兼有雙網(wǎng)功能的智能儀表接口電路的設(shè)計(jì)

于浩洋

(黑龍江工程學(xué)院電子工程系，黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引言

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種工業(yè)過程數(shù)字儀表應(yīng)運(yùn)而生。目前，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)通信普遍采用傳統(tǒng)的一對一數(shù)據(jù)通信模式或自封閉的集散系統(tǒng)。這使得設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換難以實(shí)現(xiàn)［1］。

因此，現(xiàn)今的大多數(shù)智能儀表接口都只單純地適應(yīng)以太網(wǎng)而不能同時兼容Internet［2］。開發(fā)具有以太網(wǎng)和Internet功能的智能儀表接口電路，不僅能夠很好地解決傳統(tǒng)的一對一的數(shù)據(jù)傳輸模式和數(shù)據(jù)“孤島”問題，更為日益加快的信息化進(jìn)程提供了一條可靠的過渡渠道［3］。

1 總體結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由以太網(wǎng)控制器、微控制器(MCU)、網(wǎng)絡(luò)接口、RS-485接口和網(wǎng)關(guān)等模塊構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，主控器單片機(jī)以查詢的方式詢問以太網(wǎng)控制器是否有數(shù)據(jù)接收。如有數(shù)據(jù)接收，則根據(jù)數(shù)據(jù)包類型交由相關(guān)的程序處理;如有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則根據(jù)數(shù)據(jù)包類型進(jìn)行封裝，并投遞至以太網(wǎng)中。若目標(biāo)地址(IP)隸屬于Internet，則查詢地址解析協(xié)議緩存表;若沒有相應(yīng)的IP、物理地址(MAC)映射，則以廣播方式查詢該映射，然后通過網(wǎng)關(guān)投遞數(shù)據(jù)包［4］。圖1中的虛線部分由硬件電路實(shí)現(xiàn)，其余部分通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the system

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)大體上可分為單片機(jī)控制電路、以太網(wǎng)控制器電路、串口擴(kuò)展電路和RS-485端口通信電路4部分。

2.1 單片機(jī)控制電路的選取和設(shè)計(jì)

PIC24F16KA101系列是通用的16位微控制器，采用nanoWatt XLPTM超低功耗技術(shù)，可使休眠電流低至20 nA，非常適用于各種電池供電或電力有限的應(yīng)用;具備集成的E2PROM存儲器，體積小巧，采用低引腳數(shù)(20引腳和28引腳)封裝［5］，是具有廣泛的外設(shè)功能和增強(qiáng)的計(jì)算性能的16位微控制器。PIC24F16KA101相關(guān)電路主要指與以太網(wǎng)控制器、串口擴(kuò)展芯片的引腳連接。2個I/O引腳用于兩芯片的片選信號輸出;3個串口(SPI)引腳接入串口總線，通過接口電路數(shù)據(jù)的串行方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;2個中斷接口被用作外部中斷輸入，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)包接收時，給予主控器中斷信號，然后予以處理［6］。

2.2 以太網(wǎng)控制器電路設(shè)計(jì)

ENC28J60以太網(wǎng)控制器為Microchip Technology公司推出的28引腳獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，是目前全世界最小封裝的以太網(wǎng)控制器，它可為嵌入式應(yīng)用提供低引腳數(shù)、低成本且高效易用的遠(yuǎn)程通信解決方案［7］。相關(guān)電路如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)控制電路Fig.2 Control circuit of Ethernet

圖2中，根據(jù)ENC28J60的工作頻率要求，需在OSC1和OSC2引腳間接25 MHz晶振及接地電容。ENC28J60的內(nèi)部模擬電路需要在RBIAS引腳與地之間外接一個2 kΩ(精度為1%)的電阻。以太網(wǎng)接口采用含有以太網(wǎng)隔離變壓器的RJ45插座HR901170A［8］。

2.3 串口擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)

串口擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)是為了提高接口電路的網(wǎng)絡(luò)范圍，增加網(wǎng)絡(luò)最大允許節(jié)點(diǎn)數(shù)。本文采用GM8142作為串口擴(kuò)展芯片，將一個標(biāo)準(zhǔn)SPI接口擴(kuò)展成4個標(biāo)準(zhǔn)的通用異步收發(fā)器(UART)。工作模式采用廣播模式，即按各子串口設(shè)置的波特率、數(shù)據(jù)幀長和校驗(yàn)方式同時發(fā)送到所有子串口中。工作模式、各子串口的工作波特率、數(shù)據(jù)幀長等各種通信設(shè)置均通過軟件進(jìn)行設(shè)置，從而減少了微控制器的輸入輸出接口的需求，有效降低了芯片的功耗。

