基于CAN总线的变压器监测终端硬件设计.docx

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基于CAN总线的变压器监测终端硬件设计

基于CAN总线的变压器监测终端硬件设计

摘要本文针对现在监测系统的要求，首先讨论了本设计的产生、应用背景和设计要求，接着讨论了电网质量监测的集成系统的实现原理，设计了一种基于80C196KC的硬件电路，该系统主要有DS12887的硬件连接模块，LCD实时显示模块，RS232硬件连接模块，SJA1000和82C250的硬件连接,键盘接口电路模块，复位电路模块组成。

系统采用以80C196KC来控制各模块的设计思想。

本论文对每个模块逐一进行了研究，对各模块的工作原理及功能进行了详细的介绍；对基于CAN总线的变压器监测终端设计的硬件电路进行了系统的设计。

关键词单片机80C196KC；RS232；键盘接口；CAN总线

Abstract:

Inviewofpresentmonitoringsystem'sneed,firstlythearticlediscussedtheemergenceofthedesign,thebackgroundofapplicationandthedesignrequirements.Thendiscussedthepowernetworkqualitymonitoringintegratedsystembasedonthedesignofahardwarecircuitbasedon80C196KCtorealizetheprinciple.ThissystemmainlyhastheDS12887hardwareconnectionmodule,LCDrealtimedisplaymodule,RS232hardwareconnectionmodule,SJA1000and82C250hardwareconnectionmodule,thenthekeyboardinterfacecircuitmodule,theresetcircuitmodule.

80C196KCisusedtocontroleachmoduleofthesystem.Thisthesisstudiesonebyoneforeachmodule.Theworkingprincipleofthemodulesandfunctionshavebeendescribedindetail.AndthehardwarecircuitoftransformerbasedonCANbusterminalhasbeendesignedtomonitorthesystem.

Keywords:

SCM80C196KC;RS232;keyboardinterface;CANBus

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1引言1

2变压器监测终端的设计概述2

2.1变压器监测终端的技术指标2

2.2变压器监测终端的设计概述3

3硬件实现4

3.180C196KC的体系结构和硬件描述4

3.1.116位中央处理器CPU及系统总线4

3.1.2中断系统5

3.1.3定时器6

3.1.4存贮器6

3.1.5全双工串行口7

3.1.6A/D转换器及PTS外设7

3.1.7高速输入器HIS/高速输出器HSO7

3.2CAN通讯电路7

3.2.1SJA1000简介和82C250简介8

3.2.2SJA1000和82C250的硬件连接10

3.3定时监测电路10

3.4LCD实时显示电路12

3.5数据的分页存贮15

3.6RS232和RS485通讯接口电路16

3.6.1串行通讯16

3.6.2RS232通讯接口16

3.7键盘及输入输出电路17

3.8复位及电源监控电路19

3.9系统调试过程分析20

结束语21

参考文献22

基于CAN总线的变压器监测终端硬件设计

1引言

随着城市农村电网的改革，以及对电力需求的增加，供电质量的需求提高，电力部门的经济效益将越来越取决于对供用电各环节进行管理的细致程度，加强对配电变压器的管理是提高电网运行水平的有效途径之一。

同时电力市场的发展，使得电力系统对于电能质量的管理越来越受到重视，用户对于电力系统的供电可靠性的要求也越来越高。

世界各国纷纷制定了日益完善的电能质量标准，根据这些标准来判断电能质量的优劣。

在我国供电系统的设计中，对谐波、负荷电流水平和功率因数进行合理估算，是非常有必要的。

在这种情况下，配电自动化得到了蓬勃的发展，变压器监测终端（TTU）应运而生。

变压器监测终端主要用于采集一些电力网络参数如：

三相交流电压、电流等，将这些参数经过处理后反馈给控制站，然后控制站采取相应的措施以保证各种设备正常稳定地运行，并且和配电自动化主站进行通信，提供配电系统运行监视及控制所需的信息，执行主站发出的调节和控制配电设备的命令，接收上一级的校时命令、参数设置以及信息上传命令等。

