兼有双网功能的智能仪表接口电路的设计

于浩洋

(黑龙江工程学院电子工程系，黑龙江 哈尔滨 150050)

0 引言

随着电子技术的迅猛发展，各种工业过程数字仪表应运而生。目前，在工业生产过程中，数据通信普遍采用传统的一对一数据通信模式或自封闭的集散系统。这使得设备之间以及系统与外界之间的信息交换难以实现［1］。

因此，现今的大多数智能仪表接口都只单纯地适应以太网而不能同时兼容Internet［2］。开发具有以太网和Internet功能的智能仪表接口电路，不仅能够很好地解决传统的一对一的数据传输模式和数据“孤岛”问题，更为日益加快的信息化进程提供了一条可靠的过渡渠道［3］。

1 总体结构

整个系统由以太网控制器、微控制器(MCU)、网络接口、RS-485接口和网关等模块构成，总体结构如图1所示。图1中，主控器单片机以查询的方式询问以太网控制器是否有数据接收。如有数据接收，则根据数据包类型交由相关的程序处理;如有数据需要发送，则根据数据包类型进行封装，并投递至以太网中。若目标地址(IP)隶属于Internet，则查询地址解析协议缓存表;若没有相应的IP、物理地址(MAC)映射，则以广播方式查询该映射，然后通过网关投递数据包［4］。图1中的虚线部分由硬件电路实现，其余部分通过软件编程来实现。

图1 系统结构框图Fig.1 Structure of the system

2 硬件设计

硬件电路的设计大体上可分为单片机控制电路、以太网控制器电路、串口扩展电路和RS-485端口通信电路4部分。

2.1 单片机控制电路的选取和设计

PIC24F16KA101系列是通用的16位微控制器，采用nanoWatt XLPTM超低功耗技术，可使休眠电流低至20 nA，非常适用于各种电池供电或电力有限的应用;具备集成的E2PROM存储器，体积小巧，采用低引脚数(20引脚和28引脚)封装［5］，是具有广泛的外设功能和增强的计算性能的16位微控制器。PIC24F16KA101相关电路主要指与以太网控制器、串口扩展芯片的引脚连接。2个I/O引脚用于两芯片的片选信号输出;3个串口(SPI)引脚接入串口总线，通过接口电路数据的串行方式来进行数据传输;2个中断接口被用作外部中断输入，当网络中有数据包接收时，给予主控器中断信号，然后予以处理［6］。

2.2 以太网控制器电路设计

ENC28J60以太网控制器为Microchip Technology公司推出的28引脚独立以太网控制器，是目前全世界最小封装的以太网控制器，它可为嵌入式应用提供低引脚数、低成本且高效易用的远程通信解决方案［7］。相关电路如图2所示。

图2 以太网控制电路Fig.2 Control circuit of Ethernet

图2中，根据ENC28J60的工作频率要求，需在OSC1和OSC2引脚间接25 MHz晶振及接地电容。ENC28J60的内部模拟电路需要在RBIAS引脚与地之间外接一个2 kΩ(精度为1%)的电阻。以太网接口采用含有以太网隔离变压器的RJ45插座HR901170A［8］。

2.3 串口扩展电路的设计

串口扩展电路的设计是为了提高接口电路的网络范围，增加网络最大允许节点数。本文采用GM8142作为串口扩展芯片，将一个标准SPI接口扩展成4个标准的通用异步收发器(UART)。工作模式采用广播模式，即按各子串口设置的波特率、数据帧长和校验方式同时发送到所有子串口中。工作模式、各子串口的工作波特率、数据帧长等各种通信设置均通过软件进行设置，从而减少了微控制器的输入输出接口的需求，有效降低了芯片的功耗。

2.4 RS-485端口通信电路的设计

为了使接口电路拥有与RS-485网络通信的能力，本文采用ADM2587E作为RS-485收发器。ADM2587E包含一个集成式隔离直流电源，不再需要外部隔离电源模块。作为带隔离的增强型RS-485收发器，它还具备±15 kV静电释放保护功能的完全集成式隔离数据收发器，其适用于多点传输线路上的高速通信应用。ADM2587E驱动器还带有一个高电平有效使能电路，可以提供一个高电平接收机有效禁用电路，使接收机输出进入高阻抗状态。

3 软件设计

本文将美国微芯科技公司协议栈的TCP/IP用于网络服务［9］。系统程序流程如图3所示。

图3 程序流程图Fig.3 Flowchart of the program

图3中，单片机PIC24F16KA101的初始化包括时钟模式的确定和复用引脚的相关寄存器的设置。串口初始化是对单片机中的串行口1状态和控制寄存器、串行口控制寄存器1和串行口控制寄存器2进行相应的设置。ENC28J60初始化工作包括接收和发送缓冲器、接收过滤器、晶振的启动时间、介质访问控制寄存器和物理层寄存器的设置。初始化芯片之前先关闭单片机的中断输入，对复位引脚给定一个持续的低电平复位信号，然后对相应的寄存器进行设置。设置完成所有需要的寄存器后，判断以太网状态中的时钟启动标志位是否置位，然后开中断。

4 实际应用

将上述设计应用于智能抄表系统，系统结构图如图4所示。图4中，PIC24F16KA101作为控制器，通过串口SPI和中断引脚INT1连接串口扩展模块GM8142，并通过ADM2587E形成4个独立的RS-485网段(每个网段可连接32个RS-485节点)。通过扩展SIM(用户身份鉴别模块)卡接口，管理网关配置和通信加密。实现Web服务应用时，扩展的外部并行RAM和SPI接口的E2ROM，分别用于超文本传输协议HTTP缓冲和Web页存储。由于GM8142扩展的4个串口具有独立的通信设置和8字节的先进先出口，因此，可灵活地适应不同的测控节点通信。网关复位后，单片机对通用同步/异步传送器口进行设置。本文选择串口的通信方式为半双工模式［10］，设置波特率寄存器 UBRRH和 UBRRL，使波特率为9600 bit/s，设置状态寄存器UCSRB，以使能接收器与发送器，并通过状态寄存器UCSRC设置帧格式。

图4 系统结构框图Fig.4 Structure of the system

5 结束语

由PIC24F16KA101为控制器的微处理器，配以ENC28J60构成的嵌入式以太网模块电路连接简单、功能强大;与目前大多数需要并行数据和地址总线的控制器相比，不需要小封装的微控制器外扩地址和数据总线，并可以将电路做到最小尺寸，符合未来工业以太网控制器的发展趋势。同时，该电路拥有跨越网关的能力。

本设计的创新之处就在于不仅使接口电路实现了兼有在以太网和Internet下进行数据传输的功能，而且克服了接口电路普遍存在的电路结构复杂、连线较多和容易出错的缺陷。实际应用显示，数据传输准确，电路兼容性较好。

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