太阳能发电系统数据采集与传输的硬件设计

2010-06-28 16:14:21来源: 现代电子技术

  0 引言

  ARM(Advanced RISC Machines)是对一类微处理器的通称。ARM是微处理器行业的一家知名企业,它设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。ARM微处理器是一种高性能、低功耗的32位微处理器,该处理器广泛应用于嵌入式系统中。ARM 9代表了ARM公司主流的处理器,已经在手持电话、机顶盒、数码像机、GPS、个人数字助理以及因特网设备等方面有了广泛的应用。在此,以ST公司生产的ARM 9系列中典型的STR912FW44X6芯片作为硬件开发平台的MCU,完成了基于ARM的太阳能发电系统中数据采集与传输系统的硬件设计,并提出了一种利用RS 485串口代替RS 232串121来进行通信的新方法。

  l 硬件总体设计框架

  硬件总体设计框架如图1所示。

硬件总体设计框架

  2 硬件介绍

  现以STR912FW44X6芯片作为硬件开发平台的MCU,STR912FW44X6外扩张了点阵LCD显示屏、输入按键、UART接口、IrDA、CAN、USB、ETM接口、音频放大器/话筒放大器和以太网接口。其中,本文使用的有UART接口和以太网接口。UART接口分为一个RS 232串口和两个RS 485串口。RS 232串口用来与GSM模块的RS 232串口相连,以实现GPRS的无线传输;两个RS 485串口,一个用来作MODBUS通信接口,另一个用来接电度表计,以采集统计并显示太阳能发电系统的发电量。以太网通过网线连接到网络,以实现数据的无线传输。

  3 硬件电路设计和功能实现

  3.1 RS 232串口的电路设计和功能实现

  RS 232是一种串行数据接口标准,是目前最常用的串行接口标准,用于计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据传输。RS 232串行接口总线适用于设备之间通信距离不大于15 m,传输速率最大为20 KB/s。

  RS 232串口是通过ST公司生产的ST3232EAR来实现的。ST3232EAR是一种把电脑的串行口RS 232信号电平(-lO V,+10 V)转换为单片机所用到的TTL信号电平(O V,+3.3 V)的芯片。它的内部结构由三部分组成:第一部分是电荷泵电路,由1~6脚和4只电容构成。其功能是产生+12 V和-12 V两个电源,为RS 232串口提供电平的需要。第二部分是数据转换通道,由7~14脚构成2个数据通道。其中,13脚(RlIN)、12脚(R1OUT)、11脚(TlIN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道;8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。TTL/CMOS数据从TlIN,T2IN输入转换成RS 232数据,从T1OUT,T20UT送到电脑DP9插头;DP9插头的RS 232数据从RlIN,R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后,从R1OUT,R2OUT输出。第三部分是供电,由15脚GND、16脚VCC(+5 V)构成。

  通过将MCU中GPIO的RXD和TXD分别与ST3232的12脚(R1OUT)和11脚(T1IN)相连,使14脚(T10UT)和13脚(R1IN)输出RS 232电平,然后连接GSM模块RS 232串口和MCU板上的RS 232串口,可以通过向RS 232接口写AT指令来达到控制GSM模块功能的目的,以通过GPRS实现数据的传输。

  3.2 RS 485串口的电路设计和功能实现

  RS 485是用来采集太阳能发电系统数据的,这里之所以采用RS 485而不采用RS 232,是因为RS 485比RS 232具有很多优势。RS 232采取不平衡传输方式,即单端通信,其收发端的数据信号都是相对于地信号的。所以它的共模抑制能力差,再加上双绞线的分布电容,其传输距离最大约为15 m,最高速率为20 KB/s,且其只能支持点对点通信。而RS 485采用平衡发送和差分接受方式实现通信,由于传输线通常使用双绞线,有时差分传输,所以有极强的抗共模干扰能力,总线收发器的灵敏度很高,可以检测到低至200 mV的电压,故其传输信号在千米以上是可以恢复的。RS 485的最大通信距离约为1 219 m,最大传输速率为10 MB/s,它采用双半工工作方式,可支持多点数据通信,其总线一般最大支持32个节点。

  RS 485接口芯片采用的是ADM3485。ADM3485采用单一电源+3.3 V工作,半双工通信方式,可完成将TTL电平转换为RS 485电平的功能。  ADM34185芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和一个接收器,RO和DI端分别为接收器的输出端和驱动器的输入端,与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可。RE和DE端分别为接收和发送的使能端,当RE为逻辑0时,器件处于接收状态;当DE为逻辑1时,器件处于发送状态,因为ADM3485工作在半双工状态,所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可。A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时,代表发送的数据为1;当A的电平低于B端时。代表发送的数据为O。在与单片机连接时接线非常简单,只需要一个信号控制ADM3485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻,一般可选100 Ω的电阻。该设计有两个RS 485,其中一个用来作MODBUS通信接口,另一个用来接电度表,以采集统计并显示太阳能发电系统的发电量。

  3.3 以太网的电路设计和功能实现

  以太网网口采用的是0880-1X1T-01,以太网物理层接口芯片采用的是ST公司的STElOOP快速以太网物理层芯片。STEl00P以太网接口芯片提供了一组媒体独立接口(MII)。媒体独立指的是在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下,任何类型的PHY设备都可以正常工作。MII接口是快速以太网MAC层与PHY层之间的标准接口,是IEEE 802.3定义的以太网行业的标准。它包括一个数据接口,以及一个MAC和PHY之间的管理接口。数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号。管理接口是个双信号接口:一个是时钟信号,另一个是数据信号。

  通过管理接口,上层监视和控制PHY。基于以太网的TCP/IP通信,使ARM可以通过网线进行联网,并可以实时地与计算机进行通信,用来传输太阳能发电系统的实时数据。

  4 结语

  提出一种利用RS 485串口代替RS 232串口进行通信的新方法。这种方法解决了RS 232串口在传输距离和节点数量的限制,大大提高了数据传输的能力。

关键字:ARM  RS232  RS485  以太网  GSM

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0628/article_2354.html
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