一種新型自動(dòng)抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中器的設(shè)計(jì)

引言

傳統(tǒng)的手工抄表費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確性、及時(shí)性等都得不到可靠的保證，且不利于科學(xué)管理，給城市管網(wǎng)的建模、分析、規(guī)劃等都帶來(lái)很大的困難。為解決上述問(wèn)題，能夠?qū)⒑哪鼙碛?jì)量數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸和處理的自動(dòng)抄表系統(tǒng)越來(lái)越多的被采用。

自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要由主站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸通道、數(shù)據(jù)集中器、數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)集中器不僅要實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，還要完成命令下達(dá)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)上傳等功能，是個(gè)似乎不起眼但技術(shù)含量很高、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)量大的重要環(huán)節(jié)。

1 系統(tǒng)組成

自動(dòng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。數(shù)據(jù)集中器處于抄表系統(tǒng)的中間層，是抄表系統(tǒng)的中樞，既完成對(duì)下級(jí)采集器的數(shù)據(jù)收集，也能夠響應(yīng)主站指令，完成數(shù)據(jù)通信任務(wù)。

數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)采集器采用CAN 總線的通信方式。

CAN 總線相比其它的數(shù)據(jù)通信方式具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。數(shù)據(jù)集中器還可通過(guò)紅外方式與手持設(shè)備通信，用于本地抄表及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)試與配置。

2 數(shù)據(jù)集中器的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)集中器采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)其功能分為不同的模塊，它的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示：

圖2 數(shù)據(jù)集中器的硬件結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)集中器使用了uPD78F0881 單片機(jī)，它是NEC 公司推出一種高性能價(jià)格比8 位單片機(jī)，其基本特性如下：1.8~5.5V 的寬工作電壓范圍;最低1A 的工作電流(停止模式下);內(nèi)置上電清零(POC)電路、低電壓檢測(cè)器(LVI)和看門(mén)狗定時(shí)器，合理使用這些功能可有效提高系統(tǒng)可靠性;內(nèi)置CAN 總線控制器，簡(jiǎn)化了CAN 總線的電路設(shè)計(jì)同時(shí)降低了成本;2 通道串行接口、8 路外部中斷、2 個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、4 個(gè)8 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。

下面就集中器中一些主要電路的設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)要介紹。

2.1 CAN 總線電路設(shè)計(jì)

圖3 CAN 總線節(jié)點(diǎn)硬件電路原理圖

在本自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)采集器是通過(guò)CAN 總線通信的，設(shè)計(jì)了如圖3 所示的CAN 總線接口電路。從圖中可以看出，電路主要由3 部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)uPD78F0881、CAN 總線驅(qū)動(dòng)器TJA1040、高速光電耦合器6N137 和光電耦合器PS2501.

TJA1040 的STB 經(jīng)光耦2501 隔離后連接到uPD78F0881的P17.P17 為1 時(shí)可使TJA1040 處于待機(jī)模式，在該模式下可大大降低功耗，此時(shí)TJA1040 的接收與發(fā)送器都會(huì)關(guān)閉，同時(shí)監(jiān)視總線狀態(tài)，一旦檢測(cè)到顯性位則將RXD 置0.而RXD 的變化會(huì)使uPD78F0881 將P17 置0,這就使TJA1040 重新工作在了正常模式。

為增強(qiáng)CAN 總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，uPD78F0881 的CTXD 和CRXD 是通過(guò)高速光耦6N137 與TJA1040 相連的，且光耦兩側(cè)電路通過(guò)采用小功率電源隔離模塊實(shí)現(xiàn)了電源的完全隔離，很好的實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN 節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離，提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

TJA1040 的CANH 和CANL 引腳各自通過(guò)一個(gè)0.2A 的自恢復(fù)保險(xiǎn)與CAN 總線相連，這樣可保護(hù)TJA1040 免受過(guò)流沖擊。CANH 和CANL 與地之間各自接了一個(gè)30pF 的小電容及一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)。小電容可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。瞬態(tài)電壓抑制二極管可保護(hù)TJA1040 免受瞬變干擾和瞬態(tài)高能量的沖擊。

