智能通信控制器ICS0208及其在水電廠的應用

袁平路 張捷 張子皿 楊晉

北京中水科水電科技開發有限公司 北京 100038

引言

隨著水電廠自動化水平的不斷提高，現場有很多儀表﹑設備的數據需要上送給監控系統[1]，這些設備提供的通信接口為異步串行接口RS485，要傳送給計算機很不方便。計算機主要通過網絡通信，實現數據的交互。現場有很多設備提供的通信規約為Modbus或者其他規約如DLT645，由于現場儀表數量較多，采集的數據較多，造成數據傳輸不方便，要改變原有設備的硬件，使其能聯網，困難較大。

本文介紹的智能通信控制器ICS0208提供8個串口和兩個網口，可解決多個串口設備的聯網問題。該裝置采用嵌入式[2]ARM芯片作為核心控制器，運行Linux操作系統，設備內部裝載上層應用程序，用戶只需要配置應用程序，實現各協議之間的轉換，數據采集。針對不同的串口協議，修改串口配置文件就可完成對串口數據的接收和處理，具有很好的靈活性。

1 系統設計

本系統的設計包括硬件電路設計和軟件設計，硬件以TI公司AM3352為核心處理器，外部擴展SDRAM﹑FLASH﹑TF卡﹑串口擴展芯片，處理器自帶2路千兆以太網，串口擴展芯片可擴展8路串口，同時設備支持硬件加密，溫度測量功能。軟件部分以嵌入式Linux操作系統為開發平臺，編寫底層串口驅動程序[3-4]和上層通信程序，實現各種情況數據的處理和通信協議的轉換。

AM3352是TI公司基于ARM Cotex-A8的32位處理器，主頻最高支持1G Hz，芯片自帶多達6路UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）接口，集成兩個100/1000 Mbps以太網控制器，只需在外部擴展PHY芯片﹑網絡變壓器，即可實現高速網絡通信。滿足目前智能通信控制器的硬件需求，Linux操作系統具有代碼開放，支持多任務﹑多線程，支持多種硬件平臺，內核可定制，運行穩定，免費等特點，因此，選擇Linux作為操作系統平臺。

2 硬件設計

智能通信控制器的硬件電路結構框圖如圖1所示，主要包括電源調整電路，核心板，以太網接口電路，串口擴展電路，顯示電路，溫度測量電路，硬件加密電路，TF卡擴展電路等。電源電路的電壓輸入范圍為的9V～36V DC，默認24V DC。電壓芯片將外部電壓調整為工作電壓5V和3.3V。核心板支持1G FLASH，512M SDRAM，外部擴展TF卡主要用于存儲數據，更新系統等。顯示板用于顯示設備的運行狀態。AM335X內部集成了6個串口，其中UART0作為控制臺使用，便于程序的開發調試。采用CH438芯片進行了串口擴展，CH438 支持8路UART，包含8個兼容16C550的異步串口，支持最高4Mbps 的通信波特率，可以用于嵌入式系統的串口擴展﹑帶自動硬件速率控制等。外部連接可編程拓撲芯片MAX1360，實現RS232/RS485的電平轉換，通過設備內部的軟件配置，可以實現配置輸出接口為RS232電平或RS485電平，而不需要改動硬件。AM3352集成了兩個以太網MAC控制器，采用AR8035芯片在外部擴展兩路網口可實現高速網絡通信。

圖1 lCS0208硬件結構框圖

3 軟件設計

軟件分為人機界面和運行主程序兩個部分，人機界面的運行環境是Windows，功能是配置各通信端口的協議和參數，由于是Windows界面所以可以非常方便地安裝在任何一臺筆記本電腦上；運行主程序部分的環境是Linux，功能是執行通信主程序和通信管理程序，采用Linux系統主要是為了滿足電廠的運行安全和穩定。整個控制器的系統設計如圖2所示，ICS0208有8個串口，可以同時和8個外部設備進行通信，協議可以多種多樣，例如：Modbus RTU﹑IEC 102﹑IEC 103等。調試人員在windows平臺下通過人機界面配置通信協議和參數，并生成相關文件，通過跨平臺軟件將生成的可執行文件及配置文件下載到Linux系統中，在Linux系統中對程序進行調試，確定與外部設備通信是否正常，設置自啟動文件與環境，讓通信程序可以脫離調試人員與外部設備通信。

圖2 系統數據采集流程框圖

4 軟件功能

該通信平臺主要用于與水電廠外部設備進行通信，采集相關數據，并將數據寫入PLC中進行使用。主要通信協議如下：

4.1 MODBUS RTU

水電廠常用串口通信協議，通信方式簡單﹑高效。

4.2 MODBUS TCP

水電廠常用網口通信協議，國際標準，通用性強。

4.3 DL645T

IEC102規約的變種，常用于國內電度表通信中。

4.4 IEC103（串口）

常用于水電廠與保護系統之間的通信。

5 軟件界面

該平臺的人機界面簡單﹑易用﹑好維護，先配置串口設備的通信規約，再配置網口側需要配合的PLC的品牌，最后按照提示生成配置文件，將文件下載到通信控制器對應的目錄中即可。

表1 參數配置界面

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6 結束語

ICS0208智能轉換器主要解決水電廠現地設備串口聯網的問題，實現儀表數據的采集，統一上送到PLC與監控系統的計算機聯網，該設備具有很好的穩定性和配置靈活性，在白山電廠，大華僑水電站，五強溪水電站，白鶴灘水電站等得到了成功應用，效果非常良好。