CN202771609U - 基于can总线的居民小区自动抄表系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于CAN总线的居民小区自动抄表系统，包括数据采集电路、微处理器电路、CAN控制器、CAN总线收发器和串口通讯电路；数据采集电路、微处理器电路、CAN控制器、CAN总线收发器依次相连；串口通讯电路与微处理器电路相连。本实用新型通过电能表采集电能数据、微处理器电路和CAN控制器处理转发电能数据，以及通过CAN总线收发器把电能数据送到CAN总线上，供其他CAN节点接收。同时本实用新型还提供了串口通讯电路，用于与上位机进行通信；该自动抄表系统稳定可靠、价格低廉，特别适合普通住宅小区应用。

Description

基于CAN总线的居民小区自动抄表系统

技术领域

 本实用新型属于智能小区的电表抄表领域，具体涉及一种基于CAN总线的居民小区自动抄表系统。 

背景技术

电力工业是国民经济的重要支柱，而电力作为一种特殊的商品在市场中占有举足轻重的地位。目前伴随着农网与城网改造的不断深入及变电站（所）增多，无人值守变电站占的比重也越来越大，传统的手工抄表暴露出了弊端，因此设计出一套利用计算机通讯技术的远程抄表系统，对大宗用户或变电所的抄表与监测有着良好的应用前景。

在过去的电力系统中，电力的测量技术一直使用“电磁隔离，机械弹簧指针”的模式，直到今天，在许多场合仍使用机电指针式仪表来监督电气量的变化，其最大的特点就是直观、简单、成本低廉；但不能显示读数，不能实现数据的采集控制，不可再现历史数据，不太准确等。进入半导体时代的电力电表是基于半导体分离电路或小规模集成电路的数字显示式仪表，通过使用由变送器转换的模拟信号（4mA-20mA）实现电参数的显示与存储及采集控制，这是现在大多数自动控制系统使用的数据采集模式，特点是能直接显示读数，能实现数据的采集控制，可通过自控系统再现历史数据；缺点就是接线与使用元件多且复杂，成本高，维护复杂。随着现场总线技术的发展，出现了新式的现场总线式智能电测仪表系统，其特点就是网络化实现数据共享，维护简单，性价比高但综合成本低。这使得电力系统的统一控制管理成为可能。

CAN是一种串行通信协议，因其具有高度的可靠性和数据完整性。无论是高速网络还是低成本多节点系统，CAN都有用武之地。特别适合于分布式实时控制系统，其波特率可高达1 Mb/s。为达到设计透明性和实现灵活性，CAN分为3层：目标层、传输层和物理层。其中目标层和传输层的功能包含了所有ISO/ OSI模型中数据链路层的功能；物理层的功能实际上是依据电气特性在所有不同节点间传输数据。有鉴于此，开发具有自主知识产权的基于CAN总线的远程电力抄表系统设计是十分必要的。

实用新型内容

本实用新型针对上述现有技术的不足，提供了一种稳定性强，具有良好的抗干扰能力和可扩展性的基于CAN总线的居民小区自动抄表系统。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种基于CAN总线的居民小区自动抄表系统，包括：

