基于CAN總線數(shù)據(jù)采集的遠程抄表系統(tǒng)設(shè)計

本文主要提出一種小區(qū)電能表自動抄表的系統(tǒng)設(shè)計方案。
隨著智能化建筑在許多國家應運而生。自動抄表系統(tǒng)是大力發(fā)展中的智能建筑、樓宇自動化的重要組成部分，是家庭自動化的必然，因而日益受到關(guān)注。與傳統(tǒng)抄表方式相比，智能抄表系統(tǒng)具有方便快捷、節(jié)省人力物力、提高工作效率、精確度高等優(yōu)點。

系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，自動抄表系統(tǒng)主要由電能表、數(shù)據(jù)采集器、集中器、數(shù)據(jù)傳輸通道和后臺管理服務(wù)器等組成；其中電能表主要是在傳統(tǒng)機械式電表基礎(chǔ)上將轉(zhuǎn)盤適當改造，以便能將其轉(zhuǎn)動圈數(shù)被數(shù)據(jù)采集器采集轉(zhuǎn)化為電脈沖數(shù)，以達到數(shù)據(jù)采樣的目的；采集器主要完成將電表用電量轉(zhuǎn)換成電脈沖信號以完成數(shù)據(jù)的采集，同時還具備將采集的數(shù)據(jù)保存、通過CAN總線傳輸給集中器轉(zhuǎn)發(fā)給后臺管理系統(tǒng)、顯示用戶剩余電度數(shù)以及根據(jù)情況切斷用戶電路等功能。數(shù)據(jù)集中器則是通過CAN總線收集各用戶電表上傳數(shù)據(jù)，并通過無線GSM網(wǎng)絡(luò)傳送給后臺管理服務(wù)器系統(tǒng)，同時數(shù)據(jù)集中器亦可將后臺管理服務(wù)器各項命令轉(zhuǎn)發(fā)給對應電表數(shù)據(jù)收集器，并完成相應控制。通過以上功能基本可以實現(xiàn)抄表管理收費一體化等工作。

圖1 系統(tǒng)集成示意圖

數(shù)據(jù)采集器硬件組成

數(shù)據(jù)采集器硬件原理如圖2所示，數(shù)據(jù)采集器主要包括數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)保存電路以及數(shù)據(jù)傳輸CAN總線節(jié)點電路，同時根據(jù)其他功能擴展（如預付費功能）增加了剩余電度數(shù)顯示以及通過繼電器對用戶電路切斷和接通電路。


圖2 遠程抄表數(shù)據(jù)采集器硬件原理圖

采集器采用單片機89C51，其內(nèi)部有4KB的ROM，128字節(jié)的RAM以及32個I/O口。P1口與串行器件24C02和顯示、繼電器電路連接。其中的顯示模塊采用串行方式進行通信，分別采用P1.0、P1.1、P1.2模擬時鐘信號線和數(shù)據(jù)信號線。24C02用來存儲用戶電度表不同時段消費電度數(shù)和用戶電度表采集器編號（CAN節(jié)點標號）。P0口主要用來與CAN總線控制器SJA1000相連，用作數(shù)據(jù)線。監(jiān)控電路采用DS1232芯片，它是看門狗定時器，功能是上電和掉電時給89C51、CAN控制器SJA1000產(chǎn)生復位信號；看門狗對系統(tǒng)進行監(jiān)控，防止死機不能恢復。日歷時鐘電路采用時鐘芯片PCF8583完成，由于系統(tǒng)中需要對用電實行分時按峰、谷、平不同時段進行節(jié)計費，因此系統(tǒng)中必須建立不間斷供電（電池供電），以便提供實時鐘。

數(shù)據(jù)采集電路采用開關(guān)型霍爾傳感器A44L對加裝過小磁鐵的電表轉(zhuǎn)盤進行將所轉(zhuǎn)的圈數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳感器A44L工作原理如圖3a所示，集成霍爾開關(guān)是由穩(wěn)壓器A、霍爾電勢發(fā)生器(即硅霍爾片)B、差分放大器C、施密特觸發(fā)器D和OC門輸出E五個基本部分組成。(1)，(2)，(3)代表集成霍爾開關(guān)的三個引出端點。在輸入端（1）輸入電壓Vcc，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾發(fā)生器的兩端。根據(jù)霍爾效應原理，當霍爾片處于磁場中時，在垂直于磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會有一個霍爾電勢差VH輸出，該VH信號經(jīng)放大器放大以后送至施密特觸發(fā)器，使觸發(fā)器整形，成為方波輸送到OC門輸出。當施加的磁場達到“工作點（即Bop）”時，觸發(fā)器輸出高電壓(相對于地電位)，使三極管導通，此時，OC門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)為“開”。當施加的磁場達到“釋放點（即Brp）”時，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使OC門輸出高電壓，這時稱其為“關(guān)”態(tài)，這樣兩次高電壓變換，使霍爾開關(guān)完成了一次開關(guān)動作。Bop與Brp的差值一定，此差值Bh=Bop-Brp稱為磁滯，在此差值內(nèi)，Vo保持不變，因而使開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠。其輸出特性如圖3b和圖3c所示。


圖3 霍爾傳感器工作原理及輸出特性圖

CAN總線采用一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，數(shù)據(jù)長度為8個字節(jié)，不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，因此非常適合遠程抄表控制系統(tǒng)。CAN總線控制電路如圖2所示，主要由控制器89C51、CAN通信控制器SJA1000、CAN總線驅(qū)動收發(fā)器82C250組成，單片機89C51對CA控制器接收到的數(shù)據(jù)進行讀取和數(shù)據(jù)發(fā)送等程序處理，為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦6N137后與82C250相連，很好地實現(xiàn)了總線上各節(jié)點間的電器隔離。82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個5歐姆的電阻與CAN總線相連，起到一定的限流作用，保護82C250免受過流沖擊。CANH、CANL與地之間并聯(lián)了兩個30pF的電容，可以濾除總線上的高頻干擾并起到一定的防電磁輻射的能力。另外，兩根CAN總線輸入端與地之間分別接防雷擊管，起到一定的保護作用。

數(shù)據(jù)采集器軟件設(shè)計

主程序流程

數(shù)據(jù)采集器在整個系統(tǒng)中有喂狗、計表、時鐘校時、用戶通斷電、CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、數(shù)據(jù)存儲與讀取以及顯示等功能，其中喂狗、計表和數(shù)據(jù)存儲及CAN總線數(shù)據(jù)接收分別采用定時終端、計數(shù)中斷和外部中斷實現(xiàn)，顯示功能則為預付費功能而備(本文不作要求)，CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送采用查詢方式和其他程序功能在主程序中實現(xiàn)。主程序流程如圖4所示。


圖4 主流程序圖