基于CAN总线的多用户电能表设计

出处：tyw 发布于：2010-08-16 11:29:03

摘要：本文介绍了一种采用CAN总线的多用户电能表设计。首先介绍了CAN总线优点和电能表的特点以及硬件方案设计, 接着详细探讨了电能表主要模块功能。该电能表既可以计量多户家庭的用电情况, 还具有断电控制、实时处理速度快、性价比高的特点；尤其，增加可透支用电的设计，具有人性化的优点。

　　0 引言

　　在实际应用中, 越来越多像学校、工厂宿舍等用户密集场合，采用了一块表计量多个用户的多用户电能表，这种新型电能表对于降低人力与管理成本是显而易见的。然而，尽管采用通信方式种类繁多，多用户电能表系统的通信不稳定一直是难以解决的问题。在本设计中，采用CAN总线通信的方式设计新表，能满足通信稳定、实时准确的要求；而且该表增加可透支用电的设计，解决了众多多用户电能表欠费即断电，给不能及时缴费的用户带来不便的问题。

　　1 CAN 总线与电能表的特点

　　1.1 CAN 的优点

　　CAN(controller area network)是一种应用在生产现场、在微机化测控设备之间实现双向串行多节点数字通信的现场总线。CAN与其他总线有明显优势：1. CAN总线具有非破坏性仲裁，支持竞争，通信采用“多主对等”方式；2.CAN总线组网非常灵活，通信速度可到1Mb/s；3.CAN总线采用CRC检验并有错误处理功能，当节点错误时，能自动关闭输出，使总线上的其它节点及通信不受影响。这些特点为电能表稳定通信提供了条件。

　　1.2 多用户电能表的特点

　　1、电力部门上位机通过RS232 接口转CAN 总线接入网络采集各电能表。通过上位机软件实时监控电能表,具有分时计费、对表设置缴费管理模式和修改参数等功能。

　　2、该电能表有过载保护功能,当用户负载超过允用负载时,表自动对该用户断电。

　　3、该表还具有透支模式，用户可现场操作，能提供定量的临时供电，为不方便及时缴费的欠费断电用户提供了便利。

　　2 多用户电能表硬件设计

　　电能表硬件系统结构如图1所示, 整个系统由7大部分组成: 选择及放大电路、A/D转换电路、断电控制模块、CAN通讯模块、LED显示、存储器FM1608,X5045和单片机AT89C52。当用户用电时，对应的CT(电流互感线器)和PT(电压互感线器)产生感应电压小信号，小信号由选择及放大电路选择通道和放大后，至A/D转换电路变为数字信号，由单片机(AT89C52)进行处理，将数据保存至FM1608/X5045中，同时由LED显示电量，当有通信时，单片机将数据经由CAN通信模块，上传至上位机。

图1 系统总体框图

　　2.1 选择及放大电路设计

　　选择及放大电路由多路选择电路和两级放大电路组成。单片机引脚P2.0片选一74HC377芯片控制5片CD4051芯片使能端，P0口放送一字节编码字，字节前5位片选5个CD4051的INH,后3位控制A/B/C引脚，选择其中一条电流或电压感应通路，而使其他通路处于断开状态。

　　放大电路由两片LM358芯片级联，将所选的通路的小信号线性放大，放大到适应A/D芯片处理的采样信号，信号进入A/D芯片后，由模拟信号转化为数字信号，这样单片机才能进行数据处理。多路选择及放大电路如图2。

图 2 多路选择及放大电路

　　2.2 A/D转换电路和存储电路的设计

　　A/D转换电路选用AD574A芯片，它是一种快速12位逐次比较式A/D转换芯片，这里直接与8位AT89C52相连。不需要外接时钟和参考电压等电路就可以正常工作。

　　在用户用电时，AD574A将感应的模拟信号转换为12位的数字信号，P2.2端口片选，控制AD574A的工作状态的读取数据，P0端口通过两次读取A/D芯片输出的12位数据。当32路中某一电流和电压感应数据读入MCU内部寄存器后，和参数进行乘法运算，得出能量数据，并累加在FM1608芯片相应地址中。

　　FM1608芯片可万亿次以上的读写次数,掉电数据大于10年。MCU由RD、WR对其片选，P0通过锁存芯片，对FM1608寻址和读写数据操作，当数据累加达到0.1度时重新归零。

　　X5045芯片有看门狗定时器和保存数据功能，当程序陷入死循环时，X5045 Rst引脚发出复位信号，使单片机复位重启，保障了电能表正常工作；X5045内部相应地址中保存了该表的通信地址，32户电量度数、用电模式、功率限制，还有感应线圈的调整参数等。

　　开关K1-K3外接P1.2-P1.4，K1-K2设置表参数；K3为用户键，当LED显示某户电量时，长按K3超过5秒，MCU发给该户继电器闭合指令，实现电源供电。这部分的电路图如下图3。

