兼有雙網功能的智能儀表接口電路的設計

于浩洋

(黑龍江工程學院電子工程系，黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引言

隨著電子技術的迅猛發展，各種工業過程數字儀表應運而生。目前，在工業生產過程中，數據通信普遍采用傳統的一對一數據通信模式或自封閉的集散系統。這使得設備之間以及系統與外界之間的信息交換難以實現［1］。

因此，現今的大多數智能儀表接口都只單純地適應以太網而不能同時兼容Internet［2］。開發具有以太網和Internet功能的智能儀表接口電路，不僅能夠很好地解決傳統的一對一的數據傳輸模式和數據“孤島”問題，更為日益加快的信息化進程提供了一條可靠的過渡渠道［3］。

1 總體結構

整個系統由以太網控制器、微控制器(MCU)、網絡接口、RS-485接口和網關等模塊構成，總體結構如圖1所示。圖1中，主控器單片機以查詢的方式詢問以太網控制器是否有數據接收。如有數據接收，則根據數據包類型交由相關的程序處理;如有數據需要發送，則根據數據包類型進行封裝，并投遞至以太網中。若目標地址(IP)隸屬于Internet，則查詢地址解析協議緩存表;若沒有相應的IP、物理地址(MAC)映射，則以廣播方式查詢該映射，然后通過網關投遞數據包［4］。圖1中的虛線部分由硬件電路實現，其余部分通過軟件編程來實現。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Structure of the system

2 硬件設計

硬件電路的設計大體上可分為單片機控制電路、以太網控制器電路、串口擴展電路和RS-485端口通信電路4部分。

2.1 單片機控制電路的選取和設計

PIC24F16KA101系列是通用的16位微控制器，采用nanoWatt XLPTM超低功耗技術，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用;具備集成的E2PROM存儲器，體積小巧，采用低引腳數(20引腳和28引腳)封裝［5］，是具有廣泛的外設功能和增強的計算性能的16位微控制器。PIC24F16KA101相關電路主要指與以太網控制器、串口擴展芯片的引腳連接。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，通過接口電路數據的串行方式來進行數據傳輸;2個中斷接口被用作外部中斷輸入，當網絡中有數據包接收時，給予主控器中斷信號，然后予以處理［6］。

2.2 以太網控制器電路設計

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

圖2 以太網控制電路Fig.2 Control circuit of Ethernet

圖2中，根據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。以太網接口采用含有以太網隔離變壓器的RJ45插座HR901170A［8］。

2.3 串口擴展電路的設計

串口擴展電路的設計是為了提高接口電路的網絡范圍，增加網絡最大允許節點數。本文采用GM8142作為串口擴展芯片，將一個標準SPI接口擴展成4個標準的通用異步收發器(UART)。工作模式采用廣播模式，即按各子串口設置的波特率、數據幀長和校驗方式同時發送到所有子串口中。工作模式、各子串口的工作波特率、數據幀長等各種通信設置均通過軟件進行設置，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端口通信電路的設計

為了使接口電路擁有與RS-485網絡通信的能力，本文采用ADM2587E作為RS-485收發器。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。作為帶隔離的增強型RS-485收發器，它還具備±15 kV靜電釋放保護功能的完全集成式隔離數據收發器，其適用于多點傳輸線路上的高速通信應用。ADM2587E驅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有效禁用電路，使接收機輸出進入高阻抗狀態。

3 軟件設計

本文將美國微芯科技公司協議棧的TCP/IP用于網絡服務［9］。系統程序流程如圖3所示。

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

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

4 實際應用

將上述設計應用于智能抄表系統，系統結構圖如圖4所示。圖4中，PIC24F16KA101作為控制器，通過串口SPI和中斷引腳INT1連接串口擴展模塊GM8142，并通過ADM2587E形成4個獨立的RS-485網段(每個網段可連接32個RS-485節點)。通過擴展SIM(用戶身份鑒別模塊)卡接口，管理網關配置和通信加密。實現Web服務應用時，擴展的外部并行RAM和SPI接口的E2ROM，分別用于超文本傳輸協議HTTP緩沖和Web頁存儲。由于GM8142擴展的4個串口具有獨立的通信設置和8字節的先進先出口，因此，可靈活地適應不同的測控節點通信。網關復位后，單片機對通用同步/異步傳送器口進行設置。本文選擇串口的通信方式為半雙工模式［10］，設置波特率寄存器 UBRRH和 UBRRL，使波特率為9600 bit/s，設置狀態寄存器UCSRB，以使能接收器與發送器，并通過狀態寄存器UCSRC設置幀格式。

圖4 系統結構框圖Fig.4 Structure of the system

5 結束語

由PIC24F16KA101為控制器的微處理器，配以ENC28J60構成的嵌入式以太網模塊電路連接簡單、功能強大;與目前大多數需要并行數據和地址總線的控制器相比，不需要小封裝的微控制器外擴地址和數據總線，并可以將電路做到最小尺寸，符合未來工業以太網控制器的發展趨勢。同時，該電路擁有跨越網關的能力。

本設計的創新之處就在于不僅使接口電路實現了兼有在以太網和Internet下進行數據傳輸的功能，而且克服了接口電路普遍存在的電路結構復雜、連線較多和容易出錯的缺陷。實際應用顯示，數據傳輸準確，電路兼容性較好。

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