一般来说，变压器监测终端应具有数据采集与处理、监控、保护、远动通信等功能。

它与输电网自动化（输电网调度自动化系统）的监控信息采集内容相比较，具有系统规模大，涉及到的现场自动化设备数量大，种类繁多，从而导致远方馈线终端采集的信息量大，种类繁多，不仅在传统“四遥”方面信息内容有所变化，而且还新增加了许多配电网中特有的信息。

TTU信息采集的特殊性决定了传输TTU信息的远动通信规约与传统输电网通信规约具有不同的特点。

在国外，很多国家都制定了有关电力信号采集和数据通讯的标准，最近我国也制定了相关的标准IEC6087C-5-101（配电自动化系统中的信息采集与通信规约），这将大大提高通讯的标准化，有效的改善了装置的通用性。

传统的电路测试是靠分立的仪器组合完成的，如功率装置、波形监测装置、谐波分析装置等。

这种测试装置的弊端是体积太大、自动化程度低，无法完成无人监控的目的和数据不集中。

新一代的测试系统是集成式的，基于无人监控的目的实现的,克服了传统测试的弊端。

本文针对供电企业的需求，建立配电变压器远程监控和负荷现场管理，提高用电监测及负荷管理水平，为加强电力需求侧管理提供技术支持，首先讨论了本设计的产生、应用背景和设计要求，接着讨论了电网质量监测的集成系统的实现原理，设计了一种基于80C196KC和CPLD的监控装置，来完成弱电对强电的控制。

80C196KC是整个系统的核心即CPU部分。

之所以选择它，是因为80C196KC特别擅长于进行各种控制，而且它本身集成了许多的外设，这样就节省了很多资源。

由于可编程逻辑电路的实现简单，修改方便，系统中的逻辑电路部分由CPLD来完成，这样大大提高了系统的保密性[1]。

本文详细分析了80C196KC的原理，阐述了利用80C196KC和各种外设芯片来实现数据存储、处理、显示和通讯，接着讨论了CAN总线，并分析了通过SJA1000CAN控制器实现CAN通讯的原理、方式和过程。

