基于NUC972的多總線數(shù)據(jù)采集控制器設(shè)計

黃 飛

（南京國鐵電氣有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

近幾年，國家發(fā)展改革委員會和國家節(jié)能中心非常重視能耗在線監(jiān)測工作，并先后組織了一些能耗在線監(jiān)測試點項目的驗收和總結(jié)會，推廣能耗在線監(jiān)測在交通行業(yè)、建筑行業(yè)等重點用能單位的實施應(yīng)用，促進(jìn)社會節(jié)能減排工作的推廣。目前，智能建筑的能耗監(jiān)測與管理存在三個主要問題：缺乏建筑大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測；缺乏建筑能耗的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析；缺少與智能電網(wǎng)輸電、配電側(cè)的聯(lián)動[1]。

在這樣市場背景下，研究開發(fā)一款穩(wěn)定可靠、使用靈活、功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集控制器，兼容接入樓宇自動控制系統(tǒng)中的變配電、照明、電梯、空調(diào)、供熱、給排水、消防、安防等眾多分散設(shè)備，監(jiān)控其運行、安全狀況以及能源使用狀況等顯得十分必要。

1 總體設(shè)計

市場已經(jīng)有一些數(shù)據(jù)采集控制器或者叫通信管理機(jī)，比如“基于ARM的通信管理機(jī)的研發(fā)與設(shè)計”[2]、“基于ARM的智能配電房通信管理機(jī)設(shè)計”[3]、“許繼WTX-803通信管理機(jī)升級改造技術(shù)研究”[4]等技術(shù)方案。這些方案設(shè)計專注于管理機(jī)本身協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，缺乏中樞控制功能。本文介紹的技術(shù)方案相比集成度更高，功能更豐富，除了兼容多種接口和協(xié)議，還能實現(xiàn)一定模型的數(shù)據(jù)計算控制功能。數(shù)據(jù)采集控制器的系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集控制器對下通過Modbus、DLT-645、BACNet/IP、IEC-104、IEC-103等協(xié)議，與智能傳感器或各種現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對接，得到水、電、氣、熱、溫濕度、光照度等信息，并通過存儲在數(shù)據(jù)采集控制器中的控制策略控制相應(yīng)的可執(zhí)行設(shè)備；對上通過用戶配置的一種或者多種協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到中心監(jiān)控平臺，同時接收中心監(jiān)控平臺發(fā)回來的遙控和遙調(diào)指令。

圖1 數(shù)據(jù)采集控制器應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集控制器電路主要包括電源模塊、 MCU模塊、 Flash存儲模塊、以太網(wǎng)接口模塊、LTE-Cat1無線通訊模塊、 M-Bus接口模塊、 RS-485接口模塊、 RS-232接口模塊、 CAN總線接口模塊、DI/DO接口模塊以及 LED燈顯示模塊。

圖2 硬件設(shè)計總體框圖

2.1 MCU模塊

MCU模塊采用NUC972DF62Y芯片。該芯片是新唐科技（Nuvoton）針對電力及其他工控領(lǐng)域推出的工業(yè)級ARM9處理器，主頻最高至 300 MHz。與其他ARM9內(nèi)核芯片相比，該芯片最大的特色是內(nèi)部集成了高達(dá) 64 M的DDR2內(nèi)存，并具有 11組UART接口、兩路以太網(wǎng)接口。豐富的片內(nèi)資源極大簡化了外圍電路設(shè)計，并提供了軟件編程的靈活性。

2.2 以太網(wǎng)接口模塊

由于系統(tǒng)應(yīng)用可能涉及到接入多個設(shè)備、多種協(xié)議、多方主站以及主備雙網(wǎng)應(yīng)用等，因此設(shè)計了6個網(wǎng)口。NUC972內(nèi)部集成兩路以太網(wǎng) MAC控制器，需要通過EBI總線拓展另外四路以太網(wǎng)接口。對于集成的MAC接口，外圍電路只需擴(kuò)展一個LAN8720AI PHY芯片。對于拓展的以太網(wǎng)接口，采用DM9000芯片，該芯片集成了MAC控制器和10/100M自適應(yīng)的 PHY。

