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基于CAN总线的多用户电能表设计.doc
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基于CAN总线的多用户电能表设计.doc
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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,通信速度最大可到 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最大负载时,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 核心模块。CAN 核心模块基于 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())。
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。
电子式多功能电能表的设计与实
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