数据采集电路，用于通过电能表进行电压和电流采样，并转化为电能计量脉冲，输出至微处理器电路；

微处理器电路，用于接收数据采集电路采集的电能计量脉冲，处理后发送至CAN控制器；

CAN控制器，用于接收微处理器电路的输出，并调用CAN总线收发器发送或接收数据；

CAN总线收发器，与CAN总线相连，用于与CAN总线通讯；

串口通讯电路，用于与上位机通讯；

数据采集电路、微处理器电路、CAN控制器、CAN总线收发器依次相连；串口通讯电路与微处理器电路相连。

进一步的，所述微处理器电路包括CAN节点CPU、译码电路和参数输入电路。

进一步的，CAN控制器与CAN总线收发器之间还设置有一光电隔离电路。

进一步的，串口通讯电路包括RS232接口和MAX232芯片。

本实用新型所述的基于CAN总线的居民小区自动抄表系统，通过电能表采集电能数据、微处理器电路和CAN控制器处理转发电能数据，以及通过CAN总线收发器把电能数据送到CAN总线上，供其他CAN节点接收。同时本实用新型还提供了串口通讯电路，用于与上位机进行通信；微处理器电路可将上位机的操作信号和控制参数传送给指定的CAN网络节点，以及将CAN网络节点的数据传输给上位机做进一步处理，上位机可通过液晶显示器将采集到的电能数据显示出来。本实用新型所述的基于CAN总线的居民小区自动抄表系统稳定可靠、价格低廉，特别适合普通住宅小区应用。

附图说明

图1为本实用新型所述的基于CAN总线的居民小区自动抄表系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型提供了一种基于CAN总线的居民小区自动抄表系统，包括数据采集电路、微处理器电路、CAN控制器、CAN总线收发器和串口通讯电路，数据采集电路用于通过电能表进行电压和电流采样，并转化为电能计量脉冲，输出至微处理器电路；微处理器电路用于接收数据采集电路采集的电能计量脉冲，处理后发送至CAN控制器；CAN控制器用于接收微处理器电路的输出，并调用CAN总线收发器发送或接收数据；CAN总线收发器，与CAN总线相连，用于与CAN总线通讯；串口通讯电路用于与上位机通讯；数据采集电路、微处理器电路、CAN控制器、CAN总线收发器依次相连；串口通讯电路与微处理器电路相连。

本实施例中采用DDS362-G1（Ob型）单相电子式电能表来进行电能计量，该电表还具有安全、性能稳定可靠、计量精度高显示直观、操作简单、安装方便等诸多优点。

微处理器电路是指CAN节点的微控制器及其外围电路，它完成节点的控制和运算功能，由CAN节点CPU、译码电路和参数输入电路组成。

本实施例中的CAN节点CPU选择AT89C51芯片，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。在设计中管脚分配：PO口作为数据、地址复用总线使用，P2口的口线作为片选信号，参与地址译码电路。P1口作为一般I/O接口使用，Pl.0用于参数输入电路， Pl. 1用来控制LED指示灯。振荡电路采用外接晶振，工作频率是12MHZ。

节点中有多个芯片需要使用数据总线，故需要设计地址译码电路。译码电路采用线选法，具体对应关系为：P2.7为74HC245片选信号，P2.6为SJA10OO片选信号。P2.5接75LBC184的DE和RE引脚，当P2.5为1时75LBC184为发送器，当P2.5为0时75LBC184为接收器。

为了简化系统，本实施例中采用DIP设定开关输入数据。DIP拨码回路开关的正式名称是DUAL IN LINE PACKAGE SWITCH。 操作用开关中，与其他的开关不同，极少有将其装在机身表面，多数用于直接安装在线路板上的开关。目的是用于电气信号的控制程序的设定、电子回路的切换和查验等用途。采用8位DIP设定开关，高两位用于设置通信波特率，底六位用于设置智能节点号。DIP设定开关通过74HC245三态双向总线驱动器向单片机传送并口数据，74HC245片选信号经过或门与单片机的P27和读信号引脚相连，也就是只有P27和读信号引脚全都为0时才选通74HC245，方向控制位DIR接地，数据从B端口向A端口传送，此时单片机可以通过读取74HC245数据端口即可得到并口数据，完成数据的输入。

CAN控制器是CAN通信的核心芯片，CAN的通信协议主要是由它完成的。CAN控制器主要实现CAN总线协议部分和与微处理器的接口。本实施例中采用的CAN控制器为SJA1000，SJA1000是一种独立控制器，用于汽车和一般工业环境中的局域网络控制。它是PHILIPS公司的PCA82C200独立CAN控制器的替代品。与其在引脚及电气上完全兼奔。SJA1000 有一系列先进的功能，适合于多种应用，特别在系统优化、诊断和维护方面非常重要。SJA1000独立的CAN控制器有2个不同的操作模式：BasicCAN模式（和PCA82C200兼容）和PeliCAN模式

