虚拟化集中器解决方案中基于单片机转换器设计与开发

摘要：传统的计量自动化电表采用RS-485总线接口，但不适用于基于以太网传输的虚拟化集中器方案中。本文提出了一种以单片机为控制芯片的转换器设计方案，该转换器解析485电表协议，并把用电数据转换为以太网电表抄集协议报文。实验表明，该转换器大大提高电表的数据采集效率。

关键词： RS-485；虚拟集中器；以太网协议；

中图分类号： TP62+2 文献标识码： A 文章编号：

1. 引言

使用计量自动化电表是电网抄集用户用电数据的传统方案。为了实现长距离传输，保证数据的准确性，主流的电表都采用RS-485作为通信总线，把抄集的用电数据发送给集中器。虽然RS-485总线协议定义了多种传输速率，但是现场施工时，往往采用1200bps的低传输速率，加上该协议只支持一问一答的握手方式，导致了计量自动电表抄集业务的效率低下[6]。随着网络技术的发展，以太网协议的应用日益广泛，基于以太网的虚拟化集中器被提出来作为一种新型的自动化抄集解决方案。采用以太网进行现场数据采集，具有高速、高抗扰性、传输距离长等显著优点，能很好的解决传统的基于RS-485总线传输方案的不足[1]。但是以太网用于现有的电表抄集系统，需要解决RS-485协议到以太网协议的转换问题。

本文设计开发一种用于虚拟化集中器解决方案中将RS-485抄表协议转为以太网抄表协议的转换器。该转换器位于485电表和虚拟集中器之间，作为主要的通信组网节点而存在。利用单片机作为微控制器，准确解析485电表协议，并把用电数据转换为以太网电表抄集协议报文，使用高速率进行通信，从而大大提高电表的数据采集效率。

2 系统整体功能

在当前电网的虚拟化集中器改造方案中，需要在基于RS-485总线通信的电表和虚拟集中器主机中加入一个转换装置。设备的一端带有多个RS-485接口，通过RS-485总线连接到数个电表。而另一端则是以太网接口，可以介入以太网当中与虚拟集中器主机相连接，其组网示意图如下图1所示。

图1 组网示意图

Fig. 1 Networking diagram of an automatic reading system

3 硬件设计

本文设计的RS-485与以太网接口转换器采用89S51单片机作为控制芯片，选用以太网控制器RTL8019AS芯片完成网络通信功能，配以MAX485芯片实现RS-485接口和单片机之间的电平转换。为了达到与多个RS-485电表的连接，单片机通过多路选择器输出片选信号，实现对多个接口的循环访问控制。具体的硬件电路原理框图如下图2所示。

图2 转换器的硬件电路原理框图

Fig.2 Schematic diagam for the hardware circuit of the converter

89S51系列单片机是一款低功耗多功能高性价比的控制芯片，采用CISC复杂指令集，可以灵活的实现在线编程[2]。该款单片机最高工作频率达33MHz，具有双工UART串行通道，能方便的实现RS-485通信协议，89S51有2个16位的I/O口，可以作为数据总线和地址总线使用，由于单片机采用的是TTL电平，但在使用RS-485接口输出时，必须进行两种电平之间的转换。

MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485电平转换芯片，是用于RS-485接口通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。采用单一电源+5 V工作，额定电流为300uA，半双工通讯方式。它实现了TTL电平和RS-485电平之间转换功能[7]。

RTL8019AS是由Realtek公司生产的一款高集成度的以太网控制芯片[4]，具有8/16位总线模式，其接口符合Ethernet2规范，集成了IEEE802.3协议标准的介质访问控制子层和物理层的性能，支持以太网全双工通信方式，其数据收发速率可达10Mbps，内置16KB的SRAM，可以方便的实现与微处理器进行连接。在硬件电路设计中， RTL8019AS采用的总线接口是与ISA总线兼容的，可以与单片机直接相连。为了减少连线提高电路稳定性，采用跳线方式，即RTL8019AS的I/O和中断由硬件跳线来决定，而不需要另接外部存储芯片[8]。

4 软件设计

4.1 RS-485通信及通信协议

RS-485是一种物理通信层的现场总线，采用差动方式传输信号，一般地，RS-485通信是一种半双工通信方式[3]。这种情况下，RS-485只能采用主从式的工作方式，即从设备从来不会主动向上发送数据和请求，而是由主设备对从设备发出数据传输指令。在任何一个时刻，主设备只能和一个从设备进行通信。这种半双工通信，限制了采用RS-485总线的电表只能采用一问一答的握手方式。由于RS-485是属于物理层协议，在实际的应用当中，仪表制造商都会自行规定自己的数据通信协议，在本文涉及的电网虚拟化集中器改造方案中，485抄表协议采用的是当前广东电网公司工业标准电表所使用的DL645协议。该协议定义了包括如波特率、起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等通信数据格式，以及包括了命令起始字符、地址编码和帧数据等通信帧格式[6]。一般来说，通信格式为波特率：300~9600bps，数据通信格式为1个起始位，8个数据位，1个停止位，无校验位。

