一種通信電源監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方案的設(shè)計(jì)

　　1　引言

　　《通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中規(guī)定監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)多級(jí)的分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)［2］，一般可分為三級(jí)，即監(jiān)控中心（SC—Supervision Center）、監(jiān)控站（SS—Supervision Station）和監(jiān)控單元（SU—Supervision Unit）。對(duì)于通信電源監(jiān)控系統(tǒng)來說，沒有必要設(shè)置監(jiān)控中心，因此可以簡(jiǎn)化為兩級(jí)集散式結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)和下位機(jī)組成［1-2］。

　　2　通信電源監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方案探討

　　通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)目前主要可以考慮采用以下幾種方案：

　　第一種是目前仍然廣泛使用的主從式總線網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以上位機(jī)為中心，通過RS485或RS422接口將各種具有通信功能的下位機(jī)連接起來，采用查詢方式來實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信和遙控功能，下位機(jī)與智能設(shè)備之間則可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行通信（RS232）。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以十分方便的實(shí)現(xiàn)小規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)，缺點(diǎn)是組網(wǎng)受到通信距離的限制。

　　第二種是現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，它放棄了傳統(tǒng)的主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全分布式結(jié)構(gòu)，使得每一個(gè)下位機(jī)都可以當(dāng)作網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)對(duì)等的節(jié)點(diǎn)。同時(shí)它

　　還提供了到上一層網(wǎng)絡(luò)的接口，可以方便的接入SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信及遠(yuǎn)程下載功能。其缺點(diǎn)是在與計(jì)算機(jī)互聯(lián)時(shí)，還需要專門的網(wǎng)關(guān)，而且標(biāo)準(zhǔn)眾多，難以普及。

　　第三種是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前在有些通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用了以太網(wǎng)技術(shù)。這里的以太網(wǎng)是指由下位機(jī)和上位機(jī)直接通過以太網(wǎng)互連而生成的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，在這種結(jié)構(gòu)中，不僅下位機(jī)之間是對(duì)等的，而且計(jì)算機(jī)作為 “上位機(jī)”的概念也變得非常模糊。與前兩種方案相比較而言，它具有較高的速度，但其缺點(diǎn)是造價(jià)不菲，難以適用于通信電源監(jiān)控系統(tǒng)。

　　通過上述分析可以看出，傳統(tǒng)的主從式網(wǎng)絡(luò)最適合于通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)，但由于受到距離限制，因此必須加以改進(jìn)。本系統(tǒng)利用現(xiàn)有的PSTN網(wǎng)解決了這一問題，即下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信通過PSTN網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，下位機(jī)與智能設(shè)備之間的通信則通過RS485構(gòu)成主從式網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

　　3　通信模塊硬件電路設(shè)計(jì)

　　下位機(jī)作為直接面向設(shè)備的從機(jī)需要與上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，同時(shí)下位機(jī)還要作為主機(jī)與各種智能設(shè)備通信。因此在本系統(tǒng)中同時(shí)采用了RS232和RS485 兩種通信方式，其中下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信通過RS232接入PSTN網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，完成獲取參數(shù)、傳輸數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程報(bào)警等功能；下位機(jī)與各種智能設(shè)備之間的通信則通過RS485組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，獲取數(shù)據(jù)及其工作狀態(tài)［4］。

　　在本系統(tǒng)中，通信模塊采用了單獨(dú)的微處理器DS80C320，它在普通單片機(jī)基礎(chǔ)上為P1口也定義了第二功能，從而擁有四個(gè)全雙工串行通信口、六個(gè)外部中斷、三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，而且在指令上與8051完全兼容，對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的通信單元來說十分適用。

　　3.1 下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信

　　下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信采用了PSTN網(wǎng)作為媒介，可以通過以下三種方案實(shí)現(xiàn)：第一種方案是采用專用Modem芯片，將Modem的功能直接在下位機(jī)中實(shí)現(xiàn)；第二種方案是擴(kuò)展一個(gè)類似PCI或ISA的插槽，通過內(nèi)置Modem連至PSTN網(wǎng)；第三種是擴(kuò)展一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的全雙工RS232通信接口，通過外置 Modem連至PSTN網(wǎng)。以上三種方案中，第一種方案具有成本低、便于集成化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是軟硬件的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性不高；第二種方案與內(nèi)置Modem和擴(kuò)展槽的硬件設(shè)計(jì)密切相關(guān)，不利于維護(hù)和升級(jí)；第三種方案具有通用性好、可靠性高、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，因此在本系統(tǒng)中采用第三種方案來實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信。其具體實(shí)現(xiàn)電路如圖1所示：

