基于CAN總線的電力抄表系統(tǒng)設計

CAN總線簡介

     CAN為多主方式工作，網絡上任一節(jié)點均可以在任意時刻主動向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息；CAN網絡上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求；CAN采用非破壞性總線仲裁技術；CAN只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據；CAN的直接通信距離最遠可達10km(速率5kbit/s以下)，通信速率最高可達1Mbit/s(此時通信距離最長為40m)；CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據出錯率極低；CAN的通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纜，選擇靈活。

系統(tǒng)方案設計

    系統(tǒng)由以下部分組成：脈沖電度表、電量采集器、CAN轉換器、調制解調器、上位機。系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

   
    圖1　電力抄表系統(tǒng)結構框圖

    由圖1可知，電量采集器實時采集居民樓脈沖電度表輸出的脈沖信號，經CAN接口傳至CAN總線上，再經CAN轉換器轉換和Modem實現上位機與下位機的通信，從而完成數據的采集、存儲、計量、顯示等功能，對整個小區(qū)每個用戶的情況實現實時監(jiān)控。

系統(tǒng)工作原理

電度量的采集
    根據轉盤式電度表的結構，它的脈沖與轉盤所轉的圈數成正比，脈沖數累計后再乘以系數即可得到相應的電度量。為提高脈沖計量的準確性，軟件設計時采用定時連續(xù)采樣的方法。一個有效的電脈沖寬度在50ms以上，設計采用的定時周期為16ms.對于正常脈沖，定時采樣連續(xù)測得脈沖為高電平的次數≥2，見圖2。若脈沖寬度太小，測得次數不夠2次，這時可以把這個脈沖去掉。

   
    圖2　脈沖采樣檢查示意圖

電量采集器
    電量采集器的主要功能是對脈沖數據計數以及與上位機通信。它的核心器件是AT89C52微處理器與中斷控制器8259A.系統(tǒng)中，中斷源超過8級，故8259A采用級聯方式。每個電量采集器下有5片8259A級聯，從而滿足32路電量信號的輸入。電量采集器的原理框圖如圖3所示。

   
    圖3　電量采集器原理框圖

    系統(tǒng)中，8259A用來配合AT89C52控制外部中斷源。8259A為AT89C52分析、判斷、決定中斷請求信號的優(yōu)先權。來自多個電表的中斷信號經輸入處理電路后被送到8259A.其中的一路為高電平時，8259A的IRR(中斷請求寄存器)相應位置位；接著，8259A對其IRR和IMR(中斷屏蔽寄存器)提供的情況進行分析處理，當某路中斷源未被IMR屏蔽，且該路中斷源的優(yōu)先級別高于CPU正在處理事務的級別時，8259A的17    引腳產生一個高電平，再經過專門的中斷申請與響應電路變?yōu)榈碗娖?IMG height=24 src="/upload/2007_05/070525132769957.jpg" width=36 border=0>，就向AT89C52提出中斷請求，而其余的中斷信號排隊等待并保存。這樣脈沖信號就不會丟失，保證了系統(tǒng)采集信號的準確度。之后，儀表技術與傳感器得到中斷申請的AT89C52會比較當前運行程序與中斷申請的優(yōu)先級別，經中斷申請與響應電路向8259A發(fā)回中斷響應信號.這時，AT89C52轉去執(zhí)行中斷服務程序。

    為保護采集到的數據，設計中采用了存儲器。存儲區(qū)可分為兩個區(qū)：一個工作區(qū)，存儲實時的電度量，隔一定時間刷新1次；一個備份區(qū)備份6個月的電度量，以防有用信息的丟失。

    為方便用戶查詢，系統(tǒng)可在采集器中設計顯示電路LCM103，實現就地顯示。把它的引腳CS、WR、DA2TA和單片機的相關接口連接就可以實現其顯示功能。多個中斷源的數據在LCM103中采用輪流顯示方式。LCM03的10位可以分別定義為用戶戶別、表別與顯示數據。第10位為戶別，第8位為表別，其余位表示各表耗用能量的數字，第3位是小數點。第9位和第7位為空格，以便讀數清晰。

    設計時，在LCM103的VDD與VLCD引腳之間加511kΩ的電阻，以使顯示亮度適中。

CAN接口轉換器
     CAN轉換器由CAN控制器SJA1000和CAN驅動器PCA82C250組成。CAN轉換器負責接收上位機下達的命令并向上傳送本站點的電量，1組CAN總線上最多可掛110個站點，其框圖如圖4所示。

   
    圖4　CAN控制器接口功能框圖

CAN轉換器
    為了實現單片機與上位機的通信，設計了TTL電平與RS-232之間轉換的接口，如圖5所示。AT89C52本身不含控制器，所以采用了CAN控制器SJA1000和CAN驅動器PCA82C250。

   
    圖5　RS232/CAN轉換器功能框圖

CAN總線通信波特率
    計算出小區(qū)控制室上位機與電量采集器中單片機通信的波特率為40.5Kbit/s，取50Kbit/s，此時CAN總線的通信距離達1.5km，如果控制室建于負荷中心，此通信距離可以滿足要求。此時總線定時寄存器BTR0與BTR1分別為BTR0=47H=01000111B，BTR1=2FH=0011111B.此外，為使系統(tǒng)內各站點工作時同步，上位機必須在整點時刻向各站點發(fā)布校時命令。

軟件設計

    主要對采集器主程序的設計作簡要說明。它包括初始化與數據采集處理兩部分。初始化程序包括對8259A初始化。在數據采集部分，采集器主程序采取循環(huán)采集數據的方式，并對接受到的命令進行分類，然后轉相應的命令處理子程序。主程序流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)抗干擾措施

     (1)在系統(tǒng)設計中，選用了X5045芯片，該芯片中設有看門狗電路?？撮T狗電路對CPU進行實時監(jiān)測，如果CPU落入死循環(huán)中，看門狗電路能及時發(fā)現并使整個系統(tǒng)復位。在軟件編程上，設置每隔1s訪問1次看門狗電路。若程序跑飛或超過了設置時間(本系統(tǒng)設為1.4s)沒有訪問看門狗芯片，X5045芯片將自動輸出復位脈沖，直到程序運行正常。

     (2)數據采集器中設有濾波電路，對各種表產生的電脈沖信號進行濾波，防止信號在傳輸過程中可能受到的干擾。

     (3)利用X5045芯片的電源監(jiān)控功能設置電源監(jiān)測電路及掉電保護電路，以防止掉電后數據丟失。

結束語

    基于CAN總線的電力抄表系統(tǒng)采用了智能數據采集，通過CAN總線進行數據通信交換，系統(tǒng)響應速度快，抗干擾能力強；網絡的可靠性高，通信波特率高，數據傳輸量大；結構簡單，安裝、維護方便。系統(tǒng)可以方便地實現實時監(jiān)測、高速數據采集、查表打印、系統(tǒng)監(jiān)控等功能，具有較好的應用前景。