陳東,孫萬榮,胡方 發表於 2020-12-14 10:27:40
1 引言
城市高低壓輸電電纜人地率已成為城市管理水平的標誌之一。城市輸配電電纜近年正逐漸從架空線改為電力電纜，電纜溝道作為電纜線路的通道，其建設速度逐年加快，建設裡程逐年遞增，以後更會大規模展開。
研製一套電纜溝道檢測系統，採用現代化的設備和手段對電纜溝道環境和電纜運行狀態進行實時傳輸，全程監測，狀態顯示，臨界報警，預測提示，事件分析統計等，通過此設備使電纜溝道的管理由人工周期巡檢，事後補救式轉變為全程實時監測、人工周期維護和事件應急反應處理相結合的管理模式。將事故隱患消除在萌芽狀態，防患於未然，降低事故發生率和人員成本，提高供電質量，增加經濟效益。這裡基於LPC2292控制器和CAN現場總線技術，考慮經濟、實用因素，提出並設計了一種結構簡單、性價比高、擴充靈活、通用性強的分布式電纜溝道監測系統。
2 系統總體設計方案
設計的是一種分層（級）式分布多CPU結構形式的電力電纜溝道監測系統。該監測系統按照結構功能可分為3個層次，分別為：下位機信號採集層；上位機數據處理層：網絡通訊服務層。系統結構框圖如圖1所示。
（1）下位機信號採集層控該層制器件是LPC2292，其內嵌有ARM7微處理器。並在此器件上移植μC／OS-II作業系統。該層主要職責：當有小偷進入溝道，下位機產生預警信號給上位機，即防盜功能；以及具備防潮，防爆，防毒等功能，所以該層還具有採集監測信息的傳感設備，包括：溫度傳感器，防盜傳感器，水位傳感器等。
（2）上位機數據處理層 上位機是CAN總線與IP網之間的連接設備，該層的控制器件也是LPC2292。不過在這層不接傳感器，而是網絡連接模塊、液晶接口、鍵盤、以及CAN通信模塊。除了與下位機之間進行CAN通信有關功能外，還將從下位機得到的電力溝道信息顯示在LCD上，可通過鍵盤設置系統參數。還需將CAN總線上所有監測點傳來的檢測信號按照時間先後順序組織成IP包，在IP鏈路暢通時發送給中心的通訊伺服器。
（3）網絡伺服器層 主要由網絡通信伺服器和數據伺服器組成。將電纜溝道信息、傳感器信息、位置信息和報警信號等進行整理、存儲、並按照業務邏輯和要求的格式與地理信息系統（GIS）的數據複合，然後以WEB的方式發布給授權管理系統的人員和供電局各級領導，完成系統的管理和維護等，包括資料庫伺服器，GIS系統，應用伺服器，管理機等。
3 系統硬體設計
下位機系統設備硬體組成如圖2所示：控制器件LPC2292，CAN通信模塊，JTAG，Flash，SRAM存儲器，電源模塊，電流轉電壓模塊，傳感器及接口電路，上位機系統設備硬體組成與下位機類似。
3．1 LPC2292簡介
控制系統核心控制器件採用LPC2292微處理器，該處理器內部集成了2個CAN控制器，其主要特性：支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-STM CPU；對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式，將代碼規模降低超過30％，性能的損失卻很小；LPC2290具有144引腳封裝，極低的功耗、多個32位定時器、8路1O位A／D轉換器、2路CAN、PWM通道以及多達9個外部中斷。LPC2292不但具有了主控制器的作用，同時還作為CAN的節點控制器，與網絡中的其他節點實現數據傳輸與交換。
3．2 CAN接口電路
CAN接口電路是整個電路進行CAN通信的關鍵，其硬體電路如圖3所示，由ARM微控制器LPC2292、CAN總線收發器TJA1050T、高速光耦6N137和電源隔離模塊B0505S等組成。其中引腳P0.23 RD2和引腳P0.24 TD2是LPC2292的CAN控制模塊的收發引腳。
