基于单片机技术的远程抄表系统设计.docx
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基于单片机技术的远程抄表系统设计
基于单片机技术的远程抄表系统设计
摘要
远程抄表是指应用计算机和通信等技术，自动读取和处理现场数据的一种现场总线技术，具有抄表准确性，实时性，高效性等优点。
远程自动抄表技术的发展是计算机和网络技术迅速发展的必然结果。
它的应用大大降低了抄表人员的工作强度，节约了人力成本，降低了人为因素造成的抄表数据错误，而且对于入户抄表存在的治安隐患也得到了有效的解决。
本设计是以小区电表数据的远程读取为研究对象，选择了目前技术成熟且简单稳定的CAN总线作为远程数据传输的方案，采用总线式和星型的拓扑结构，以单片机为核心的现场终端，该终端下与智能电表相连，上通过CAN总线与上位机进行数据通信。
论文重点介绍了远程抄表系统数据采集终端的软硬件结构，并且以他们为基础建立整个系统，实现远程抄表的功能。
关键词：
远程抄表单片机CAN总线智能电表
TheDesignofRemoteMeterReadingSystemBasedonSCMTechnology
Abstract：
Remotemeterreadingisafieldbustechnologywhichusethecomputerandcommunicationstechnologytoautomaticallyreadandprocessthefielddata.Ithasaaccuracy，timeliness，efficiencyetc.Remoteautomaticmeterreadingtechnologyistheinevitableresultofcomputerandnetworktechnology`srapiddevelopment.Theapplicationgreatlyreducedworkingstrengthofworkersandsavinglaborcosts.It`sreducedataerrorsbyhumancauses.AndithasbeeneffectivelyresolvedthesecurityrisksofExisting-homemeterreading.
TheStudyobjectofthisdesignisbasedontheremotemeterreadingdatainarea，selecttheCANbusfordatatransmissionschemewhichmature、stableandsimple.Thedesign`stopologicalstructureisstarorbus，It`suseSCMforthecoreofthefieldterminal.Theterminalisconnectedwithsmartmeters，communicationswithhostcomputerbyCANbus.
Thepaperfocusesonthehardwareandsoftwareoftheremotemeterreadingdatacollectionterminal.Andbulidthewholesystembasedonthis，torealizethefunctionofremotemeterreading.
Keywords:
remotemeterreadingSCMCANBUSsmartmeters
第1章前言
1.1研究远程抄表系统的意义
远程抄表是指应用计算机和通信等技术，自动读取和处理现场数据的一种现场总线技术，具有抄表准确性，实时性，高效性等优点。
发展远程抄表技术是提高能源系统管理水平的需要，也是计算机和网络技术迅速发展的必然结果。
随着科学技术水平的不断提高，住宅商品化的发展，住宅单元个性化和独立性的增强，我国目前广泛采用的逐月入户验表收费方式已经显得和社会发展不相适应，入户抄表不仅耗费大量人力资源，而且对居民生活也是一种干扰，有时还会给不法分子入室犯罪以可乘之机。
采用远程自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性和时效性，减少人为因素造成的誊写错误，使供用能源管理部门能及时准确获得数据信息。
而且用户还可以通过互联网查询数据库的相关费用信息，做到明白消费。
故这种技术越来越受到用户欢迎。
1.2远程抄表系统的解决方案
远程抄表系统的工作原理：
远程抄表系统是采用计算机和网络技术，通过专用现场设备进行远距离的表头数据自动抄录。
一般通过数据采集器对表头输出的数字信号进行采集，经过数据转换后传输给单片机对数据进行处理，并监控表头是否正常工作，单片机将处理好的信号通过网络传输到远程终端，由计算机对数据进行处理、显示、存储、打印，再通过与银行网络互连，实现自动付费。
