CN202600473U - Can和rs-485双总线数据采集器 - Google Patents

Can和rs-485双总线数据采集器 Download PDF

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Abstract

本实用新型的CAN和RS-485双总线数据采集器,包括微控制器、存储器模块和电源模块,其特征在于:微控制器的数据输入输出端口还连接有至少一路CAN总线接口电路以及多路RS485总线接口电路,CAN总线接口电路的数据传输端口与CAN总线相连接,RS485总线接口电路的数据传输端口与RS485总线相连接;微控制器还连接有实现TCP/IP协议通信的网络接口模块。本实用新型将CAN和RS485总线接口电路集中在一起,有效实现了对现有采用不同传输方式计量表的数据集中采集,满足了能耗监测管理中关于分户、分类和分项计量的要求。支持对电能表、电力监测仪、电量计测模块、水表、燃气表、冷热量计、流量计等表计的同时采集,形成了具有广泛应用前景的通用型双总线数据采集器。

Description

CAN和RS-485双总线数据采集器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种CAN和RS-485双总线数据采集器,更具体的说,尤其涉及一种可对采用多种通信协议的计量表计和采用CAN总线的节能器同时进行数据采集的CAN和RS-485双总线数据采集器。
背景技术
[0002] 在节能控制与能耗监测管理系统中,数据采集器是系统的重要设备,担负着节能控制器和远传表计的采集、存储,并可通过局域网、GPRS等通信网络与控制服务器进行数据交换任务。能耗监测管理中常用远传表计主要有电表、水表、气表和冷热量表等,主要的传输方式有RS-485总线和M-Bus总线。电表和计量模块的协议有DL/T645-1997、DL/ T645-2007和Modbus-RTU三种;其它三种表计多采用CJ/T188-2004协议传输。
[0003]目前市场上能够见到各种数据采集器基本上都是各表计厂家为自己表计配套的采集器,主要功能是用于收费管理,对于各种与费用有关的能耗示值有着较多的采集项目。但能耗监测管理中要求进行能耗的分户、分类和分项计量,目的是统计各种能耗数据的在不同用户、不同负载、不同时间的分布状况,为节能审计和节能改造提供依据。因此,将收费所用的数据采集器直接用于能耗监测管理系统有如下的问题:(1)功能单一,无法满足能耗监测对用电、用水、用气和用冷热量的全面计量要求。需要将各个厂家的采集器都使用上才能实现,这样的使用方法工程量巨大,需要安装多条采集线路,各管各的,因为一条总线中无法使用两个主机,否则网络将会无法正常工作。(2)占用的IP资源很多,由于一栋楼宇至少需要四种采集器才能满足要求,因此也需要4个IP地址。也给上位机的管理带来困难。(3)组网方式不同,数据采集器需要经过集中器才能与通信网络连接,设备数量大,成本闻。
[0004] 节能控制采用现场总线系统可以使自动化系统的硬件、软件成本和辅助成本大大降低,也使得系统的性能得到很大提高。选择CAN总线作为现场总线是一种比较好的方案。CAN现场总线是控制器局域网(controller area network)的简称,最早是由德国BOSCH公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。CAN总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准,并广泛应用于离散控制领域。目前CAN总线在国内是最热门的现场总线之一。由于CAN总线得到了国际上著名集成电路制造商的支持,市场上已有多种嵌入了 CAN总线协议的单片机和独立CAN总线控制器供工程技术人员选购,价格也较便宜,因此深受国内广大工程技术人员的欢迎。CAN总线采集器基本上没有现成的,都需要自行开发。
[0005] 综合上述情况,在节能控制与能耗监测管理系统中,开发一种通用型的双总线数据采集器就显得十分重要。
发明内容
[0006] 本实用新型为了克服上述技术问题的缺点,提供了一种可对采用多种通信协议的计量表计和采用CAN总线的节能器同时进行数据采集的CAN和RS-485双总线数据采集器。
[0007] 本实用新型的CAN和RS-485双总线数据采集器,包括起运算和控制作用的微控制器、用于数据储存的存储器模块以及提供稳定电压的电源模块,其特别之处在于:所述微控制器的数据输入输出端口还连接有至少一路CAN总线接口电路以及多路RS485总线接口电路,CAN总线接口电路的数据传输端口与CAN总线相连接,RS485总线接口电路的数据传输端口与RS485总线相连接;所述微控制器还连接有实现TCP/IP协议通信的网络接口模块。微控制器用于数据的运算和处理和输出,存储器模块用于参数、采集数据的存储;电源模块用于提供采集器稳定工作的直流电源。CAN总线接口电路用于实现以CAN总线协议传输的数据的接收和发送,RS485总线接口电路用于实现以RS485总线协议传输的数据的接收和发送;这样就实现了对米用不同传输协议的电表、水表、气表和冷热量表数据的同时米集,方便了数据的采集、处理和传输。
[0008] 本实用新型的CAN和RS-485双总线数据采集器,所述RS485总线的输入端均设置有端口保护电路,该端口保护电路包括并联于总线上的陶瓷放电管(G1、G2、G3)、以及并联接于总线两传输线上的两个瞬态抑制二极管,两者之间的总线上分别串联有自恢复保险丝。由于RS485总线均具有较长的传输路径,其传输线通常暴露与户外,极易因为雷击等因数引入过电压;设置端口保护电路可实现对数据采集器的保护。两串联陶瓷放电管进行共模保护,单个陶瓷放电管进行差模保护;自恢复保险丝实现限流作用,两瞬态抑制二极管进行二次限压。