BasicCAN模式是上电后默认的操作模式。因此，用PCA82C200开发的已有硬件和软件可以直接在SJA1000上使用，而不用作任何修改。

PeliCAN模式是新的操作模式，它能够处理所有CAN2.0B规范的帧类型。而且它还提供一些增强功能使SJA1000能应用于更宽的领域。

SJA1000 的功能配置和行为由主控制器的程序执行。因此SJA1000能满足不同属性的CAN总线系统的要求。主控制器和SJA1000之间的数据交换经过一组寄存器（控制段）和一个RAM（报文缓冲器）完成。RAM的部分的寄存器和地址窗口组成了发送和接收缓冲器，对于主控制器来说就像是外围器件寄存器。CAN的内部共有128个字节的存储单元，对于CPU来说是以外部存储器形式存在的，CPU通过对它的读写来实现CAN控制器的初始化、数据的发送和接收，故障报警和定位等。要在CAN总线上发送的数据被载入SJA1000 的存储区，这个存储区叫“发送缓冲器”。从CAN总线上收到的数据也存储在SJA1000的存储区，这个存储区叫”接收缓冲器”。这些缓冲器包括2，3或5个字节的标识符和帧信息（取决于模式和帧类型），而最多可以包含8 个数据字节。独立的CAN控制器SJA1000装配了一个多功能的验收滤波器，该滤波器允许自动检查标识符和数据字节。使用这些有效的滤波方法，可以防止对于某个节点无效的报文或报文组存储在接收缓冲器里。因此，降低了主控制器的处理负载。

为了连接到微控制器电路，SJA1000 提供一个复用的地址/数据总线和附加的读/写控制信号。SJA1000可以作为微控制器电路外围存储器映射的I/O 器件。SJA1000的寄存器和管脚配置使它可以使用各种各样集成或分立的CAN收发器，由于有不同的微控制器接口，应用可以使用不同的微控制器。SJA1000的管脚在系统中的使用说明如下：SJA1000的ADO-AD7连接微控制器的PO口，作为数据/地址分时复用总线；CS连接AT89C52的P2.6，作为片选信号；ALE、RD、WR分别连接微控制器的相应端口，通过和数据/地址总线的时序配合完成对CAN控制器内寄存器的读写；INT连接AT89C51的INTO，这样就可以采用中断方式控制CAN接口的发送和接收；Mode连接+5V，用以选择Intel系列微控制器。

本实施例中CAN总线收发器采用PCA82C250，它是协议控制器和物理传输线路之间的接口。该器件对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力。如在ISO11898标准中描述的，它们可以用高达1Mbit/s的位速率在两条有差动电压的总线电缆上传输数据。可以支持多达110个节点，并能在1Mbps的传输速率下工作于恶劣的工作条件下。CAN收发器的额定工作电压是5V，参考电压VREF的值是额定电压值VCC的0.5倍，一般可以通过电阻分压实现。在高速模式中，适合执行最大的位速率和／或最大的总线长度。高速模式通常用于普通的工业应用，譬如：基于CAN的系统DeviceNetTM。这种模式的总线输出信号用尽可能快的速度切换，因此一般使用屏蔽的总线电缆来防止可能的扰动，例如汽车无线电装置对总线信号的扰动。高速模式通过VRS<0.3Vcc来选择。将Rs控制输入直接连接到微控制器的输出口或者地电平或者一个高电平有效的复位信号就可以实现。高速模式中，收发器有效的循环延迟时间可以低至最大145ns（当Tamb>85℃时，是155ns）。根据CAN位定时的要求，有效的循环延迟是的显性边沿循环延迟以及显性和隐性边沿循环延迟的平均值之中的最大值。

