樣的監(jiān)控系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)處理能力、多任務(wù)調(diào)度能力不強和系統(tǒng)資源利用率不高等缺點,不利于監(jiān)控系統(tǒng)的智能化改進,而且監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備也存在兼容性差、功能裝置重復(fù)配置、控制電纜重復(fù)敷設(shè)、投資大、不利于維修調(diào)試等諸多不足L1]。本文介紹一種電力直流電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計,它以嵌入式技術(shù)為核心,利用CAN總線將各控制節(jié)點現(xiàn)場采集的直流電源信息和數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確、實時地上傳到中央監(jiān)控模塊,同時中央監(jiān)控模塊也可以將向各控制節(jié)點下達的控制指令準(zhǔn)確無誤地發(fā)送到各直流電源,從而實現(xiàn)集監(jiān)控、調(diào)控、保護、通信于一體的自動化監(jiān)控系統(tǒng)口￣3]。通過移植實時操作系統(tǒng)uC/OS-II和嵌入式圖形系統(tǒng)uC/GUI,實現(xiàn)了中央監(jiān)控模塊的軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)化,方便了管理和維護。l系統(tǒng)工作原理圖1是基于CAN總線的電力直流電源監(jiān)控系統(tǒng)的組成圖,通過節(jié)點控制器,采用CAN總線完成中央監(jiān)控模塊和各電力直流電源的數(shù)據(jù)通信,構(gòu)成一個快速、穩(wěn)定、可靠的自動化系統(tǒng)。CAN總線屬于現(xiàn)場總線的范疇,是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)[4]。虛線框內(nèi)為電力直流電源的原理方框圖,在交流電源正常供電狀態(tài)下,將開關(guān)Q合上,由蓄電池組GB向合閘母線HM供電,給高壓斷路器直流操作機構(gòu)提供合閘電源;充電收稿日期:2007一07—21機則實時在線監(jiān)測蓄電池組GB的電壓和電流是否。一:苧蘭項目:廣西科學(xué)基金項目‘0481018’'廣西工學(xué)院科學(xué)研嚴(yán)格按照電池充電曲線運行,無須人工干預(yù)便能實究基金項目(061414?！?。?！！薄?。。作者簡介.李克儉(1962一。女,高級工程師,主要研究方向為電現(xiàn)電池均充、浮充及均浮充的自動轉(zhuǎn)換,使電池處于力系統(tǒng)監(jiān)視與控制。最佳工作狀態(tài),延長電池壽命。充電機對蓄電池組3結(jié)語參考文獻:該軟件已經(jīng)在煤礦應(yīng)用,運行穩(wěn)定,使用狀況良好,受到了用戶的好評。由于通信速率的影響,通過GSM實現(xiàn)煤礦安全的遠程監(jiān)控還主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸上。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展、無線通信速率的提高,無線圖象傳輸、語音對話也將更多地應(yīng)用到煤礦中去。[1]韓冰,李芬華.GPRS技術(shù)在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù),2003(8:26~29.[23趙志偉.GPRS技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)綜述[J].移動通信,2002(6:23~28.[3]煤炭工業(yè)部安全司.礦井安全監(jiān)控原理與應(yīng)用[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1996.萬方數(shù)據(jù)?94?工礦自動化2008年2月GB充電時,其輸出電壓高于控制回路的額定電壓,所以充電機需要先通過電壓調(diào)整裝置降壓,然后向控制母線KM提供高壓斷路器直流操作機構(gòu)的正常分閘、故障分閘、保護、照明等直流電源?？刂颇妇€上設(shè)有電壓監(jiān)測、絕緣監(jiān)測和閃光裝置。當(dāng)交流電源發(fā)生故障停止供電時,蓄電池組GB通過電壓調(diào)整裝置繼續(xù)向控制母線KM供電,從而保證控制母線KM的不間斷供電。cAN總線匝駟l#節(jié)點控制器ll2#節(jié)點掙制器l……I刪節(jié)點控制器l肉j馥蚋寞煎螺一”融皂力塞魂螺j.-1cBl#電力直流電源:圭匭孕甲匝翠;:I旦塑卜_叫皇里塑墼莖量卜_上—————L———叫鑒叢I_….…….一…一一.