[0009] 本实用新型的CAN和RS-485双总线数据采集器,还包括用于将CAN和RS485总线电源与采集器电源相隔离的隔离模块,该隔离模块上设置有用于将CAN和RS485总线接口电路与微控制器之间的传输信号进行隔离的光耦电路或电磁电路。隔离模块不仅实现总线接口电路电源与数据采集器电源的隔离,还用于实现传输信号与微控制器接收侧信号的隔离,起到可对采集器的进一步保护作用。
[0010] 本实用新型的CAN和RS-485双总线数据采集器,所述微控制器还连接有显示电路和用于与上位PC机进行通信的RS232接口模块。显示电路用于显示各个采集端口的工作状态;RS232接口模块用于采集器与上位PC机的通信,以便进行采集参数的设置。
[0011] 本实用新型的CAN和RS-485双总线数据采集器,所述存储器模块包括存储采集参数的EEPROM存储器以及进行采集数据存储的SD卡存储模块。EEPROM存储器进行采集参数的存储,可多次进行擦除和写入;SD卡具有较大的存储容量,利于采集数据的长期保存。
[0012] 本实用新型的CAN和RS-485双总线数据采集器,所述微控制器为基于ARM核心的STM32F103OSTM32F103型号的微控制器具有较高的工作频率、较大的程序存储空间、丰富的外围模块等诸多优点,便于形成本实用新型的CAN和RS-485双总线数据采集器。
[0013] 本实用新型的有益效果是:本实用新型的数据采集器,将至少一个CAN总线接口电路和多个RS485总线接口电路集中在一起,通过微控制器实现对以CAN和RS485总线传输协议数据的同时采集,并利用多路RS485对不同传输模式的计量设备分别采集,有效实现了对现有采用不同传输方式计量表的数据集中采集,满足了能耗监测管理中关于分户、分类和分项计量的要求,因此可作为能耗监测管理数据采集器。本实用新型的数据采集器中,还可设置过电压保护电路,使得数据采集器可免受雷击等因数的破坏。通过设置电源与电源、信号收发侧与控制侧相隔离的隔离模块,实现了对数据采集器的进一步保护,保证了采集器的长期安全运行。
附图说明
[0014] 图I为本实用新型的CAN和RS-485双总线数据采集器的电路方框图;
[0015] 图2为本实用新型中端口保护电路的原理图;
[0016] 图3为本实用新型中主程序的流程图。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
[0018] 如图I所示,给出了本实用新型的CAN和RS-485双总线数据采集器的电路方框 图,其包括微控制器、电源模块、存储器模块、网络接口模块、CAN总线接口电路、RS485总线接口电路、端口保护电路、隔离模块、显示电路、RS485总线接口电路、端口保护电路、隔离模块、显示电路、RS232接口模块;微控制器实现数据的采集、运算和处理,并控制外围模块进行工作;电源模块用于对微控制器以及总线接口电路进行供电,以保证整个采集器可以正常工作。CAN总线接口电路与微控制器的信号输入输出端口相连接,CAN总线接口电路的传输端口与CAN总线相连接,这样通过微控制器的控制即可实现CAN总线协议数据的接收和发送;CAN总线接口电路可设置为一路。所示的RS485总线接口电路为四个,传输端与RS485总线相连接,接收端与微控制器相连接,形成四路RS485总线传输路径,以便与不同传输协议的计量表相配合。CAN总线接口电路中包含可进行CAN总线协议收发转换的芯片,例如TJA1050 ;RS485总线接口电路中包括进行RS485总线协议收发的芯片,如MAX485。
[0019] 由于RS485总线的传输距离均较长,而且其传输线通常暴露于户外,因此极易因为雷击等原因引入过电压。而RS485总线收发器工作电压较低,为5V左右;其本身耐压也非常低,介于-7V〜+12V之间,一旦过压引入,就会击穿损坏。有强烈的浪涌能量出现时,甚至可以看到收发器爆裂,线路板焦糊的现象。设置端口保护电路可有效避免上述现象的发生,如图2所示,给出了端口保护电路的原理图,所示的陶瓷放电管G2和G3相串联后分别接于总线的两传输线上,陶瓷放电管G2和G3相连接处做接地处理,以便进行共模保护;陶瓷放电管Gl的两端分别接于总线的两传输线上,实现差模保护。自恢复保险丝Rl和R2串联于总线回路中,实现限流作用;所示的两瞬态抑制二极管TVSl和TVS2相串联后接于总线的两传输线上,实现二次限压作用,使得到收发器的电压被钳制在6. 8V左右,从而实现对收发器的保护。瞬态抑制二极管虽然可以将雷击电压一次钳制到芯片可以承受的水平,但是不能承受大的雷击能量,应采用由陶瓷管放电管和瞬态抑制二极管组成的两级保护电路。经过实验,可以承受10/700us,8KV的雷击测试。
[0020] 隔离模块包括电源隔离部分和信号隔离部分,实现了数据采集器的工作电源与输出传输电源的有效隔离。RS485和CAN总线接口电路与微控制器之间的信号传输通道上,设置有双向光电耦合电路或电磁耦合电路,彻底消除共模电压的影响。隔离模块将电源和信号全部进行了隔离,隔离电压可达I. 5KV。
[0021] 电源模块包括开关稳压电源和线性稳压电源,输入的电源经开关稳压电源模块处理后输出+5V的直流电源,以给RS485和CAN总线接口电路供电;线性稳压电源输出+3. 3V的直流电源,以给微控制器等器件供电。[0022] 网络接口模块与微控制器相连接,可实现TCP/IP协议的通信传输,使数据采集器具有接入局域网的功能。数据采集器通过RS232接口模块,可实现与上位PC机的通信,以便通过PC机对采集器的采集参数进行设置。
