智能通信控制器ICS0208及其在水電廠的應(yīng)用

袁平路 張捷 張子皿 楊晉

北京中水科水電科技開發(fā)有限公司 北京 100038

引言

隨著水電廠自動(dòng)化水平的不斷提高，現(xiàn)場(chǎng)有很多儀表﹑設(shè)備的數(shù)據(jù)需要上送給監(jiān)控系統(tǒng)[1]，這些設(shè)備提供的通信接口為異步串行接口RS485，要傳送給計(jì)算機(jī)很不方便。計(jì)算機(jī)主要通過網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。現(xiàn)場(chǎng)有很多設(shè)備提供的通信規(guī)約為Modbus或者其他規(guī)約如DLT645，由于現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)量較多，采集的數(shù)據(jù)較多，造成數(shù)據(jù)傳輸不方便，要改變?cè)性O(shè)備的硬件，使其能聯(lián)網(wǎng)，困難較大。

本文介紹的智能通信控制器ICS0208提供8個(gè)串口和兩個(gè)網(wǎng)口，可解決多個(gè)串口設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)問題。該裝置采用嵌入式[2]ARM芯片作為核心控制器，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，設(shè)備內(nèi)部裝載上層應(yīng)用程序，用戶只需要配置應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)各協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集。針對(duì)不同的串口協(xié)議，修改串口配置文件就可完成對(duì)串口數(shù)據(jù)的接收和處理，具有很好的靈活性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件以TI公司AM3352為核心處理器，外部擴(kuò)展SDRAM﹑FLASH﹑TF卡﹑串口擴(kuò)展芯片，處理器自帶2路千兆以太網(wǎng)，串口擴(kuò)展芯片可擴(kuò)展8路串口，同時(shí)設(shè)備支持硬件加密，溫度測(cè)量功能。軟件部分以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，編寫底層串口驅(qū)動(dòng)程序[3-4]和上層通信程序，實(shí)現(xiàn)各種情況數(shù)據(jù)的處理和通信協(xié)議的轉(zhuǎn)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(dá)6路UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）接口，集成兩個(gè)100/1000 Mbps以太網(wǎng)控制器，只需在外部擴(kuò)展PHY芯片﹑網(wǎng)絡(luò)變壓器，即可實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)通信。滿足目前智能通信控制器的硬件需求，Linux操作系統(tǒng)具有代碼開放，支持多任務(wù)﹑多線程，支持多種硬件平臺(tái)，內(nèi)核可定制，運(yùn)行穩(wěn)定，免費(fèi)等特點(diǎn)，因此，選擇Linux作為操作系統(tǒng)平臺(tái)。

2 硬件設(shè)計(jì)

智能通信控制器的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括電源調(diào)整電路，核心板，以太網(wǎng)接口電路，串口擴(kuò)展電路，顯示電路，溫度測(cè)量電路，硬件加密電路，TF卡擴(kuò)展電路等。電源電路的電壓輸入范圍為的9V～36V DC，默認(rèn)24V DC。電壓芯片將外部電壓調(diào)整為工作電壓5V和3.3V。核心板支持1G FLASH，512M SDRAM，外部擴(kuò)展TF卡主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，更新系統(tǒng)等。顯示板用于顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。AM335X內(nèi)部集成了6個(gè)串口，其中UART0作為控制臺(tái)使用，便于程序的開發(fā)調(diào)試。采用CH438芯片進(jìn)行了串口擴(kuò)展，CH438 支持8路UART，包含8個(gè)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(tǒng)的串口擴(kuò)展﹑帶自動(dòng)硬件速率控制等。外部連接可編程拓?fù)湫酒琈AX1360，實(shí)現(xiàn)RS232/RS485的電平轉(zhuǎn)換，通過設(shè)備內(nèi)部的軟件配置，可以實(shí)現(xiàn)配置輸出接口為RS232電平或RS485電平，而不需要改動(dòng)硬件。AM3352集成了兩個(gè)以太網(wǎng)MAC控制器，采用AR8035芯片在外部擴(kuò)展兩路網(wǎng)口可實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)通信。

圖1 lCS0208硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件分為人機(jī)界面和運(yùn)行主程序兩個(gè)部分，人機(jī)界面的運(yùn)行環(huán)境是Windows，功能是配置各通信端口的協(xié)議和參數(shù)，由于是Windows界面所以可以非常方便地安裝在任何一臺(tái)筆記本電腦上；運(yùn)行主程序部分的環(huán)境是Linux，功能是執(zhí)行通信主程序和通信管理程序，采用Linux系統(tǒng)主要是為了滿足電廠的運(yùn)行安全和穩(wěn)定。整個(gè)控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示，ICS0208有8個(gè)串口，可以同時(shí)和8個(gè)外部設(shè)備進(jìn)行通信，協(xié)議可以多種多樣，例如：Modbus RTU﹑IEC 102﹑IEC 103等。調(diào)試人員在windows平臺(tái)下通過人機(jī)界面配置通信協(xié)議和參數(shù)，并生成相關(guān)文件，通過跨平臺(tái)軟件將生成的可執(zhí)行文件及配置文件下載到Linux系統(tǒng)中，在Linux系統(tǒng)中對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，確定與外部設(shè)備通信是否正常，設(shè)置自啟動(dòng)文件與環(huán)境，讓通信程序可以脫離調(diào)試人員與外部設(shè)備通信。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程框圖

4 軟件功能

該通信平臺(tái)主要用于與水電廠外部設(shè)備進(jìn)行通信，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入PLC中進(jìn)行使用。主要通信協(xié)議如下：

4.1 MODBUS RTU

水電廠常用串口通信協(xié)議，通信方式簡(jiǎn)單﹑高效。

4.2 MODBUS TCP

水電廠常用網(wǎng)口通信協(xié)議，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通用性強(qiáng)。

4.3 DL645T

IEC102規(guī)約的變種，常用于國(guó)內(nèi)電度表通信中。

4.4 IEC103（串口）

常用于水電廠與保護(hù)系統(tǒng)之間的通信。

5 軟件界面

該平臺(tái)的人機(jī)界面簡(jiǎn)單﹑易用﹑好維護(hù)，先配置串口設(shè)備的通信規(guī)約，再配置網(wǎng)口側(cè)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(duì)應(yīng)的目錄中即可。

表1 參數(shù)配置界面

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6 結(jié)束語(yǔ)

ICS0208智能轉(zhuǎn)換器主要解決水電廠現(xiàn)地設(shè)備串口聯(lián)網(wǎng)的問題，實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)的采集，統(tǒng)一上送到PLC與監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，該設(shè)備具有很好的穩(wěn)定性和配置靈活性，在白山電廠，大華僑水電站，五強(qiáng)溪水電站，白鶴灘水電站等得到了成功應(yīng)用，效果非常良好。