在文章的最后给出了在具体设计中应该注意的问题。

2变压器监测终端的设计概述

2.1变压器监测终端的技术指标

随着电力电子设备的广泛应用，供电质量和供电可靠性越来越受到重视，电压、电流、谐波、负荷电流水平和功率因数等参数是衡量电能质量的重要参数。

变压器监测终端通过采集这些参数，计算并且判断电能质量的优劣，同时与监测主站进行通讯，接收主站下达的各种命令，传送主站所需的各种参数，达到实时监控的目的。

变压器监测终端的最主要功能是采集、存贮及通讯。

根据变压器监测系统的工程要求，本次设计的要求如下：

（1）采集三相交流输入电压、电流量，实现电压、电流、有功功率、无功功率的测量。

其中电压的输入范围是0～260V，电流的输入范围是0～5A，电压及电流的采样精度是±0.5％，有功、无功功率的采样精度是±0.5％，要求能耐浪涌电压1200V。

采集电能表脉冲或多功能电能表信息，实现有功电能量、无功电能量的测量。

有功电量的精度是±1.5％。

采集2路数字输入量，控制8路输出量，事件顺序记录的分辨率≤2ms。

监视变压器油温，记录并上报异常信息。

（2）接收上一级的校对命令，时钟日走时误差≤1s，终端自身时钟的日走时误差≤5s。

当地和远方设置整定值（电压超时值，电流量警告值），设置PT，CT倍率和时段等参数。

（3）当电压、电流连续超整定值时，记录并上报其极限值、发生的起始时间和终止时间（时间记录精确到分），至少记录最近5次。

统计电压合格率，统计失电时间，记录及上报失电的起始和终止时间（时间记录精确到分）。

当终端电源失电时，储存的数据不能丢失。

生成电流曲线和典型日的负荷曲线。

可以按日、月统计并保存数据，月统计数据可连续保存2个月。

按设定时段累积计算分时电能量，记录月、年最大需要量及其出现时间。

（4）能与上级站或主站控制终端通信，将采集和处理的信息向上发送并接受上级站或主站控制终端的命令。

按IEC6087C-5-101的通讯规约进行通讯。

接受并执行遥控指令及控制继电器的开、合动作，并具有越限报警、过压压、欠、缺相、缺零、谐波越限、保护闭锁及当地控制功能。

（5）终端有当地自调试功能。

具有自诊断功能，发现终端的内存、时钟、I/O口等工作异常时应记录及保存。

应有上电及软件自恢复功能。

能防止负荷引起的瞬时电流过大和电压过低、电容器投切时的瞬时浪涌电压或电流且能防止将异常数据作为运行参数的最高值和最低值存入记录。

2.2变压器监测终端的设计概述

随着电力电子设备的广泛应用，供电质量和供电可靠性越来越受到重视，电压、电流、谐波、负荷电流水平和功率因数等参数是衡量电能质量的重要参数。

变压器监测终端通过采集这些参数，计算并判断电能质量的优劣，同时与监测主站进行通讯，接收主站下达的各种命令，传送主站所需的各种参数，达到实时监控的目的。

变压器监测终端由两大核心部分组成，一是高速数字信号处理器TMS320F206，另一是INTEL的工业级CPU芯片80C196KC。

DSP负责进行数据的采集及处理，而80C196KC负责进行数据的存贮处理及通讯。

两部分通过双口RAM进行数据的交换和通讯。

参见图1。

图1TTU系统框图

变压器监测终端前端首先把经过CT、PT三相电压、电流，转换为标称值为100V和5A的电压、电流，再把该信号经过传感器转换为跟随式的标称值为5V的电压信号（此处采用西南自动化研究所的WB系列传感器）。

信号经过过零比较器生成频率相同的方波，以利于测频和实现缺相检测。

同时六路信号通过四阶巴特渥斯低通滤波器和采样保持器滤波采样，由DSP控制多路切换开关来选择六路信号分别进入A/D转换器MAX120。

DSP同时控制A/D的采集，且把采集后的数据进行公式计算和FFT运算，以实现对各种参数的检测，并把频率、电压、电流、有功功率、无功功率和谐波存入双口RAM并置位标志位。

变压器监测终端后端发现标志位后，从双口RAM中读出数据，进行各种判断，并将需要的数据存贮于掉电保护的SRAM中，而程序存贮于32K的EPROM中。

一旦上电，80C196KC单片机将自动的从EPROM中读取程序，进行操作。

系统时钟由可编程万年历时钟芯片DS12887提供，同时由控制中心精确对时。

它的各项控制由可编程逻辑器件CPLD（XC95108）完成。

如果判断读出的数据值越限，单片机就控制相应的输出继电器动作，进行外部电容器的投切及报警信息的发送。

如果值没有越限，继续定时发出信号，控制DSP部分开始采集及进行校验。

终端与主站通过RS232、RS485和CAN总线传送信息，RS232主要做为当地调试接口，RS485和CAN用于远程通讯，它们都采用IEC6087C-5-101通讯规约。

