多路485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)串口服務(wù)器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

賈 偉， 盛曉明， 陸陽杰， 王 煒， 董艷青

(1. 中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430071；2. 江蘇安科瑞電器制造有限公司，江陰 214405)

0 引言

通信技術(shù)憑借著高效且持續(xù)性的發(fā)展，成為社會(huì)熱門技術(shù)，其中核心的串口通信技術(shù)更是憑借接口簡(jiǎn)單、使用方便、技術(shù)易掌握等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，目前傳統(tǒng)的工業(yè)控制設(shè)備大多是通過串口來進(jìn)行通訊。串口通信雖然使用方便，但抗干擾能力差，易受傳輸距離和速度限制。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用串口連接以太網(wǎng)服務(wù)器，將數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)后臺(tái)，可以克服串口通信傳輸距離和速度限制問題。

為此，本文所述解決方案在基于stm32芯片的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了8路RS485串口服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)串口與以太網(wǎng)端口數(shù)據(jù)交互，同時(shí)用戶還可通過該串口服務(wù)器的雙網(wǎng)口功能級(jí)聯(lián)另一臺(tái)串口服務(wù)器，以解決串口設(shè)備功能單一、監(jiān)控路數(shù)較少等通信問題，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，此解決方案具有較高的實(shí)用性。

1 串口服務(wù)器的整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由帶網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45以太網(wǎng)連接器HR915 200A、主控MCU和8個(gè)電氣隔離的485串口模塊組成，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)串口與以太網(wǎng)端口之間的數(shù)據(jù)交互。圖1所示為串口服務(wù)器整體的設(shè)計(jì)框圖。

圖1 串口服務(wù)器整體的設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)以32位STM32F429VET6作為主控芯片，該主控芯片是一款32位Cortex?-M4CPU，主頻可以達(dá)到180MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)225DMIPS/1.25DMIPS/MHz (Dristone 2.1)性能要求，具有dsp的指令集。具備4個(gè)USART接口、4個(gè)UART(11.25 Mbit/s)接口、6個(gè)SPI(45 Mbits/s)接口，具有專用的以太網(wǎng)MAC，支持MII/RMII接口，可以通過 SPI串行接口或者RMII接口控制網(wǎng)絡(luò)芯片收發(fā)數(shù)據(jù)。

采用以太網(wǎng)芯片DP83848KSQ實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)頁配置及第一路以太網(wǎng)接口通訊。其中，DP83848KSQ是一款10/100Mbps單物理層(PHY)器件，具有良好的魯棒性，功能齊全、功耗低；同時(shí)支持MII(媒體獨(dú)立接口)和RMII(精簡(jiǎn)型媒體獨(dú)立接口)，能同時(shí)兼容10M/100M以太網(wǎng)外設(shè)，對(duì)其他標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)解決方案也具有很好的兼容性和通用性。

采用W5500以太網(wǎng)接口芯片實(shí)現(xiàn)第二路以太網(wǎng)接口通訊及另一臺(tái)串口服務(wù)器的通信級(jí)聯(lián)。其中，W5500是一款集成硬件TPC/IP協(xié)議棧的以太網(wǎng)芯片，內(nèi)部集成了10/100M以太網(wǎng)MAC和PHY，可以8個(gè)獨(dú)立的端口同時(shí)工作，幫助系統(tǒng)自行進(jìn)行握手的功能(全雙工、半雙工)，同時(shí)支持高達(dá)80MHz時(shí)鐘的SPI接口與主控芯片進(jìn)行通信。

選用8個(gè)MAX13487芯片來實(shí)現(xiàn)8路RS485協(xié)議通信，并通過軟件程序?qū)υ撚布軜?gòu)設(shè)計(jì)。

1.1 電源電路設(shè)計(jì)

串口服務(wù)器可以采用AC/DC 85-265V的交直流供電電源輸入方式。當(dāng)輸入供電電壓為AC/DC 85-265V時(shí)，通過反激式開關(guān)電源可以輸出一個(gè)穩(wěn)定的主5V電壓，該開關(guān)電源方案成熟，轉(zhuǎn)化效率高、帶載能力高，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，再經(jīng)過1個(gè)線性穩(wěn)壓器SPX1117M3-L-3-3/TR為整個(gè)串口系統(tǒng)提供3.3V穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源輸出5V電壓電路如圖2所示，3.3V穩(wěn)壓LDO電路如圖3所示。

圖2 開關(guān)電源輸出5V電壓電路

圖3 3.3V穩(wěn)壓LDO電路

1.2 RS485串口通信電路設(shè)計(jì)

RS485是一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，通常用“A和B”或者“D+和D-”來表示。邏輯“1”代表A、B或者(D+、D-)線路之間的電壓差為0.2-6V，邏輯“0”代表A、B或者(D+、D-)線路之間的電壓差為-0.2-6V。最大的傳輸距離能夠在1 200m上下。使用RS485收發(fā)器MAX13487與SI8622EC-B-IS組合，可以保證2kV電氣隔離的RS485串口正常通訊。RS485通訊電路如圖4所示。

圖4 RS485通訊電路

1.3 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)

采用PHY芯片DP83848KSQ實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)頁配置與第一路以太網(wǎng)接口通訊，PHY芯片輸出一組RMII接口MDC、MDIO、CLK、TXEN、TXD0、TXD1、CRS_DV、RXD0、RXD1、nRST與STM32F429VET6的RMII接口相連。

