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1 引言
    變電站遠(yuǎn)動系統(tǒng)是應(yīng)用控制技術(shù)、信息處理和通信技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)或自動裝置代替人工進(jìn)行各種運(yùn)行作業(yè)，提高變電站運(yùn)行、管理水平的一種自動化系統(tǒng)。

    目前，在變電站遠(yuǎn)動系統(tǒng)中，微機(jī)保護(hù)、微機(jī)監(jiān)控和其它微機(jī)型的自控裝置間的通信，大多數(shù)通過RS一422/RS一485通信接口相連，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與微機(jī)保護(hù)和自動裝置間的相互交換數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。采用RS一422/RS一485通信接口，雖然可實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)(設(shè)備)間的互連，但連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)一般不超過32個(gè)，在變電站規(guī)模稍大時(shí)，便滿足不了綜合自動化系統(tǒng)的要求:其次，采用RS一422/RS一485通信接口，其通信方式多為查詢方式，即由主計(jì)算機(jī)問，保護(hù)單元或自控裝置答，通信效率低，難以滿足較高的實(shí)時(shí)性要求;再者，使用RS一422/RS一485通信接口，整個(gè)通信網(wǎng)上只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)對通信進(jìn)行管理和控制，其余皆為從節(jié)點(diǎn)，這樣主節(jié)點(diǎn)便成為系統(tǒng)的瓶頸，一旦主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)的通信便無法進(jìn)行。而80年代中期發(fā)展起來的現(xiàn)場總線有效解決了以上問題，在變電站的自動化設(shè)備采用面向?qū)ο蟮奈C(jī)化產(chǎn)品后，應(yīng)用現(xiàn)場總線是必然的趨勢。

     現(xiàn)場總線是新型自動化系統(tǒng)的一種低帶寬的底層控制網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)得益于計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得微處理器及其外圍器件的價(jià)格不斷地大幅度下降，從而使傳統(tǒng)的控制器智能化，也使智能化控制器的普及成為可能。信息技術(shù)的發(fā)展要求及時(shí)、迅速、大量地獲取各種相關(guān)的信息，因此獲取手段的智能化、信息傳遞途徑的網(wǎng)絡(luò)化是問題的關(guān)鍵。

    計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)(DCS)等幾個(gè)階段，目前正朝著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)邁進(jìn)?，F(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)受到計(jì)算機(jī)工業(yè)控制界的普遍關(guān)注。

    電力自動化控制系統(tǒng)也正由集散控制系統(tǒng)向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，特別是廠站端的信息采集與控制系統(tǒng)中，已廣泛地采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，無論是集中式的還是分散式的RTU(Remote Terminal Unit)，現(xiàn)場總線網(wǎng)已突現(xiàn)其無比的優(yōu)越性。本論文主要是對CAN總線的設(shè)計(jì)。

2 CAN總線的特點(diǎn)和優(yōu)越性
2.1 CAN總線的特點(diǎn)
    控制局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)是由德國Bosch公司為汽車的監(jiān)測與控制而設(shè)計(jì)的，目前已逐步應(yīng)用到其他工業(yè)領(lǐng)域，并已成為ISO-11898國際標(biāo)準(zhǔn)。CAN分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，符合ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)模型。技術(shù)規(guī)范分為2.0A和2.0B。CAN具有以下技術(shù)特點(diǎn):

    (l)CANBUS接口芯片支持8位、16位CPU，總線插卡可插在任意PC機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)，也可置于溫度、壓力、流量等物理量的變送器中，構(gòu)成智能化儀表。

    (2)CANBUS國際標(biāo)準(zhǔn)為ISO 11898，規(guī)范為2.0 PARTA，PARTB。CANBUS可多主方式工作，網(wǎng)格上任意一點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動地向網(wǎng)上其它主節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，可方便地構(gòu)成(容錯(cuò))多機(jī)備份系統(tǒng)及分布式監(jiān)測控制系統(tǒng)。

    (3) CANBUS網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)(信息)可分成不同的優(yōu)先級，能滿足不同的實(shí)時(shí)需要。CANBUS上的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)理論值為2000個(gè)，實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè),CAN可以點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)(成組)及全局廣播幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù).

