一種新型自動抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中器的設計

引言

傳統(tǒng)的手工抄表費時、費力，準確性、及時性等都得不到可靠的保證，且不利于科學管理，給城市管網(wǎng)的建模、分析、規(guī)劃等都帶來很大的困難。為解決上述問題，能夠將耗能表計量數(shù)據(jù)自動采集、傳輸和處理的自動抄表系統(tǒng)越來越多的被采用。

自動抄表系統(tǒng)主要由主站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸通道、數(shù)據(jù)集中器、數(shù)據(jù)采集器構成，其中數(shù)據(jù)集中器不僅要實現(xiàn)通信協(xié)議的轉換，還要完成命令下達、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)上傳等功能，是個似乎不起眼但技術含量很高、現(xiàn)場服務量大的重要環(huán)節(jié)。

1 系統(tǒng)組成

自動抄表系統(tǒng)結構如圖1 所示。數(shù)據(jù)集中器處于抄表系統(tǒng)的中間層，是抄表系統(tǒng)的中樞，既完成對下級采集器的數(shù)據(jù)收集，也能夠響應主站指令，完成數(shù)據(jù)通信任務。

數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)采集器采用CAN 總線的通信方式。

CAN 總線相比其它的數(shù)據(jù)通信方式具有突出的可靠性、實時性和靈活性。數(shù)據(jù)集中器還可通過紅外方式與手持設備通信，用于本地抄表及現(xiàn)場設備調試與配置。

2 數(shù)據(jù)集中器的硬件設計

數(shù)據(jù)集中器采用模塊化設計，根據(jù)其功能分為不同的模塊，它的結構框圖如圖2 所示：

圖2 數(shù)據(jù)集中器的硬件結構圖

數(shù)據(jù)集中器使用了uPD78F0881 單片機，它是NEC 公司推出一種高性能價格比8 位單片機，其基本特性如下：1.8~5.5V 的寬工作電壓范圍;最低1A 的工作電流(停止模式下);內(nèi)置上電清零(POC)電路、低電壓檢測器(LVI)和看門狗定時器，合理使用這些功能可有效提高系統(tǒng)可靠性;內(nèi)置CAN 總線控制器，簡化了CAN 總線的電路設計同時降低了成本;2 通道串行接口、8 路外部中斷、2 個16 位定時/計數(shù)器、4 個8 位定時/計數(shù)器。

下面就集中器中一些主要電路的設計作簡要介紹。

2.1 CAN 總線電路設計

圖3 CAN 總線節(jié)點硬件電路原理圖

在本自動抄表系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)采集器是通過CAN 總線通信的，設計了如圖3 所示的CAN 總線接口電路。從圖中可以看出，電路主要由3 部分組成：單片機uPD78F0881、CAN 總線驅動器TJA1040、高速光電耦合器6N137 和光電耦合器PS2501.

TJA1040 的STB 經(jīng)光耦2501 隔離后連接到uPD78F0881的P17.P17 為1 時可使TJA1040 處于待機模式，在該模式下可大大降低功耗，此時TJA1040 的接收與發(fā)送器都會關閉，同時監(jiān)視總線狀態(tài)，一旦檢測到顯性位則將RXD 置0.而RXD 的變化會使uPD78F0881 將P17 置0,這就使TJA1040 重新工作在了正常模式。

為增強CAN 總線節(jié)點的抗干擾能力，uPD78F0881 的CTXD 和CRXD 是通過高速光耦6N137 與TJA1040 相連的，且光耦兩側電路通過采用小功率電源隔離模塊實現(xiàn)了電源的完全隔離，很好的實現(xiàn)了總線上各CAN 節(jié)點間的電氣隔離，提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。

TJA1040 的CANH 和CANL 引腳各自通過一個0.2A 的自恢復保險與CAN 總線相連，這樣可保護TJA1040 免受過流沖擊。CANH 和CANL 與地之間各自接了一個30pF 的小電容及一個瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)。小電容可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。瞬態(tài)電壓抑制二極管可保護TJA1040 免受瞬變干擾和瞬態(tài)高能量的沖擊。

2.2 紅外通信電路設計

紅外通信電路由發(fā)射電路與接收電路組成，如圖4 所示。

其中SE303 是用于發(fā)射紅外線的二極管，波長為940 nm ,TL0038 是一體化紅外接收器。

圖4 紅外數(shù)據(jù)通信電路原理圖[!--empirenews.page--]

uPD78F0881 的TXD0 發(fā)送串行數(shù)據(jù)信號，并通過三極管驅動SE303.TO00 輸出38kHz 的脈沖序列作為載波信號，通過三極管對紅外信號進行調制。為增強紅外發(fā)射電路的性能，利用單片機輸出的脈沖信號占空比可調的特性，降低信號的占空比來提高發(fā)射電流幅度。

TL0038 將接收到的38kHz 紅外光調制信號解調為二進制數(shù)字信號，提供給單片機處理。接收器的數(shù)據(jù)輸出端接到uPD78F0881 的串行數(shù)據(jù)接收端RXD0.

