电缆监测数据传输系统分析与设计

时 翔 赵生传 陈志勇 武志刚

（1.青岛供电公司，山东 青岛 266002；2.山东电力集团公司，济南 250001）

“十一五”期间，我国经济保持了持续的快速发展，我国电力工业也得到了高速发展，基本完成了高效环保电能传输体系的建设，其中输配电线路作为这个体系的脉络，对保持电能传输的可靠性和安全性具有重要作用[1]。输配电线路从结构上可分为架空型和电缆型，其中电缆型线路主要是敷设在架空线路难以穿越的地区，如城市的中心城区等，与架空线路相比，电缆线路具有不受气候与环境影响，不占用地表土地面积，不会造成电磁干扰等特点，因此在城市现代化加快现代化建设的今天，电缆线路在城市输配电中的应用越来越广泛。作为电缆线路的通道，电缆沟的建设速度也呈稳步上升趋势[2]。电缆及其沟道在使用过程中存在着许多问题，如运行维护不方便，电缆沟道由于密封导致通风不畅，沟道内可能积聚甲烷等可燃气体，对沟道的安全造成严重威胁，同时在负荷较大时电缆局部会出现过热的现象，容易导致电缆发生着火的事故，因此，对电缆及其沟道进行安全管理不仅关系到电缆本身的安全运行，而且也会直接影响城市居民供电可靠性和电能质量。这样就需要一套监测系统对完成对电力电缆的监测和管理，这个监测系统中最重要的是数据传输系统，如何在恶劣的电缆及沟道环境中保证监测数据传输的完整性是一项重要的研究课题，本文进行了电缆监测数据传输系统的分析与设计。

1 监测系统整体架构

在构建监测系统的过程中，将其分为以下三个子系统分别进行分析，即：信息采集子系统、编码通信子系统及信息处理子系统，基于以上三个子系统，该监测系统的整体架构图如图1所示。

1）信息采集子系统。该子系统主要由电缆沟道的传感设备组成，实现了监测基础数据的采集功能。

图1 电力电缆沟道监测系统总体结构图

2）编码通信子系统。编码通信子系统主要是由A/D转换模块、通信电缆及上位嵌入通信控制机等组成的，它的作用是对开关信号量按照给定的规则进行编码，并依照CAN总线协议的相关内容将其发送至上位通信机中，上位通信机支持10M以太网络及A/D转换等功能，采用LCP2292工业级控制器，包含了CAN协议。

3）信息处理子系统。信息处理子系统的主要任务是对收集的信息整合和存储收集的信息，并依照上一级系统的技术要求对其进行校核，其中校核的主要依据是地理信息系统，并以Web方式将其传输到上级的管理系统中，完成系统的维护及管理，这一子系统主要是由GIS系统、数据库服务器及管理机等构成的。

2 系统硬件设计

2.1 接收数据过程分析

利用CAN总线对数据进行接收的过程如下：

首先利用上位机对现场数据进行采集，其次判断IP链路是否畅通，如果IP链路畅通，则数据打包后通过以太网将其上传至服务器，若IP链路不畅通，则将数据暂存于电子盘中；上位机是具有人机交互功能的，通过液晶可以显示沟道的数据信息，但此时必须通过键盘来对上位机的参数进行配置，另外为了使系统升级方便，额外增加了一篇Nor型的FLASH以作扩展之用，这样就确定了CAN数据接收机上位机的硬件结构。

该系统使用的控制器芯片是LPC2292，该组芯片共有4组电源作为输入端，其输入电压幅值分别为3.3V、1.8V、3.3V和1.8V。上位机的输入端不要求具有A/D功能，因此在进行设计时数字电源和模拟电源都是独立的，另外由于液晶显示和网卡的芯片都需要 5V的电源作为支撑，因此末级只需要提供 3组电源。电源芯片选为为 SIPEX半导体的SPX1117芯片，该芯片的输电电压是可调的，因此可以选择多组输出，同时选用 SP708S芯片为复位芯片。

