通信管理机接口电路的设计

山东建筑大学信息与电气工程学院（山东济南250101) 姚庆梅 赵 琦 孔建飞

山东电力集团公司（山东 济南250001) 曹丽霞

0 引言

在变电站系统中，通信管理机收集各测量、继电保护下位机(或称前端机)的数据，对它们进行处理后传送到上位机监控系统(SCADA)和通过RTU(Remote Terminal Unit远程终端控制系统)送到远方调度控制中心，同时也把SCADA和RTU的命令、数据等分发给各下位机。通信管理机起着上下联络的作用，它是变电站综合自动化系统信息管理和流通的中枢，且具有通用接口，可以满足不同厂商IED(Intelligent Electronic Device)装置进行互联，因此通信接口的设计也就显得尤为重要。

1 方案选择

在目前通信管理机的设计中，大部分使用工业控制计算机，安装特定软件来实现。本文整体方案采用ARM7处理器，开发相应软件，以嵌入式方式实现。同前述方案相比，具有成本较低、可靠性较高的优点，且采用专用方案实现，所以在接口上可以实现多样化；如果能够采用合适的开发工具，这种方案软件的可维护性也是比较好的。通信管理机结构示意图如图1所示。

图1 通信管理机结构示意图

本文主要介绍CAN总线接口及RS232总线接口电路的设计及软件实现，采用模块化设计思想，即把每种通信接口都作为一个模块进行设计，便于检修及系统升级。设计中，通信管理机通过CAN总线使用CAN规约与下位机保护装置通信，通过RS232总线使用CDT(Cycle Distance Transmission)循环式远动规约(以下简称CDT规约)与上位机监控系统通信。

2 接口电路硬件设计

2.1 CAN总线接口设计

CAN总线是一种用于控制与测试仪器之间数据交换而开发的串行数据通信多主总线系统。总线上最多可连110个节点，通信速率可达1Mbps。CAN协议废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位(CAN2.0A协议)或29位(CAN2.0B协议)二进制数组成。这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN总线的这种极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连[1]。

图2 CAN接口电路连接图

CAN接口电路利用CAN规约实现了通信管理机和下位机保护装置的可靠通信。通信管理机接收保护装置上传的数据，并把上位机的命令数据转发给保护装置，从而控制各个保护装置的动作。CAN接口电路连接图如图2所示。

其中CPU采用ARM7微处理器LPC2292芯片。该芯片包含2个CAN模块，可同时支持多个CAN总线的操作，使器件可用作设计中多个CAN总线的路由器。因此该部分不再使用CAN控制器，而是通过CPU内部的CAN控制器及CAN收发器PCA82C250连接到CAN总线上。从CPU接出的TD和RD并不是直接与PCA82C250的TXD和RXD相连，而是分别通过高速光耦6N137后与PCA82C250相连，这样可很好地实现总线上各CAN节点间的电气隔离。

PCA82C250与CAN总线的接口部分采用了一定的安全和抗干扰措施。CANH和CANL引脚各通过一个5欧的电阻与CAN总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护PCA82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰并具有一定的防电磁辐射的能力。由于CAN总线采用的是总线形式，节省了大量信号线的使用，加之CAN总线成熟、通用的协议，保证了数据信号传输的准确性和及时性。其中CAN口的接收和发送端口连接到CPU内部控制器。

2.2 RS232总线接口设计

RS232总线是目前最常用的一种串行通信接口。RS232通信接口实现了通信管理机和PC上位机的通信。该部分的通信使用了CDT规约，通信管理机把收集到的保护装置的数据通过CDT规约发送给PC机。该部分电路连接图如图3所示。如果要使用UART0与RS232接口的设备进行基本的通信，那就需要一个RS232转换器将TTL电平转换成RS232电平。该部分使用的MAX3232芯片可以连接PC机的串口和主控制芯片，它可以接两路串口，在调试过程中只使用一路串口。

图3 RS232接口电路连接图

3 软件设计

通信管理机的开发主要采用ads1.2软件进行编程，并移植了!COS操作系统，该设计整体采用了模块化设计的思想。CAN模块和UART模块分别作为一个单独的模块进行编程，在本文软件设计中，主要介绍了CAN规约和CAN模块的通信以及串口模块CDT规约的通信实现过程。

3.1 串口模块电路通信设计

RS232接口使用CDT通信规约。本规约采用可变帧长度、多种帧类别循环传送和变位遥信优先传送，重要遥测更新循环时间较短，区分循环量、随机量和插入量采用不同形式传送信息，以满足电网调度安全监控系统对远动信息的实时性和可靠性的要求。

