多路485轉以太網串口服務器的設計及應用

賈 偉， 盛曉明， 陸陽杰， 王 煒， 董艷青

(1. 中南建筑設計院股份有限公司，武漢 430071；2. 江蘇安科瑞電器制造有限公司，江陰 214405)

0 引言

通信技術憑借著高效且持續性的發展，成為社會熱門技術，其中核心的串口通信技術更是憑借接口簡單、使用方便、技術易掌握等優點被廣泛應用，目前傳統的工業控制設備大多是通過串口來進行通訊。串口通信雖然使用方便，但抗干擾能力差，易受傳輸距離和速度限制。通過物聯網技術，使用串口連接以太網服務器，將數據傳輸給系統后臺，可以克服串口通信傳輸距離和速度限制問題。

為此，本文所述解決方案在基于stm32芯片的基礎上設計了8路RS485串口服務器，可實現多個串口與以太網端口數據交互，同時用戶還可通過該串口服務器的雙網口功能級聯另一臺串口服務器，以解決串口設備功能單一、監控路數較少等通信問題，實際應用時，此解決方案具有較高的實用性。

1 串口服務器的整體設計

該系統主要由帶網絡變壓器的RJ45以太網連接器HR915 200A、主控MCU和8個電氣隔離的485串口模塊組成，以實現多個串口與以太網端口之間的數據交互。圖1所示為串口服務器整體的設計框圖。

圖1 串口服務器整體的設計框圖

系統以32位STM32F429VET6作為主控芯片，該主控芯片是一款32位Cortex?-M4CPU，主頻可以達到180MHz，能夠實現高達225DMIPS/1.25DMIPS/MHz (Dristone 2.1)性能要求，具有dsp的指令集。具備4個USART接口、4個UART(11.25 Mbit/s)接口、6個SPI(45 Mbits/s)接口，具有專用的以太網MAC，支持MII/RMII接口，可以通過 SPI串行接口或者RMII接口控制網絡芯片收發數據。

采用以太網芯片DP83848KSQ實現以太網網頁配置及第一路以太網接口通訊。其中，DP83848KSQ是一款10/100Mbps單物理層(PHY)器件，具有良好的魯棒性，功能齊全、功耗低；同時支持MII(媒體獨立接口)和RMII(精簡型媒體獨立接口)，能同時兼容10M/100M以太網外設，對其他標準以太網解決方案也具有很好的兼容性和通用性。

采用W5500以太網接口芯片實現第二路以太網接口通訊及另一臺串口服務器的通信級聯。其中，W5500是一款集成硬件TPC/IP協議棧的以太網芯片，內部集成了10/100M以太網MAC和PHY，可以8個獨立的端口同時工作，幫助系統自行進行握手的功能(全雙工、半雙工)，同時支持高達80MHz時鐘的SPI接口與主控芯片進行通信。

選用8個MAX13487芯片來實現8路RS485協議通信，并通過軟件程序對該硬件架構設計。

1.1 電源電路設計

串口服務器可以采用AC/DC 85-265V的交直流供電電源輸入方式。當輸入供電電壓為AC/DC 85-265V時，通過反激式開關電源可以輸出一個穩定的主5V電壓，該開關電源方案成熟，轉化效率高、帶載能力高，可以使系統穩定工作，再經過1個線性穩壓器SPX1117M3-L-3-3/TR為整個串口系統提供3.3V穩壓電源。開關電源輸出5V電壓電路如圖2所示，3.3V穩壓LDO電路如圖3所示。

圖2 開關電源輸出5V電壓電路

圖3 3.3V穩壓LDO電路

1.2 RS485串口通信電路設計

RS485是一種串行物理接口標準，通常用“A和B”或者“D+和D-”來表示。邏輯“1”代表A、B或者(D+、D-)線路之間的電壓差為0.2-6V，邏輯“0”代表A、B或者(D+、D-)線路之間的電壓差為-0.2-6V。最大的傳輸距離能夠在1 200m上下。使用RS485收發器MAX13487與SI8622EC-B-IS組合，可以保證2kV電氣隔離的RS485串口正常通訊。RS485通訊電路如圖4所示。

圖4 RS485通訊電路

1.3 以太網接口電路設計

采用PHY芯片DP83848KSQ實現以太網網頁配置與第一路以太網接口通訊，PHY芯片輸出一組RMII接口MDC、MDIO、CLK、TXEN、TXD0、TXD1、CRS_DV、RXD0、RXD1、nRST與STM32F429VET6的RMII接口相連。