终端响应主站以101通讯规约发送的控制命令及各项设置命令，并按照一定的格式把主站需要的数据发送给主站。

系统配有键盘输入和LCD显示，调试人员可以在现场通过键盘输入命令，直接进行控制并从LCD读出所需数据。

系统的电源部分采用开关电源模块，使装置能在较宽的电压范围内正常工作。

3硬件实现

3.180C196KC的体系结构和硬件描述

由于变压器监测终端的数据存贮、处理及通讯都是由80C196KC来完成的，这里，首先来了解80C196KC的原理。

继8051，8096BH之后，Intel公司又推出了一系列高性能的CHMOS16位单片机——8X196XX.。

CHMOS芯片耗电少，除正常工作外还可工作于2种节电方式：

待机方式和掉电方式，进一步减少了芯片的功耗。

MCS－96家族中的全部成员共享一套指令系统，有一个共同的CPU组织结构。

根据不同的应用场合，在单片机的内部“嵌入”了以往被认为是“外部范围”的各种电路，于是形成了各种不同型号的单片机[2]。

Intel的CHMOS16位单片机有很多型号，集成在单片内的“外围设备”花样繁多，80C196KC就嵌入了时钟发生器，I/O口，A/D转换器，PWM，串行口，定时/计数器，监视定时器，高速输入/输出器、还有外设事务服务器PTS等外设，系统框图见图2。

3.1.116位中央处理器CPU及系统总线

MCS—96CPU由寄存器算术逻辑单元RALU和寄存器阵列组成。

该CPU在结构上的最大特点是：

RALU没有采用习惯的累加器结构，改用寄存器－寄存器结构，CPU的操作直接面向256字节的寄存器空间（由232字节的寄存器阵列和24字节的专用寄存器构成），消除了一般结构中存在的累加器的“瓶颈”效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。

同时，由于可通过专用的寄存器来直接控制I/O口，也就加速了输入/输出过程。

在执行过程中，MCS-96单片机的总线可以动态地改变，配置成标准的16位分时切换的地址/数据总线，或配置成最小方式型的16位地址/8位数据总线，以便适应对外部寄存器进行字节操作或字操作的不同需求[3]。

而MCS-51只有8位系统总线，不能直接进行字操作。

这些都由芯片配置寄存器CCR（CHIPCONFIGURATIONREGISTER）完成。

总线宽度受CCR.1和引脚BUSWIDTH的控制[4]。

图280C196KC的基本方框图

80C196KC能提供几种类型总线信号。

3根双功能控制线是：

/BHE（/WRH）,/WR/（/WRL）以及ALE（/ADV）。

这3根控制线所实现的功能由CCR.2和CCR.3决定。

它提供4种总线控制方式：

标准总线控制方式，写选通方式，地址有效选通方式，地址有效且写选通方式。

器件内部提供了4种就绪控制方式，这些方式取决于CCR.4和CCR.5的值，内部就绪控制逻辑用来限制等待的状态周期数，采用慢速器件时，可以把等待状态插入到总线周期内。

当READY脚被拉低时，就开始把等待状态插进去，一直到READY变高，或者等待状态已经等于由CCR所规定的状态数时为止，此时要看哪种情况发生在先。

CCR.6和CCR.7决定采取哪种方式上锁，提供对内部ROM/EPROM的保护。

3.1.2中断系统

80C196KC提供了28个中断源，18个中断向量。

其中非屏蔽中断NMI、软件陷阱TRAP和非法操作码中断是3种特殊的中断源，各用了1个专门的中断向量，其余25个中断源分享另外15个中断向量。

除了硬件中断优先级逻辑外，80C196KC也可以靠软件来确定中断的优先级。

3.1.3定时器

80C196KC有2个16位定时器和4个软件定时器，其中定时器1在系统中作实时时钟用，系统运行时不停地循环计数。

定时器2根据外部引脚的触发信号而计数，实际上是一个外部事件计数器。

4个软件定时器受高速输出器控制，到达预定时间时，设置相应的软件定时器标志，可以激活软件定时器中断。

当程序运行时，可能会产生软硬件故障，监视定时器（俗称看门狗）将使系统复位，监视定时器WDT（WATCHDOG）是一个16位计数器，当它启动后，若在64K个状态周期内没有指令清除它，则产生复位信号，将系统复位，重新初始化。