　　圖1　DS80C320與Modem硬件接口圖

　　圖1中，8251是通用同步/異步收發(fā)器，它具有獨(dú)立的接收器和發(fā)送器，通過編程可以以單工、半雙工或全雙工的方式進(jìn)行通信。同時(shí)它還提供了多個(gè)控制信號(hào)，可以方便的實(shí)現(xiàn)與Modem之間的互聯(lián)。由DS80C320的ALE、、組合產(chǎn)生2MHz脈沖作為8251的時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)這一脈沖經(jīng)過CD4024組成的分頻器進(jìn)行64分頻后作為8251的接收、發(fā)送時(shí)鐘。8251的片選信號(hào) 與地址譯碼器74LS138的 相連，控制/數(shù)據(jù)端接地址線A0，因此，8251的控制字寄存器和狀態(tài)字寄存器的地址為BFFFH，數(shù)據(jù)緩沖地址為BFFEH。RXD和TXD完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，其他控制信號(hào)完成單片機(jī)與Modem之間的狀態(tài)控制和檢測(cè)：振鈴指示信號(hào)RI經(jīng)電平轉(zhuǎn)換以后接至DS80C320的外部中斷；載波檢測(cè)信號(hào)CD經(jīng)電平轉(zhuǎn)換以后接至DS80C320的P1.1。當(dāng)上位機(jī)撥號(hào)呼叫下位機(jī)時(shí)，振鈴指示信號(hào)RI產(chǎn)生振鈴，作為外部中斷源產(chǎn)生中斷，通信處理器復(fù)位P1.1輸出有效DTR信號(hào)，摘機(jī)進(jìn)入應(yīng)答通信狀態(tài)。

　　3.2 下位機(jī)與智能設(shè)備之間的通信

　　下位機(jī)與智能設(shè)備之間采用RS485主從式通信。RS485采用平衡發(fā)送和差分接收的方式來實(shí)現(xiàn)通信，具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，傳輸距離在10Kbps傳輸速率下可達(dá)1.2公里。其具體實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。

　　圖2　RS485通信的整體實(shí)現(xiàn)方案

　　在采用這種通信方案時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　（1） 在總線末端應(yīng)接一個(gè)匹配電阻，吸收總線上的反射信號(hào)，消除信號(hào)傳輸中的毛刺，保證信號(hào)純度；

　?。?） 當(dāng)總線上無信號(hào)傳輸時(shí)，處于懸浮狀態(tài)，易受到干擾。因此應(yīng)在差分信號(hào)的正、反端之間，正端與電源之間，反端與地之間各串接一個(gè)10K電阻，這樣一來，當(dāng)總線上無信號(hào)傳輸時(shí)，正端電平約為3.3V，負(fù)端電平約為1.7V，此時(shí)即使有干擾信號(hào)，也很難產(chǎn)生串行通信的起始信號(hào)“0”；

　?。?） 由于RS485是一種半雙工的通信方式，發(fā)送和接收共用一條通道，本系統(tǒng)采用MAX485對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，接收、轉(zhuǎn)換功能由和DE控制，因此必須采用處理器的一根口線控制其工作方式。由于單片機(jī)復(fù)位時(shí)，各端

　　口均為高電平，因此在連接時(shí)必須注意將該口線與DE相連，其反向信號(hào)與相連，以保證系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，主從機(jī)都處于接收狀態(tài)。

　　4 通信模塊軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 上位機(jī)與下位機(jī)通信流程

　　上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信包括上位機(jī)主動(dòng)呼叫、下位機(jī)響應(yīng)呼叫和下位機(jī)報(bào)警呼叫、上位機(jī)響應(yīng)呼叫兩種情況，其軟件流程分別如圖3、圖4所示（只給出了下位機(jī)部分的程序流程）。

　　4.2 下位機(jī)與智能設(shè)備通信流程

　　由于RS485是半雙工的通信方式，發(fā)送和接收均由同一器件和同一通道完成，因此控制信號(hào)高低電平的轉(zhuǎn)換十分關(guān)鍵。本系統(tǒng)將單片機(jī)的發(fā)送中斷標(biāo)志TI和接收中斷標(biāo)志RI作為切換的參考，但此時(shí)必須注意應(yīng)保證控制端 、DE的信號(hào)有效脈寬大于發(fā)送或接收一幀信號(hào)的長(zhǎng)度。其具體的軟件流程如圖5所示。

　　圖5　本地通信程序框圖

　　5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　以交、直流電壓為例給出該監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果（測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)表為ESCORT3155A；測(cè)試環(huán)境溫度均為180C）。直流電壓信號(hào)測(cè)試結(jié)果如表1所示；交流電壓測(cè)試結(jié)果（以A相交流輸入為例）如表2所示。

　　從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，完全可以滿足《通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中的規(guī)定。

　　6　結(jié)束語

　　文章首先對(duì)通信電源監(jiān)控系統(tǒng)目前存在的幾種主要組網(wǎng)方案進(jìn)行了分析，得出了傳統(tǒng)的主從式網(wǎng)絡(luò)優(yōu)于其它組網(wǎng)方案而更適合于通信電源監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)的結(jié)論，并針對(duì)傳統(tǒng)的主從式網(wǎng)絡(luò)受距離限制的缺點(diǎn)提出了一種改進(jìn)方案。實(shí)踐證明該改進(jìn)方案對(duì)于目前已相當(dāng)普遍的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)十分適用，基于該組網(wǎng)方案的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)具有采集精度高、成本低廉、便于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。


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