基于CAN總線/RS485接口的雙層網(wǎng)絡遠程抄表系統(tǒng)設計

目前我國普遍采用戶用計量儀表即水表、電表、燃氣表、熱表（四表）安裝在用戶室內, 抄表人員走家串戶，手工抄表采集數(shù)據(jù)，然后結算的計量收費方式。為了有效解決入戶抄表收費存在的諸多弊端, 我國從90年代初開始研制全電子式電能表,并且取得了一定的成果。目前已研制出多種遠程抄表系統(tǒng)，常用的有用基于電力線載波的抄表系統(tǒng)，基于RS-485總線的抄表系統(tǒng)等。
基于電力線載波的抄表系統(tǒng)，減少了系統(tǒng)由于布線帶來的成本，但是由于信號和強電在同一根線上傳輸，傳輸過程中不可避免地存在強電場的干擾，信號的可靠性受到影響，而且隨著傳輸距離的增大，信號的衰減較快，影響了抄表數(shù)據(jù)的可靠性；基于RS-485的抄表系統(tǒng)是較為理想的一種遠程抄表系統(tǒng)，它采用的是主從式的通信方式，任何時候只允許一個節(jié)點向網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)，所以RS-485多采用主從結構的命令型通信方式來防止數(shù)據(jù)通訊故障，數(shù)據(jù)通信時必須由主節(jié)點接收到管理主機的命令，然后由主節(jié)點向各個從節(jié)點傳達命令，從節(jié)點的數(shù)據(jù)依次送至主節(jié)點，最后再由主節(jié)點將各從節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送至管理主機。從數(shù)據(jù)通信過程可以看出，如果主節(jié)點出現(xiàn)故障，則整個系統(tǒng)會陷入癱瘓狀態(tài)。另外，隨著居民區(qū)的用戶的不斷擴大，要求抄表系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信距離也隨之增加，由于采用485總線在9600bps下能達到的最遠傳輸距離小于1200米，因而需要增加一個或多個中繼以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的較遠發(fā)送和接收。因為485為半雙工通信，中繼器在工作中必須判斷網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流向，所以中繼器的結構復雜，導致增加了系統(tǒng)成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。
CAN（Controller Area Network）是控制器局域網(wǎng)的簡稱它是德國Bosch公司在1986年開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。CAN網(wǎng)絡上的節(jié)點不分主從，任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，通信方式靈活，利用這一特點可方便地構成多機備份系統(tǒng)，CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了總線沖突的仲裁時間。
針對它們各自的特點,我們采用符合國際標準ISO 11898的CAN總線技術和目前儀表和自動化裝置常用的RS-485總線構成雙層網(wǎng)絡結構，這種網(wǎng)絡結構有效地解決了系統(tǒng)的建設成本高、數(shù)據(jù)管理困難、可靠性不高以及可擴展性能差等問題。
2.系統(tǒng)的總體設計框架
本系統(tǒng)采用雙層網(wǎng)絡的構架，見圖1。

目前我國四表普遍安裝在戶內,工作環(huán)境不算惡劣，所以本系統(tǒng)低層網(wǎng)絡采用 RS-485總線。它具有結構簡單、成本低廉、對布線要求不高的特點；而且RS-485總線在9600bps下最遠傳輸距離可以達到1200米,完全能夠完成一棟樓家用控制器與集中控制器遠程通訊的距離需求；再加上它們之間的通訊數(shù)據(jù)量小,數(shù)據(jù)結構簡單，所以RS-485總線能夠可靠地完成低層數(shù)據(jù)采集的需要。高層網(wǎng)絡采用兼容性能好、可靠性能高、數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸距離遠(在5000bps時傳輸距離10km)的CAN總線。CAN總線采用短幀結構,傳輸時間短,受干擾概率低；有CRC校驗和出錯標定能力；而且具有故障節(jié)點自動脫離CAN總線等功能，特別適合所處環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)交換較頻繁的集中控制器與管理中心計算機之間的通信。
系統(tǒng)由家用控制器、集中控制器、管理中心主機組成二級分布式監(jiān)控式系統(tǒng)。家用控制器以單片機為核心,能接收耗能表(四表)送出的脈沖信號,并且進行計數(shù)、數(shù)據(jù)處理、保存數(shù)據(jù)、發(fā)送用戶信息和顯示用戶狀態(tài)信息等功能,為了提高可靠性，配有獨立的備用電源供電。集中控制器可對一定數(shù)量的家用控制器進行集中管理,將各家用控制器采集到的數(shù)據(jù)傳送至管理中心,同時為了保證用戶信息的安全，將采集到的數(shù)據(jù)進行備份處理，同樣它也有備用電源可在停電時繼續(xù)給控制器供電。一般情況下,一棟樓配置一個集中控制器。小區(qū)管理中心主機通過運行遠程抄表管理軟件來處理下位機傳送來的數(shù)據(jù)信息,例如進行統(tǒng)計、交費管理、報表、網(wǎng)絡事故報警等操作。為了降低系統(tǒng)的設計成本，RS-485與CAN皆采用價格低廉的雙絞線連接。
3. CAN總線的通信協(xié)議
3.1 CAN總線上的電平
CAN總線具有兩種邏輯狀態(tài)：隱性或顯性。在隱性狀態(tài)下VCANL和VCANH被固定于平均電壓電平，Vdiff近似為零。顯性狀態(tài)以大于最小閾值的差分電壓來表示。
顯位（0）：VCANH 3.5V，VCANL 1.5V
隱位（1）：VCANH 2.5V，VCANL 2.5V
3.2 總線仲裁
仲裁期間,每個進行發(fā)送的節(jié)點都將其發(fā)送的位電平與監(jiān)控總線電平進行比較,任何發(fā)送一個隱性位而監(jiān)視到一個顯性位電平的節(jié)點立即變成接收器,而不破壞總線上的任何信息,等到總線空閑時,再重新發(fā)送報文。報文標識符的二進制數(shù)值越低,其優(yōu)先級越高。
3.3 CAN總線的報文格式
CAN技術規(guī)范定義了CAN報文格式。CAN定義了四種不同的幀，數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀、超載幀。
數(shù)據(jù)幀的組成格式見圖2。

幀起始：1個顯位，標志幀的開始。
仲裁場：由標志符和遠程發(fā)送請求位（RTR）組成。
控制場：數(shù)據(jù)長度碼和兩個保留位。
數(shù)據(jù)場：包括0 ~8個字節(jié)，每個字節(jié)8位。
CRC：CRC序列與CRC界定符。
應答場（ACK）：應答間隙與應答界定符。
遠程幀的組成格式和數(shù)據(jù)幀類似包括幀起始、仲裁場、控制場、CRC和應答場，與數(shù)據(jù)幀相反，遠程幀的RTR位是隱位，遠程幀不存在數(shù)據(jù)場。
出錯幀由兩個不同的場組成，第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到，第二個場是出錯界定符。
超載幀包括兩個位場,超載標志和超載界定符。
幀間空間包括間歇場和總線空閑場。
4. 集中抄表器的硬件設計
4.1集中抄表器的硬件設計
由于底層采用的是RS-485,而網(wǎng)絡上層采用的是CAN總線協(xié)議，這就要求集中抄表器不但具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)備份，而且應該具有協(xié)議轉換的網(wǎng)橋功能。CAN與RS-485總線轉換網(wǎng)橋的設計原理圖見圖3。