图3 A/D转换和存储电路框图

　　2.3 显示电路设计

　　显示电路由两片MC1413P驱动数码管、一片CD4051芯片、2片74HC377芯片、及4个两位数码管组成。单片机由X5045中依次读取32户的用电数据，译码为数码管显示数字的字节，复用P1端口输出，经由两片74HC377锁存器锁存，再由CD4051芯片动态选择其中一路，通过MC1413P驱动数码管，送到a—g及DP上.对8位LED的动态扫描。前两位数码管显示用户编码，后面六位为用户用电总度数。

　　2.4 断电控制模块设计

　　该模块控制继电器的通断电，断电控制模块主要由AT89C2051、1片74LS138、8片74HC377,32片BH3023芯片和32个继电器组成。当存储电路X5045中管理通断电控制地址的数据发生变化时，AT89C52通过TXD向断电控制模块发送字节，断电控制模块根据字节，通过AT89C2051引脚P3.2-P3.4编码输出，由74LS138片选相关74HC377芯片,同时P1口对该锁存器输出一个字节，到达所在BH3023芯片，BH3023芯片对其管理的继电器发送命令，继电器做出通断反应。

　　2.5 CAN通信模块设计

　　CAN通信模块负责上位机与电能表的通信，当上位机下达指令时，通信模块译码并传给AT89C52；AT89C52根据指令内容，做出上传数据、修改参数或给断电控制模块发指令等。

图4 CAN模块电路框图

　　通信模块主要由AT89C51、X5045、SJA1000、PCA82C250芯片组成。SJA1000是一个独立的控制器,有BasicCAN和PeliCAN两种不同的模式，SJA1000的内部功能模块主要有:接口

　　管理逻辑、接收FIFO 队列、接收滤波器、发送缓冲器和CAN模块。CAN模块基于

　　CAN2. 0B的协议执行对CAN帧的发送和接收。

　　CAN通信模块中X5045芯片主要用途为看门狗定时器，当AT89C51陷入死循环时，X5045发出重启电平，使AT89C51复位重启，保障了CAN通信正常工作。模块框图如图4所示。

　　3 多用户电能表软件设计

　　该表软件采用模块化设计，*立分为计量存储显示、CAN 通信模块、断电控制模块三大主程序。为了实现每个主程序的功能, 又把各主程序划分为若干个相应功能子程序或小模块。主程序的作用是系统的初始化、中断管理以及各功能模块的调用等。

　　3.1 计量存储显示程序设计

　　计量存储显示模块硬件设计比较复杂，时序要求严格, CPU内程序存储器容量有限,所以软件采用汇编语言编制,以更好地控制时序和代码空间。整个程序采用模块化编程,主要包含初始化模块、电量采集模块、数据存储模块、信息显示模块、串行通信模块、供电控制模块等。

　　软件设计过程中,考虑到采集数据不能出现错采、漏采等现象以及高可靠性要求,必须采用必要的软件抗干扰措施,如软件陷阱、指令冗余、程序运行监视、数据校验、数据备份、数据写入存储器判断等措施。其主程序流程设计思想如图5所示。

图5 计量存储显示主程序框图

　　3.2 CAN通信模块程序设计

　　CAN通信模块主程序包括看门狗的初始化子程序(X5045_Rstdog()); 串行通信初始化子程序(Serial_init()); SJA1000 初始化程序子设计(CAN_Init()); 发送程序子设计(CAN_Send_Trans()); 以及接收程序设计子程序(CAN_Rece_Trans())。

　　CAN通信模块上电或复位后，先串行通信初始化程序负责设置波特率,读取电能表表号等；接着CAN初始化程序主要是对SJA1000寄存器的初始化,包括：定义BasicCAN、验收屏蔽码、总线的位速率、位周期内的采样点和采样数量、管脚RX0、TX0的输入输出模式和配置。这些完成后,要清除SJA1000的复位请求标志进入工作模式, SJA1000准备进行报文的发送和接收；程序进入循环等待中。当上位机有指令下达，引起中断，调用中断函数和相关的发送接收子程序。

　　该主程序设计采用基于Keil C的C语言进行编程,调用基本库函数来实现各种功能。

　　3.3 断电模块程序设计

　　断电模块上电或复位后，程序先进行串行端口波特率初始化等，接着进入循环等待状态，串行中断发生时，调用串行通信中断函数，由P3.0端口接收数据并解码，对P3.2-P3.4端口赋值，接着等待74LS138反应时间后，对P0端口赋值，再等待外部芯片反应时间后，退出中断函数。

　　结束语

　　随着科学技术的发展，智能产品设计更注重于人性化的特点。本电能表设计形成产品后市场前景广阔, 对于我国电力市场的规划管理，小区生活品质提升将起到积极的作用。

　　本文作者创新点:1.在多用户电能表中采用成熟的CAN总线通信技术；2.在硬件和软件方面增加了可透支用电的人性化设计。