CAN总线在低压断路器智能控制器中的应用

彭 磊，李春菊

（湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101）

0 引 言

近年来，智能电网已成为国内外的研究热点，低压电器的“智能化”和“可通信”也将朝着智能电网的方向发展，并将成为智能电网的低压用户端产业［1］.由于智能电网的低压用户端需要具有可靠、安全、经济、高效等特点，所以构造智能电网，就必定离不开作为电网基础的低压配电系统与低压电器元件的智能化和可通信，而在这其中起到控制与保护作用的核心器件，如万能式断路器、塑壳断路器等，它们的智能化和可通信就自然成为了低压电器产业发展的趋势.

“十二五”期间，随着智能电网建设的推进以及低压电器生产技术的不断发展，以智能化、模块化、可通信为主要特征的新一代低压电器必将成为市场的主流产品［2］.

1 基于CAN总线的低压断路器智能控制器系统简介

1.1 CAN总线的特点

CAN总线是唯一成为国际标准的现场总线，其通信协议主要描述设备之间的信息传递方式.CAN总线的主要特性有：①成本低廉；②数据传输距离远（最远长达10km）；③数据传输速率高（最高达1 Mbit／s）；④无破坏性的基于优先级的诸位仲裁；⑤借助于验收滤波器的多地址帧传递；⑥发送的信息遭到破坏后，可自动重发；⑦脱离总线的节点不影响总线的正常工作.基于其优越的特性，CAN总线已成为国际上应用最广泛的总线之一［3］.

1.2 系统总体框图

该低压断路器智能控制器采用模块化结构，集成了测量、显示、控制、保护、CAN通信等功能.总体结构框图如图1所示.

图1 基于CAN总线的低压断路器智能控制器总体结构框图

1.3 智能控制器简介

本文所设计的低压断路器智能控制器其功能简要概括如下：

（1）三段电流保护

该功能包括过载长延时、短路短延时、短路瞬时动作三段保护特性.过载长延时保护整定范围为1.05～1.3倍的额定电流.为了使电网中的保护功能匹配，过载长延时的时间调整范围为15～480s，短路短延时保护整定范围为1.3～10倍的额定电流，其时间调整范围为0.1～0.4s.主开关与各级分支开关之间保护的配合，可以通过这些时间的调整得以实现.由此以来，系统的可靠性将得到进一步的提高，而系统的故障范围则可以进一步缩小［4］.

（2）通讯功能

作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本较低的网络通信控制方式，CAN通信协议主要描述设备之间的信息传递方式.CAN协议规范中关于层的定义域开房系统互连模型一致，设备中的每一层与另一设备上相同的那一层通信，实际的通信发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连.CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层.应用层协议可以由CAN用户定义成适合工业控制领域的任何方案.因此，可以实现智能控制器的遥控、遥测、遥调等功能.

（3）显示及故障记忆功能

在断路器运行时，适时显示主电路电流、动作时间、分断次数.故障发生时，能将故障信息进行存储，如故障电流值、故障时间、故障类型等.这样将有助于在故障分析时做出正确的判断，从而可大大缩短线路维修的时间.

2 CAN总线的节点电路设计

CAN总线节点硬件电路由CAN收发器、CAN控制器、单片机以及功能电路组成.其节点接口电路如图2所示.其中CAN控制器是该系统的核心元件，集成了CAN规范中数据链路层的全部功能，能够自动完成CAN总线协议的解析.在本次设计中，选用的CAN控制器是由NXP公司生产的SJA1000.它是一种独立控制器，用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制；它是PHILIPS半导体PCA82C200CAN控制器BasicCAN的替代产品，而且增加了一种新的工作模式PeliCAN，这种模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议.在电路设计中，SJA1000相当于单片机的外部RAM，其中的 连接单片机的P3.2引脚，这样可以让单片机及时检测和响应SJA1000发生的各种中断异常，而和 分别连接单片机的P3.7和P3.6引脚.当SJA1000在接收这些信号后，就会在其接口管路逻辑的控制下实现单片机请求的各种功能.