这样WDT就提供了一种使系统从瞬时故障中自动恢复的能力。

3.1.4存贮器

80C196KC具有一个逻辑上完全统一的寄存器空间，可寻址范围为64KB，其中0000H～01FFH单元和1FFFH～2080H单元是有专门用途的，所有其他单元可用于放置程序、数据或由按存贮器映射的外部设备占用。

复位时，程序将从2080H单元开始执行。

见表1。

表180C196KC存贮器布局

00H～1FFH单元包含寄存器阵列、专用寄存器和256字节的附加RAM。

其中，00H～017H是专用寄存器区，除了P3和P4外，其他所有的片外设装置都由这些专用寄存器控制。

018H～0FFH是附加的寄存器阵列，可由RALU直接访问，宛如有232个累加器。

100H～1FFH是附加的256字节的RAM，由于采用了“垂直寄存器窗”结构，可以把512字节中的任何一个部分映射到00H～0FFH空间中的顶部，因而CPU就可以对他们直接寻址，即把被映射的部分当作寄存器来使用，使得通用寄存器数增加了256个字节，大大方便了程序的设计。

进行切换时，只要写窗口选择寄存器就可以。

由于芯片是有内部ROM/EPROM的，当芯片引脚/EA接至高电平时，则指令和数据都从内部ROM/EPROM中读取，否则，CPU将从内部RAM或外部存贮器读取数据，从外部存贮器读取指令。

3.1.5全双工串行口

MCS-96单片机具有与MCS-51单片机兼容的全双工串行口。

这个串行口有4种工作模式，使它方便地用于I/O扩展，与CRT终端等设备进行通信以及多处理机通信。

串行口可利用内部的专门的波特率发生器。

3.1.6A/D转换器及PTS外设

MCS-96单片机有一个8通道的10位可变（变为8位）的逐次逼近的A/D转换器，它由一个8通道的模拟多路转换开关、一个采样/保持电路、一个10位逐次逼近A/D转换器、A/D转换器、A/D结果寄存器和控制逻辑组成，使得它特别适用于多路数据采集系统，智能仪器，控制系统等应用领域。