控制中心可显示小区内主要设备的运行状况，并可远程控制这些设备，使设备运行于最佳模式。
当设备发生故障时，控制中心发出警报并通知运行人员处理事故。
而整个远程抄表系统的关键在于采取哪种方式进行数据传输，目前国内外主要流行以下三种传输方式。
1.2.1通过电信运营商的无线网络进行数据传输
现场设备把数据通过电信运营商的GSM或者GPRS网络进行远程传输，这种技术优点是无需敷设线路，信号覆盖面广，通讯可靠性高、可对电表设备进行远程控制。
缺点是建筑部分区域（如地下室等）信号不能覆盖，而且网络通讯时需要按流量或者次数支付给电信运营商一定的费用，长期使用成本高。
1.2.2通过电力载波技术进行数据传输
电力载波通讯是指利用现有电力线缆，通过载波方式将信号进行高速传输的技术。
最大特点是不需要重新架设网络，节省通信线路架设费用，只要有电缆，就能进行数据通信。
但是缺点也较明显，对系统的可靠性要求比较高，线路噪声大，传输容量相对比较小，传输频带受限，技术门槛较高。
1.2.3通过有线局域网进行数据传输
数据通过敷设的有线通信电缆进行通信，这种通信方式数据延迟低，传输速率快，前期投入比电力载波低，后期运行只需要少量的资金进行设备维护，传输信号质量比电力载波和GPRS网络好，没有信号盲点。
缺点就是需要重新敷设通信线路，可能会损坏原有的装修，不过对于新建筑来说可以预留线孔，影响相对较小。
所以本设计采用通信成本低廉，通信速率最快，稳定性好，技术门槛低的有线局域网进行数据的远程传输。
而有线传输方案中CAN总线有明显的技术优势，所以系统总线协议采用CAN总线，CAN总线的直接通信距离能达到10km，而且CAN总线对通信介质无特殊要求，可以采用价格低廉的双绞线进行通信，完全可以满足小区内远程抄表的需求。
1.3远程抄表系统的发展趋势和展望
能源供给部门最重要的营销举措是能源直供到户，采用远程抄表技术以改善能源营销和管理的水平，是供给部门目前最紧迫的需求。
本设计是基于AT89C51的远程抄表系统，通过CAN总线进行数据传输与远程控制，以实现远程抄表功能。
这对提高能源部门的管理水平无疑是有积极意义的。
在国家相关政策的推动下，民用计量表智能化和抄表远程化、智能化已是大势所趋。
随着行业技术水平的不断发展、管理水平的步步提高，国家对远程抄表市场的引导等不断加强，将远程抄表系统及相关配套设备纳入重点计量器具范围，加大对远程抄表行业的关注与支持，相信远程抄表系统将会得到不断的发展与完善，远程抄表行业的春天也将会来临。
第2章CAN总线介绍
2.1CAN总线的产生历程
CAN是控制器局域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）的简称，德国电气商博世公司于1986年开发，并最终成为ISO11898国际标准，是目前世界上应用最多的现场总线之一。
在美洲和北欧，CAN总线已经成为嵌入式工业控制局域网和汽车计算机控制系统的标准总线，近年来，CAN总线所具有的良好的错误检测能力和高可靠性越来越受到重视，从而在电磁辐射强环境、温度恶劣和振动大的工业环境得到广泛应用。
1991年9月飞利普半导体公司制订并发布了CAN技术规范。
该技术规范包括A和B两部分。
2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。
此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具--数字信息交换--高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。
2.2CAN总线特点
CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是同轴电缆、双绞线或光纤。
通信速率可达1Mbps。
CAN总线通信接口中集成了CAN的数据链路层和物理层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括数据块编码、位填充、判别优先级、循环冗余检验等项。
CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有分散仲裁和多主站运行的串行总线。
CAN总线上任何节点可在任何时刻向网络上其它节点不分主次地发送信息，实现一对一、一对多及全网广播几种方式发送接收数据，因此可实现在各节点之间自由通信。
CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向总线上发送数据时，优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，而优先级低的节点主动停止数据发送。
CAN协议的一个最大特点是对通信数据块进行编码。