在一些应用中由于考虑到系统的成本等问题而使用非屏蔽的总线电缆。然而，使用非屏蔽电缆意味着收发器要满足额外的要求，譬如：电磁兼容性（EMC）问题。如果使用非屏蔽总线电缆，PCA82C250的总线信号转换速度应被特意降低。转换速度可以通过连接在控制引脚Rs上的串连阻抗值R ext来调整。根据CAN的位定时要求，转换速度下降将增加总线节点的循环延迟，因此在给定的位速率下，总线长度减少，或者说在给定的总线长度下，位速率降低。斜率控制模式中，总线输出的转换速度大致和流出引脚Rs的电流成比例，电流范围在10μA<-IRS<200μ中。如果Rs 引脚的输出电流在这个范围中，引脚Rs将输出大约0.5Vcc的电压。当在Rs引脚和地电平之间应用一个适当的电阻时，收发器被设置成斜率控制模式。单凭经验来说，这个电阻阻值要在范围16.5kΩ <Rext<140kΩ之间，才符合上面所说的Rs输出电流范围。适当的Rext 范围可以用下面的斜率控制模式的界限值计算：10μA<-IRS<200μA　和0.4Vcc<VRS<0.6Vcc如果斜率控制电阻Rext连接到地，则VOL.max的值是0V。

准备模式是在需要将功率消耗（譬如是暂时性的）减到最低时使用。当VRS>0.75Vcc 时，进入准备模式。这种模式在电池供电的应用、要求系统功率消耗非常低的应用中非常有用。在准备模式中传输一个报文就可以将系统激活。系统的功耗在准备模式可被彻底减低。这个模式基本上用于电池供电的应用。这可以通过直接将一个输出端口引脚连接到Rs或通过任何合适的斜率控制电阻Rext 来实现。准备模式中，发送器的功能和接收器的输入偏置网络都关断，以减少功率消耗。参考电压输出和基本的接收器功能仍然活动，但以非常低的功耗工作。如果在总线上传输一个报文，系统可被重新激活。在检测到3μs 长的显性总线电平后，收发器将通过RxD向协议控制器输出一个唤醒中断信号。在检测到RxD的下降沿后，控制器把Rs引脚置为逻辑低电平，这样收发器就可以切换到普通传输模式。由于在准备模式中工作速度缓慢，收发器要回到普通接收速度，则需要取决于逻辑的延迟时间（Rs的下降沿）。在总线速度很高的情况下，收发器在准备模式（例如：因为Rs引脚仍然为高）中不可能正确地接收报文。

，即采用光耦将网络和系统内部隔离开来，以提高系统的抗干扰性。然而，在协议控制器和收发器之间使用光耦，通常会增加总线节点的循环延迟，信号在每个节点要从发送和接收路径通过这些器件两次，这将减少位速率给定时可使用的最大的总线长度。这在计算由于CAN网络中的传播延迟而造成限制可以使用的最大总线长度时要考虑。还有就是要根据总线的波特率选用合适的光耦，本系统选用的是6NI37高速光耦，它的最大传输延迟时间是75ns，典型值是46ns。当位速率很高时，例如500kbit/s时，则应考虑使用延迟小于40ns的高速光耦，譬如：HCPL-71010。使用光耦时，要注意选择正确的默认状态，特别是在隔开的协议控制器电路一边没有上电时。这种情况下，连接到Tx0的光耦应该是”暗”的，即LED关断。当光耦是断开／暗时，收发器的TxD输入是逻辑高电平，可以达到自动防故障的目的。使用光耦还要考虑到将Rs 模式控制输入连接到高电平有效的复位信号，例如当本地收发器电源电压（在斜率上升和下降过程中）没有准备好的情况下，禁能收发器。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接与82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦6N137 后和82C250相连，这样就很好实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。不过应该特别说明的一点是光耦部分电路所采用的两个电源VCC和VDD必须完全隔离，负责采取光耦也就失去了意义。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带多5V隔离输出的开关电源模块实现。这一部分虽然增加了节点的复杂性，但却提高了节点的稳定性和安全性。

82C250与CAN总线的接口部分也采取了一定的安全和抗干扰措施。82C250与CANH和CANL引脚各自通过一个5Ω的电阻与CAN总线相连。电阻可起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的作用。另外，在两根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管，当CAN总线有较高的负电压时，通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用。