作为D/A转换器输出,MCS-96单片机可以直接提供脉宽调制信号，某些电机可以用它字节驱动。

脉宽调制输出信号经过积分就可以获得模拟电压信号，这就实现了D/A转换。

外部事件服务器PTS（PeripheralTransactionServer）是一种微代码硬件中断处理器，它可以大大降低CPU响应中断的开销。

靠若干组固定的微代码，PTS可以对一些固定的操作实现高速的中断服务。

3.1.7高速输入器HIS/高速输出器HSO

高速输入器HIS用于记录某个外部事件发生的时间，时间基准由定时器1提供，共可记下8个事件。

HSI可方便而有效地对脉冲式周期信号进行检测，这对于设计事件捕捉系统非常方便；而HSO可以按规定的时刻去触发某一事件，任何时候，都可以悬挂起8个事件。

“高速”意味着这些功能是“自动地”（相对于定时器）实现地，无需CPU的干预。

除了高速输入/输出器外，MCS-96还有5个8位的I/O口。

这些口有相当一部分是多用途的。

其中P0是只用于输入的口，P1是准双向口，P2是多功能口，P3和P4可作为双向口和系统总线。

3.2CAN通讯电路

CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网络。

由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN越来越受到人们的重视。

国外已有许多大公司的产品采用了这一技术。

CAN最初是有德国的BOSCH公司为汽车监测、控制系统而设计的。

众所周知，现代汽车越来越多的采用电子装置控制，如发动机的定时、注油控制、加速、刹车控制（ASC）及复杂的抗锁定刹车系统（ABS）等。

由于这些控制需检测及交换大量的数据，采用硬接信号线的方式不但烦琐、昂贵，而且难以解决问题，采用CAN总线上述问题便得到很好的解决。

CAN总线的突出优点使其在各个领域的应用得到迅速发展，这使得许多器件厂商竟相推出各种CAN总线器件产品，已逐步形成系列。

目前，CAN已不仅是应用于某些领域的标准现场总线，它正在成为微控制器的系统扩展及多机通信接口。

3.2.1SJA1000简介和82C250简介

CAN的通信协议主要由CAN控制器完成。

CAN控制器主要由实现CAN总线协议部分和与微控制器接口部分电路完成。

SJA1000是目前市场上用的较广泛的一款CAN控制器，它在以往的CAN控制器上增添了一些新的功能[5,6]：

（1）标准结构和扩展结构信息的发送和接收

（2）增加了接收FIFO（64字节）

（3）在标准和扩展格式中都有单/双接收过滤器（含接收代码和接受屏蔽寄存器）

（4）增加了读/写访问的错误计数器

（5）可编程的错误限制报警

（6）由功能位定义的仲裁丢失中断

控制器主要由下述几部分构成：

（1）接口管理逻辑：

它接收来自微控制器的命令，分配控制信息缓存器，并为微控制器提供终端和状态信息。

（2）发送缓冲器：

它有10个字节存储单元组成，存储由微控制器写入，将被发送到CAN总线的报文。

SJA1000的功能方框图如图3所示。

图3SJA1000的功能方框图

（1）接口管理逻辑：

它接收来自微控制器的命令，分配控制信息缓存器，并为微控制器提供终端和状态信息。

（2）发送缓冲器：

它有10个字节存储单元组成，存储由微控制器写入，将被发送到CAN总线的报文。

（3）接收缓存器0和1：

接收缓存器0和1均由10个字节组成，交替存储由总线接收到的报文，当一个缓存器被分配给CPU时，位流处理器可以对另一个进行写操作。

（4）位流处理器：

它是一个控制发送缓存器和接收缓存器（并行数据）与CAN总线（串行数据）之间数据流的序列发送器。

（5）位定时逻辑：

它将SJA1000同步与CAN总线上的位流。

（6）收发逻辑：

用来控制输出驱动器。

（7）错误管理逻辑：

它按照CAN协议完成错误界定。

（8）控制器接口逻辑：

它是与外部微控制器的接口，SJA1000可直接与多种微控制器接口。

SJA1000的硬件连接如图4。

图4SJA1000的硬件连接图

由于SJA1000内部有数据锁存器，所以直接将数据/地址信号与它相连，通过ALE信号将数据、地址信号分离，同时通过译码产生相应串行口的选通信号，/WR，/RD信号用来控制数据传输方向。

SJA1000可以将输入的并行数据转换成串行数据，也可以将串行数据转换成并行数据，完成接口扩展和通信功能。

82C250是CAN控制器和物理总线间的接口，它可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。

它可以将接收和发送的单线传送方式转换成用CANH和CANL双线传送，这样可以防止在一些工作环境下可能产生的电气瞬变现象。

82C250的主要特性[7]：

（1）与ISO/DIS11898标准全兼容

（2）高速（最高可达1Mbps）

（3）具有抗工作环境下的瞬间干扰，保护总线能力

（4）降低射频干扰

（5）低电流待机方式

（6）防护电源与地之间发生短路

3.2.2SJA1000和82C250的硬件连接

SJA1000和82C250的硬件连接如图5所示。

图5SJA1000与82C250的硬件连接图

SJA1000与两片光隔离放大器6N137相连，第一片6N137的输出管脚OUT与82C25的txd相连，82C250的rxd输出管脚与第二片6N137的输入管脚IN相连。

串行数据通过光隔离放大器6N137，250将发送的串行数据转换为can总线标准的差分电平信号发送到网络上，82C250将接收的can总线标准的差分电平信号转换为串行数据，传给SJA1000，完成CAN总线通信功能。

总线两端各有一个120Ω的电阻，对于匹配总线阻抗起着相