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介绍

目前，我国城镇居民的电表、水表、天然气表，绝大部分采用人工抄表。 抄表员每个月都会逐一检查每一个表。 也有不少地区通过抄表改造工程实现了集中抄表。

目前使用的远程抄表仍面临一些挑战：如初始成本高，同时传输的数据是终端用户消耗的水、电、气等重要数据，以及对总线的抗干扰要求很高。 具有抗电容和电感耦合干扰的能力。 为了节约成本，应为从设备提供远程供电，尽可能减少元器件的使用。

为了解决上述问题，本文设计了一种基于CAN总线的远程抄表系统。 基于CAN总线的系统具有成本低、可靠性高、简单、管理方便、操作简单等优点，可以通过扩展升级硬件，将集中器采集的实时数据发送给售电，使用有线网络或无线统一管理在公司管理系统中，通过线损分析、远程开关机、防盗分析等功能的应用，实现更高的智能化。

1 聚光器的功能及原理分析

一个通用的智能电表系统由四部分组成：表头、集中器、通信器和上位机系统。 具体如图1所示，其工作原理是利用集成载波表或安装在表端的电能计量传感器系统模块，通过CAN总线组网，集中器按设定时间接收数据期并在内部保存。 在flash中，当上位机发出读取数据的信号时，上位机通过RS232或RS进行读取，读取的数据通过网络传输到用电管理中心。

在远程抄表系统中，集中器是一个重要的组成部分。

集中器通过CAN总线控制读取表头的数据，数据存储在集中器的flash中。 集中器执行上位机发送的控制命令：

时间同步、闪读、抄表、停电、增加表头地址等。

集中器通过CAN控制器向总线发送抄表命令信号，各表头根据抄表命令将采集到的信号通过CAN总线发送给集中器。 集中器将收集到的信号存储在闪存芯片中。 上位机将读取的数据信号通过串口发送给集中器，集中器将flash中存储的数据传输给上位机。

2个集中器

主控芯片是ST的STM32F103Tx系列，这个系列是ARM的CortexTM-M3处理器，是最新一代的ARM处理器，它提供了一个低成本的平台，减少了引脚数，降低了系统的同时提供了卓越的计算性能和先进的响应能力。 运行速度快（系统时钟频率高达72MHz）26个复用GPIO； 64KB片上RAM； 2个12位模数转换器，1μs转换时间（最多16个输入通道）； 3个SPI、5个USART、2个IIC接口； 片上256KB FLASH； 2个看门狗，11个定时器； 芯片具有独立的实时时钟，可以丰富相关信息，并为单片机提供库函数。 用C语言编程非常方便，易于开发。

由于智能电表控制器需要非常准确的实时性能，方便售电公司收取用电费。 因为主控芯片自带实时时钟，所以只需要外接一个独立的32.768kHz晶振即可。 实时时钟不仅可以通过寄存器设置年、月、日和具体时间，还具有闹钟功能，定时中断可以用于指定的操作。

智能电表集中器的硬件结构如图1所示，主要由ARM、Flash、时钟芯片、接口电路、RS232、RS485、电源等组成。 作为控制芯片，ARM具有标准设计； ARM接口电路比较简单，下面重点介绍CAN总线接口和Flash。

图1 智能抄表系统结构

2.1 CAN总线接口

由于系统在信号传输过程中对稳定性和抗干扰能力要求较高，因此CAN接口采用高标准的接口电路。 电路图如图2所示。

图2 CAN接口硬件电路图

CAN-bus接口电路采用+3.3V供电，选用CTM8251A隔离CAN收发器。 该芯片是一款3.3V工业级隔离CAN收发器。 CTD0信号连接到主控芯片CAN控制器的发送引脚，CRD0信号连接到CAN控制器的接收引脚。 CTM隔离CAN收发器中有完整的CAN-bus隔离收发电路，可将来自CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线信号，具有DC2500V隔离功能。 此外液晶屏智能电表控制器，CTM收发器可选择集成ESD保护功能的“T”系列，从而省去ESD保护器件的外扩。 共模扼流圈T1起到增强EMI的作用，用于提高设备的EMI能力； 共模扼流圈T1的电感参数很重要，选用CAN-bus专用器件，如EPCOS的B82793扼流圈。

2.2 Flash接口电路设计

集中器需要采集与其连接的每个表头的数据，因此数据量大，对存储要求高，所以选用了ST的M25P64-VMF6TP。 芯片为64M闪存，增强型数据传输时钟速率为50MHz； 读取吞吐量为50Mbps； 接口是一个简单的4线SPI（串行接口）接口； 深度省电模式中断功耗，电流消耗仅为1uA。

M25P64Flash芯片通过SPI总线与ARM相连。 SPI总线系统是一种同步串行外设接口，使MCU能够以串行方式与各种外设进行通信，交换信息，一般使用4条线：串行时钟线（SCL）、主机输入/从机输出数据线MISO（ SDO）、主输出/从输入数据线MOSI（SDI）和低电平有效从选择线CS。 SPI以主从方式工作，通常有一个主设备和一个或多个从设备。

图3是ARM与Flash的连接电路图。 以下几点说明： (1) SCL串行时钟信号，由主设备产生； (2) SDO主设备数据输出，从设备数据输入； (3) SDI主设备数据输入液晶屏智能电表控制器，从设备数据输出； (4) CS为片选，从机使能信号，受主机控制。 (5)外接7、15、16角，提高芯片输入信号的抗噪能力，增强抗干扰能力。

图3 Flash接口硬件电路图

3 集中器软件设计

集中器系统采用数列程序设计，程序按功能模块设计。 主程序调用各个功能模块程序实现相应的各个功能，各个功能模块通过调用底层函数完成相应的操作。 具体过程如图4所示。启动后，系统进行初始化。 系统进入等待命令模式。 如果有来自上位机的运行命令或出现定时中断，则进入时间同步程序。 如果一定时间后时间同步失败，会告警上位机。

时间同步成功后，集中器继续等待上位机的读取命令或等待中断读取命令。 接收到抄表命令后，定时抄表使集中器按照设定的时间自动读取表头采集的数据； 读数使集中器读取当前表头的数据。

图4 系统软件流程图

集中器可以通过CAN总线挂载到100米，集中器发出CAN总线设备的ID。 各子系统表计接收到相应的ID号后，根据系统下发的抄表指令反馈数据。 如果CAN通讯出现故障，CAN控制器通讯会报错。 如果系统环路正常，则集中器发送命令包。 每帧 CAN 数据包含 8 个字节。 因为每次读取的数据流量不是很大，所以每次通信只需要一帧CAN数据。 header ID由frame ID标识，每个header对应一个独立的frame ID。

集中器向CAN总线发送CAN数据命令包，表头根据各自的ID选择接收抄表命令，然后向CAN总线发送响应数据。

集中器提取接收到的响应数据并将仪表读数存储在闪存中。 CAN数据收发工作流程如图5所示。

图5 数据收发流程图

4。结论

作为智能抄表系统的一部分，该设计已成功应用于一些远程抄表系统。 由于成本适中，性能稳定，取得了良好的经济效益，具有良好的推广前景。 同时，经过简单的修改可以开发出其他的远传抄表系统，比如燃气远传抄表系统。

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