2.4 RS-485端口通信電路的設(shè)計(jì)

為了使接口電路擁有與RS-485網(wǎng)絡(luò)通信的能力，本文采用ADM2587E作為RS-485收發(fā)器。ADM2587E包含一個集成式隔離直流電源，不再需要外部隔離電源模塊。作為帶隔離的增強(qiáng)型RS-485收發(fā)器，它還具備±15 kV靜電釋放保護(hù)功能的完全集成式隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器，其適用于多點(diǎn)傳輸線路上的高速通信應(yīng)用。ADM2587E驅(qū)動器還帶有一個高電平有效使能電路，可以提供一個高電平接收機(jī)有效禁用電路，使接收機(jī)輸出進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文將美國微芯科技公司協(xié)議棧的TCP/IP用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)［9］。系統(tǒng)程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖Fig.3 Flowchart of the program

圖3中，單片機(jī)PIC24F16KA101的初始化包括時鐘模式的確定和復(fù)用引腳的相關(guān)寄存器的設(shè)置。串口初始化是對單片機(jī)中的串行口1狀態(tài)和控制寄存器、串行口控制寄存器1和串行口控制寄存器2進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。ENC28J60初始化工作包括接收和發(fā)送緩沖器、接收過濾器、晶振的啟動時間、介質(zhì)訪問控制寄存器和物理層寄存器的設(shè)置。初始化芯片之前先關(guān)閉單片機(jī)的中斷輸入，對復(fù)位引腳給定一個持續(xù)的低電平復(fù)位信號，然后對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成所有需要的寄存器后，判斷以太網(wǎng)狀態(tài)中的時鐘啟動標(biāo)志位是否置位，然后開中斷。

4 實(shí)際應(yīng)用

將上述設(shè)計(jì)應(yīng)用于智能抄表系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4中，PIC24F16KA101作為控制器，通過串口SPI和中斷引腳INT1連接串口擴(kuò)展模塊GM8142，并通過ADM2587E形成4個獨(dú)立的RS-485網(wǎng)段(每個網(wǎng)段可連接32個RS-485節(jié)點(diǎn))。通過擴(kuò)展SIM(用戶身份鑒別模塊)卡接口，管理網(wǎng)關(guān)配置和通信加密。實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)應(yīng)用時，擴(kuò)展的外部并行RAM和SPI接口的E2ROM，分別用于超文本傳輸協(xié)議HTTP緩沖和Web頁存儲。由于GM8142擴(kuò)展的4個串口具有獨(dú)立的通信設(shè)置和8字節(jié)的先進(jìn)先出口，因此，可靈活地適應(yīng)不同的測控節(jié)點(diǎn)通信。網(wǎng)關(guān)復(fù)位后，單片機(jī)對通用同步/異步傳送器口進(jìn)行設(shè)置。本文選擇串口的通信方式為半雙工模式［10］，設(shè)置波特率寄存器 UBRRH和 UBRRL，使波特率為9600 bit/s，設(shè)置狀態(tài)寄存器UCSRB，以使能接收器與發(fā)送器，并通過狀態(tài)寄存器UCSRC設(shè)置幀格式。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure of the system

5 結(jié)束語

由PIC24F16KA101為控制器的微處理器，配以ENC28J60構(gòu)成的嵌入式以太網(wǎng)模塊電路連接簡單、功能強(qiáng)大;與目前大多數(shù)需要并行數(shù)據(jù)和地址總線的控制器相比，不需要小封裝的微控制器外擴(kuò)地址和數(shù)據(jù)總線，并可以將電路做到最小尺寸，符合未來工業(yè)以太網(wǎng)控制器的發(fā)展趨勢。同時，該電路擁有跨越網(wǎng)關(guān)的能力。

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處就在于不僅使接口電路實(shí)現(xiàn)了兼有在以太網(wǎng)和Internet下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽铱朔私涌陔娐菲毡榇嬖诘碾娐方Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、連線較多和容易出錯的缺陷。實(shí)際應(yīng)用顯示，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，電路兼容性較好。

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