基于CAN總線/RS485接口的雙層網(wǎng)絡(luò)遠程抄表系統(tǒng)設(shè)計
目前我國普遍采用戶用計量儀表即水表、電表、燃氣表、熱表(四表)安裝在用戶室內(nèi), 抄表人員走家串戶,手工抄表采集數(shù)據(jù),然后結(jié)算的計量收費方式。為了有效解決入戶抄表收費存在的諸多弊端, 我國從90年代初開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)由于布線帶來的成本,但是由于信號和強電在同一根線上傳輸,傳輸過程中不可避免地存在強電場的干擾,信號的可靠性受到影響,而且隨著傳輸距離的增大,信號的衰減較快,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程抄表系統(tǒng),它采用的是主從式的通信方式,任何時候只允許一個節(jié)點向網(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防止數(shù)據(jù)通訊故障,數(shù)據(jù)通信時必須由主節(jié)點接收到管理主機的命令,然后由主節(jié)點向各個從節(jié)點傳達命令,從節(jié)點的數(shù)據(jù)依次送至主節(jié)點,最后再由主節(jié)點將各從節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送至管理主機。從數(shù)據(jù)通信過程可以看出,如果主節(jié)點出現(xiàn)故障,則整個系統(tǒng)會陷入癱瘓狀態(tài)。另外,隨著居民區(qū)的用戶的不斷擴大,要求抄表系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信距離也隨之增加,由于采用485總線在9600bps下能達到的最遠傳輸距離小于1200米,因而需要增加一個或多個中繼以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的較遠發(fā)送和接收。因為485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)的簡稱它是德國Bosch公司在1986年開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點不分主從,任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息,通信方式靈活,利用這一特點可方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng),CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù),當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時,優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出,而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù),從而節(jié)省了總線沖突的仲裁時間。
針對它們各自的特點,我們采用符合國際標準ISO 11898的CAN總線技術(shù)和目前儀表和自動化裝置常用的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展性能差等問題。
2.系統(tǒng)的總體設(shè)計框架
本系統(tǒng)采用雙層網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架,見圖1。
目前我國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)簡單、成本低廉、對布線要求不高的特點;而且RS-485總線在9600bps下最遠傳輸距離可以達到1200米,完全能夠完成一棟樓家用控制器與集中控制器遠程通訊的距離需求;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(在5000bps時傳輸距離10km)的CAN總線。CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu),傳輸時間短,受干擾概率低;有CRC校驗和出錯標定能力;而且具有故障節(jié)點自動脫離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算機之間的通信。
系統(tǒng)由家用控制器、集中控制器、管理中心主機組成二級分布式監(jiān)控式系統(tǒng)。家用控制器以單片機為核心,能接收耗能表(四表)送出的脈沖信號,并且進行計數(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,配有獨立的備用電源供電。集中控制器可對一定數(shù)量的家用控制器進行集中管理,將各家用控制器采集到的數(shù)據(jù)傳送至管理中心,同時為了保證用戶信息的安全,將采集到的數(shù)據(jù)進行備份處理,同樣它也有備用電源可在停電時繼續(xù)給控制器供電。一般情況下,一棟樓配置一個集中控制器。小區(qū)管理中心主機通過運行遠程抄表管理軟件來處理下位機傳送來的數(shù)據(jù)信息,例如進行統(tǒng)計、交費管理、報表、網(wǎng)絡(luò)事故報警等操作。為了降低系統(tǒng)的設(shè)計成本,RS-485與CAN皆采用價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,每個進行發(fā)送的節(jié)點都將其發(fā)送的位電平與監(jiān)控總線電平進行比較,任何發(fā)送一個隱性位而監(jiān)視到一個顯性位電平的節(jié)點立即變成接收器,而不破壞總線上的任何信息,等到總線空閑時,再重新發(fā)送報文。報文標識符的二進制數(shù)值越低,其優(yōu)先級越高。
3.3 CAN總線的報文格式
CAN技術(shù)規(guī)范定義了CAN報文格式。CAN定義了四種不同的幀,數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀、超載幀。
數(shù)據(jù)幀的組成格式見圖2。
幀起始:1個顯位,標志幀的開始。
仲裁場:由標志符和遠程發(fā)送請求位(RTR)組成。
控制場:數(shù)據(jù)長度碼和兩個保留位。
數(shù)據(jù)場:包括0 ~8個字節(jié),每個字節(jié)8位。
CRC:CRC序列與CRC界定符。
應(yīng)答場(ACK):應(yīng)答間隙與應(yīng)答界定符。
遠程幀的組成格式和數(shù)據(jù)幀類似包括幀起始、仲裁場、控制場、CRC和應(yīng)答場,與數(shù)據(jù)幀相反,遠程幀的RTR位是隱位,遠程幀不存在數(shù)據(jù)場。
出錯幀由兩個不同的場組成,第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到,第二個場是出錯界定符。
超載幀包括兩個位場,超載標志和超載界定符。
幀間空間包括間歇場和總線空閑場。
4. 集中抄表器的硬件設(shè)計
4.1集中抄表器的硬件設(shè)計
由于底層采用的是RS-485,而網(wǎng)絡(luò)上層采用的是CAN總線協(xié)議,這就要求集中抄表器不但具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)備份,而且應(yīng)該具有協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)橋功能。CAN與RS-485總線轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋的設(shè)計原理圖見圖3。
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