采用这种编码方法可使网络内的节点个数在理论无限，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点对于分布式控制系统来说是非常有用的。
CAN总线数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中工作状态、控制命令字以及测试数据的要求。
CAN总线提供高速数据传送，具有1Mbit/s（距离40m）到5kbits/s（10000m）之间的数据传输能力，不管是高数控制还是远距离控制都能很好适应。
CAN总线协议采用CRC检验并有相应的错误处理能力，保证了数据通信的可靠性。
CAN总线优良的性能、极高的可靠性和低要求的传输介质，特别适合环境恶劣的工业现场和要求较高的数据通信控制场合。
CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化。
公认为最有前途的现场总线之一。
2.3CAN总线概念
报文——网络中交换与传输的数据单元。
报文包含了完整的数据信息，其长短并不一致。
当总线开放时，任何总线上的单元均可向总线发送一个新报文。
报文通信——一个报文的内容由其标识符ID命名。
ID并不指出报文的目的，但描述数据的含义，以便网络中的所有节点借助报文滤波决定该数据是否使它们激活。
应答——所有接收器均对接收报文的相容性进行检查，回答一个相容报文，并标注一个不相容的报文。
位速率——CAN的数据传输率根据传输距离和系统拓扑结构不同而不同，但在一个给定的系统中，此速度是唯一固定的。
出错标注和恢复时间——已损报文由检出错误的任何节点进行标注。
标注后报文将失效，并自动重发。
如果不存在新的错误，自检出的错误至下一个报文开始发送的恢复时间最长为29个位时间。
优先权——在总线访问期间，标识符定义了一个报文静态的优先权。
仲裁——当总线开放时，任何的节点均可开始发送报文，若同时有两个或者两个以上的节点开始发送，总线仲裁运用逐位仲裁规则，借助标识符ID解决。
这种仲裁可以使信息和时间均无损。
若具有相同标识符的一个远程帧和一个数据帧同时发送，数据帧优先于远程帧。
仲裁期间，每一个发送器都对发送位电平与总线上检测到的电平进行比较，若相同则该单元可继续发送，若不同则该单元退出仲裁并不再传送后续位。
睡眠方式及唤醒——为降低系统能耗，CAN设备可被置于睡眠方式，相当于未连接总线的驱动器。
借助系统的内部条件或任何总线激活可唤醒睡眠。
2.4CAN总线位显性与隐性
CAN中的总线数值为两种互补逻辑值之一：
隐性和显性。
隐性表示逻辑1，而显性表示逻辑0。
如图2-1，显性和隐性位同时发送时，最后总线数值将是显性。
在隐性状态下，VCAN_L和VCAN_H被固定于平均电压电平，Vdiff近似等于零；在总线空闲或隐性位期间，发送隐性状态。
在显性位期间，显性状态改写隐性状态并发送。
图2-1CAN总线位数值表示
2.5CAN总线传输距离
CAN系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关，见表2-1，这里的最大的通信距离是指在同一条总线上两个节点之间的距离。
而每个表头数据采集点每次数据传输量在10kbps之内，CAN总线的传输距离可达到6.7km，完全能满足小区的抄表需求。
表2-1CAN系统任意两个节点之间的最大传输距离
位速率
最大总线长度
总线定时
BTRO
BTR1
1Mbps
40m
00H
14H
500kbps
130m
00H
1CH
250kbps
270m
0lH
1CH
125kbps
530m
03H
1CH
100kbps
620m
43H
2FH
50kbps
1.3km
47H
2FH
20kbps
3.3km
53H
2Fh
10kbps
6.7km
67H
2FH
5kbps
10km
7FH
7FH
2.6CAN总线协议
2.6.1位仲裁
CAN总线以报文为数据传送单位，报文的优先级在报文的11位标识符中，最高的优先级是具有最低二进制数的标识符，系统被设计出来后这种优先级关系就不能改变了。
当几个站同时发送报文时，1号站的报文标识符为0000111；2号站的报文标识符为0000010；3号站的报文标识符为0000011。
所有标识符前四位都是0000，直到第5位进行比较时，1号站的报文被丢掉，因为它的第5位为高，而其它两个站的报文第5位为低。
2号站和3号站报文的5、6位相同，直到第7位时站3的报文才被丢失。
在此例中，2号站的报文被跟踪。
这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。
所有没得到总线读取权的节点都成为最高优先权报文的接收站，并且在总线再次空闲前不会发送报文。
2.6.2CAN的报文格式
CAN协议支持两种报文格式，标准格式为11位和扩展格式为29位。