2.2 CAN模块介绍

基于 CAN总线的控制系统是将所有控制装置都在CAN的物理总线上进行挂接，以此来接受微处理器的控制，且在CAN总线和微处理器之间需要连接CAN控制器、驱动器及光电耦合器等[4]。如果将CAN控制器和微处理器集成在一块芯片上，则会将应用系统的硬件设计大为简化，同时对系统的可靠性也有较大的提高。

本系统所采用的微控制器LPC2292包含了两个CAN模块，同时支持多个 CAN总线的传输。LPC2292有两个 CAN控制器，每个总线的波特率在1Mb/s以上，符合CAN的规范。CAN控制器的引脚配置也是非常简单的，输入来自 CAN的收发器；其中Tx1和Tx2作为串行的输出端，输出到CAN的收发器中，序号1、2分别代表了第1、2个CAN控制器，其与独立的CAN控制器相比具有类似的结构，只是其访问字节由原来的 8bit变为了现在的32bit。

2.3 CAN接口电路设计

根据CAN控制模块的引脚功能，设计的CAN接口电路如图2所示，其中CTM 8250D的TXD和RXD分别与控制器的引脚TD2和RD2相连，且上位机与下位机的接口电路是一致的，在总线的两端同时需要连接一个120Ω的终端电阻。

图2 CAN接口电路图

3 系统软件分析

3.1 CAN通信数据采集任务设计

通过CAN总线对数据进行传送是嵌入式上位机的主要任务，即完成上位机的数据采集功能[5]。本文所设计的系统软件部分主要是通过 ReadCANRcvCyBuf( )接收数据函数和CANSendData( )发送数据函数完成上述功能的，这样就简单地实现了数据采集功能。由于 ReadCANRcvCyBuf( )函数是以中断方式进行接收数据的，所以本系统软件设计的方案的核心思想是：初始化信号量CANRecvSem为1，将FullCan函数库中的函数进行中断处理，当完成中断的产生后通过发送信号量CANRecvSem进行数据采集，中断处理函数CANIntPrg( )的流程图如图3所示。

图3 中断处理函数CANIntPrg( )的流程图

完成数据采集任务后即接收下位机传感器的数据，整个处理流程如图4 所示。

图4 处理过程流程图

3.2 嵌入式上位机多任务控制软件设计

嵌入式上位机在电力电缆沟道测试系统是起关键作用的装置，它主要通过CAN总线来实现接收下位机所传输的数据，然后经过以太网将数据上传到通信服务器中，同时将各个下位机的节点状态显示在液晶显示屏上，并通过键盘模块完成参数的设置。本设计是采取将上位机的应用程序划分为5个μC/OS-II任务，包括：数据采集任务、数据发送任务、数据打包任务、键盘扫描任务及液晶显示任务等，通过设定各个任务的优先级来实现各个功能。

4 结论

本文进行了以嵌入式上位机为核心技术的电缆监测数据传输系统的设计，该监测系统融合了嵌入式以太网技术及CAN现场总线技术，完成了电力电缆沟道监测数据的传输与控制。

[1]刘平原,贺景亮,王洪新.交联聚乙烯电缆在线监测方法的探讨[J].高电压技术, 2001, 27(4): 26-27.

[2]严璋.电气绝缘在线检测技术[M].北京:中国电力出版社, 2002.

[3]朱海钢,冯江,罗俊华. XLPE电力电缆局部放电高频监测技术的研究[J].高电压技术, 2004, 30(4).

[4]孙新,胡官阳. 高速电缆遥测系统的技术指标与技术方案[J].测井技术, 1996, (6)20: 449-453.

[5]刘江虹,徐晓东.微型计算机中的串行通信总线技术[J].内蒙古大学学报（自然科学版）, 2005, 36(3): 328-332.