多路485转以太网串口服务器的设计及应用

2021-06-04盛晓明陆阳杰董艳青

智能建筑电气技术 2021年2期

贾伟，盛晓明，陆阳杰，王炜，董艳青

(1. 中南建筑设计院股份有限公司，武汉 430071；2. 江苏安科瑞电器制造有限公司，江阴 214405)

0 引言

通信技术凭借着高效且持续性的发展，成为社会热门技术，其中核心的串口通信技术更是凭借接口简单、使用方便、技术易掌握等优点被广泛应用，目前传统的工业控制设备大多是通过串口来进行通讯。串口通信虽然使用方便，但抗干扰能力差，易受传输距离和速度限制。通过物联网技术，使用串口连接以太网服务器，将数据传输给系统后台，可以克服串口通信传输距离和速度限制问题。

为此，本文所述解决方案在基于stm32芯片的基础上设计了8路RS485串口服务器，可实现多个串口与以太网端口数据交互，同时用户还可通过该串口服务器的双网口功能级联另一台串口服务器，以解决串口设备功能单一、监控路数较少等通信问题，实际应用时，此解决方案具有较高的实用性。

1 串口服务器的整体设计

该系统主要由带网络变压器的RJ45以太网连接器HR915 200A、主控MCU和8个电气隔离的485串口模块组成，以实现多个串口与以太网端口之间的数据交互。图1所示为串口服务器整体的设计框图。

图1 串口服务器整体的设计框图

系统以32位STM32F429VET6作为主控芯片，该主控芯片是一款32位Cortex©-M4CPU，主频可以达到180MHz，能够实现高达225DMIPS/1.25DMIPS/MHz (Dristone 2.1)性能要求，具有dsp的指令集。具备4个USART接口、4个UART(11.25 Mbit/s)接口、6个SPI(45 Mbits/s)接口，具有专用的以太网MAC，支持MII/RMII接口，可以通过 SPI串行接口或者RMII接口控制网络芯片收发数据。

采用以太网芯片DP83848KSQ实现以太网网页配置及第一路以太网接口通讯。其中，DP83848KSQ是一款10/100Mbps单物理层(PHY)器件，具有良好的鲁棒性，功能齐全、功耗低；同时支持MII(媒体独立接口)和RMII(精简型媒体独立接口)，能同时兼容10M/100M以太网外设，对其他标准以太网解决方案也具有很好的兼容性和通用性。

采用W5500以太网接口芯片实现第二路以太网接口通讯及另一台串口服务器的通信级联。其中，W5500是一款集成硬件TPC/IP协议栈的以太网芯片，内部集成了10/100M以太网MAC和PHY，可以8个独立的端口同时工作，帮助系统自行进行握手的功能(全双工、半双工)，同时支持高达80MHz时钟的SPI接口与主控芯片进行通信。

选用8个MAX13487芯片来实现8路RS485协议通信，并通过软件程序对该硬件架构设计。

1.1 电源电路设计

串口服务器可以采用AC/DC 85-265V的交直流供电电源输入方式。当输入供电电压为AC/DC 85-265V时，通过反激式开关电源可以输出一个稳定的主5V电压，该开关电源方案成熟，转化效率高、带载能力高，可以使系统稳定工作，再经过1个线性稳压器SPX1117M3-L-3-3/TR为整个串口系统提供3.3V稳压电源。开关电源输出5V电压电路如图2所示，3.3V稳压LDO电路如图3所示。

图2 开关电源输出5V电压电路

图3 3.3V稳压LDO电路

1.2 RS485串口通信电路设计

RS485是一种串行物理接口标准，通常用“A和B”或者“D+和D-”来表示。逻辑“1”代表A、B或者(D+、D-)线路之间的电压差为0.2-6V，逻辑“0”代表A、B或者(D+、D-)线路之间的电压差为-0.2-6V。最大的传输距离能够在1 200m上下。使用RS485收发器MAX13487与SI8622EC-B-IS组合，可以保证2kV电气隔离的RS485串口正常通讯。RS485通讯电路如图4所示。