3 數(shù)據(jù)集中器的軟件設計

程序中設置了一個單片機忙標志位，單片機忙時置位該標志位，空閑時被復位。正常模式時主程序中會不斷檢測該標志位，一旦檢測到該標志位被復位即將單片機轉入待機模式來降低功耗。主程序流程圖如圖5 所示。

軟件功能的實現(xiàn)由各個子程序完成。主要的子程序有CAN總線通信子程序、紅外通信子程序、GPRS 通信子程序、存儲器操作子程序、實時時鐘操作子程序。這里只介紹CAN 總線通信子程序，它由初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序及數(shù)據(jù)接收程序組成。

(1)初始化程序。

uPD78F0881 中集成了CAN 控制器，其中有16 個長度為8字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這些數(shù)據(jù)緩沖區(qū)既可單獨使用又可聯(lián)合使用，大大提高了使用的靈活性。初始化程序主要包括對控制寄存器、總線傳輸速率寄存器、中斷使能寄存器及各數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的控制寄存器、驗收碼寄存器和驗收屏蔽寄存器等的設置。

(2)數(shù)據(jù)發(fā)送程序。

數(shù)據(jù)的發(fā)送是由CAN 總線控制器自動完成的，用戶只需將待發(fā)送數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，再啟動發(fā)送命令即可。通過查詢相應的標志位即可得知發(fā)送狀態(tài)。

(3)數(shù)據(jù)接收程序。

數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式，接收程序在CAN 控制器產(chǎn)生接收中斷后，從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀取接收到的數(shù)據(jù)，再進行相應處理即可。

4 通信協(xié)議設計

4.1 上位機與數(shù)據(jù)集中器通信幀格式

上位機與數(shù)據(jù)集中器之間為主從結構的半雙工通信方式。

上位機為主站，數(shù)據(jù)集中器為從站。每個數(shù)據(jù)集中器均有各自的地址。通信鏈路的建立與解除均由主站來控制。協(xié)議中規(guī)定了三種幀格式，分別是：命令幀、廣播幀及應答幀。

(1)命令幀。

命令幀由上位機發(fā)送給數(shù)據(jù)集中器，由地址、命令、數(shù)據(jù)和校驗碼組成。

地址長2 字節(jié)，表明將接收該幀的數(shù)據(jù)集中器。命令長1字節(jié)，表示該幀的功能。數(shù)據(jù)長1~9 字節(jié)，其內(nèi)容隨命令幀的功能改變。校驗碼長2 字節(jié)，為從幀起始到校驗碼之前的所有字節(jié)的CRC16 校驗碼，用于數(shù)據(jù)校驗。

(2)廣播幀。

廣播幀也是由上位機發(fā)出的，它用來向數(shù)據(jù)集中器發(fā)送校時及數(shù)據(jù)凍結命令。其格式中不含地址域，其它與命令幀相同。

(3)應答幀。

應答幀是數(shù)據(jù)集中器對上位機發(fā)來的命令的響應，格式與命令幀相同，地址中為數(shù)據(jù)集中器自身地址。

4.2 數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)采集器通信幀格式

CAN 總線的技術規(guī)范只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，因此要實現(xiàn)系統(tǒng)的通信就需要根據(jù)實際情況單獨設計應用層的通信協(xié)議。

協(xié)議中有命令幀、應答幀、數(shù)據(jù)幀和報警幀四種幀格式。其中命令幀由數(shù)據(jù)集中器發(fā)出，含有一個數(shù)據(jù)采集器識別地址。

應答幀是采集器對集中器所發(fā)命令的響應。當集中器發(fā)出的地址與某個采集器地址一致時，該采集器會發(fā)送應答幀。由于CAN 總線采用的是短幀結構，每幀數(shù)據(jù)最多8 字節(jié)，當采集器要上報的數(shù)據(jù)大于8 字節(jié)時就要在應答幀之后再傳送數(shù)據(jù)幀直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成。報警幀是采集器出現(xiàn)斷線、數(shù)據(jù)存儲出錯等故障時發(fā)出的報警信號。

(1)命令幀。

命令幀由地址、命令、數(shù)據(jù)組成。由于CAN 總線本身具有15 位CRC 校驗，其校驗強度完全可以滿足本系統(tǒng)對通信可靠性的要求，故沒有設置校驗部分。各個部分的具體含義與約定如下：1)地址表明要與哪一個采集器通信，每個采集器唯一對應一個地址。地址為1 個字節(jié)，可使用標識符ID.0~ID.7 記錄此地址，這樣就可通過CAN 控制器的設置由硬件自動完成地址過濾。2)命令為1 個字節(jié)，用于指定具體的命令內(nèi)容。不同的內(nèi)容對應不同的命令代碼。3)數(shù)據(jù)部分長度一般為1~8 字節(jié)。

(2)應答幀。

應答幀格式基本與命令幀格式相同，只不過其地址部分是自身地址，而不是目的地址。

(3)數(shù)據(jù)幀。

該幀是緊跟在某些應答幀之后發(fā)送的，因此只有地址和數(shù)據(jù)兩部分。

(4)報警幀。

報警幀格式與應答幀格式相同，它的數(shù)據(jù)部分為1 個字節(jié)，表明了故障類型。

4.3 差錯控制

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，建立了上位機與數(shù)據(jù)集中器之間、數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)采集器之間的差錯控制。

當上位機或數(shù)據(jù)集中器發(fā)出命令幀后，在規(guī)定時間內(nèi)如果未收到數(shù)據(jù)集中器或數(shù)據(jù)采集器的應答幀，即認為傳輸出錯，并重發(fā)先前的命令幀。重發(fā)最多3 次，當重發(fā)3 次仍無法收到應答幀時，發(fā)出相應的提示信息。

5 結束語

以上述方式設計的數(shù)據(jù)集中器具有低功耗、可靠性高和成本低廉的特點，特別適合作為自動抄表系統(tǒng)中數(shù)據(jù)集中器設計的一種解決方案被推廣和應用。在實驗條件下對所設計的系統(tǒng)進行測試，測試表明所設計的系統(tǒng)運行平穩(wěn)、功耗低，能夠可靠地完成抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集需求，達到了設計要求，具有很好的應用前景。