摘 要：本文介紹一種基于CAN總線(xiàn)的電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng),，闡述了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中多個(gè)集中器的CAN總線(xiàn)分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組建方法,，詳細(xì)分析了CAN控制器SJA1000增強(qiáng)模式下的雙濾波器原理,，實(shí)現(xiàn)了主,、從集中器之間的點(diǎn)名通信和廣播通信，取得了良好的應(yīng)用效果,。
關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn);遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理;點(diǎn)名通信;廣播通信
　　利用極為普遍的公用電話(huà)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)MODEM遠(yuǎn)程抄表是目前電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理的主要方式之一,。常見(jiàn)的MODEM抄表系統(tǒng)是管理中心通過(guò)電話(huà)網(wǎng)以發(fā)散的形式與分散于各臺(tái)變區(qū)域的集中器連接，形成1對(duì)N的星型通信網(wǎng)絡(luò),。由于利用電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行通信通常需要較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行握手應(yīng)答和線(xiàn)路續(xù)接,，數(shù)據(jù)點(diǎn)較多時(shí)通信效率很低;另外，當(dāng)集中器數(shù)目較多時(shí),，租用的電話(huà)線(xiàn)也較多,，尤其在居民密集的城區(qū)，集中器的密度很大,，管理中心的電話(huà)租借費(fèi)用將相當(dāng)高,。因此，上述缺點(diǎn)限制了傳統(tǒng)的基于電話(huà)網(wǎng)的電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的推廣使用,。
　　為此,，筆者開(kāi)發(fā)了一種基于CAN總線(xiàn)的電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的一個(gè)集中器一部電話(huà)的組建模式,，而將位置相對(duì)集中的多個(gè)集中器用CAN總線(xiàn)組成局域網(wǎng),，一個(gè)局域網(wǎng)只需一部電話(huà)與管理中心通信,。這種組建方式一方面大大減少了集中器電話(huà)租借數(shù)目，大大降低了通信成本;另一方面,，利用CAN總線(xiàn)特有的廣播通信方式,，可有效提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信能力。
1 電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)構(gòu)成
　　基于CAN總線(xiàn)的電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)是一個(gè)三級(jí)分布式檢測(cè)系統(tǒng),，主要由管理中心,、集中器、采集單元,、通信信道,、采集終端等5部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
　　圖1中，系統(tǒng)信道包括電話(huà)線(xiàn),、CAN總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn),。采用電話(huà)線(xiàn)撥號(hào)方式，三級(jí)通信包括管理中心與主集中器之間的MODEM通信,、主集中器與從集中器之間的CAN總線(xiàn)通信,、集中器與采集單元（或采集模塊、采集終端）之間的RS-485總線(xiàn)通信,，通過(guò)MODEM的調(diào)制和解調(diào)功能,，能夠及時(shí)、方便地進(jìn)行系統(tǒng)的遠(yuǎn)程信息傳輸,，與主集中器實(shí)現(xiàn)信息交換：每臺(tái)主集中器通過(guò)CAN總線(xiàn),，可以管理10 km內(nèi)安放在各配電變壓器附近的從集中器（CAN節(jié)點(diǎn)），從集中器為1～110個(gè);從集中器通過(guò)RS-485總線(xiàn),，采用的SN65LBC184芯片規(guī)定的從機(jī)個(gè)數(shù)為1～64個(gè),，因此系統(tǒng)采集終端的個(gè)數(shù)也為1～64個(gè)，（即1～1024戶(hù)居民用戶(hù)電表）,，管理變壓器采集單元和低壓居民用戶(hù)采集終端;每個(gè)采集終端可以實(shí)現(xiàn)1～16戶(hù)居民用戶(hù)的電量采集與采集信息傳輸,。



圖1 基于CAN總線(xiàn)的電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)


2 CAN總線(xiàn)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　CAN總線(xiàn)是電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)主、從集中器之間的通信鏈路,，CAN總線(xiàn)通信的穩(wěn)定可靠是電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)運(yùn)行成敗的關(guān)鍵,。