其唯一的不同是标识符（ID）长度不同。
报文的起始位称为帧起始（SOF），接着是标识符和远程发送请求位（RTR）构成的仲裁场。
数据帧和远程帧由RTR位标明，在远程帧中没有数据字节。
控制场包括标识符扩展位（IDE），指出是扩展格式或者是标准格式。
它还有一个为将来扩展使用的保留位（ro）。
控制场的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度（DLC）。
数据场范围为0～8个字节，数据帧的最后有一个检测数据错误的循环冗余检查（CRC）。
应答场（ACK）包括应答位和应答分隔符。
节点发送的两位均为逻辑1，这时接收报文的接收节点发送逻辑0覆盖它，这样发送节点可以保证总线上至少有一个站能正确接收到报文。
帧结束标出报文的尾部。
在连续的两条报文间存在一个间隔位，如果这时没有节点进行总线操作，总线就处于空闲状态。
报文中数据帧包含数据信息；远程帧请求发送具有相同标识符的数据帧，这是通过通过总线单元发送的；出错帧由发现出错误的任何节点发送；超载帧用于前一个数据帧和后一个数据帧的附加延迟。
1、数据帧
数据帧由帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束组成。
而其中数据场的长度可为0。
CAN2.OA数据帧的组成如图2-2所示。
图2-2数据帧组成
在CAN协议中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有11位标识符的帧称为标准帧，如图2-3所示；而包含29位标识符的帧称为扩展帧，如图2-4所示。
图2-3标准格式数据帧
图2-4扩展格式数据帧
2、远程帧
远程帧的RTR位是隐位，且不存在数据场。
DLC的数据是独立的，它可以是0-8中的任何数值，这一数值为对应的数据帧的DLC。
3、出错帧
出错帧由两个不同场组成，前一个场由各站的错误标志叠加得到，后一个场是出错界定符。
出错帧的组成如图2-5所示。
图2-5出错帧组成
错误标志具有两种形式，第一种是认可错误标志；第二种是活动错误标志。
认可错误标志由6个连续的隐位组成，除非被来自其他节点的显位冲掉重写。
而活动错误标志由6个连续的显位组成。
出错界定符包括8个隐位，出错标志发送后，每个站都发送一个隐位，并监视总线，直到检测到隐位，此后开始发送剩余的7个隐位。
第3章系统硬件设计
3.1系统整体方案设计
图3.1是基于单片机技术和CAN总线技术的远程自动抄表系统的结构示意图，系统以物管的控制机房为主站，以每个小区为相对独立的子系统。
这些子系统由每一个独立的节点构成，每个节点由智能表头，CAN控制器，CAN收发器等设备组成。
上位机会在一个特定的时间向智能节点发送抄表信号，用户的用电数据通过智能电表的RS485接口发送到单片机，单片机把处理后的数据发送到CAN控制器，经过CAN收发器发送到CAN总线上，数据经由CAN集中器传送至控制中心，以实现远程抄表的功能，并能和银行系统互联实现自动收费，用户也可远程访问上位机查看用电信息。
图3-1远程智能抄表系统拓扑结构图
3.2系统节点设计
CAN是一种串行通信协议，它有高度的数据完整性和可靠性。
特别适合于分布式实时控制系统，其波特率可高达1Mb/s。
CAN总线分为三层：
物理层、传输层和目标层。
其中物理层是根据CAN总线的电气特性在所有不同收发点之间传输数据，而目标层和传输层包含了ISO/OSI模型中数据链路层的功能。
这三层是通过CAN收发器和CAN控制器实现的，而CAN总线的应用层就可以用主控芯片（如单片机）来实现。
远程抄表系统的网络拓扑结构采用总线式结构，可以分为过程控制和现场监控两层。
过程控制层主要由两部分构成：
CAN-RS232转换器和PC机。
其中CAN-RS232转换器一端和PC机连接，完成和PC机的通信；另一端和CAN总线相连，完成和CAN总线的通信。
它的主要功能是将PC机的控制参数和操作信号传送给指定的CAN节点，同时将节点的数据传输给PC机做进一步处理。
它和PC机之间是通过RS232串行口进行数据交换的。
现场控制层为系统的底层，由带有RS485接口的单相电子式电能表，用CAN收发器采集电能数据，把采集到的电能数据送到总线上，传送给PC机。
过程控制层是现场控制层的上层，接收由现场控制层传输上来的数据，以及向该层发送相应的操作命令，以便运行人员对整个抄表过程进行监控。
这种方法价格低廉、结构简单、易于操作，因此，本系统采用这种方法设计。
总线由双绞线和终端电阻构成，标定值如表3-1所示。
表3-1双绞线（屏蔽或不屏蔽）电器参数
参数
符号
单位
数值
最小值
典型值
最大值
特征阻抗
Z
Ω
108
120
132
单位长度电阻
r
mΩ/m
70
传输时延
ns/m
5
终端电阻
RL
Ω
118
120
130
节点硬件的整体设计框图如图3-2所示。