W5500作為一個以太網模塊與第二路以太網接口通訊，作為從機通過SPI接口協議與主控芯片通信，除SPI協議通信所需要的MOSI、MISO、SCK和SCSn根信號線與主控芯片的SPI接口相連外，還要RESET、INT、PMODE0、PMODE1、PMODE2引腳與STM32F429VET6的GPIO口相連。以太網接口電路設計如圖5所示。

圖5 以太網接口電路

以太網連接器采用HR915 200A，該連接器集成了網絡隔離變壓器并且選用了RJ45接口，因此簡化了硬件電路的設計。

2 串口服務器軟件設計

串口服務器軟件流程圖如圖6所示，主控芯片STM32F429VET6控制以太網芯片DP83848KSQ和W5500，LED指示燈，外部FLASH以及8路RS485通訊。

圖6 串口服務器的軟件流程圖

串口服務器的初始化流程先經過系統的時鐘初始化，而后進行參數初始化、串口初始化，最后完成以太網初始化。

串口服務器的主任務流程先經過系統的時鐘初始化，之后8路RS485串口收發數據，通過以太網服務器解析8路串口數據，以太網數據上傳至上位機，同時對應的LED燈閃爍，服務器檢查連接是否超時，假如連接超時，通過“看門狗”返回上級串口數據收發一層，重復對應流程直至數據被準確接收。

串口服務器還可通過第一路網口對應的IP地址去配置8個RS485的通信參數，包括通信端口號、波特率、校驗位、停止位等。串口服務器的WEB版配置界面如圖7所示。

圖7 串口服務器WEB版配置界面

3 串口服務器應用實例

該串口服務器已成功運用在多個行業內，如工礦企業、石油化工、建筑樓宇、酒店公寓、市政工程、交通運輸、教育醫療、電氣安全等。

以某市康橋先進制造技術創業園項目為例，該項目主要采取分層分布式計算機網絡結構(現場感知層、網絡層和平臺層)，將能耗監測管理系統提供的數據與環比剖析的數據一同量化節能技術的改造成果，最大程度體現節能改造帶來的效果。

該項目客戶要求：(1)配置相對簡單，只需將電表和串口服務器及網關的配置導入系統云平臺后就可使用；(2)能夠遠程抄表，無需人工抄表，儀表和各類監控的狀態量實時監控，并且能準確到3min以內。(3)能夠遠程控制，能對任意電表進行遠程分合閘或報警值設定等一系列遠程參數控制操作，方便維護管理；(4)用戶和管理員都可查詢各類接入的儀表和開關量狀態等每天的用能狀況。

針對用戶需求并通過實地考察，發現該項目所在園區配電房多且分散，決定采用各類多功能電力儀表、預付費系列儀表、溫濕度控制器、開關量檢測模塊等設備進行線路改造，總數在639塊左右。

由于單個配電房內部安裝了多個采集測量設備，若采用常規手段，用一條485總線去掛載這些設備，然后連接至現場總后臺系統，則存在下列問題：(1)485總線太長，存在通訊質量問題；(2)若單臺設備通訊接口接反，可能導致整條總線通訊不上；(3)單獨一條485總線，掛載的設備數量有限。針對現場的復雜情況，決定采用8路RS485串口服務器。由于該串口服務器是4模大小，并且有8路RS485串口，可以將串口服務器直接安裝在本地配電箱里面，滿足了最大配電房設備接入總數超過200只的情況(每路485串口最大支持接入30臺設備，8路可以滿足240臺)，另外其他設備總數較少的配電房，可通過串口服務器之間的網口級聯來與掛載總數較多的進行數據交互，形成設備層組網，并與就近的主機或者網關相連，將數據通過4G或者網絡的形式分兩路上傳至某司能耗云平臺和預付費云平臺。該項目的系統方案拓撲結構圖如圖8所示，組網方式圖如圖9所示。

圖8 系統方案拓撲結構圖

圖9 組網方式圖

采取三層分布式計算機網絡結構，用串口服務器等網絡層將設備層組網起來，將各類數據上傳至系統平臺，解決了能耗數據的自動化、可視化、可量化的采集與存儲，完成了能源的集中化維護管理，使能源利用率最大化，項目完成度受到客戶高度認可。

4 結束語