【導讀】由于目前已使用的遠程抄表還面臨著(zhù)一些挑戰：比如初期成本較高，同時(shí)總線(xiàn)上傳輸的數據是終端用戶(hù)所消費的水、電、氣等重要數據，對總線(xiàn)的抗干擾性要求非常高，要具有抵抗容性、感性的偶合干擾的能力，為節約成本，要采用遠程供電的方式給從設備提供電源，以盡可能減少元器件的使用。
目前，我國城市居民用戶(hù)的電表、水表、天然氣表很多是人工抄表，由抄表工作人員每月逐個(gè)查抄各種儀表，也有很多地區已經(jīng)通過(guò)抄表改造工程實(shí)現了集中抄表。
由于目前已經(jīng)使用的遠程抄表還面臨一些挑戰：比如初期成本較高，同時(shí)總線(xiàn)上傳輸的數據是終端用戶(hù)所消費的水、電、氣等重要數據，對總線(xiàn)的抗干擾性要求非常高，要具有抵抗容性、感性的偶合干擾的能力，為節約成本，要采用遠程供電的方式給從設備提供電源，以盡可能減少元器件的使用。
為了解決以上問(wèn)題，本文設計了一種基于CAN總線(xiàn)的遠程電表抄表系統集中器?；贑AN總線(xiàn)的智能電表系統具有造價(jià)較低，可靠性高，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，管理方便，操作簡(jiǎn)捷等優(yōu)點(diǎn)，并且可以通過(guò)擴展和升級硬件，利用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信，把集中器采集到的實(shí)時(shí)數據發(fā)送到售電公司的管理系統中統一管理，通過(guò)應用線(xiàn)損分析、遠程通斷電、防竊電分析等功能達到更高的智能化。
1.集中器的功能及原理分析
一般的智能電表系統由四部分組成：表頭，集中器，通訊器，上位機系統。具體如圖1所示，其工作原理是通過(guò)一體化載波表或安裝在電表表尾的電力計量傳感系統模塊經(jīng)CAN總線(xiàn)組網(wǎng)，集中器按設定好的時(shí)間段接收數據并保存到內部flash中，當上位機發(fā)來(lái)讀數據的信號后上位機通過(guò)RS232或RS485讀數，讀到的數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送到用電管理中心。
在遠程抄表表系統中，集中器是一個(gè)重要組成部分。
集中器通過(guò)CAN總線(xiàn)控制并讀取表頭的數據，數據存儲在集中器的flash中。集中器執行從上位機發(fā)送的控制命令：
對時(shí)、讀flash、讀表數、限電、增加表頭地址等。
集中器通過(guò)CAN控制器發(fā)送讀表命令信號到總線(xiàn)上，每個(gè)表頭根據讀表命令將采集的信號通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送到集中器。集中器將采集的信號存儲在flash芯片中。上位機通過(guò)串口發(fā)送讀數據信號到集中器，集中器就把存儲在flash中的數據傳送給上位機。
2.集中器硬件設計
主控芯片采用的是ST公司的STM32系列的STM32F103Tx，該系列單片機是ARM的CortexTM-M3處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實(shí)現MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的引腳數目、降低的系統功耗，同時(shí)提供卓越的計算性能和先進(jìn)的中斷系統響應。具有運行速度快（系統時(shí)鐘頻率最高可達72MHz）26個(gè)復用GPIO；64KB片上RAM；2個(gè)12位模數轉換器，1μs轉換時(shí)間（多達16個(gè)輸入通道）；3個(gè)SPI，5個(gè)USARTs，2個(gè)IIC接口；片上256KBFLASH;2個(gè)看門(mén)狗，11個(gè)定時(shí)器;芯片具有獨立的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，能夠相關(guān)資料豐富，提供單片機使用庫函數，用C語(yǔ)言編程十分方便，易于開(kāi)發(fā)。
由于智能電表控制器需要很準確的實(shí)時(shí)性，以方便售電公司收取用電費用。因為主控芯片自帶實(shí)時(shí)時(shí)鐘，所以只需要外接獨立的32.768kHz的晶體。實(shí)時(shí)時(shí)鐘既可以通過(guò)寄存器設置年月日及具體時(shí)間，同時(shí)還有鬧鐘功能，定時(shí)中斷進(jìn)行指定操作。
智能電表集中器的硬件部分結構如圖1所示，主要有ARM，Flash，時(shí)鐘芯片，接口電路，RS232，RS485，電源等組成。ARM作為控制芯片，有標準設計;ARM接口電路比較簡(jiǎn)單，以下重點(diǎn)討論CAN總線(xiàn)接口和Flash接口設計。
