基于CAN總線(xiàn)/RS485接口的雙層網(wǎng)絡(luò )遠程抄表系統設計

目前我國普遍采用戶(hù)用計量?jì)x表即水表、電表、燃氣表、熱表（四表）安裝在用戶(hù)室內, 抄表人員走家串戶(hù)，手工抄表采集數據，然后結算的計量收費方式。為了有效解決入戶(hù)抄表收費存在的諸多弊端, 我國從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程抄表系統，常用的有用基于電力線(xiàn)載波的抄表系統，基于RS-485總線(xiàn)的抄表系統等。
基于電力線(xiàn)載波的抄表系統，減少了系統由于布線(xiàn)帶來(lái)的成本，但是由于信號和強電在同一根線(xiàn)上傳輸，傳輸過(guò)程中不可避免地存在強電場(chǎng)的干擾，信號的可靠性受到影響，而且隨著(zhù)傳輸距離的增大，信號的衰減較快，影響了抄表數據的可靠性；基于RS-485的抄表系統是較為理想的一種遠程抄表系統，它采用的是主從式的通信方式，任何時(shí)候只允許一個(gè)節點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送數據，所以RS-485多采用主從結構的命令型通信方式來(lái)防止數據通訊故障，數據通信時(shí)必須由主節點(diǎn)接收到管理主機的命令，然后由主節點(diǎn)向各個(gè)從節點(diǎn)傳達命令，從節點(diǎn)的數據依次送至主節點(diǎn)，最后再由主節點(diǎn)將各從節點(diǎn)的數據發(fā)送至管理主機。從數據通信過(guò)程可以看出，如果主節點(diǎn)出現故障，則整個(gè)系統會(huì )陷入癱瘓狀態(tài)。另外，隨著(zhù)居民區的用戶(hù)的不斷擴大，要求抄表系統現場(chǎng)數據通信距離也隨之增加，由于采用485總線(xiàn)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(gè)或多個(gè)中繼以實(shí)現數據的較遠發(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 )數據流向，所以中繼器的結構復雜，導致增加了系統成本，降低了系統的可靠性。
CAN（Controller Area Network）是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱(chēng)它是德國B(niǎo)osch公司在1986年開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信總線(xiàn)。CAN網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)不分主從，任一節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上其他節點(diǎn)發(fā)送信息，通信方式靈活，利用這一特點(diǎn)可方便地構成多機備份系統，CAN采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級較低的節點(diǎn)會(huì )主動(dòng)地退出，而最高優(yōu)先級的節點(diǎn)可不受影響地繼續傳輸數據，從而節省了總線(xiàn)沖突的仲裁時(shí)間。
針對它們各自的特點(diǎn),我們采用符合國際標準ISO 11898的CAN總線(xiàn)技術(shù)和目前儀表和自動(dòng)化裝置常用的RS-485總線(xiàn)構成雙層網(wǎng)絡(luò )結構，這種網(wǎng)絡(luò )結構有效地解決了系統的建設成本高、數據管理困難、可靠性不高以及可擴展性能差等問(wèn)題。
2.系統的總體設計框架
本系統采用雙層網(wǎng)絡(luò )的構架，見(jiàn)圖1。

目前我國四表普遍安裝在戶(hù)內,工作環(huán)境不算惡劣，所以本系統低層網(wǎng)絡(luò )采用 RS-485總線(xiàn)。它具有結構簡(jiǎn)單、成本低廉、對布線(xiàn)要求不高的特點(diǎn)；而且RS-485總線(xiàn)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據量小,數據結構簡(jiǎn)單，所以RS-485總線(xiàn)能夠可靠地完成低層數據采集的需要。高層網(wǎng)絡(luò )采用兼容性能好、可靠性能高、數據傳輸速度快、傳輸距離遠(在5000bps時(shí)傳輸距離10km)的CAN總線(xiàn)。CAN總線(xiàn)采用短幀結構,傳輸時(shí)間短,受干擾概率低；有CRC校驗和出錯標定能力；而且具有故障節點(diǎn)自動(dòng)脫離CAN總線(xiàn)等功能，特別適合所處環(huán)境惡劣，數據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控式系統。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(jìn)行計數、數據處理、保存數據、發(fā)送用戶(hù)信息和顯示用戶(hù)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據傳送至管理中心,同時(shí)為了保證用戶(hù)信息的安全，將采集到的數據進(jìn)行備份處理，同樣它也有備用電源可在停電時(shí)繼續給控制器供電。一般情況下,一棟樓配置一個(gè)集中控制器。小區管理中心主機通過(guò)運行遠程抄表管理軟件來(lái)處理下位機傳送來(lái)的數據信息,例如進(jìn)行統計、交費管理、報表、網(wǎng)絡(luò )事故報警等操作。為了降低系統的設計成本，RS-485與CAN皆采用價(jià)格低廉的雙絞線(xiàn)連接。
3. CAN總線(xiàn)的通信協(xié)議
3.1 CAN總線(xiàn)上的電平
CAN總線(xiàn)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(xiàn)仲裁
仲裁期間,每個(gè)進(jìn)行發(fā)送的節點(diǎn)都將其發(fā)送的位電平與監控總線(xiàn)電平進(jìn)行比較,任何發(fā)送一個(gè)隱性位而監視到一個(gè)顯性位電平的節點(diǎn)立即變成接收器,而不破壞總線(xiàn)上的任何信息,等到總線(xiàn)空閑時(shí),再重新發(fā)送報文。報文標識符的二進(jìn)制數值越低,其優(yōu)先級越高。
3.3 CAN總線(xiàn)的報文格式
CAN技術(shù)規范定義了CAN報文格式。CAN定義了四種不同的幀，數據幀、遠程幀、出錯幀、超載幀。
數據幀的組成格式見(jiàn)圖2。

幀起始：1個(gè)顯位，標志幀的開(kāi)始。
仲裁場(chǎng)：由標志符和遠程發(fā)送請求位（RTR）組成。
控制場(chǎng)：數據長(cháng)度碼和兩個(gè)保留位。
數據場(chǎng)：包括0 ~8個(gè)字節，每個(gè)字節8位。
CRC：CRC序列與CRC界定符。
應答場(chǎng)（ACK）：應答間隙與應答界定符。
遠程幀的組成格式和數據幀類(lèi)似包括幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、CRC和應答場(chǎng)，與數據幀相反，遠程幀的RTR位是隱位，遠程幀不存在數據場(chǎng)。
出錯幀由兩個(gè)不同的場(chǎng)組成，第一個(gè)場(chǎng)由來(lái)自各站的錯誤標志疊加得到，第二個(gè)場(chǎng)是出錯界定符。
超載幀包括兩個(gè)位場(chǎng),超載標志和超載界定符。
幀間空間包括間歇場(chǎng)和總線(xiàn)空閑場(chǎng)。
4. 集中抄表器的硬件設計
4.1集中抄表器的硬件設計
由于底層采用的是RS-485,而網(wǎng)絡(luò )上層采用的是CAN總線(xiàn)協(xié)議，這就要求集中抄表器不但具有數據采集、數據備份，而且應該具有協(xié)議轉換的網(wǎng)橋功能。CAN與RS-485總線(xiàn)轉換網(wǎng)橋的設計原理圖見(jiàn)圖3。