趙 明

(遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學院，遼寧 丹東 118008)

基于現(xiàn)場總線的遠程抄表系統(tǒng)

趙 明

(遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學院，遼寧 丹東 118008)

介紹了一種基于CAN總線的小區(qū)有線遠程抄表系統(tǒng)。以單片機AT89C51和CAN控制器SJA1000構(gòu)成主要通信硬件，結(jié)合相應(yīng)軟件接口程序。本方案經(jīng)實用證實完全可行，具有自動化程度高、抗干擾性強等優(yōu)點，可為相關(guān)應(yīng)用提供較強的參考價值。

CAN總線；單片機；有線遠程抄表；SJA1000

隨著工業(yè)發(fā)展和通信技術(shù)的進步，現(xiàn)場總線已到了越來越廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)有的現(xiàn)場總線中，由于在數(shù)據(jù)通信方面具備相對于其他總線諸多的優(yōu)勢，CAN總線在包括工業(yè)控制過程等多個領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。CAN總線由德國博世公司研發(fā)，最初是應(yīng)用于汽車控制系統(tǒng)的一種串行通信網(wǎng)絡(luò)，后經(jīng)不斷完善發(fā)展至今天已形成國際標準。CAN總線與其他幾種常見總線技術(shù)相比，以其高性能、高可靠性以及高性價比受到開發(fā)者的重視。

目前，隨著社會發(fā)展，由于傳統(tǒng)的人工抄表存在著效率低下、錯漏率高和擾民性等不足，越來越多的中高檔智能化小區(qū)的抄表工作表現(xiàn)了朝著遠程自動化發(fā)展的趨勢?，F(xiàn)階段的遠程抄表系統(tǒng)從原理上可分為無線和有線兩類。相對來說有線遠程抄表具有穩(wěn)定性較好的優(yōu)點，其中部分地區(qū)采用的RS-485總線方案數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃栽趯嵱弥惺艿较拗?。而基于CAN總線構(gòu)成的遠程抄表系統(tǒng)具有較強的應(yīng)用優(yōu)勢，且目前國內(nèi)關(guān)于此方面的應(yīng)用較少，這也是本文研究的內(nèi)容。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 方案構(gòu)成

小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)屬于多用戶集中抄收系統(tǒng)，主要由主控機、儀表數(shù)據(jù)采集器、采集服務(wù)器、中繼站構(gòu)成。工作時，每個儀表數(shù)據(jù)采集器都被系統(tǒng)分配唯一一個ID，各種采集儀表測得的流量的數(shù)據(jù)被傳至系統(tǒng)總線，再通過總線傳至小區(qū)物業(yè)管理計算機即主控機。主控機完成對整個小區(qū)內(nèi)每一個儀表的數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集，有關(guān)部門和小區(qū)物管能夠?qū)崟r掌握每戶的用量和繳費情況，從而有利于集中和實時管理。主控機通過調(diào)制解調(diào)器撥號進入市話網(wǎng)，與水、電、煤氣等有關(guān)部門交換數(shù)據(jù)。

在現(xiàn)代小區(qū)中，居民住宅樓普遍在設(shè)計時，將水、電、煤氣各表引入每單元，為共用主管道節(jié)約建筑設(shè)計成本，水表和煤氣表一般引入各戶管道，而每單元的電表集中在單元供電箱一處。針對于此，各戶的水表和煤氣表由各自的數(shù)據(jù)采集器獨立計量后，直接通過總線送到樓下通用節(jié)點服務(wù)器，可避免計量信號經(jīng)普通電纜傳輸時易受干擾和擴容受限的缺點。而各戶的電表采用集中就近采集方式。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

在此CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點服務(wù)器負責完成儀表計量數(shù)據(jù)的收集和傳送，并具有唯一的地址標識，所有節(jié)點服務(wù)器都采用統(tǒng)一命令格式，由小區(qū)物業(yè)管理計算機統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)[1]。所有節(jié)點都是開放的。通用節(jié)點服務(wù)器通過下一級總線與各戶的水表和煤氣表數(shù)據(jù)采集器掛接，完成水表和煤氣表數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。

圖1 遠程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 CAN總線優(yōu)點

由于采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)計，CAN總線與一般的通訊總線相比，它的數(shù)據(jù)通訊具有突出的可靠性、實時性和靈活性[2]。其特點可概括如下：

● CAN是到目前為止唯一有國際標準(ISO 11898)的現(xiàn)場總線；

● CAN總線所有的節(jié)點都不分主從，在工作過程中只要總線空閑時都能主動向總線上其它節(jié)點傳送數(shù)據(jù)，構(gòu)成全分布式網(wǎng)絡(luò)備份系統(tǒng)；

● CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。當2個以上的節(jié)點向總線上同時輸出數(shù)據(jù)的情況下，低優(yōu)先級節(jié)點會主動中斷數(shù)據(jù)輸出，最高優(yōu)先級節(jié)點則沒有任何影響的繼續(xù)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣明顯的提高了總線數(shù)據(jù)傳送效率，縮短了總線數(shù)據(jù)仲裁所需的時間。即使總線數(shù)據(jù)的負荷較重，也不會發(fā)生電路信息超負荷而導致總線癱瘓；