2.3 串行接口模塊

NUC972集成了11組UART，用其中 8組結(jié)合 GPIO形成8路RS-485接口電路。RS-485驅(qū)動芯片采用自帶隔離的 ISO3082芯片，支持4000V尖峰隔離，總線節(jié)點可達(dá) 256個，通信速率最高可達(dá)20 Mb/s。

RS-232接口采用 MCU剩余的 UART接口，通過MAX232A接口芯片完成。電源隔離采用 F0505S模塊，信號隔離采用 AduM1201芯片。

CAN總線接口采用 SN65HVD232芯片，支持 1 Mb/s的通信速率。 CAN接口默認(rèn)用于主備機(jī)之間的心跳控制。

2.4 M-Bus接口模塊

M-BUS具有成本低、布線簡便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，常用于水表和氣表。 M-Bus總線接口需要 +24 V和+36 V電源，其中 +36 V電源通過開關(guān)升壓芯片 LM2577從+24 V電源獲取。 M-BUS主機(jī)通過電壓調(diào)制的方式向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。 UART的TXD信號通過光耦 6N137控制P-MOS管的通斷來控制 M-Bus的輸出在 +36 V和+24 V之間切換。從機(jī)通過調(diào)制總線電流的方式向主機(jī)返回數(shù)據(jù)。接收電路解調(diào)電流信號是通過在總線上采集電流并轉(zhuǎn)換成電壓，電壓信號經(jīng)跟隨器后分別通過相應(yīng)的阻容延時電路和二極管電路，接到比較器 LM393的正負(fù)極完成數(shù)據(jù)的解調(diào)。

2.5 無線通信接口模塊

無線通信接口模塊采用 EC02-SNC模塊。該模塊集成了 FDD-LTE/TDD-LTE/GSM/GPRS/ EDGE等多種網(wǎng)絡(luò)制式，內(nèi)置 TCP、UDP、PAP、 PPP、CHAP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，還支持 GPS定位功能。 MCU模塊通過串口 UART信號（ TXD、RXD、 CTS、RTS）與無線通信模塊進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)交互。無線通信模塊的串口型號是 1.8 V電平的，UART信號通過 TXB0104芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

2.6 輸入輸出接口模塊

DI接口模塊由四組電阻降壓電路、穩(wěn)壓電路、光耦電路組成，形成一個 9-30 V電壓輸入為“ 1”，0-5 V電壓輸入為“ 0”的輸入電壓識別電路。 DO接口模塊有四組光耦電路、達(dá)林頓驅(qū)動電路、繼電器組成，輸出節(jié)點容量為 10A250AC，10A30VDC。輸入輸出模塊常用于現(xiàn)場一些輔助設(shè)備信號的邏輯監(jiān)控，比如多告警信號與輸出，遙測越限告警輸出等。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計由配置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，特別邏輯處理模塊五部分組成。軟件采用基于 POSIX標(biāo)準(zhǔn)的自主研發(fā)的 Micro eX操作系統(tǒng)平臺，開發(fā)語言為 C/C++并用以提高開發(fā)和運行效率。

