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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。伴隨著新設備、新技術的應用，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三大問題：一是分布式系統的工作效率較低；二是終端種類繁多，并且通信協議互不兼容；三是主站的數據采集前端子系統（工控采集板、協議轉換板等）適應性較差，實際使用效果難以令人滿意。 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：首先它應該可以實現與多種類型的終端單元進行通信與數據采集；其次，它應該可以兼容多種通信協議；然后，最為重要的是它可以智能地、自動地完成對終端單元的數據采集和協議轉換任務；最后，這個子系統還應該價廉物美，具有良好的經濟性。 1 采集與監控系統結構 在變電站和工業現場的微機監控應用系統中，要采集許多遠程現場數據點，這時主站PC機與下位機通過串行通訊來完成命令與現場采集數據的傳輸。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，無法專門對其做電磁屏蔽，導致采集的數據失真。通用串行總線（Universal Serial Bus,簡稱USB）是1995年康柏、微軟、IBM、NEC等公司為了解決傳統總線的不足推廣的一種新型串行通信標準。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易擴展等優點，已經逐漸成為現代數據傳輸的發展趨勢。基于USB的數據采集系統充分利用USB總線的上述優點，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、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，內部集成8Kflash，性價比高。外接看門狗電路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，該控制芯片能夠實現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，內部集成實現USB功能的PLL、SIE、FIFO模塊，與普通的微控制器配合就可以實現功能完備的USB外設。對于一個微控制器而言，PDIUSBD12就象一個帶8位數據總線和一個地址位（占兩個位置）的存貯器件。與USB的連接是通過1.5kΩ上拉電阻將D+（用于高速USB器件）置為高來實現的。1.5kΩ上拉電阻集成在PDIUSBD12內部，默認狀態下不與VCC相連。連接的建立通過外部/系統微控制器發出命令來實現。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。 考慮到現在工業領域常用的總線有RS232、RS485等，采用MAXIM公司的MAX232、MAX485接收發送器實現電平轉換。與外界的接口采用光電開關，通過上位機初始化設置總線類型選擇與外界的接口方式，從而有效的避免了設置值與實際操作中接法的不一致。又因為RS-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”，因此對其二線口VA、VB與總線之間應加以隔離。通常在VA、VB與總線之間各串接一只4"10Ω的PTC電阻，同時與地之間各跨接5V的TVS二極管，以消除線路浪涌干擾。如沒有PTC電阻和TVS二極管，可用普通電阻和穩壓管代替，同時在該芯片外接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。考慮到上位機的處理速度優勢，將協議轉換的工作交由上位機的客戶服務程序來完成。單片機AT89C52主要實現智能的終端與協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時間，這樣即把上位機從通信瓶頸中解脫出來，又充分利用了上位機的速度優勢。 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議的識別；其次是主循環部分，等待來自數據采集或上位機的數據并實現數據的轉存；最后是中斷服務程序，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界面初始化一些系統參數，如總線類型、終端類型等等。當選擇智能搜索終端時，單片機按次序調用儲存在其內部閃存中的各種相關協議，并通過通訊接口向外發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出的相同（即二者的協議相同），則認為該終端有效；如果終端返回信號與單片機發出的不同，或者連接超時，則認為該終端無效或不存在。單片機將最終搜索結果即終端信息表寫入存儲器指定單元，并通知微機讀取，以備隨后的通信使用。 當選擇從智能終端采集數據時，單片機通過順序查詢上述儲存的搜索結果，得到終端的類型。然后，根據不同的終端調用相應的協議，發出采集數據的指令。適配器上的CPU與下位機之間是一對多的通信模式，默認狀態下，采用循環采集，各終端有一預先指定的固定的通信地址。對一個固定的終端而言，CPU發出握手信號，遠方終端響應，則相應的信息經RS232/RS485接收，由CPU存入RAM62256的指定地址；接收完成后，CPU將接收到的數據經D12傳給上位機；上位機的客戶服務程序對上傳上來的數據進行解碼、校驗，如有誤，通知終端重傳；如無誤，則將解碼后的信息轉存入計算機指定的內存，并備份到相應的文檔，供其他的客戶服務程序使用。根據系統的特點，還可以采用定點采集方式對指定終端進行數據采集與監控。以下給出單片機主程序流程圖（圖2）。 圖2：微控制器主程序流程圖 3．2 上位機的程序設計 從上位機來看，適配器為它的一個USB外設。因此上位機必須提供USB外設的驅動程序。上位機的管理軟件包括客戶服務程序以及USB驅動程序。 客戶服務程序（Client software）是駐留在上位機的與USB系統軟件交互作用的軟件。它確定需要與功能（即USB外設）進行什么樣的傳輸，當它需要與功能進行傳輸時，提出一個請求，并生成一個IRP（I/O中斷請求包），然后進行USBD（USB Driver）調用，把IRP通過USBD接口傳送給USBD。當該傳輸請求被服務后，客戶服務軟件接收IRP完成狀態的通知。如果該傳輸涉及功能到主機的數據傳輸，則客戶服務軟件可以訪問與該IRP有關的數據緩沖區中的數據。 USB驅動程序（USBD）是駐留在上位機的為客戶提供通用服務的軟件實體，它管理主控制器上的一個或多個功能。它通過調用適當的主控制器驅動程序（HCD）將用戶IRP中的數據轉化為設備端點的數據，或通過回調適當的HCD將設備端點的數據轉化為客戶IRP中的數據。USBD接收來自配置軟件的配置請求，該配置軟件是駐留在上位機上的負責配置USB設備的軟件，它描述所希望的設備配置：端點、傳輸類型、傳輸周期、數據規模等。USBD基于帶寬有效性以及總線容納該請求類型的能力，接受或拒絕配置請求。如果它接受了一個請求，則USBD為所希望類型的請求者創建一個管道。一旦設備被配置，軟件客戶可以請求IRP在它與其功能端點之間進行數據傳送。 主控制器驅動程序（HCD）是從主控制器中抽象出來的USB軟件層，它提供了一個SPI（系統編程接口）與主控制器交互作用，并隱藏了主控制器的硬件實現細節。當用管道傳送IRP時，HCD把它們添加到事務表中。當一個IRP完成時，HCD會通知發出該請求的軟件客戶IRP已經完成。如果IRP包括從功能到軟件客戶的數據傳送時，則把數據放在客戶指定的數據緩沖區。 USB驅動程序的編寫往往是USB設備開發過程中最困難的，通常采用Windows DDK來實現。目前有許多軟件廠商提供各種各樣的驅動程序生成工具，如Computerware的DriverStudio,BlueWaters的DriverWizard等。本設計中筆者就是采用DriverStudio軟件生成的程序框架，添加了適當的用戶代碼，完成了適合與本設計的驅動程序的編寫。 上位機的客戶服務程序是用VC++6.0編寫的，協議轉換是根據智能終端與協議識別所形成的終端信息表調用相應的協議轉換程序來實現的。用戶可以很方便的擴展用戶所需的協議。 4 結語 USB由于其連接的方便性、通信速度的快速性、接口的簡單性，必將在計算機技術應用領域得到廣泛的應用。本文提出的智能多協議通信適配器可以廣泛地應用于實時監控、實時數據采集等場合，也可以增強協議辨識和增加協議轉換功能，使它能自適應地應用于與具有標準通信協議和規范化的數據格式而又缺少詳細技術資料的智能終端通信中。 |