4.2 TCP/IP协议栈的选择

为了使接口具有网络接入功能，本文的接口转换器必须嵌入符合以太网规范的通信协议。但是，单片机的资源是有限的，其处理能力不足以实现完整的以太网协议栈，只能进行适当的裁剪，保留必须的。参考开放系统互联模型（OSI），在单片机中只保留传输层和网间网层。在传输层，用于工业现场的一般采用TCP或者UDP协议，TCP协议提供了一种可靠的面向连接的数据流传输服务，它采用有确认过程的握手方式保证其数据的可靠性。而UDP协议则是一个简单的无连接传输协议，与TCP协议相比，传输效率高，但存在数据丢失的可能性[5]。在本文设计的接口转换器重，选用TCP协议。在网间网层，取消ARP协议，不响应ARP请求。而IP协议得到完整的保留，该层负责把TCP数据包再封装成IP报发送出去。

UIP是一个完全由C语言编写的开源软件，专门为8位和16位嵌入式微控制器设计的微型TCP/IP协议栈，它采用BSD授权，具有良好的互操作性，遵循RFC标准。UIP提供了网络所必须的协议，本身代码和占用的内存都非常少。在本文单片机程序的开发中，直接采用了该接口模块。

4.3 软件实现过程

单片机控制程序主要由三部分组成：

一、初始化部分。完成单片机的初始化，包括工作方式，寄存器和I/O口的设定等。然后设置以太网控制器RTL8019AS的工作方式，采用TCP/IP协议，把RTL8019AS配置为服务器模式，开启监听端口，等待虚拟集中器的连接请求。

二、在接收到虚拟集中器的连接，顺利完成TCP/IP协议所规定的握手过程后，硬件进入正常工作状态。这是一个主循环阶段，其工作过程分如下几个步骤：

1）定时发送心跳包，维持和虚拟集中器的TCP长连接状态，等待从虚拟集中器通过网线发送过来的以太网协议报文。

2）接收并处理来自虚拟集中器的以太抄表报文，根据TCP/IP协议解析该报文，对照电网定义DL645协议，把解析后的数据转换为485电表规定的报文形式。报文发送成功后，应当记录发送报文的序号，同时根据序号设置对应中断的优先级

3）将DL645格式的数据包通过RS-485总线发送出去，等待电表的响应，以完成虚拟集中器和电表之间的问答通信。如果需要和多个电表之间握手及数据通信，则采用单片机轮询的方式，通过读写信号控制多路选择器对片选信号置位或者清零，从而实现对多个电表的指令发送。

4）在接收到电表返回的用户用电信息后，对照DL645协议提取当中的参数，根据以太抄表协议重新封装，然后通过与虚拟集中器维持TCP长连接的数据通路发送回去。

三、中断服务程序，主要由虚拟集中器和电表触发。由于需要和虚拟集中器维持长连接通道，如果遇到网络连接中断等异常出现，则触发中断，该中断应该优先处理。在等待多个电表返回数据的过程中，有可能同时收到多条电表数据，这些应该根据中断优先级依次处理，以维持转换器的有序工作。

根据上述的软件操作过程，可以画出程序的流程框图如下图3

图3 程序流程框图

Fig. 3 Flow chart of the software program

5 结束语

基于89S51单片机的RS-485与以太网接口转换器电路简单，成本低，稳定性高，还具备了控制功能。该设备是作为关键组网连接节点，为实现电网的虚拟化集中器改造方案提供了硬件支持。通过转换器，充分发挥以太网通信方式便捷，组网容易的优点，可以实现多表抄集作业，并使后端485总线与电表之间可以设置为近距离通信，从而实现了采用高速率来和电表进行数据交换，突破了1200bps的速率瓶颈，大大提高和改善了虚拟集中器与电表的通信效率。

参考文献

[1] 姚放吾，王旭涛；基于网络的楼宇用电集中控制器的设计与实现；计算机技术与发展；2011,21(4):198-201

[2] 张凤琴；基于高速C8051单片机的以太网接口设计；科学技术与工程；2009,9(5):1298-1304

[3] 陈曦，曾礼；基于智能模块的RS-485通信协议转化路由器；自动化仪表；2002,23(3):61-63

[4] 孟祥育，毛雪珍；RS-485与USB接口转换卡的设计与实现；电子技术；2002,12:32-35

[5] 王静，赵建，沈雪亮；基于Freescale单片机的自动化仪表以太网转换接口设计；2008,11:46-50

[6] 李庚清；RS-485在电力负荷管理应用中的若干问题及解决办法；电力需求侧管理；2002,4(3):35-37

[7] 姜云柏，韩怀成，包文毅，孙卫东；主从式RS485串行通讯在实际中的应用；信息技术；2001,3:26-27

[8] 刘兼唐，赵敏；以太网转换接口设计；信息技术；2006,29(3):91-93