3.1 配置模塊軟件設(shè)計

系統(tǒng)配置主要分為網(wǎng)口配置、串口配置、服務(wù)配置、數(shù)據(jù)采集配置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)配置、數(shù)據(jù)存儲配置、特別邏輯處理配置。配置采用 JSON文件格式，由專為其開發(fā)的配置工具軟件生成。系統(tǒng)開機(jī)讀取配置文件，并檢查配置文件的 CRC校驗碼。為防止 Flash長期讀寫可能造成位反轉(zhuǎn)，增加了另外三個備份的處理。如果其中某個備份的配置文件或者校驗碼文件匹配失效，系統(tǒng)軟件自動尋找其他有效備份，任一份加載成功后自動修復(fù)失效的備份。完成備份文件檢查后，根據(jù)加載的用戶配置分別初始化網(wǎng)口和串口，啟動系統(tǒng)服務(wù)、采集服務(wù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)和特別處理服務(wù)。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)軟件將每一種數(shù)據(jù)采集協(xié)議抽象成一種采集服務(wù)對象，當(dāng)對象和采集對應(yīng)的端口綁定后就可以創(chuàng)建一個采集服務(wù)對象實例，對其服務(wù)初始化，然后開始采集。當(dāng)收到采集數(shù)據(jù)時，按照數(shù)據(jù)采集配置中的數(shù)據(jù)解析模型對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移給數(shù)據(jù)存儲模塊。每個數(shù)據(jù)項都具有一個惟一的標(biāo)識 ID，數(shù)據(jù)儲存模塊會觸發(fā)數(shù)據(jù)采集更新事件，通知其他模塊更新處理。數(shù)據(jù)采集服務(wù)同時也接受數(shù)據(jù)更新事件，從而實現(xiàn)對采集設(shè)備的遙控和遙調(diào)。

3.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊

系統(tǒng)軟件同樣將每一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議抽象成一種對象，與其服務(wù)對應(yīng)的端口綁定，形成一個對象實例。初始化成功后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)會根據(jù)不同協(xié)議的不同需要主動循環(huán)上報，或者越步長上報，或者等待主站召喚上報。當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)收到主站的遙控和遙調(diào)命令后，調(diào)用數(shù)據(jù)存儲模塊，觸發(fā)數(shù)據(jù)更新事件，通知相應(yīng)的模塊處理。

3.4 特別邏輯處理模塊

特別邏輯處理模塊是應(yīng)對特殊應(yīng)用場景而生，系統(tǒng)將一組輸入數(shù)據(jù)項和輸出數(shù)據(jù)項按照特定的模型建模，這種模型可以是時序控制模型、組合邏輯控制模型、數(shù)學(xué)控制模型以及用戶自定義的模型。

4 實際應(yīng)用案例

上海局某鐵路站房對高低壓配電所進(jìn)行改造升級，為了管理便捷，站房又上了一套智慧運維管理平臺，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3所示。一個高壓所和兩個低壓所的電力監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳到本站房的電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)，同時遠(yuǎn)傳給調(diào)度中心。配電所的電力數(shù)據(jù)、電梯扶梯的運行狀態(tài)、消防系統(tǒng)涉及的排水坑水位和排水泵的工作狀態(tài)既上傳給站房監(jiān)控系統(tǒng)，也上傳給智慧管理平臺。數(shù)據(jù)采集控制器對下通過 DLT-645、Modbus-RTU、Modbus-TCP、IEC104、IEC103等協(xié)議與各種設(shè)備交互，對上通過IEC104與HTTP協(xié)議與主站交互。經(jīng)過三個多月的實際運行，整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

圖3 實際應(yīng)用案例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

本文介紹一款具有中樞控制功能的數(shù)據(jù)采集控制器設(shè)計。該設(shè)計充分利用NUC972片內(nèi)豐富的外設(shè)資源和大容量RAM，簡化了外圍電路設(shè)計，已成功應(yīng)用于樓宇自控系統(tǒng)和高低壓配電所的綜合自動化系統(tǒng)中。通過現(xiàn)場應(yīng)用總結(jié)、改善和配置工具的改進(jìn)，大大提高配置的可重復(fù)利用性，工程實施人員能方便、高效地實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)的配置，從而降低現(xiàn)場聯(lián)調(diào)聯(lián)試的難度，節(jié)省調(diào)試時間。下一步考慮在這個架構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加MQTTServer的部署，完善特殊處理模塊的抽象實現(xiàn)，從而搭建一個以數(shù)據(jù)采集控制器為中心的高速分布式實時控制網(wǎng)絡(luò)。