………一圖1電力直流電源監(jiān)控系統(tǒng)的組成圖2中央監(jiān)控模塊系統(tǒng)的中央監(jiān)控模塊是由基于S3C44BOX控制器的嵌入式系統(tǒng)組成的,如圖2所示,其主要功能是監(jiān)視電力系統(tǒng)中各直流電源的工作參數(shù)和工作狀態(tài),并通過液晶觸摸屏設(shè)置各直流電源的工作參數(shù),經(jīng)CAN總線控制現(xiàn)場的節(jié)點控制器,控制直流電源運行到所設(shè)置的狀態(tài)。一!!竺竺I.臥S3C4480X目I徽f觸摸屏控制器lADS7843I■雨酮陌蕊-1MCP2510r-i。6‘N‘。37線圖2中央監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)圖為了滿足中央監(jiān)控模塊中圖形界面、實時操作系統(tǒng)和用戶程序?qū)Υ鎯ζ鞯囊骩5],嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計擴展了2MB的FLASHRoM和8MB的SDRAM。液晶顯示器采用STN—LCD顯示器,觸摸屏控制器則選用12位/8位精度的觸摸屏控制專用控制器ADS7843,它們共同構(gòu)成中央監(jiān)視模塊的人機接口。ADS7843的/PENIRQ引腳與￥3C4480X的PG5引腳相連,采用軟件查詢的方式采集觸摸屏的動作和位置信息。由CAN控制器MCP2510、高速光耦6N137和收發(fā)器TJAl050共同組成中央監(jiān)控模塊的CAN總線接口,CAN控制器MCP2510的/INT引腳接至S3C4480X的PG6(EINT6引腳,采用中斷方式進行CAN總線的數(shù)據(jù)通信。CAN總線控制器MCP2510的初始化程序包括設(shè)置總線波特率、設(shè)置濾波器、設(shè)置中斷等過程。其程序流程如圖3所示。開始設(shè)置為復(fù)位狀態(tài)±∑設(shè)置總線波特率圖3CAN總線控制器MCP2510的初始化程序流程圖中央監(jiān)控模塊的軟件系統(tǒng)由uC/OS-II實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、圖形界面以及用戶程序等模塊組成。uC/0孓II具有內(nèi)核小巧、源代碼公開、代碼結(jié)構(gòu)清晰、實時性好等特點[6],屬于搶占式內(nèi)核,可以管理60多個任務(wù),是一個穩(wěn)定可靠的內(nèi)核。中央監(jiān)控模塊軟件系統(tǒng)中的任務(wù)主要劃分為CAN總線通信中斷服務(wù)任務(wù),優(yōu)先級設(shè)定為PRIO10;觸摸屏處理任務(wù),優(yōu)先級設(shè)為PRIO12;顯示任務(wù),優(yōu)先級為PRl015;窗口消息任務(wù),優(yōu)先級為PRIO16。圖形界面設(shè)計采用體積較小的嵌入式圖形系統(tǒng)uC/GUI,它可為任何使用LCD圖形顯示的應(yīng)用系統(tǒng)提供高效的、獨立于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口,適用于單任務(wù)或多任務(wù)系統(tǒng)環(huán)境。uC/GUI嵌人式圖形系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)是模塊化的,不同的模塊又包含不同的層,LCD驅(qū)動層包含所有對LCD的具體圖形操作,且它是由標(biāo)準(zhǔn)c代碼編寫的,不僅可以實現(xiàn)非常好的、允許處理灰度的顏色管理,而且還提供一個可進行2D圖形庫擴展的、占用很少RAM容量的窗口管理體系。S3C4480X控制器內(nèi)置STN—LCD液晶控制器,在設(shè)計uC/GUI的LCD驅(qū)動程序時,需根據(jù)LCD的尺寸和像素信息初始化S3C44BOX內(nèi)部的液晶控制器,并編寫包括畫點、畫線和填充區(qū)等LCD驅(qū)動的底層函數(shù)。觸摸屏的驅(qū)動則需根據(jù)ADS7843的時序,編寫出相應(yīng)的讀取X軸和y軸數(shù)據(jù)的子程序,并做好與uC/GUI的接口。uC/GUl在S3C44BOX系統(tǒng)中的移植過程包括初始化液晶控制器和液晶顯示器、編寫uC/GUI的底層LCD驅(qū)動程序和移植uC/GUI內(nèi)核文件。首先根據(jù)硬件系統(tǒng)中液晶控制器、液晶顯示器及觸摸屏等硬件信息,對uC/GUI系統(tǒng)中的LCDconf.h和GUIconf.h兩個配置文件進行正確設(shè)置。其中LCDconf.h配置文件用來配置LCD的顯示尺寸、一|薹一~—同萬方數(shù)據(jù)2008年第1期李克儉等:基于CAN總線的電力直流電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計?95?每像素的位數(shù)、總線寬度以及像素的RGB值等信息。