基于AT89C52的CAN總線無功補(bǔ)償控制設(shè)計(jì)

1 引言

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，輸電線路、高壓配電網(wǎng)、低壓用戶三個(gè)部分的線損中，低壓用戶線損最大，因此，降損節(jié)能應(yīng)主要圍繞低壓380V用戶進(jìn)行。長(zhǎng)期以來，我國(guó)低壓配電網(wǎng)網(wǎng)架薄弱，自然功率因數(shù)低，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。目前，電力部門一般采用就地無功補(bǔ)償的方法解決這一問題。目前市場(chǎng)上所投入使用的低壓無功補(bǔ)償裝置有很多種，但大部分補(bǔ)償單元基本上都是由主控制器的CPU直接驅(qū)動(dòng)的，系統(tǒng)有多少組電容器，就會(huì)從CPU引出相應(yīng)路數(shù)的線，從無功補(bǔ)償器引出的線路很多，同時(shí)傳輸距離也很有限。這給安裝、檢修、維護(hù)和擴(kuò)展帶來了極大的不方便。

CAN(Controller Area Network)總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是德國(guó)Bosch公司從20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN總線標(biāo)準(zhǔn)支持全雙工通信，傳輸介質(zhì)采用雙絞線和光纖，傳輸速率可達(dá)1Mbps，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。其最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。其容錯(cuò)能力和抗干擾能力強(qiáng)，傳輸安全性高、通訊速率快、傳輸距離可達(dá)10KM、同時(shí)還具有良好的抗電磁干擾能力，因而在實(shí)際應(yīng)用中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。我們將CAN總線技術(shù)應(yīng)用低壓無功補(bǔ)償裝置上，可以取得較好的無功補(bǔ)償效果。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、中心微處理控制器、CAN總線通信和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元、輸入鍵盤、顯示單元等部分組成。

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

控制器的工作原理是：從控制現(xiàn)場(chǎng)傳感器CT、PT送來的電流、電壓信號(hào)，經(jīng)過二次變換，轉(zhuǎn)換成0~2V，0~5A信號(hào)。這些信號(hào)再經(jīng)過處理，使輸入的電壓、電流信號(hào)滿足數(shù)據(jù)采集測(cè)量芯片SA9904B的輸入要求。SA9904B把測(cè)得的三相電力參數(shù)相關(guān)值如電壓、有功能量、無功能量、頻率等存在其內(nèi)部暫存器里。微處理控制器采用的是AT89C52型單片機(jī)，通過SPI接口訪問SA9904B內(nèi)部的24位暫存器，把暫存器的數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算就可以得到各相有功功率和無功功率，以及各分相有效電壓和頻率。根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略就可以決定要?jiǎng)幼鞯拈_關(guān)模塊，然后主控制器把要?jiǎng)幼鞯闹悄芡肚心K以及要進(jìn)行的投切動(dòng)作以幀的形式送到CAN總線上，相應(yīng)的智能開關(guān)模塊控制電容器的投切。

2.2 CAN總線節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)是組成CAN總線網(wǎng)絡(luò)的基本單位，在本系統(tǒng)中，主控制器和智能投切模塊都可以看作是CAN總線的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)總線節(jié)點(diǎn)都由微處理器、CAN控制器、CAN驅(qū)動(dòng)器組成，各節(jié)點(diǎn)之間通過總線連接起來。接線示意圖如圖2：

圖2 CAN節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

CAN通信接口采用PHILIPS公司生產(chǎn)的SJA1000通信控制器和82C250總線驅(qū)動(dòng)器。82C250是CAN控制器和物理總線間的接口，速率高，并且有過熱保護(hù)，它可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接受功能。

2.3通信電路設(shè)計(jì)

CAN智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)由3部分組成:微控制器、CAN控制器、CAN收發(fā)器。CAN收發(fā)器負(fù)責(zé)建立CAN控制器和物理總線之間的連接,控制邏輯電平信號(hào)從CAN控制器到達(dá)物理總線的物理層,反之亦然。CAN控制器和收發(fā)器分別采用的是PHILIPS公司的SJA1000和PCA82C250。微控制器負(fù)責(zé)從CAN控制器接受數(shù)據(jù),然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,將處理結(jié)果通過CAN控制器和CAN收發(fā)器發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中其他的節(jié)點(diǎn)。為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力,SJA1000的TX0和RX0并不是直接與82C250的TXD和RXD相連,而是通過高速光耦6N137后與82C250相連,從而實(shí)現(xiàn)了總線上各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。

2.4 安全保護(hù)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)微處理器CPU在運(yùn)行過程中，很可能因受到外界干擾而出現(xiàn)程序“跑飛”或死機(jī)。當(dāng)CPU在掃描工作時(shí)間超過正常周期時(shí)，需要監(jiān)視控制定時(shí)器發(fā)出強(qiáng)行復(fù)位信號(hào)，將CPU重新拉回初始狀態(tài)，使系統(tǒng)恢復(fù)正常。本設(shè)計(jì)中采用美國(guó)XICOR公司的新型產(chǎn)品X5045可編程看門狗，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，只要其計(jì)時(shí)的掃描周期達(dá)到編程設(shè)定的超時(shí)極限，或者當(dāng)電源電壓降到最低轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時(shí)，芯片RESET引腳就會(huì)立即輸出高電平復(fù)位信號(hào)，從而避免了因系統(tǒng)故障、電源通斷、瞬時(shí)電壓不穩(wěn)等因素系統(tǒng)安全性能的影響。