　　2.1 CAN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）是一種先進(jìn)的串行通信協(xié)議,，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)范圍,。CAN總線(xiàn)具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，支持差分收發(fā),，因而適合高噪聲環(huán)境,，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離,，特別適合中小型分布式測(cè)控系統(tǒng)。由于CAN具有實(shí)時(shí)性好,、可靠性高,、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn),、通信速度快,、采用短信息幀結(jié)構(gòu)和多主通信方式以及可使用多種通信介質(zhì)等許多優(yōu)點(diǎn)，在航空,、航海,、汽車(chē)、建筑物環(huán)境控制,、機(jī)床,、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域以及各種工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　2.2 CAN總線(xiàn)分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的組建方法

　　多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳輸介質(zhì)按一定的形式互連,，就可以組成CAN通信網(wǎng)絡(luò),。與RS-485總線(xiàn)類(lèi)似，CAN總線(xiàn)只支持總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò),。CAN總線(xiàn)通信只用到兩根導(dǎo)線(xiàn)CAN_H、CAN_L,，對(duì)通信介質(zhì)的要求較低,，雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖均可,，通常采用廉價(jià)的雙絞線(xiàn)即可,。由集中器節(jié)點(diǎn)組成的CAN總線(xiàn)分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。



圖2 CAN總線(xiàn)分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
　　圖2中,，總線(xiàn)的兩個(gè)末端均接有抑制信號(hào)反射的終端電阻RT,，一般取RT=100～120Ω。在實(shí)際組網(wǎng)時(shí),，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況決定圖中的3個(gè)參數(shù)：節(jié)點(diǎn)分支長(zhǎng)度D應(yīng)小于0.3米;相鄰節(jié)點(diǎn)的距離S和不加中繼的可靠通信距離L取決于總線(xiàn)的通信速率,，速率越高，其允許值越小,。按照CAN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898的建議,，在總線(xiàn)位速率為1Mbps時(shí)，S和L的值應(yīng)小于40m,，但當(dāng)總線(xiàn)位速率小于5Kbps時(shí),，L的允許值可達(dá)10Km。

3 主,、從集中器之間的通信方式

　　在本電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中,，主,、從集中器之間是一種典型的分布式通信系統(tǒng)，以主從方式進(jìn)行通信,，即系統(tǒng)中必須且僅需一個(gè)主集中器,，其余均為從集中器。所有通信皆由主集中器發(fā)起,，從集中器之間不能,、也無(wú)必要通信。

　　3.1 主,、從集中器地址分配

　　CAN協(xié)議的報(bào)文標(biāo)識(shí)符可以使不同的數(shù)據(jù)發(fā)往不同的節(jié)點(diǎn),，也可以使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到相同的數(shù)據(jù)。若定義某CAN節(jié)點(diǎn)只接收以某個(gè)特定的標(biāo)識(shí)符開(kāi)始的數(shù)據(jù),，則可以近似地把該標(biāo)識(shí)符作為此節(jié)點(diǎn)的“地址”,。

　　電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中，主,、從集中器作為CAN總線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)都工作于增強(qiáng)模式（PeliCAN mode）,，以擴(kuò)展幀雙濾波方式傳遞報(bào)文。對(duì)于擴(kuò)展幀而言,，濾波器1由ACR0,、ACR1,、AMR0和AMR1構(gòu)成,，濾波器2由ACR2、ACR3,、AMR2和AMR3組成,，擴(kuò)展幀格式的CAN信息幀的29位標(biāo)識(shí)符中也只有高16位（ID28～I(xiàn)D13）參與了濾波。兩個(gè)濾波器在過(guò)濾數(shù)據(jù)時(shí)是“或”的關(guān)系,，即只要CAN信息幀通過(guò)其中任意一個(gè)濾波器的驗(yàn)收,，就可以被接收。如圖3所示即為擴(kuò)展幀格式的雙濾波器驗(yàn)收濾波流程圖,。



圖3 擴(kuò)展幀格式的雙濾波器驗(yàn)收濾波流程
　　系統(tǒng)為每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的濾波器1的驗(yàn)收碼寄存器ACR定義了不同的數(shù)值,，用以區(qū)分不同的集中器，即為集中器分配了地址,，其中主集中器的地址為0001,，這是區(qū)分主、從集中器的標(biāo)志,。有了這個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)地址,，分布式系統(tǒng)中的主集中器就可以和系統(tǒng)中任意一個(gè)從集中器交換數(shù)據(jù)，即進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信,。所有從集中器的濾波器2的ACR值均為FFFFH,，作為接收主集中器廣播數(shù)據(jù)的地址,。主、從集中器的地址分配如表1所示,。

