太陽能發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)挠布O(shè)計(jì)

摘 要:為了保證太陽能發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，需要對(duì)系統(tǒng)中一些主要的參數(shù)(如電流、電壓、頻率等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以了解整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。這里以ST公司的ARM9芯片作為硬件平臺(tái)的核心芯片，主要敘述監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集和傳輸部分的硬件設(shè)計(jì)，開發(fā)基于ARM的RS 232，RS 485和以太網(wǎng)通信接口。通過這些通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能發(fā)電系統(tǒng)中一些主要參數(shù)的監(jiān)控，從而可以實(shí)時(shí)地掌握太陽能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率。這里提出一種利用RS 485串口代替RS 232串口進(jìn)行通信的新方法。

關(guān)鍵詞:ARM; RS 232; RS 485; 以太網(wǎng); GSM

中圖分類號(hào):TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)08-0041-02

Design of Hardware for Solar Power Generation System Data Acquisition and Transmission

WANG Lian-yu1 ， SUN Qing-lin2 ， MA Hong-wen1 ，GAO Yan-zhang1， SHU Hua1

(1. Academy of Military Transportation， Tianjin 300161， China; 2. Nankai University， Tianjin 300071， China)

Abstract:In order to ensure the reliability of solar power generation system， some of the key parameters (such as current， voltage， frequency， etc.)needs to be controlled with real-time monitoring to comprehend the wroiking state of the whole system. Taking ST′s ARM9 as the core of the hardware platform， hardware design ofthe data collection and transmission sections in the monitoring system is described. RS 232， RS 485 and Ethernet communication interfaces based on ARM were developed to reaiyze the monitoring of the key parameters of the solar power generation system in order to control the solar power system real-time running situation. The efficiency of solar power generation system can be improved with the method.

Keywords:ARM; RS 232; RS 485; Ethernet; GSM

0 引 言

ARM(Advanced RISC Machines)是對(duì)一類微處理器的通稱[1-2]。ARM是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，它設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。ARM微處理器是一種高性能、低功耗的32位微處理器，該處理器廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中[3-4]。ARM 9代表了ARM公司主流的處理器，已經(jīng)在手持電話、機(jī)頂盒、數(shù)碼像機(jī)、GPS、個(gè)人數(shù)字助理以及因特網(wǎng)設(shè)備等方面有了廣泛的應(yīng)用[5-6]。在此，以ST公司生產(chǎn)的ARM 9系列中典型的STR912FW44X6芯片作為硬件開發(fā)平臺(tái)的MCU，完成了基于ARM的太陽能發(fā)電系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并提出了一種利用RS 485串口代替RS 232串口來進(jìn)行通信的新方法。

1 硬件總體設(shè)計(jì)框架

硬件總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 硬件總體設(shè)計(jì)框架

2 硬件介紹

現(xiàn)以STR912FW44X6芯片作為硬件開發(fā)平臺(tái)的MCU，STR912FW44X6外擴(kuò)張了點(diǎn)陣LCD顯示屏、輸入按鍵、UART接口、IrDA、CAN、USB、ETM接口、音頻放大器/話筒放大器和以太網(wǎng)接口。其中，本文使用的有UART接口和以太網(wǎng)接口[7]。UART接口分為一個(gè)RS 232串口和兩個(gè)RS 485串口。RS 232串口用來與GSM模塊的RS 232串口相連，以實(shí)現(xiàn)GPRS的無線傳輸;兩個(gè)RS 485串口，一個(gè)用來作MODBUS通信接口，另一個(gè)用來接電度表計(jì)，以采集統(tǒng)計(jì)并顯示太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。以太網(wǎng)通過網(wǎng)線連接到網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

3 硬件電路設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)

3.1 RS 232串口的電路設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)

RS 232是一種串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，是目前最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。RS 232串行接口總線適用于設(shè)備之間通信距離不大于15 m，傳輸速率最大為20 KB/s。