由于CAN总线多数用在电磁环境恶劣的工业现场，并且物理电缆的长度最长可达几公里.因此，CAN总线上的电信号通常会叠加很多干扰信号，如尖峰脉冲、共模干扰等.这些无用的信号对CAN节点来说是有害的，轻则干扰正常的数据，重则损坏设备.为了避免这些危害，在本设计中采用了如下措施：

（1）CAN收发器选用CTM8251，其电压隔离为DC2500V，总线波特率应用范围为5kbps～1Mbps.它采用全灌封工艺，内部集成了CAN总线所必须的收发电路，不需要外接任何元器件，完成电器隔离；它可以将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且具有DC功能；它符合ISO11898标准，因此它可以和其他遵循该标准的CAN收发器互相操作；

（2）在总线上并入一个120Ω的终端电阻，以此来改善总线信号的质量；

（3）选用CAN总线专用的共模电感EPCOS B82793，其可抑制传输线上的共模干扰，令传输线上的数据信号可畅通无阻地通过.

而选用的单片机则是当前8051单片机中性能最高的DS89C450.它具有重新设计的处理器内核，在相同的晶振频率下，执行指令的速度是最初的8051的12倍.在运行于每兆赫每秒百万指令（MIPS）的速度下，它能够在33MHz的最高晶振频率下，达到33MIPS的运行速度，指令周期时间最低至30ns.对于EMI敏感的应用，当CPU不访问外部存储器时，DS89C450可以禁止ALE信号［5］.

图2 硬件节点接口电路

3 系统软件设计

CAN总线驱动程序主要由四部分组成：SJA1000的初始化、数据的发送、接收以及中断处理.CAN总线主程序流程图如图3所示.

图3 主程序流程图

3.1 SJA1000初始化流程

CAN控制器SJA1000在启动时，必须由主控制器先对其进行初始化配置，才能正常工作.这些配置主要包括输出引脚选择，滤波参数设置、工作模式设置以及通信波特率设置等.系统的初始化应在复位模式下进行，配置完成后必须退出复位模式，SJA1000才能正常工作.SJA1000初始化流程图如图4所示.

图4 SJA1000初始化流程图

3.2 发送数据流程

在发送CAN报文之前，需要确定已经初始化SJA1000参数.通过读取状态寄存器SR，测试SR.2和SR.3是否都为1.若都为1，填充报文到发送缓冲区，并设置发送模式，SJA1000将启动发送过程；若不同时为1，表明上一次发送还未完成，需要等待发送完成，或终止发送.CAN发送数据函数程序流程图如图5所示.

图5 发送数据流程图

3.3 接收数据流程

在SJA1000工作期间，为了确认CAN总线是否接收到CAN报文，可以通过查询状态寄存器来获取接收缓冲区的相关信息.当接收缓冲区不为空时，通过软件查询报文信息寄存器可以将接收缓冲区中当前报文窗口的报文信息获取，并根据该报文的信息将整个报文完整读出，最后在释放该报文在接收缓冲区占有的空间.其程序流程图如图6所示.

图6 接收数据流程图

3.4 中断处理流程

当SJA1000发送缓冲区有锁定变为释放且TIE置位时，产生中断.在使用中断功能的时候，必须首先对SJA1000进行中断的初始化.其流程图如图7所示.

图7 中断程序流程图

4 结束语

结合CAN总线和低压断路器智能控制器的技术要求，以DS89C450为核心，设计了一种基于CAN总线的低压断路器智能控制器，并对此智能控制器的硬件设计与软件设计方法做了详细的介绍.

［1］崔芮华，耿丽恺.基于LPC2294的CAN总线技术在智能脱扣器控制方面的研究［J］.低压电器，2011（1）：41－44.

［2］刘青松，王瑞明，胡 军.总线式低压断路器新型智能控制器的研制［J］.微计算机信息，2009（2）：45－47.

［3］铙运涛，邹继军，王进宏，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术（第2版）［M］.北京：航空航天大学出版社，2007.

［4］李 果.基于GSM通信的智能脱扣器系统设计［J］.低压电器，2012（7）：19－22.

［5］周立功.LPC900系列Flash单片机应用技术（上册）［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.