基于CAN总线的智能馈线终端的研究

1   前言
随着国民经济的发展，电力用户对供电质量和供电可靠性的要求越来越高，实现配电自动化是配电系统提高供电可靠性的最有效手段。在配电自动化系统中，馈线自动化是配电自动化系统的基础。而作为馈线自动化系统中核心设备的馈线终端则成为配电自动化系统成功实施的关键。
馈线终端简称FTU(Feeder Terminal Unit)，它主要用来监控柱上负荷开关，重合器等一次设备。向配电主站/子站提供配电系统运行工况和提供各种参数：包括开关状态，电能参数，相间和接地故障及故障时的参数信息，并执行配电主站/子站对配电设备的控制及调节指令。
CAN总线作为具有国际标准，主要为工业现场设计的开放式总线，具有可靠性高，实时性强，组网灵活，成本低廉等优点。在馈线自动化系统中采用CAN总线通信方式，有着广阔的前景。之所以采用CAN总线，这主要是由馈电自动化通信特点和性能要求所决定的。在馈线自动化系统中，馈线终端节点数量大，通信节点分散，通信距离短和数据量小，且工作环境比较恶劣；这就要求通信网络拓扑灵活，变更方便，能容纳各种不同的通信介质，易于构成大型网络，从而便于网络管理；同时要求网络通信具有较高的可靠性与实时性。主要用于低层设备通信的CAN总线完全可以适用于这一场合。
本文所介绍的馈线终端主要用于铁路道口，完成对用于给铁路道口信号灯供电的馈电线路的监控。整个系统的结构如图1所示。依照CAN总线的特点，我们将配电子站和各个FTU均作为总线上的一个节点通过屏蔽双绞线连接成一个总线型的局域网。馈线终端的工作原理是在正常运行状态下，FTU监测馈电线路的运行参数，通过CAN总线向配电子站上传各种运行参数；接收配电子站的命令，实现线路开关的远方合闸和分闸操作以优化配网。而当线路发生故障时，FTU及时向配电子站发送报警信号。配电子站在接收报警信号后，对相应故障现象进行判断，隔离馈线故障区段以及恢复对非故障区域的供电，从而达到减小停电面积和缩短停电时间的目的。馈线终端可依照配电子站的请求，工作在实时检测和监控两种工

作状态：在实时检测的工作状态下馈线终端实时向配电子站发送馈电线路的运行参数；而工作在监控状态下的馈线终端定时向配电子站发送相关参数。该FTU除了具有传统的三遥功能外，还具有故障录波、越限主动报警、SOE（事件顺序记录）等功能。
2   智能馈线终端的硬件结构设计
本文所介绍的FTU是一个基于SOC型单片机设计的全数字控制单元。整个装置分为主控部分，模拟电信号量采集和调理部分，开关量输入输出控制部分，CAN总线通信部分，液晶显示人机接口部分等模块。其原理框图如图2所示。

                                        图2
主控部分[2]
主控部分采用C8051F040（以下简称F040）单片机，F040单片机是CYGNAL公司推出的完全集成的混合信号片上系统型微控制器。它在一块芯片上集成了构成一个单片机数据采集所需的几乎所有模拟和数字外设及其它功能部件，同时，它的运行速度也较普通的单片机有了极大的提高，由于采用了流水线技术，它的速度可达到普通单片机的10倍,用户可根据实际的需要通过对片内相应寄存器及交叉开关的简单配置即可构建出一个完整的测控系统，为设计小体积、低功耗、低成本、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了很大的方便。