RS 232串口是通過ST公司生產(chǎn)的ST3232EAR來實(shí)現(xiàn)的。ST3232EAR是一種把電腦的串行口RS 232信號(hào)電平(-10 V，+10 V)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所用到的TTL信號(hào)電平(0 V，+3.3 V)的芯片。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由三部分組成:第一部分是電荷泵電路，由1~6腳和4只電容構(gòu)成。其功能是產(chǎn)生+12 V和-12 V兩個(gè)電源，為RS 232串口提供電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，由7~14腳構(gòu)成2個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中，13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為第一數(shù)據(jù)通道;8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN，T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS 232數(shù)據(jù)，從T1OUT，T2OUT送到電腦DP9插頭;DP9插頭的RS 232數(shù)據(jù)從R1IN，R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后，從R1OUT，R2OUT輸出。第三部分是供電，由15腳GND、16腳VCC(+5 V)[8]構(gòu)成。

通過將MCU中GPIO的RXD和TXD分別與ST3232的12腳(R1OUT)和11腳(T1IN)相連，使14腳(T1OUT)和13腳(R1IN)輸出RS 232電平，然后連接GSM模塊RS 232串口和MCU板上的RS 232串口，可以通過向RS 232接口寫AT指令來達(dá)到控制GSM模塊功能的目的，以通過GPRS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3.2 RS 485串口的電路設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)

RS 485是用來采集太陽能發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)的，這里之所以采用RS 485而不采用RS 232，是因?yàn)镽S 485比RS 232具有很多優(yōu)勢(shì)。RS 232采取不平衡傳輸方式，即單端通信，其收發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)都是相對(duì)于地信號(hào)的。所以它的共模抑制能力差，再加上雙絞線的分布電容，其傳輸距離最大約為15 m，最高速率為20 KB/s，且其只能支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。而RS 485采用平衡發(fā)送和差分接受方式實(shí)現(xiàn)通信，由于傳輸線通常使用雙絞線，有時(shí)差分傳輸，所以有極強(qiáng)的抗共模干擾能力，總線收發(fā)器的靈敏度很高，可以檢測(cè)到低至200 mV的電壓，故其傳輸信號(hào)在千米以上是可以恢復(fù)的。RS 485的最大通信距離約為1 219 m，最大傳輸速率為10 MB/s，它采用雙半工工作方式，可支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信，其總線一般最大支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)。

RS 485接口芯片采用的是ADM3485。ADM3485采用單一電源+3.3 V工作，半雙工通信方式，可完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS 485電平的功能。ADM3485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，RO和DI端分別為接收器的輸出端和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可。RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài);當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)锳DM3485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可。A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1;當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)信號(hào)控制ADM3485的接收和發(fā)送即可[9]。同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100 Ω的電阻。該設(shè)計(jì)有兩個(gè)RS 485，其中一個(gè)用來作MODBUS通信接口，另一個(gè)用來接電度表，以采集統(tǒng)計(jì)并顯示太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。

3.3 以太網(wǎng)的電路設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)

以太網(wǎng)網(wǎng)口采用的是08B0-1X1T-01，以太網(wǎng)物理層接口芯片采用的是ST公司的STE100P快速以太網(wǎng)物理層芯片。STE100P以太網(wǎng)接口芯片提供了一組媒體獨(dú)立接口(MII)。媒體獨(dú)立指的是在不對(duì)MAC硬件重新設(shè)計(jì)或替換的情況下，任何類型的PHY設(shè)備都可以正常工作。MII接口是快速以太網(wǎng)MAC層與PHY層之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，是IEEE 802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。它包括一個(gè)數(shù)據(jù)接口，以及一個(gè)MAC和PHY之間的管理接口。數(shù)據(jù)接口包括分別用于發(fā)送器和接收器的兩條獨(dú)立信道。每條信道都有自己的數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和控制信號(hào)。MII數(shù)據(jù)接口總共需要16個(gè)信號(hào)。管理接口是個(gè)雙信號(hào)接口:一個(gè)是時(shí)鐘信號(hào)，另一個(gè)是數(shù)據(jù)信號(hào)。

通過管理接口，上層監(jiān)視和控制PHY[10]。基于以太網(wǎng)的TCP/IP通信，使ARM可以通過網(wǎng)線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并可以實(shí)時(shí)地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，用來傳輸太陽能發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

提出一種利用RS 485串口代替RS 232串口進(jìn)行通信的新方法。這種方法解決了RS 232串口在傳輸距離和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的限制，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?/p>

參考文獻(xiàn)

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