[0023] 存储器模块由EEPROM存储器和SD卡存储模块组成,EEPROM存储器用于设置参数的存储,SD卡用于采集数据的存储。采用4Gbit大容量存储介质,支持FAT16、FAT32文件系统。数据存储时间可达I年以上,超过技术导则技术要求。显示电路用于显示各个采集端口和网络接口的工作状态,采用发光二极管闪烁显示,直观明晰。
[0024] 微控制器采用增强型32位基于ARM核心的微控制器STM32F103,其主要性能指标如下:(I)内核:ARM 32位的Cortex. -M3 CPU,最高72MHz工作频率,在存储器的O等待周期访问时可达I. 25DMips/MHz (Dhrystone2. I),单周期乘法和硬件除法;(2)存储器:64〜256K字节的闪存程序存储器,高达20K字节的SRAM ; (3)时钟、复位和电源管理:2. O〜3. 6伏供电和I/O引脚、上电/断电复位(P0R/TOR)、可编程电压监测器(PVD)、4〜16MHz晶体振荡器、内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器、内嵌带校准的40kHz的RC振荡器、产生CPU 时钟的PLL、带校准功能的32kHz RTC振荡器;(4)低功耗:睡眠、停机和待机模式、VBAT为RTC和后备寄存器供电;(5)2个12位模数转换器,I μ s转换时间(多达16个输入通道)、转换范围:0至3. 6V、双采样和保持功能、温度传感器;(6)DMA :7通道DMA控制器、支持的外设:定时器、ADC、SPI、I2C 和 USART ;(7)多达 80 个快速 I/O 端口 :26/37/51/80 个 I/O 口,所有I/O 口可以映像到16个外部中断;几乎所有端口均可容忍5V信号;(8)调试模式:串行单线调试(SWD)和JTAG接口 ;(9)多达7个定时器:3个16位定时器,每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入、I个16位带死区控制和紧急刹车,用于电机控制的PWM高级控制定时器、2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)、系统时间定时器:24位自减型计数器;(10)多达9个通信接口 :2个I2C接口(支持SMBus/PMBus)、3个USART接口 (支持IS07816接口,LIN, IrDA接口和调制解调控制)、2个SPI接口(18M位/秒)、CAN接口(2. OB主动)、USB 2. O全速接口 ;(11) CRC计算单元:96位的芯片唯一代码;(12)-40° C至+85° C温度范围。这些丰富的外设配置,使得STM32F103微控制器特别适合于我们的数据采集器的要求。
[0025] 通用型数据采集器的关键技术是每个端口都能够对各种协议和速率进行采集,CAN总线由于采用了自定义协议,实现起来比较容易,只要设置通信速率和控制器的起始结束地址即可。
[0026] 最难实现的是远传表计的全面采集,要实现通用就必须对各种类型、各种协议、各种速率等都能适应。各种协议的字节格式、帧格式、地址域、数据域、数据标识等都不相同。为了实现通用性的要求,我们采用的方法一是针对每一种协议开发相应的采集程序,二是每一块表计都能够进行全面的参数设置,确保采集正确。参数设置能够从物理层的字节格式、帧格式一直到应用层的计算公式。通过对仪表类型、通信协议、传输速率、数据位、奇偶校验位、停止位和用户码、数据标识、数据类型、寄存器、计算公式等参数设置,实现了对国内绝大多数厂家各种表计的采集功能。
[0027] 软件采用结构化设计,C语言开发,具有良好的模块性,可修改性和可移植性强。通过内置的JTAG接口,可实现软件的修改和升级,主程序流程如图3所示,首先是板级和各功能的初始化,然后再调用CAN采集子程序和RS485采集子程序,最后通过网络及串口数据处理子程序进行数据的处理,完成数据的采集和传输处理。
[0028] 本实用新型的CAN和RS-485双总线数据采集器的整机功能如下:
[0029] (I)将现场控制网络无缝链接至TCP/IP网络,并自动恢复网络连接,建立可靠的TCP连接;
[0030] (2)支持同时与4个服务器连接和通信的功能;
[0031] (3) RS485串口波特率可设置为1200〜115200bps之间的任意值;
[0032] (4)支持对多种类型用能计量装置的数据采集,包括电能表(含单相电能表、三相电能表、多功能电能表)、电力监测仪、电量计测模块,水表、燃气表、冷热量计、流量计等;
[0033] (5)支持多种仪表通信协议,包括Modbus-RTU协议、多功能电能表通信规约DL/T645— 1997、DL/T 645— 2007、CJ/T 188-2004 协议等;
[0034] (6)支持多达对352台能计量装置和255台节能控制器的数据采集;
[0035] (7)支持根据数据中心命令采集和主动定时采集两种数据采集模式,且采集周期可从5分钟至5小时灵活配置;
[0036] (8) 4GB专用存储空间支持至少I年以上的节能控制和能耗数据备份;
[0037] (9)支持对数据采集系统故障的定位和诊断,并支持向数据中心上报故障信息的功能;
[0038] ( 10)配套可视化的服务器端数据采集管理软件;
[0039] (11)支持采集器软件升级。
[0040] 除上述功能外,还符合《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统》技术导则对数据采集器的功能要求。