● CAN總線具有通過全局廣播、一點對多點及點對點等幾種模式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；

● 當速率不超過5 kbps時，CAN總線的直接通信距離最大值是10千米，而當傳輸速率為最大值1 Mbps時，CAN總線的通信距離就縮短到40米；

● 根據(jù)CAN總線具體的不同驅(qū)動能力，節(jié)點數(shù)目最大能夠達到110個，若加中繼器的話，目前可

達256個以上；

● CAN的節(jié)點報文幀長度較短，幀結(jié)構(gòu)為11bit ID或29bit ID+8字節(jié)數(shù)據(jù)8字節(jié)長，壓縮了數(shù)據(jù)傳輸所需時間，從而使總線上數(shù)據(jù)受意外干擾而出錯的概率明顯降低；

● CAN總線上的每幀報文通過CRC冗余校驗和其他糾錯機制，具備可靠的錯誤檢測效果；

● CAN節(jié)點當數(shù)據(jù)錯誤嚴重時，具備自動關(guān)閉功能，以避免對總線整體工作產(chǎn)生影響；

● CAN總線支持光纖、同軸電纜和雙絞線等多種材料作為通信介質(zhì)，便于根據(jù)實際需要靈活選擇；

● CAN總線器件的性價比總體較高。器件的型號和功能豐富，有CAN控制器、CAN I/O器件、CAN收發(fā)器和帶CAN的單片機等，價格也較為低廉，且可使用現(xiàn)有的單片機工具進行開發(fā)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的主要硬件由主控機、儀表數(shù)據(jù)采集器和采集服務(wù)器組成，其中各儀表采用的是國內(nèi)生產(chǎn)的高精度數(shù)字表，所轉(zhuǎn)換后的流量數(shù)據(jù)通過CAN總線進行傳輸。各儀表采集器是以在嵌入式系統(tǒng)廣泛采用的ATMEL公司的微控制器AT89C2051為核心設(shè)計的，主要功能是與采集服務(wù)器進行通信。采集服務(wù)器功能框圖如圖2所示。

圖2 采集服務(wù)器功能框圖

CAN總線通信節(jié)點模塊由PHILIPS公司的CAN控制器SJA1000與單片機AT89C51和CAN總線驅(qū)動器82C250組成，硬件電路如圖3所示。

圖3 CAN總線通信節(jié)點模塊硬件圖

SJA1000是一種獨立控制器，用于移動目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。它內(nèi)建BASIC CAN協(xié)議，可工作于PeliCAN模式[3]，這也是本系統(tǒng)設(shè)計的工作模式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要分為上位機部分和下位機兩個部分。上位機部分主要是小區(qū)物管計算機管理部分，包括數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。下位機部分是指儀表數(shù)據(jù)采集和通信部分，軟件編程主要是對AT89C51進行編程。程序主要由系統(tǒng)初始化子程序，語音數(shù)據(jù)接收存儲子程序，CAN數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，CAN數(shù)據(jù)接收子程序組成，包括如錯誤處理、波特率設(shè)置等內(nèi)容。

系統(tǒng)工作時，上位機先發(fā)出各CAN節(jié)點檢測命令，下位機的各CAN節(jié)點進行軟件應(yīng)答。上位機將所有完成應(yīng)答的節(jié)點視為有效節(jié)點，對其進行抄表。對于應(yīng)答不成功的節(jié)點做錯誤標志，可進行記錄以備檢修。

4 結(jié)束語

這種基于CAN總線的有線遠程抄表系統(tǒng)，已由本地新建小區(qū)運行證明該方案完全可行，大大提高了抄表工作效率并有較高的穩(wěn)定性。系統(tǒng)一次性安裝成功率高，維護調(diào)試方便，擴展性大，運行成本低，隨著智能化小區(qū)的普及，具有極大的應(yīng)用前景。

[1] 孫炳陽.基于CAN總線的居民小區(qū)自動抄表系統(tǒng)[J].計算機工程，2003，29(12):159-161.

[2] 高強，郭娟，郝建.基于局域網(wǎng)的校園節(jié)能控電系統(tǒng)[J].無線互聯(lián)科技，2014(6):30-31.

[3] 王洪坡，李杰，常文森.基于CAN_BUS的控制器調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2004，30(8):30-33.

Wired Remote Meter Reading System Based on Fieldbus

Zhao Ming

(LiaoningGeologyEngineeringVocationalCollege,DandongLiaoning118008,China)

The paper mainly introduces a wired remote meter reading system for districts based on CAN bus. The system takes the microprocessor AT89C51 and CAN-controller SJA1000 as main communication hardware combining with the relative software interface-program. The system solution is proved by practical application, and it has the advantages of high degree of automation and strong anti-interference, which can provide a strong reference value for related applications.

CAN bus; microprocessor; wired remote meter reading; SJA1000

2016-11-09

趙 明(1976- )，男，山東萊州人，副教授，工程碩士，研究方向：控制工程。

1674- 4578(2017)01- 0019- 03

TP273

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