W5500作為一個(gè)以太網(wǎng)模塊與第二路以太網(wǎng)接口通訊，作為從機(jī)通過SPI接口協(xié)議與主控芯片通信，除SPI協(xié)議通信所需要的MOSI、MISO、SCK和SCSn根信號(hào)線與主控芯片的SPI接口相連外，還要RESET、INT、PMODE0、PMODE1、PMODE2引腳與STM32F429VET6的GPIO口相連。以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 以太網(wǎng)接口電路

以太網(wǎng)連接器采用HR915 200A，該連接器集成了網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器并且選用了RJ45接口，因此簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)。

2 串口服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

串口服務(wù)器軟件流程圖如圖6所示，主控芯片STM32F429VET6控制以太網(wǎng)芯片DP83848KSQ和W5500，LED指示燈，外部FLASH以及8路RS485通訊。

圖6 串口服務(wù)器的軟件流程圖

串口服務(wù)器的初始化流程先經(jīng)過系統(tǒng)的時(shí)鐘初始化，而后進(jìn)行參數(shù)初始化、串口初始化，最后完成以太網(wǎng)初始化。

串口服務(wù)器的主任務(wù)流程先經(jīng)過系統(tǒng)的時(shí)鐘初始化，之后8路RS485串口收發(fā)數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)服務(wù)器解析8路串口數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，同時(shí)對(duì)應(yīng)的LED燈閃爍，服務(wù)器檢查連接是否超時(shí)，假如連接超時(shí)，通過“看門狗”返回上級(jí)串口數(shù)據(jù)收發(fā)一層，重復(fù)對(duì)應(yīng)流程直至數(shù)據(jù)被準(zhǔn)確接收。

串口服務(wù)器還可通過第一路網(wǎng)口對(duì)應(yīng)的IP地址去配置8個(gè)RS485的通信參數(shù)，包括通信端口號(hào)、波特率、校驗(yàn)位、停止位等。串口服務(wù)器的WEB版配置界面如圖7所示。

圖7 串口服務(wù)器WEB版配置界面

3 串口服務(wù)器應(yīng)用實(shí)例

該串口服務(wù)器已成功運(yùn)用在多個(gè)行業(yè)內(nèi)，如工礦企業(yè)、石油化工、建筑樓宇、酒店公寓、市政工程、交通運(yùn)輸、教育醫(yī)療、電氣安全等。

以某市康橋先進(jìn)制造技術(shù)創(chuàng)業(yè)園項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目主要采取分層分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(現(xiàn)場(chǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和平臺(tái)層)，將能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)與環(huán)比剖析的數(shù)據(jù)一同量化節(jié)能技術(shù)的改造成果，最大程度體現(xiàn)節(jié)能改造帶來的效果。

該項(xiàng)目客戶要求：(1)配置相對(duì)簡(jiǎn)單，只需將電表和串口服務(wù)器及網(wǎng)關(guān)的配置導(dǎo)入系統(tǒng)云平臺(tái)后就可使用；(2)能夠遠(yuǎn)程抄表，無需人工抄表，儀表和各類監(jiān)控的狀態(tài)量實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且能準(zhǔn)確到3min以內(nèi)。(3)能夠遠(yuǎn)程控制，能對(duì)任意電表進(jìn)行遠(yuǎn)程分合閘或報(bào)警值設(shè)定等一系列遠(yuǎn)程參數(shù)控制操作，方便維護(hù)管理；(4)用戶和管理員都可查詢各類接入的儀表和開關(guān)量狀態(tài)等每天的用能狀況。

針對(duì)用戶需求并通過實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目所在園區(qū)配電房多且分散，決定采用各類多功能電力儀表、預(yù)付費(fèi)系列儀表、溫濕度控制器、開關(guān)量檢測(cè)模塊等設(shè)備進(jìn)行線路改造，總數(shù)在639塊左右。

由于單個(gè)配電房?jī)?nèi)部安裝了多個(gè)采集測(cè)量設(shè)備，若采用常規(guī)手段，用一條485總線去掛載這些設(shè)備，然后連接至現(xiàn)場(chǎng)總后臺(tái)系統(tǒng)，則存在下列問題：(1)485總線太長(zhǎng)，存在通訊質(zhì)量問題；(2)若單臺(tái)設(shè)備通訊接口接反，可能導(dǎo)致整條總線通訊不上；(3)單獨(dú)一條485總線，掛載的設(shè)備數(shù)量有限。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜情況，決定采用8路RS485串口服務(wù)器。由于該串口服務(wù)器是4模大小，并且有8路RS485串口，可以將串口服務(wù)器直接安裝在本地配電箱里面，滿足了最大配電房設(shè)備接入總數(shù)超過200只的情況(每路485串口最大支持接入30臺(tái)設(shè)備，8路可以滿足240臺(tái))，另外其他設(shè)備總數(shù)較少的配電房，可通過串口服務(wù)器之間的網(wǎng)口級(jí)聯(lián)來與掛載總數(shù)較多的進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，形成設(shè)備層組網(wǎng)，并與就近的主機(jī)或者網(wǎng)關(guān)相連，將數(shù)據(jù)通過4G或者網(wǎng)絡(luò)的形式分兩路上傳至某司能耗云平臺(tái)和預(yù)付費(fèi)云平臺(tái)。該項(xiàng)目的系統(tǒng)方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖8所示，組網(wǎng)方式圖如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖9 組網(wǎng)方式圖

采取三層分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用串口服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)層將設(shè)備層組網(wǎng)起來，將各類數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)平臺(tái)，解決了能耗數(shù)據(jù)的自動(dòng)化、可視化、可量化的采集與存儲(chǔ)，完成了能源的集中化維護(hù)管理，使能源利用率最大化，項(xiàng)目完成度受到客戶高度認(rèn)可。

4 結(jié)束語