Claims (6)

1. 一种CAN和RS-485双总线数据采集器,包括起运算和控制作用的微控制器、用于数据储存的存储器模块以及提供稳定电压的电源模块,其特征在于:所述微控制器的数据输入输出端口还连接有至少一路CAN总线接口电路以及多路RS485总线接口电路,CAN总线接口电路的数据传输端口与CAN总线相连接,RS485总线接口电路的数据传输端口与RS485总线相连接;所述微控制器还连接有实现TCP/IP协议通信的网络接口模块。
2.根据权利要求I所述的CAN和RS-485双总线数据采集器,其特征在于:所述RS485总线的输入端均设置有端口保护电路,该端口保护电路包括并联于总线上的陶瓷放电管(G1、G2、G3)、以及并联接于总线两传输线上的两个瞬态抑制二极管(TVS1、TVS2),两者之间的总线上分别串联有自恢复保险丝(Rl、R2)。
3.根据权利要求I或2所述的CAN和RS-485双总线数据采集器,其特征在于:还包括用于将CAN和RS485总线电源与采集器电源相隔离的隔离模块,该隔离模块上设置有用于将CAN和RS485总线接口电路与微控制器之间的传输信号进行隔离的光耦电路或电磁电路。
4.根据权利要求I或2所述的CAN和RS-485双总线数据采集器,其特征在于:所述微控制器还连接有显示电路和用于与上位PC机进行通信的RS232接口模块。
5.根据权利要求I或2所述的CAN和RS-485双总线数据采集器,其特征在于:所述存储器模块包括存储采集参数的EEPROM存储器以及进行采集数据存储的SD卡存储模块。
6.根据权利要求I或2所述的CAN和RS-485双总线数据采集器,其特征在于:所述微控制器为基于ARM核心的STM32F103。
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