LPC229內部集成的兩路CAN控制器，符合CAN規範CAN2.0B，ISO11898-1標準。總線數據波特率均可達1 Mb／s，可訪問32位的寄存器和RAM。
收發器TJA1051T是CAN協議控制器和物理總線之間的接口，與ISO11898標準完全兼容，CANH和CANL理想配合，可使電磁輻射減到更低。LPC2292的CANH和CANL分別通過高速光耦6N137與TJA1050T的RXD和TXD相連。光耦電路所採用的兩個電源必須完全隔離，電源的完全隔離採用小功率電源隔離模塊B0505S，電路雖較複雜，但提高了節點的穩定性和安全性。
4 模擬傳感器接口電路設計
甲烷，一氧化碳傳感器，水位傳感器，溫度傳感器均屬於模擬傳感器，模擬類傳感器原理相似，這裡只介紹溫度傳感器。常用模擬傳感器有兩線制和三線制，區別是：三線制，兩根接電源線，其中一根接正電源，一根接地，另一根是信號線輸出電流信號。而兩線制，一根線接正電源，另一根用作信號輸出線也輸出電流信號。系統採用溫度傳感器是兩線制。兩線制和三線制基本原理相同，只是連接方法不同。
系統模擬傳感器都採用線性輸出，這使得電壓轉換成真實值的計算變得很容易。只需選兩點試驗溫度，同時測出此時電壓值，兩點確定一條直線，就能列出測量電壓與溫度的關係。水位，甲烷等其他模擬傳感器使用方法一樣。其電路連接如圖4所示。
CON8插座是模擬傳感器的連接插座，24 V用於給模擬傳感器供電，信號輸出引腳直接連接到運放LF347輸入引腳。溫度傳感器輸出與被測溫度成線性的4～20 mA的電流信號。所以系統採用射隨器，先讓電流流過125 Ω電阻到地，將4～20 mA電流信號轉換成相對應0．5～2．5 V電壓。電壓輸入信號經過射隨器，運放輸出的電壓信號大小不變，直接連接到LPC2292的A/D引腳。這樣下位機將數字、模擬傳感器各種信號經A／D轉換器轉換採集後，打包通過CAN總線直接上傳到上位機，上位機再通過數值轉換，就可得到溝道中各種信息真實值。這種電流轉換電壓設計不僅簡單，而且精度高，穩定性好。
5 CAN通信軟體設計
設計選用μC／OS-II嵌入式實時作業系統來實現CAN通信，在LPC2292上移植成功後，可用作為內核來編寫監控系統的控制軟體。
5．1 運行μC／OS-II作業系統
工程的CAN實現主要通過建立兩個任務來實現，即CAN發送任務和CAN採集任務。在主函數main中先利用OSInit（）初始化μC／OS-II作業系統，建立一個信號量並把信號計數器清零，然後利用OSTaskCreate（）創建第一個任務Tasksend（），再通過OSStart（）啟動作業系統的多任務調度機制，開始運行系統的主要應用程式。主函數代碼如下：
5．2 數據的收發
接收數據可採用查詢方式或中斷方式。為了提高效率，數據接收採用中斷方式。兩個任務中，設置任務Tasksend（）的優先級最高，任務Taskrev（）的優先級次高。任務Tasksend（）主要負責初始化CAN，初始化定時器0，初始化VIC，建立信號量用於任務Taskadrev（）與中斷通信並建立新的任務Taskrev（），並處理採集數據。任務Taskadrev（）一直處於等待信號狀態，一旦從中斷得到信號，立刻採集數據，並通過郵箱將採集到數據指針發給任務Tasksend（）。
基於μC／OS-II的CAN接收數據、發送數據任務流程圖如圖5，6所示。
6 結語
以ARM7TDMI內核的嵌入式微控制器LPC2292作為主控制器、CAN總線作為數據傳輸方式通信的嵌入式系統得到了廣泛的應用，同時CAN通信的優良可靠性也成為影響系統性能的關鍵。以LPC2292為開發平臺，並且在成功地移植μC／OS-II的基礎上，研究CAN通信軟體設計。實驗結果說明該系統設計可行，並且滿足了快速、準確、多信息量的要求。
責任編輯：gt
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