電纜監測數據傳輸系統分析與設計

時 翔 趙生傳 陳志勇 武志剛

（1.青島供電公司，山東 青島 266002；2.山東電力集團公司，濟南 250001）

“十一五”期間，我國經濟保持了持續的快速發展，我國電力工業也得到了高速發展，基本完成了高效環保電能傳輸體系的建設，其中輸配電線路作為這個體系的脈絡，對保持電能傳輸的可靠性和安全性具有重要作用[1]。輸配電線路從結構上可分為架空型和電纜型，其中電纜型線路主要是敷設在架空線路難以穿越的地區，如城市的中心城區等，與架空線路相比，電纜線路具有不受氣候與環境影響，不占用地表土地面積，不會造成電磁干擾等特點，因此在城市現代化加快現代化建設的今天，電纜線路在城市輸配電中的應用越來越廣泛。作為電纜線路的通道，電纜溝的建設速度也呈穩步上升趨勢[2]。電纜及其溝道在使用過程中存在著許多問題，如運行維護不方便，電纜溝道由于密封導致通風不暢，溝道內可能積聚甲烷等可燃氣體，對溝道的安全造成嚴重威脅，同時在負荷較大時電纜局部會出現過熱的現象，容易導致電纜發生著火的事故，因此，對電纜及其溝道進行安全管理不僅關系到電纜本身的安全運行，而且也會直接影響城市居民供電可靠性和電能質量。這樣就需要一套監測系統對完成對電力電纜的監測和管理，這個監測系統中最重要的是數據傳輸系統，如何在惡劣的電纜及溝道環境中保證監測數據傳輸的完整性是一項重要的研究課題，本文進行了電纜監測數據傳輸系統的分析與設計。

1 監測系統整體架構

在構建監測系統的過程中，將其分為以下三個子系統分別進行分析，即：信息采集子系統、編碼通信子系統及信息處理子系統，基于以上三個子系統，該監測系統的整體架構圖如圖1所示。

1）信息采集子系統。該子系統主要由電纜溝道的傳感設備組成，實現了監測基礎數據的采集功能。

圖1 電力電纜溝道監測系統總體結構圖

2）編碼通信子系統。編碼通信子系統主要是由A/D轉換模塊、通信電纜及上位嵌入通信控制機等組成的，它的作用是對開關信號量按照給定的規則進行編碼，并依照CAN總線協議的相關內容將其發送至上位通信機中，上位通信機支持10M以太網絡及A/D轉換等功能，采用LCP2292工業級控制器，包含了CAN協議。

3）信息處理子系統。信息處理子系統的主要任務是對收集的信息整合和存儲收集的信息，并依照上一級系統的技術要求對其進行校核，其中校核的主要依據是地理信息系統，并以Web方式將其傳輸到上級的管理系統中，完成系統的維護及管理，這一子系統主要是由GIS系統、數據庫服務器及管理機等構成的。

2 系統硬件設計

2.1 接收數據過程分析

利用CAN總線對數據進行接收的過程如下：

首先利用上位機對現場數據進行采集，其次判斷IP鏈路是否暢通，如果IP鏈路暢通，則數據打包后通過以太網將其上傳至服務器，若IP鏈路不暢通，則將數據暫存于電子盤中；上位機是具有人機交互功能的，通過液晶可以顯示溝道的數據信息，但此時必須通過鍵盤來對上位機的參數進行配置，另外為了使系統升級方便，額外增加了一篇Nor型的FLASH以作擴展之用，這樣就確定了CAN數據接收機上位機的硬件結構。

該系統使用的控制器芯片是LPC2292，該組芯片共有4組電源作為輸入端，其輸入電壓幅值分別為3.3V、1.8V、3.3V和1.8V。上位機的輸入端不要求具有A/D功能，因此在進行設計時數字電源和模擬電源都是獨立的，另外由于液晶顯示和網卡的芯片都需要 5V的電源作為支撐，因此末級只需要提供 3組電源。電源芯片選為為 SIPEX半導體的SPX1117芯片，該芯片的輸電電壓是可調的，因此可以選擇多組輸出，同時選用 SP708S芯片為復位芯片。