 模拟信号采集与调理部分
电网中的电网电压和负载电流首先经过现场一次PT和CT变换成为0-100V和0-5A的交流电量，然后再经过特制的二次PT和CT变换成为0-5V的电压信号，接着通过调理电路调理成ADC可接受的测量范围，调理后的交流信号通过一级电压跟随和二阶有源低通滤波器，以消除高次谐波和噪声信号送入ADC进行测量。铁路应用的场合需要对两回线（贯通和自闭）的三相电压和三相电流进行同时进行测量，共需12路交流通道，为保证交流电压电流信号的同时采样，提高采样精度，我们选用MAXIAM(美信)公司生产的两片MAX125来完成此项工作。
 开关量输入输出控制部分
F040共有P0~P7共8组64个端口，且每个端口都是可位寻址的。有了这样充足的端口，我们可以很方便地连接相应的开关量而不需外扩端口。端口并不直接与相关的开关直接相连，而是通过相应的光耦，这样做的目的是为了防止电网串入的瞬时干扰。F040定时对开入开关进行检测，并将相应的值经由CAN总线传入配电子站，即可实现遥信功能。接收配电子站发出的开出开关的控制信号控制相应开关的开合，实现相应的遥控功能。
 测频部分
利用F040内部的硬件资源我们可以很方便地对交流工频信号进行测量。具体实现方法为取一路交流电信号，经过相应的限幅处理后，送入F040片内的电压比较器后，得到方波信号。F040片内的电压比较器可以调整回差电压，通过对回差电压的调整即可实现迟滞电压的比较功能，用于消除输入信号在过零点可能出现的抖动现象。电压比较器输出的方波信号连接到F040的片内PCA（可编程计数器阵列）的一个捕获/比较单元，捕获/比较单元工作在上跳沿捕获方式，每次检测到上跳沿将引起一个中断，同时产生一次捕获，将此时PCA计数器的值送入该捕获/比较单元的捕获寄存器中。我们在中断服务子程序计算两次捕获的PCA0计数值之差即对应交流工频的周期。PCA计数器选择与定时采样计数器相同的时基，所以只需将此计数值除以采样次数就可作为定时采样计数器的重装值用于下一次交流采样。
 CAN总线通讯部分
F040中内置CAN总线协议控制器，只要外接总线驱动芯片和适当的抗干扰电路就可以很方便地建立一个CAN总线智能测控节点。本设计中采用PHILIP公司的TJA1050T CAN总线驱动器。CAN总线通信硬件原理图如图3所示。
图中F040 的CAN信号接收引脚RX和发送引脚TX并不直接连接到TJA1050T的RXD和TXD端，而是经由高速光耦6N137进行连接，这样做的目的是为了实现CAN总线各节点的电气隔离。为了实现真正意义上完全的电气隔离，光耦部分的VA和VB必须通过DC-DC模块或者是带有多个隔离输出的开关电源模块进行隔离。为防止过流冲击，TJA1050T的CANH和CANL引脚各通过一个5Ω的电阻连接到总线上。并在CANH和CANL脚与地之间并联2个30P的电容， 用于滤除总线上高频干扰。而防雷击管D1和D2可以起到发生瞬变干扰时的保护作用。[1]
TJA1050T的8脚连接到F040的一个端口用于模式选择，TJA1050T有两种工作模式用于选择，高速模式和静音模式。TJA1050T正常工作在高速模式，而在静音模式下，TJA1050T的发送器被禁能，执行只听功能，可用于防止由于CAN控制器失控而造成的网络阻塞。

3   智能馈线终端的软件设计
 鉴于该装置功能复杂，软件编制方法采用 C51和汇编混合编程，首先在系统中移植μC/OS-II，然后在此基础上分别编制各个相关的任务，通过这样可以大大提高整个系统的实时性，可靠性，降低程序设计的难度，提高程序的可维护性。软件部分主要包括两大部分：一是μC/OS-II实时内核的移植，二是各相关任务的编制。
 μC/OS-II在 C8051F单片机上的移植
μC/OS-II是一个完整的，可移植，固化、裁减的占先式实时多任务内核。μC/OS-II大部分是用ANSI C 进行编制的，只有少部分与CPU密切相关的部分是用汇编语言编写的，至今UC/OS-II已在超过40种不同架构的微处理器上运行。[3]
 μCOS-II在C8051F上的移植主要是三个与CPU架构有关的文件进行重写，它们分别是汇编文件OS_CPU_A.ASM、C语言文件 OS_CPU_C.C和头文件OS_CPU.H。
另外要注意的一个问题是函数的可重入性问题，由于单片机内部堆栈空间有限，C51为函数调用提供的是一种压缩栈，每个函数被给定一个空间用于存放局部变量。函数中的每个变量都放在这个空间的固定位置，当递归调用这个函数时，会导致变量被覆盖。为保证所有函数的可重入性，必须使用reentrant关键字指定所有相关的系统函数。
 相关任务的编制
馈线终端主要包括以下几个任务，它们分别是A/D定时采样任务，该任务具有最高的优先级，该任务主要完成数据的采集、采样通道的切换等功能。CAN通信任务，该任务具有第二高的优先级，该任务主要完成采样数据及相关报警信号的上传以及配电子站发过来的相应命令报文的解析处理。电参数计算任务，该任务具有第三高优先级，该任务主要完成电力参数的计算功能。LCD显示子任务，该任务主要完成相关电力参数在LCD屏上的显示，该任务具有最低的优先级。
 CAN总线通信报文的格式
CAN总线通信采用具有29位标识符的扩展帧，标识符的内容包括当前信号的种类代码，(包括报警信号，电参数信号，故障录波信号，开关量参数信号以及控制信号等), 配电子站的地址，FTU的地址等。配电子站发送控制信号的格式为，使用数据域的第一个字节判断控制信号的种类，控制信号的种类主要有开出开关量的控制信号，请求获取开入开关量的控制信号，请求实时获取电参数的控制信号，以及对时信号等，根据控制信号的种类确定其它几个数据的意义，例如如果是对时信号，则后6个字节依次为当前时间的年，月，日，时，分，秒。
4   结语
 运用CAN总线技术开发的智能馈线终端单元，可以极大提高配电自动化系统的可靠性，实时性，系统性价比高，安装维护简洁方便，具有较广阔的应用前景。