一种智能多协议通信适配器的设计

　　0 引言

　　目前电力系统的通信、监控和数据采集系统采用的是一种分布式的通信结构。伴随着新设备、新技术的应用，在当前我国的电力系统内，对终端单元的通信、监控和数据采集存在着三大问题：一是分布式系统的工作效率较低；二是终端种类繁多，并且通信协议互不兼容；三是主站的数据采集前端子系统（工控采集板、协议转换板等）适应性较差，实际使用效果难以令人满意。

　　电力系统所需要的，应该是这样一种主站数据采集前端子系统：首先它应该可以实现与多种类型的终端单元进行通信与数据采集；其次，它应该可以兼容多种通信协议；然后，最为重要的是它可以智能地、自动地完成对终端单元的数据采集和协议转换任务；最后，这个子系统还应该价廉物美，具有良好的经济性。

　　1 采集与监控系统结构

　　在变电站和工业现场的微机监控应用系统中，要采集许多远程现场数据点，这时主站PC机与下位机通过串行通讯来完成命令与现场采集数据的传输。目前比较通用的是在PC机或工控机内安装数据采集板卡，如A/D卡及422、485卡。这些数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦、价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差；在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。通用串行总线（Universal Serial Bus，简称USB）是1995年康柏、微软、IBM、NEC等公司为了解决传统总线的不足推广的一种新型串行通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，已经逐渐成为现代数据传输的发展趋势。基于USB的数据采集系统充分利用USB总线的上述优点，有效解决了传统数据采集系统的缺陷。本设计就是将RS-232、RS-485与传输距离短但高速、可靠易扩展的USB相结合，形成了能够多点、快速、可靠、低成本的远距离数据采集系统。

　　
采集与监控系统结构图

　　2 适配器的硬件电路实现

　　通信适配器硬件结构如上图1所示。微控制器采用AT89C52，该控制器具有运算速度快、兼容MCS51指令集的特点，内部集成 8Kflash，性价比高。外接看门狗电路MAX706，可为微控制器提供可靠的保护。为了防止外界干扰对MCU的影响，单片机与下位机通讯的接口采用光耦隔离，控制接口的隔离采用TLP521-2，收发的RXD、TXD采用6N137隔离。

　　USB接口采用PHILIPS的USB控制芯片PDIUSBD12，该控制芯片能够实现微控制器的并行总线到USB口的总线接口功能，而且编程方便，适用于多种微控制器，内部集成实现USB功能的PLL、SIE、FIFO模块，与普通的微控制器配合就可以实现功能完备的USB外设。对于一个微控制器而言，PDIUSBD12就象一个带8位数据总线和一个地址位（占两个位置）的存贮器件。与USB的连接是通过1.5kΩ上拉电阻将D+（用于高速 USB器件）置为高来实现的。1.5kΩ上拉电阻集成在PDIUSBD12内部，默认状态下不与VCC相连。连接的建立通过外部/系统微控制器发出命令来实现。这就允许系统微控制器在决定与USB建立连接之前完成初始化时序。USB总线连接可以重新初始化而不需要拔出电缆。

　　考虑到现在工业领域常用的总线有RS232、RS485等，采用MAXIM公司的MAX232、MAX485接收发送器实现电平转换。与外界的接口采用光电开关，通过上位机初始化设置总线类型选择与外界的接口方式，从而有效的避免了设置值与实际操作中接法的不一致。又因为RS-485总线为并接式二线制接口，一旦有一只芯片故障就可能将总线“拉死”，因此对其二线口VA、VB与总线之间应加以隔离。通常在VA、VB与总线之间各串接一只 4~10Ω的PTC电阻，同时与地之间各跨接5V的TVS二极管，以消除线路浪涌干扰。如没有PTC电阻和TVS二极管，可用普通电阻和稳压管代替，同时在该芯片外接0.1uf的电容，也可以有效的防止外界的干扰。

　　3 适配器的软件设计

　　适配器的软件主要包括AT89C52微控制器的软件以及上位机的管理软件。考虑到上位机的处理速度优势，将协议转换的工作交由上位机的客户服务程序来完成。单片机AT89C52主要实现智能的终端与协议识别以及与下位机的通信和数据转存。由于采用USB接口与上位机通信不占用上位机系统的CPU 时间，这样即把上位机从通信瓶颈中解脱出来，又充分利用了上位机的速度优势。