0 引言

目前電力系統(tǒng)的通信、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是一種分布式的通信結(jié)構(gòu)。伴隨著新設(shè)備、新技術(shù)的應(yīng)用，在當(dāng)前我國(guó)的電力系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)終端單元的通信、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集存在著三大問題：一是分布式系統(tǒng)的工作效率較低;二是終端種類繁多，并且通信協(xié)議互不兼容;三是主站的數(shù)據(jù)采集前端子系統(tǒng)(工控采集板、協(xié)議轉(zhuǎn)換板等)適應(yīng)性較差，實(shí)際使用效果難以令人滿意。

電力系統(tǒng)所需要的，應(yīng)該是這樣一種主站數(shù)據(jù)采集前端子系統(tǒng)：首先它應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)與多種類型的終端單元進(jìn)行通信與數(shù)據(jù)采集;其次，它應(yīng)該可以兼容多種通信協(xié)議;然后，最為重要的是它可以智能地、自動(dòng)地完成對(duì)終端單元的數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù);最后，這個(gè)子系統(tǒng)還應(yīng)該價(jià)廉物美，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

1 采集與監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在變電站和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的微機(jī)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)中，要采集許多遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這時(shí)主站PC機(jī)與下位機(jī)通過串行通訊來(lái)完成命令與現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的傳輸。目前比較通用的是在PC機(jī)或工控機(jī)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集板卡，如A/D卡及422、485卡。這些數(shù)據(jù)采集設(shè)備存在以下缺陷：安裝麻煩、價(jià)格昂貴;受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴(kuò)展性差;在一些電磁干擾性強(qiáng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)法專門對(duì)其做電磁屏蔽，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。通用串行總線(Universal Serial Bus,簡(jiǎn)稱USB)是1995年康柏、微軟、IBM、NEC等公司為了解決傳統(tǒng)總線的不足推廣的一種新型串行通信標(biāo)準(zhǔn)。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)?；赨SB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分利用USB總線的上述優(yōu)點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的缺陷。本設(shè)計(jì)就是將RS-232、RS-485與傳輸距離短但高速、可靠易擴(kuò)展的USB相結(jié)合，形成了能夠多點(diǎn)、快速、可靠、低成本的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 適配器的硬件電路實(shí)現(xiàn)

通信適配器硬件結(jié)構(gòu)如上圖1所示。微控制器采用AT89C52，該控制器具有運(yùn)算速度快、兼容MCS51指令集的特點(diǎn)，內(nèi)部集成 8Kflash，性價(jià)比高。外接看門狗電路MAX706，可為微控制器提供可靠的保護(hù)。為了防止外界干擾對(duì)MCU的影響，單片機(jī)與下位機(jī)通訊的接口采用光耦隔離，控制接口的隔離采用TLP521-2，收發(fā)的RXD、TXD采用6N137隔離。

USB接口采用PHILIPS的USB控制芯片PDIUSBD12，該控制芯片能夠?qū)崿F(xiàn)微控制器的并行總線到USB口的總線接口功能，而且編程方便，適用于多種微控制器，內(nèi)部集成實(shí)現(xiàn)USB功能的PLL、SIE、FIFO模塊，與普通的微控制器配合就可以實(shí)現(xiàn)功能完備的USB外設(shè)。對(duì)于一個(gè)微控制器而言，PDIUSBD12就象一個(gè)帶8位數(shù)據(jù)總線和一個(gè)地址位(占兩個(gè)位置)的存貯器件。與USB的連接是通過1.5kΩ上拉電阻將D+(用于高速 USB器件)置為高來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1.5kΩ上拉電阻集成在PDIUSBD12內(nèi)部，默認(rèn)狀態(tài)下不與VCC相連。連接的建立通過外部/系統(tǒng)微控制器發(fā)出命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就允許系統(tǒng)微控制器在決定與USB建立連接之前完成初始化時(shí)序。USB總線連接可以重新初始化而不需要拔出電纜。