圖1.智能電表抄表系統結構框圖
2.1 CAN總線(xiàn)接口電路設計
因為系統對信號傳輸過(guò)程中的穩定性和抗干擾能力要求很高，所以CAN接口采用高標準接口電路。電路圖如圖2所示。
圖2.CAN接口硬件電路圖
CAN-bus接口電路采用+3.3V供電，選擇CTM8251A隔離CAN收發(fā)器。該芯片是3.3V工業(yè)級的隔離CAN收發(fā)器。CTD0信號連接主控芯片的CAN控制器的發(fā)送腳，CRD0信號連接CAN控制器的接收腳。CTM隔離CAN收發(fā)器內有一完整的CAN-bus隔離收發(fā)器電路，可以將來(lái)自CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線(xiàn)信號，并具有DC2500V隔離功能。另外，CTM收發(fā)器可以選擇集成ESD保護功能的“T”系列，從而省略外擴的ESD保護器件。共模扼流圈T1起著(zhù)EMI增強的功能，用于提高設備的EMI能力;共模扼流圈T1的電感參數很重要，選擇CAN-bus專(zhuān)用器件，比如EPCOS的B82793扼流圈。
2.2 Flash接口電路設計
集中器需要對與之相連的每個(gè)電表表頭采集數據，所以數據量較大，從而對存儲有著(zhù)較高的要求，故選用ST的M25P64-VMF6TP。該芯片為64M串行接口閃存，增強數據傳輸時(shí)鐘速率為50MHz;讀的吞吐量為50Mbps;接口為簡(jiǎn)單的4線(xiàn)SPI（串行外圍設備接口）接口;深度降功耗模式間斷功耗，電流消耗僅為1uA。
M25P64Flash芯片，通過(guò)SPI總線(xiàn)與ARM相連。SPI總線(xiàn)系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息，一般使用4條線(xiàn)：串行時(shí)鐘線(xiàn)（SCL）、主機輸入/從機輸出數據線(xiàn)MISO（SDO）、主機輸出/從機輸入數據線(xiàn)MOSI（SDI）和低電平有效的從機選擇線(xiàn)CS。SPI以主從方式工作，通常有一個(gè)主設備和一個(gè)或多個(gè)從設備。
圖3為ARM與Flash的連接電路圖。以下幾點(diǎn)說(shuō)明：（1）SCL串行時(shí)鐘信號，由主設備產(chǎn)生;（2）SDO主設備數據輸出，從設備數據輸入;（3）SDI主設備數據輸入，從設備數據輸出;（4）CS為片選，從設備使能信號，由主設備控制。（5）對7、15、16角外接上拉電阻，提高芯片輸入信號的噪聲容限增強抗干擾能力。
圖3.Flash接口硬件電路圖
3.集中器軟件設計
集中器系統采用數序程序設計，按功能模塊設計程序，由主程序調用各個(gè)功能模塊程序實(shí)現各個(gè)相應功能，各個(gè)功能模塊通過(guò)調用底層函數完成相應的操作。具體流程見(jiàn)圖4，啟動(dòng)后，開(kāi)始初始化系統。系統進(jìn)入等待命令模式，如果有上位機操作命令或有定時(shí)中斷發(fā)生則進(jìn)入對時(shí)程序，對時(shí)如果超出一定時(shí)間還未成功則向上位機報警。
對時(shí)成功后，集中器繼續等待上位機的讀數命令或等待中斷讀數命令。當收到讀數的命令后，定時(shí)讀數使集中器按設置的時(shí)間，自動(dòng)讀取表頭采集來(lái)的數據;讀數使集中器讀取當前表頭的數據。
圖4.系統軟件流程圖
集中器通過(guò)CAN總線(xiàn)可以?huà)燧d最多100個(gè)表頭，集中器發(fā)出CAN總線(xiàn)設備的ID。每個(gè)分系統表接收到對應的ID號后，根據系統發(fā)出的讀表頭命令來(lái)反饋數據。如果CAN通訊有故障，CAN控制器通訊將報故障。如系統回路正常，集中器的發(fā)送命令數據包。每幀CAN數據包含8字節，因為每次讀數的數據流量不是很大，所以每次通訊只需要使用一幀CAN數據即可，表頭ID使用幀ID來(lái)識別，每個(gè)表頭對應獨立的幀ID。
集中器發(fā)送CAN數據命令包到CAN總線(xiàn)，表頭根據各自的ID選擇接收讀表命令后發(fā)送應答數據到CAN總線(xiàn)上。
集中器將接收到的應答數據提取出電表讀數存儲在flash中。CAN數據收發(fā)工作流程如圖5所示。
圖5.數據收發(fā)流程圖
4.結束語(yǔ)
本設計作為智能電表抄表系統的一部分，目前成功應用于某些遠程抄表系統中，由于成本適中、性能穩定，取得了較好的經(jīng)濟效益，具有很好的推廣前景，同時(shí)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的修改就可以開(kāi)發(fā)出其他的遠程抄表系統，如燃氣遠程抄表系統等。
