一種智能多協(xié)議通信適配器的設(shè)計(jì)

0 引言

　　目前電力系統(tǒng)的通信、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是一種分布式的通信結(jié)構(gòu)。伴隨著新設(shè)備、新技術(shù)的應(yīng)用，在當(dāng)前我國(guó)的電力系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)終端單元的通信、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集存在著三大問(wèn)題：一是分布式系統(tǒng)的工作效率較低；二是終端種類繁多，并且通信協(xié)議互不兼容；三是主站的數(shù)據(jù)采集前端子系統(tǒng)（工控采集板、協(xié)議轉(zhuǎn)換板等）適應(yīng)性較差，實(shí)際使用效果難以令人滿意。

　　電力系統(tǒng)所需要的，應(yīng)該是這樣一種主站數(shù)據(jù)采集前端子系統(tǒng)：首先它應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)與多種類型的終端單元進(jìn)行通信與數(shù)據(jù)采集；其次，它應(yīng)該可以兼容多種通信協(xié)議；然后，最為重要的是它可以智能地、自動(dòng)地完成對(duì)終端單元的數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)；最后，這個(gè)子系統(tǒng)還應(yīng)該價(jià)廉物美，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

1 采集與監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　在變電站和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的微機(jī)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)中，要采集許多遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這時(shí)主站PC機(jī)與下位機(jī)通過(guò)串行通訊來(lái)完成命令與現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的傳輸。目前比較通用的是在PC機(jī)或工控機(jī)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集板卡，如A/D卡及422、485卡。這些數(shù)據(jù)采集設(shè)備存在以下缺陷：安裝麻煩、價(jià)格昂貴；受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴(kuò)展性差；在一些電磁干擾性強(qiáng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)法專門(mén)對(duì)其做電磁屏蔽，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。通用串行總線（Universal Serial Bus,簡(jiǎn)稱USB）是1995年康柏、微軟、IBM、NEC等公司為了解決傳統(tǒng)總線的不足推廣的一種新型串行通信標(biāo)準(zhǔn)。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)?；赨SB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分利用USB總線的上述優(yōu)點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的缺陷。本設(shè)計(jì)就是將RS-232、RS-485與傳輸距離短但高速、可靠易擴(kuò)展的USB相結(jié)合，形成了能夠多點(diǎn)、快速、可靠、低成本的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 適配器的硬件電路實(shí)現(xiàn)

　　通信適配器硬件結(jié)構(gòu)如上圖1所示。微控制器采用AT89C52，該控制器具有運(yùn)算速度快、兼容MCS51指令集的特點(diǎn)，內(nèi)部集成8Kflash，性價(jià)比高。外接看門(mén)狗電路MAX706，可為微控制器提供可靠的保護(hù)。為了防止外界干擾對(duì)MCU的影響，單片機(jī)與下位機(jī)通訊的接口采用光耦隔離，控制接口的隔離采用TLP521-2，收發(fā)的RXD、TXD采用6N137隔離。

　　USB接口采用PHILIPS的USB控制芯片PDIUSBD12，該控制芯片能夠?qū)崿F(xiàn)微控制器的并行總線到USB口的總線接口功能，而且編程方便，適用于多種微控制器，內(nèi)部集成實(shí)現(xiàn)USB功能的PLL、SIE、FIFO模塊，與普通的微控制器配合就可以實(shí)現(xiàn)功能完備的USB外設(shè)。對(duì)于一個(gè)微控制器而言，PDIUSBD12就象一個(gè)帶8位數(shù)據(jù)總線和一個(gè)地址位（占兩個(gè)位置）的存貯器件。與USB的連接是通過(guò)1.5kΩ上拉電阻將D+（用于高速USB器件）置為高來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1.5kΩ上拉電阻集成在PDIUSBD12內(nèi)部，默認(rèn)狀態(tài)下不與VCC相連。連接的建立通過(guò)外部/系統(tǒng)微控制器發(fā)出命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就允許系統(tǒng)微控制器在決定與USB建立連接之前完成初始化時(shí)序。USB總線連接可以重新初始化而不需要拔出電纜。

　　考慮到現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域常用的總線有RS232、RS485等，采用MAXIM公司的MAX232、MAX485接收發(fā)送器實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。與外界的接口采用光電開(kāi)關(guān)，通過(guò)上位機(jī)初始化設(shè)置總線類型選擇與外界的接口方式，從而有效的避免了設(shè)置值與實(shí)際操作中接法的不一致。又因?yàn)镽S-485總線為并接式二線制接口，一旦有一只芯片故障就可能將總線“拉死”，因此對(duì)其二線口VA、VB與總線之間應(yīng)加以隔離。通常在VA、VB與總線之間各串接一只4~10Ω的PTC電阻，同時(shí)與地之間各跨接5V的TVS二極管，以消除線路浪涌干擾。如沒(méi)有PTC電阻和TVS二極管，可用普通電阻和穩(wěn)壓管代替，同時(shí)在該芯片外接0.1uf的電容，也可以有效的防止外界的干擾。

3 適配器的軟件設(shè)計(jì)

　　適配器的軟件主要包括AT89C52微控制器的軟件以及上位機(jī)的管理軟件。考慮到上位機(jī)的處理速度優(yōu)勢(shì)，將協(xié)議轉(zhuǎn)換的工作交由上位機(jī)的客戶服務(wù)程序來(lái)完成。單片機(jī)AT89C52主要實(shí)現(xiàn)智能的終端與協(xié)議識(shí)別以及與下位機(jī)的通信和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存。由于采用USB接口與上位機(jī)通信不占用上位機(jī)系統(tǒng)的CPU時(shí)間，這樣即把上位機(jī)從通信瓶頸中解脫出來(lái)，又充分利用了上位機(jī)的速度優(yōu)勢(shì)。

3．1 單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)的控制程序由三部分組成：首先是初始化部分，完成單片機(jī)和所有外圍電路（包括PDIUSBD12）的初始化以及終端和協(xié)議的識(shí)別；其次是主循環(huán)部分，等待來(lái)自數(shù)據(jù)采集或上位機(jī)的數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存；最后是中斷服務(wù)程序，完成相應(yīng)的中斷處理功能。

　　設(shè)備安裝完后準(zhǔn)備運(yùn)行前，操作人員可利用上位機(jī)管理軟件提供的用戶界面初始化一些系統(tǒng)參數(shù)，如總線類型、終端類型等等。當(dāng)選擇智能搜索終端時(shí)，單片機(jī)按次序調(diào)用儲(chǔ)存在其內(nèi)部閃存中的各種相關(guān)協(xié)議，并通過(guò)通訊接口向外發(fā)出握手指令等待終端響應(yīng)。如果終端返回信號(hào)并且信號(hào)格式與單片機(jī)發(fā)出的相同（即二者的協(xié)議相同），則認(rèn)為該終端有效；如果終端返回信號(hào)與單片機(jī)發(fā)出的不同，或者連接超時(shí)，則認(rèn)為該終端無(wú)效或不存在。單片機(jī)將最終搜索結(jié)果即終端信息表寫(xiě)入存儲(chǔ)器指定單元，并通知微機(jī)讀取，以備隨后的通信使用。