考慮到現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域常用的總線有RS232、RS485等，采用MAXIM公司的MAX232、MAX485接收發(fā)送器實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。與外界的接口采用光電開關(guān)，通過上位機(jī)初始化設(shè)置總線類型選擇與外界的接口方式，從而有效的避免了設(shè)置值與實(shí)際操作中接法的不一致。又因?yàn)镽S-485總線為并接式二線制接口，一旦有一只芯片故障就可能將總線“拉死”，因此對(duì)其二線口VA、VB與總線之間應(yīng)加以隔離。通常在VA、VB與總線之間各串接一只 4~10Ω的PTC電阻，同時(shí)與地之間各跨接5V的TVS二極管，以消除線路浪涌干擾。如沒有PTC電阻和TVS二極管，可用普通電阻和穩(wěn)壓管代替，同時(shí)在該芯片外接0.1uf的電容，也可以有效的防止外界的干擾。

3 適配器的軟件設(shè)計(jì)

適配器的軟件主要包括AT89C52微控制器的軟件以及上位機(jī)的管理軟件。考慮到上位機(jī)的處理速度優(yōu)勢(shì)，將協(xié)議轉(zhuǎn)換的工作交由上位機(jī)的客戶服務(wù)程序來(lái)完成。單片機(jī)AT89C52主要實(shí)現(xiàn)智能的終端與協(xié)議識(shí)別以及與下位機(jī)的通信和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存。由于采用USB接口與上位機(jī)通信不占用上位機(jī)系統(tǒng)的CPU 時(shí)間，這樣即把上位機(jī)從通信瓶頸中解脫出來(lái)，又充分利用了上位機(jī)的速度優(yōu)勢(shì)。

3.1 單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)的控制程序由三部分組成：首先是初始化部分，完成單片機(jī)和所有外圍電路(包括PDIUSBD12)的初始化以及終端和協(xié)議的識(shí)別;其次是主循環(huán)部分，等待來(lái)自數(shù)據(jù)采集或上位機(jī)的數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存;最后是中斷服務(wù)程序，完成相應(yīng)的中斷處理功能。

設(shè)備安裝完后準(zhǔn)備運(yùn)行前，操作人員可利用上位機(jī)管理軟件提供的用戶界面初始化一些系統(tǒng)參數(shù)，如總線類型、終端類型等等。當(dāng)選擇智能搜索終端時(shí)，單片機(jī)按次序調(diào)用儲(chǔ)存在其內(nèi)部閃存中的各種相關(guān)協(xié)議，并通過通訊接口向外發(fā)出握手指令等待終端響應(yīng)。如果終端返回信號(hào)并且信號(hào)格式與單片機(jī)發(fā)出的相同(即二者的協(xié)議相同)，則認(rèn)為該終端有效;如果終端返回信號(hào)與單片機(jī)發(fā)出的不同，或者連接超時(shí)，則認(rèn)為該終端無(wú)效或不存在。單片機(jī)將最終搜索結(jié)果即終端信息表寫入存儲(chǔ)器指定單元，并通知微機(jī)讀取，以備隨后的通信使用。

當(dāng)選擇從智能終端采集數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)通過順序查詢上述儲(chǔ)存的搜索結(jié)果，得到終端的類型。然后，根據(jù)不同的終端調(diào)用相應(yīng)的協(xié)議，發(fā)出采集數(shù)據(jù)的指令。適配器上的CPU與下位機(jī)之間是一對(duì)多的通信模式，默認(rèn)狀態(tài)下，采用循環(huán)采集，各終端有一預(yù)先指定的固定的通信地址。對(duì)一個(gè)固定的終端而言，CPU發(fā)出握手信號(hào)，遠(yuǎn)方終端響應(yīng)，則相應(yīng)的信息經(jīng)RS232/RS485接收，由CPU存入RAM62256的指定地址;接收完成后，CPU將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng) D12傳給上位機(jī);上位機(jī)的客戶服務(wù)程序?qū)ι蟼魃蟻?lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、校驗(yàn)，如有誤，通知終端重傳;如無(wú)誤，則將解碼后的信息轉(zhuǎn)存入計(jì)算機(jī)指定的內(nèi)存，并備份到相應(yīng)的文檔，供其他的客戶服務(wù)程序使用。根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，還可以采用定點(diǎn)采集方式對(duì)指定終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。以下給出單片機(jī)主程序流程圖(圖 2)。

圖2：微控制器主程序流程圖

3.2 上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)

