基于AT89C52的CAN总线无功补偿控制设计

1 引言

根据资料统计，输电线路、高压配电网、低压用户三个部分的线损中，低压用户线损最大，因此，降损节能应主要围绕低压380V用户进行。长期以来，我国低压配电网网架薄弱，自然功率因数低，而且结构复杂，降低了电网的经济效益。目前，电力部门一般采用就地无功补偿的方法解决这一问题。目前市场上所投入使用的低压无功补偿装置有很多种，但大部分补偿单元基本上都是由主控制器的CPU直接驱动的，系统有多少组电容器，就会从CPU引出相应路数的线，从无功补偿器引出的线路很多，同时传输距离也很有限。这给安装、检修、维护和扩展带来了极大的不方便。

CAN(Controller Area Network)总线属于现场总线的范畴，它是德国Bosch公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。CAN总线标准支持全双工通信，传输介质采用双绞线和光纤，传输速率可达1Mbps，节点数可达110个。其最大特点是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。其容错能力和抗干扰能力强，传输安全性高、通讯速率快、传输距离可达10KM、同时还具有良好的抗电磁干扰能力，因而在实际应用中具有极高的应用价值。我们将CAN总线技术应用低压无功补偿装置上，可以取得较好的无功补偿效果。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件总体结构设计

系统硬件总体结构设计原理框图如图1所示。控制系统由数据采集单元、中心微处理控制器、CAN总线通信和驱动执行单元、输入键盘、显示单元等部分组成。

图1 硬件总体结构框图

控制器的工作原理是：从控制现场传感器CT、PT送来的电流、电压信号，经过二次变换，转换成0~2V，0~5A信号。这些信号再经过处理，使输入的电压、电流信号满足数据采集测量芯片SA9904B的输入要求。SA9904B把测得的三相电力参数相关值如电压、有功能量、无功能量、频率等存在其内部暂存器里。微处理控制器采用的是AT89C52型单片机，通过SPI接口访问SA9904B内部的24位暂存器，把暂存器的数据根据相应的公式计算就可以得到各相有功功率和无功功率，以及各分相有效电压和频率。根据预设的控制策略就可以决定要动作的开关模块，然后主控制器把要动作的智能投切模块以及要进行的投切动作以帧的形式送到CAN总线上，相应的智能开关模块控制电容器的投切。

2.2 CAN总线节点的硬件设计

节点是组成CAN总线网络的基本单位，在本系统中，主控制器和智能投切模块都可以看作是CAN总线的一个节点，每一个总线节点都由微处理器、CAN控制器、CAN驱动器组成，各节点之间通过总线连接起来。接线示意图如图2：

图2 CAN节点硬件结构图

CAN通信接口采用PHILIPS公司生产的SJA1000通信控制器和82C250总线驱动器。82C250是CAN控制器和物理总线间的接口，速率高，并且有过热保护，它可以提供对总线的差动发送和接受功能。

2.3通信电路设计

CAN智能节点结构由3部分组成:微控制器、CAN控制器、CAN收发器。CAN收发器负责建立CAN控制器和物理总线之间的连接,控制逻辑电平信号从CAN控制器到达物理总线的物理层,反之亦然。CAN控制器和收发器分别采用的是PHILIPS公司的SJA1000和PCA82C250。微控制器负责从CAN控制器接受数据,然后进行数据处理,将处理结果通过CAN控制器和CAN收发器发送给网络中其他的节点。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,SJA1000的TX0和RX0并不是直接与82C250的TXD和RXD相连,而是通过高速光耦6N137后与82C250相连,从而实现了总线上各个CAN节点间的电气隔离。

2.4 安全保护电路设计

单片机微处理器CPU在运行过程中，很可能因受到外界干扰而出现程序“跑飞”或死机。当CPU在扫描工作时间超过正常周期时，需要监视控制定时器发出强行复位信号，将CPU重新拉回初始状态，使系统恢复正常。本设计中采用美国XICOR公司的新型产品X5045可编程看门狗，当系统出现故障时，只要其计时的扫描周期达到编程设定的超时极限，或者当电源电压降到最低转换点以下时，芯片RESET引脚就会立即输出高电平复位信号，从而避免了因系统故障、电源通断、瞬时电压不稳等因素系统安全性能的影响。