2.2 紅外通信電路設(shè)計(jì)

紅外通信電路由發(fā)射電路與接收電路組成，如圖4 所示。

其中SE303 是用于發(fā)射紅外線的二極管，波長(zhǎng)為940 nm ,TL0038 是一體化紅外接收器。

圖4 紅外數(shù)據(jù)通信電路原理圖

uPD78F0881 的TXD0 發(fā)送串行數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)SE303.TO00 輸出38kHz 的脈沖序列作為載波信號(hào)，通過(guò)三極管對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。為增強(qiáng)紅外發(fā)射電路的性能，利用單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)占空比可調(diào)的特性，降低信號(hào)的占空比來(lái)提高發(fā)射電流幅度。

TL0038 將接收到的38kHz 紅外光調(diào)制信號(hào)解調(diào)為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，提供給單片機(jī)處理。接收器的數(shù)據(jù)輸出端接到uPD78F0881 的串行數(shù)據(jù)接收端RXD0.

3 數(shù)據(jù)集中器的軟件設(shè)計(jì)

程序中設(shè)置了一個(gè)單片機(jī)忙標(biāo)志位，單片機(jī)忙時(shí)置位該標(biāo)志位，空閑時(shí)被復(fù)位。正常模式時(shí)主程序中會(huì)不斷檢測(cè)該標(biāo)志位，一旦檢測(cè)到該標(biāo)志位被復(fù)位即將單片機(jī)轉(zhuǎn)入待機(jī)模式來(lái)降低功耗。主程序流程圖如圖5 所示。

軟件功能的實(shí)現(xiàn)由各個(gè)子程序完成。主要的子程序有CAN總線通信子程序、紅外通信子程序、GPRS 通信子程序、存儲(chǔ)器操作子程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘操作子程序。這里只介紹CAN 總線通信子程序，它由初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序及數(shù)據(jù)接收程序組成。

(1)初始化程序。

uPD78F0881 中集成了CAN 控制器，其中有16 個(gè)長(zhǎng)度為8字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這些數(shù)據(jù)緩沖區(qū)既可單獨(dú)使用又可聯(lián)合使用，大大提高了使用的靈活性。初始化程序主要包括對(duì)控制寄存器、總線傳輸速率寄存器、中斷使能寄存器及各數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的控制寄存器、驗(yàn)收碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器等的設(shè)置。

(2)數(shù)據(jù)發(fā)送程序。

數(shù)據(jù)的發(fā)送是由CAN 總線控制器自動(dòng)完成的，用戶只需將待發(fā)送數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，再啟動(dòng)發(fā)送命令即可。通過(guò)查詢相應(yīng)的標(biāo)志位即可得知發(fā)送狀態(tài)。

(3)數(shù)據(jù)接收程序。

數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式，接收程序在CAN 控制器產(chǎn)生接收中斷后，從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀取接收到的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行相應(yīng)處理即可。

4 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)與數(shù)據(jù)集中器通信幀格式

上位機(jī)與數(shù)據(jù)集中器之間為主從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式。

上位機(jī)為主站，數(shù)據(jù)集中器為從站。每個(gè)數(shù)據(jù)集中器均有各自的地址。通信鏈路的建立與解除均由主站來(lái)控制。協(xié)議中規(guī)定了三種幀格式，分別是：命令幀、廣播幀及應(yīng)答幀。

(1)命令幀。

命令幀由上位機(jī)發(fā)送給數(shù)據(jù)集中器，由地址、命令、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼組成。

地址長(zhǎng)2 字節(jié)，表明將接收該幀的數(shù)據(jù)集中器。命令長(zhǎng)1字節(jié)，表示該幀的功能。數(shù)據(jù)長(zhǎng)1~9 字節(jié)，其內(nèi)容隨命令幀的功能改變。校驗(yàn)碼長(zhǎng)2 字節(jié)，為從幀起始到校驗(yàn)碼之前的所有字節(jié)的CRC16 校驗(yàn)碼，用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

