基于CAN总线/RS485接口的双层网络远程抄表系统设计

目前我国普遍采用户用计量仪表即水表、电表、燃气表、热表（四表）安装在用户室内, 抄表人员走家串户，手工抄表采集数据，然后结算的计量收费方式。为了有效解决入户抄表收费存在的诸多弊端, 我国从90年代初开始研制全电子式电能表,并且取得了一定的成果。目前已研制出多种远程抄表系统，常用的有用基于电力线载波的抄表系统，基于RS-485总线的抄表系统等。
基于电力线载波的抄表系统，减少了系统由于布线带来的成本，但是由于信号和强电在同一根线上传输，传输过程中不可避免地存在强电场的干扰，信号的可靠性受到影响，而且随着传输距离的增大，信号的衰减较快，影响了抄表数据的可靠性；基于RS-485的抄表系统是较为理想的一种远程抄表系统，它采用的是主从式的通信方式，任何时候只允许一个节点向网络发送数据，所以RS-485多采用主从结构的命令型通信方式来防止数据通讯故障，数据通信时必须由主节点接收到管理主机的命令，然后由主节点向各个从节点传达命令，从节点的数据依次送至主节点，最后再由主节点将各从节点的数据发送至管理主机。从数据通信过程可以看出，如果主节点出现故障，则整个系统会陷入瘫痪状态。另外，随着居民区的用户的不断扩大，要求抄表系统现场数据通信距离也随之增加，由于采用485总线在9600bps下能达到的最远传输距离小于1200米，因而需要增加一个或多个中继以实现数据的较远发送和接收。因为485为半双工通信，中继器在工作中必须判断网络数据流向，所以中继器的结构复杂，导致增加了系统成本，降低了系统的可靠性。
CAN（Controller Area Network）是控制器局域网的简称它是德国Bosch公司在1986年开发的一种串行数据通信总线。CAN网络上的节点不分主从，任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活，利用这一特点可方便地构成多机备份系统，CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而节省了总线冲突的仲裁时间。
针对它们各自的特点,我们采用符合国际标准ISO 11898的CAN总线技术和目前仪表和自动化装置常用的RS-485总线构成双层网络结构，这种网络结构有效地解决了系统的建设成本高、数据管理困难、可靠性不高以及可扩展性能差等问题。
2.系统的总体设计框架
本系统采用双层网络的构架，见图1。

目前我国四表普遍安装在户内,工作环境不算恶劣，所以本系统低层网络采用 RS-485总线。它具有结构简单、成本低廉、对布线要求不高的特点；而且RS-485总线在9600bps下最远传输距离可以达到1200米,完全能够完成一栋楼家用控制器与集中控制器远程通讯的距离需求；再加上它们之间的通讯数据量小,数据结构简单，所以RS-485总线能够可靠地完成低层数据采集的需要。高层网络采用兼容性能好、可靠性能高、数据传输速度快、传输距离远(在5000bps时传输距离10km)的CAN总线。CAN总线采用短帧结构,传输时间短,受干扰概率低；有CRC校验和出错标定能力；而且具有故障节点自动脱离CAN总线等功能，特别适合所处环境恶劣，数据交换较频繁的集中控制器与管理中心计算机之间的通信。
系统由家用控制器、集中控制器、管理中心主机组成二级分布式监控式系统。家用控制器以单片机为核心,能接收耗能表(四表)送出的脉冲信号,并且进行计数、数据处理、保存数据、发送用户信息和显示用户状态信息等功能,为了提高可靠性，配有独立的备用电源供电。集中控制器可对一定数量的家用控制器进行集中管理,将各家用控制器采集到的数据传送至管理中心,同时为了保证用户信息的安全，将采集到的数据进行备份处理，同样它也有备用电源可在停电时继续给控制器供电。一般情况下,一栋楼配置一个集中控制器。小区管理中心主机通过运行远程抄表管理软件来处理下位机传送来的数据信息,例如进行统计、交费管理、报表、网络事故报警等操作。为了降低系统的设计成本，RS-485与CAN皆采用价格低廉的双绞线连接。
3. CAN总线的通信协议
3.1 CAN总线上的电平
CAN总线具有两种逻辑状态：隐性或显性。在隐性状态下VCANL和VCANH被固定于平均电压电平，Vdiff近似为零。显性状态以大于最小阈值的差分电压来表示。
显位（0）：VCANH 3.5V，VCANL 1.5V
隐位（1）：VCANH 2.5V，VCANL 2.5V
3.2 总线仲裁
仲裁期间,每个进行发送的节点都将其发送的位电平与监控总线电平进行比较,任何发送一个隐性位而监视到一个显性位电平的节点立即变成接收器,而不破坏总线上的任何信息,等到总线空闲时,再重新发送报文。报文标识符的二进制数值越低,其优先级越高。
3.3 CAN总线的报文格式
CAN技术规范定义了CAN报文格式。CAN定义了四种不同的帧，数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。
数据帧的组成格式见图2。