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

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)上是一個多級的分布式計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)[2],一般可分為三級,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，因此可以簡化為兩級集散式結(jié)構(gòu)，由上位機和下位機組成[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)以上位機為中心，通過RS485或RS422接口將各種具有通信功能的下位機連接起來，采用查詢方式來實現(xiàn)遙測、遙信和遙控功能，下位機與智能設(shè)備之間則可以采用點對點的串行通信（RS232）。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以十分方便的實現(xiàn)小規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)，缺點是組網(wǎng)受到通信距離的限制。

第二種是現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，它放棄了傳統(tǒng)的主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了真正意義上的全分布式結(jié)構(gòu)，使得每一個下位機都可以當作網(wǎng)絡(luò)中一個對等的節(jié)點。同時它

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)，實現(xiàn)遠程通信及遠程下載功能。其缺點是在與計算機互聯(lián)時，還需要專門的網(wǎng)關(guān)，而且標準眾多，難以普及。

第三種是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，隨著計算機技術(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)是指由下位機和上位機直接通過以太網(wǎng)互連而生成的對等網(wǎng)絡(luò)，在這種結(jié)構(gòu)中，不僅下位機之間是對等的，而且計算機作為 “上位機”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，但其缺點是造價不菲，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。本系統(tǒng)利用現(xiàn)有的PSTN網(wǎng)解決了這一問題，即下位機與上位機之間的通信通過PSTN網(wǎng)實現(xiàn)，下位機與智能設(shè)備之間的通信則通過RS485構(gòu)成主從式網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

3　通信模塊硬件電路設(shè)計

下位機作為直接面向設(shè)備的從機需要與上位機進行遠程通信，同時下位機還要作為主機與各種智能設(shè)備通信。因此在本系統(tǒng)中同時采用了RS232和RS485 兩種通信方式，其中下位機與上位機之間的通信通過RS232接入PSTN網(wǎng)實現(xiàn)，完成獲取參數(shù)、傳輸數(shù)據(jù)以及遠程報警等功能；下位機與各種智能設(shè)備之間的通信則通過RS485組網(wǎng)實現(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的微處理器DS80C320，它在普通單片機基礎(chǔ)上為P1口也定義了第二功能，從而擁有四個全雙工串行通信口、六個外部中斷、三個定時/計數(shù)器，而且在指令上與8051完全兼容，對于監(jiān)控系統(tǒng)的通信單元來說十分適用。

3.1 下位機與上位機之間的通信

下位機與上位機之間的通信采用了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中實現(xiàn)；第二種方案是擴展一個類似PCI或ISA的插槽，通過內(nèi)置Modem連至PSTN網(wǎng)；第三種是擴展一個標準的全雙工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)計的優(yōu)點，但缺點是軟硬件的設(shè)計較為復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性不高；第二種方案與內(nèi)置Modem和擴展槽的硬件設(shè)計密切相關(guān)，不利于維護和升級；第三種方案具有通用性好、可靠性高、維護方便的優(yōu)點，因此在本系統(tǒng)中采用第三種方案來實現(xiàn)下位機與上位機之間的通信。其具體實現(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行通信。同時它還提供了多個控制信號，可以方便的實現(xiàn)與Modem之間的互聯(lián)。由DS80C320的ALE、、組合產(chǎn)生2MHz脈沖作為8251的時鐘信號，同時這一脈沖經(jīng)過CD4024組成的分頻器進行64分頻后作為8251的接收、發(fā)送時鐘。8251的片選信號 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，其他控制信號完成單片機與Modem之間的狀態(tài)控制和檢測：振鈴指示信號RI經(jīng)電平轉(zhuǎn)換以后接至DS80C320的外部中斷；載波檢測信號CD經(jīng)電平轉(zhuǎn)換以后接至DS80C320的P1.1。當上位機撥號呼叫下位機時，振鈴指示信號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，摘機進入應(yīng)答通信狀態(tài)。

3.2 下位機與智能設(shè)備之間的通信

下位機與智能設(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現(xiàn)通信，具有很強的抗共模干擾能力，傳輸距離在10Kbps傳輸速率下可達1.2公里。其具體實現(xiàn)方案如圖2所示。

圖2　RS485通信的整體實現(xiàn)方案

在采用這種通信方案時應(yīng)注意以下幾點：

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

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

(3) 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對其進行擴展，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。由于單片機復(fù)位時，各端

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

4 通信模塊軟件設(shè)計

4.1 上位機與下位機通信流程

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

4.2 下位機與智能設(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，因此控制信號高低電平的轉(zhuǎn)換十分關(guān)鍵。本系統(tǒng)將單片機的發(fā)送中斷標志TI和接收中斷標志RI作為切換的參考，但此時必須注意應(yīng)保證控制端 、DE的信號有效脈寬大于發(fā)送或接收一幀信號的長度。其具體的軟件流程如圖5所示。

圖5　本地通信程序框圖

5　實驗結(jié)果

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

從以上實驗結(jié)果可以看出，系統(tǒng)具有較高的測量精度，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，并針對傳統(tǒng)的主從式網(wǎng)絡(luò)受距離限制的缺點提出了一種改進方案。實踐證明該改進方案對于目前已相當普遍的通信電源監(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、便于升級等優(yōu)點。

參考文獻：

[1] YDN023—1996.通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求及通信協(xié)議[S].

[2] 劉希禹.通信電源與空調(diào)及環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)[Ｍ].北京：人民郵電出版社，1999.

[3] 馬明建，數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2000.

[4] 曹保根，主從式RS485應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)式[J]，電子技術(shù)2000，NO.2.