從上位機(jī)來(lái)看，適配器為它的一個(gè)USB外設(shè)。因此上位機(jī)必須提供USB外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序。上位機(jī)的管理軟件包括客戶服務(wù)程序以及USB驅(qū)動(dòng)程序。

客戶服務(wù)程序(Client software)是駐留在上位機(jī)的與USB系統(tǒng)軟件交互作用的軟件。它確定需要與功能(即USB外設(shè))進(jìn)行什么樣的傳輸，當(dāng)它需要與功能進(jìn)行傳輸時(shí)，提出一個(gè)請(qǐng)求，并生成一個(gè)IRP(I/O中斷請(qǐng)求包)，然后進(jìn)行USBD(USB Driver)調(diào)用，把IRP通過USBD接口傳送給USBD。當(dāng)該傳輸請(qǐng)求被服務(wù)后，客戶服務(wù)軟件接收IRP完成狀態(tài)的通知。如果該傳輸涉及功能到主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，則客戶服務(wù)軟件可以訪問與該IRP有關(guān)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

USB驅(qū)動(dòng)程序(USBD)是駐留在上位機(jī)的為客戶提供通用服務(wù)的軟件實(shí)體，它管理主控制器上的一個(gè)或多個(gè)功能。它通過調(diào)用適當(dāng)?shù)闹骺刂破黩?qū)動(dòng)程序(HCD)將用戶IRP中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為設(shè)備端點(diǎn)的數(shù)據(jù)，或通過回調(diào)適當(dāng)?shù)腍CD將設(shè)備端點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為客戶IRP中的數(shù)據(jù)。USBD接收來(lái)自配置軟件的配置請(qǐng)求，該配置軟件是駐留在上位機(jī)上的負(fù)責(zé)配置USB設(shè)備的軟件，它描述所希望的設(shè)備配置：端點(diǎn)、傳輸類型、傳輸周期、數(shù)據(jù)規(guī)模等。USBD基于帶寬有效性以及總線容納該請(qǐng)求類型的能力，接受或拒絕配置請(qǐng)求。如果它接受了一個(gè)請(qǐng)求，則USBD為所希望類型的請(qǐng)求者創(chuàng)建一個(gè)管道。一旦設(shè)備被配置，軟件客戶可以請(qǐng)求IRP在它與其功能端點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

主控制器驅(qū)動(dòng)程序(HCD)是從主控制器中抽象出來(lái)的USB軟件層，它提供了一個(gè)SPI(系統(tǒng)編程接口)與主控制器交互作用，并隱藏了主控制器的硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。當(dāng)用管道傳送IRP時(shí)，HCD把它們添加到事務(wù)表中。當(dāng)一個(gè)IRP完成時(shí)，HCD會(huì)通知發(fā)出該請(qǐng)求的軟件客戶IRP已經(jīng)完成。如果IRP 包括從功能到軟件客戶的數(shù)據(jù)傳送時(shí)，則把數(shù)據(jù)放在客戶指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

USB驅(qū)動(dòng)程序的編寫往往是USB設(shè)備開發(fā)過程中最困難的，通常采用Windows DDK來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前有許多軟件廠商提供各種各樣的驅(qū)動(dòng)程序生成工具，如Computerware的DriverStudio,BlueWaters的 DriverWizard等。本設(shè)計(jì)中筆者就是采用DriverStudio軟件生成的程序框架，添加了適當(dāng)?shù)挠脩舸a，完成了適合與本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序的編寫。

上位機(jī)的客戶服務(wù)程序是用VC++6.0編寫的，協(xié)議轉(zhuǎn)換是根據(jù)智能終端與協(xié)議識(shí)別所形成的終端信息表調(diào)用相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用戶可以很方便的擴(kuò)展用戶所需的協(xié)議。

4 結(jié)語(yǔ)

USB由于其連接的方便性、通信速度的快速性、接口的簡(jiǎn)單性，必將在計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文提出的智能多協(xié)議通信適配器可以廣泛地應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集等場(chǎng)合，也可以增強(qiáng)協(xié)議辨識(shí)和增加協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，使它能自適應(yīng)地應(yīng)用于與具有標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和規(guī)范化的數(shù)據(jù)格式而又缺少詳細(xì)技術(shù)資料的智能終端通信中。