利用文件GUIconf.h可實現(xiàn)對uC/GUI功能模塊啟用/停止的配置,該文件關(guān)于窗口管理、存儲器支持、觸摸屏支持、防鋸齒處理等功能在默認(rèn)設(shè)置中被屏蔽。中央監(jiān)控模塊監(jiān)控軟件的設(shè)計包含有窗口管理、存儲器支持和觸摸屏支持等功能的應(yīng)用,所以需修改GUlconf.h配置文件。3節(jié)點控制器由89C51單片機組成的節(jié)點控制器包括CAN總線接口、人機接口、D/A、A/D模塊以及故障報警模塊。其中CAN總線接口由CAN控制器SJAl000、高速光耦6N137和CAN收發(fā)器82250組成口]。節(jié)點控制器的原理如圖4所示。節(jié)點控制器既可以實現(xiàn)對系統(tǒng)中直流電源參數(shù)的現(xiàn)場控制,完成直流電源工作參數(shù)和狀態(tài)信息的采集、顯示和報警,并通過CAN總線向中央監(jiān)控模塊發(fā)送這些工作參數(shù)和狀態(tài)信息,由中央監(jiān)控模塊集中監(jiān)控系統(tǒng)中各個直流電流的工作狀態(tài),同時也可以通過CAN總線接收來自中央監(jiān)控模塊的控制信息,經(jīng)節(jié)點控制器控制直流電源運行到由中央監(jiān)控模塊設(shè)定的工作狀態(tài)。1人機接口}."_|SJAIoooH雯霜H麟l阿蓑}89C5l1xs04sI1故障、報警I圖4節(jié)點控制器的原理圖利用單片機89C51控制A/D模塊采集充電機主回路電壓、電流信息,并在人機接口上實時顯示主回路的電壓、電流參數(shù);通過D/A模塊控制觸發(fā)電路,調(diào)節(jié)充電機主回路整流元件的觸發(fā)角,從而調(diào)節(jié)直流電源的電壓、電流值。人機接口由鍵盤和單色LCD組成,節(jié)點控制器通過鍵盤設(shè)定直流電源所需的工作電壓、電流參數(shù),而單片機通過D/A模塊的調(diào)節(jié)控制使得充電機主回路工作到設(shè)置狀態(tài),并通過LCD顯示充電電壓、電流的實時值和設(shè)置值,以及直流電源的故障報警信息;其中電壓、電流的設(shè)置值存儲于X5045的EEPROM中,X5045的看門狗定時器和電源電壓監(jiān)控功能可以有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。單片機系統(tǒng)的軟件設(shè)計中各功能軟件模塊都采用中斷觸發(fā)的方式,即通過中斷服務(wù)程序完成節(jié)點控制器各模塊的功能。比如:A/D模塊一方面采用定時器T1中斷定時啟動A/D轉(zhuǎn)換器,實現(xiàn)定時采集直流電源參數(shù)的功能,另一方面通過外部中斷/INTl實現(xiàn)被轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)信息的讀取。CAN總線的通信程序采用外部中斷/INT0方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,而定時器TO中斷則實現(xiàn)人機接口的定時刷新。中斷觸發(fā)方式的程序結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的實時性能。4結(jié)語本文基于CAN總線設(shè)計了一種電力直流電源監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)由S3C4480X嵌入式系統(tǒng)組成中央監(jiān)控模塊。系統(tǒng)中各直流電源的現(xiàn)場控制節(jié)點由單片機系統(tǒng)組成。中央監(jiān)控模塊通過CAN總線與各直流電源的現(xiàn)場控制節(jié)點進行高速、可靠的信息通信,能對各直流電源進行集中監(jiān)控,從而實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)的自動化管理和增強整個電力系統(tǒng)的工作性能。該系統(tǒng)具有功能強、結(jié)構(gòu)開放靈活、實時性強、可靠性高等優(yōu)點,不僅具備處理各種電力直流電源工作情況的能力,而且可根據(jù)不同的現(xiàn)場情況與用戶要求進行相應(yīng)的功能擴展。參考文獻:[11李欣,李若瓊,董海鷹.基于ARM嵌入式現(xiàn)場模塊的牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊的研究[J].高壓電器,2006(1;21~24.[2]邱愛兵,陳三寶.CAN總線技術(shù)在變電站綜合自動化系統(tǒng)的應(yīng)用口].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2005,24(11:66~68.[3]榮相,徐向成.CAN總線在煤礦井下電力監(jiān)控