3.1.1 CDT规约

CDT的报文是按帧来传送的，每个帧都以同步字开头，并有控制字，除少数帧外均有信息字。帧结构如图4所示。

图4 帧结构

帧类别在上行信息中有重要遥测、次要遥测、一般遥测、遥信状态、电能脉冲记数值和事件顺序记录，并由不同的代码来表示。重要遥测安排在A帧传送，循环时间不大于3s；次要遥测安排在B帧传送，循环时间一般不大于6s；一般遥测安排在C帧传送，循环时间不大于20s；遥信状态信息在D1帧定时传送；遥脉信息在D2帧定时传送。因此，传送A、B、C、D1及D2帧要采用固定循环传送。

变位遥信、子站工作状态变化信息插入传送，要求在1s内送到主站。变位遥信最先传送，如果本帧不够，则插入下一个遥信帧。SOE帧可以在每帧前插入，每帧长度为6，一个变位SOE信息字80H、81H连传三遍。

CDT规约采用CRC(冗余循环)校验，在信息码后随信息一起发出，在接收端用同样方法产生循环冗余校验码，最后将这两个校验码比较，若一致，则信息无误；不一致则有差错，要求发送端再传输。关于信息字的详细内容可参考CDT规约文献，此处不再赘述。

3.1.2 CDT规约通信的实现

RS232接口利用CDT规约实现了通信管理机和后台远方监控系统的通信。当通信管理机将数据上行传送到后台时，通信管理机将所发送的信息进行编码按规约传送给上位机系统；当后台装置将命令下行发送给通信管理机时，此时通信管理机对收到的信息解码后再传递给保护装置等，使其动作。因此，在该部分的软件设计中，要分别考虑上行命令传送和下行命令传送程序的编写。

上行命令需要编码信息。设计中，我们指定一个数组用于存储各种帧类别的组态方式，软件实现过程中，定义一个15个字节的缓冲区来代替数组，关于CDT帧的传送方式已经在前面描述，在实现过程中将按其方式发送，CDT规约上行传送数据流程图见图5。

图5 CDT规约上行传送数据流程图

图6 CDT规约下行命令流程图

下行命令需要解码信息。按CDT规约接收数据的程序流程图如图6所示。

3.2 CAN接口软件设计

CAN接口利用CAN规约实现了通信管理机和下位机保护装置的通信。CAN规约是通信管理机与保护装置进行一问一答式的数据传送规约。

3.2.1 CAN规约

CAN规约将系统结构分为三层：物理层、数据链路层和应用层。其中物理层和数据链路层由CAN控制器和CAN总线收发器实现，应用层由软件实现[2]。发送时，应用层的事务处理子层将信息内容填写好后交由网络驱动层，加上CAN报文标识符和CAN帧格式信息发往CAN总线。接收时网络驱动子层将接收的信息内容转交事务处理子层。

3.2.2 CAN规约通信的实现

CAN口通信的软件流程主要包括三个模块：CAN控制器的初始化，发送报文，接收报文。正常的通信即从总线上发送数据和从总线上接收数据，但在正常通信之前必须对CAN控制器进行初始化，以便让控制器的工作方式、总线波特率等各个功能与实际的工作相符。

报文发送称查询方式，报文传输由CAN控制器完成。CAN控制器必须将要发送的数据按特定格式组合成一帧报文传输到发送缓冲器，然后启动CAN控制器发送即可，但是否发送成功还应配合发送中断来判断。报文发送流程图如图7所示。

报文接收也称为中断方式，CAN总线上的节点成功接受到报文后，回送确认报文，发送节点如果在规定时间内没有接受到确认报文，重发报文，确保通信成功[1]。报文接受流程图如图8所示。

图7 报文发送流程图

图8 报文接收流程图

! 结论

通信管理机接口电路的设计，成功地实现了通信功能。从现场调试结果看，RS232接口实现了通信管理机与上位机监控系统的可靠通信，通信管理机可以正确接收上位机系统发送来的报文数据，同时也可以正确的把数据发送给上位PC机。CAN接口的设计实现了通信管理机与保护装置的问答式数据传输，通过报文过滤实现了点对点和点对多点的通信且无须调度，还具有传输时间短，抗干扰效果好的特点，从而满足了变电站自动化系统中安全可靠的系统要求。

[1]曹海欧，郑建勇.基于CAN总线变电站综合自动化通信系统的研究[J].电力系统及其自动化学报，2002，(6):24～25

[2]周立功.ARM与嵌入式系统基础教程 [M].广东：广州周立功单片机发展有限公司出版