    (4) CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級低的接點(diǎn)主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效地避免了總線沖突，節(jié)省了總線沖突裁決時(shí)間;更重要的是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重時(shí)也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。

    (5) 全數(shù)字化的雙向傳輸，用以取代傳統(tǒng)的4-20 mA信號，CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(速度在5 kbps以下);最高通信速率可達(dá)1Mbps(距離在40m以下)。

    現(xiàn)場總線出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。 CAN(Controller Area Network)屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之目前許多RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：

    首先，CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決于報(bào)文標(biāo)識符)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性較差；

    其次，CAN總線通過CAN控制器接口芯片82C250的兩個(gè)輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，使得總線處于"死鎖"狀態(tài)；

    而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實(shí)現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。另外，與其它現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、且性價(jià)比高等諸多特點(diǎn)的一種已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。這些也是目前 CAN總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，具有強(qiáng)勁的市場競爭力的重要原因。用戶接口簡單，編程方便，很容易構(gòu)成用戶系統(tǒng)。

3 智能節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)及其工作原理
3.1硬件電路設(shè)計(jì)
    智能節(jié)點(diǎn)微控制器選用單片機(jī)AMXEL AT89C51，CAN接口由獨(dú)立控制器SJA1000和CAN控制器接口芯片82C250組成。SJA1000在軟件上和引腳上都是與它的前款PCA82C200獨(dú)立控制器兼容的，并增加了許多新功能：標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且這兩種幀格作為式都具有單/雙接收過濾器；64字節(jié)的接收FIFO；可讀寫訪問的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和錯(cuò)誤限制報(bào)警以及只聽方式等等。

    SJA1000有兩種工作模式：Basic CAN模式和PeliCAN模式，其中PeliCAN模式支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000作為微控制器的片外擴(kuò)展芯片，其片選引腳CS接在微控制器的地址譯碼器上，從而決定了CAN控制器各寄存器的地址。SJA1000通過CAN總線收發(fā)器82C250連接在物理總線上。82C250器件提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接受能力，完全和"ISO 11898"標(biāo)準(zhǔn)兼容。其引腳8允許選擇三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機(jī)。在低速和總線長度較短時(shí)，一般采用斜率控制方式，限制上升和下降斜率，降低射頻干擾，斜率可通過由引腳8至地連接的電阻進(jìn)行控制。斜率正比于引腳8上的電流輸出。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN總線收發(fā)器82C250之間加快速光耦6N137光電隔離芯片。通信信號傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點(diǎn)時(shí)會發(fā)生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端接有終端電阻R1、R2，以消除反射信號，其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。智能節(jié)點(diǎn)電路原理圖如圖1所示：
 

結(jié)束語
    從以上分析可知，CAN是真正能實(shí)現(xiàn)多主競爭、主動上傳功能的現(xiàn)場總線，特別適合突發(fā)事件的快速傳遞。統(tǒng)一組態(tài)。由于現(xiàn)場總線設(shè)備或現(xiàn)場總線儀表都引人了功能模塊的概念，所有制造商都使用相同的功能塊，并統(tǒng)一組態(tài)方法。這樣就使組態(tài)變得非常簡單，用戶不需因現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表種類不同帶來組態(tài)方法的不同，而進(jìn)行培訓(xùn)或?qū)W習(xí)組態(tài)方法及編程語言。主機(jī)負(fù)荷小，便于擴(kuò)充和增加管理功能，遠(yuǎn)動系統(tǒng)的前端機(jī)智能化程度高，對數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，所有遠(yuǎn)動的管理任務(wù)可由適配器完成，大大減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)，使于進(jìn)行功能擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)高級控制與管理功能。二者不需要專用的開發(fā)工具，二者結(jié)合組成雙總線網(wǎng)無疑是正確的選擇