基于CAN/RS485雙層網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前我國(guó)普遍采用戶用計(jì)量?jī)x表即水表、電表、燃?xì)獗怼岜恚ㄋ谋恚┌惭b在用戶室內(nèi), 抄表人員走家串戶，手工抄表采集數(shù)據(jù)，然后結(jié)算的計(jì)量收費(fèi)方式。為了有效解決入戶抄表收費(fèi)存在的諸多弊端, 我國(guó)從90年代初開(kāi)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(yuǎn)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(lái)的成本，但是由于信號(hào)和強(qiáng)電在同一根線上傳輸，傳輸過(guò)程中不可避免地存在強(qiáng)電場(chǎng)的干擾，信號(hào)的可靠性受到影響，而且隨著傳輸距離的增大，信號(hào)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(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，它采用的是主從式的通信方式，任何時(shí)候只允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，所以RS-485多采用主從結(jié)構(gòu)的命令型通信方式來(lái)防止數(shù)據(jù)通訊故障，數(shù)據(jù)通信時(shí)必須由主節(jié)點(diǎn)接收到管理主機(jī)的命令，然后由主節(jié)點(diǎn)向各個(gè)從節(jié)點(diǎn)傳達(dá)命令，從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)依次送至主節(jié)點(diǎn)，最后再由主節(jié)點(diǎn)將各從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送至管理主機(jī)。從數(shù)據(jù)通信過(guò)程可以看出，如果主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，則整個(gè)系統(tǒng)會(huì)陷入癱瘓狀態(tài)。另外，隨著居民區(qū)的用戶的不斷擴(kuò)大，要求抄表系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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(dá)到的最遠(yuǎn)傳輸距離小于1200米，因而需要增加一個(gè)或多個(gè)中繼以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的較遠(yuǎn)發(fā)送和接收。因?yàn)?85為半雙工通信，中繼器在工作中必須判斷網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向，所以中繼器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)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(jiǎn)稱(chēng)它是德國(guó)Bosch公司在1986年開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)不分主從，任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通信方式靈活，利用這一特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)，CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)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(shí)間。
針對(duì)它們各自的特點(diǎn),我們采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898的CAN總線技術(shù)和目前儀表和自動(dòng)化裝置常用的RS-485總線構(gòu)成雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效地解決了系統(tǒng)的建設(shè)成本高、數(shù)據(jù)管理困難、可靠性不高以及可擴(kuò)展性能差等問(wèn)題。
2.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架
本系統(tǒng)采用雙層網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架，見(jiàn)圖1。

目前我國(guó)四表普遍安裝在戶內(nèi),工作環(huán)境不算惡劣，所以本系統(tǒng)低層網(wǎng)絡(luò)采用 RS-485總線。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、對(duì)布線要求不高的特點(diǎn)；而且RS-485總線在9600bps下最遠(yuǎn)傳輸距離可以達(dá)到1200米,完全能夠完成一棟樓家用控制器與集中控制器遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(luò)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(yuǎn)(在5000bps時(shí)傳輸距離10km)的CAN總線。CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu),傳輸時(shí)間短,受干擾概率低；有CRC校驗(yàn)和出錯(cuò)標(biāo)定能力；而且具有故障節(jié)點(diǎn)自動(dòng)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(jì)算機(jī)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(jī)組成二級(jí)分布式監(jiān)控式系統(tǒng)。家用控制器以單片機(jī)為核心,能接收耗能表(四表)送出的脈沖信號(hào),并且進(jìn)行計(jì)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(dú)立的備用電源供電。集中控制器可對(duì)一定數(shù)量的家用控制器進(jìn)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(shí)為了保證用戶信息的安全，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份處理，同樣它也有備用電源可在停電時(shí)繼續(xù)給控制器供電。一般情況下,一棟樓配置一個(gè)集中控制器。小區(qū)管理中心主機(jī)通過(guò)運(yùn)行遠(yuǎn)程抄表管理軟件來(lái)處理下位機(jī)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)信息,例如進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、交費(fèi)管理、報(bào)表、網(wǎng)絡(luò)事故報(bào)警等操作。為了降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，RS-485與CAN皆采用價(jià)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(lái)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(gè)進(jìn)行發(fā)送的節(jié)點(diǎn)都將其發(fā)送的位電平與監(jiān)控總線電平進(jìn)行比較,任何發(fā)送一個(gè)隱性位而監(jiān)視到一個(gè)顯性位電平的節(jié)點(diǎn)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(shí),再重新發(fā)送報(bào)文。報(bào)文標(biāo)識(shí)符的二進(jìn)制數(shù)值越低,其優(yōu)先級(jí)越高。
3.3 CAN總線的報(bào)文格式
CAN技術(shù)規(guī)范定義了CAN報(bào)文格式。CAN定義了四種不同的幀，數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀、超載幀。
數(shù)據(jù)幀的組成格式見(jiàn)圖2。

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