一種智能多協(xié)議通信適配器的設計

0 引言

　　目前電力系統的通信、監控和數據采集系統采用的是一種分布式的通信結構。伴隨著(zhù)新設備、新技術(shù)的應用，在當前我國的電力系統內，對終端單元的通信、監控和數據采集存在著(zhù)三大問(wèn)題：一是分布式系統的工作效率較低；二是終端種類(lèi)繁多，并且通信協(xié)議互不兼容；三是主站的數據采集前端子系統（工控采集板、協(xié)議轉換板等）適應性較差，實(shí)際使用效果難以令人滿(mǎn)意。

　　電力系統所需要的，應該是這樣一種主站數據采集前端子系統：首先它應該可以實(shí)現與多種類(lèi)型的終端單元進(jìn)行通信與數據采集；其次，它應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)地完成對終端單元的數據采集和協(xié)議轉換任務(wù)；最后，這個(gè)子系統還應該價(jià)廉物美，具有良好的經(jīng)濟性。

1 采集與監控系統結構

　　在變電站和工業(yè)現場(chǎng)的微機監控應用系統中，要采集許多遠程現場(chǎng)數據點(diǎn)，這時(shí)主站PC機與下位機通過(guò)串行通訊來(lái)完成命令與現場(chǎng)采集數據的傳輸。目前比較通用的是在PC機或工控機內安裝數據采集板卡，如A/D卡及422、485卡。這些數據采集設備存在以下缺陷：安裝麻煩、價(jià)格昂貴；受計算機插槽數量、地址、中斷資源限制，可擴展性差；在一些電磁干擾性強的測試現場(chǎng)，無(wú)法專(zhuān)門(mén)對其做電磁屏蔽，導致采集的數據失真。通用串行總線(xiàn)（Universal Serial Bus,簡(jiǎn)稱(chēng)USB）是1995年康柏、微軟、IBM、NEC等公司為了解決傳統總線(xiàn)的不足推廣的一種新型串行通信標準。該總線(xiàn)接口具有安裝方便、高帶寬、易擴展等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為現代數據傳輸的發(fā)展趨勢?；赨SB的數據采集系統充分利用USB總線(xiàn)的上述優(yōu)點(diǎn)，有效解決了傳統數據采集系統的缺陷。本設計就是將RS-232、RS-485與傳輸距離短但高速、可靠易擴展的USB相結合，形成了能夠多點(diǎn)、快速、可靠、低成本的遠距離數據采集系統。

2 適配器的硬件電路實(shí)現

　　通信適配器硬件結構如上圖1所示。微控制器采用AT89C52，該控制器具有運算速度快、兼容MCS51指令集的特點(diǎn)，內部集成8Kflash，性?xún)r(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。為了防止外界干擾對MCU的影響，單片機與下位機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，該控制芯片能夠實(shí)現微控制器的并行總線(xiàn)到USB口的總線(xiàn)接口功能，而且編程方便，適用于多種微控制器，內部集成實(shí)現USB功能的PLL、SIE、FIFO模塊，與普通的微控制器配合就可以實(shí)現功能完備的USB外設。對于一個(gè)微控制器而言，PDIUSBD12就象一個(gè)帶8位數據總線(xiàn)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)現的。1.5kΩ上拉電阻集成在PDIUSBD12內部，默認狀態(tài)下不與VCC相連。連接的建立通過(guò)外部/系統微控制器發(fā)出命令來(lái)實(shí)現。這就允許系統微控制器在決定與USB建立連接之前完成初始化時(shí)序。USB總線(xiàn)連接可以重新初始化而不需要拔出電纜。

　　考慮到現在工業(yè)領(lǐng)域常用的總線(xiàn)有RS232、RS485等，采用MAXIM公司的MAX232、MAX485接收發(fā)送器實(shí)現電平轉換。與外界的接口采用光電開(kāi)關(guān)，通過(guò)上位機初始化設置總線(xiàn)類(lèi)型選擇與外界的接口方式，從而有效的避免了設置值與實(shí)際操作中接法的不一致。又因為RS-485總線(xiàn)為并接式二線(xiàn)制接口，一旦有一只芯片故障就可能將總線(xiàn)“拉死”，因此對其二線(xiàn)口VA、VB與總線(xiàn)之間應加以隔離。通常在VA、VB與總線(xiàn)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(xiàn)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 適配器的軟件設計

　　適配器的軟件主要包括AT89C52微控制器的軟件以及上位機的管理軟件?？紤]到上位機的處理速度優(yōu)勢，將協(xié)議轉換的工作交由上位機的客戶(hù)服務(wù)程序來(lái)完成。單片機AT89C52主要實(shí)現智能的終端與協(xié)議識別以及與下位機的通信和數據轉存。由于采用USB接口與上位機通信不占用上位機系統的CPU時(shí)間，這樣即把上位機從通信瓶頸中解脫出來(lái)，又充分利用了上位機的速度優(yōu)勢。

3．1 單片機控制程序設計

　　單片機的控制程序由三部分組成：首先是初始化部分，完成單片機和所有外圍電路（包括PDIUSBD12）的初始化以及終端和協(xié)議的識別；其次是主循環(huán)部分，等待來(lái)自數據采集或上位機的數據并實(shí)現數據的轉存；最后是中斷服務(wù)程序，完成相應的中斷處理功能。

　　設備安裝完后準備運行前，操作人員可利用上位機管理軟件提供的用戶(hù)界面初始化一些系統參數，如總線(xiàn)類(lèi)型、終端類(lèi)型等等。當選擇智能搜索終端時(shí)，單片機按次序調用儲存在其內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。如果終端返回信號并且信號格式與單片機發(fā)出的相同（即二者的協(xié)議相同），則認為該終端有效；如果終端返回信號與單片機發(fā)出的不同，或者連接超時(shí)，則認為該終端無(wú)效或不存在。單片機將最終搜索結果即終端信息表寫(xiě)入存儲器指定單元，并通知微機讀取，以備隨后的通信使用。