　　表1 主,、從集中器的地址分配



　　由上可見(jiàn)，基于CAN總線(xiàn)的分布式通信系統(tǒng)中,，主,、從集中器之間實(shí)質(zhì)上存在著兩條信息通道，即所有CAN節(jié)點(diǎn)的濾波器1構(gòu)成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息交換通道（點(diǎn)名通道）,，所有CAN節(jié)點(diǎn)的濾波器2構(gòu)成了一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的信息交換通道（廣播通道）,。其中點(diǎn)名通道是雙向的，廣播通道是單向的,，即CAN信息幀由主集中器發(fā)出,，所有從集中器進(jìn)行接收。CAN總線(xiàn)分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)信息通道抽象示意圖如圖4所示,。



圖4 CAN總線(xiàn)信息通道抽象示意圖
3.2 點(diǎn)名通信

　　進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信（點(diǎn)名）時(shí),，主集中器發(fā)送的信息幀高16位標(biāo)識(shí)符即為從集中器的地址（點(diǎn)名地址）。系統(tǒng)所有從集中器的驗(yàn)收屏蔽碼AMR全為0,，即要求濾波器1和濾波器2進(jìn)行全值濾波,，只有當(dāng)從集中器的濾波器1驗(yàn)收碼ACR設(shè)定值與主集中器發(fā)送的點(diǎn)名地址完全相符時(shí)，該從集中器才可以接收數(shù)據(jù),。主集中器的驗(yàn)收屏蔽碼AMR全為1,，實(shí)現(xiàn)無(wú)條件濾波，可以接收所有從集中器的數(shù)據(jù),，這個(gè)特點(diǎn)是主從式通信系統(tǒng)中主機(jī)所應(yīng)具備的特點(diǎn),。

　　點(diǎn)名通信由主集中器發(fā)起，通過(guò)總線(xiàn)送出信息幀后,，所有從集中器均進(jìn)行濾波,，但只有符合點(diǎn)名地址的那個(gè)從集中器才能接收到命令和數(shù)據(jù)，由其CAN控制器SJA1000向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求,。從集中器的中斷服務(wù)程序根據(jù)接收的命令或數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的操作,，然后向主集中器發(fā)送返回信息。

　　3.3 廣播通信

　　進(jìn)行廣播通信時(shí)（如整點(diǎn)對(duì)時(shí),、發(fā)布統(tǒng)一費(fèi)率等）,，主集中器發(fā)送的信息幀高16位標(biāo)識(shí)符是FFFFH，所有從集中器均可通過(guò)各自的濾波器2接收數(shù)據(jù),，從而實(shí)現(xiàn)全局廣播通信,。廣播通信可以使同一CAN局域網(wǎng)內(nèi)的所有從集中器同時(shí)接收主集中器的命令或數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了通信的實(shí)時(shí)性和同步性,。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　基于CAN總線(xiàn)的電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)利用CAN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了位置相對(duì)集中的變壓器臺(tái)區(qū)的組網(wǎng)通信,，大大減少了MODEM抄表所需的電話(huà)租借數(shù)目,，大幅降低電話(huà)租借費(fèi)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益,。實(shí)際運(yùn)行表明：CAN總線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)主,、從集中器之間的可靠通信。因此,，本系統(tǒng)所采用的CAN總線(xiàn)通信方式可推廣到其它類(lèi)似的分布式測(cè)控系統(tǒng),。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：構(gòu)建了基于CAN總線(xiàn)的分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);充分利用CAN控制器SJA1000增強(qiáng)模式下雙濾波器的特性，實(shí)現(xiàn)了主,、從集中器之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和廣播通信;本系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)踐考驗(yàn),，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本系統(tǒng)已經(jīng)在湖南省多個(gè)電力局推廣使用,，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益累計(jì)達(dá)一百余萬(wàn)元,。

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