图4 RS485通讯电路

1.3 以太网接口电路设计

采用PHY芯片DP83848KSQ实现以太网网页配置与第一路以太网接口通讯，PHY芯片输出一组RMII接口MDC、MDIO、CLK、TXEN、TXD0、TXD1、CRS_DV、RXD0、RXD1、nRST与STM32F429VET6的RMII接口相连。

W5500作为一个以太网模块与第二路以太网接口通讯，作为从机通过SPI接口协议与主控芯片通信，除SPI协议通信所需要的MOSI、MISO、SCK和SCSn根信号线与主控芯片的SPI接口相连外，还要RESET、INT、PMODE0、PMODE1、PMODE2引脚与STM32F429VET6的GPIO口相连。以太网接口电路设计如图5所示。

图5 以太网接口电路

以太网连接器采用HR915 200A，该连接器集成了网络隔离变压器并且选用了RJ45接口，因此简化了硬件电路的设计。

2 串口服务器软件设计

串口服务器软件流程图如图6所示，主控芯片STM32F429VET6控制以太网芯片DP83848KSQ和W5500，LED指示灯，外部FLASH以及8路RS485通讯。

图6 串口服务器的软件流程图

串口服务器的初始化流程先经过系统的时钟初始化，而后进行参数初始化、串口初始化，最后完成以太网初始化。

串口服务器的主任务流程先经过系统的时钟初始化，之后8路RS485串口收发数据，通过以太网服务器解析8路串口数据，以太网数据上传至上位机，同时对应的LED灯闪烁，服务器检查连接是否超时，假如连接超时，通过“看门狗”返回上级串口数据收发一层，重复对应流程直至数据被准确接收。

串口服务器还可通过第一路网口对应的IP地址去配置8个RS485的通信参数，包括通信端口号、波特率、校验位、停止位等。串口服务器的WEB版配置界面如图7所示。

图7 串口服务器WEB版配置界面

3 串口服务器应用实例

该串口服务器已成功运用在多个行业内，如工矿企业、石油化工、建筑楼宇、酒店公寓、市政工程、交通运输、教育医疗、电气安全等。

以某市康桥先进制造技术创业园项目为例，该项目主要采取分层分布式计算机网络结构(现场感知层、网络层和平台层)，将能耗监测管理系统提供的数据与环比剖析的数据一同量化节能技术的改造成果，最大程度体现节能改造带来的效果。

该项目客户要求：(1)配置相对简单，只需将电表和串口服务器及网关的配置导入系统云平台后就可使用；(2)能够远程抄表，无需人工抄表，仪表和各类监控的状态量实时监控，并且能准确到3min以内。(3)能够远程控制，能对任意电表进行远程分合闸或报警值设定等一系列远程参数控制操作，方便维护管理；(4)用户和管理员都可查询各类接入的仪表和开关量状态等每天的用能状况。

针对用户需求并通过实地考察，发现该项目所在园区配电房多且分散，决定采用各类多功能电力仪表、预付费系列仪表、温湿度控制器、开关量检测模块等设备进行线路改造，总数在639块左右。

由于单个配电房内部安装了多个采集测量设备，若采用常规手段，用一条485总线去挂载这些设备，然后连接至现场总后台系统，则存在下列问题：(1)485总线太长，存在通讯质量问题；(2)若单台设备通讯接口接反，可能导致整条总线通讯不上；(3)单独一条485总线，挂载的设备数量有限。针对现场的复杂情况，决定采用8路RS485串口服务器。由于该串口服务器是4模大小，并且有8路RS485串口，可以将串口服务器直接安装在本地配电箱里面，满足了最大配电房设备接入总数超过200只的情况(每路485串口最大支持接入30台设备，8路可以满足240台)，另外其他设备总数较少的配电房，可通过串口服务器之间的网口级联来与挂载总数较多的进行数据交互，形成设备层组网，并与就近的主机或者网关相连，将数据通过4G或者网络的形式分两路上传至某司能耗云平台和预付费云平台。该项目的系统方案拓扑结构图如图8所示，组网方式图如图9所示。