(2)廣播幀。

廣播幀也是由上位機(jī)發(fā)出的，它用來(lái)向數(shù)據(jù)集中器發(fā)送校時(shí)及數(shù)據(jù)凍結(jié)命令。其格式中不含地址域，其它與命令幀相同。

(3)應(yīng)答幀。

應(yīng)答幀是數(shù)據(jù)集中器對(duì)上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令的響應(yīng)，格式與命令幀相同，地址中為數(shù)據(jù)集中器自身地址。

4.2 數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)采集器通信幀格式

CAN 總線的技術(shù)規(guī)范只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，因此要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信就需要根據(jù)實(shí)際情況單獨(dú)設(shè)計(jì)應(yīng)用層的通信協(xié)議。

協(xié)議中有命令幀、應(yīng)答幀、數(shù)據(jù)幀和報(bào)警幀四種幀格式。其中命令幀由數(shù)據(jù)集中器發(fā)出，含有一個(gè)數(shù)據(jù)采集器識(shí)別地址。

應(yīng)答幀是采集器對(duì)集中器所發(fā)命令的響應(yīng)。當(dāng)集中器發(fā)出的地址與某個(gè)采集器地址一致時(shí)，該采集器會(huì)發(fā)送應(yīng)答幀。由于CAN 總線采用的是短幀結(jié)構(gòu)，每幀數(shù)據(jù)最多8 字節(jié)，當(dāng)采集器要上報(bào)的數(shù)據(jù)大于8 字節(jié)時(shí)就要在應(yīng)答幀之后再傳送數(shù)據(jù)幀直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成。報(bào)警幀是采集器出現(xiàn)斷線、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)出錯(cuò)等故障時(shí)發(fā)出的報(bào)警信號(hào)。

(1)命令幀。

命令幀由地址、命令、數(shù)據(jù)組成。由于CAN 總線本身具有15 位CRC 校驗(yàn)，其校驗(yàn)強(qiáng)度完全可以滿足本系統(tǒng)對(duì)通信可靠性的要求，故沒(méi)有設(shè)置校驗(yàn)部分。各個(gè)部分的具體含義與約定如下：1)地址表明要與哪一個(gè)采集器通信，每個(gè)采集器唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)地址。地址為1 個(gè)字節(jié)，可使用標(biāo)識(shí)符ID.0~ID.7 記錄此地址，這樣就可通過(guò)CAN 控制器的設(shè)置由硬件自動(dòng)完成地址過(guò)濾。2)命令為1 個(gè)字節(jié)，用于指定具體的命令內(nèi)容。不同的內(nèi)容對(duì)應(yīng)不同的命令代碼。3)數(shù)據(jù)部分長(zhǎng)度一般為1~8 字節(jié)。

(2)應(yīng)答幀。

應(yīng)答幀格式基本與命令幀格式相同，只不過(guò)其地址部分是自身地址，而不是目的地址。

(3)數(shù)據(jù)幀。

該幀是緊跟在某些應(yīng)答幀之后發(fā)送的，因此只有地址和數(shù)據(jù)兩部分。

(4)報(bào)警幀。

報(bào)警幀格式與應(yīng)答幀格式相同，它的數(shù)據(jù)部分為1 個(gè)字節(jié)，表明了故障類型。

4.3 差錯(cuò)控制

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕⒘松衔粰C(jī)與數(shù)據(jù)集中器之間、數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)采集器之間的差錯(cuò)控制。

當(dāng)上位機(jī)或數(shù)據(jù)集中器發(fā)出命令幀后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)如果未收到數(shù)據(jù)集中器或數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)答幀，即認(rèn)為傳輸出錯(cuò)，并重發(fā)先前的命令幀。重發(fā)最多3 次，當(dāng)重發(fā)3 次仍無(wú)法收到應(yīng)答幀時(shí)，發(fā)出相應(yīng)的提示信息。

5 結(jié)束語(yǔ)

以上述方式設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)集中器具有低功耗、可靠性高和成本低廉的特點(diǎn)，特別適合作為自動(dòng)抄表系統(tǒng)中數(shù)據(jù)集中器設(shè)計(jì)的一種解決方案被推廣和應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、功耗低，能夠可靠地完成抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有很好的應(yīng)用前景。