本实施例中串口通讯电路包括RS232接口和MAX232芯片，即串口通讯电路和上位机的通信采用的是RS-232串口通信。由于微控制器AT89C51具有全双工的串行通信口，可以方便的实现和PC机的串口通信。要想实现它们之间的数据通信，在硬件部分所要做的就是实现ELA-RS-232C与TTL/CMOS之间的电平转换，可以通过MAX232实现的。MAX232是MAXIM公司生产的低功耗，但电源双RS-232发送/接收器。它的内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源变换为成RS-232所需要的士10V电压。所以，用该芯片接口的串行通信只需单一的+5V电源就可以了。

本实用新型所述基于CAN总线的居民小区自动抄表系统的工作过程为：

下传数据过程：上位机的数据通过RS232接口，经过MAX232电平转换为89C51微处理器可以接收的数据，经89C51串口接收后，再通过地址数据复用的方式将数据并行发送给SJA1000。单片机采用串口中断的方式接受上位机来的数据。89C51微处理器接收来的信号或数据存储在89C51的RAM中。单片机判断信号后在执行相应的操作：当信号是上位机向CAN总线上发数据（命令字为43H）时，单片机把上位机下传的命令字以下的4个数据作为4个ID标识符。然后再把上位机已经存储在89C51的RAM中的数据送到发送缓冲区内。SJA1000就将发送缓冲区中的数据通过82C250发送到CAN总线上。总线上若无其它CAN节点，则发送得不到应答，将导致此CAN节点总线关闭，此后就不再发送数据了。若总线上有其它CAN节点，且数据发送正确，发送完数据后，状态寄存器的内容为OCH，表示最近一次数据发送成功，且可以向发送缓冲区再次写入数据；若数据发送不正确，发送完数据后，状态寄存器的内容为04H，表示最近一次数据发送未成功，但仍可以向发送缓冲区再次写入数据。若数据连续发送不正确，导致发送错误计数器寄存器的值达到或超过报警限额寄存器的值，则状态寄存器将指示”总线错误状态”，若发送错误计数器寄存器的值达到或超过256次，则状态寄存器将指示”总线关闭状态”，总线关闭后即使执行发送命令后，仍无数据发送。

上送数据过程：数据通过CAN总线，经过82C250传到SJA1000，接收到的数据存入SJA1000接收缓冲区，若接收的数据正确，则状态寄存器为01H，表示RXFIFO中存在完整有效的报文，同时使IINT引脚变低，触发CPU的一次中断，CPU则以中断方式读取数据，读完数据后执行释放接收缓冲区命令，则释放出当前呈现的报文存储空间。单片机采取查询的方式向上位机发送数据，当接受到应答时，CPU将接收到的数据再以串行的方式发给上位机。

Claims (4)

1.一种基于CAN总线的居民小区自动抄表系统，其特征在于，包括：

数据采集电路，用于通过电能表进行电压和电流采样，并转化为电能计量脉冲，输出至微处理器电路；

微处理器电路，用于接收数据采集电路采集的电能计量脉冲，处理后发送至CAN控制器；

CAN控制器，用于接收微处理器电路的输出，并调用CAN总线收发器发送或接收数据；

CAN总线收发器，与CAN总线相连，用于与CAN总线通讯；

串口通讯电路，用于与上位机通讯；

数据采集电路、微处理器电路、CAN控制器、CAN总线收发器依次相连；串口通讯电路与微处理器电路相连。

2.根据权利要求1所述的基于CAN总线的居民小区自动抄表系统，其特征在于，所述微处理器电路包括CAN节点CPU、译码电路和参数输入电路。

3.根据权利要求1所述的基于CAN总线的居民小区自动抄表系统，其特征在于，CAN控制器与CAN总线收发器之间还设置有一光电隔离电路。

4.根据权利要求1所述的基于CAN总线的居民小区自动抄表系统，其特征在于，串口通讯电路包括RS232接口和MAX232芯片。

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