基于CAN總線(xiàn)的電力抄表系統設計

CAN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò )上任一節點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò )上其他節點(diǎn)發(fā)送信息；CAN網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級，可滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求；CAN采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)；CAN只需通過(guò)報文濾波即可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)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(shí)通信距離最長(cháng)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(zhì)可為雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纜，選擇靈活。

系統方案設計

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

圖1　電力抄表系統結構框圖

由圖1可知，電量采集器實(shí)時(shí)采集居民樓脈沖電度表輸出的脈沖信號，經(jīng)CAN接口傳至CAN總線(xiàn)上，再經(jīng)CAN轉換器轉換和Modem實(shí)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(gè)小區每個(gè)用戶(hù)的情況實(shí)現實(shí)時(shí)監控。

系統工作原理

電度量的采集
根據轉盤(pán)式電度表的結構，它的脈沖與轉盤(pán)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(shí)采用定時(shí)連續采樣的方法。一個(gè)有效的電脈沖寬度在50ms以上，設計采用的定時(shí)周期為16ms.對于正常脈沖，定時(shí)采樣連續測得脈沖為高電平的次數≥2，見(jiàn)圖2。若脈沖寬度太小，測得次數不夠2次，這時(shí)可以把這個(gè)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.系統中，中斷源超過(guò)8級，故8259A采用級聯(lián)方式。每個(gè)電量采集器下有5片8259A級聯(lián)，從而滿(mǎn)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

系統中，8259A用來(lái)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(lái)自多個(gè)電表的中斷信號經(jīng)輸入處理電路后被送到8259A.其中的一路為高電平時(shí)，8259A的IRR(中斷請求寄存器)相應位置位；接著(zhù)，8259A對其IRR和IMR(中斷屏蔽寄存器)提供的情況進(jìn)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(wù)的級別時(shí)，8259A的17 引腳產(chǎn)生一個(gè)高電平，再經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的中斷申請與響應電路變?yōu)榈碗娖?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" 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(huì )丟失，保證了系統采集信號的準確度。之后，儀表技術(shù)與傳感器得到中斷申請的AT89C52會(huì )比較當前運行程序與中斷申請的優(yōu)先級別，經(jīng)中斷申請與響應電路向8259A發(fā)回中斷響應信號.這時(shí)，AT89C52轉去執行中斷服務(wù)程序。

為保護采集到的數據，設計中采用了存儲器。存儲區可分為兩個(gè)區：一個(gè)工作區，存儲實(shí)時(shí)的電度量，隔一定時(shí)間刷新1次；一個(gè)備份區備份6個(gè)月的電度量，以防有用信息的丟失。

為方便用戶(hù)查詢(xún)，系統可在采集器中設計顯示電路LCM103，實(shí)現就地顯示。把它的引腳CS、WR、DA2TA和單片機的相關(guān)接口連接就可以實(shí)現其顯示功能。多個(gè)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(hù)戶(hù)別、表別與顯示數據。第10位為戶(hù)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(diǎn)。第9位和第7位為空格，以便讀數清晰。

設計時(shí)，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(dòng)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(diǎn)的電量，1組CAN總線(xiàn)上最多可掛110個(gè)站點(diǎn)，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(shí)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(dòng)器PCA82C250。

圖5　RS232/CAN轉換器功能框圖

CAN總線(xiàn)通信波特率
計算出小區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(shí)CAN總線(xiàn)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(mǎn)足要求。此時(shí)總線(xiàn)定時(shí)寄存器BTR0與BTR1分別為BTR0=47H=01000111B，BTR1=2FH=0011111B.此外，為使系統內各站點(diǎn)工作時(shí)同步，上位機必須在整點(diǎn)時(shí)刻向各站點(diǎn)發(fā)布校時(shí)命令。

軟件設計

主要對采集器主程序的設計作簡(jiǎn)要說(shuō)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(jìn)行分類(lèi)，然后轉相應的命令處理子程序。主程序流程圖如圖6所示。

系統抗干擾措施

(1)在系統設計中，選用了X5045芯片，該芯片中設有看門(mén)狗電路?？撮T(mén)狗電路對CPU進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，如果CPU落入死循環(huán)中，看門(mén)狗電路能及時(shí)發(fā)現并使整個(gè)系統復位。在軟件編程上，設置每隔1s訪(fǎng)問(wèn)1次看門(mén)狗電路。若程序跑飛或超過(guò)了設置時(shí)間(本系統設為1.4s)沒(méi)有訪(fǎng)問(wèn)看門(mén)狗芯片，X5045芯片將自動(dòng)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(chǎn)生的電脈沖信號進(jìn)行濾波，防止信號在傳輸過(guò)程中可能受到的干擾。

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

結束語(yǔ)

基于CAN總線(xiàn)的電力抄表系統采用了智能數據采集，通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行數據通信交換，系統響應速度快，抗干擾能力強；網(wǎng)絡(luò )的可靠性高，通信波特率高，數據傳輸量大；結構簡(jiǎn)單，安裝、維護方便。系統可以方便地實(shí)現實(shí)時(shí)監測、高速數據采集、查表打印、系統監控等功能，具有較好的應用前景。