传输指令的过程为：
上位机的命令经PC机RS232串口，信号电平经过MAX232转换为TTL电平后接到89C51的串行口，89C51接收的串行数据，通过数据/地址总线转为并行数据发给CAN控制器SJA1000，再通过82C250芯片发送到CAN总线上。
数据通过CAN总线传到其它的CAN总线驱动器，进而传到其它的CAN控制器，其它CAN控制器将接收的数据中的标识码位和自身的验收滤波器中预设值比较，若相一致，继续接收后面的报文，否则不予接收其报文。
图3-2智能节点的整体设计框图
远程抄表的节点硬件电路主要有下列几部分构成：
串口接口电路、CPU电路、CAN总线接口电路、信号采集电路，抗干扰电路。
3.3串口接口电路
CAN总线上位机节点和PC机的通信采用的是串口RS232。
由于节点的CPU单元AT89C51可进行全双工串行通信，可以很方便的通过RS232串口和PC机进行数据交换。
而PC机RS232口的电平是ELA-RS-232C，AT89C51的电平是TTL/CMOS电平，要想实现它们之间的数据通信，可以通过MAX232芯片进行电平转换。
MAX232芯片的特点：
1）该芯片完全满足所有的RS-232C技术标准。
2）电源电压只需要一个+5V。
3）芯片内部可产生+10V和-10V电压。
4）低功耗，供电电流为5mA。
5）芯片分别集成2个RS232C驱动器和接收器。
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电。
它的内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源变换为成RS-232所需要的士10V电压。
MAX232接口电路如图3-3所示，其中电容C1、C2、C3、C4及V+、V-是电源变换部分。
在实际电路中，对电源的要求很高，对电源噪声很敏感。
因此，VCC对地需要加1.0uF/25V的去耦电容C5。
电容C1、C2、C3、C4用容抗相同的电解电以提高抗干扰能力。
MAX232的引脚T10UT和RIIN分别连接PC机串口的RXD和TXD端，T1IN和R10UT分别与AT89C51的TXD和RXD相连，T2IN和R20UT悬空。
而MAX232自身自带驱动电路，可以提供足够的电压电流，不需要外加驱动电路。
至此RS232的电平转换工作完成。
图3-3MAX232引脚图和电容典型参数
3.4数据采集电路
本设计采用DDS362-G1（Ob型）单相电子式电能表，该电表采集通过电压、电流信息并转化为电能计量脉冲，通过微处理器对采集到的信号进行计量、存储、显示、通讯，该电表还具有RS485通信接口，可以与远程抄表节点进行数据通信。
为了使智能电表和远程抄表节点的连接，本设计使用TL公司生产的一种RS485接口芯片75LBC184，它使用单一电源VCC，电压在＋3～5.5范围内都能正常工作，能够使TTL电平和RS485电平相互转换，其引脚如图3-4所示。
该芯片内A、B引脚接有高能量顺变干扰保护装置，可以承受峰值为400V的过电压，可以应用在一些条件比较恶劣的场合，可直接与传输线相连而不需要其他的保护电路，当输入端有开路故障时，其输出为高电平，这样可以使节点开路故障不影响系统的正常工作。
其工作原理如图3-5所示。
当C=0时，发送使能端DE为低电平，接收使能端RE为高电平，芯片作为接收器。
当C=1时，发送使能端DE为高电平，接收使能端RE为低电平，芯片作为发送器。
图3-475LBC184引脚图
图3-575LBC184工作原理图
3.5CPU控制电路
CPU控制电路是指CAN节点的微处理器及其外围电路，它控制节点并进行相关运算功能。
CPU控制电路由单片机、译码电路和节点参数输入、看门狗电路组成。
CPU控制电路框图如图3-6所示。
图3-6CPU控制电路框图
3.5.1单片机AT89C51
AT89C51是一种带4K字节的FPEROM低电压，高性能CMOS8位单片机。
它可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
这款单片机应用ATMEL公司高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51输出管脚和指令集都能很好兼容。
其具有5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置等功能，芯片内部有振荡器和时钟电路，而且将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL公司的AT89C51单片机是一种高效微控制器。
很多灵活性高且价廉的嵌入式控制系统都采用该公司的AT89C51单片
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