2.2 CAN模塊介紹

基于 CAN總線的控制系統是將所有控制裝置都在CAN的物理總線上進行掛接，以此來接受微處理器的控制，且在CAN總線和微處理器之間需要連接CAN控制器、驅動器及光電耦合器等[4]。如果將CAN控制器和微處理器集成在一塊芯片上，則會將應用系統的硬件設計大為簡化，同時對系統的可靠性也有較大的提高。

本系統所采用的微控制器LPC2292包含了兩個CAN模塊，同時支持多個 CAN總線的傳輸。LPC2292有兩個 CAN控制器，每個總線的波特率在1Mb/s以上，符合CAN的規范。CAN控制器的引腳配置也是非常簡單的，輸入來自 CAN的收發器；其中Tx1和Tx2作為串行的輸出端，輸出到CAN的收發器中，序號1、2分別代表了第1、2個CAN控制器，其與獨立的CAN控制器相比具有類似的結構，只是其訪問字節由原來的 8bit變為了現在的32bit。

2.3 CAN接口電路設計

根據CAN控制模塊的引腳功能，設計的CAN接口電路如圖2所示，其中CTM 8250D的TXD和RXD分別與控制器的引腳TD2和RD2相連，且上位機與下位機的接口電路是一致的，在總線的兩端同時需要連接一個120Ω的終端電阻。

圖2 CAN接口電路圖

3 系統軟件分析

3.1 CAN通信數據采集任務設計

通過CAN總線對數據進行傳送是嵌入式上位機的主要任務，即完成上位機的數據采集功能[5]。本文所設計的系統軟件部分主要是通過 ReadCANRcvCyBuf( )接收數據函數和CANSendData( )發送數據函數完成上述功能的，這樣就簡單地實現了數據采集功能。由于 ReadCANRcvCyBuf( )函數是以中斷方式進行接收數據的，所以本系統軟件設計的方案的核心思想是：初始化信號量CANRecvSem為1，將FullCan函數庫中的函數進行中斷處理，當完成中斷的產生后通過發送信號量CANRecvSem進行數據采集，中斷處理函數CANIntPrg( )的流程圖如圖3所示。

圖3 中斷處理函數CANIntPrg( )的流程圖

完成數據采集任務后即接收下位機傳感器的數據，整個處理流程如圖4 所示。

圖4 處理過程流程圖

3.2 嵌入式上位機多任務控制軟件設計

嵌入式上位機在電力電纜溝道測試系統是起關鍵作用的裝置，它主要通過CAN總線來實現接收下位機所傳輸的數據，然后經過以太網將數據上傳到通信服務器中，同時將各個下位機的節點狀態顯示在液晶顯示屏上，并通過鍵盤模塊完成參數的設置。本設計是采取將上位機的應用程序劃分為5個μC/OS-II任務，包括：數據采集任務、數據發送任務、數據打包任務、鍵盤掃描任務及液晶顯示任務等，通過設定各個任務的優先級來實現各個功能。

4 結論

本文進行了以嵌入式上位機為核心技術的電纜監測數據傳輸系統的設計，該監測系統融合了嵌入式以太網技術及CAN現場總線技術，完成了電力電纜溝道監測數據的傳輸與控制。

[1]劉平原,賀景亮,王洪新.交聯聚乙烯電纜在線監測方法的探討[J].高電壓技術, 2001, 27(4): 26-27.

[2]嚴璋.電氣絕緣在線檢測技術[M].北京:中國電力出版社, 2002.

[3]朱海鋼,馮江,羅俊華. XLPE電力電纜局部放電高頻監測技術的研究[J].高電壓技術, 2004, 30(4).

[4]孫新,胡官陽. 高速電纜遙測系統的技術指標與技術方案[J].測井技術, 1996, (6)20: 449-453.

[5]劉江虹,徐曉東.微型計算機中的串行通信總線技術[J].內蒙古大學學報（自然科學版）, 2005, 36(3): 328-332.